煤礦用CO吸收劑的優(yōu)選與應(yīng)用

康延雷，趙亞明，師吉林

(1.國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，839000；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

目前我國(guó)煤炭生產(chǎn)重心加快向資源稟賦好、開(kāi)采條件好的西部地區(qū)集中[1]，2020年新疆地區(qū)原煤產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的7%，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但新疆地區(qū)低變質(zhì)煤炭資源蘊(yùn)藏量大，開(kāi)采煤層變質(zhì)程度較低，揭露后極易氧化容易引起工作面開(kāi)采期間CO異常，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患[2-3]。為解決正常生產(chǎn)期間CO異常問(wèn)題，煤礦普遍開(kāi)展注漿、常規(guī)注氮、封堵漏風(fēng)通道等防治措施，但治理效果均不理想[4-8]。

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司孫維麗等研究人員[9]通過(guò)選擇氯化亞銅(CuCl)、溴化亞銅(CuBr)、氯化銀(AgCl)和硝酸銀(AgNO3)等4種材料作為CO吸收劑材料，開(kāi)展了單一吸收劑溶液對(duì)CO吸收實(shí)驗(yàn)，得出單一試劑的CO吸收效果排序?yàn)椋篊uCl>AgCl>CuBr>AgNO3。為了增大CuCl的溶解度，提升CO吸收效果[10-11]，筆者擬以CuCl為基礎(chǔ)試劑，通過(guò)分別與5種試劑進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出CO吸收效果好的3種試劑再進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出適用于煤礦井下使用的CO吸收劑，并在國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大南湖一礦”)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，基本可以有效解決煤礦井下正常生產(chǎn)期間CO異常問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

本實(shí)驗(yàn)選擇5種CO吸收劑，其基本性質(zhì)見(jiàn)表1。同時(shí)，選擇濃度為0.015%的CO作為標(biāo)準(zhǔn)氣體；準(zhǔn)備容量為100 mL、500 mL、1 000 mL的燒杯各10個(gè)；1個(gè)電子天平；5個(gè)容量為500 mL的錐形瓶；1個(gè)紅外測(cè)溫儀；2臺(tái)便攜式氣體檢測(cè)器；1桶去離子水；1個(gè)減壓閥；1個(gè)浮子流量計(jì)；10個(gè)量程為200 mL的注射器。

表1 5種CO吸收劑的基本性質(zhì)

2 實(shí)驗(yàn)方法

選取CuCl作為CO吸收實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)試劑，將擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的5種試劑分別與CuCl溶液混合進(jìn)行CO吸收實(shí)驗(yàn)；優(yōu)選出CO吸收性能最優(yōu)的3種試劑后，與CuCl溶液進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)。根據(jù)通入CO標(biāo)準(zhǔn)氣體后各組實(shí)驗(yàn)溶液所在錐形瓶?jī)?nèi)CO氣體的最低體積分?jǐn)?shù)大小、穩(wěn)定體積分?jǐn)?shù)大小和穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)，確定出高性能CO抑制劑的組成及最佳配比。

2.1 CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO實(shí)驗(yàn)

(1)將5種試劑分別按照1 g、2 g、5 g、8 g、10 g的質(zhì)量溶于200 mL去離子水中，各溶液中再分別加入2 g的CuCl。

(2)連接氣瓶與實(shí)驗(yàn)裝置的氣路，向錐形瓶中通入濃度為0.015%的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體以排出瓶中空氣，流量控制在300 mL/min，錐形瓶氣體輸出端與便攜式氣體檢測(cè)器相連。

(3)待便攜式氣體檢測(cè)器讀數(shù)穩(wěn)定后，利用注射器將配制好的溶液從帶有橡膠塞的錐形瓶頂部快速注入瓶?jī)?nèi)，觀察便攜式氣體檢測(cè)器讀數(shù)隨時(shí)間變化情況，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4)為了更加地真實(shí)反映各種試劑CO的吸收性能，設(shè)計(jì)1個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，僅在200 mL去離子水中加入2 g CuCl，不添加其他任何吸收劑，其他實(shí)驗(yàn)步驟相同。

2.2 CuCl溶液與多種試劑混合吸收CO復(fù)配實(shí)驗(yàn)

為了得到CO吸收效果更優(yōu)的吸收劑材料，將優(yōu)選出的3種試劑與CuCl溶液進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)。復(fù)配實(shí)驗(yàn)分4組進(jìn)行，其中第1組、第2組為實(shí)驗(yàn)組，第3組、第4組為對(duì)照組。為了更好地觀察CO的吸收效果，在復(fù)配實(shí)驗(yàn)中將CuCl與優(yōu)選出的各試劑按照CuCl溶液與單一試劑混合中最優(yōu)質(zhì)量配比進(jìn)行設(shè)置。其他實(shí)驗(yàn)步驟參照上述實(shí)驗(yàn)方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO的實(shí)驗(yàn)

