煤矿井下磁分离净化水处理系节能及经济效益评估.doc

煤矿井下磁分离净化水处理系统煤矿井下磁分离净化水处理系统 节能及经济效益评估节能及经济效益评估报告报告 煤炭科学技术研究院有限公司煤炭科学技术研究院有限公司 原煤炭科学研究总院 原煤炭科学研究总院 煤炭工业节能技术服务中心煤炭工业节能技术服务中心 二二 一四年一四年 七月七月 项目参加人员项目参加人员 项目负责人 项目负责人 张国光张国光 煤炭工业节能技术服务中心主任煤炭工业节能技术服务中心主任 张张 超超 山东环能环保科技有限公司总经理山东环能环保科技有限公司总经理 项目参加人 项目参加人 山东能源新矿集团 山东能源新矿集团 张元富张元富 新矿集团机电副总工新矿集团机电副总工 郑朝勇郑朝勇 新矿集团协庄矿副矿长新矿集团协庄矿副矿长 陈培国陈培国 新矿集团龙固矿机电副总新矿集团龙固矿机电副总 煤炭科学技术研究院有限公司煤炭科学技术研究院有限公司 煤炭工业节能技术服务中心 煤炭工业节能技术服务中心 张国光张国光 工程师工程师 蒋翠蓉蒋翠蓉 高级工程师高级工程师 蔡志丹蔡志丹 工程师工程师 吴吴 洋洋 工程师工程师 邬丽琼邬丽琼 高级工程师高级工程师 报告审核 白向飞报告审核 白向飞 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 I 目目 录录 1 总论总论 1 1 1 编制背景 1 1 2 矿井水处理的概况及趋势 1 1 2 1 我国的煤矿矿井水概况 1 1 2 2 矿井水的性质 1 1 2 3 矿井水处理技术现状 2 1 3 传统工艺需要解决的问题 6 1 4 矿井水处理工艺发展趋势 7 2 井下磁分离净化水处理系统工艺介绍井下磁分离净化水处理系统工艺介绍 8 2 1 技术原理 8 2 1 1 感生磁力和磁分离原理 8 2 1 2 磁分离技术和磁种回收技术 9 2 1 3 重介加载磁分离设备工作原理 10 2 2 工艺流程 11 2 3 主要设备功能 13 2 4 技术特点 14 3 系统节能及经济效益评估方案系统节能及经济效益评估方案 16 3 1 实现目标 16 3 2 主要工作内容 16 3 2 1 节能评估 16 3 2 2 效益评估 16 3 2 3 相关耗能设备现场测试 17 3 3 评估报告编制说明 17 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 II 3 3 1 系统边界 17 3 3 2 节能及经济效益评估对比基准 18 3 3 4 节能量计算依据 18 4 工程案例分析 一 工程案例分析 一 协庄煤矿协庄煤矿 21 4 1 背景介绍 21 4 2 井下水处理方案设计 21 4 2 1 方案选择 21 4 2 2 水处理系统设计方案 22 4 2 3 项目安装地点 22 4 2 4 井下水处理设备选型 23 4 2 5 井下水处理峒室设计 23 4 3 井下水处理系统运行效果 24 4 4 节能评估 26 4 4 1 安装前用能情况 26 4 4 2 安装后用能情况 26 4 4 3 节能评估 27 4 5 经济效益评估 27 4 5 1 节约设备维修和维护费用 27 4 5 2 与地面水处理工艺投资对比 31 4 5 3 日常运行费用对比 34 5 工程案例分析 二 工程案例分析 二 龙固煤矿龙固煤矿 37 5 1 背景介绍 37 5 2 井下水处理方案设计 37 5 2 1 水处理系统设计方案 37 5 2 2 项目安装地点 37 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 III 5 2 3 井下水处理设备 38 5 3 井下水处理系统运行效果 39 5 4 节能评估 41 5 4 1 安装前用能情况 41 5 4 2 安装后用能情况 42 5 4 3 节能评估 44 5 5 经济效益评估 44 5 5 1 节约设备维修和维护费用 45 5 5 2 与地面水处理工艺投资对比 48 5 5 3 与地面水处理工艺日常运行费用对比 51 6 工程案例分析 三 工程案例分析 三 福城煤矿福城煤矿 53 6 1 背景介绍 53 6 2 井下水处理方案设计 53 6 2 1 水处理系统设计方案 53 6 2 2 项目安装地点 54 6 2 3 井下水处理设备 54 6 3 井下水处理系统运行效果 56 6 4 节能评估 58 6 4 1 安装前用能情况 58 6 4 2 安装后用能情况 59 5 4 3 节能评估 60 6 5 经济效益评估 60 6 5 1 节约设备维修和维护费用 61 6 5 2 与地面水处理工艺投资对比 64 6 5 3 日常运行费用对比 66 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 IV 7 井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估 68 7 1 节能评估 68 7 2 节约设备维修和维护费用评估 69 7 3 与地面水处理工艺对比 71 7 3 1 工程建设投资对比 71 7 3 2 日常运行费用对比 74 7 3 3 运行效果对比 77 7 4 其他社会和经济效益评估 77 7 4 1 其他经济效益 77 7 4 2 安全效益 78 7 4 3 社会效益 79 8 结论与建议结论与建议 80 8 1 主要结论 80 8 2 主要建议 82 附件附件 83 附件 1 福城煤矿主排水泵节能监测报告 83 附件 2 科技查新报告 91 附件 