通過采取添加提效劑等措施，中國礦業(yè)大學(xué)教授周福寶帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出礦用水環(huán)真空泵綠色高效抽采技術(shù)——

高耗能一直是制約煤礦瓦斯抽采的一大難題。不過，中國礦業(yè)大學(xué)教授周福寶帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)用5年時間，自主研發(fā)的礦用水環(huán)真空泵綠色高效抽采技術(shù)使瓦斯抽采能耗降幅超出22%，節(jié)水效果十分明顯。

在5年前的一次煤礦智能抽采方向的學(xué)術(shù)交流會上，周福寶第一次意識到瓦斯抽采水環(huán)真空泵的低效率、高耗能問題亟待解決。

“煤礦通風(fēng)機(jī)的效率要求在70%以上，而水環(huán)真空泵的效率很少能達(dá)到40%，我感覺很驚訝。”周福寶說，“當(dāng)時，我們就想著能不能在這方面做點(diǎn)事情。”

水環(huán)真空泵以水為工作介質(zhì)，通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使水形成水環(huán)，水環(huán)與葉片形成的氣腔產(chǎn)生容積周期變化，進(jìn)而達(dá)到吸氣和排氣的目的。由于其以水作為工作介質(zhì)，以等溫壓縮方式進(jìn)行氣體抽排，具有卓越的安全性、可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)中。

但水環(huán)真空泵有一個較大的缺點(diǎn)：高耗能、低效率。據(jù)了解，國內(nèi)一處大型煤礦瓦斯抽采泵站年耗電費(fèi)用高達(dá)上千萬元，耗電量約占煤礦總耗電量的1/4，實(shí)際運(yùn)行效率僅為10%至40%。

我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究數(shù)據(jù)顯示，2015年，我國每開采1噸煤，平均需要消耗折合9.5千克標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，而發(fā)達(dá)國家僅為2.5千克。這與我國目前節(jié)能減排的要求不相適應(yīng)，煤炭開采需要更加節(jié)能高效。

于是，周福寶團(tuán)隊(duì)就開始著手研究讓水環(huán)真空泵更高效節(jié)能的方法。

介質(zhì)改性后能耗降幅超22%

水環(huán)真空泵最開始引進(jìn)的是德國西門子的技術(shù)。“改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)比較難。”周福寶表示，他們就另辟蹊徑，從改變水環(huán)真空泵工作介質(zhì)入手。

周福寶團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種復(fù)合型綠色高效提效劑，有效降低了水環(huán)真空泵的運(yùn)行功耗。

這種提效劑類似于一種潤滑劑，既可以減小水環(huán)與泵壁之間的摩擦阻力，又可以改變水的黏度，降低水環(huán)的渦旋強(qiáng)度，減少無用功消耗，進(jìn)而降低總能耗。

水環(huán)真空泵綠色高效抽采技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國礦業(yè)大學(xué)博士張一帆介紹，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室搭建了水環(huán)真空泵性能測試平臺，可實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采系統(tǒng)不同運(yùn)行情況下的動態(tài)精準(zhǔn)模擬及實(shí)時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，加了提效劑后，水環(huán)真空泵的運(yùn)行效率由30.33%提高至40.18%，軸功率由55.83千瓦降至45.75千瓦。

該技術(shù)在山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。周福寶團(tuán)隊(duì)在余吾煤業(yè)搭建了特大型水環(huán)真空泵節(jié)能試驗(yàn)系統(tǒng)，包括功率為800千瓦的水環(huán)真空泵、換熱設(shè)備、氣液分離器、進(jìn)氣管路、數(shù)據(jù)監(jiān)控及處理系統(tǒng)。

為期10個月的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，水環(huán)真空泵電機(jī)的功率由635千瓦降至492千瓦，1臺泵1年可節(jié)電約125.3萬千瓦時。該團(tuán)隊(duì)還在余吾煤業(yè)改裝了2臺額定功率為250千瓦的瓦斯抽采泵。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，其運(yùn)行的功率明顯降低。

相關(guān)部門對已運(yùn)行裝備的檢測結(jié)果顯示，該技術(shù)能耗降幅超出22%。

泵站運(yùn)行功率下降且降低了電機(jī)負(fù)荷，可以延長電機(jī)的使用壽命，瓦斯抽采效率也有所提升。余吾煤業(yè)南風(fēng)井試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，瓦斯抽氣量由每分鐘591立方米提高至每分鐘598立方米。

