基于神東礦區(qū)水質(zhì)的乳化油選型研究

王波浪,劉混舉

(1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,太原 030024;2.神華神東煤炭集團公司,陜西 榆林 719315)

乳化液是一種水與油兩相體相容存在的混合物質(zhì)。不同的水含量,產(chǎn)生不同形式的乳化液類型。通常認(rèn)為水含量超過95%以上的乳化液為水包油型乳化液,其中的油是通過細(xì)小的水滴形式分布在水里,這樣造成水與油兩種物質(zhì)之間的分界面積較大,從而加大了兩種物質(zhì)之間可能會導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)概率,同時也提升了化學(xué)反應(yīng)的速度。乳化液在液壓支架的用量十分巨大,而大多數(shù)礦上,都直接選用天然(礦)井水來配置,故而,所選用的水質(zhì)對于乳化液的質(zhì)量具有相當(dāng)大的影響,水質(zhì)的不同,不但反應(yīng)在乳化液整體的防霉性、穩(wěn)定性、起泡性、防銹性,同時也影響到整體液壓支架及泵站中各類過濾設(shè)備的使用壽命及效率。

地跨內(nèi)蒙古、山西、陜西三省的神東礦區(qū),由于水文地質(zhì)條件的差異,導(dǎo)致各個礦井水質(zhì)具有較大差別。目前神東礦區(qū)采購的乳化油(濃縮液)型號僅適用于硬度不大于10度(500 mg)的水質(zhì),不能適應(yīng)復(fù)雜的實際條件。神東礦區(qū)每年乳化油消耗約9 580 t,成本費用9 000萬元,礦井水質(zhì)的使用不當(dāng)造成的液壓支架在應(yīng)用過程中出現(xiàn)較多問題,如流量壓力過小、液壓缸腐蝕嚴(yán)重、流體阻力大等,為生產(chǎn)帶來極大浪費。

本文從理論分析出發(fā),深入研究神東水質(zhì)特點,以及與之配比的水樣形成乳化液的性能指標(biāo),解決乳化油(濃縮液)合理選型問題,為神東礦區(qū)液壓支架用高含水液壓液提供一種可量化的指導(dǎo)依據(jù)。根據(jù)神東水質(zhì)特點,按照水質(zhì)來選用乳化油(濃縮液)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 水質(zhì)對乳化液的影響

1.1 pH值的影響

乳化液配置中所選水質(zhì)的pH值,會對乳化液整體的pH值產(chǎn)生影響。一些金屬如鋅、鋁等,對介質(zhì)pH值有特殊要求,中性時有較好的防蝕效果,當(dāng)pH值過大或過小都會引起腐蝕作用的加劇[1-3]。

1.2 硬度的影響

水質(zhì)的硬度,是指其中含有的鎂離子與鈣離子的含量,這些微量物質(zhì)常常會與乳化液中的陰離子乳化劑發(fā)生化學(xué)作用,從而導(dǎo)致其中的鈉、鉀鹽或者皂等物質(zhì)被分解成相應(yīng)的鈣、鎂鹽或皂,使陰離子乳化劑的濃度大大降低進而喪失乳化能力[4]。當(dāng)水質(zhì)中的硬度過高,造成其中的鈣離子與鎂離子和脂肪酸離子發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生不溶的鈣皂或者鎂皂,故而無效消耗大量的肥皂。所以水的硬度越高,皂類的浪費量相對越大。其反應(yīng)過程如下:

2CnH2n+1C00-+Ca2+→(CnH2n+1C00)2Ca .

(1)

2CnH2n+1C00-+Mg2+→(CnH2n+1C00)2Mg .

(2)

可見水中鈣、鎂離子對皂類的消耗量是很大的。以1 kg液壓支架用乳化液為例,水的硬度每增加1 mEq/L,就要消耗松香鉀皂約340 mg。所以在乳化油的配方設(shè)計中,適應(yīng)不同水質(zhì)硬度的乳化劑用量也必須是不同的。

1.3 陰離子的影響

水質(zhì)中含有的氯根及硫酸根,會加劇金屬的腐蝕作用,尤其是氯化鎂會導(dǎo)致鐵、鋼腐蝕從而形成惡性循環(huán),其反應(yīng)過程如下:

2NaCl+MgSO4→MgCl2+Na2SO4.

