CN103883347A - 一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫及其使用方法 - Google Patents
一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫及其使用方法。用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂占液体泡沫总质量的0.5~10%，季胺盐阳离子表面活性剂占液体泡沫总质量的0.5~30%，非离子表面活性剂占液体泡沫总质量0.5~30%，助剂占液体泡沫总质量的0~10%，余量为水。本发明的多功能液体泡沫配制方法和使用方法简单，便于使用和人工操作，适用性强，如矿井内富含硫化氢、二氧化硫等酸性气体，煤炭自燃倾向性大的隧道、矿井工作面等，尤其适用于矿井采空区。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫及其使用方法。
背景技术
煤矿井下常含有硫化氢或二氧化硫等酸性气体，它们具有强烈刺激气味，对人体的毒性很大，而且易燃易爆，并会腐蚀井下机械设备，因此，去除井下酸性气体对于改善工人的劳动环境，增加矿井操作的安全性有很重要的意义。目前矿井去除硫化氢等酸性气体的主要手段有建立独立的通风系统稀释或抽放硫化氢、灌输或喷洒硫化氢吸收溶液，第一种方式对于硫化氢含量较大的采空区效果不理想，第二种方式液体吸收剂注入距离短，喷洒受空间布局影响较大，液体不易在采空区缝隙中存留，容易流走，稳定时间短，损失量大。
利用阻化剂防止煤炭自燃是目前国内外正在使用的一种有效技术，传统使用阻化剂的方法一般都是通过打孔注入或直接喷洒阻化溶液，对于采空区缝隙内的阻化效果不理想，由于液体注入后，停留时间短，很容易流走，损失较大，利用率低。例如申请号CN200910116090.X的专利，提到的用于防治矿井下煤自燃的FR-1型液体阻化泡沫，是一种效果比较理想的阻化剂，它的优点是注入效果较好，注入距离长，泡沫具有一定的稳定性，不流失，破泡后的液体覆盖在煤层表面，可润湿粘附于煤层，起到隔氧阻化降温的作用，但是这种液体泡沫没有去除硫化氢等酸性气体的作用，泡沫稳定性有待进一步改进。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫及其使用方法，目的是防止煤炭自燃的同时有效吸收酸性气体，尤其适用于采空区等易燃、酸性气体和粉尘较多的区域。
本发明的用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂占液体泡沫总质量的0.5~10%，季胺盐阳离子表面活性剂占液体泡沫总质量的0.5~30%，非离子表面活性剂占液体泡沫总质量0.5~30%，助剂占液体泡沫总质量的0~10%，余量为水。
所述的晶须阻化剂是硼酸铝晶须、硼酸镁晶须、碱式硫酸镁晶须、硫酸钙晶须、六钛酸钾晶须、氧化镁晶须、氧化锌晶须、氧化硅晶须、碳化硅晶须或氮化硅晶须中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的季胺盐阳离子表面活性剂是十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基羟乙基硝酸铵、十八烷基二甲基羟乙基过氯酸铵、十八酰胺乙基二乙基苄基氯化铵、十八酰胺乙基三甲基硫酸铵或十四酰胺丙基二甲基苄基氯化铵中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的非离子表面活性剂是加成环氧乙烷摩尔数为3～4的聚氧乙烯烷醇酰胺、脂肪醇醚硫酸铵、月桂基聚氧乙烯醚硫酸铵、脂肪酰烷醇胺醇醚硫酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，其中泡沫稳定剂是改性聚阴离子纤维素、羧甲基纤维素钠、椰子油二乙醇酰胺、烷醇酰胺、硅树脂聚醚乳液、聚丙烯酰胺中的一种或多种以任意比例混合的混合物，占助剂总质量的50~100%，增溶剂是吐温-20、吐温-40、季戊四醇、聚氧乙烯聚丙烯嵌段型聚醚、山梨醇、失水山梨醇、异丙磺酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯磺酸钠中的一种或多种以任意比例混合的混合物，占助剂总质量的0%~50%。
本发明的用于煤矿井下的多功能液体泡沫的使用方法按照以下步骤进行：
