CN104445693A - 一种矿井下配乳液专用水的生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的井下配乳液专用水的生产设备包括三个主要过滤单元、一个清洗单元及其具有可编程功能的自动控制系统组成；三个主要过滤单元依次为全自动清洗过滤单元、管式膜过滤单元和反渗透过滤单元，前工艺单元出水成为后续工艺单元的进水；设备运行过程中，清洗单元出口与管式膜过滤单元的反冲接口相连，成为管式膜过滤单元的反冲装置；进行化学清洗时，清洗单元出口与相应清洗接口相连，清洗单元可为管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗装置；该设备占地面积小，运行可靠稳定，设备所涉及的电气原器件均为井下防爆或煤安认证(“MA”标志)产品，可在矿井下环境条件中快速生产配乳液专用水。

Description

一种矿井下配乳液专用水的生产设备

技术领域

一种矿井下生产配乳液专用水的设备，涉及一种利用井下的矿井水处理成为专供井下采煤设备的液压支架内的配乳液所专用的纯净水，可维护井下综采设备电液控制系统正常运行。属于给排水技术领域。

背景技术

液压支架是安设在采煤工作面的机械设备，因为液压支架的能量转换和传递是通过液压液来实现的，因此用乳化油或者浓缩液配制的液压液被称为液压支架系统的“血液”。液压支架用乳化油作为煤矿井下使用的产品，其产品性能受到严格监控，为了确保煤矿井下工作的安全性，我国煤炭行业制订了《液压支架(柱)用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》强制性标准，该类产品进入市场前必须由国家矿用产品安全标志中心评审通过，在产品获得“矿用产品安全标志证书”后方能进入市场销售。

煤矿采煤工作面液压支护系统所用的乳化液，其中炮采工作面乳化液浓度不低于2～3％.综采工作面乳化液浓度不低于3～5％，只有满足这个要求才能有效防止液压支柱(或支架)缸体腐蚀，延长支柱(袋支架)服务年限，从而降低成本，提高效益，确保安全。乳化液浓度过高又会造成乳化油浪费，增加吨煤成本。

矿井开采所用的综采设备电液控制系统所用配乳液用水要求执行MT76-2002《液压支架(柱)用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》标准。近年来，随着煤矿综采机械化提高，电液控制系统被广泛应用。因电液控制系统的先导阀滤芯精密度很高(正常25um，双回路过滤器只有12um)，因此对配液的洁净性要求很高。因此要用好电液控系统首先必须慎重使用配液用水和选择合适有效的液压传动介质。

煤矿引入电液控制系统已经成为一种发展趋势，由于其各零部件高精密度和高灵敏度的特点而对配液用水及配液的洁净性、稳定性等也提出了极为苛刻的要求。如果直接采用工作面矿井水处理成MT76-2002《液压支架(柱)用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》标准的水，极易造成电液控制系统瘫痪并会对电液控制系统造成如下几方面严重损害：

(1)工作面配液水中含有的杂质会随配液进入支架系统，在循环过程中会磨损各种密封件，同时造成电液控制阀件堵塞，从而影响生产；

(2)配液水的高硬度是冷却水发生水垢(碳酸盐)附着的主要成分，同时Ca²⁺、Mg²⁺与配液中的有效物质结合产生油皂等析出物，堵塞电液控制阀件，严重时会造成爆管；同时会使配液中有效物质减少而降低传动介质的防锈、防腐、润滑等特性，使系统受损；

(3)配液水中SO₄ ^2-和Cl^-含量严重超标，将诱发支架缸体、推移千斤顶和各种阀件的锈蚀及镀层脱落等现象。

因此要用好电液控系统，配乳用水的主要水质指标必须达到以下要求：电导率≤100μS/cm(25℃)，Cl^-≤200mg/L，SO₄ ^2-≤200mg/L。

根据煤矿目前的情况，要使用井下矿井水配液，最有效的方法是将矿井水在井下深度处理后直接复用，不仅可以克服地面处理需要较大的地面占地、较高的基建费用和运行成本及相应管路铺设费用较大的缺点外，还可以避免造成二次污染，同时还将对保持地下水的自然平衡起到一定的积极作用，并具有较大的经济效益、生态效益和社会效益。

目前已有的矿井下配乳液的生产设备工艺基本上包括以下四个主要工艺单元，预沉淀单元、机械过滤单元、活性炭过滤单元、带保安过滤器的反渗透单元。在实际运行过程中会产生如下问题：