3 科技成果鉴定保报告 103 附件 4 部分获奖证书 115 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 1 1 总论总论 1 1 编制背景编制背景 节约资源和保护环境是我国的基本国策 随着我国经济的平稳快速发展 我国的资源环境压力日趋显现 响应国家节能减排 资源综合利用的相关政策 要求 全国各煤矿企业正全面开展矿井水的处理及资源综合利用工作 以提高 企业资源综合利用效益 减少环境污染 确保企业的安全生产 提高经济 社 会 环境 安全效益 煤炭行业目前采用的矿井水处理工艺设计大多是传统的混凝沉淀 过滤工 艺 这些工艺虽然在一定时期内提高了我国煤矿矿井水资源的处理及综合利用 水平 但是具有投资大 占地面积大 运行成本高 处理效果及能力不足等弊 端 因此 寻求一种成熟 高效 经济的矿井水处理及综合利用工艺技术 是 满足矿井水环保要求及资源化利用的迫切需求 同时 矿井水井下处理一体化 技术工艺及设备的研发 也是 十二五 国家资源综合利用的重点之一 1 2 矿井水处理的概况及趋势矿井水处理的概况及趋势 1 2 1 我国的煤矿矿井水概况我国的煤矿矿井水概况 我国煤炭产量位居世界第一 煤矿矿井水的产生量和排放量也是位居全国 工业废水的第一 据统计和测算 目前全国煤炭矿井水的产生量达到每年 60 亿 m3左右 目前综合利用水平 65 左右 即每年排放 20 亿 m3左右 1 2 2 矿井水的性质矿井水的性质 由于各地煤系地层的水文地质条件不同 矿井水从涌出到集中水仓再提升 到地面的途径不同 各个矿区 各个煤矿的矿井水水质差别很大 在煤炭行业 水处理和环境保护界 一般根据矿井水杂质的数量和性质 划分为清洁矿井水 高悬浮物矿井水 高矿化度矿井水 酸性矿井水和含重金属及放射性矿井水等 五类 有些矿井水兼有上述五类中的两类甚至四类污染物 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 2 1 2 3 矿井水处理技术现状矿井水处理技术现状 我国大规模 普遍地进行煤矿矿井水处理始于 20 世纪 80 年代中期 至今 仅有三十年左右的历史 但是推广普及的速度和技术进步的速度很快 可以说 目前全国一万余家正规在册的煤矿中 除西北地区极少数无涌水煤矿外 都建 设了并运行着矿井水处理系统 据我们近期调查和测算 全国煤矿矿井水的总 处理能力超过 35 亿 m3 年 除少数采取提前抽排或井下清污分流措施的煤矿 能够直接排放清洁矿井 水外 大多数煤矿的矿井水都需要进行水质处理 才能达到环境排放标准或资 源利用标准 煤矿矿井水处理技术的选择 取决于排水水质和处理后的水质要 求 即 两头决定中间 1 2 3 1 按技术特征分类按技术特征分类 根据矿井水处理的技术特征 可以划分为一般处理技术 特殊处理技术和 深度处理技术 矿井水一般处理技术 主要目的是去除矿井水中的煤粉 岩粉等颗粒物 和悬浮物 主要技术手段是预沉淀 混凝 絮凝 沉淀 过滤 矿井水一般处理 技术的应用范围最广 占矿井水处理工程总量的 90 以上 同时 一般处理技 术还是特殊处理技术和深度处理技术必需的前端处理环节 特殊处理技术 主要目的是去除矿井水中过高的酸性 溶解性盐类 铁 锰离子等主要污染成分 部分矿井水中还有 COD NH 油类等污染物 主要 技术手段是物理化学法和化学法 通过中和 氧化 沉淀 超滤 反渗透等化 学反应和物理化学作用 把超过标准有害物质从水中分离出去 矿井水特殊处 理技术的用户较少但地域分布相对集中 深度处理技术 主要指为使处理后的矿井水达到生活饮用水卫生标准以 及冷却循环水及锅炉内水等 对经过一般处理或特殊处理的煤矿矿井水进一步 进行消毒 活性炭吸附等处理 目的是去除水中病原微生物 微量有机污染物 和重金属离子的组合技术 矿井水深度处理属于要求严格的水处理技术之一 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 3 1 2 3 2 按矿井水质特征分类按矿井水质特征分类 针对不同矿井水水质特征 可以划分以下处理技术 1 含悬浮物矿井水处理技术 含悬浮物矿井水是指除悬浮物 细菌及感观性状指标外 其它理化指标不 超过我国生活饮用水为生标准的矿井水 其主要污染物是来自井下采掘工作中 汇入水中的的煤粒 煤粉 岩粉 石油类等悬浮物 SS 另外细菌含量较多 CODcr偏高 去除矿井水中悬浮物的工艺是矿井水处理过程中的核心工艺 较好的去除 原水中的悬浮物将会为后续其它污染物去除的工艺提供良好的水质保证 在设 计其它水质类型的处理工艺时 就是在此基础上添加后续适当工艺流程 达到 对矿井水处理的最优化 因此水中悬浮物的去除效果是评价一个矿井水处理系 统好坏的关键依据之一 含悬浮物矿井水处理技术的主要技术步骤如下 混凝 矿井水进入反应池之前加入混凝剂 混凝剂投配方法目前主要有两种 即 干投法和湿投法 湿投法投药均匀稳定 节省药剂 混凝效果好 混凝剂的选 用与配比直接关系到矿井水的处理效果与处理效率 必须经过反复实验和调试 找到最佳药剂和最佳配比 沉淀 过滤 矿井水在反应池中与混凝剂充分接触反应后 进入沉淀池 水中的大部分 悬浮颗粒在沉淀池被絮凝沉淀下来 出水进入滤池 过滤一般是以石英砂等粒 状滤料层截留水中悬浮杂质 从而使水获得澄清的工艺过程 它不仅能进一步 除去水中杂质 絮凝作用残留水中细小的杂质 降低水的浊度 而且水中有机 物 细菌乃至病毒等将随浊度的降低而被除去 至于残留于滤后水中的细菌 病毒等在失去浑浊物的保护或依附时 在滤后消毒过程中也容易被杀灭 