步骤1：制备多功能液体泡沫：采用物料混合输送装置， 打开物料混合输送装置的阀门（1）~（5），启动离心式水泵（6）和双作用柱塞泵（13），将储水池（7）中的水送入混合装置（9）、喷洒装置（12）中，预先润湿装置和管路（16），然后关闭所有水泵和阀门；
打开第三阀门（3），通过送料斗（10）将多功能液体泡沫的晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂按比例送入混合装置（9）中，再打开第一阀门（1）和第二阀门（2），开启离心式水泵（6），将水送入混合装置（9），利用第一阀门（2）控制水的流量，用搅拌装置（8）对物料搅拌20min；
步骤2：喷洒多功能液体泡沫：打开第四阀门（4）、双作用柱塞泵（13），将上述物料泵入管路（16），进入喷洒装置（12），利用轴流式风机经进气管路（11）向喷洒装置（12）中通入氮气或二氧化碳，控制气流速度，打开第五阀门（5），将液体通过气流产生的液体泡沫喷洒至煤矿采空区，通过第五阀门（5）控制喷洒流量，直至物料使用完全；
步骤3：重复进行继续喷洒和充填，直至完成对煤矿充填层的充填。
7.根据权利要求6所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫的使用方法，其特征在于
所述的物料混合输送装置包括储水池（7）、搅拌装置（8）、混合装置（9）和喷洒装置（12），所述的储水池（7）与混合装置（9）通过离心式水泵（6）相连，在离心式水泵（6）与储水池（7）相连的一端设有第一阀门（1）和滤水阀（15），与混合装置（9）相连的一端设有第二阀门（2），所述的混合装置（9）上方设有送料斗（10），底部设有搅拌装置（8），混合装置（9）的一端通过管路（16）与喷洒装置（12）相连，在管路上设有第四阀门（4），所述的喷洒装置（12）上设有进气管路（11）、用于排气的泄流阀（14）、双作用柱塞泵（13）和用于控制喷洒流量的阀门（5）。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
（1）本发明的多功能液体泡沫选用晶须作为阻化剂，与煤吸附的亲和性大于氧，使其首先占据煤与氧吸附的活性部位，起到阻化作用；这类晶须材料原子排列高度有序，其强度接近于完整晶体的理论值，因此阻化剂的加入增强了液体泡沫的强度，使泡沫不容易破裂；当利用液体泡沫作为载体，将其注入到采空区内，泡沫注入距离远、稳定时间长、比阻化溶液损失量小，液体泡沫能填充到岩石缝隙中，可以堵漏风，降低氧气含量，防止煤炭自燃；破泡后形成的液体粘度大，可使泡粘附在煤层表面，也能起到隔氧、降温、阻化的作用。
（2）本发明的多功能液体泡沫选用的季胺盐阳离子表面活性剂是碱性活性剂，可与酸性气体硫化氢、二氧化硫等发生化学反应，去除酸性气体；利用液体泡沫将季铵盐注入到采空区内，是由于液体泡沫注入距离远、稳定时间长、比硫化氢吸收溶液损失量小，可增强硫化氢吸收效果；此外，这些吸收剂环保，无污染，具有杀菌性能，可以防止溶液变质。
（3）本发明的多功能液体泡沫所选用的阴离子表面活性剂是发泡剂，可进入到季铵盐阳离子表面活性剂的微粒间，形成复配体系，不但可以同时起到发泡和吸收酸性气体的效果，而且由于二者复配，泡沫液膜构成密度增大，混合膜的分子间作用力增强，泡沫稳定性提高。
（4）本发明的多功能液体泡沫所选用的助剂包含泡沫稳定剂和增溶剂：其中的泡沫稳定剂能降低液体表面张力，根据拉普拉斯公式，液膜交界处与平面膜之间的压力差与表面张力成正比，表面张力低，压力差小，所以排液较慢，液膜变薄也越慢，有利于泡沫稳定；泡沫稳定剂黏度高，也能阻止液膜上液体流动排出，泡沫越稳定；稳泡剂还能增大液膜吸附表面活性剂分子的作用，使液膜强度增高，稳泡时间延长，增强阻化、除尘和去除酸性气体的效果。增溶剂在水溶液中形成胶束后，具有能使不溶或微溶于水的有机物溶解度显著增大，此时溶液呈透明状。
（5）本发明的发泡装置输送的流体是气液两相流，由于普通的离心泵或轴流泵受气泡影响较大，我们在泡沫喷洒管路选用双作用柱塞泵，它受气泡影响较小，可使喷洒过程连续、通畅，由于双作用柱塞泵是双程做功，提高了喷洒液体泡沫的效率，本发明润湿管路的作用是用清水清除管路和容器内的杂质。本发明为了使物料混合均匀，单独设置混合装置，比直接将物料放在发泡装置里面发泡效果更好。
