煤礦用三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)評(píng)價(jià)的研究

左 勝，王 斌,2,3，王良贏，張 宇，吳云峰，馬祥梅,2,3

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 環(huán)境友好材料與職業(yè)健康(蕪湖)研究院，安徽 蕪湖 241003；3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國的重要資源，煤炭的需求一直在增長(zhǎng)，在未來很長(zhǎng)的時(shí)間，煤炭資源在我國仍然占主體地位[1-2]。煤礦開采過程中存在很多安全隱患，煤炭自燃是導(dǎo)致礦井火災(zāi)的重要因素，煤炭自燃不僅會(huì)燒毀大量煤炭資源，還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，污染自然環(huán)境。煤炭自燃的防治十分必要，最常見的防治技術(shù)有噴灑阻化劑、灌漿、注氮?dú)?、注凝膠泡沫[3-4]。噴灑阻化劑在美國、俄羅斯等國家應(yīng)用廣泛，該技術(shù)是在煤表面附著溶液以防止氧化，但不能對(duì)隱秘的煤炭進(jìn)行覆蓋[5-6]；20世紀(jì)50年代，灌漿是我國的主要防治手段，灌漿技術(shù)是將一定比例的水和灌漿材料混合，通過管道輸送到起火點(diǎn)，但漿液會(huì)順勢(shì)流向低處，不能覆蓋到中高處；近年來，注凝膠和注惰性氣體也得到廣泛應(yīng)用，其原理都是阻礙氧氣與煤的接觸，但注凝膠、氮?dú)獬杀据^高，且凝膠流動(dòng)性較差[7]。為了克服這些不足，秦波濤等[8-10]提出一種將固體粉末加入傳統(tǒng)兩相泡沫的新技術(shù)，利用粉煤灰三相泡沫技術(shù)防治煤炭自燃，粉煤灰三相泡沫具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、覆蓋性，應(yīng)用阻斷火源效果較好。評(píng)價(jià)三相泡沫性能優(yōu)異指標(biāo)中，發(fā)泡倍數(shù)是三相泡沫的重要性能指標(biāo)之一，發(fā)泡倍數(shù)越高，三相泡沫的發(fā)泡效果越好，更適用于大面積和大傾角的火災(zāi)工作面。目前國內(nèi)外關(guān)于三相泡沫的穩(wěn)定性、流動(dòng)性研究較多，對(duì)不同發(fā)泡方式形成的三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)研究較少，所以本文采用目前最常見的3種發(fā)泡方式，即震蕩法、壓力氣流法和攪拌法[11-12]，通過控制變量，對(duì)比實(shí)驗(yàn)，計(jì)算不同方法形成三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)，得出應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)煤礦三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)的最佳評(píng)價(jià)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰來自淮南洛河電廠，發(fā)泡劑來自淮南宏陽工貿(mào)責(zé)任有限公司，檢測(cè)發(fā)泡倍數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用的三相泡沫漿液比例不變，固液比為1∶4，發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，分別通過震蕩法、攪拌法和壓力氣流法發(fā)泡。震蕩法中，將配制好的一定體積溶液倒入自制的封閉容器中，保持均勻搖晃15 s，將泡沫快速倒入量杯中，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)；壓力氣流法中，將泡沫噴灑槍的氣管一端接入空壓機(jī)，保證每次實(shí)驗(yàn)的空壓機(jī)儲(chǔ)滿氣，壓強(qiáng)為0.8 MPa，將另一端氣管通入配制好的一定體積溶液中，將泡沫打入量杯中，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)；攪拌法中，分別在高速攪拌器上安裝無孔板形攪拌桿、一孔板形攪拌桿、兩孔板形攪拌桿、三孔板形攪拌桿，并且分別控制轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，直接在量杯中攪拌配制好的一定體積溶液，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)。

1.3 壓強(qiáng)對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響

通過控制空壓機(jī)的壓強(qiáng)，分別設(shè)定壓強(qiáng)為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，使用一定體積的泡沫溶液進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，觀察不同壓強(qiáng)打出的泡沫體積，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)，研究壓力氣流法中空壓機(jī)壓強(qiáng)對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響。

1.4 發(fā)泡倍數(shù)計(jì)算

控制發(fā)泡液的溫度以保證打出的泡沫溫度在室溫，保持量杯內(nèi)壁和外壁的清潔、干燥，記錄量杯質(zhì)量，再記錄裝入泡沫后量杯質(zhì)量，如果泡沫溢出量杯則需刮平，計(jì)算公式為：

(1)

式中：F泡沫的發(fā)泡倍數(shù)；ρ為溶液的密度， g/mL；V為裝入量杯中泡沫的體積，mL；m1為干燥量杯的質(zhì)量，g；m2為裝入泡沫后量杯的質(zhì)量，g.