这就 为滤后消毒创造了良好的条件 消毒 经过上面三道工艺处理后 水质已经能够满足工业用水如工业锅炉循环冷 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 4 却水 矸石电厂汽机循环用水等以及绿化用水 农业用水的要求 水的消毒处 理一般是生活饮用水处理工艺的最后一道工序 水经过净化处理后 细菌 病 毒 有机物及臭味等并不能得到较好的去除 因此消毒的目的在于杀灭水中的 有害病原微生物 病原菌 病毒等 防止水致传染病的危害 水经过消毒工艺 后就进入清水池 并通过管网输送到用户 值得注意的是要对反应池和沉淀池进行定期排泥 煤泥渣经过压滤后外排 避免二次污染的产生 2 高矿化度矿井水的处理技术 高矿化度矿井水是指含盐量大于 1000mg L 的矿井水 它主要含有 SO42 Cl Ca2 K Na HCO32 等离子 硬度相应较高 水质多数呈中性或偏碱 这类矿井水还含有较高的煤 岩粉等悬浮物 浊度大 因高矿化度的矿井水盐 含量高 处理工艺除了包括混凝 沉淀等工序以外 其关键工序就是脱盐 目前我国主要的脱盐方法有三种 蒸馏法 电渗析法和反渗透 RO 法 蒸馏法 蒸馏法淡化矿井苦咸水的工艺流程主要有 2 种 一种以煤矸石作为沸腾炉 燃料生产蒸汽来淡化苦咸水 将达到沸腾炉燃烧要求的矸石等燃料送入锅炉生 产蒸汽 由蒸汽加热待脱盐的矿井水 经多级高效闪蒸装置获得淡水 这些淡 水一部分用于补充锅炉用水 大部分淡化水与一定量的原水混合后成为符合国 家标准的生活饮用水 另一种以热电厂废热为能源的电 淡水联产工艺 它是 以煤矸石作为沸腾炉燃料 生产蒸汽用于发电 采用背压发电机组 产生的余 热用来加热苦咸水获得淡水 产水成本较低 电渗析法 电渗析法和反渗透 RO 法技术均属于膜分离技术 若在膜的两边施加 一个直流电场 溶液中的离子在这个电场作用下 将做定向迁移 这种离子迁 移的过程称为电渗析过程 反渗透 RO 法 反渗透 RO 法是利用高分子膜 以超过溶液渗透压的压力实现将溶剂 和溶质加以分离的方法 对于水溶液来说 在压力的推动下 只有水分子透过 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 5 膜 而水中的各种离子 有机物 微生物 细菌 胶体等几乎都被截留 该方 法装置简单 占地少 操作管理方便 杂质去除范围广 运行费用低 没有二 次污染 是目前多有脱盐方法中能耗最低的一种 电渗析法和反渗透 RO 法对进水水质均有严格的要求 以防止膜污染 产生膜污染的因素主要来自三个方面 悬浮物 胶体和微粒 溶解性的无机物 和溶解性的有机物 针对这三种污染物质 就必须对原水进行预处理 减少这 些污染物对膜的影响 提高水处理效果 延长膜的使用寿命 3 酸性矿井水处理技术 酸性矿井水主要来自高硫煤的开采 原水 pH 小于 6 5 一般 pH 值在 3 0 6 5 之间 总酸度高 此外含有大量的 SO42 Fe2 Fe3 Ca2 Mg2 以及 悬浮颗粒物 国内煤矿酸性水处理方法主要是中和法 一般采用石灰石或石灰 作中和剂进行中和处理 石灰中和法 石灰中和法是利用石灰中的 CaO 与酸性水中的硫酸产生反应 使酸性水得 到中和 将氧化钙含量为 67 81 的石灰制成含活性氧化钙 5 10 的石 灰乳 加入中和氧化池中 同时进行充分搅拌 经沉淀 过滤后 清水达到国 家规定的排放标准 pH6 0 9 0 或者回用于煤矿工业用水 废水中的 Fe Mg Al 等一些有害重金属离子转化成稳定的溶解度很小的氢氧化物沉淀 并去除 石灰石中和滚筒法 酸性水经过耐酸泵连续送入滚筒中 在滚筒中与中和剂石灰石反应 为了 保证石灰石与酸性水有较充足的接触反应时间 将滚筒出水送入反应池 使随 矿井水带出的石灰石在反应池中与酸性水继续产生反应 进一步提高酸性水 pH 值 然后经过沉淀处理后出水外排 该法突出优点是对中和剂石灰石颗粒直径无严格要求 设备比较简单 操 作管理方便 处理费用低 但是其工作条件差 二次污染严重 为了保持滚筒 内径有效尺寸和避免出水口被 CaSO4 Fe OH 3堵塞 要经常采用 HCl 进行 清洗 这就使出水 pH 值往往低于 6 0 达不到排放要求 除铁效率差 增加处 理成本 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 6 石灰石升流膨胀过滤中和法 以细小石灰石颗粒 d 3 0mm 为滤料 酸性水自滤池底部进入滤池 在 酸性水作用下 石灰石滤池膨胀 颗粒与颗粒之间相互磨擦 使石灰石与酸性 水反应能够连续不断地进行的一种酸性水中和处理方法 经过滤池中和处理后 出水除去沉渣进入曝气池 在压缩空气的作用下 反应产物 H2CO3彻底分解为 H2O 和 CO2 使酸性水 pH 值得到进一步提高 最后沉淀处理后外排 该工艺优点是操作简单 管理方便 工作环境好 处理费用低 但是中和 反应后的出水 pH 值往往达不到 6 0 经过曝气后 pH 值有所提高 对 Fe2 的去除率极低 反应产物 Fe OH 3 CaSO4经常包裹在石灰石颗粒表面 造 成石灰石颗粒失去活性 恶化处理效果 所以一般在滤池出水中再投加石灰 以提高水的 pH 值 加快 Fe2 氧化速度 提高去除效率 石灰石 石灰联合处理法 该法第一阶段采用石灰石中和酸性矿井水中的 H 使矿井水的 pH 值接近 6 0 然后投加石灰到 pH 值为 8 左右 进一步中和 H 同时将 Fe2 氧化成 Fe3 抑制 Fe3 离子的水解 该工艺适合各种性质的酸性矿井水的处理 对高 