煤矿瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统设计与应用

李 凡

（晋能控股装备制造集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

赵庄煤业属于高瓦斯矿井，由于煤层中的瓦斯气体含量较高，煤炭开采过程中瓦斯气体释放量较大，易发生瓦斯爆炸灾害，给矿井生产安全带来极大的危害[1-4]。目前赵庄煤业工业废水处理成本高，回收利用率低，且地面污水处理厂已满负荷运行。采用RO 反渗透膜软化水技术和平板陶瓷膜相结合的工艺对瓦斯泵站循环水进行净化处理，是一种全新的尝试。

赵庄南苏风井瓦斯抽放泵站是该矿瓦斯抽放系统的核心设备，瓦斯泵站循环水钙镁离子含量高，极易导致泵体及其连接管道中结垢，严重影响了瓦斯抽放泵稳定运转。结垢还会导致抽放耗能，导致检修费用增加，增大日常检修工作量[5-7]。本文通过研发瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化自动控制系统，针对瓦斯泵站无人化值守远程控制净化水系统，该系统利用平板陶瓷膜技术和反渗透工艺相结合，滤除循环水中的固体悬浮物杂质，对废水进行循环利用，尽可能降低瓦斯泵站的结垢现象，从而既能保证瓦斯抽放泵站的正常高效运行，又为矿井安全生产提供保障，解决了泵站循环水水质对机组的影响，抽放泵故障风险降低，抽放效率进一步提升。

1 系统方案设计与实施

1.1 技术路线研究

为了解决赵庄煤业南苏风井瓦斯抽放泵站循环水对瓦斯抽放泵的结垢锈蚀影响，保障矿井瓦斯的高效安全抽采，对现有瓦斯抽放泵站循环水系统进行优化设计和自动化升级改造，采用的技术路线如图1 所示。通过现场调研进行方案设计、净化系统实施和自动控制技术开发，从而实现对瓦斯抽放泵循环水净化系统的自动控制和调节，满足现场使用要求。

图1 技术路线

1）现场调研、查阅资料。与矿方技术人员一起进行现场调研，了解现有模式存在的问题，并由此而带来的影响，明确研发目标，了解操作人员、技术人员及管理人员对项目的需求，查阅技术资料了解国内外发展情况及其他厂家或者已经实施项目的优缺点，研究净化工艺路线设计方案。

2）系统方案设计。通过采用平板陶瓷膜，研发一套中水回用设备，对于瓦斯泵站循环水，设计安装一套RO 反渗透膜装置，一套平板陶瓷膜净化装置，一套压滤装置，一套上位机控制系统。循环水经过净化处理后，水质得到改善，硬度降低，适合瓦斯抽放工作使用，能够提高机组运行效率，降低因结垢导致的故障风险。

3）现场安装、调试。根据系统设计安装中水回用设备、RO 反渗透膜装置、平板陶瓷膜净化装置、控制系统等，并进行现场调试。

1.2 系统方案设计与关键技术

瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统主要是去除水体中悬浮物、钙镁离子和其他盐离子，保持循环水中悬浮物和各种离子符合运行要求，主要采用平板陶瓷膜与RO 反渗透相结合的净化工艺，如图2所示。该工艺系统主要由反清洗过滤器、平板陶瓷膜箱、保安过滤罐、高压泵、RO 反渗透装置和循环水池组成，通过阀门和管路将整个系统连通，实现了瓦斯泵站循环水净化利用。

图2 瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化原理图

1）平板陶瓷膜技术

如图3 所示，平板陶瓷模组是将单片的平板陶瓷膜进行多膜片组装黏合，并将过滤清洗循环装置集成到多片膜组内，同时为避免膜片破损后导致的水质污染，破损的膜片可通过逆止阀逐个隔离，每破损一片影响装置总体处理能力的0.05%，不会影响膜组整体运行。

图3 平板陶瓷膜组

2）RO 反渗透技术

RO 反渗透是用足够的压力使溶液中的溶剂通过反渗透膜而分离出来，方向与渗透方向相反，可使大于渗透压的反渗透法进行分离、提纯和浓缩溶液。利用反渗透技术可有效去除水中各种盐分及钙钠镁离子等杂质，使产水水质满足生产工艺用水水质要求。反渗透膜的主要分离对象是溶液中的离子，无需化学品即可有效脱除水中盐分，系统除盐率一般为98%以上。

1.3 系统方案实施

根据瓦斯抽放泵工作原理，将出水管路先接入反清洗过滤器，经过滤器处理完的循环水通过管路进入平板陶瓷膜箱，除去循环水中1～50 μm 固体悬浮物颗粒。膜箱内包含平板陶瓷膜组、就地控制开关和气动控制阀组，膜箱与循环水池之间设有反洗管路，该反洗管路的一端与膜箱的反洗进水口连接，另一端与循环水池连通。膜箱上还设有排污管路和用于通入压缩空气的进气管路，膜箱的进出口设有压力变送器。当平板陶瓷膜箱进出口压差达到设定值时，气动控制阀组可开启陶瓷膜反向冲洗阀门，循环水在一定压力作用下持续反冲洗陶瓷膜，这样可保持陶瓷膜稳定的通透率，起到免维护的作用。同时，该膜箱过滤出来的循环水一部分进入RO 反渗透装置，另一部分循环水通过反洗管路直接到达循环水池。

