两性/阴离子复配湿润剂高压雾化降尘

2023-10-08杨永波邢鹏超鲁轲

浙江大学学报（工学版） 2023年9期

杨永波，邢鹏超，鲁轲

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

我国煤炭的开采方式以井工开采为主[1].随着开采方式向快采、高产方向转变[2]，综采工作面高强度、机械化采煤作业，导致产尘量急剧增加、粉尘分散度高，粉尘污染问题日趋严重[3]，不仅影响人类健康还容易诱发煤尘爆炸事故[4-5].如何解决综采工作面粉尘浓度超限，提升粉尘治理水平是亟待解决的问题.综采工作面粉尘治理技术包括注水抑尘[6]、通风防尘[7]、雾化降尘[8]等.传统注水作业周期长；通风防尘风速很难确定，适合作为辅助除尘技术；雾化降尘通过增大雾滴与粉尘接触面方法使得雾滴捕尘概率增加.相比低压雾化技术，高压雾化技术具有雾化粒径小且均匀、雾滴密度高的特点[9]，由于雾滴具有电荷性[10]，易对采面空气中的粉尘产生静电吸附作用，使之沉降.

李娇阳等[11-12]认为湿润剂可以降低水的表面张力，增大尘-水的碰撞概率，提高粉尘的拦截和凝结效果.单湿润剂的现场应用效果不明显，常要通过复配多种湿润剂的方法来提高湿润剂整体性能.在煤体润湿过程中，固-液界面的接触角可以衡量煤体的湿润性[13].为此，Wang等[14]在实验过程中配制不同浓度的聚合物溶液，通过接触角表征了不同聚合物溶液对煤尘湿润效果的影响.Ni等[15]基于NaCl和十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液复配，揭示复配液对煤尘接触角的影响规律.Wang等[16]开展不同类型煤尘的湿润性对比实验，探究表面活性剂对不同煤尘的润湿差异.Su等[17]将不同两性离子表面活性剂和不同阴离子表面活性剂结合作用在油水界面，大大降低了油水界面张力.聚合物溶液、复配液和表面活性剂的现有研究侧重于复配性能的最大化，较少从阴、阳离子运动层面探讨复配湿润剂对粉尘湿润性能的影响机制.良好湿润性的两性离子湿润剂与其他离子湿润剂复配能够产生协同促进作用[18-19]，同时阴离子湿润剂对粉尘湿润性能具有直观改善作用[20].两性/其他离子复配体系的研究主要聚焦于理论探讨与实验室环节，关于高压雾化与两性/阴离子复配湿润剂降尘的应用效果研究较少.

本研究在讨论两性/阴离子复配湿润剂与高压雾化降尘机制的基础上，根据两性/阴离子湿润剂正交复配体系探求最佳复合配比；通过粉尘沉降实验、溶液表面张力测试，优选两性/阴离子复配湿润剂的最佳湿润质量分数；基于浸泡吸液实验，对比表征单体湿润剂与两性/阴离子复配湿润剂的湿润能力；结合现场降尘实践，揭示综采工作面粉尘扩散规律，对比考察两性/阴离子复配湿润剂与单体湿润剂的高压雾化降尘效果.

1 两性/阴离子复配剂高压雾化降尘机制

在煤矿井下综采工作面雾化降尘过程中，水射流通过喷嘴使得液滴脱离表面张力和自身黏性力的束缚破碎成雾滴，如果水射流压力过低，表面张力和黏性力将阻碍雾化，导致雾化效果变差；水射流在高压状态下，内外压力差过大会形成一定的振动波，振动波产生的扰动能量使得水射流更容易摆脱自身表面张力和黏性力的束缚，破碎成更小和更多的雾滴，雾化效果增强[21].破碎临界值表达式为

式中：λ为扰动波长，d0为射流初始直径.扰动波长由压力决定，压力越大，扰动波长越长，当λ/d0≥4.51时，水射流开始破碎成雾滴，比值越大破碎得越彻底，产生雾滴的数量越多、直径越小，雾化效果越好.

