煤矿用CO吸收剂的优选与应用

康延雷，赵亚明，师吉林

(1.国网能源哈密煤电有限公司，新疆维吾尔自治区哈密市，839000；2.中国煤炭科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁省抚顺市，113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)

目前我国煤炭生产重心加快向资源禀赋好、开采条件好的西部地区集中[1]，2020年新疆地区原煤产量占全国产量的7%，为区域经济发展做出了重要贡献。但新疆地区低变质煤炭资源蕴藏量大，开采煤层变质程度较低，揭露后极易氧化容易引起工作面开采期间CO异常，给煤矿安全生产带来隐患[2-3]。为解决正常生产期间CO异常问题，煤矿普遍开展注浆、常规注氮、封堵漏风通道等防治措施，但治理效果均不理想[4-8]。

中国煤炭科工集团沈阳研究院有限公司孙维丽等研究人员[9]通过选择氯化亚铜(CuCl)、溴化亚铜(CuBr)、氯化银(AgCl)和硝酸银(AgNO3)等4种材料作为CO吸收剂材料，开展了单一吸收剂溶液对CO吸收实验，得出单一试剂的CO吸收效果排序为：CuCl>AgCl>CuBr>AgNO3。为了增大CuCl的溶解度，提升CO吸收效果[10-11]，笔者拟以CuCl为基础试剂，通过分别与5种试剂进行混合实验，优选出CO吸收效果好的3种试剂再进行复配实验，开发出适用于煤矿井下使用的CO吸收剂，并在国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿(以下简称“大南湖一矿”)进行了现场应用，基本可以有效解决煤矿井下正常生产期间CO异常问题。

1 实验材料及仪器

本实验选择5种CO吸收剂，其基本性质见表1。同时，选择浓度为0.015%的CO作为标准气体；准备容量为100 mL、500 mL、1 000 mL的烧杯各10个；1个电子天平；5个容量为500 mL的锥形瓶；1个红外测温仪；2台便携式气体检测器；1桶去离子水；1个减压阀；1个浮子流量计；10个量程为200 mL的注射器。

表1 5种CO吸收剂的基本性质

2 实验方法

选取CuCl作为CO吸收实验的基础试剂，将拟进行实验的5种试剂分别与CuCl溶液混合进行CO吸收实验；优选出CO吸收性能最优的3种试剂后，与CuCl溶液进行复配实验。根据通入CO标准气体后各组实验溶液所在锥形瓶内CO气体的最低体积分数大小、稳定体积分数大小和稳定时长等指标，确定出高性能CO抑制剂的组成及最佳配比。

2.1 CuCl溶液与单一试剂混合后吸收CO实验

(1)将5种试剂分别按照1 g、2 g、5 g、8 g、10 g的质量溶于200 mL去离子水中，各溶液中再分别加入2 g的CuCl。

(2)连接气瓶与实验装置的气路，向锥形瓶中通入浓度为0.015%的CO标准气体以排出瓶中空气，流量控制在300 mL/min，锥形瓶气体输出端与便携式气体检测器相连。

(3)待便携式气体检测器读数稳定后，利用注射器将配制好的溶液从带有橡胶塞的锥形瓶顶部快速注入瓶内，观察便携式气体检测器读数随时间变化情况，并记录实验数据。

(4)为了更加地真实反映各种试剂CO的吸收性能，设计1个对照实验组，仅在200 mL去离子水中加入2 g CuCl，不添加其他任何吸收剂，其他实验步骤相同。

2.2 CuCl溶液与多种试剂混合吸收CO复配实验

为了得到CO吸收效果更优的吸收剂材料，将优选出的3种试剂与CuCl溶液进行复配实验。复配实验分4组进行，其中第1组、第2组为实验组，第3组、第4组为对照组。为了更好地观察CO的吸收效果，在复配实验中将CuCl与优选出的各试剂按照CuCl溶液与单一试剂混合中最优质量配比进行设置。其他实验步骤参照上述实验方法。

