基于神東礦區水質的乳化油選型研究

王波浪,劉混舉

(1.太原理工大學 機械工程學院,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。不同的水含量,產生不同形式的乳化液類型。通常認為水含量超過95%以上的乳化液為水包油型乳化液,其中的油是通過細小的水滴形式分布在水里,這樣造成水與油兩種物質之間的分界面積較大,從而加大了兩種物質之間可能會導致的化學反應概率,同時也提升了化學反應的速度。乳化液在液壓支架的用量十分巨大,而大多數礦上,都直接選用天然(礦)井水來配置,故而,所選用的水質對于乳化液的質量具有相當大的影響,水質的不同,不但反應在乳化液整體的防霉性、穩定性、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備的使用壽命及效率。

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

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

1 水質對乳化液的影響

1.1 pH值的影響

乳化液配置中所選水質的pH值,會對乳化液整體的pH值產生影響。一些金屬如鋅、鋁等,對介質pH值有特殊要求,中性時有較好的防蝕效果,當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,這些微量物質常常會與乳化液中的陰離子乳化劑發生化學作用,從而導致其中的鈉、鉀鹽或者皂等物質被分解成相應的鈣、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]。當水質中的硬度過高,造成其中的鈣離子與鎂離子和脂肪酸離子發生反應,產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計中,適應不同水質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,尤其是氯化鎂會導致鐵、鋼腐蝕從而形成惡性循環,其反應過程如下:

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,水質中包含硫酸鹽,還可能被細菌(如硫酸鹽還原菌)或者一些有機物質還原成硫化氫。硫化氫會使銅的表面發黑,而且會產生臭味,其反應過程如式(7)所示。

Na2SO4+CH4→Na2CO3+H2S↑+H2O .

(7)

2 神東礦區水質與乳化液配比實驗分析

2.1 實驗項目及結果

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,分析水質指標對不同廠家乳化油的使用影響。

依據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定的要求,分別用化學試劑配比出相應水質指標的氯離子含量、硫酸根離子含量和水質硬度含量,分別對配制好的水質單項指標與乳化油配比后的高含水液壓液的pH 值、穩定性、防銹性、防腐蝕性及密封材料相容性指標進行檢測。部分檢測結果如表1,表2,表3所示。

表1 氯離子單項配比分析結果Table 1 Chloride ion ratio analysis

表2 硫酸根離子單項配比分析結果Table 2 Sulfate ion ratio analysis

表3 硬度單項配比分析結果Table 3 Hardness ratio analysis

2.2 實驗分析

表1至表3分析表明:

1)pH值指標均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;防銹性指標均未受硬度、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均未受硬度、氯離子及硫酸根離子含量的影響;穩定性指標主要受硬度及硫酸根離子的影響,其中硬度過高會出現油皂析出,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,水質硬度如果太高,會造成乳化油內陰離子的活性劑的過度消耗,導致乳化效果明顯下降,出現油皂析出或渾濁;另外硫酸根離子含量太高會引起水的電導率加大,導致水的導電性能變大,容易使水變得渾濁。

3 液壓支架用高含水液壓液選用指導準則

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

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

4 結束語

本文主要依據神東礦井水質情況,在理論分析的基礎上,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,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支持。