2 結(jié)果分析

2.1 三相泡沫的形成

2.1.1 形成機(jī)理

三相泡沫的形成主要經(jīng)歷固體顆粒與兩相泡沫碰撞、黏附并聯(lián)合這兩個(gè)階段。首先，當(dāng)發(fā)泡劑與固體漿液充分碰撞時(shí)，發(fā)泡劑在氣泡表面和固體粉末表面密集分布并且出現(xiàn)水化層，由于表面引力和固體漿液的運(yùn)動(dòng)，固體粉末和氣泡開始互相靠近。然后，固體粉末與氣泡間的水化層慢慢變薄，當(dāng)距離更接近時(shí)，該系統(tǒng)自由能快速下降，分離壓力變?yōu)樨?fù)值，兩者之間產(chǎn)生附著力，水化層變薄直至破裂，最后，固體粉末完成附著[13-15]。此時(shí)，自由能達(dá)到最低值，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，該過程如圖1所示。

圖1 三相泡沫形成過程

2.1.2 三相泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

由于氣泡間存在大量粉煤灰顆粒，氣泡被液膜相隔，從而形成具有穩(wěn)定骨架的三相泡沫。大量單個(gè)多面體泡沫堆積組成三相泡沫，因而在泡沫的交界處是氣—液—固三相結(jié)構(gòu)，該形狀類似于兩相泡沫的結(jié)構(gòu)[16-18]，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。在高速光學(xué)顯微鏡下放大50倍可以觀察到，在邊界處，液體表面和液體內(nèi)部的壓力差導(dǎo)致液體的運(yùn)動(dòng)，從而壓力大的液體被排走而導(dǎo)致液膜變薄直至破裂，但液體間的固體顆粒加固了泡沫骨架的穩(wěn)定性，因此泡沫性能優(yōu)于傳統(tǒng)兩相泡沫，顯微鏡觀察如圖3所示。

圖2 三相泡沫結(jié)構(gòu)

圖3 光學(xué)顯微鏡放大50倍觀察三相泡沫

2.2 震蕩法發(fā)泡倍數(shù)

通過震蕩法形成三相泡沫的三組平行實(shí)驗(yàn)如表2所示。

表2 震蕩法形成三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，震蕩法形成的三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)平均值為5.5，發(fā)泡倍數(shù)不高，且出現(xiàn)三相泡沫和兩相泡沫分層現(xiàn)象。通過震蕩法發(fā)泡，泡沫總體含水量較少，泡沫顆粒比較大，樣品為深灰色，樣品分層較嚴(yán)重，上層泡沫顆粒大，呈灰白色，粉煤灰沉在底部，泡沫呈現(xiàn)灰色，泡沫中夾雜著少量固體顆粒，但固體顆粒和泡沫能形成較穩(wěn)定的骨架。泡沫隨著時(shí)間的增加在杯底會(huì)沉降一層粉煤灰，下降速率也逐漸加快。

2.3 壓力氣流法發(fā)泡倍數(shù)

2.3.1 壓力氣流法平行實(shí)驗(yàn)

通過壓力氣流法形成三相泡沫的三組平行實(shí)驗(yàn)如表3所示。

表3 壓力氣流法形成三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，壓力氣流法形成的三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)平均值為7.5，三組平行數(shù)據(jù)的差異較小，發(fā)泡倍數(shù)高于震蕩法。壓力氣流法采用射流噴射原理，進(jìn)氣泵加壓，由于壓差，泡沫溶液通過管道吸入發(fā)泡網(wǎng)處，氣體與漿液充分碰撞，破壞固體顆粒與氣泡間的液化層而實(shí)現(xiàn)黏附，再通過發(fā)泡網(wǎng)形成綿密的三相泡沫，通過壓力氣流法形成的三相泡沫要比震蕩法更加細(xì)膩，但沒有使用高速分散機(jī)攪拌形成的三相泡沫均勻。壓力氣流法的發(fā)泡時(shí)間較快，但仍然存在一些需要改進(jìn)的地方。當(dāng)空壓機(jī)儲(chǔ)滿氣時(shí)，在一段時(shí)間后，空壓機(jī)的壓強(qiáng)不能維持在初始值，需要選擇規(guī)格較大的空壓機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，發(fā)泡槍的槍頭易被固體顆粒堵塞，需要清洗干凈，以免影響下次實(shí)驗(yàn)的發(fā)泡效果。

