于泓

(貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

我國(guó)是煤炭的生產(chǎn)和使用大國(guó)，在煤炭整個(gè)開采、加工、運(yùn)輸、使用過程中，都伴隨著粉塵顆粒物的產(chǎn)生，成為環(huán)境的重要污染源。煤炭粉塵顆粒的呈現(xiàn)不規(guī)則的板塊狀、條狀和纖維狀、球狀等結(jié)構(gòu)，若顆粒物的粒徑越小,則攜帶對(duì)人體有害的化學(xué)成分越高，對(duì)人體的危害也越大。粒徑在2.5～10 μm(PM2.5～10)的顆粒物可通過呼吸進(jìn)入人體的上下呼吸道，在2.5 μm之內(nèi)(PM2.5)的顆粒物可以進(jìn)入肺部甚至透過肺泡污染血液，如果顆粒物上附著有酸性氧化物、重金屬、有機(jī)污染物等成分,則對(duì)人體的危害更大[1-2]。另外，在密閉空間，細(xì)顆粒煤粉塵濃度如果超過一定濃度，遇到電火花、明火會(huì)帶來爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。因此對(duì)煤炭粉塵作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行煤炭粉塵顆粒物粒徑和濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)以及抑制調(diào)整成為環(huán)保技術(shù)的前沿技術(shù)。

煤塵的收集降塵手段通常有抑塵、封塵和吸塵等，其中吸塵是應(yīng)用于輸煤系統(tǒng)室的一種非常有效的方法，從已知的研究中表明,除塵效能達(dá)到99%以上。本文聚焦靜電除塵裝置的設(shè)計(jì)和對(duì)于除塵效果的在線監(jiān)測(cè)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，為煤塵濃度的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)際抑制手段提供了一些思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景及總體設(shè)計(jì)

針對(duì)大型煤礦、發(fā)電廠和輸煤碼頭的翻車機(jī)房揚(yáng)塵治理場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了減少煤粉塵對(duì)周圍環(huán)境的影響，翻車機(jī)房的工作在半封閉的限制空間進(jìn)行，在運(yùn)煤專列駛?cè)敕嚈C(jī)房后，整個(gè)車廂被翻車機(jī)大臂固定，帶動(dòng)車廂翻轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度進(jìn)行卸車作業(yè)。經(jīng)監(jiān)測(cè)，車廂煤碳卸落過程中主動(dòng)揚(yáng)塵持續(xù)時(shí)間約為50 s。煤炭下落過程中壓縮坑道中的空氣，經(jīng)測(cè)量反沖壓縮空氣攜帶的顆粒物100 μm以下的顆粒物占得比例較大，翻車卸車動(dòng)作后10～15 s左右顆粒物開始上揚(yáng)，車廂翻轉(zhuǎn)時(shí)車廂運(yùn)動(dòng)沿一定弧度，煤碳?jí)K下落過程中粉塵隨空氣擾動(dòng)飛揚(yáng)，在車廂運(yùn)行回位的過程中，殘留的原煤運(yùn)動(dòng)和空氣的擾動(dòng)產(chǎn)生大量粉塵。

本靜電除塵器的基本設(shè)計(jì)如圖1所示。主要包括翻車機(jī)房送風(fēng)系統(tǒng)、電除塵器的放電收塵系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)翻車機(jī)房和電除塵器工作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)開始工作。

圖1 靜電除塵器設(shè)計(jì)

1.2 翻車機(jī)房及除塵器的導(dǎo)流設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用板式靜電除塵器，電除塵器的效率用多依奇公式表示為：

(1)

式中：Q為板式電除塵器的煙氣流量;A為板式電除塵器的收塵面積;f為比收塵面積，f=A/Q，即1 s內(nèi)凈化1 m3煙氣所需要的收塵面積。

電除塵器電場(chǎng)基本采用沉降室+三電場(chǎng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)除塵效率為99.5%，對(duì)應(yīng)電場(chǎng)煙氣設(shè)計(jì)流速為1～1.5 m/s，設(shè)計(jì)比集塵面積大于70 s/m，排放顆粒物濃度小于100 mg/m3。

粉塵捕集效果主要取決于通風(fēng)量的大小和通風(fēng)氣流組織兩個(gè)方面。氣流組織就是合理地布置送排風(fēng)口位置、確定風(fēng)口特性、分配風(fēng)量，獲得最大單位風(fēng)量捕塵率，達(dá)到最佳的除塵效果。

