CN106869985B - 地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置及方法，该装置含汇流区(1)、雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)、滚轮(19)、导轨(20)；汇流区(1)顶部安装盖板(14)、侧面安装电动闸门(15)，外侧安装大气温度传感器(21)；雾化区(2)进口安装热空气温度传感器(21a)与风速传感器(22)；除湿区(3)安装过滤网(11)，出口安装除湿后空气温度传感器(21b)；出流区(4)出口设置扩散器(12)；PLC控制系统(23)控制盖板(14)、电动闸门(15)、电动阀(7)、喷淋泵(6)。本发明具有结构优化、雾化充分、除雾效率高、通风能耗小的优点，实现按风温风量变化的按需除湿。
Description
技术领域
本发明属于矿山通风环保技术领域，具体涉及一种使地下矿山回风井高温饱和风流冷凝结露、避免在井口产生“白色烟雾”现象的除湿装置及方法，特别适用于深部地下矿山回风井风流温度高而地表大气温度低的矿山回风井风流按需除湿、消除井口水雾的装置及方法。
背景技术
矿山通风系统新鲜风流自地表沿进风井进入，与井下采掘作业机械设备、潮湿围岩壁面、矿石自身氧化等多种热湿源发生热湿交换，使得井下空气温度逐渐升高、湿度增加。一般地，矿山井下空气相对湿度接近100％饱和状态，此时矿井空气温度接近露点温度，只要环境温度低于矿井空气温度，空气中的水蒸气将冷凝结露。因此，当井下热空气沿回风井井口排出时遇到低于自身温度的地表冷空气，矿井饱和热空气中的水蒸气将被降温冷却、冷凝结露，而回风井风量大、气流速度高，结露水珠在高速气流的冲击推动下，被破碎分解成粒径更细小的水雾颗粒直冲井口，形成回风井口的白色水雾，可冲出井口地面可高达50余米，视野上好似“白色烟雾”，回风井变成地下“烟囱”，引发矿区周边居民的不安全心理，尤其是矿山若处于城市边缘，给人们带来严重的视觉污染。
我国大多数矿山远离城市，多处于山区丘陵地区，因而针对回风井口这种“冒烟”现象，国内鲜有报道。但随着国家对环保的日益重视，回风井井口的“白色烟雾”污染逐渐引起了人们的关注。根据文献检索，《现代矿业》2013年第3期《回风井污风治理方案设计》一文中研究分析井口“白烟”现象，指出“白烟”实质为“白雾”并提出了治理方案，选用惯性力与风流冷却联合除雾技术方案。该技术方案在井口上方设置几米高的塔架和盖板封闭井口空间，封闭井口空间上方设置环形喷淋管，四周设置除雾波形板。但是进一步分析，该方案存在以下缺点：
1)仅在井筒上方有限空间内收集、雾化、再除去雾化的水分，雾化不充分，未雾化的热空气在除雾板外侧遇低温冷空气仍会大量起雾，这样看上去更似高耸的“烟囱”，除雾效果差、视觉效果亦下降；
2)当通风系统回风井空气温度升高或风量加大或风温风量同时增加时，无相应的自动调节控制措施，除雾效果难以保证；
3)夏季大气温度较高的季节或回风井热空气温度与大气温度相差不大甚至高于大气温度工况，回风井井口不会出现白色水雾现象，而该装置整体封闭了井口上方空间，在回风井空气粉尘等污染物达标排放的情况下，回风井空气仍通过除雾板排出地表，势必增加通风系统回风井的通风阻力与通风系统能耗；
4)该装置在立井上方施工，无有效的风流隔断措施，而回风井热空气源源不断冒出，现场施工困难，同样不便于后期维护管理。
发明内容
本发明的目的就是针对矿山回风井高温饱和空气形成的井口“白色烟雾”视觉污染现象，以及现有技术方案存在着雾化程度低、除雾效果差、通风能耗高、施工风险大、后期维护管理难等技术问题，而提供一种结构优化、雾化充分、除雾效率高、通风能耗小、可按风温风量变化的地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置。