3 实验结果

3.1 CuCl溶液与单一试剂混合后吸收CO的实验

将浓度0.015%的CO标准气体通入锥形瓶约23 s后可观察到其浓度稳定在0.014 8%，说明瓶内空气基本排完，之后按照CuCl溶液与单一试剂混合后吸收CO实验方法进行操作，CuCl溶液与单一试剂混合吸收CO实验结果见表2。

表2 CuCl溶液与单一试剂吸收CO结果

由表2可以得出以下结论：实验所选用的5种试剂对CO吸收效果不尽相同，其中NaCl、NH4Cl、尿素、KCl试剂对CO吸收起正作用，CaCl2试剂对CO吸收起负作用；除第2组实验外，每组实验中随着添加物质量的增大，锥形瓶内CO最低体积分数逐渐降低并最终几乎趋于不变；通过与对照组比较，各组的CO稳定体积分数及稳定时长差异较大，其中NH4Cl试剂CO吸收性能最佳，NaCl和尿素试剂次之，KCl试剂几乎无效果，CaCl2试剂对CO吸收起抑制作用；通过比较溶液温度变化与CO吸收效果的关系，发现能使溶液温度降低的试剂对CO吸收起促进作用，能使溶液温度升高的试剂对CO吸收起反作用，这与有关文献表述相符。

经过综合比较可以得出，含有NaCl、NH4Cl和尿素试剂的CuCl溶液对CO吸收效果较好，达到最优吸收效果时，上述试剂添加质量分别是CuCl添加质量的约2.5倍、4倍和2.5倍。

3.2 CuCl溶液与多种试剂混合后吸收CO复配实验

由于含有NH4Cl试剂的CuCl溶液对CO吸收效果远超过NaCl和尿素试剂，因此选择NH4Cl试剂和CuCl一起作为基础材料，将其溶液分别与NaCl、尿素试剂进行复配实验，优选出最佳材料及配比，复配实验条件为选取去离子水200 mL，CuCl质量10 g，NH4Cl试剂质量40 g，NaCl和尿素试剂分别称取10 g、20 g、30 g进行实验。CuCl溶液与混合试剂复配实验吸收CO效果见表3。

表3 CuCl溶液与混合试剂复配实验吸收CO效果

由表3可以得出以下结论：在含有NH4Cl试剂的CuCl溶液中分别加入NaCl、尿素试剂后，对CO的吸收效果得到改善，相同条件下尿素试剂对CO吸收的贡献远大于NaCl试剂；在不含NH4Cl试剂的CuCl溶液中加入NaCl、尿素试剂后，对CO的吸收大大减弱，这说明NH4Cl试剂是构成CO吸收剂的重要组成部分；对比第2组和第3组实验，发现添加尿素试剂后锥形瓶中CO的最低体积分数、稳定体积分数和稳定时长等指标均有大幅改善，因此将尿素试剂也作为CO吸收剂材料的组成部分，且得到了CO吸收剂各材料的质量最优配比，即m(CuCl)∶m(NH4Cl) ∶m(尿素)为1∶4∶2。

4 现场应用

大南湖一矿1307综采工作面开采的3号煤层具有低温氧化特性，该工作面在开采过程中采空区及回风隅角的CO浓度一直较高，为治理CO气体超限问题，该工作面采空区采取了帷幕注氮及注浆等措施抑制采空区遗煤氧化，但由于工作面放顶煤开采工艺导致支架后部带式输送机及机头区域堆积大量破碎浮煤，且此区域浮煤不易清理，因此该区域破碎煤体产生的CO气体是导致回风隅角CO浓度超限的来源之一。针对常规注氮、注浆手段无法有效抑制浮煤氧化问题，采取对此区域浮煤喷洒CO吸收剂来减少破碎煤体CO气体的产生。

