煤矿除尘发泡液的配置及除尘实验研究

2021-09-16吴爱军

煤 2021年9期

吴爱军，唐铭，杨苗

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010;2.四川江油新川矿山机械有限公司，四川江油 621700)

我国是煤炭生产和消费大国[1]。煤矿生产过程中的煤尘，不仅严重威胁着工人健康，因其具有爆炸性，还对煤矿安全生产构成了严重影响。因此，煤尘治理是煤矿安全生产一项关键措施。常规的煤尘治理有通风、喷水雾、化学药剂、泡沫、风幕等除尘工艺[1-2]。近年来，泡沫除尘技术受到了人们日益重视，其中英国、前苏联、日本、美国和中国等都相继进行了泡沫除尘技术研究[3-4]。目前，现有的泡沫除尘技术多采用尘源覆盖式[4-5]，存在污染工作面和设备，有碍生产视线，对呼吸性粉尘治理效果差等诸多问题。为此，为了治理呼吸性粉尘，吴爱军[6]提出了泡泡除尘新技术，即利用泡泡相对粉尘具有大体积效应，通过发泡机向含尘的空气中喷出巨量泡泡，使其长时间在在空气中飞行、捕捉所遇到的煤尘，将其润湿后一起降落到地面。此技术一个关键因素是发泡液，而决定其性能的主要组分是表面活性剂。因为煤矿产生的煤尘特性差异较大，所以除尘所用的表面活性剂种类也是千差万别。为此，本文选择无烟煤粉尘，通过要对市面上的表面活性剂的性能分析、测试，筛选，以及复配，最终给出发泡液的最优的配方。

本文重要研究两个问题：一是煤尘发泡液的配置；二是选择煤尘除尘效率模拟实验。

1 表面活性剂单体优选

表面活性剂是发泡液的主要组成成分，其发泡性能的高低可直接决定除尘效率。在配制泡沫溶液时要求发泡液需要具有很好的发泡能力、稳定性和润湿性，使得泡沫液可以充分的与煤尘接触从而高效降尘。本文首先对市面上的表面活性剂进行初选，然后通过单体测试、复配等实验及结果分析后确定最佳配方。

本文选择无烟煤进行实验。表面活性剂如表1所示。实验材料主要有表面活性剂、水、无烟煤。

表1 表面活性剂

根据GB/T 7462-1994，针对以上不同类型表面活性剂，利用改进罗氏泡沫仪进行发泡液制备。根据前期实验可知，发现浓度低于0.7%时产生泡泡数量较少，而浓度过大时溶液容易饱和，因此本文选取的浓度范围为0.7%～1.1%.通过对8种表面活性剂不同浓度的发泡性能和稳定性测试后，选取每个试剂发泡性能和稳定性最优秀的一种浓度进行润湿性能测试[6]。利用沉降装置测出其3次沉降时间后取平均值。8种表面活性剂的起泡体积、消泡体积与浓度关系见图1、图2。

图1 起泡体积与浓度关系

图2 消泡体积与浓度关系

从图1可知，每种表面活性剂发泡性能并不是随着浓度的增加而增大，而是在一定范围内有一个最佳的浓度。在0.7%～1.0%浓度范围内，如SDS在浓度为0.8%时达到最大起泡体积515 mL；而AOS液在浓度为0.9%时达到最大起泡体积521.67 mL，SDBS浓度在1.1%时达到最大起泡体积仅为450 mL，其他表面活性剂发泡量的最高值如图1所示。这其中起泡能力最好的为0.9%的AOS液。可见，阴离子型表面活性剂发泡能力优于其它两种类型。

从图2可知，在0.7%～1.0%浓度范围内，当浓度为1%时，SDS的最小消泡体积为203.67 mL；当浓度为0.9%时，APG的最小消泡体积为69.33 mL，其他表面活性剂发泡量的最高值如图2所示。稳定性最好的为0.9%的CAB-35。

结合8种表面活性剂的起泡高度和稳定性，选取每种表面活性剂起泡能力和稳定性较好的一组数据进行沉降实验(0.8%SDS、0.9%AOS液、1.1%SDBS、0.9%K12A、0.8% BS-12、0.9% CAB-35、0.7%APG、1% AEO9)，具体如图3所示。

图3 无烟煤分别在8种表面活性剂溶液中的沉降曲线

润湿性较好的为SDS、AOS液和AEO9，其沉降速度都超过了15 mg/s；而润湿性较差的为K12A、SDBS、CAB-35和BS-12，其沉降速度都不到5 mg/s。对于无烟煤的润湿性，其润湿性快慢排序为：0.9%AOS液(17.65)>0.8%SDS(16.67)>1%AEO9(15.79)>0.7%APG(5.26)>0.9% K12A(3.33)>1.1%SDBS(2.73)>0.9% CAB-35(1.3)>0.8% BS-12(1.22)。

根据单一表面活性剂的发泡性能、稳定性测试结果和对煤尘的润湿性的实验结果，本文选取0.8%SDS、0.9%AOS液、0.9%K12A、1%AEO9四种试剂进行复配实验。复配配比如表2所示。