价及低价的铁离子的去除都比较完全 而且污泥的沉降速度要比石灰乳中和法 快 这就克服了单用石灰石法或石灰乳法的弊端 1 3 传统工艺需要解决的问题传统工艺需要解决的问题 1 节能及节约需求 传统的矿井水处理工艺是通过矿井的中央泵房花费巨大的能耗将水仓中汇 集的矿井水提升到地面处理 同时 由于煤粉岩粉的沉积 水仓中一般是 一 仓水 半仓泥 的状态 严重影响了水仓的有效容积 对于防止水害存在很大 的安全隐患 同时 由于水泵提升的是含悬浮物的污水 水泵效率受到严重影 响 泵体及排水管道系统损毁严重 地面处理工艺还存在占地面积大 投资 运行成本高的缺陷 2 井下水仓定期清淤难题 水仓中沉积的淤泥 需要及时清挖 这会带来许多安全隐患 花费大量的 清仓费用 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 7 3 减少对井上环境的污染 地面处理工艺存在 拖泥带水 现象 污染物转移 造成环境的二次污染 4 水资源综合利用 随着煤炭矿区水资源日益紧缺和用水量大的煤炭循环经济产业快速发展 矿井水的资源价值越来越受到重视 特别是在缺水矿区 矿井水已经成为主要 的工业 生活用水水源 并明确写入行业技术政策和设计规范 目前煤矿矿井 水处理技术中的排水处理与给水处理已经紧密不可分的系统工程 为资源化利 用已经成为矿井水处理的首要目标 5 煤泥资源综合利用 地面处理工艺容易造成煤泥的无序排放 浪费煤炭资源 1 4 矿井水处理工艺发展趋势矿井水处理工艺发展趋势 传统的矿井水处理是将井下水仓集中的矿井水提升到地面 在地面建设矿 井水处理厂 自 20 世纪 90 年代后期 矿井水井下处理逐渐成为一种技术潮流 越来越多地被煤矿采用 与地面处理工艺相比 矿井水井下处理不仅是空间位置的变化 更是一种 全新的清洁生产理念和高效低碳的技术路线 矿井水井下处理符合彻底改变煤 矿形象 采煤不见煤 出矸不见矸 排水不见水 的时代潮流 是煤炭绿 色开采技术的重要组成部分 并且具有多方面的技术经济优势 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 8 2 井下磁分离净化水处理系统工艺介绍井下磁分离净化水处理系统工艺介绍 2 1 技术原理技术原理 2 1 1 感生磁力和磁分离原理感生磁力和磁分离原理 2 1 1 1 感生磁力感生磁力 感生磁力按公式 2 1 计算 2 HgradH 0 磁 F 1 其中 F磁 磁力 N kg m s2 0 真空的磁导率 0 4 10 7wb m A x 悬浮物的比磁化率 或物体质量磁化系数 m3 kg H 外磁场强度 A m HgradH 磁场力 A2 m3 首先被分离物质要求是导磁性物质 非导磁性物质通过微磁凝聚技术改性 为导磁性絮团 该絮团的比磁化率是感生磁力大小的决定因素之一 外磁场强 度和磁场梯度的大小也是感生磁力大小的决定因素 2 1 1 2 磁分离原理磁分离原理 利用感生磁力 电磁场或永磁场 将废水中的磁性絮团悬浮物打捞分离出 来 达到水质净化和悬浮物回收的目的 必须满足下列关系式 2 2 2 动力 v力力力0力力 FFgFF 2 其中 F磁 作用在磁性絮团悬浮物上的磁力 F机 与磁力方向相反的所有机械力的合力 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 9 F 机包括在水介质中的重力分量 微粒沿磁力 F磁方向运动时所受到的水 介质粘斥阻力和颗粒定向运动的加速阻力 在大流量 低浓度的水体中 磁性絮团悬浮物随流体流动 在磁场中受到 磁力和机械力的作用 只有满足 F磁 F机时 磁性絮团悬浮物才有可能在磁场 作用下被吸附分离 磁性絮团悬浮物被吸引的磁力要求足够大 大于其它反力 才能将其从水 体中分离出来 2 1 1 3 效能参数效能参数 重介加载磁分离净化技术特性用其效能参数来表征 磁分离的效能定律按 公式 2 3 计算 2 2 d Q S 36 总磁 FN 3 其中 N 效能参数 颗粒密度 水的粘度 S总 磁作用的总有效面积 Q 处理流量 d 颗粒直径 磁力越大 磁分离设备效能越高 相关度为一次方正比关系 磁力有效面积越大 磁分离设备效能越高 相关度为一次方正比关系 2 1 2 磁分离技术和磁种回收技术磁分离技术和磁种回收技术 2 1 4 1 磁分离技术磁分离技术 矿井水处理的主要对象是悬浮物 而悬浮物本身是不带磁性的 因此 要 利用重介加载磁分离净化设备净化矿井水 必须将非磁性悬浮物转化为磁性悬 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 10 浮物 磁分离技术就是向原水中投加专用磁种 使磁种在混凝剂的作用下与原 水中的悬浮物形成絮团 形成的絮团是以磁种作为 核 的磁种和悬浮物的混合 体 因磁种带有磁性 当絮团沿着水流经过重介加载磁分离机时 重介加载磁 分离机内由稀土钕铁硼永磁材料 通过磁盘组形成的磁场能捕捉吸附带磁性的 磁种 从而将以磁种作为核的悬浮物絮团一起吸附 实现水与悬浮物的分离 达到净化矿井水水的目的 2 1 4 2 磁种回收技术磁种回收技术 磁分离技术中 采用了投加磁种以使凝聚所形成的絮团带上磁性 由于投 加磁种的过程是连续的 投加的磁种也将成为运行费用的一部分 为了节约资 源 降低吨矿井水处理的运行成本 同时开发了磁种回收技术 能将投入废水 中的磁种回收再利用 通过大量的试验证明其回收率大于 97 基本可忽略其 产生的运行费用 磁种回收的具体方法如下 重介加载磁分离净化设备分离出的废渣 即磁 种和悬浮物的混合体 