控制煤尘污染固化剂的研制＊

刘生玉 李雪辉 郭建英 苏立红 仇欢欢

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

★节能与环保 ★

控制煤尘污染固化剂的研制＊

刘生玉 李雪辉 郭建英 苏立红 仇欢欢

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

为解决固化剂生产原料多羟基聚合物溶解过程缓慢和固化剂溶液粘稠的问题,采用催化氧化法和酒精碱法对原料淀粉进行化学改性和非晶化处理,实验结果表明:采用该方法改善了淀粉基固化剂溶液粘度的稳定性及其低温溶解性,使淀粉基固化剂固化抑尘性能良好。

煤尘污染 固化剂 催化氧化 淀粉 控制

AbstractIn order to address the problem of slow dissolving of polyhydroxy polymer as a raw material for the production of curer and thick solution of curer,catalytic oxidation method and alcoholic alkaline treatment method is used to carry out chemical modifying treatment and non crystalline treatment for starch used as raw material.Results of this experimental tests show that the application of this method improves the starch based curer’s solution thickness and its low temperature dissolvability.In this way,curing performances and dust suppression properties of the starch based curer improve.

Key wordscoal dust pollution,curer,catalytic oxidation,starch,control

煤散料在储运过程中,由于风力和运煤列车颠簸致使煤散料散失严重,并由此带来严重的煤粉尘污染。运煤列车在隧道内穿行,形成强大气流,致使煤炭粉料吹失严重,如果隧道内的煤尘浓度达到爆炸极限后,会有发生爆炸的危险。另外,运煤列车经过隧道时煤炭粉料在隧道内扬尘,如果隧道内的煤尘全尘浓度达256.4 mg/m3(测尘地点:蛇口卯隧道 (55±0.8)km),即严重影响洞内电力信号等设备的安全运行,有发生粉尘爆炸的危险,造成运输安全隐患。

采用表层固化技术是防止煤散料散失和粉尘治理的有效方法。表层渗透固化抑制煤尘污染技术原理是根据凝聚作用机理,利用物化制品的粘着力将煤尘粘结在一起或增加煤粒之间的粘结强度以达到煤粉成团或煤料表层结壳,达到防止起尘的目的。本项目前期采用淀粉氧化-糊化法制备的固化剂反应时间长,且固化剂溶液粘度稳定性较差,通过在神华集团公司神朔铁路的工业应用发现,在冬季低温情况下,固化剂溶液粘度有显著增大现象,使得固化剂溶液粘稠,喷洒过程中容易堵塞喷嘴,影响喷洒过程的进行。另外,以原淀粉为固化剂主体原料在低温条件下的制备过程缓慢,且固化剂溶液稳定性差。本文将重点解决固化剂生产原料多羟基聚合物低温溶解性问题,在保证固化剂良好的固化抑制煤尘效果前提下,通过对多羟基聚合物进行改性,改善固化剂溶液低温下粘度稳定性,解决固化剂冬季使用过程中溶解过程缓慢和固化剂溶液粘稠的问题。

1 研究方法

1.1 实验原理

固化剂主体原料选用天然多羟基聚合物淀粉。多羟基聚合物淀粉具有价格低廉、来源广泛、易生物降解,且不会增加煤中灰分等优点。淀粉是天然多晶体系,其内部分为结晶区和非结晶区域。将天然淀粉置于冷水中,水分子只是简单地进入淀粉颗粒的非结晶区域,与无定型部分的亲水基结合或被吸附,而一旦受热,淀粉又将恢复到原状态。淀粉为多羟基聚合物,在氧化剂的作用下,特别是在催化氧化条件下,氧化剂进入淀粉团的深处,主要在团粒的低结晶区域发挥作用,生成高度降解的酸性片段,在一定p H值范围的反应介质中,催化剂的加入使得天然淀粉葡萄糖的苷键部分断裂和降解,致使聚合度降低、分子量减少的反应过程加快并可控。通过对淀粉结晶结构的非晶化处理和对淀粉分子羟基基团的催化氧化改性可以实现固化剂在低温条件下制备,同时固化剂溶液的粘度稳定性也良好。

氧化淀粉是变性淀粉的主要品种之一,与天然淀粉相比,氧化淀粉糊化容易、糊化温度低、热糊粘度稳定性高、凝沉性减弱、溶解性增加、渗透性与成膜性提高。双氧水氧化淀粉,其反应方程式为:

1.2 实验方法

以双氧水作为氧化剂,硫酸铜作催化剂,在水浴条件下将按一定比例配制的淀粉乳进行加热搅拌,制取氧化淀粉。通过改变氧化温度、氧化时间、氧化剂用量、糊化温度等,研究在不同条件下得到的氧化淀粉的性质。用酸碱滴定法测定羧基含量,用粘度计测定糊液粘度。不同处理方法对淀粉结晶度的影响采用X射线衍射法和偏光显微镜测定。