(1)工艺流程比较长，基于传统的大型水处理厂的工艺技术，工艺技术也比较落后，既不适合井下要求设备小而精的要求，且运行过程中维护运行的水平较高，操作极不方便。

(2)由于原水的水质变化很大，水中含有悬浮物的量有很大的不同，机械过滤器很容易堵塞，不仅清洗的频率高，且出水水质不稳定，有时达不到反渗透的进水水质要求，影响反渗透的正常稳定运行。

(3)由于机械过滤器的过滤效果不稳定，后续的反渗透装置由于进水水质达不到规定要求，出水水质受到影响，用此水制成的配乳液达不到液压支架的要求，极大地危及采煤设备的安全使用，导致严重影响正常生产。并且反应渗透堵塞比较严重，化学清洗的频率较高，大大缩短反渗透装置的使用寿命。

因此要用好电液控系统首先必须慎重使用配液用水和选择合适有效的液压传动介质。近年来，随着煤矿的经济发展，煤矿水资源费和水价的上涨，为高矿化度矿井水的资源化利用创造了市场条件；同时随着膜科学技术的发展，超滤膜与反渗透处理装置的一次性投资大幅下降(接近电渗析)，特别是低压膜的广泛应用，使反渗透处理运行成本大大降低。这为反渗透技术应用于高矿化度矿井水的深度处理创造了技术上和经济上的条件。

发明内容

本发明的目的是制造矿井下配乳液专用水的生产设备，该设备可利用井下高矿化度的矿井水处理成为可满足井下电液控制系统中配乳液所需专用水。

本发明所提供的设备，该设备由三个主要过滤单元、一个清洗单元及其具有可编程功能的自动控制系统组成；三个主要过滤单元依次为全自动清洗过滤单元、管式膜过滤单元和反渗透过滤单元，前工艺单元出水成为后续工艺单元的进水；一个清洗单元包括1台清洗泵、1个清洗药箱、1台保安过滤器及其相应的管道阀门；设备运行过程中，清洗单元出口与管式膜过滤单元的反冲接口相连，成为管式膜过滤单元的反冲装置，清洗水箱为连接全自动清洗过滤单元与管式膜过滤单元之间的缓冲水箱；进行化学清洗时，清洗单元出口与相应清洗接口相连，清洗单元可为管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗装置；可编程功能的自动控制系统由信号采集与反馈、PLC控制模块及其控制的电动阀门及泵组成。

全自动清洗过滤单元是指水中的杂质沉积在过滤器内不锈钢滤网上，进出水口就会产生压差，当压差达到设定值时，通过压力开关信号，启动电动机带动刷子旋转，对滤网进行清洗，同时打开排污阀排污，排污完毕后关闭排污阀，循环往复完成上述过程的工艺单元，全自动清洗过滤器过滤精度在10μm-3mm之间，井下原水通过减压阀后进入全自动清洗过滤器。管式膜过滤单元是指在过滤泵作用下，水在管状膜内流动过程中，一部分水透过膜管壁后被收集后成为透过水，其余水成为浓水可外排或回流至过滤泵前进行重复利用的工艺单元。所述管式膜是指直径为6-20mm的内压式管状膜，膜孔径为1-5μm之间；外部膜壳与其内若干支管式膜组成管式膜组件，膜组件两端膜壳内壁与管式膜外壁通过密封材料连成一体形成进水口与出水口，其膜壳外壁设透过水集水口、反冲进水口；管式膜过滤单元由过滤泵、膜组件、反洗装置及管道阀门组成；反渗透过滤单元指在高压泵作用下，一部分水透过膜形成纯净水，其余水经过膜截留后离子浓度增高形成浓水的工艺单元；所述反渗透膜孔径小于1nm，反渗透膜组件可为内压式或外压式，并配有保安过滤器和加阻垢剂装置，加阻垢剂装置包括计量泵和加药箱。自动控制系统信号采集与反馈是指采集压力、泵、液位、电动阀门状态信号，通过可编程的PLC控制模块处理后，反馈出控制信号，可控制泵与电动阀启停，实现设备自动稳定运行。

为适应矿井下环境，所涉及的电机、电气控制柜、电线电缆均为井下防爆或煤安认证(“MA”标志)产品。

技术原理

本发明提出了矿井下配乳专用水生产设备，其原理在于：

本设备依次经过三个主要工艺单元：全自动清洗过滤单元、管式膜过滤单元、反渗透过滤单元，后续工艺单元以前工艺单元为基础，前工艺单元的出水可达到后续工艺单元的进水要求，过滤的孔径依次减少，最后使水脱盐从而使水质达到井下配乳液专用水的要求。

