Требования к смачивателям для пылеподавления в угольной и горнорудной промышленности

  • Статьи
  • 10.02.2015
  • 2095 просмотров

Г.А.Поздняков – д.т.н., зав. лаб. (ОАО ННЦ ГП – ИГД им. А.Скочинского)
А.И.Новосельцев - директор (ГорЭКС)

Основа комплекса противопылевых мероприятий в угольной промышленности – гидрообеспылевание (орошение разрушенного массива и взвешанной пыли). Для повышения эффективности пылеподавления и пылесмачивания, а также снижения расхода воды на эти процессы нормативными документами [1] и многочисленными ранее выполненными исследованиями рекомендованно применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) – смачивателей. История их применения для борьбы с пылью в горной промышленности насчитывает более 50 лет и связана с именами выдающихся ученых [2-5].

Основы поисковых работ – определение рациональной концентрации смачивателя в орошающей жидкости. Первые рекомендации состояли в использовании растворов смачивателей концентраций, равной критической концентрации мицеллообразования [5]. Результаты применения этих рекомендаций не дали ожидаемого эффекта. Причина – сложность процесса смачивания и связывания пыли растворами ПАВ. [3,5].

Использование смачивателей с удельными расходами, равными сорбционной емкости ископаемых углей в отношении ПАВ, обеспечит не только связывание пыли горной массе, но и эффективное улавливание витающих частиц распыленной жидкостью при орошении источников пылеобразования [5]. Наряду с этим отмечается, что орошение взвешенной пыли раствором с повышенной концентрацией смачивателя с гигиенической точки зрения нежелательно и даже недопустимо. Распыленный раствор попадает в дыхательные пути, на кожу, в глаза и вызывает раздражение.

Вышеизложенные особенности использования гидрообеспыливания для борьбы с пылью определяют специфические требования к смачивателям.

Во многих отраслях промышленности основные требования к применяемой продукции устанавливают нормативные документы. Так, ГОСТ 4.99-83[6] содержит перечень свойств и характеристик, состоящий из 33 показателей, которым должны соответствовать пенообразователи для тушения пожаров. Аналогично в ОСТ 54-0-830.74-99 [7] установлены требования к антигололедным реагентам, используемым для борьбы с льдообразованием в аэропортах.

Современные смачиватели для угольной и горноугольной промышленности также должны удовлетворять требованиям, гарантирующим их высокие эксплуатационные качества и безопасность работающих с этими продуктами и окружающие среды. По мнению авторов требования к смачивателям можно условно (так как многие параметры взаимно связаны друг с другом) разделить на четыре группы.

Физико-химические свойства: внешний вид и агрегатное состояние; плотность; вязкость; водородный показатель pH; температура застывания.

Технико-эксплуатационные требования: устойчивость к воздействию температуры; относительно низкое поверхностное натяжение рабочего раствора в воде; высокая смачивающая способность по отношению к угольной пыли; быстрая растворимость в воде при получени рабочего раствора; возможно более низкая концентрация рабочего раствора при соответствии смачивающей способности установленным нормам; незначительное коррозионное воздействие на материалы; минимальное влияние рабочего раствора на уплотнительные материалы; достаточный гарантийный срок хранения.

Санитарно-гигиенические характеристики: низкие показатели возйдествия на организм человека и окружающую среду; хорошая биоразлагаемость.

Пожаротехнические характеристики: негорючесть; взрывобезопасность смачивателя и его водных рабочих растворов.

Физико-химические свойства смачивателя.

Внешний вид и агрегатное состояние. Данный показатель позволяет проводить первичную идентификацию смачивателя без сложных и длительных испытаний. Агрегатное состояние – жидкость.

Существует достаточно много способов лабораторной оценки внешнего вида жидких технических продуктов, например по ГОСТ Р 50588-2012 [8]. Внешний вид продукта определяют визуально в цилиндрах из бесцветного стекла вместимостью 250см3 в проходящем рассеянном свете при температуре (20 ± 2) °C.

Плотность. Это дополнительный критерий идентификации собственно смачивателя как продукта, а также параметр, связывающий объем и массу.

