水分子改性与粉尘治理的研究

梁旺亮

(西山煤电股份公司 西铭矿，山西 太原 030052)

1 疏水性粉尘分析

粉尘在原煤的生产、转载和运输过程中，产生于各个生产环节和工序过程。其中采掘机械切削煤壁时产尘率最高，是粉尘治理的核心。采掘作业中采煤工作面产尘量最大，最高粉尘浓度可达2 500～3 000 mg/m3,采煤机切削煤壁产尘量约占60％左右。

机械化程度越高矿工患尘肺病的机率也随之越大，使得粉尘治理日益成为近年来煤矿管理的难题之一。传统的喷雾降尘技术在采掘现场使用效果不佳，降尘率仅达10％～15％，经过研究分析，降尘效果差除现有的喷雾设备设计缺乏科学性外，根源还在于西山煤田赋存的2#、3#、8#、9#煤层在生产过程中产生的粉尘均为疏水性粉尘，单纯采取“风”、“水”、“雾”降尘措施难以达到理想效果。

水分子表面张力的大小不能准确衡量其对粉尘的润湿能力，水溶液对粉尘的润湿性能还与粉尘表面结构和加入水中的表面活性剂结构有很大关系。由粉尘的FTIR光谱分析可知，煤是有机物且结构异常复杂，表面含有大量脂肪烃和芳香烃等憎水性的非极性基团，从而使粉尘表面具有较强的疏水性，因此，水对粉尘的润湿性能较差。

2 水分子改性机理

如何将水分子与粉尘的关系由“疏”改性为“亲”，国内外学者从20世纪50年代开始就对水分子改性降尘技术进行了研究，但至今对该技术的研究还不够深入，应用推广还不够广泛。

当向水中添加阴离子或非离子表面活性剂时，根据剩余力场理论，粉尘表面将产生吸附作用。在吸附过程中，粉尘的疏水表面与表面活性剂的疏水基团相互作用较强，因此，表面活性剂将以尾部朝向粉尘表面，头部伸向水溶液的方式吸附于粉尘表面，从而降低了水溶液和粉尘的液-固表面张力。根据实验室电泳试验结果证明，粉尘表面是带负电的，同结构的表面活性剂在其表面的吸附能力是不同的。阴离子表面活性剂电离出的表面活性离子带负电，与带负电的粉尘表面同性相排斥，而且吸附于粉尘表面的阴离子表面活性离子之间也会产生电性排斥，不利于在粉尘表面的吸附，因此，阴离子表面活性剂在粉尘表面的吸附能力小于非离子表面活性剂，导致非离子表面活性剂的固-液界面张力小于阴离子表面活性剂的固-液界面张力。根据粉尘润湿理论，对西山矿区某一特定粉尘而言，影响水溶液对粉尘湿润能力的因素与水溶液的气-液表面张力也有关，气-液表面张力越小，湿润性越好；与粉尘的液-固表面张力有关，液-固界面张力越小，湿润性越好。因此，综合考虑气-液表面张力和固-液表面张力2个方面，非离子表面活性剂对粉尘的润湿性一般好于阴离子表面活性剂。这一机理较好地解释了实验结果，即虽然非离子表面活性剂的气-液表面张力大于阴离子表面活性剂的气-液表面张力，但其湿润性能却好于阴离子表面活性剂。

通过对煤尘的表面化学结构、表面电性和表面润湿性的系统研究，可知非离子表面活性剂溶液对粉尘的润湿效果好于阴离子表面活性剂溶液。研究表明，溶液对粉尘的润湿性不仅取决于溶液的气-液表面张力，而且取决于溶液与粉尘的固-液表面张力，溶液与粉尘的固-液表面张力的大小，又与粉尘的疏水性、电性、溶液添加剂(如表面活性剂)的结构、性质密切相关。

水分子改性技术经多年研发，目前技术比较成熟，改性剂的提取生物环保，取自于天然，是环境友好型产品。添加比例极少，经济适用，密度略大于水，pH值7～8，对皮肤无刺激，不会因水质变化而改变产品性能，区别于其它制剂类降尘产品，如醇基、油基、化学基等。