在雾化所用的水中加入湿润剂时，湿润剂中表面活性剂分子的疏水基与水相互排斥，使得表面活性剂分子聚集在溶液表面.湿润剂的水溶性越好、浓度越大，聚集的表面活性剂分子越多，表面活性剂分子在气-液界面层形成定向排列，致使溶液表面分子层的间隙数量增多，分子间的相互牵引力减小，液体更易破碎.当溶液中表面活性剂达到一定浓度时，胶束生成.胶束作为溶液的“储存室”，被消耗时会释放出大量的离子或表面活性剂分子，使得表面活性剂分子在气-液界面层排列紧密，溶液破碎效果好.若湿润剂为两性/阴离子复配剂，1）两性/阴离子复配剂相比单一离子湿润剂拥有更强的水溶性，溶液中更容易生成胶束，甚至是块状和球形的胶束[22]；2）粉尘本身有一定的水分，导致粉尘具有正电荷，两性/阴离子复配剂溶液带有大量的阴离子，并且两性离子湿润剂和阴离子湿润剂能够产生协同增强效应，可以将具有负电荷的阴离子分解出来，在雾化的情况下使得雾滴更容易携带负电荷[23].如图1所示，在高压雾化作用下，两性/阴离子复配剂溶液的雾滴多、小，且大量携带负电荷的荷电雾滴，能够实现粉尘静电吸附和捕集效益.

图1 两性/阴离子复配湿润剂高压雾化降尘机制Fig.1 High-pressure atomization dust reduction mechanism with amphoteric/anionic compound wetting agent

2 实验材料及实验方法

2.1 实验样品

河南某矿21210综采工作面煤层煤质干燥（原始水的质量分数为1.09%）、松软（坚固性系数为0.67）.采煤作业时，采煤机滚筒截齿嵌入煤层较深，煤体与截齿的摩擦阻力增大，致使工作面产尘量大，采煤司机位置的总粉尘浓度高达1 800 mg/m3，粉尘灾害严重.通过静滴法[24]实测矿井水与粉尘的接触角为82.7°，粉尘呈典型的弱亲水性.采集综采工作面原煤，经破碎、研磨，过200目标准筛除去杂质，作为实验粉尘.选取大小较为方正，质量统一，表面无明显裂隙的碎煤块作为实验煤体.

2.2 实验试剂

在现有两性离子湿润剂和阴离子湿润剂降尘效果研究的基础上，遵循无毒、经济、高效原则，选取2种单体湿润剂.其中十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）为两性离子，活性成分质量分数为30%；仲烷基磺酸钠（SAS）为阴离子，活性成分质量分数为60%.

2.3 实验仪器

AL204电子天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司生产）、HJ-2磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司生产）、500 mL烧杯、秒表、A201表面张力仪（美国科诺工业有限公司生产）.

2.4 实验方法

2.4.1 沉降法 1）将BS-12、SAS分别与水配置成质量分数为0.05%、0.10%、0.20%、0.30%的湿润剂溶液各250 mL，充分搅拌；2）称取实验粉尘1.0 g，分别向各溶液中心迅速倾倒，粉尘在溶液表面自然堆积成锥形；3）当粉尘与溶液表面接触时，开始计时，直至溶液表面无粉尘漂浮，结束计时，记录粉尘沉降时间tc，如图2所示.

图2 沉降实验和浸泡吸液实验图Fig.2 Diagrams of sedimentation experiment and immersion aspiration experiment

2.4.2 白金板法 1）将表面张力仪的感测白金板逐渐浸入溶液，由仪器的平衡感应器感测平衡值并转化为表面张力值；2）待数值显示稳定，记录溶液表面张力σ.

2.4.3 浸泡吸液法 1）称取浸泡前实验煤体的质量；2）将煤体分别浸泡于250 mL最佳湿润质量分数的SAS、BS-12、AAC溶液和矿井水；3）设定浸泡时间t=1、2、4、7、19、48、72、96 h；4）当浸泡结束，采用干燥镊子夹取煤体，待煤体表面无明显液滴滴落，开始称重，通过浸泡前、后煤体的质量变化确定吸液率W，如图2所示.

