通過采取添加提效劑等措施，中國礦業大學教授周福寶帶領的團隊研發出礦用水環真空泵綠色高效抽采技術——

高耗能一直是制約煤礦瓦斯抽采的一大難題。不過，中國礦業大學教授周福寶帶領的團隊用5年時間，自主研發的礦用水環真空泵綠色高效抽采技術使瓦斯抽采能耗降幅超出22%，節水效果十分明顯。

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

“煤礦通風機的效率要求在70%以上，而水環真空泵的效率很少能達到40%，我感覺很驚訝。”周福寶說，“當時，我們就想著能不能在這方面做點事情。”

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

但水環真空泵有一個較大的缺點：高耗能、低效率。據了解，國內一處大型煤礦瓦斯抽采泵站年耗電費用高達上千萬元，耗電量約占煤礦總耗電量的1/4，實際運行效率僅為10%至40%。

我國煤炭資源高效回收及節能戰略研究數據顯示，2015年，我國每開采1噸煤，平均需要消耗折合9.5千克標準煤的能量，而發達國家僅為2.5千克。這與我國目前節能減排的要求不相適應，煤炭開采需要更加節能高效。

于是，周福寶團隊就開始著手研究讓水環真空泵更高效節能的方法。

介質改性后能耗降幅超22%

水環真空泵最開始引進的是德國西門子的技術。“改進機械結構比較難。”周福寶表示，他們就另辟蹊徑，從改變水環真空泵工作介質入手。

周福寶團隊研發了一種復合型綠色高效提效劑，有效降低了水環真空泵的運行功耗。

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

水環真空泵綠色高效抽采技術負責人、中國礦業大學博士張一帆介紹，團隊在實驗室搭建了水環真空泵性能測試平臺，可實現瓦斯抽采系統不同運行情況下的動態精準模擬及實時監測。監測數據顯示，加了提效劑后，水環真空泵的運行效率由30.33%提高至40.18%，軸功率由55.83千瓦降至45.75千瓦。

該技術在山西潞安集團余吾煤業進行了現場試驗。周福寶團隊在余吾煤業搭建了特大型水環真空泵節能試驗系統，包括功率為800千瓦的水環真空泵、換熱設備、氣液分離器、進氣管路、數據監控及處理系統。

為期10個月的現場試驗數據顯示，水環真空泵電機的功率由635千瓦降至492千瓦，1臺泵1年可節電約125.3萬千瓦時。該團隊還在余吾煤業改裝了2臺額定功率為250千瓦的瓦斯抽采泵。運行數據顯示，其運行的功率明顯降低。

相關部門對已運行裝備的檢測結果顯示，該技術能耗降幅超出22%。

泵站運行功率下降且降低了電機負荷，可以延長電機的使用壽命，瓦斯抽采效率也有所提升。余吾煤業南風井試驗數據顯示，瓦斯抽氣量由每分鐘591立方米提高至每分鐘598立方米。

據了解，山西省現在地面運行的瓦斯抽采泵有511臺，按照每臺泵額定功率600千瓦計算，全部進行技術改造后，1年可節電近6億千瓦時。在全行業推廣后，節能、經濟效益將更加明顯。

1臺泵1天省下10噸水

除了給水加提效劑，周福寶團隊還開發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計成半封閉式。周福寶團隊把原有的半封閉式水池循環改為全封閉機組式循環，散熱問題則通過強制對流換熱來解決。

在以前半封閉式的水池里，水會大量蒸發。改為全封閉機組式循環后，水的蒸發量大大減少。同時，添加提效劑也能在一定程度上減少水的消耗。余吾煤業的試驗數據顯示，1臺瓦斯抽采泵1天能節省10噸水。

現在，我國大多數煤礦都位于內蒙古、山西、陜西地區，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的地區，需要用車輛運水，成本很高。”周福寶介紹。

同樣以山西的511臺瓦斯抽采泵計算，如果推廣該技術，1年可節省186.5萬噸水。

而井下移動瓦斯抽采泵一般體積小、耗水量多、基礎設施簡單，采用周福寶團隊自主研制的氣動攪拌溶解裝置，對固態提效劑進行充分溶解后，添加到瓦斯抽采泵中即可。

周福寶團隊還研發了一套現場參數自動監控系統。該系統可以實時監測提效劑的濃度、運行狀況，自動添加提效劑，讓瓦斯抽采泵站實現無人值守。

“該技術可以做到瓦斯抽采和節能減排兩不誤，特別是在節水方面，解決了耗水多的問題，提高了運行效率，不僅具有極大的經濟效益，還對節電、節水方面具有重要意義。”在日前召開的現場咨詢交流會上，中國工程院院士、安徽理工大學校長袁亮說。

目前，該技術已在歐洲、美國等地申請了國際PCT專利，并獲得國內授權發明專利。同時，六盤水市相關部門已與該團隊就技術應用轉讓等進行交流。周福寶介紹，實行該技術改造，不需要企業額外投入資金，團隊的技術轉讓費，按照一定比例從企業節省的費用中抽取即可。

煤與非煤領域均可應用

周福寶介紹，由于該技術針對的是瓦斯抽采泵這一相對通用的設備，新技術的應用前景比較廣，除了用于井下瓦斯抽采，還可用于天然氣抽采、航天領域以及化工行業等其他非煤領域。

“水環真空泵是從國外引進的，我們就想著，經我們改造后，讓它再走出國門。”周福寶說。

在周福寶的指導下，張一帆攻克該技術研發中的多個難題，成功申請了2018年國家公派出國聯合培養項目，他將在美國密歇根大學進一步深造。“人才走出去，可以讓更多人了解我們的研究。”周福寶說。

對于該技術的進一步研究，周福寶表示，希望能將該技術盡快推廣應用到全國各高瓦斯煤礦。如果應用的煤礦數量足夠多，他們將計劃建設一個全國瓦斯抽采泵站的聯網中心。井下瓦斯抽采泵站的運行數據可實時傳輸到聯網中心，技術人員通過大數據等手段，可分析并超前預判瓦斯抽采泵站存在的隱患情況，為煤礦安全生產提供建議。

“我們還打算加強基礎理論研究，對于高速旋轉剪切流體機理進行更深入的研究。”周福寶說。