2.3.2 壓強(qiáng)的影響

使用壓力氣流法，將空壓機(jī)的壓強(qiáng)分別設(shè)置為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，分別將配制好的一定體積泡沫溶液打入量杯中，計(jì)算發(fā)泡倍數(shù)，結(jié)果見表4.

表4 空壓機(jī)壓強(qiáng)對(duì)三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在空壓機(jī)的壓強(qiáng)足夠?qū)⑴菽芤捍虺雠菽幕A(chǔ)上，通過控制空壓機(jī)的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)越大，通過壓力氣流法形成三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)越高。漿液進(jìn)入發(fā)泡器內(nèi)時(shí)，空氣進(jìn)速越快，則在發(fā)泡器內(nèi)空氣與漿液碰撞更加劇烈，由熱力學(xué)原理，過剩的能量對(duì)泡沫溶液做功，使得形成的三相泡沫更加均勻，發(fā)泡更加充分。

2.4 攪拌法發(fā)泡倍數(shù)

在高速攪拌器上,分別安裝無孔板形攪拌桿、一孔板形攪拌桿、兩孔板形攪拌桿、三孔板形攪拌桿，通過攪拌法形成三相泡沫，每組攪拌時(shí)間均為3 min，控制每組轉(zhuǎn)速，進(jìn)行發(fā)泡倍數(shù)的檢測(cè)，得到使用4種攪拌棒在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min下的發(fā)泡倍數(shù)，如圖4所示。

圖4 不同攪拌棒及轉(zhuǎn)速形成三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)

由圖4可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，兩孔板形攪拌桿的發(fā)泡倍數(shù)最高，發(fā)泡倍數(shù)為9.6倍，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，無孔板形攪拌桿的發(fā)泡倍數(shù)最低，發(fā)泡倍數(shù)為5.2倍。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，4種攪拌桿間發(fā)泡倍數(shù)差異較大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，4種攪拌棒間發(fā)泡倍數(shù)最接近，差異最小。通過對(duì)比震蕩法和壓力氣流法發(fā)現(xiàn)，震蕩法的發(fā)泡倍數(shù)雖然比較穩(wěn)定，但效果不佳，使用壓力氣流法形成的三相泡沫最高發(fā)泡倍數(shù)仍小于使用攪拌法。當(dāng)使用三孔板形攪拌桿時(shí)，轉(zhuǎn)速大于1 500 r/min時(shí)，由于孔隙的增多，在轉(zhuǎn)速較快時(shí)，已經(jīng)完成黏附的三相泡沫出現(xiàn)了脫附現(xiàn)象，從而導(dǎo)致破碎，發(fā)泡效果沒有使用兩孔攪拌桿和一孔攪拌桿好。

3 結(jié) 語

1) 使用震蕩法，發(fā)泡方式較簡(jiǎn)易，平均發(fā)泡倍數(shù)為5.5倍，發(fā)泡倍數(shù)在三種發(fā)泡方式中最低，而且發(fā)泡劑中固相粉煤灰沉降較快，對(duì)三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)影響較大，因此，震蕩法發(fā)泡方式不適合實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)。

2) 使用壓力氣流法，平均發(fā)泡倍數(shù)高于震蕩法，發(fā)泡倍數(shù)隨壓強(qiáng)增大而增大，在常用壓強(qiáng)下還是低于震蕩法，而且壓強(qiáng)過高危險(xiǎn)性增大，因此，壓力氣流法發(fā)泡方式也不適合實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)。

3) 使用攪拌法，攪拌桿為兩孔板形攪拌桿，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)在3種發(fā)泡方式中最高，而且形成的三相泡沫能形成穩(wěn)定的骨架，未發(fā)現(xiàn)固體顆?？焖俪两担嗯菽姆€(wěn)定性較好。因此，攪拌法發(fā)泡方式適合實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)三相泡沫的發(fā)泡倍數(shù)。