表1 复配组合

由图4可知，在两两复配中，对于SDS(1)-(3)，它与AOS液复配后发泡体积为470 mL，与单体试剂相比发泡体积减少了45 mL；复配后其消泡体积为172 mL，与单体的消泡体积相比减少了48.33 mL；它与K12A复配后发泡体积为531.66 mL，与单体试剂相比发泡体积增加了16.66 mL；复配后其消泡体积为68.33 mL，与单体的消泡体积相比减少了152 mL；它与AEO9复配后发泡体积为506.66 mL，与单体试剂相比发泡体积减少了8.34 mL；复配后其消泡体积为136.33 mL，与单体的消泡体积相比减少了84 mL。其他组合分析相类似。如在三三复配中(7)-(10)，SDS与AOS液与K12A复配发泡效果最好，为550 mL；四四复配发泡效果不好，为490 mL。

图4 复配起泡与消泡体积

通过分析，优选的复配组合为SDS+AOS液+K12A。为了探究3个试剂对复配起泡体积的影响。本文采取了正交实验法进行实验。将SDS、AOS液和K12A作为正交实验的三因素，实验方案如表3所示。

表3 正交实验方案

综上：①复配后消泡体积大都有所减少，说明复配后溶液稳定性有所增强；②SDS与K12A复配发泡效果最好；③单体发泡性能都好，复配后不一定发泡性能就一定好；④加入的试剂越多，复配效果不一定越好。

对以上11种复配组合进行润湿性测试，具体如图5所示为沉降实验的结果。

图5 复配溶液沉降实验

如图5所示，复配后沉降速度均在20 mg/s左右，而单体溶液大多<10 mg/s，说明复配后溶液的润湿性变得更好，单体表面活性剂复配后彼此之间具有协同效应。其中最好的是第7组，沉降速度为30 mg/s。结合泡沫发泡性、稳定性及润湿性，优选第7组作为复配组合。

实验的评判指标是泡沫起泡体积，起泡体积越大越好。如图5可知，影响泡沫起泡体积的因素主次顺序为：K12A>SDS>AOS液。最佳的复配方案为K12A的添加量为0.7%，SDS的添加量为0.9%，AOS液的添加量为1.0%。此方案配出的泡沫起泡体积为576.67 mL，消泡体积为90 mL。通过分析，选出配方为0.7%K12A、0.9%SDS、1%AOS液，发泡液中的表面活性剂质量浓度比为2.6%，符合实验预期指标。

2 发泡设备性能测试

发泡设备见文献[6]。本文通过发泡设备性能实验，测试其发泡效率。

1) 档位风速测试。调整风扇调速器(共有9档位)，用风速表测量风扇出口速度，每个档位测试5次后取其平均值。

2) 测试发泡量。由于发泡设备在短时间内会数量巨大的泡泡，因此借助了高速摄像机抓拍5 s内从发泡设备中发出泡泡数量；通过测量落地后的泡泡直径，通过计算得到发泡设备在单位时间(1 min)内所产生泡泡的体积量。

从图6可以看出，随着档位的增大，发泡风扇的出口速度呈线性增加(从2档位起)；发泡盘所产生泡泡体积量与风速呈现正相关，随着档位增大而增大。而在档位1时，由于风速较小，则无泡泡产生。

图6 不同档位下的风速、发泡量曲线

通过测量落地后的泡泡直径，大致在1.8～2.2 cm范围，平均大小为2 cm。结合图6数据，因此可以计算得到各个档位下的单位时间内的发泡速率(每分钟的泡泡体积量)，最高档(9档)时的发泡速率为1 000 L/min，而在8档时的发泡速率可以达到900 L/min左右，7档时达到800 L/min左右，以此类推，最小发泡量为2档时的300 L/min。可见，本文发泡设备在单位时间内产生的泡泡体积量与风速(档位)呈正相关。

3 除尘实验

实验装置仍采用文献[6]中的布置。

除尘实验方案1(尘源10 g)、方案2(尘源30 g)、方案3(尘源50 g)的实验。如图7所示，随着煤尘尘源质量的增加，模拟实验都在最高粉尘浓度也随着增大，且呈正指数增大。

图7 粉尘最高浓度随尘源质量变化曲线

如图8中的图(a)、(b)和(c)所示，在泡泡发泡设备喷出巨量泡泡作用下，模拟巷道内无烟煤粉尘的浓度迅速降低，且近似呈负指数降低。而不同质量的尘源条件下，随着粉尘尘源质量的的增大，除尘效率达到90%的时间反而呈递减趋势，如10 g尘源，除尘效率达到90%时所用时为2.5 min，30 g尘源时达到90%时所用时为2 min，50 g尘源时达到90%时所用时<2 min。但粉尘浓度越高时，使用泡泡除尘将其浓度降低到10 mg/m3以下所用时随之增大，如10 g、30 g和50 g尘源所对应其浓度<10 mg/m3时的除尘效率分别达到了98.26%、99.47%和99.86%.