经螺旋输送装置进入高速搅拌剪切环节 实现磁种和悬 浮物的分离 分离后的磁种和悬浮物 非磁性物质 再经由磁鼓回收装置 将 其中的磁种分选出来 实现回收再利用 脱磁后的污泥进入后续污泥处理系统 2 1 3 重介加载磁分离设备工作原理重介加载磁分离设备工作原理 重介加载磁分离净化设备是由一组强磁力稀土磁盘打捞分离机械组成 如 图 2 1 所示 当矿井水流经磁盘组 2 之间的流道时 水中所含的磁性悬浮絮 团受到磁场力的作用 吸附在磁盘盘面上 随着磁盘的转动 迅速从水体中分 离出来 运转到刮渣装置 3 时 形成隔磁卸渣带 由刮渣刨机构 4 轮刮 入螺旋输送装置 5 卸载的污泥流入磁分离磁鼓 泥水分离后清水从出水口 流出 完成净化过程 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 11 图图 2 1 重介加载磁分离净化设备工作原理图重介加载磁分离净化设备工作原理图 主要构成 主要构成 1 机架及水槽 机架及水槽 2 稀土磁盘组 稀土磁盘组 3 刮渣装置 刮渣装置 4 刨轮机构 刨轮机构 5 螺旋输送装置 螺旋输送装置 2 2 工艺流程工艺流程 重介加载磁分离成套设备主要包括预处理系统 混凝系统 泥水分离系统 磁种循环系统 污泥处理系统 电控系统 该系统工艺根据现场条件及使用形 式不同 分为就地安装式和移动车载式两种 固定式可应用于井下及地面 车 载式主要用于应急处理 整套工艺主流程全部采用重力流 同时为适应井下湿度大 温度差异大的 特点 设备主要部件都使用不锈钢材料 设备内腔作了相应防护处理 应对矿 井水中的钙 镁离子 酸 盐 硬度含量高的特点 排水及加药管线也采用 PPR 等不易腐蚀的材料 减少腐蚀结垢及维护量 重介加载磁分离水处理技术工艺能在 3 分钟左右去除水中悬浮物 以及有 效去除 COD 铁锰 总磷等污染物 其工艺流程见图 2 2 图图 2 2 重介加载磁分离技术工艺工艺流程简图重介加载磁分离技术工艺工艺流程简图 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 12 1 井下矿井水净化 矿井水经水渠汇集后 先通过格栅去除水中的生活垃圾及较大的杂物 然 后自流进入三级沉砂池 沉淀大粒径的煤 岩颗粒物 池中预埋潜水式渣浆泵 将沉积下来的大颗粒煤岩粉排入后端的污泥池 上清液自流进入混凝系统 混 凝系统通过投加磁种和混凝剂 使悬浮物在较短时间内形成以磁种为核的 微絮 团 经过混凝之后的水再自流进入重介加载磁分离机进行固液分离净化 重介 加载磁分离机通过磁吸附打捞 使出水水质达到 SS 10 30mg L 处理后的水自 流进入水仓 2 磁种回收 分离出来的含磁污泥经磁回收系统实现磁种与污泥的高效分离 磁种物质 回收 循环使用 磁种回收系统设备见图 2 3 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 13 图图 2 3 磁种回收系统设备图磁种回收系统设备图 3 脱磁后的污泥含水率约 93 浓度高 无需浓缩 可通过脱水设备直 接处理 干泥通过矿井运输系统外运 药剂投加 4 整体工艺设备实现自控及远程控制 可以与数字化矿井建设要求匹配 2 3 主要设备功能主要设备功能 1 重介加载磁分离机 重介加载磁分离机利用稀土钕铁硼永磁材料的高强磁能积 通过稀土磁盘 的聚磁组合 在磁路的设计上进行创新 实现工作空间的高磁场强度和高磁场 梯度 使废水中铁磁性物质微粒及絮凝吸附在其上的非磁性物质微粒 在磁场 力作用下 克服流体阻力和微粒重力等机械外力 产生快速定向运动 吸附在 稀土磁盘表面 从而将废水中的悬浮物分离出来 再通过隔磁卸渣装置将稀土 磁盘表面的吸附物卸下 刨入螺旋槽 经非磁性的输渣装置输出 实现废水的 净化和循环使用 2 药剂制备投加装置 药剂制备投加装置融药剂的制备 投加于一体 与重介加载磁分离机配套 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 14 使用 用于实现 PAC 和 PAM 两种药剂的计量投加 PAC 制备投加装置由搅拌 投加两部分组成 搅拌部分负责药剂的制备 计量单元则通过计量泵将药液从 储液箱定量地投加到混凝系统 设计每 8 小时补充一次干粉药剂 PAM 采用连 续制备投加装置 可实现自动投加干粉和连续配制 3 混凝反应系统 混凝反应系统提供磁种及药剂与原水的混合空间 通过机械搅拌的方式使 原水与投加物质混合均匀 4 磁分离磁鼓 磁分离磁鼓用于回收投加进入原水中的磁种 实现再利用 通过重介加载 磁分离机分离出来的渣是磁种和悬浮物所形成的絮团 将这些絮团打散后通过 磁分离磁鼓的分选 使磁种和非磁性物质分离出来 回收的磁种再次进入原系 统作为磁种投加 分离出来的非磁性物质进入污泥处理系统 由于含固率高 不需要浓缩可直接脱水 设备运行稳定 回收能力强 2 4 技术特点技术特点 井下磁分离净化水处理系统工艺技术具有稳定成熟 分离时间短 处理能 力大等特点 1 技术稳定成熟 核心设备采用的钕铁硼稀土永磁钢 磁场强度稳定 为设备的生产制造及应 用提供了保障采用稀土磁钢构造分离磁场 技术稳定成熟 2 处理时间短 磁分离工艺自流连续进水 不需要传统工艺的重力沉降水力停留时间 磁分离 技术因采用稀土磁钢 其表面产生磁力是重力的 640 倍以上 能快速捕捉到微 小的磁性絮团 泥水分离过程仅需 3 秒钟 进出水处理过程仅需要 3 5 分钟 磁分离时间短 3 设备占地少 处理量大 由于磁分离工艺实现了一体化 连续处理功能 单位时间的处理效率高 处理 量大 