本发明的另一个目的是提供地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法。
为实现本发明的上述目的，本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置采用以下技术方案：
本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置是由喷淋降温系统、汇流区、雾化区、除湿区、出流区、传感器及与传感器连接的PLC控制系统组合构成；所述的汇流区布置在回风井井筒上方，汇流区是由沿回风井井筒筒口自内向外间隔砌筑的内防护矮墙、外防护墙组合围成，在外防护墙顶部设有盖板，在外防护墙一侧设置检修门，在外防护墙另一侧设置电动闸门，从而围成密封空间，收集回风井井筒内排出的热空气；汇流区通过电动闸门与雾化区联通，雾化区、除湿区、出流区的风道壳体顺序连接，风道壳体采用不锈钢板制作，以便于热传导；所述的喷淋降温系统是由冷水池、喷淋泵、电动阀、喷淋主管及装有喷头的喷淋支管连接构成，所述的喷淋支管包括立式喷淋支管、水平喷淋支管，立式喷淋支管安装在雾化区内，水平喷淋支管安装在汇流区内并位于内防护矮墙上方，冷水池提供温度低于回风井热空气的喷淋冷水冷源，喷淋泵变频调节控制水量水压，喷淋降温水经喷淋主管、喷淋支管分别进入汇流区、雾化区，冷凝雾化热空气；在除湿区内装有过滤网，雾化后的水雾颗粒与粉尘颗粒经过多道过滤网吸附、吸收，粘附于过滤网的网孔上或直接脱落；所述的传感器包括大气温度传感器、热空气温度传感器、除湿后空气温度传感器、风速传感器；大气温度传感器安装于井口外防护墙外侧，监测井口地表大气温度；热空气温度传感器与风速传感器安装在雾化区进口，分别监测回风井井筒出口的热空气温度、风量；除湿后空气温度传感器安装在除湿区出口，监测经除湿后的空气温度。PLC控制系统接收各传感器所采集的数据，并调节、控制盖板、电动闸门、电动阀、喷淋泵。
所述的雾化区、除湿区、出流区的风道壳体采用分段组合水平结构式安装并通过法兰连接，风道壳体的截面为矩形结构；在风道壳体的底部装有滚轮，滚轮安装在导轨上，可在导轨上移动。
所述的内防护矮墙为圆筒形结构，距离回风井井筒的筒口0.2～0.5m，高度0.5～1.5m；所述的外防护墙为方形结构，间隔内防护矮墙壁面最近点距离1～3m，高度3～10m。
在外防护墙顶部设有的盖板为可旋转式盖板，盖板采用电动控制，旋转角度α在0～270°范围可调。
本发明一种地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法，采用上述结构的高温饱和风流除湿装置，由PLC控制系统自动读取大气温度传感器的温度T0、热空气温度传感器的温度T1、除湿后空气温度传感器的温度T2、风速传感器的风速V。PLC控制系统比较判断T0、T1、T2、V四个参数之间的关系，通过调节控制盖板、电动闸门、电动阀、喷淋泵，PLC控制系统按照如下方法实现按风温、风量变化的按需除湿：
1)当T0-T1≥0°，即回风井热空气温度低于地表大气温度，该工况下，回风井热空气可以直接排出回风井井筒，与大气空气接触不会发生冷凝结露。此时，通过PLC控制系统，打开汇流区上的盖板，关闭电动闸门，同时关闭喷淋泵及电动阀，停止喷淋，使回风井热空气从回风井井筒上方直接排出；
2)当T0-T1＜0°，即回风井热空气温度高于地表大气温度，该工况下，通过PLC控制系统，关闭汇流区上的盖板，打开电动闸门，相继开启喷淋泵与电动阀，开始喷淋，使回风井热空气从汇流区进入雾化区，开始对热空气进行喷淋降温并雾化热空气，并经除湿区的过滤网吸附、吸收持续除湿，除湿后空气经出流区的扩散器最终排出，完成整个除湿流程。