4.1 应用过程

选择大南湖一矿1307综采工作面后部带式输送机及机头区域作为现场工艺实验地点，为保证CO吸收剂有效降低回风隅角CO浓度，设计了后部带式输送机及机头区域CO抑制剂喷洒工艺及参数。

(1)首先在1307综采工作面机头区域浮煤处喷洒100 kg CO吸收剂进行小剂量实验，喷洒完吸收剂后，立即用水管对喷洒吸收剂区域浇水直至其完全融化，并在喷洒区域观测温度变化及回风隅角处CO气体浓度变化情况。

(2)根据前期小剂量实验情况，对CO吸收剂喷洒工艺及用量进行调整，以便最大限度地发挥CO吸收剂对CO气体的吸收效果。具体参数为：CO吸收剂与水用量比为1∶4，单次CO吸收剂喷洒量为1.0～1.5 t，单个支架的CO抑制剂用量为100 kg，喷洒区域为130号支架至回风隅角后部带式输送机及机头浮煤区域。

(3)本次实验具体过程为：提前下放1.2 t的 CO吸收剂至回风端头位置，从130号支架往上每个支架后部带式输送机浮煤处均匀喷洒100 kgCO吸收剂，机头区域喷洒100 kg，喷洒完后立即利用水管浇水，循环浇水直至吸收剂完全融化反应。

4.2 应用效果

4.2.1 降低CO浓度效果

在1307综采工作面130号支架后部带式输送机往上至机头区域破碎浮煤均匀喷洒完1.2 t 的CO抑制剂后，立即利用水管对喷洒抑制剂区域洒水，使CO抑制剂遇水融化反应。每洒完一遍水，记录后部带式输送机浮煤温度变化及回风隅角CO浓度变化，直至CO抑制剂完全融化反应完。浮煤温度及回风隅角CO浓度变化见表4。

由表4可以看出，喷洒CO吸收剂并浇水后，吸收剂开始融化并充分反应，130号支架至回风隅角处的CO浓度均有所降低。CO抑制剂完全融化后，回风流CO的浓度由喷洒前的0.002 8%降低至0.001 4%；回风隅角CO的浓度由喷洒前的0.011 0%降低至0.002 9%；138号支架后部带式输送机浮煤处CO的浓度由喷洒前的0.012 7%降低至0.004 0%。

表4 CO吸收剂现场喷洒效果数据 %

4.2.2 CO抑制剂降温效果

喷洒完CO吸收剂后利用水管对喷洒吸收剂位置浇水，吸收剂遇水开始反应，洒水约2 min后，煤体表面温度由常温降至2 ℃左右，局部地方温度降至-2 ℃；CO抑制剂与水反应时间5～10 min后，煤体表面温度开始回升，再继续对未融化的抑制剂洒水，反应温度继续降低，直至抑制剂完全融化反应完毕后，煤体恢复常温。

5 结论

(1)从锥形瓶中CO的最低体积分数、稳定体积分数和稳定时长等指标考察各种试剂对CO的吸收效果，发现NH4Cl试剂性能最佳，NaCl和尿素试剂次之，KCl试剂几乎无作用，CaCl2试剂对CO吸收起抑制作用；同时发现溶液温度变化也影响CO的吸收效果，低温时促进CO的吸收，高温抑制CO的吸收。

(2)经过复配实验，发现CO吸收剂由CuCl、NH4Cl试剂和尿素这3种材料组成效果最佳，且最优质量比m(CuCl)∶m(NH4Cl)∶m(尿素)为1∶4∶2。

(3)在大南湖一矿1307综采工作面的现场应用表明，CO吸收剂达到最佳效果时，支架后部带式输送机浮煤处CO浓度由喷洒前的0.012 7%最低可降至0.004 0%；同时兼具良好的降温效果，CO吸收剂遇水开始反应，洒水后2 min左右煤体表面温度由常温降低至2 ℃左右，局部地方温度可降至-2 ℃，能在一定程度上减缓煤体低温氧化。