设备的占地面积小 与传统处理方法相比 节约占地 95 以上 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 15 设备占地少 处理能力大 4 运行成本低 磁分离依靠强磁力进行吸附分离 不需要形成大的絮团 可节约药剂使用 量 仅为常规水处理加药量的 1 3 1 2 装机功率低 能耗低 节约电费 运 行维护简单 节约人工费 5 出渣污泥浓度高 系统排泥绝干污泥含量大于 70000mg L 含水率约 93 可不经过浓缩过程直 接进入脱水设备 经压滤脱水后 污泥含水率小于 60 便于与矿井运输系统 衔接外运 避免了传统工艺污泥处理 拖泥带水 现象 6 自动化程度高 整套系统可实现自动控制及远程控制 与数字化矿井建设相匹配 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 16 3 系统节能及经济效益评估方案系统节能及经济效益评估方案 3 1 实现目标实现目标 以新汶矿业集团公司赵官矿 协庄矿 龙固矿和福城矿等四处工程项目为 基础 对山东环能环保科技有限公司提供的煤矿井下磁分离净化水处理系统产 生的节能量和经济效益进行测量 计算和验证 并最终对煤矿井下磁分离净化 水处理系统的节能和经济效益进行整体评估 3 2 主要工作内容主要工作内容 3 2 1 节能评估节能评估 确定煤矿井下磁分离净化水处理系统安装项目节能量的范围 边界和计 算方法 以上述四处工程项目实施前后的实际运行数据为基础 对煤矿井下磁分 离净化水处理系统安装项目的节能量进行测量和验证 对煤矿井下磁分离净化水处理系统安装项目的节能量进行整体评估 3 2 2 效益评估效益评估 对煤矿井下磁分离净化水处理系统安装项目产生的各项效益进行评估 主 要包括 节电直接经济效益评估 与传统矿井水地面处理工艺技术经济效益比较 包括投资 人员 矿建 与设备选型等方面 对于井下水处理系统投运后 主排水系统产生的经济效益评估 包括 对节约主排水泵及其管网系统维修和维护效益评估 减少主排水水仓清理频次 及产生的经济效益 项目整体经济效益优化评估 包括 矿井水回用产生的经济效益 减少 污水排放量产生的经济效益 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 17 3 2 3 相关耗能设备现场测试相关耗能设备现场测试 为了配合研究报告的实施 选取龙固矿 福城矿和协庄矿井下磁分离净化 水处理系统工程项目 对三矿的主排水系统的电能消耗量和工序能耗指标进行 测试 并根据测试结果对设备的运行效率和能耗情况进行分析 3 3 评估报告编制说明评估报告编制说明 3 3 1 系统边界系统边界 项目实施前 系统边界内的主要耗能设备是原有的主排水泵房中的主排水 泵 项目实施后 系统边界内的主要耗能设备是原有的主排水泵房中的主排水 泵和水处理系统的用能设备 系统实施前后系统边界见图 3 1 矿井水 排水管网 地面水处理中央泵房 电能 a 项目实施前 项目实施前 矿井水 排水管网 井上利用 井下回用 中央泵房 电能 井下 水处理 系统 电能 b 项目实施后 项目实施后 图图 3 1 矿井水井下磁分离净化水处理项目实施前后系统边界示意矿井水井下磁分离净化水处理项目实施前后系统边界示意 3 3 2 节能及经济效益评估节能及经济效益评估对比基准对比基准 1 节能计算对比基准 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 18 以矿井水井下磁分离净化水处理项目实施前主排水中央泵房的工序能耗指 标作为节能计算对比基准 项目实施后主排水中央泵房的工序能耗指标变化作 为项目节能量 2 主排水系统设备维修和维护费用对比基准 以矿井水井下磁分离净化水处理项目实施前 主排水系统中水泵维修 水 泵日常维护 水仓和管网清洗等发生的费用 含人工费 作为计算对比基准 3 工程建设投资费用对比基准 根据矿井水井下磁分离净化水处理项目设计处理水量和处理前后指标要求 按地面矿井水处理工艺达到相同效果时的工程建设投资费用作为对比基准 包 括设备投资 基建投资和运行调试等 两者的工程建设投资费用折算成吨水投 资费用后进行对比计算 4 吨水处理成本对比基准 根据矿井水井下磁分离净化水处理项目设计处理水量和处理前后指标要求 按地面矿井水处理工艺达到相同效果时的吨水处理成本作为对比基准 包括人 工费 药剂费和电费等 3 3 4 节能量计算依据节能量计算依据 3 3 4 1 主排水系统工序能耗计算主排水系统工序能耗计算 主排水系统工序能耗指标按 GB T 29723 2 煤矿主要工序能耗等级和限值 第 2 部分 主排水系统 进行统计计算 按公式 3 1 计算 3 2 10 C s QH W E 1 式中 Es 主排水系统工序能耗 单位为千瓦时 吨 百米 kWh t hm W 主排水系统的耗电量 单位为千瓦时 kWh Q 主排水系统的排水量 单位为吨 t Hc 主排水系统的排水垂直高度 单位为米 m 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 19 3 3 4 2 节能量计算节能量计算 根据 GB T 13234 2009 企业节能量计算方法 可知 1 技术措施是指设备更新 改造和采用新工艺等措施 2 技术措施实施后比采取该项措施前生产单位产品能源消费减少的数量 成为该项技术措施节能量 各项技术措施节能量之和等于企业技术措施节能量 3 企业技术措施节能量 用于评价企业技术措施总节能效果 单项节能 技术措施节能量 