同时，为了保证除湿效果，防止因除湿后空气温度高于低温大气冷空气时在扩散器出口出现冷凝结露成雾现象，经降温除湿后回风井空气温度应尽量接近地表大气冷空气温度，但也要考虑喷淋降温系统水量及喷淋泵能耗，因此，根据风速传感器的风速V的变化范围即回风井热空气风量的变化范围，设置了除湿后空气温度传感器的温度T2与大气温度传感器的温度T0之间的温差关系，该温差通过调节喷淋降温系统喷淋泵的频率改变喷淋水量控制。PLC控制系统按照T0、T1、T2、V四者关系调节控制喷淋泵的频率：
当T0-T1＜0°，V≤5m/s，调节喷淋泵的频率，使T2-T0≤10°；当T0-T1＜0°，5＜V≤10m/s，调节喷淋泵的频率，使T2-T0≤6°；当T0-T1＜0°，10＜V≤15m/s，调节喷淋泵的频率，使T2-T0≤3°。
本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置及方法采用以上技术方案后，具有以下优点：
(1)根据矿井回风井的热空气温度高、饱和状态特点，采用该装置及方法实现了回风井空气的冷却降温除湿，并具有净化风流作用，设置汇流区、雾化区、除湿区、出流区四个区，可更加充分的预冷降温冷却热空气并雾化热空气，除湿效率高，视觉效果好，有效地消除了回风井口竖向方向上的“白色烟雾”造成的视觉污染；
(2)当夏季大气温度较高的季节或回风井热空气温度与大气温度相差不大甚至高于大气温度工况时，可打开汇流区盖板，关闭电动闸板，风流从井口直接排出，不增加通风系统阻力，克服了现有技术中封闭井口上方空间仍通过除湿装置而增加通风系统阻力及能耗的缺点；
(3)设置PLC控制系统，增设温度传感器、风速传感器，实现了按照风温、风量变化的按需除湿；
(4)雾化区、除湿区、出流区水平式结构布置，雾化区进口设置电动闸门，可有效的隔断风流，便于后期维护管理。
附图说明
图1是本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置的结构布置示意图；
图2是图1中的A-A视图。
附图标记为：1-汇流区；2-雾化区；3-除湿区；4-出流区；5-冷水池；6-喷淋泵；7-电动阀；8-喷淋主管；9-立式喷淋支管；9′-水平喷淋支管；10-喷头；11-过滤网；12-扩散器；13-法兰；14-盖板；15-电动闸门；16-检修门；17-内防护矮墙；18-外防护墙；19-滚轮；20-导轨；21-大气温度传感器；21a-热空气温度传感器；21b-除湿后空气温度传感器；22-风速传感器；23-PLC控制系统；24-风道壳体；25-回风井井筒。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置及方法做进一步详细说明。
有图1所示的本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置的结构布置示意图并结合图2看出，本发明地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置是由喷淋降温系统、汇流区1、雾化区2、除湿区3、出流区4、传感器及与传感器连接的PLC控制系统23组合构成；所述的汇流区1布置在回风井井筒25上方，汇流区1是由沿回风井井筒25的筒口自内向外间隔砌筑的内防护矮墙17、外防护墙18组合围成；在外防护墙18顶部设有盖板14，盖板14为可旋转式盖板，盖板14采用电动控制，旋转角度α在0～270°范围可调。在外防护墙18一侧设置检修门16，在外防护墙18另一侧设置电动闸门15。所述的内防护矮墙17为圆筒形结构，距离回风井井筒25的筒口0.2～0.5m，高度0.5～1.5m；所述的外防护墙18为方形结构，间隔内防护矮墙17壁面最近点距离1～3m，高度3～10m；内防护矮墙17与外防护墙18之间的间隔距离作为安全通道，便于汇流区1内喷淋降温系统的安装施工与后期维护管理。汇流区1通过电动闸门15与雾化区2联通，雾化区2、除湿区3、出流区4的风道壳体24采用分段组合水平结构式安装并通过法兰13顺序连接，采用分段组合式结构便于系统维护管理，也便于因回风井风量加大或者风温升高而加长雾化区2与除湿区3。