全自动清洗过滤器的过滤原理为：待处理的水由入水口进入机体，水中的杂质沉积在不锈钢滤网上，由此产生压差。通过压差开关监测进出水口压差变化，当压差达到设定值时，电控器给水力控制阀、驱动电机信号，引发下列动作：电动机带动刷子旋转，对滤芯进行清洗，同时控制阀打开进行排污，整个清洗过程只需持续数十秒钟，当清洗结束时，关闭控制阀，电机停止转动，系统恢复至其初始状态，开始进入下一个过滤工序。设备安装后，由技术人员进行调试，设定过滤时间和清洗转换时间，待处理的水由入水口进入机体，过滤器开始正常工作，当达到预设清洗时间时，电控器给水力控制阀、驱动电机信号，引发下列动作：电动机带动刷子旋转，对滤芯进行清洗，同时控制阀打开进行排污，整个清洗过程只需持续数十秒钟，当清洗结束时，关闭控制阀，电机停止转动，系统恢复至其初始状态，开始进入下一个过滤工序。全自动清洗过滤器可去除水中大于10μm-3mm的悬浮物和大的颗粒与杂质。

管式膜过滤器的原理为：有机管式膜通常在管径6-20mm，长度0.3-6m的玻璃纤维合成纸、无纺布、塑料、陶瓷或不锈钢等支撑体内侧涂覆膜材料而成。2根以上膜管整装成一束膜管放在塑料或不锈钢筒体内用适宜的方法定位紧固，并在筒体两端与其内的膜管外壁通过密封胶连接在一起，构成管式膜组件。使用时，料液流经膜管的内腔，在压力作用下，水分子和小分子物质能透过管式膜壁上的膜和多孔支撑管上的微孔向外透出，汇集后由筒侧透过液出口孔排出。管式膜的孔径在1-5μm之间，能去除水中大于其孔径的微粒，透过水可满足反渗透进水的要求，为延缓膜污染，管式膜过滤单元配备反冲装置，反冲装置包括反冲泵与反冲水箱，在运行过程中，管式膜反冲洗频率为30min内1-2次，每次1-2秒，水量为2L/m2膜面积。

反渗透的原理在于：当把相同体积的稀溶液和浓液分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。反渗透可以去除水中的二价以上离子和一价离子，去除率均达到99％以上，可完成脱盐过程。

全自动清洗过滤单元可以去除水中的大于10μm-3mm微米的悬浮物，其出水经过管式膜过滤单元后，由于管式膜的孔径在1-5μm之间，其出水可满足反渗透的进水要求，管式膜的透过水再经过反渗透脱盐，反渗透出水可满足配乳液专用水的要求。

上述三个工艺过程，后续工艺依赖前工艺的处理效果，孔径越来越小，最终使水脱盐，达到井下配乳液专用水的水质要求。

为维护设备正常运行，配备了清洗单元，清洗单元包括1台清洗泵，1个清洗水箱、1台保安过滤器及相应的管道和阀门。设备在运行过程中，清洗单元出口与管式膜过滤单元的的反冲接口相连，可为管式膜过滤单元的反冲装置，清洗泵成为管式膜过滤单元的反冲泵，清洗水箱成为为缓冲水箱；清洗单元出口与管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗接口相连，可为管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗装置，在清洗水箱内配置好化学清洗液后，按清洗操作程序，开启和关闭相应的阀门，启动清洗泵，可完成管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗过程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)设备先进可靠，占地小，运行稳定。设备采用最先进的双膜工艺，占地面积小仅为传统的1/2。

(2)工艺设计理念先进，工艺流程简单实用，优于传统的设计方案。传统的设计方案基于大中型水处理厂的工艺，砂滤，活性炭过滤，反渗透过滤，工艺水平比较落后，设备化装备化的水平低，工艺运行稳定性较差，设备的使用对人员素质要求高，使用寿命不稳定。本设备工艺设计理念先进，工艺水平流程短，运行稳定可靠。