將濃度0.015%的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體通入錐形瓶約23 s后可觀察到其濃度穩(wěn)定在0.014 8%，說(shuō)明瓶?jī)?nèi)空氣基本排完，之后按照CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作，CuCl溶液與單一試劑混合吸收CO實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 CuCl溶液與單一試劑吸收CO結(jié)果

由表2可以得出以下結(jié)論：實(shí)驗(yàn)所選用的5種試劑對(duì)CO吸收效果不盡相同，其中NaCl、NH4Cl、尿素、KCl試劑對(duì)CO吸收起正作用，CaCl2試劑對(duì)CO吸收起負(fù)作用；除第2組實(shí)驗(yàn)外，每組實(shí)驗(yàn)中隨著添加物質(zhì)量的增大，錐形瓶?jī)?nèi)CO最低體積分?jǐn)?shù)逐漸降低并最終幾乎趨于不變；通過(guò)與對(duì)照組比較，各組的CO穩(wěn)定體積分?jǐn)?shù)及穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)差異較大，其中NH4Cl試劑CO吸收性能最佳，NaCl和尿素試劑次之，KCl試劑幾乎無(wú)效果，CaCl2試劑對(duì)CO吸收起抑制作用；通過(guò)比較溶液溫度變化與CO吸收效果的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)能使溶液溫度降低的試劑對(duì)CO吸收起促進(jìn)作用，能使溶液溫度升高的試劑對(duì)CO吸收起反作用，這與有關(guān)文獻(xiàn)表述相符。

經(jīng)過(guò)綜合比較可以得出，含有NaCl、NH4Cl和尿素試劑的CuCl溶液對(duì)CO吸收效果較好，達(dá)到最優(yōu)吸收效果時(shí)，上述試劑添加質(zhì)量分別是CuCl添加質(zhì)量的約2.5倍、4倍和2.5倍。

3.2 CuCl溶液與多種試劑混合后吸收CO復(fù)配實(shí)驗(yàn)

由于含有NH4Cl試劑的CuCl溶液對(duì)CO吸收效果遠(yuǎn)超過(guò)NaCl和尿素試劑，因此選擇NH4Cl試劑和CuCl一起作為基礎(chǔ)材料，將其溶液分別與NaCl、尿素試劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出最佳材料及配比，復(fù)配實(shí)驗(yàn)條件為選取去離子水200 mL，CuCl質(zhì)量10 g，NH4Cl試劑質(zhì)量40 g，NaCl和尿素試劑分別稱(chēng)取10 g、20 g、30 g進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。CuCl溶液與混合試劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)吸收CO效果見(jiàn)表3。

表3 CuCl溶液與混合試劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)吸收CO效果

由表3可以得出以下結(jié)論：在含有NH4Cl試劑的CuCl溶液中分別加入NaCl、尿素試劑后，對(duì)CO的吸收效果得到改善，相同條件下尿素試劑對(duì)CO吸收的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于NaCl試劑；在不含NH4Cl試劑的CuCl溶液中加入NaCl、尿素試劑后，對(duì)CO的吸收大大減弱，這說(shuō)明NH4Cl試劑是構(gòu)成CO吸收劑的重要組成部分；對(duì)比第2組和第3組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加尿素試劑后錐形瓶中CO的最低體積分?jǐn)?shù)、穩(wěn)定體積分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)均有大幅改善，因此將尿素試劑也作為CO吸收劑材料的組成部分，且得到了CO吸收劑各材料的質(zhì)量最優(yōu)配比，即m(CuCl)∶m(NH4Cl) ∶m(尿素)為1∶4∶2。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大南湖一礦1307綜采工作面開(kāi)采的3號(hào)煤層具有低溫氧化特性，該工作面在開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)及回風(fēng)隅角的CO濃度一直較高，為治理CO氣體超限問(wèn)題，該工作面采空區(qū)采取了帷幕注氮及注漿等措施抑制采空區(qū)遺煤氧化，但由于工作面放頂煤開(kāi)采工藝導(dǎo)致支架后部帶式輸送機(jī)及機(jī)頭區(qū)域堆積大量破碎浮煤，且此區(qū)域浮煤不易清理，因此該區(qū)域破碎煤體產(chǎn)生的CO氣體是導(dǎo)致回風(fēng)隅角CO濃度超限的來(lái)源之一。針對(duì)常規(guī)注氮、注漿手段無(wú)法有效抑制浮煤氧化問(wèn)題，采取對(duì)此區(qū)域浮煤噴灑CO吸收劑來(lái)減少破碎煤體CO氣體的產(chǎn)生。

4.1 應(yīng)用過(guò)程

選擇大南湖一礦1307綜采工作面后部帶式輸送機(jī)及機(jī)頭區(qū)域作為現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，為保證CO吸收劑有效降低回風(fēng)隅角CO濃度，設(shè)計(jì)了后部帶式輸送機(jī)及機(jī)頭區(qū)域CO抑制劑噴灑工藝及參數(shù)。