风道壳体24采用不锈钢板制作成，不锈钢板导热系数大，有利于通过钢板进行较低温度的大气与热的回风井空气传热，进一步降低回风井空气温度，从而减少喷淋降温系统水量及能耗；在风道壳体24的底部装有滚轮19，滚轮19安装在导轨20上；所述的喷淋降温系统是由冷水池5、喷淋泵6、电动阀7、喷淋主管8及装有喷头10的喷淋支管连接构成，喷淋支管从喷淋主管8上分支，间隔1～2m安装一道，且每一路分支设置一个电动阀7，调节控制喷淋水量。所述的喷淋支管包括立式喷淋支管9、水平喷淋支管9′，立式喷淋支管9安装在雾化区2内，水平喷淋支管9′安装在汇流区1内并位于内防护矮墙17上方，汇流区1内安装的水平喷淋支管9′及喷头10是为了预处理净化热空气；在除湿区3内装有过滤网11，过滤网11每隔0.5～1m安装一道，过滤网11的孔径沿风流方向从进口到出口逐渐加大，以减小过滤阻力，雾化后的水雾颗粒与粉尘颗粒经过多道过滤网11的吸附、吸收，粘附于过滤网11的网孔上或直接脱落，除去回风风流中的90％以上水分从而达到除湿目的；出流区4的出口设置喇叭口状扩散器12，进入出流区4内的除湿后空气温度与大气空气温度的温差减小，与大气冷空气接触时，将不会产生白色水雾，最终达到除湿、消除井口水雾现象；所述的传感器包括大气温度传感器21、热空气温度传感器21a、除湿后空气温度传感器21b、风速传感器22；大气温度传感器21安装于井口外防护墙18外侧离地约1.2m高处，用于监测井口附近的大气温度；热空气温度传感器21a与风速传感器22安装在雾化区2进口，分别用于监测回风井井筒25出口的热空气温度、风量；除湿后空气温度传感器21b安装在除湿区3出口，用于监测经除湿后空气温度。PLC控制系统23与各传感器连接，接收各传感器所采集的数据，并调节控制盖板14、电动闸门15、电动阀7、喷淋泵6。
本发明一种地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法采用上述高温饱和风流除湿装置，由PLC控制系统23自动读取大气温度传感器21的温度T0、热空气温度传感器21a的温度T1、除湿后空气温度传感器21b的温度T2、风速传感器22的风速V，PLC控制系统23比较判断T0、T1、T2、V四个参数之间的关系，通过调节控制盖板14、电动闸门15、电动阀7、喷淋泵6，PLC控制系统23按照如下方法实现按风温、风量变化的按需除湿：
1)当T0-T1≥0°，即回风井热空气温度低于地表大气温度
该工况下，回风井热空气直接排出回风井井筒25，与大气空气接触不会发生冷凝结露，此时，通过PLC控制系统23，打开汇流区1上的盖板14，关闭电动闸门15，同时关闭喷淋泵6及各电动阀7，停止喷淋，使回风井热空气从回风井井筒25上方直接排出，不增加通风系统阻力，节约了矿山通风系统风机能耗，也不产生喷淋泵能耗；
2)当T0-T1＜0°，即回风井热空气温度高于地表大气温度
该工况下，通过PLC控制系统23，关闭汇流区1上的盖板14，打开电动闸门15，相继开启喷淋泵6与电动阀7，开始喷淋，使回风井热空气从汇流区1进入雾化区2，开始对热空气进行喷淋降温并雾化热空气，并经除湿区3的过滤网11吸附、吸收持续除湿，除湿后空气经出流区4的扩散器12最终排出，完成整个除湿流程。
因各矿山通风系统回风井风量、风温不同，地表大气温度也不同，采取该除湿装置出口的雾状程度取决于所除湿的风量与除湿后空气温度与大气温度之间的温差，若风量越大再次冷凝结露的含湿量就越大，若再加上温差越大，出口空气与大气相接触所生成的水雾将越明显。为了保证除湿效果，防止因除湿后空气温度高于低温大气冷空气时在扩散器12出口出现冷凝结露成雾现象，经降温除湿后回风井空气温度T2应尽量接近地表大气冷空气温度T0，但也要考虑喷淋降温系统水量及喷淋泵6能耗，因此，根据风速传感器22的风速V的变化范围即回风井热空气风量的变化范围，设置了除湿后空气温度传感器21b的温度T2与大气温度传感器21的温度T0之间的温差关系，该温差通过调节喷淋降温系统喷淋泵6的频率改变喷淋水量控制。当回风井热空气风量风速大，T2-T0温差小，扩散器出口12遇冷空气结雾不是很明显，反之成雾越明显。T0、T1、T2、V四者关系如下：当T0-T1＜0°，V≤5m/s，调节喷淋泵6的频率，使T2-T0≤10°；当T0-T1＜0°，5＜V≤10m/s，调节喷淋泵6的频率，使T2-T0≤6°；当T0-T1＜0°，10＜V≤15m/s，调节喷淋泵6的频率，使T2-T0≤3°。