(3)操作简单方便。设备运行过程中，全自动运行及反冲洗，不需人工参与，设备工艺先进，抗冲击负荷能力强，运行稳定可靠，劳动强度低。

(4)适应井下环境条件。设备所涉及的电气设备的电机、电气控制柜、电线电缆均为井下防爆或煤安认证(“MA”标志)产品，可在矿井下环境条件要求。

附图说明

图1为设备的工艺流程图。

图2为全自动清洗过滤原理图

图3管式膜过滤原理图

图4反渗透原理图

附图中的符号说明：

1-减压阀  2-全自动清洗过滤器  3-管式膜过滤泵  4-化学清洗过滤器  5-管式膜过滤器  6-缓冲水箱  7-反冲泵  8-阻垢剂加药箱  9-阻垢剂加药泵  10-高压泵  11-一级反渗透一段  12-一级反渗透二段  13-管式膜浓水排放电动阀门  14-管式膜出水电动阀门  15-反渗透进水电动阀门  16-反渗透浓水电动排放阀  17-管式膜出水流量计  18-化学清洗流量计  19-纯水出水流量计20-浓水出水流量计21-高压开关  22-全自动清洗过滤器进水阀  23-全自动清洗过滤器出水阀  24-管式膜过滤器进水阀  25-管式膜过滤器出水阀  26-高压泵进水阀  27-高压泵出水阀  28-纯净水出水阀  29-反渗透浓水排水阀30-反冲泵进水阀  31-反冲泵回流阀  32-保安过滤器进水阀  33-保安过滤器超越阀  34-缓冲水箱放空阀  35-加药水箱放空阀  36-管式过滤器回水阀  37-来水进口接头  38-管式膜化学清洗进口接头  39-管式膜化学清洗回流接头40-管式膜反冲进水接头  41-反冲泵出水接头  42-缓冲水箱进水接头  43-缓冲水箱出水接头  44-高压泵进水接头  45-一段化学清洗进口接头  46-一段化学清洗出口接头  47-二段化学清洗进口接头  48-二段化学清洗出口接头  49纯水回流接头  50-纯水出水接头  51-压力表52-止回阀

具体实施方式：

下面结合附图及实施例详细加以说明，以进一步理解本发明。

(1)设备组装：按工艺流程图依次将减压阀1、全自动清洗过滤器2、管式膜过滤泵3、化学清洗过滤器4、管式膜过滤器5、缓冲水箱6、反冲泵7、阻垢剂加药箱8、阻垢剂加药泵9、高压泵10和一级反渗透一段11、二段12组成的三个主要工艺单元通过管道和阀门连接起来；把反冲泵出水接口41与管式膜反冲进水接口41、缓冲水箱出水接头43与高压泵进水接头44连接起来；并将可编程的自动系统通过信号线与控制线将泵与电动阀门连接起来。从而完成设备的组装。

(2)设备安装：设备置于井下硐室内，引入电源线，将设备的总进水口与煤矿的供水管通过减压阀1前的来水进口接头37相连接，使总进水口的压力降至3-5bar。

(3)设备调试：设备打到手动，打开全自动清洗过滤器进水阀22、出水阀23、管式膜过滤器进水阀24、出水阀25、浓水排放阀门13、浓水回用阀36，高压泵进水阀26、高压泵出水阀27、纯净水出水阀28、反渗透浓水排放阀29，启动过滤泵3，逐渐关闭管式膜浓水排放阀13，调节管式膜过滤的浓水回用阀36，使管式膜出水流量计17的显示为6-7m3/h；启动高压泵10，待高压开关21达到要求时，开启反渗透进水电动阀15、反渗透浓水排放阀16，稳定后，关闭反渗透浓水电动排放阀16，调节高压泵出水阀27、纯净水出水阀28，反渗透浓水排放阀29，使反渗透的纯水流量计显示为3-3.5m³/h；稳定后，打开反冲泵进水阀30、反冲泵回流阀31、保安过滤器超越阀33，调节反冲流量，开启管式膜过滤反冲洗泵7、浓水排放电动阀13，关闭管式膜出水电动阀门14，上述操作完成后，依次关闭反冲泵7、管式膜过滤的浓水电动排放阀13，关闭高压泵10、反渗透进水电动阀门14、过滤泵3，使设备处于待机状态。

(4)设备自动运行：设备打到自动，设备可自动按以下步骤运行：开启管式膜过滤浓水排放电动阀13，开启管式膜过滤泵3、管式膜出水电动阀14，1-2秒内关闭管式膜浓水排放电动阀13，延时3-5秒，开启高压泵10，待运行压力超过高压开关21设定的压力值后，启动反渗透进水电动阀门14、浓水电动排放阀16，3-5秒内关闭浓水电动排放阀16。