3 实验结果与讨论

3.1 正交复配体系研究

BS-12、SAS的质量分数wB均分别为0.05%、0.10%、0.20%、0.30%.基于质量管理统计分析软件Minitab，建立2因素4水平的两性/阴离子正交复配体系，因素、水平i设定如表1所示.正交复配体系下粉尘沉降时间的实验结果如表2所示.如表3所示，根据正交试验结果，建立判别指标表.表中，（i=1、2、3、4）分别表示因素（BS-12、SAS）在i水平复配下粉尘沉降时间之和的均值，RC为各因素所有水平中的最大均值与最小均值的差值.在同一因素下，越小，i水平对应的质量分数最佳.可以看出，在BS-12的所有水平中最小，说明BS-12在4水平复配下，粉尘沉降时间最短.结合表1可知，BS-12的最佳复配质量分数为0.30%，同理，SAS的最佳复配质量分数为0.20%.表2中，14号实验采用0.30% BS-12和0.10% SAS进行复配，3次平行实验的粉尘沉降时间分别为23、29、35 s，实验结果离散.根据表1～3，确定BS-12和SAS的最佳质量分数比为0.30%∶0.20%，此外RC代表因素对粉尘沉降时间的影响程度，表3中，SAS的RC最大，表示SAS是AAC的湿润性能的主要影响因素.

表1 正交试验的因素水平表Tab.1 Factor levels table for orthogonal tests

表2 正交复配方案及实验结果Tab.2 Orthogonal compounding scheme and experimental results

表3 实验结果的判别指标表Tab.3 Discriminatory indicators table for experimental results

3.2 质量分数对湿润性能的影响

根据正交复配体系确定的BS-12和SAS最佳质量分数比，制备AAC，通过粉尘沉降时间表征湿润剂质量分数对溶液湿润性能的影响，实验结果如图3所示.粉尘呈弱亲水性、浸润性差，因此在矿井水中无明显沉降，相比之下，选取的BS-12、SAS均能有效改善粉尘湿润性，湿润性能呈AAC＞SAS＞BS-12，反映出两性离子湿润剂与阴离子湿润剂复配的有效性及高效性.整体上，在各湿润剂溶液中，粉尘沉降时间随湿润剂质量分数的增加均表现为迅速减少-趋于平稳的分布规律，且当wB=0.20%，AAC的湿润性能比BS-12、SAS分别提高了52.93%、19.25%.原因是最初湿润剂中表面活性分子的亲水基团和亲油基团随湿润剂质量分数增加而增多，对应溶液中阴、阳离子亲水基彼此吸引的概率增加，使得溶液表面吸附界面层排列更为紧密，溶液对粉尘的吸附、湿润作用逐渐加强，但当湿润剂质量分数达最佳时，溶液表面吸附界面层排列紧凑且逐渐饱和.

图3 质量分数与粉尘沉降时间分布关系Fig.3 Relationship between mass fraction and dust deposition time distribution

3.3 质量分数对表面张力的影响

表面张力是表征液体湿润粉尘能力大小的典型参数[25-26].结合溶液表面张力测试，探究湿润剂质量分数对溶液表面张力的影响.实验结果如图4所示.矿井水的表面张力为72.42 mN/m；BS-12、SAS与AAC即使在质量分数为0.05%时，溶液表面张力均处于较低水平，且均低于粉尘可润湿的临界表面张力45.00 mN/m[27]，均表现出对粉尘的良好湿润性能.AAC对粉尘的湿润能力明显优于BS-12、SAS.总体而言，随湿润剂质量分数逐渐增加，溶液表面张力和粉尘沉降时间的分布规律类似，溶液表面张力随湿润剂质量分数的增加而持续降低，即溶液越易促使粉尘吸湿，对应溶液湿润能力越强.当湿润剂质量分数为0.20%时，溶液表面张力趋近于最小值，AAC的表面张力比BS-12、SAS的表面张力分别降低了27.18%、18.64%.基于湿润剂质量分数对粉尘沉降时间、溶液表面张力的影响讨论，同时考虑矿井成本与经济效益最大化平衡，确定AAC的最佳湿润质量分数为0.20%.