(1)首先在1307綜采工作面機(jī)頭區(qū)域浮煤處噴灑100 kg CO吸收劑進(jìn)行小劑量實(shí)驗(yàn)，噴灑完吸收劑后，立即用水管對(duì)噴灑吸收劑區(qū)域澆水直至其完全融化，并在噴灑區(qū)域觀測(cè)溫度變化及回風(fēng)隅角處CO氣體濃度變化情況。

(2)根據(jù)前期小劑量實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)CO吸收劑噴灑工藝及用量進(jìn)行調(diào)整，以便最大限度地發(fā)揮CO吸收劑對(duì)CO氣體的吸收效果。具體參數(shù)為：CO吸收劑與水用量比為1∶4，單次CO吸收劑噴灑量為1.0～1.5 t，單個(gè)支架的CO抑制劑用量為100 kg，噴灑區(qū)域?yàn)?30號(hào)支架至回風(fēng)隅角后部帶式輸送機(jī)及機(jī)頭浮煤區(qū)域。

(3)本次實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程為：提前下放1.2 t的 CO吸收劑至回風(fēng)端頭位置，從130號(hào)支架往上每個(gè)支架后部帶式輸送機(jī)浮煤處均勻噴灑100 kgCO吸收劑，機(jī)頭區(qū)域噴灑100 kg，噴灑完后立即利用水管澆水，循環(huán)澆水直至吸收劑完全融化反應(yīng)。

4.2 應(yīng)用效果

4.2.1 降低CO濃度效果

在1307綜采工作面130號(hào)支架后部帶式輸送機(jī)往上至機(jī)頭區(qū)域破碎浮煤均勻噴灑完1.2 t 的CO抑制劑后，立即利用水管對(duì)噴灑抑制劑區(qū)域?yàn)⑺笴O抑制劑遇水融化反應(yīng)。每灑完一遍水，記錄后部帶式輸送機(jī)浮煤溫度變化及回風(fēng)隅角CO濃度變化，直至CO抑制劑完全融化反應(yīng)完。浮煤溫度及回風(fēng)隅角CO濃度變化見(jiàn)表4。

由表4可以看出，噴灑CO吸收劑并澆水后，吸收劑開(kāi)始融化并充分反應(yīng)，130號(hào)支架至回風(fēng)隅角處的CO濃度均有所降低。CO抑制劑完全融化后，回風(fēng)流CO的濃度由噴灑前的0.002 8%降低至0.001 4%；回風(fēng)隅角CO的濃度由噴灑前的0.011 0%降低至0.002 9%；138號(hào)支架后部帶式輸送機(jī)浮煤處CO的濃度由噴灑前的0.012 7%降低至0.004 0%。

表4 CO吸收劑現(xiàn)場(chǎng)噴灑效果數(shù)據(jù) %

4.2.2 CO抑制劑降溫效果

噴灑完CO吸收劑后利用水管對(duì)噴灑吸收劑位置澆水，吸收劑遇水開(kāi)始反應(yīng)，灑水約2 min后，煤體表面溫度由常溫降至2 ℃左右，局部地方溫度降至-2 ℃；CO抑制劑與水反應(yīng)時(shí)間5～10 min后，煤體表面溫度開(kāi)始回升，再繼續(xù)對(duì)未融化的抑制劑灑水，反應(yīng)溫度繼續(xù)降低，直至抑制劑完全融化反應(yīng)完畢后，煤體恢復(fù)常溫。

5 結(jié)論

(1)從錐形瓶中CO的最低體積分?jǐn)?shù)、穩(wěn)定體積分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)考察各種試劑對(duì)CO的吸收效果，發(fā)現(xiàn)NH4Cl試劑性能最佳，NaCl和尿素試劑次之，KCl試劑幾乎無(wú)作用，CaCl2試劑對(duì)CO吸收起抑制作用；同時(shí)發(fā)現(xiàn)溶液溫度變化也影響CO的吸收效果，低溫時(shí)促進(jìn)CO的吸收，高溫抑制CO的吸收。

(2)經(jīng)過(guò)復(fù)配實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CO吸收劑由CuCl、NH4Cl試劑和尿素這3種材料組成效果最佳，且最優(yōu)質(zhì)量比m(CuCl)∶m(NH4Cl)∶m(尿素)為1∶4∶2。

(3)在大南湖一礦1307綜采工作面的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，CO吸收劑達(dá)到最佳效果時(shí)，支架后部帶式輸送機(jī)浮煤處CO濃度由噴灑前的0.012 7%最低可降至0.004 0%；同時(shí)兼具良好的降溫效果，CO吸收劑遇水開(kāi)始反應(yīng)，灑水后2 min左右煤體表面溫度由常溫降低至2 ℃左右，局部地方溫度可降至-2 ℃，能在一定程度上減緩煤體低溫氧化。