(3)

MgCl2+2H2O→Mg(OH)2↓+2HCl .

(4)

2HCl+Fe→FeCl2+H2↑ .

(5)

FeCl2+Mg(OH)2→MgCl2+Fe(OH)2.

(6)

另外,水質(zhì)中包含硫酸鹽,還可能被細(xì)菌(如硫酸鹽還原菌)或者一些有機物質(zhì)還原成硫化氫。硫化氫會使銅的表面發(fā)黑,而且會產(chǎn)生臭味,其反應(yīng)過程如式(7)所示。

Na2SO4+CH4→Na2CO3+H2S↑+H2O .

(7)

2 神東礦區(qū)水質(zhì)與乳化液配比實驗分析

2.1 實驗項目及結(jié)果

分別配制乳化油(樣品一、樣品二及樣品三)或濃縮液與礦井水質(zhì),分析水質(zhì)指標(biāo)對不同廠家乳化油的使用影響。

依據(jù)MT76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》中對于高含水液壓液的性能所規(guī)定的要求,分別用化學(xué)試劑配比出相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)的氯離子含量、硫酸根離子含量和水質(zhì)硬度含量,分別對配制好的水質(zhì)單項指標(biāo)與乳化油配比后的高含水液壓液的pH 值、穩(wěn)定性、防銹性、防腐蝕性及密封材料相容性指標(biāo)進行檢測。部分檢測結(jié)果如表1,表2,表3所示。

表1 氯離子單項配比分析結(jié)果Table 1 Chloride ion ratio analysis

表2 硫酸根離子單項配比分析結(jié)果Table 2 Sulfate ion ratio analysis

表3 硬度單項配比分析結(jié)果Table 3 Hardness ratio analysis

2.2 實驗分析

表1至表3分析表明:

1)pH值指標(biāo)均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;防銹性指標(biāo)均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;防腐蝕性指標(biāo)均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;密封材料相容性指標(biāo)均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;穩(wěn)定性指標(biāo)主要受硬度及硫酸根離子的影響,其中硬度過高會出現(xiàn)油皂析出,較硫酸根離子影響大。

2)硬度是乳化油分類選型的重要依據(jù),水質(zhì)硬度如果太高,會造成乳化油內(nèi)陰離子的活性劑的過度消耗,導(dǎo)致乳化效果明顯下降,出現(xiàn)油皂析出或渾濁;另外硫酸根離子含量太高會引起水的電導(dǎo)率加大,導(dǎo)致水的導(dǎo)電性能變大,容易使水變得渾濁。

3 液壓支架用高含水液壓液選用指導(dǎo)準(zhǔn)則

選用適合水質(zhì)硬度的乳化油(濃縮液)產(chǎn)品型號,即水質(zhì)硬度應(yīng)不大于產(chǎn)品型號中適用的硬度值;硫酸根離子含量不應(yīng)高于適用所選用型號產(chǎn)品對應(yīng)硫酸根離子含量;水中氯離子含量應(yīng)不大于300 mg/L; 電導(dǎo)率宜不大于所選用型號產(chǎn)品對應(yīng)的數(shù)值;碳酸氫根離子含量宜不大于所選用型號產(chǎn)品對應(yīng)的數(shù)值。不同型號乳化油(濃縮液)適用的水質(zhì)指如表4所示。

表4 乳化油(濃縮液)適用的水質(zhì)指標(biāo)Table 4 Water quality index for emulsified oil (concentrate)

4 結(jié)束語

本文主要依據(jù)神東礦井水質(zhì)情況,在理論分析的基礎(chǔ)上,通過實驗、對比、分析、研究綜采工作面液壓支架用高含水液壓液理化性能指標(biāo),分析配比后性能,為神東礦井綜采液壓支架用高含水液壓液提供選型、使用維護決策及技術(shù)支持。