本发明的含有晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂的多功能液体泡沫，注入或喷洒到煤矿井下，尤其是采空区，既能防止煤炭自燃，又能吸收酸性气体，还可以降尘，本发明的液体泡沫流动性好，注入距离远，而且能稳定存在一段时间，不易流走，利用率高，能有效填充到采空区内，比注入或喷洒硫化氢吸收溶液和阻化溶液效果更好；本发明的液体泡沫能填充到岩石缝隙中，可以堵漏风，降低氧气含量，防止煤炭自燃；破泡后形成的液体粘度大，可粘附在煤层表面，起到隔氧、降温的作用，也能防止煤炭自燃。
本发明的多功能液体泡沫配制方法和使用方法简单，便于使用和人工操作，适用性强，如矿井内富含硫化氢、二氧化硫等酸性气体，煤炭自燃倾向性大的隧道、矿井工作面等，尤其适用于矿井采空区。
附图说明
图1是本发明制备和喷洒多功能液体泡沫的物料混合输送装置示意图。
其中：1：第一阀门；2：第二阀门；3：第三阀门；4：第四阀门；5：第五阀门；6：离心式水泵；7：储水池；8：搅拌装置；9：混合装置；10：送料斗；11：进气管路；12：喷洒装置；13：双作用柱塞泵；14：释压阀；15：滤水阀：16：管路。
具体实施方式
实施例1
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是硼酸铝晶须，占液体泡沫总质量的0.5%，季胺盐阳离子表面活性剂是十二烷基三甲基氯化铵，占液体泡沫总质量的5%，非离子表面活性剂是加成环氧乙烷摩尔数为3～4的聚氧乙烯烷醇酰胺，占液体泡沫总质量5%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的5%，其中泡沫稳定剂是改性聚阴离子纤维素，占助剂质量50%，增溶剂是吐温-20，余量为水。
实施例2
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是硼酸镁晶须，占液体泡沫总质量的5%，季胺盐阳离子表面活性剂是十二烷基二甲基苄基氯化铵，占液体泡沫总质量的0.5%，非离子表面活性剂是脂肪醇醚硫酸铵，占液体泡沫总质量15%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的10%，其中泡沫稳定剂是羧甲基纤维素钠，占助剂质量的80%，增溶剂是季戊四醇，余量为水。
实施例3
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是碱式硫酸镁晶须，占液体泡沫总质量的10%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八烷基二甲基羟乙基硝酸铵，占液体泡沫总质量的30%，非离子表面活性剂是月桂基聚氧乙烯醚硫酸铵，占液体泡沫总质量0.5%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的3%，其中泡沫稳定剂是椰子油二乙醇酰胺，占助剂质量的50%，增溶剂是聚氧乙烯聚丙烯嵌段型聚醚，余量为水。
实施例4
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是硫酸钙晶须，占液体泡沫总质量的8%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八烷基二甲基羟乙基过氯酸铵，占液体泡沫总质量的2%，非离子表面活性剂是脂肪酰烷醇胺醇醚硫酸钠，占液体泡沫总质量30%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的10%，其中泡沫稳定剂是烷醇酰胺，占助剂质量的50%，增溶剂是山梨醇，余量为水。
实施例5
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是六钛酸钾晶须，占液体泡沫总质量的5%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八酰胺乙基二乙基苄基氯化铵，占液体泡沫总质量的15%，非离子表面活性剂是脂肪醇聚氧乙烯醚，占液体泡沫总质量15%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的5%，其中泡沫稳定剂是硅树脂聚醚乳液，占助剂质量的50%，增溶剂是异丙磺酸钠，余量为水。
实施例6
