基于神东矿区水质的乳化油选型研究

王波浪,刘混举

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.神华神东煤炭集团公司,陕西 榆林 719315)

乳化液是一种水与油两相体相容存在的混合物质。不同的水含量,产生不同形式的乳化液类型。通常认为水含量超过95%以上的乳化液为水包油型乳化液,其中的油是通过细小的水滴形式分布在水里,这样造成水与油两种物质之间的分界面积较大,从而加大了两种物质之间可能会导致的化学反应概率,同时也提升了化学反应的速度。乳化液在液压支架的用量十分巨大,而大多数矿上,都直接选用天然(矿)井水来配置,故而,所选用的水质对于乳化液的质量具有相当大的影响,水质的不同,不但反应在乳化液整体的防霉性、稳定性、起泡性、防锈性,同时也影响到整体液压支架及泵站中各类过滤设备的使用寿命及效率。

地跨内蒙古、山西、陕西三省的神东矿区,由于水文地质条件的差异,导致各个矿井水质具有较大差别。目前神东矿区采购的乳化油(浓缩液)型号仅适用于硬度不大于10度(500 mg)的水质,不能适应复杂的实际条件。神东矿区每年乳化油消耗约9 580 t,成本费用9 000万元,矿井水质的使用不当造成的液压支架在应用过程中出现较多问题,如流量压力过小、液压缸腐蚀严重、流体阻力大等,为生产带来极大浪费。

本文从理论分析出发,深入研究神东水质特点,以及与之配比的水样形成乳化液的性能指标,解决乳化油(浓缩液)合理选型问题,为神东矿区液压支架用高含水液压液提供一种可量化的指导依据。根据神东水质特点,按照水质来选用乳化油(浓缩液)具有重要的现实意义。

1 水质对乳化液的影响

1.1 pH值的影响

乳化液配置中所选水质的pH值,会对乳化液整体的pH值产生影响。一些金属如锌、铝等,对介质pH值有特殊要求,中性时有较好的防蚀效果,当pH值过大或过小都会引起腐蚀作用的加剧[1-3]。

1.2 硬度的影响

水质的硬度,是指其中含有的镁离子与钙离子的含量,这些微量物质常常会与乳化液中的阴离子乳化剂发生化学作用,从而导致其中的钠、钾盐或者皂等物质被分解成相应的钙、镁盐或皂,使阴离子乳化剂的浓度大大降低进而丧失乳化能力[4]。当水质中的硬度过高,造成其中的钙离子与镁离子和脂肪酸离子发生反应,产生不溶的钙皂或者镁皂,故而无效消耗大量的肥皂。所以水的硬度越高,皂类的浪费量相对越大。其反应过程如下:

2CnH2n+1C00-+Ca2+→(CnH2n+1C00)2Ca .

(1)

2CnH2n+1C00-+Mg2+→(CnH2n+1C00)2Mg .

(2)

可见水中钙、镁离子对皂类的消耗量是很大的。以1 kg液压支架用乳化液为例,水的硬度每增加1 mEq/L,就要消耗松香钾皂约340 mg。所以在乳化油的配方设计中,适应不同水质硬度的乳化剂用量也必须是不同的。

1.3 阴离子的影响

水质中含有的氯根及硫酸根,会加剧金属的腐蚀作用,尤其是氯化镁会导致铁、钢腐蚀从而形成恶性循环,其反应过程如下:

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,水质中包含硫酸盐,还可能被细菌(如硫酸盐还原菌)或者一些有机物质还原成硫化氢。硫化氢会使铜的表面发黑,而且会产生臭味,其反应过程如式(7)所示。

Na2SO4+CH4→Na2CO3+H2S↑+H2O .

(7)

2 神东矿区水质与乳化液配比实验分析

2.1 实验项目及结果

分别配制乳化油(样品一、样品二及样品三)或浓缩液与矿井水质,分析水质指标对不同厂家乳化油的使用影响。

依据MT76-2011《液压支架用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》中对于高含水液压液的性能所规定的要求,分别用化学试剂配比出相应水质指标的氯离子含量、硫酸根离子含量和水质硬度含量,分别对配制好的水质单项指标与乳化油配比后的高含水液压液的pH 值、稳定性、防锈性、防腐蚀性及密封材料相容性指标进行检测。部分检测结果如表1,表2,表3所示。

表1 氯离子单项配比分析结果Table 1 Chloride ion ratio analysis

表2 硫酸根离子单项配比分析结果Table 2 Sulfate ion ratio analysis

表3 硬度单项配比分析结果Table 3 Hardness ratio analysis

2.2 实验分析

表1至表3分析表明:

1)pH值指标均未受硬度、氯离子及硫酸根离子含量的影响;防锈性指标均未受硬度、氯离子及硫酸根离子含量的影响;防腐蚀性指标均未受硬度、氯离子及硫酸根离子含量的影响;密封材料相容性指标均未受硬度、氯离子及硫酸根离子含量的影响;稳定性指标主要受硬度及硫酸根离子的影响,其中硬度过高会出现油皂析出,较硫酸根离子影响大。

2)硬度是乳化油分类选型的重要依据,水质硬度如果太高,会造成乳化油内阴离子的活性剂的过度消耗,导致乳化效果明显下降,出现油皂析出或浑浊;另外硫酸根离子含量太高会引起水的电导率加大,导致水的导电性能变大,容易使水变得浑浊。

3 液压支架用高含水液压液选用指导准则

选用适合水质硬度的乳化油(浓缩液)产品型号,即水质硬度应不大于产品型号中适用的硬度值;硫酸根离子含量不应高于适用所选用型号产品对应硫酸根离子含量;水中氯离子含量应不大于300 mg/L; 电导率宜不大于所选用型号产品对应的数值;碳酸氢根离子含量宜不大于所选用型号产品对应的数值。不同型号乳化油(浓缩液)适用的水质指如表4所示。

表4 乳化油(浓缩液)适用的水质指标Table 4 Water quality index for emulsified oil (concentrate)

4 结束语

本文主要依据神东矿井水质情况,在理论分析的基础上,通过实验、对比、分析、研究综采工作面液压支架用高含水液压液理化性能指标,分析配比后性能,为神东矿井综采液压支架用高含水液压液提供选型、使用维护决策及技术支持。