Вязкость. Любое дозирующее оборудование для приготовления рабочего раствора смачивателя, основанное на эжекционном принципе, крайне чувствительно к кинематической вязкости исходного продукта. При превышении определенного значения вязкости продукта работа дозирующей системы нарушается, и концентрация рабочего раствора может оказаться непредсказуемой. Максимальное значение кинематической вязкости смачивателя не должно превышать 200 мм2/с. Следует также учитывать, что вязкость с понижением температуры увеличивается. Для гарантированной нормальной работы дозирующего оборудования необходимо, чтобы вязкость смачивателя не превышала максимального значения во всем температурном интервале применения.

Кроме кинематической следует определять и динамическую вязкость смачивателя. Дело в том, что смачиватель может быть и не ньютоновской жидкостью, т.е. жидкостью, вязкость которой изменяется в зависимости от скорости ее движения. Условия дозирования такой жидкости будут отличаться от условий дозирования ньютоновской жидкости, вязкость которой кроме химического состава зависит только от температуры и давления.

Водородный показатель pH. Характеризует кислотность смачивателя. Целесообразно установить pH в пределах 6,5-9. Выбор в качестве верхней нормы pH = 9 определяют в основном санитарно-гигиенические свойства – при этом pH отрицательное воздействие смачивателя на глаза и кожу минимизируется. Нижний предел pH определяет нижнюю границу существования анионактивных и некоторых неионогенных ПАВ, входящих в состав смачивателей.

Температура застывания определяет минимальную температуру продукта, до достижения которой он остается жидким и однородным. Предлагается установить в качестве максимальной температуру застывания не выше 0 °C. Это позволит производителю не использовать специальные добавки, снижающие температуру застывания, а значит уменьшить отрицательное воздействие их на человека и окружающую среду. В случае необходимости температуру застывания можно снизить до  минус 45 °C и ниже, применяя комплекс известных антифризных добавок. При этом следует помнить, что при понижении температуры вязкость увеличивается, а верхний предел значения вязкости – конечная величина, превышать которую нельзя.

Технико-эксплуатационные требования.

Устойчивость смачивателя к воздействию температуры. Во время эксплуатации и хранения смачиватели подвергаются длительному воздействию низких и высоких температур. Важно, чтобы при длительном, а также циклическом воздействии температуры свойства продукта существенно не менялись. Большой практический опыт по определению влияния температур на водные растворы ПАВ, к которым относятся и смачиватели, накоплен службами, разрабатывающими нормативно-техническую документацию и рекомендации по применению пожаротушащих средств [8].

При определении внешнего вида продукта (кроме испытаний при температуре 20 °C), дополнительно определяют и влияние температуры на продукт. Для этого в два одинаковых цилиндра наливают по 200 см3 смачивателя и выдерживают их в течение (12 ± 2) ч при температуре (3 ± 2) °C. После выдержки не должны наблюдаться невооруженным глазом расслоение и выпадение осадка. Этот тест позволяет, с одной стороны, установить устойчивость рецептуры к длительному воздействию высокой (60 ± 2) °C и низкой (3 ± 2) °C температур (по отсутствию расслоения или выпадения кристалического осадка), а также устойчивость ПАВ, входящих в состав смачивателя, к воздействию температуры заведомо более высокой, чем максимальная температура хранения.

Важный тест для определения влияния температуры на сохраняемость свойств смачивателей – циклическое температурное воздейтсвие. Предварительно смачиватель выдерживают (24 ± 2) ч при температуре (20 ± 5) °C. Затем этот образец выдерживают (6 ± 1) ч при температуре на 10 °C ниже температуры его застывания. После этого смачиватель нагревают до (20 ± 5) °C и выдерживают при этой температуре (24 ± 2) ч. Проводят пять таких циклов замораживания и размораживания образца смачивателя. После окончания испытаний определяют смачивающие свойства продукта по отношению к каменноугольной пыли. Полученный результат сравнивают с показателем смачивающей способности смачивателя, не подвергавшегося циклическому температурному воздействию. Показатели качественного смачивателя после циклического действия температуры не должны отличаться больше, чем на 10% от показателей исходного продукта.

