水分子改性與粉塵治理的研究

梁旺亮

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030052)

1 疏水性粉塵分析

粉塵在原煤的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)載和運輸過程中，產(chǎn)生于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和工序過程。其中采掘機械切削煤壁時產(chǎn)塵率最高，是粉塵治理的核心。采掘作業(yè)中采煤工作面產(chǎn)塵量最大，最高粉塵濃度可達2 500～3 000 mg/m3,采煤機切削煤壁產(chǎn)塵量約占60％左右。

機械化程度越高礦工患塵肺病的機率也隨之越大，使得粉塵治理日益成為近年來煤礦管理的難題之一。傳統(tǒng)的噴霧降塵技術(shù)在采掘現(xiàn)場使用效果不佳，降塵率僅達10％～15％，經(jīng)過研究分析，降塵效果差除現(xiàn)有的噴霧設備設計缺乏科學性外，根源還在于西山煤田賦存的2#、3#、8#、9#煤層在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵均為疏水性粉塵，單純采取“風”、“水”、“霧”降塵措施難以達到理想效果。

水分子表面張力的大小不能準確衡量其對粉塵的潤濕能力，水溶液對粉塵的潤濕性能還與粉塵表面結(jié)構(gòu)和加入水中的表面活性劑結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。由粉塵的FTIR光譜分析可知，煤是有機物且結(jié)構(gòu)異常復雜，表面含有大量脂肪烴和芳香烴等憎水性的非極性基團，從而使粉塵表面具有較強的疏水性，因此，水對粉塵的潤濕性能較差。

2 水分子改性機理

如何將水分子與粉塵的關(guān)系由“疏”改性為“親”，國內(nèi)外學者從20世紀50年代開始就對水分子改性降塵技術(shù)進行了研究，但至今對該技術(shù)的研究還不夠深入，應用推廣還不夠廣泛。

當向水中添加陰離子或非離子表面活性劑時，根據(jù)剩余力場理論，粉塵表面將產(chǎn)生吸附作用。在吸附過程中，粉塵的疏水表面與表面活性劑的疏水基團相互作用較強，因此，表面活性劑將以尾部朝向粉塵表面，頭部伸向水溶液的方式吸附于粉塵表面，從而降低了水溶液和粉塵的液-固表面張力。根據(jù)實驗室電泳試驗結(jié)果證明，粉塵表面是帶負電的，同結(jié)構(gòu)的表面活性劑在其表面的吸附能力是不同的。陰離子表面活性劑電離出的表面活性離子帶負電，與帶負電的粉塵表面同性相排斥，而且吸附于粉塵表面的陰離子表面活性離子之間也會產(chǎn)生電性排斥，不利于在粉塵表面的吸附，因此，陰離子表面活性劑在粉塵表面的吸附能力小于非離子表面活性劑，導致非離子表面活性劑的固-液界面張力小于陰離子表面活性劑的固-液界面張力。根據(jù)粉塵潤濕理論，對西山礦區(qū)某一特定粉塵而言，影響水溶液對粉塵濕潤能力的因素與水溶液的氣-液表面張力也有關(guān)，氣-液表面張力越小，濕潤性越好；與粉塵的液-固表面張力有關(guān)，液-固界面張力越小，濕潤性越好。因此，綜合考慮氣-液表面張力和固-液表面張力2個方面，非離子表面活性劑對粉塵的潤濕性一般好于陰離子表面活性劑。這一機理較好地解釋了實驗結(jié)果，即雖然非離子表面活性劑的氣-液表面張力大于陰離子表面活性劑的氣-液表面張力，但其濕潤性能卻好于陰離子表面活性劑。

通過對煤塵的表面化學結(jié)構(gòu)、表面電性和表面潤濕性的系統(tǒng)研究，可知非離子表面活性劑溶液對粉塵的潤濕效果好于陰離子表面活性劑溶液。研究表明，溶液對粉塵的潤濕性不僅取決于溶液的氣-液表面張力，而且取決于溶液與粉塵的固-液表面張力，溶液與粉塵的固-液表面張力的大小，又與粉塵的疏水性、電性、溶液添加劑(如表面活性劑)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)密切相關(guān)。

水分子改性技術(shù)經(jīng)多年研發(fā)，目前技術(shù)比較成熟，改性劑的提取生物環(huán)保，取自于天然，是環(huán)境友好型產(chǎn)品。添加比例極少，經(jīng)濟適用，密度略大于水，pH值7～8，對皮膚無刺激，不會因水質(zhì)變化而改變產(chǎn)品性能，區(qū)別于其它制劑類降塵產(chǎn)品，如醇基、油基、化學基等。

3 水分子改性技術(shù)在現(xiàn)場的應用

水分子改性技術(shù)應用于西山煤電股份公司西銘礦北五盤區(qū)48504綜采工作面，該工作面井下位于隨老母斷層以南，北為西銘礦礦界，東鄰后西嶺村莊煤柱及48502回采工作面，南鄰305左翼回風巷，西為48506采空區(qū)，該面上覆2#、7#煤多為小煤窯所采，2#與8#煤層間距84 m左右，7#與8#煤層間距16 m左右。工作面走向長1 576 m，采長192 m, 煤層厚度為3.70～4.30 m，平均厚度3.56 m，屬穩(wěn)定煤層，可采儲量111.7萬t，日產(chǎn)量5 000 t。48504工作面采用“U”型通風系統(tǒng)，即48504工作面皮帶巷進風，軌道巷回風。該工作面采用均壓通風方式預防工作面自然發(fā)火，采用4臺2×55 kW局部通風機(兩用兩備)向工作面供風，供風量1 956 m3/min。工作面防塵技術(shù)采用動壓與靜壓注水方式(采用2+22方式)、采煤機內(nèi)外噴霧、架間噴霧、轉(zhuǎn)載點噴霧裝置、風流凈化水幕、捕塵網(wǎng)及個體防護等防塵措施。