據(jù)了解，山西省現(xiàn)在地面運(yùn)行的瓦斯抽采泵有511臺，按照每臺泵額定功率600千瓦計(jì)算，全部進(jìn)行技術(shù)改造后，1年可節(jié)電近6億千瓦時。在全行業(yè)推廣后，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。

1臺泵1天省下10噸水

除了給水加提效劑，周福寶團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了地面與井下兩種瓦斯抽采模式。

為了散熱，以前地面瓦斯抽采泵站的水池都設(shè)計(jì)成半封閉式。周福寶團(tuán)隊(duì)把原有的半封閉式水池循環(huán)改為全封閉機(jī)組式循環(huán)，散熱問題則通過強(qiáng)制對流換熱來解決。

在以前半封閉式的水池里，水會大量蒸發(fā)。改為全封閉機(jī)組式循環(huán)后，水的蒸發(fā)量大大減少。同時，添加提效劑也能在一定程度上減少水的消耗。余吾煤業(yè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，1臺瓦斯抽采泵1天能節(jié)省10噸水。

現(xiàn)在，我國大多數(shù)煤礦都位于內(nèi)蒙古、山西、陜西地區(qū)，這些地方水資源本就十分稀缺。“一些瓦斯抽采泵在郊外抽采瓦斯時，特別是沒有自來水管網(wǎng)的地區(qū)，需要用車輛運(yùn)水，成本很高。”周福寶介紹。

同樣以山西的511臺瓦斯抽采泵計(jì)算，如果推廣該技術(shù)，1年可節(jié)省186.5萬噸水。

而井下移動瓦斯抽采泵一般體積小、耗水量多、基礎(chǔ)設(shè)施簡單，采用周福寶團(tuán)隊(duì)自主研制的氣動攪拌溶解裝置，對固態(tài)提效劑進(jìn)行充分溶解后，添加到瓦斯抽采泵中即可。

周福寶團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一套現(xiàn)場參數(shù)自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測提效劑的濃度、運(yùn)行狀況，自動添加提效劑，讓瓦斯抽采泵站實(shí)現(xiàn)無人值守。

“該技術(shù)可以做到瓦斯抽采和節(jié)能減排兩不誤，特別是在節(jié)水方面，解決了耗水多的問題，提高了運(yùn)行效率，不僅具有極大的經(jīng)濟(jì)效益，還對節(jié)電、節(jié)水方面具有重要意義。”在日前召開的現(xiàn)場咨詢交流會上，中國工程院院士、安徽理工大學(xué)校長袁亮說。

目前，該技術(shù)已在歐洲、美國等地申請了國際PCT專利，并獲得國內(nèi)授權(quán)發(fā)明專利。同時，六盤水市相關(guān)部門已與該團(tuán)隊(duì)就技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)讓等進(jìn)行交流。周福寶介紹，實(shí)行該技術(shù)改造，不需要企業(yè)額外投入資金，團(tuán)隊(duì)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)，按照一定比例從企業(yè)節(jié)省的費(fèi)用中抽取即可。

煤與非煤領(lǐng)域均可應(yīng)用

周福寶介紹，由于該技術(shù)針對的是瓦斯抽采泵這一相對通用的設(shè)備，新技術(shù)的應(yīng)用前景比較廣，除了用于井下瓦斯抽采，還可用于天然氣抽采、航天領(lǐng)域以及化工行業(yè)等其他非煤領(lǐng)域。

“水環(huán)真空泵是從國外引進(jìn)的，我們就想著，經(jīng)我們改造后，讓它再走出國門。”周福寶說。

在周福寶的指導(dǎo)下，張一帆攻克該技術(shù)研發(fā)中的多個難題，成功申請了2018年國家公派出國聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目，他將在美國密歇根大學(xué)進(jìn)一步深造。“人才走出去，可以讓更多人了解我們的研究。”周福寶說。

對于該技術(shù)的進(jìn)一步研究，周福寶表示，希望能將該技術(shù)盡快推廣應(yīng)用到全國各高瓦斯煤礦。如果應(yīng)用的煤礦數(shù)量足夠多，他們將計(jì)劃建設(shè)一個全國瓦斯抽采泵站的聯(lián)網(wǎng)中心。井下瓦斯抽采泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)時傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)中心，技術(shù)人員通過大數(shù)據(jù)等手段，可分析并超前預(yù)判瓦斯抽采泵站存在的隱患情況，為煤礦安全生產(chǎn)提供建議。

“我們還打算加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，對于高速旋轉(zhuǎn)剪切流體機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。”周福寶說。