用于评价该项技术措施的节能效果 单项技术措施节能 节能量按公式 3 2 计算 3 thtqthti Pee E 2 式中 Eti 某项技术措施节能量 单位为吨标准煤 tce eth 某种工艺或设备实施某项技术措施后其产品的单位产品能源消耗量 单位为吨标准煤 tce etq 某种工艺或设备实施某项技术措施前其产品的单位产品能源消耗量 单位为吨标准煤 tce Pth 某种工艺或设备实施某项技术措施后其产品产量 根据矿井水井下磁分离净化水处理项目实际 参照公式 3 2 确定项目实 施前后节能量按公式 3 计算 3 sqsh EE E 3 式中 E 矿井水井下磁分离净化水处理项目节能量 单位为千瓦时每吨 kWh t Esh 矿井水井下磁分离净化水处理项目实施后主排水系统工序能耗 单 位千瓦时 吨 百米 kWh t hm 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 20 Esq 矿井水井下磁分离净化水处理项目实施前主排水系统工序能耗 单 位千瓦时 吨 百米 kWh t hm 3 3 4 2 节能率的计算节能率的计算 根据 GB T 13234 2009 企业节能量计算方法 可知 节能率是指统计报告期比基期的单位产品 产值 综合能耗降低率 用 100 表示 产量节能率按公式 3 4 计算 3 100 jc jcbc c e ee 4 式中 c 产品节能率 ebc 统计报告期内单位产品能耗 单位为吨标准煤 tce ejc 基期单位产品能耗或单位产品能源消耗限额 单位为吨标准煤 tce 根据矿井水井下磁分离净化水处理项目实际 参照公式 3 4 确定项目实 施前后节能率按公式 3 5 计算 3 100 sq sqsh E EE 5 式中 节能率 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 21 4 工程案例分析 一 工程案例分析 一 协庄煤矿协庄煤矿 4 1 背景介绍背景介绍 2009 年 7 月 山东环能环保科技有限公司根据煤矿特点 依据煤矿井下硐 室 巷道参数 通风 温度 湿度 水量水质 水仓参数 供配电 设备防爆 等具体情况 于 2010 年 2 月在新矿集团协庄煤矿 300 水平建成投运矿井水井下 磁分离净化处理工艺 做到了清水入仓 减少水仓清淤的安全风险及费用 减 少矿井水提升系统的损坏 大量减少了排水能耗 煤泥资源有效回收 出水指 标优于 煤矿污染物排放标准 出水全部供热电厂冷却循环水 洗煤补水 洗 浴用水 绿化及生活等用水 属于资源综合利用及节能减排的示范项目 目前 已经稳定运行 4 年多 是国内首家采用此工艺的矿井水处理项目 4 2 井下水处理方案设计井下水处理方案设计 4 2 1 方案选择方案选择 协庄煤矿 300 水平产生矿井废水最大水量约 420m3 h 据其生产地质条件 水中主要污染物为悬浮物 为充分利用资源 节约提升费用 项目拟将矿井水 在井下处理后回用 目前矿井水处理所选用的净水设备多为市政水处理通用设施 对于混凝沉 淀 一般的处理工艺有平流沉淀池 斜板 管沉淀池 效率更高的有迷宫斜板沉 淀池 由于矿井水与普通地表水的水质特性差异很大 一般净水设施的处理量 只能达到其原设计水处理量的 40 60 具有占地面积大 药剂投加量高等显 著缺点 本项目结合协庄煤矿矿井水的实际情况 综合考虑投资 占地 运行 成本 使用效果和井下使用条件等因素 采用重介加载磁分离水体净化技术对 矿井水进行处理 重介加载磁分离水体净化系统作为处理矿井水的新技术 因其具有占地小 投资省 处理水量大等优势而得到业内环保专家的认可 并大力加以推广应用 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 22 特别是在矿井水井下处理的情况下 传统的技术不仅受到井下巷道条件的限制 而且由于其停留时间所导致的设备体积大 相应占地面积大 土建费用高 同 时 该套设备为适应井下使用的需要 还特别在防腐 防潮方面进行了专门设 计 设备主要部件全部采用不锈钢制作 其余部件均采取了防腐措施 电气及 控制系统也都符合井下使用防护要求 相比而言 重介加载磁分离水体净化技 术满足井下使用条件 非常适合用于矿井水的井下处理 4 2 2 水处理系统设计方案水处理系统设计方案 4 2 2 1 设计处理能力设计处理能力 设计最大处理能力 500m3 h 12000m3 d 4 2 2 2 设计指标设计指标 协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统设计指标见表 4 1 表表 4 1 协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统设计指标协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统设计指标 主要指标主要指标备注备注 重介加载磁分离设备进水指标悬浮物 SS 300 400 mg L 设计进出水指标设计进出水指标 重介加载磁分离设备出水指标悬浮物 SS 10mg L 设计污泥指标设计污泥指标磁分离磁鼓出渣含水率 93 污泥可直接输送至压滤机 4 2 3 项目安装地点项目安装地点 协庄煤矿 300 水平中央水仓前通道 安装地点涌水量 360m3 h 设计处理 能力 500m3 h 实际处理能力达到设计能力的 95 即 480 m3 h 协庄煤矿 330 中央泵房排水垂直高度为 459m 主排水管管径 273mm 排水管斜长 975m 