(5)管式膜组件的日常反冲洗：设备正常运行后，每隔5-30min，关闭管式膜出水电动阀14，同时启动反冲洗泵7及管式膜过滤浓水排放电动阀13持续1-2秒，完成管式膜过滤器进行日常反冲洗。

(6)管式膜过滤器化学清洗：设备停止运行后，在缓冲清洗水箱6内配好清洗药剂，反冲泵出水接头41与管式膜化学清洗接头38相连，管式膜化学清洗回流接头39与缓冲水箱进水接头42相连，关闭管式膜过滤器进水阀24、管式膜过滤器出水阀25、保安过滤器进水阀32、管式过滤器回水阀36，开启反冲泵进水阀30、反冲泵回流阀31、保安过滤器超越阀33，将设备打到手动，启动过滤泵7，调节反冲泵回流阀31、保安过滤器超越阀33的开度，可调节化学清洗流量，稳定后，运行2-4小时，可实现管式膜过滤器5的化学清洗。

(7)反渗透化学清洗：设备停机后，缓冲水箱6内配制好的化学清洗药剂，反冲泵出水接头41与一段化学清洗进口接头45，一段化学清洗出口接头46与缓冲水箱进水接头42相连，关闭管式膜过滤器出水阀25、高压泵进水阀26、高压泵出水阀27、保安过滤器超越阀33，开启反冲进水阀30、反冲泵回流阀31、保安过滤器进水阀32，将设备打到手动，开启反冲泵7，调节反冲泵回流阀31、保安过滤器进水阀32，使化学清洗流量计18显示为10m3/h左右，稳定后，过滤泵运行2-4小时，可完成反渗透一级一段膜组件的化学清洗。

反渗透一级二段膜组件的清洗可按上述清洗程序进行，不同的是，41与47，48与42相连，其余步骤通一级一段化学清洗。

Claims (6)

1.一种矿井下配乳液专用水的生产设备，其特征在于：该设备由三个主要过滤单元、一个清洗单元及其具有可编程功能的自动控制系统组成；三个主要过滤单元依次为全自动清洗过滤单元、管式膜过滤单元和反渗透过滤单元，前工艺单元出水成为后续工艺单元的进水；一个清洗单元包括1台清洗泵、1个清洗药箱、1台保安过滤器及其相应的管道阀门；设备运行过程中，清洗单元出口与管式膜过滤单元的反冲接口相连，成为管式膜过滤单元的反冲装置，清洗水箱为连接全自动清洗过滤单元与管式膜过滤单元之间的缓冲水箱；进行化学清洗时，清洗单元出口与相应清洗接口相连，清洗单元可为管式膜过滤单元或反渗透过滤单元的化学清洗装置；可编程功能的自动控制系统由信号采集与反馈、PLC控制模块及其控制的电动阀门及泵组成。

2.按照权利要求1所述的全自动清洗过滤单元，其特征在于：水中的杂质沉积在过滤器内不锈钢滤网上，进出水口就会产生压差，当压差达到设定值时，通过压力开关信号，启动电动机带动刷子旋转，对滤网进行清洗，同时打开排污阀排污，排污完毕后关闭排污阀，循环往复完成上述过程的工艺单元；全自动清洗过滤器过滤精度在10μm-3mm之间，井下原水通过减压阀后进入全自动清洗过滤器。

3.按照权利要求1所述管式膜过滤单元，其特征在于：所述管式膜是指直径为6-20mm的内压式管状膜，膜孔径为1-5μm之间；管式膜过滤单元由过滤泵、膜组件、反洗装置及管道阀门组成。

4.按照权利要求1所述的反渗透过滤单元，其特征在于：所述反渗透膜孔径小于1nm，反渗透膜组件可为内压式或外压式，并配有保安过滤器和加阻垢剂装置，加阻垢剂装置包括计量泵和加药箱。

5.按照权利要求1所述的可编程功能的自动控制系统，其特征在于：采集压力、泵、液位、电动阀门状态信号，通过可编程的PLC控制模块处理后，反馈出控制信号，可控制泵与电动阀启停，实现设备自动稳定运行。

6.按照权利要求1所述的设备，其特征在于：所涉及的电机、电气控制柜、电线电缆均为井下防爆或煤安认证(“MA”标志)产品。