Claims (8)
1.一种地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置，其特征在于：它是由喷淋降温系统、汇流区(1)、雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)、传感器及与传感器连接的PLC控制系统(23)组合构成；所述的汇流区(1)布置在回风井井筒(25)上方，汇流区(1)是由沿回风井井筒(25)筒口自内向外间隔砌筑的内防护矮墙(17)、外防护墙(18)组合围成，在外防护墙(18)顶部设有盖板(14)，在外防护墙(18)一侧设置检修门(16)，在外防护墙(18)另一侧设置电动闸门(15)；汇流区(1)通过电动闸门(15)与雾化区(2)联通，雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)的风道壳体(24)顺序连接；所述的喷淋降温系统是由冷水池(5)、喷淋泵(6)、电动阀(7)、喷淋主管(8)及装有喷头(10)的喷淋支管连接构成，所述的喷淋支管包括立式喷淋支管(9)、水平喷淋支管(9′)，立式喷淋支管(9)安装在雾化区(2)内，水平喷淋支管(9′)安装在汇流区(1)内并位于内防护矮墙(17)上方；在除湿区(3)内装有过滤网(11)；所述的传感器包括大气温度传感器(21)、热空气温度传感器(21a)、除湿后空气温度传感器(21b)、风速传感器(22)，大气温度传感器(21)安装于井口外防护墙(18)外侧，热空气温度传感器(21a)与风速传感器(22)安装在雾化区(2)进口，除湿后空气温度传感器(21b)安装在除湿区(3)出口。
2.如权利要求1所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置，其特征在于：所述的雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)的风道壳体(24)分段组合水平结构式安装并通过法兰(13)连接；在风道壳体(24)的底部装有滚轮(19)，滚轮(19)安装在导轨(20)上。
3.如权利要求1或2所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置，其特征在于：所述的内防护矮墙(17)为圆筒形结构，距离回风井井筒(25)的筒口0.2～0.5m，高度0.5～1.5m；所述的外防护墙(18)为方形结构，间隔内防护矮墙(17)壁面最近点距离1～3m，高度3～10m。
4.如权利要求3所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿装置，其特征在于：在外防护墙(18)顶部设有的盖板(14)为可旋转式盖板，盖板(14)采用电动控制，旋转角度α在0～270°范围可调。