2 研究结果

2.1 实验结果

2.1.1 催化氧化法

双氧水氧化淀粉过程中,双氧水量、氧化时间、氧化温度等条件都对产品氧化淀粉的性能有较大影响。如,随着双氧水量的增加,会使氧化淀粉的羧基含量明显增大,氧化程度明显加深,而随着氧化程度的加深,淀粉分子链被切割的程度也加大,导致淀粉分子高度降解而产生碎片,从而使粘度下降。

铜基催化剂对双氧水氧化淀粉有极强的催化作用。在氧化淀粉反应中加入Cu2+,能极大地加速氧化反应的进行,加深氧化的程度。与非催化氧化相比,得到氧化淀粉的羧基含量显著增加,氧化程度明显加深。而随着氧化程度的加深,淀粉分子链被切割的程度也加大,导致淀粉分子高度降解而产生碎片,从而使粘度下降。制备出的催化氧化-糊化淀粉基固化剂溶液在30 d时间内存放,其粘度变化不大。随温度的降低,催化氧化-糊化淀粉基固化剂溶液粘度的增加幅度明显小于非催化氧化-糊化淀粉基固化剂溶液,有利于喷洒。

2.1.2 酒精碱法

图1 采用酒精碱法非晶化处理淀粉的偏光显微镜对比图

图1为采用酒精碱法非晶化处理淀粉的偏光显微镜对比图,可以发现酒精碱法处理后的淀粉晶体的偏光十字消失了,说明结晶结构被打破。这是由于在一定浓度的碱液中,淀粉这种弱离子交换剂上的-OH的质子被解离,淀粉分子带负电,它们之间相互排斥促进颗粒溶胀,最终导致双螺旋区的展开变成单螺旋,结晶序列发生变化。X衍射图谱的结果也显示淀粉的结晶区域受到一定程度的破坏,这印证了偏光检测的结论。同时,向溶液中滴加的乙醇在淀粉颗粒外部形成保护层,抑制颗粒的过度溶胀,保持了颗粒的完整性。中和溶液中的碱,使淀粉分子与乙醇形成螺旋复合物 (V型复合物)。通过抽滤,低温干燥,将乙醇及水分蒸发,颗粒内形成空穴,使淀粉处于一种亚稳态。用酒精碱法处理的淀粉,在冷水中溶解后具有和常规糊化淀粉类似的粘结性、粘度等物理性质。

2.2 固化剂现场喷洒试验

神华集团神东煤炭公司是我国大型煤炭生产基地,近3年煤炭生产量均超过1亿t,神东公司所产煤炭完全依赖铁路运输,在运输过程中由于风力等原因造成煤料损失严重,运煤车经过的隧道内煤尘浓度高,威胁运输安全,并且在铁路沿线造成严重煤炭粉尘污染。采用催化氧化法研制的固化抑尘剂在神东煤炭分公司大柳塔环线装煤站进行了运煤车现场工业规模喷洒试验。喷洒系统主要由喷洒管、喷头、输送泵、连接管路和喷管悬挂支架组成,输送泵是齿轮油泵,输送泵出口压力0.3 MPa,喷洒管安装10个喷头,喷洒车次编号朔814。喷洒完成后到神木北站观察喷洒效果,编号朔814运煤车到神木北站停靠编组,对所喷洒的5节车厢进行了观察,运煤车煤料表层已形成固化层,手感未完全凝固,到达卸煤点 (电厂)再观察,喷洒固化剂的煤料表面固化层完好、无破损,手感和脚踩感觉煤料壳层硬实。试验结果表明,通过催化氧化法研制的固化抑尘剂喷洒到运煤车后,起到了防止煤散料沿途散失,控制煤尘污染的效果。

3 结论

(1)采用催化氧化法和非晶化处理淀粉,显著改善了淀粉基固化剂溶液粘度稳定性和低温溶解性的问题,非晶化处理后的淀粉冷水中溶解性良好,解决了在冬季低温情况下,固化剂溶液粘稠影响喷洒的问题;酒精碱法处理的淀粉,在冷水中溶解后具有和常规糊化淀粉类似的粘结性、粘度等物理性质。

(2)固化剂现场喷洒试验表明催化氧化法研制的淀粉基固化抑尘剂,固化抑尘性能良好,可以有效解决煤炭铁路运输过程中煤炭粉料散失造成的经济损失及粉尘污染的问题。

[1]李满,徐海宏,舒新前.化学抑尘剂在抑制煤尘中的应用探讨 [J].中国煤炭,2007(8)

[2]白莉,郭建英,程璐,刘生玉.矿物散料储运表面固化抑尘剂的研究及应用 [J].山西化工,2008(4)

[3]惠斯特勒 R.L.淀粉的化学与工艺学 [M].北京:中国食品出版社,1988

[4]张燕萍.变性淀粉制造与应用 (第二版)[M].北京:化学工业出版社,2007

(责任编辑 张艳华)

Development of a coal dust pollution control curing agent

Liu Shengyu,Li Xuehui,Guo Jianying,Su Lihong,Qiu"Huanhuan
(College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

TD995

A

刘生玉 (1969-),男,博士,副教授,从事洁净煤技术研究。

＊山西省科技攻关项目 (041057)和山西省出国留学人员科技项目 (2008-12)