Относительно низкое поверхностное натяжение рабочего раствора в воде. Само по себе поверхностне натяжение водного раствора смачивателя не определяет напрямую его смачивающие свойства. Тем не менее, определение этого параметра представляется необходимой процедурой, так как позволяет провести дополнительную идентификацию поверхностно-авктивных свойств продукта.

Высокая смачивающая способность по отношению к угольной пыли. Смачивающая способность, без сомнения, основная технологическая характеристика смачивателей, применяемых в угольной промышленности для обеспыливания. Необходимость лабороторного определения этого показателя исключительно важна. Таким образом, можно оценить реальные свойства каждой конкретной партии смачивателя непосредственно у потребителя, а также подобрать рабочую концентрацию водного раствора смачивателя. Для определения смачивающих свойств наиболее подходит методика, основанная на явлении пленочной флотации. Она проста, наглядна, не требует значительного времени и легко реализуется в лабораторных условиях.

Быстрая растворимость концентрата смачивателя в воде при получении рабочего раствора. Высокая скорость растворения смачивателя в воде гарантирует правильное его дозирование при приготовлении рабочего раствора. В закрытых емкостях, где осуществляется дозирование смачивателя, невозможно оценить, насколько быстро он растворяется. В случае замедленного процесса его растворения концентрация рабочего раствора может быть недостаточной для реализации эффективного процесса обеспыливания. Лабораторное подтверждение быстроты растворимости смачивателя гарантирует качественное проведение мероприятий по обеспыливанию.

Возможно более низкая концентрация рабочего раствора смачивателя при соответствии смачивающей способности установленным нормам. Комплексная характеристика, отражающая современные тенденции разработки продукции, обладающей максимальными рабочими характеристиками при минимальном расходе продукта. Это позволяет существенно экономить на таре, грузоперевозках, хранении, а также снизить трудозатраты потребителя.

Низкое коррозионное воздействие на материалы и минимальное влияние рабочего раствора смачивателя на уплотнительные материалы не нуждаются в дополнительных комментариях. Следует только сопроводить данные показатели методиками их определения и контроля.

Достаточный гарантийный срок хранения. Целесообразно установить гарантийный срок хранения для смачивателей не менее 18 мес. со дня приготовления.

Рабочие концентрации смачивателя для обеспыливания не должны влиять на эффективность обогащения угля.

Санитарно-гигиенические характеристики смачивателей

Низкие показатели воздействия смачивателя на органзим человека и окружающую среду. Класс опасности смачивателей (степень воздействия на организм человека по ГОСТ 12.1.007 – 76 [9]) должен быть не выше IV (малоопасные вещества). В настоящее время на рынке имеется достаточно ПАВ, соответствующих этому требованию, которые могут использоваться при разработке современных рецептур смачивателей. Смачиватель может обладать сенсибилизирующим, кожно-резорбтивным, раздражающим действием при неоднократном контакте с кожными покровами. Рабочие растворы смачивателя не должны влиять на кожные покровы, но могут вызывать раздражение глаз. С учетом конкретного воздействия смачивателей на человека следует обеспечить работающих индивидуальными средствами защиты глаз и кожи.

Хорошая биоразлагаемость. Биоразлагаемость определяет степень и скорость биодеградации ПАВ в природе. Смачиватели для пылеподавления по ГОСТ Р 50595-93 [10] должны иметь или I (быстро разлагаемые вещества) или II класс опасности (умеренно разлагаемые вещества). Это позволяет минимизировать их отрицательное влияние на флору и фауну.

Пожаротехнические характеристики

Негорючесть. Смачиватель должен быть негорючей жидкостью по ГОСТ 12.1.044-89 [11], т.е. веществом не способным к горению на воздухе.