5.一种地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法，其特征在于：采用高温饱和风流除湿装置由喷淋降温系统、汇流区(1)、雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)、传感器及与传感器连接的PLC控制系统(23)组合构成；所述的汇流区(1)布置在回风井井筒(25)上方，汇流区(1)是由沿回风井井筒(25)筒口自内向外间隔砌筑的内防护矮墙(17)、外防护墙(18)组合围成，在外防护墙(18)顶部设有盖板(14)，在外防护墙(18)一侧设置检修门(16)，在外防护墙(18)另一侧设置电动闸门(15)；汇流区(1)通过电动闸门(15)与雾化区(2)联通，雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)的风道壳体(24)顺序连接；所述的喷淋降温系统是由冷水池(5)、喷淋泵(6)、电动阀(7)、喷淋主管(8)及装有喷头(10)的喷淋支管连接构成，所述的喷淋支管包括立式喷淋支管(9)、水平喷淋支管(9′)，立式喷淋支管(9)安装在雾化区(2)内，水平喷淋支管(9′)安装在汇流区(1)内并位于内防护矮墙(17)上方；在除湿区(3)内装有过滤网(11)；所述的传感器包括大气温度传感器(21)、热空气温度传感器(21a)、除湿后空气温度传感器(21b)、风速传感器(22)，大气温度传感器(21)安装于井口外防护墙(18)外侧，热空气温度传感器(21a)与风速传感器(22)安装在雾化区(2)进口，除湿后空气温度传感器(21b)安装在除湿区(3)出口；
由PLC控制系统(23)自动读取大气温度传感器(21)的温度T0、热空气温度传感器(21a)的温度T1、除湿后空气温度传感器(21b)的温度T2、风速传感器(22)的风速V，PLC控制系统(23)比较判断T0、T1、T2、V四个参数之间的关系，通过调节控制盖板(14)、电动闸门(15)、电动阀(7)、喷淋泵(6)，PLC控制系统(23)按照如下方法实现按风温、风量变化的按需除湿：
1)当T0-T1≥0°，通过PLC控制系统(23)，打开汇流区(1)上的盖板(14)，关闭电动闸门(15)，同时关闭喷淋泵(6)及电动阀(7)，停止喷淋，使回风井热空气从回风井井筒(25)上方直接排出；
2)当T0-T1＜0°，通过PLC控制系统(23)，关闭汇流区(1)上的盖板(14)，打开电动闸门(15)，相继开启喷淋泵(6)与电动阀(7)，开始喷淋，使回风井热空气从汇流区(1)进入雾化区(2)，开始对热空气进行喷淋降温并雾化热空气，并经除湿区(3)的过滤网(11)吸附、吸收持续除湿，除湿后空气经出流区(4)的扩散器(12)最终排出，完成整个除湿流程。
6.如权利要求5所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法，其特征在于：在第2)种情况下，PLC控制系统(23)按照T0、T1、T2、V四者关系调节控制喷淋泵(6)的频率：
当T0-T1＜0°，V≤5m/s，调节喷淋泵(6)的频率，使T2-T0≤10°；当T0-T1＜0°，5＜V≤10m/s，调节喷淋泵(6)的频率，使T2-T0≤6°；当T0-T1＜0°，10＜V≤15m/s，调节喷淋泵(6)的频率，使T2-T0≤3°。
7.如权利要求5或6所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法，其特征在于：所述的雾化区(2)、除湿区(3)、出流区(4)的风道壳体(24)分段组合水平结构式安装并通过法兰(13)连接；在风道壳体(24)的底部装有滚轮(19)，滚轮(19)安装在导轨(20)上；在外防护墙(18)顶部设有的盖板(14)为可旋转式盖板，盖板(14)采用电动控制，旋转角度α在0～270°范围可调。
8.如权利要求7所述的地下矿山回风井高温饱和风流除湿方法，其特征在于：所述的内防护矮墙(17)为圆筒形结构，距离回风井井筒(25)的筒口0.2～0.5m，高度0.5～1.5m；所述的外防护墙(18)为方形结构，间隔内防护矮墙(17)壁面最近点距离1～3m，高度3～10m。
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