靜電除塵器粉塵的捕集方式采用吸吹互動(dòng)并輔助導(dǎo)流板的形式。以吸風(fēng)罩口盡量靠近污染源的原則為依據(jù)，在坑口、箅邊吸風(fēng)口的上部設(shè)置安裝弧形導(dǎo)流板。根據(jù)揚(yáng)塵理論分析，揚(yáng)塵上行速度和卸煤速度、卸煤重量正相關(guān)，當(dāng)上揚(yáng)含塵氣流與導(dǎo)流板相遇，由于自身沖擊速度將在導(dǎo)流板處形成漩渦狀環(huán)流，此時(shí)吸風(fēng)口作用力將使環(huán)流產(chǎn)生定向移動(dòng)，以控制煤塵外溢。

1.3 顆粒物監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顆粒物監(jiān)控系統(tǒng)包含系統(tǒng)軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)無(wú)線通信服務(wù)、煤塵濃度在線監(jiān)測(cè)和靜電除塵器工作參數(shù)調(diào)整四個(gè)主要模塊。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，該架構(gòu)是建立在廣域網(wǎng)之上的[7-9]，不用特別配備專門的網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境，相比于C/S架構(gòu)有更大的優(yōu)勢(shì)，只需配備操作系統(tǒng)和瀏覽器即可登陸網(wǎng)址進(jìn)行查看實(shí)時(shí)狀態(tài)，支持遠(yuǎn)程、多位置使用[10-11]。服務(wù)器包含WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)聽服務(wù)器。

數(shù)據(jù)無(wú)線通信服務(wù)通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件完成數(shù)據(jù)的傳輸儲(chǔ)存，服務(wù)器共有多個(gè)線程，包含數(shù)據(jù)發(fā)、數(shù)據(jù)收以及數(shù)據(jù)寫線程。WEB服務(wù)器完成與用戶的界面對(duì)接。中間層是數(shù)據(jù)通信媒介層，主要由TCP/IP和Zigbee通訊設(shè)備層構(gòu)成，完成上下游數(shù)據(jù)的聯(lián)通。基層是各個(gè)站點(diǎn)基于Zigbee通信[12-14]的煤塵濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于完成監(jiān)測(cè)區(qū)域多位置煤塵濃度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集以及工作參數(shù)監(jiān)測(cè)調(diào)整，并通過Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至采集端，整個(gè)系統(tǒng)共同完成各種采集、顯示和管理功能，集中實(shí)現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)的分散控制、集中操作和管理功能。

煤塵濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是保證煤塵濃度精確采集和濃度抑制下降。煤塵濃度精確采集主要依賴于激光顆粒采集探頭[15-16]，多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)布局，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉采集，以設(shè)定頻率送至監(jiān)聽服務(wù)器端口，數(shù)據(jù)交互支持上位機(jī)輪詢和異常上報(bào)的雙機(jī)制，保證濃度不超標(biāo),當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)局部濃度超標(biāo)后，第一時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳并提醒預(yù)警。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)監(jiān)聽服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)，WEB服務(wù)器做對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和分析，并根據(jù)內(nèi)部算法下達(dá)現(xiàn)場(chǎng)靜電除塵器的工作頻率、電壓、有效電極數(shù)量等工作參數(shù)的調(diào)整指令，并監(jiān)測(cè)靜電除塵器的工作參數(shù);當(dāng)出現(xiàn)異常放電時(shí)，提醒介入人為干預(yù)，以達(dá)到最優(yōu)化的煤塵抑制效果。

限于篇幅，本文主要介紹煤塵濃度采集整理電路的相關(guān)設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集整理單元電路

此監(jiān)測(cè)單元由顆粒物信號(hào)收集單元與后續(xù)信號(hào)處理單元組成。信號(hào)處理單元主要由U2和U6組成，U2實(shí)現(xiàn)的是將收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為后續(xù)電路能夠識(shí)別的電壓信號(hào)，且保證在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中不會(huì)造成信號(hào)衰減。具體實(shí)現(xiàn)原理是利用信號(hào)收集單元收集的信號(hào),然后經(jīng)過一個(gè)G級(jí)電阻R17，這個(gè)G級(jí)電阻R17不僅可以保證信號(hào)的衰減降到最低，而且與反饋回路電阻R13組成了反相放大回路，將輸入進(jìn)來的電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為U6電路可以識(shí)別的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)為U2的6管腳的輸出信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過后續(xù)R18與R19兩個(gè)電阻對(duì)地分壓后輸入U(xiǎn)6反相輸入端。R18與R19除了起到分壓作用外，還提高輸出對(duì)輸入變化的響應(yīng)速度。U6的正相輸入端為可調(diào)的基準(zhǔn)信號(hào)REF，U6的正、反相輸入又與反饋電阻R28及電容C2組成差分輸入減法運(yùn)算放大電路。此電路實(shí)現(xiàn)U6正相基準(zhǔn)電壓與反相實(shí)測(cè)信號(hào)的減法運(yùn)算，并經(jīng)反饋回路實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大運(yùn)算，反饋回路中的電容C2實(shí)現(xiàn)高頻雜亂波形的過濾功能，U6輸出端的電阻R29起到限流保護(hù)的功能。這樣的設(shè)計(jì)可保證激光測(cè)試探頭輸出信號(hào)被合理識(shí)別，避免干擾和誤差，有效提高監(jiān)測(cè)效果。