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是氧化镁晶须、氧化锌晶须和氧化硅晶须以任意比例混合，占液体泡沫总质量的10%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八酰胺乙基三甲基硫酸铵，占液体泡沫总质量的10%，非离子表面活性剂是脂肪醇醚硫酸铵，占液体泡沫总质量10%，助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，占液体泡沫总质量的1%，其中泡沫稳定剂是聚丙烯酰胺，占助剂质量80%，增溶剂是脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯磺酸钠，余量为水。
实施例7
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是碳化硅晶须，占液体泡沫总质量的0.5%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八酰胺乙基三甲基硫酸铵，占液体泡沫总质量的12%，非离子表面活性剂是脂肪醇醚硫酸铵，占液体泡沫总质量10%，余量为水。
实施例8
用于煤矿井下作业的多功能液体泡沫，其成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂是氮化硅晶须，占液体泡沫总质量的8%，季胺盐阳离子表面活性剂是十八酰胺乙基三甲基硫酸铵，占液体泡沫总质量的18%，非离子表面活性剂是脂肪醇醚硫酸铵，占液体泡沫总质量20%，助剂是泡沫稳定剂，占液体泡沫总质量1%，余量为水。
对实施例1-8的多功能液体泡沫进行性能测试，测试结果见表1。
表1 多功能液体泡沫性能测试结果
| 发泡倍数 | 析液半衰期 | 阻化率(%) | 硫化氢吸收率(%) | 除尘效率(%) | |
| 实施例1 | 183 | 超过1小时 | 90 | 98 | 90 |
| 实施例2 | 150 | 58’30” | 93 | 95 | 85 |
| 实施例3 | 168 | 45’36” | 93 | 96 | 87 |
| 实施例4 | 174 | 53’10” | 95 | 97 | 88 |
| 实施例5 | 188 | 35’20” | 98 | 98 | 92 |
| 实施例6 | 180 | 48’12” | 92 | 98 | 90 |
| 实施例7 | 175 | 50’07” | 95 | 97 | 91 |
| 实施例8 | 182 | 38’36” | 96 | 98 | 95 |
使用多功能液体泡沫的步骤参加说明书附图图1所示，所述的制备和喷洒多功能液体泡沫的物料混合输送装置包括储水池（7）、搅拌装置（8）、混合装置（9）和喷洒装置（12），所述的储水池（7）与混合装置（9）通过离心式水泵（6）相连，在离心式水泵（6）与储水池（7）相连的一端设有第一阀门（1）和滤水阀（15），与混合装置（9）相连的一端设有第二阀门（2），所述的混合装置（9）上方设有送料斗（10），底部设有搅拌装置（8），混合装置（9）的一端通过管路（16）与喷洒装置（12）相连，在管路上设有第四阀门（4），所述的喷洒装置（12）上设有进气管路（11）、释压阀（14）、双作用柱塞泵（13）和用于控制喷洒流量的阀门（5）。
上述搅拌装置、混合装置和喷洒装置的型号不是唯一的，可根据矿井下实际情况选择设备型号。
制备和使用多功能液体泡沫时，首先打开物料混合输送装置的阀门（1）~（5），启动离心式水泵（6）和双作用柱塞泵（13），将储水池（7）中的水送入混合装置（9）、喷洒装置（12）和管路（16）中，预先润湿管路（16），然后关闭所有水泵和阀门；
打开第三阀门（3），通过送料斗（10）将多功能液体泡沫的晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂按比例送入混合装置（9）中，再打开第一阀门（1）和第二阀门（2），开启离心式水泵（6），将水送入混合装置（9），利用第一阀门（2）控制水的流量，用搅拌装置（8）对物料搅拌20min；
喷洒多功能液体泡沫：打开第四阀门（4）、双作用柱塞泵（13），将上述物料泵入管路（16），进入喷洒装置（12），利用轴流式风机经进气管路（11）向喷洒装置（12）中通入空气，控制气流速度，打开第五阀门（5），将液体通过气流产生的液体泡沫喷洒至煤矿采空区，通过第五阀门（5）控制喷洒流量，直至物料使用完全；
重复进行继续喷洒和充填，直至完成对煤矿充填层的充填。
Claims (7)