中央泵房水仓容积共 6803 m3 中央泵房配有主排水泵 7 台 主要技术参数见表 4 2 表表 4 2 主要设备选型主要设备选型 设备型号生产厂家电机型号 额定电流 A 额定电压 V 额定功率 kW 水泵额定扬程 m MD280 65 10扬子江泵业YBJC5002 4108 266000900585 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 23 4 2 4 井下水处理设备井下水处理设备选型选型 根据工艺要求 与处理协庄煤矿矿井水配套的重介加载磁分离技术全套设 备型号及主要参数见表 4 3 表表 4 3 协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统主要设备选型协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统主要设备选型 序号序号设备名称设备名称设备型号设备型号主要技术参数和结构型式主要技术参数和结构型式数量数量 1重介加载磁分离机 ASMD 500 净化效率 95 处理能力 500m3 h 稀土磁钢 N40 磁盘直径 1200mm 转速 0 4r min P 1 35kW 主体材质 AISI304 1 台 2混凝搅拌器HHN 500 水力停留时间 3 4min PAC 投加量 40ppm PAM 投加量 2ppm 磁种投加量 350 400mg L n1 140r min n2 110r min p 1 5kW 2 台 3 磁分离磁鼓 含配套高速搅拌和 磁种计量投加装置等 HCG 500 HCG 500 处理能力 1 3m3 h 磁种回收率 98 P 8 6kW 稀土磁钢 N40 磁鼓 700mm 筒体转速 1 5r min 主体材质 AISI304 德国耐驰泵 1 台 4 PAC 配置投加设备 含药剂制备 储液 计量投加单元等 HN 500 A 配制浓度 10 配制周期 8h P 2kW 计量泵为美国米顿罗 Miltonroy 箱体内衬 FRP 1 台 5 PAM 配置投加设备 含药剂制备 储液 计量投加单元等 HN 500 M 配制浓度 0 1 连续配制 P 2 2 kW 计量泵为美国米顿罗 Miltonroy 1 台 6污泥泵Q 2m3 h 初定 H 10m P 1 5kW1 台 7电气控制系统 就地控制及防爆系统 含变压器 触摸屏 变频器等全套 主要元器件采用西门子 施耐德 1 套 4 2 5 井下水处理峒室设计井下水处理峒室设计 本项目井下水处理峒室选址与设计 综合考虑了井下地质条件与矿井生产 实际 为减少巷道工程量 水处理峒室在原有 300 水仓沉淀池硐室的巷道基础 上进行扩大开拓 根据附近相临巷道的实际情况 该巷道通过范围内 地质构 造较简单 煤岩层产状较稳定 适合开拓大断面机电设备峒室 4 3 井下水处理系统运行效果井下水处理系统运行效果 矿井水的处理效果较好 平均进水悬浮物 SS 350mg L 出水在 5 6mg L 总磷 COD 铁锰的去除率在 95 以上 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 24 井下水处理系统现场见图 4 1 水处理前后外观对比见图 4 2 井下水处理 系统运行前后水质检测报告见图 4 3 a 系统概况 系统概况 b 主机 主机 c 磁回收系统 磁回收系统 d 加药系统 加药系统 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 25 e 电控系统 电控系统 f 出水 出水 图图 4 1 协庄煤矿协庄煤矿 300m 矿井水井下处理项目工程现场矿井水井下处理项目工程现场 图图 4 2 协庄煤矿协庄煤矿 300m 矿井水井下水处理前后外观对比矿井水井下水处理前后外观对比 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 26 a 处理前 b 处理后 图图 4 3 井下水处理系统运行前后水质检测报告井下水处理系统运行前后水质检测报告 4 4 节能评估节能评估 4 4 1 安装前用能情况安装前用能情况 2009 年 协庄煤矿 330 中央泵房全年运行数据如下 1 耗电量 9531242kWh 2 排水量 4199751m3 3 排水垂高 459m 主排水系统工序能耗指标按公式 3 1 计算如下 hmtkWh QH W E C s 494 0 59 4 419975 9531242 102 4 4 2 安装后用能情况安装后用能情况 2013 年 协庄煤矿 330 中央泵房全年运行数据如下 1 耗电量 11213226kWh 煤矿井下磁分离净化水处理系统节能及经济效益评估报告 27 2 排水量 5465254m3 3 排水垂高 459m 主排水系统工序能耗指标按公式 3 1 计算如下 hmtkWh QH W E C s 447 0 59 4 546525 11213226 102 4 4 3 节能评估节能评估 1 节能量计算 煤矿井下磁分离净化水处理系统项目安装前后的节能量按公式 3 3 计算 如下 hmt 0 047kWh 494 0 447 0 E sqsh EE 协庄煤矿井下磁分离净化水处理系统项目安装前后的节能量 0 047kWh t hm 按项目实施后的排水量和排水高度折算年节电量如下 0 047kWh t hm 5465254t 4 59hm 117 90 万 kWh 2 节能率计算 煤矿井下磁分离净化水处理系统项目安装前后的节能率按公式