图4 质量分数与溶液表面张力分布关系Fig.4 Relationship between mass fraction and surface tension distribution

3.4 最佳湿润质量分数下煤体浸泡吸液率对比

综采工作面的主要尘源为采煤机截割产尘，煤体水分影响破碎产尘性能[28].以AAC的最佳湿润质量分数为对象，开展原煤浸泡实验，通过原煤吸液率W表征同一质量分数的BS-12、SAS、AAC对煤体的湿润能力，如图5所示.随浸泡时间增加，矿井水、同一质量分数的BS-12、SAS与AAC溶液中煤体的吸液率均先陡增再放缓.当t=1 h时，煤体的吸液率存在明显差异.相比矿井水中煤体的吸液率W=0.76%，BS-12、SAS溶液中煤体的吸液率W成倍增长，分别为1.34%、1.52%，在此基础上，AAC的煤体吸液率得到进一步提升而处于较高水平.t＜4 h，各溶液中煤体的吸液率激增，原因是在切割制备过程中，较干燥的煤质暴露于空气中导致内部一定的水分挥发，煤体愈发干燥，在浸泡初期，煤体处于快速吸液状态.当t=4 h时，各溶液中煤体的吸液率差异最大化，相比于矿井水、BS-12、SAS的煤体吸水率，AAC的煤体吸水率分别增加了87.83%、24.14%、16.76%.t＞4 h，煤体水分逐渐饱和，各溶液的煤体吸液率逐渐趋于平稳.由上述分析可知，相比于矿井水、BS-12、SAS，AAC的煤体吸液率分布处于较高水平，具有良好的湿润能力.当高压雾化现场降尘时，AAC雾滴在捕集采面粉尘的同时，洒落在煤体表面，有效加速了煤体的快速吸湿，对煤体产尘起到抑制效果.

图5 煤体浸泡时间与吸液率的分布Fig.5 Distribution of soaking time and liquid absorption rate of coal body

4 湿润剂高压雾化降尘应用

4.1 高压雾化降尘系统布置

高压雾化降尘系统主要由矿用水箱、高压雾化泵、高压胶管、转接头和高压雾化喷射装置组成.工作原理：矿用水箱的水在高压雾化泵持续的高压输出下，快速流经高压胶管，经铺设于电缆槽内的高压胶管，由转接头分流，冲击高压雾化喷射装置，诱导喷射装置内芯产生振动效应，喷射装置内外压差致使水流破碎、雾化.高压雾化喷射装置安装于采煤机滚筒摇臂上，实现水雾与滚筒同频运动、达到即采即喷效果.根据文献[8]，当压力大于8 MPa时，雾粒过小，导致雾粒蒸发过快，从而影响降尘效率.设定高压雾化泵压力为8 MPa，高压雾化喷射装置中喷嘴选用雾化效果良好的PZ-2.0喷嘴（8 MPa高压下，射程为4.5 m，体积流量为5.3 L/min，雾化角为68°），综采工作面风速为1.5 m/s，布置示意如图6所示.

图6 高压雾化降尘系统布置示意Fig.6 Arrangement schematic of high-pressure atomization dust reduction system

4.2 降尘效果对比考察

以矿井水高压雾化降尘效果为参照，对比研究同一质量分数的BS-12、SAS与AAC的高压雾化降尘特性.根据AAC的最佳湿润质量分数，统一设定AAC、BS-12、SAS的质量分数为0.20%.通过便携式CCZ20型粉尘采样器（涵盖总粉尘预捕集器和呼吸性粉尘预捕集器）分别测试顺风割煤（综采工作面采用Y型通风方式，供风量为430 m/min，采煤工艺为综合机械化回采，综采工作面长度120 m，采高2.48 m）环境下，各组高压雾化降尘前、后到采煤机不同距离L的粉尘量.根据滤膜称重原理，采样点粉尘的质量浓度的表达式为