3 水分子改性技术在现场的应用

水分子改性技术应用于西山煤电股份公司西铭矿北五盘区48504综采工作面，该工作面井下位于随老母断层以南，北为西铭矿矿界，东邻后西岭村庄煤柱及48502回采工作面，南邻305左翼回风巷，西为48506采空区，该面上覆2#、7#煤多为小煤窑所采，2#与8#煤层间距84 m左右，7#与8#煤层间距16 m左右。工作面走向长1 576 m，采长192 m, 煤层厚度为3.70～4.30 m，平均厚度3.56 m，属稳定煤层，可采储量111.7万t，日产量5 000 t。48504工作面采用“U”型通风系统，即48504工作面皮带巷进风，轨道巷回风。该工作面采用均压通风方式预防工作面自然发火，采用4台2×55 kW局部通风机(两用两备)向工作面供风，供风量1 956 m3/min。工作面防尘技术采用动压与静压注水方式(采用2+22方式)、采煤机内外喷雾、架间喷雾、转载点喷雾装置、风流净化水幕、捕尘网及个体防护等防尘措施。

通过试用C&C-1型水分子改性剂，证明改性剂可促使水分子表面张力被最大程度地破坏，极大地提高固体粉尘颗粒物被瞬间湿润的速率，湿润率增强。使水分子的渗透性增强，可以更深入地渗透到粉尘结核内部，延长水的控制作用。从而改变粉尘电荷间的作用，加大粉尘表面吸附周围水分子的能力，即将粉尘的疏水性质变为亲水性质。其渗透及吸附、凝聚作用见图1。

图1 水分子改性技术功能表现示意图

利用改性技术破坏水分子表面张力，可极大地提高粉尘颗粒等固体被瞬间润湿的速率，水分子可深入渗透到粉尘内部区域，延长水的控灰时间，尤其对呼吸性粉尘的抑制作用尤为明显，使采掘工作面及回风巷道内不容易产生二次扬尘危害，其工艺流程图见图2。

图2 采煤面制备降尘雾流的流程图

48504综采工作面水分子改性技术核心部件是改性剂添加装置及中和器，利用CR-2型水力自动添加装置将改性剂C&C-1(湿润型)按照1‰～2‰的设定比例自动注入工作面防尘供水管路中，增设单独的喷雾降尘高效喷嘴或借助工作面原有的采煤机外喷雾系统，抑制捕捉采煤机滚筒切削煤壁时产生的粉尘颗粒，从而实现高效率降尘的目的。根据悬浮式气固两相流理论和截割粉尘成因理论,通过建立采煤工作面沿程粉尘浓度数学离散相模型,根据采煤机截割滚筒附近的沿程粉尘分布规律，结合喷雾降尘机理和喷雾降尘效果影响因素,对喷雾喷嘴安装数量、方位、角度、压力、雾粒大小进行科学设计将有利于粉尘降尘率。整套系统无电自动运行、结构简单易操作，通过水分子改性优化与粉尘间的电荷作用、破坏水分子表面张力，达到快速有效的粉尘吸附和沉降。采煤面水分子改性剂添加装置图见图3。

图3 采煤面水分子改性剂添加装置图

48504综采工作面使用水分子改性技术前后的降尘参数对比情况，见表1。

水分子改性的应用范围极广，可应用于采掘工作面、煤体注水、钻孔除尘、工业广场、地面堆场等。添加比例为微比例，按0.02％～0.1％配比。应用效果主要是比普通喷雾降尘效率提高70％～95％，添加装置水力驱动，自动启停，能显著提高水的渗透力，同类型产品吨水费用最低，阻燃抑爆，大幅度提高了工作面作业环境能见度，对呼吸性粉尘的治理尤其显著。另外，还在该矿西十二盘区42211综掘面使用了水分子改性技术，取得了较好的效果。

表1 48504工作面使用水分子改性前后降尘参数对比表

综掘面水分子改性剂添加装置图见图4。

图4 综掘面水分子改性剂添加装置图

42211综掘工作面使用水分子改性技术前后的降尘参数对比情况，见表2。

4 经济效益分析

通过试用水分子改性新型技术，采煤工作面每切割1个循环用水量约9 m3，每个循环生产原煤1 000 t，水分子改性剂消耗量8.8 kg,与水的配比比率约为1‰，吨煤消耗改性剂费用约0.44元/t。综掘工作面每掘进1个米循环进尺用水量约1.4 m3，水分子改性剂消耗量1.7 kg，与水的配比比率约为1.2‰，每米进尺消耗改性剂费用约85元/m。

表2 42211工作面使用水分子改性前后降尘参数对比表

5 结 语

煤矿粉尘治理工作逐步走向常态化、规范化、科学化，矿井的绿色清洁发展必将是煤矿企业的最终发展方向，水分子改性技术的研究和应用，极大地改善了采掘工作面的工作环境，且用水量可降低约30％～70％，而降尘效率则提高70％～95％。水分子改性技术是降尘领域技术研究的阶段性革命，不仅彻底消除了尘肺病产生的根源，而且还为进一步发明创造新的降尘产品提供了理论指导。

参 考 文 献

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