Взрывобезопасноть смачивателя и его водных рабочих растворов. Смачиватель по ГОСТ 12.1.044-89[11] при нормальных условиях не должен взрываться и гореть в случае взаимодействия с водой, кислородом воздуха и другими веществами. Температура вспышки не должна наблюдаться вплоть до температуры кипения смачивателя (для водных композиций, как правило, от 100 до 105 °С). Предлагаемые нормы для упомянутых выше показателей представлены в таблице.

ПоказателиПредлагаемая норма
Внешний вид продукта при 20 °С Однородная жидкость без осадка и расслоения
Внешний вид продукта после выдержки в течение 12 ч при температурах (+3 °С и +60 °С) Однородная жидкость без осадка и расслоения
Устойчивость к замораживанию - размораживанию,  циклов, не менее 5
Плотность при 20 °С,  кг/м3 1000-1200
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/с, не более 200
Динамическая вязкость,  Па·с, не более 0,25
Водородный показатель (рН) продукта 6,5-9,0
Температура застывания продукта, °С, не выше 0
Растворимость в воде (время полного растворения  продукта для получения 1%-ного раствора) Будет установлена на основании методики определения показателя
Концентрация рабочего раствора Устанавливается на основании проверки смачивающей способности каменноугольной пыли
Смачивающая способность каменноугольной пыли рабочим раствором смачивателя Будет установлена на основании методики определения показателя
Поверхностное натяжение рабочего раствора смачивателя,  мН/м,  не более 35
Коррозионное воздействие на металлы рабочего раствора Будет установлена на основании методики определения показателя
Набухание  резиновых прокладок в 1%-ом водном растворе смачивателя, %, не более Будет установлена на основании методики определения показателя
Класс опасности смачивателя (степень воздействие на организм человека по ГОСТ 12.1.007-76) Не выше IV (малоопасные вещества)
Гарантийный срок хранения Не менее 18 месяцев
Невосприимчивость к циклам замораживания – размораживания циклы, не менее 5

Примечания: 1. Продукт может быть окрашен введением красителя и отдушен. 2. Температура застывания смачивателя может быть снижена до  минус 45 °С при сохранении все норм, изложенных в таблице.

Выводы

1. На основании анализа нормативной документации сформирован перечень показателей, которым должны соответствовать смачиватели для пылеподавления, применяемые в угольной и горнорудной промышленности, гарантирующих их высокие эксплуатационные качества и безопасность по отношению к производственному персоналу и окружающей среде.

2. Параметры смачивателей условно разделены на четыре группы: физико-химические свойства, технико-эусплуатационные требования, санитарно-гигиенические характеристики, пожаротехнические характеристики.

3. Для рекомендуемых параметров смачивателей обоснованы нормы и пределы их изменений.

Список литературы

1. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 3. Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. Липецк: Липецкое издательство, 1999. – 109 с.

2. Ребиндер П.А., Серб-Сербина Н.Н., Курдюкова С.А. Повышение пылеулавливающей способности посредством добавки смачивателей. Сб. статей «Борьба с силикозом». М.: Академиздат.- 1953, т.1 – с.57-68.

3. Шановская С.С. о применении смачивателей при борьбе с угольной пылью методом орошения. – М.: Академиздат. – 1953, т.1, с.126-133.

4. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. В.В.Кудряшов, Л.Я. Воронина, М.Н.Шуранова и др. – М.: Наука. – 1979. – 199 с.

5. Кудряшов В.В. Условия повышения пылесмачивающего действия добавок ПАВ при гидрообеспыливании горных работ в угольных шахтах и карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во МГСУ. – 2005. – с.157-165.

6. ГОСТ 4.99-83 Система показателей качества продукции. Пенообразователи для тушения пожаров. Номенклатура показателей.

7. ОСТ 54-0-830.74-99 Система стандартизации гражданской авиации. Гражданские аэродромы. Химические реагенты для борьбы с льдообразованием на искусственных покрытиях. Технические требования.

8. ГОСТ Р 50588-2012 Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний.

9. ГОСТ 12.1.007-76 Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества Классификация и общие требования безопасности

10. ГОСТ 50595-93 Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде

11. ГОСТ 12.1.044-89 Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

Добавить комментарий

Поля отмеченные звездочкой* обязательны для заполнения