靜電除塵器工作參數(shù)調(diào)整模塊的設(shè)計(jì)。針對(duì)煤碳粉塵的燃爆特性，為了避免因電暈放電轉(zhuǎn)為火花放電而引起的除塵器內(nèi)部燃爆事故，設(shè)計(jì)程序?qū)﹄姇灧烹姷膹?qiáng)度進(jìn)行控制，該要求通過控制高壓電源輸出電流來實(shí)現(xiàn)。工作參數(shù)調(diào)整模塊設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)恒流高壓電源的控制系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)程序?qū)Ψ烹婋娏鬟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，構(gòu)建恒流電源來滿足易燃爆粉塵的治理要求，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯如圖4所示。

圖4 靜電除塵器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯

當(dāng)接通啟動(dòng)開關(guān)后，靜電除塵器按以下順序工作：

1) 進(jìn)風(fēng)口煤塵濃度監(jiān)測(cè)啟動(dòng)，告知主控單元MCU相應(yīng)濃度值，主控單元MCU和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的預(yù)警值作比較，當(dāng)超過設(shè)置預(yù)警值時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)啟動(dòng)，而后延時(shí)后一電場(chǎng)高壓?jiǎn)?dòng)至設(shè)定值進(jìn)行煤塵收集。二級(jí)、三級(jí)電場(chǎng)啟動(dòng)與否，受排煙口煙氣濃度信號(hào)控制，當(dāng)排煙口濃度超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(100 mg/m3)時(shí),二、三電場(chǎng)啟動(dòng)至起始運(yùn)行電壓，并根據(jù)出庫(kù)濃度監(jiān)測(cè)情況，決定最終靜電除塵器的各項(xiàng)工作參數(shù)。

2) 當(dāng)主控單元MCU監(jiān)測(cè)到電暈放電參數(shù)變化明顯時(shí)，振打系統(tǒng)開始工作，進(jìn)行人為干預(yù)除塵。

3) 卸灰系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到集塵箱體積灰嚴(yán)重時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)卸灰裝置，并發(fā)出報(bào)警通知。

4) 當(dāng)消防信號(hào)產(chǎn)生時(shí),則立即打開消防栓，同時(shí)切斷高壓電源、風(fēng)機(jī)和卸灰等程序，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

該系統(tǒng)在煤炭翻車機(jī)房安裝，翻車機(jī)和除塵器正常工作，根據(jù)氣流和顆粒物的分布特點(diǎn)，預(yù)設(shè)靜電除塵器3個(gè)收塵電場(chǎng)的電壓分別是35 kV、50 kV、60 kV，通過煤塵濃度在線監(jiān)測(cè)測(cè)得的煤塵顆粒物粒徑分布如表1所示。

表1 煤塵顆粒物粒徑分布

表1中通過對(duì)中位粒徑和體積平均徑的測(cè)試，可以反映煤粉塵的粒度分布，分析可以得出:

1) 收塵電場(chǎng)的顆粒物粒徑比較大，沉降占得比例較大。

2) 3個(gè)電場(chǎng)的顆粒物粒徑依次減小，凝聚并收集占的比例比較大，粒徑≤2.5 μm的顆粒在3個(gè)收塵電場(chǎng)中的收集比例依次增加，3個(gè)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)于可吸入細(xì)微顆粒物的收集具有重要意義。

3 結(jié)論

1) 針對(duì)煤炭運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中產(chǎn)生煤塵的問題以及造成的危害，本文研究了煤塵在靜電除塵器中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、靜電除塵器的氣流導(dǎo)向設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)控制電路邏輯設(shè)計(jì)，最終對(duì)工作情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其煤塵收集的效率。

2) 提出利用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)和B/S系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)煤塵濃度的在線監(jiān)測(cè)及在線調(diào)整煤塵抑制參數(shù)，以優(yōu)化策略得到現(xiàn)場(chǎng)除塵的實(shí)施方案，可有效降低煤塵含量，減少對(duì)設(shè)備、人員、環(huán)境的影響。

3) 此系統(tǒng)有關(guān)靜電抑制煤塵裝置的研究開發(fā)，對(duì)于其他行業(yè)有一定的借鑒作用。