通過試用C&C-1型水分子改性劑，證明改性劑可促使水分子表面張力被最大程度地破壞，極大地提高固體粉塵顆粒物被瞬間濕潤的速率，濕潤率增強。使水分子的滲透性增強，可以更深入地滲透到粉塵結(jié)核內(nèi)部，延長水的控制作用。從而改變粉塵電荷間的作用，加大粉塵表面吸附周圍水分子的能力，即將粉塵的疏水性質(zhì)變?yōu)橛H水性質(zhì)。其滲透及吸附、凝聚作用見圖1。

圖1 水分子改性技術(shù)功能表現(xiàn)示意圖

利用改性技術(shù)破壞水分子表面張力，可極大地提高粉塵顆粒等固體被瞬間潤濕的速率，水分子可深入滲透到粉塵內(nèi)部區(qū)域，延長水的控灰時間，尤其對呼吸性粉塵的抑制作用尤為明顯，使采掘工作面及回風巷道內(nèi)不容易產(chǎn)生二次揚塵危害，其工藝流程圖見圖2。

圖2 采煤面制備降塵霧流的流程圖

48504綜采工作面水分子改性技術(shù)核心部件是改性劑添加裝置及中和器，利用CR-2型水力自動添加裝置將改性劑C&C-1(濕潤型)按照1‰～2‰的設定比例自動注入工作面防塵供水管路中，增設單獨的噴霧降塵高效噴嘴或借助工作面原有的采煤機外噴霧系統(tǒng)，抑制捕捉采煤機滾筒切削煤壁時產(chǎn)生的粉塵顆粒，從而實現(xiàn)高效率降塵的目的。根據(jù)懸浮式氣固兩相流理論和截割粉塵成因理論,通過建立采煤工作面沿程粉塵濃度數(shù)學離散相模型,根據(jù)采煤機截割滾筒附近的沿程粉塵分布規(guī)律，結(jié)合噴霧降塵機理和噴霧降塵效果影響因素,對噴霧噴嘴安裝數(shù)量、方位、角度、壓力、霧粒大小進行科學設計將有利于粉塵降塵率。整套系統(tǒng)無電自動運行、結(jié)構(gòu)簡單易操作，通過水分子改性優(yōu)化與粉塵間的電荷作用、破壞水分子表面張力，達到快速有效的粉塵吸附和沉降。采煤面水分子改性劑添加裝置圖見圖3。

圖3 采煤面水分子改性劑添加裝置圖

48504綜采工作面使用水分子改性技術(shù)前后的降塵參數(shù)對比情況，見表1。

水分子改性的應用范圍極廣，可應用于采掘工作面、煤體注水、鉆孔除塵、工業(yè)廣場、地面堆場等。添加比例為微比例，按0.02％～0.1％配比。應用效果主要是比普通噴霧降塵效率提高70％～95％，添加裝置水力驅(qū)動，自動啟停，能顯著提高水的滲透力，同類型產(chǎn)品噸水費用最低，阻燃抑爆，大幅度提高了工作面作業(yè)環(huán)境能見度，對呼吸性粉塵的治理尤其顯著。另外，還在該礦西十二盤區(qū)42211綜掘面使用了水分子改性技術(shù)，取得了較好的效果。

表1 48504工作面使用水分子改性前后降塵參數(shù)對比表

綜掘面水分子改性劑添加裝置圖見圖4。

圖4 綜掘面水分子改性劑添加裝置圖

42211綜掘工作面使用水分子改性技術(shù)前后的降塵參數(shù)對比情況，見表2。

4 經(jīng)濟效益分析

通過試用水分子改性新型技術(shù)，采煤工作面每切割1個循環(huán)用水量約9 m3，每個循環(huán)生產(chǎn)原煤1 000 t，水分子改性劑消耗量8.8 kg,與水的配比比率約為1‰，噸煤消耗改性劑費用約0.44元/t。綜掘工作面每掘進1個米循環(huán)進尺用水量約1.4 m3，水分子改性劑消耗量1.7 kg，與水的配比比率約為1.2‰，每米進尺消耗改性劑費用約85元/m。

表2 42211工作面使用水分子改性前后降塵參數(shù)對比表

5 結(jié) 語

煤礦粉塵治理工作逐步走向常態(tài)化、規(guī)范化、科學化，礦井的綠色清潔發(fā)展必將是煤礦企業(yè)的最終發(fā)展方向，水分子改性技術(shù)的研究和應用，極大地改善了采掘工作面的工作環(huán)境，且用水量可降低約30％～70％，而降塵效率則提高70％～95％。水分子改性技術(shù)是降塵領域技術(shù)研究的階段性革命，不僅徹底消除了塵肺病產(chǎn)生的根源，而且還為進一步發(fā)明創(chuàng)造新的降塵產(chǎn)品提供了理論指導。

參 考 文 獻

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