1.一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫，其特征在于成分按质量百分比计，由晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂和水组成，其中所述晶须阻化剂占液体泡沫总质量的0.5~10%，季胺盐阳离子表面活性剂占液体泡沫总质量的0.5~30%，非离子表面活性剂占液体泡沫总质量0.5~30%，助剂占液体泡沫总质量的0~10%，余量为水。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫，其特征在于所述的晶须阻化剂是硼酸铝晶须、硼酸镁晶须、碱式硫酸镁晶须、硫酸钙晶须、六钛酸钾晶须、氧化镁晶须、氧化锌晶须、氧化硅晶须、碳化硅晶须或氮化硅晶须中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫，其特征在于所述的季胺盐阳离子表面活性剂是十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基羟乙基硝酸铵、十八烷基二甲基羟乙基过氯酸铵、十八酰胺乙基二乙基苄基氯化铵、十八酰胺乙基三甲基硫酸铵或十四酰胺丙基二甲基苄基氯化铵中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫，其特征在于所述的非离子表面活性剂是加成环氧乙烷摩尔数为3～4的聚氧乙烯烷醇酰胺、脂肪醇醚硫酸铵、月桂基聚氧乙烯醚硫酸铵、脂肪酰烷醇胺醇醚硫酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫，其特征在于所述的助剂是泡沫稳定剂和增溶剂，其中泡沫稳定剂是改性聚阴离子纤维素、羧甲基纤维素钠、椰子油二乙醇酰胺、烷醇酰胺、硅树脂聚醚乳液、聚丙烯酰胺中的一种或多种以任意比例混合的混合物，占助剂总质量的50~100%，增溶剂是吐温-20、吐温-40、季戊四醇、聚氧乙烯聚丙烯嵌段型聚醚、山梨醇、失水山梨醇、异丙磺酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯磺酸钠中的一种或多种以任意比例混合的混合物，占助剂总质量的0%~50%。
6. 一种如权利要求1所述的用于煤矿井下的多功能液体泡沫的使用方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：制备多功能液体泡沫：采用物料混合输送装置， 打开物料混合输送装置的阀门（1）~（5），启动离心式水泵（6）和双作用柱塞泵（13），将储水池（7）中的水送入混合装置（9）、喷洒装置（12）中，预先润湿装置和管路（16），然后关闭所有水泵和阀门；
打开第三阀门（3），通过送料斗（10）将多功能液体泡沫的晶须阻化剂、季胺盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、助剂按比例送入混合装置（9）中，再打开第一阀门（1）和第二阀门（2），开启离心式水泵（6），将水送入混合装置（9），利用第一阀门（2）控制水的流量，用搅拌装置（8）对物料搅拌20min；
步骤2：喷洒多功能液体泡沫：打开第四阀门（4）、双作用柱塞泵（13），将上述物料泵入管路（16），进入喷洒装置（12），利用轴流式风机经进气管路（11）向喷洒装置（12）中通入氮气或二氧化碳，控制气流速度，打开第五阀门（5），将液体通过气流产生的液体泡沫喷洒至煤矿采空区，通过第五阀门（5）控制喷洒流量，直至物料使用完全；
步骤3：重复进行继续喷洒和充填，直至完成对煤矿充填层的充填。
7.根据权利要求6所述的一种用于煤矿井下的多功能液体泡沫的使用方法，其特征在于
所述的物料混合输送装置包括储水池（7）、搅拌装置（8）、混合装置（9）和喷洒装置（12），所述的储水池（7）与混合装置（9）通过离心式水泵（6）相连，在离心式水泵（6）与储水池（7）相连的一端设有第一阀门（1）和滤水阀（15），与混合装置（9）相连的一端设有第二阀门（2），所述的混合装置（9）上方设有送料斗（10），底部设有搅拌装置（8），混合装置（9）的一端通过管路（16）与喷洒装置（12）相连，在管路上设有第四阀门（4），所述的喷洒装置（12）上设有进气管路（11）、释压阀（14）、双作用柱塞泵（13）和用于控制喷洒流量的阀门（5）。
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