保安过滤罐能够对RO 反渗透装置起到保护作用。保安过滤罐的过滤精度为1～5 μm，内部滤芯能根据不同水质和压力条件进行调整。保安过滤罐上装有防爆电子压力表，可以实时监测进水口和出水口的水压。当进出口压差达到设定值时，需及时更换过滤器内部滤芯，避免保安过滤罐作用失效。

RO 反渗透装置的产水脱盐率可达到98%以上，能够满足瓦斯抽放泵循环水要求：硬度（CaCO3计）≤50 mg/L，SS ≤30 mg/L，pH7～pH9。RO 反渗透装置可通过配置反渗透元件的数量达到瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统需要的产水量。RO 反渗透膜除盐装置上设有浓水排放管路，可排出工作时产生的浓盐水（废水）。RO 反渗透装置前端安装阻垢剂加药装置，使反渗透膜单元在运行时膜表面不易结垢，避免堵塞膜元件，保证产水率的稳定。

2 系统无人值守控制研究

2.1 控制系统总体方案

瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统无人值守控制总体方案如图4 所示。本系统基于PLC 自动控制原理，能够集成电磁阀、提升泵、产水泵、反洗泵、流量计、液位计等设备信号采集和控制指令发送，通信采用RS-485 有线传输，巡检人员可以通过人机界面实时查看系统运行状态，出现异常系统通过声光报警器进行报警。

图4 瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统自动控制原理图

2.2 系统净化循环水无人值守控制流程

1）循环水通过反清洗过滤器的进水管路进入，经反清洗过滤器过滤后，PLC 控制打开出水阀门，关闭排污管路阀门。该过程过滤＞50 μm 悬浮物颗粒。

2）PLC 控制打开平板陶瓷膜箱的进水阀门，陶瓷膜箱运行过滤循环水，循环水经过滤后，打开出水阀门，关闭反洗管路阀门、排污管路阀门、进气阀门，实时监测进水口压力，压力超过阈值后，膜箱启动反清洗。该过程过滤1～50 μm悬浮物颗粒。

3）保安过滤罐进水阀门通过PLC 控制打开，循环水经保安过滤罐过滤后，打开出水阀门进入下一级，压力表显示进出水口的压力。

4）保安过滤罐出水通过连接管路进入高压泵，高压泵进行升压，出水通过连接管路进入RO 反渗透装置。

5）高压水进入RO 反渗透装置，进水阀门、产水阀门和浓水排放管路阀门通过PLC 控制，经过RO 反渗透装置的合格产水进入循环水池。

6）PLC 对加药装置和投料泵进行控制，投料泵输送加药箱内的药液，加药箱配有液位计，当液位较低时，系统报警，提醒补药。

7）反清洗过滤器清洗时，PLC 控制关闭反清洗过滤器的出水阀门，打开排污管路阀门，开始自清洗过程，完成清洗后恢复运行状态。

8）当平板陶瓷膜箱反洗时，PLC 控制关闭平板陶瓷膜箱出水阀门，打开排污管路阀门和进气管路阀门，通入压缩空气，排污管路排出反洗脱落的污染物。

3 应用效果对比

该项目2021 年8 月在赵庄煤业南苏风井瓦斯抽放泵站完成安装试运行，于2021 年9 月投入运行，至2023 年3 月已运行18 个月。表1 所示为项目实施后2022 年1 月—2023 年3 月监测情况。

表1 2022 年1 月—2023 年3 月监测数据

从统计结果可以看出：

1）该系统运行期间循环水中悬浮物平均浓度为25.1 mg/L，当监测到水质悬浮物浓度30 mg/L 持续时间较长时，系统会对平板陶瓷膜开启冲洗，保证膜的通透性状态良好。

2）Ca2+平均浓度为39.9 mg/L。2022 年7 月监测到循环水中Ca2+浓度偏高，因此更换了RO 反渗透膜，9 月份Ca2+浓度监测数据指标恢复正常。

3）Cl-平均浓度为31.3 mg/L。因经常检查保安罐过滤系统，Cl-浓度数据稳定。

4）比较抽放电力单耗。项目实施前均值为0.318 kW·h/m3，实施后均值为0.306 kW·h/m3，下降了3.8%。

5）比较备件单耗。项目实施前均值为0.003 5元/m3，实施后均值为0.002，下降42.8%。

水质监测数据符合“瓦斯抽放泵循环水要求”，符合《城市污水再利用 工业用水水质》（GB/T 19923-2005）标准悬浮物30 mg/L、CaCO3含量450 mg/L 以下的要求。运行10 个月后对抽放泵拆机，对过流件和管道进行检查，内部微弱结垢，符合系统设计，达到预期效果。

4 结语

本文针对瓦斯泵站循环水净化系统，研究制定了循环水净化、RO 反渗透脱盐和污泥浓缩利用方案，通过PLC 集成流量、电导率、压力、液位等传感器信号，实现了循环水净化的远程自动控制，达到瓦斯泵站危险工作场所无人值守的目标。瓦斯泵站循环水阻垢缓蚀净化系统能够有效去除水中的悬浮物和钙镁离子，解决了瓦斯抽放泵站循环水的水质问题，降低了抽放泵故障风险，提高了抽放效率，保障了高瓦斯矿井瓦斯抽放安全。