煤尘化学组成及结构参数对煤尘润湿性的影响规律

罗根华，李博，丁莹莹，张博

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)



煤尘化学组成及结构参数对煤尘润湿性的影响规律

罗根华1，李博2，丁莹莹1，张博1

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

通过煤质化学组成和结构参数对煤尘润湿性的影响规律，进而采用多元逐步回归确定主要影响因素.结果表明：①煤质化学组成是导致煤体润湿能力存在较大差异的内在因素，固定碳含量和氧含量对煤尘润湿性的影响显著，颗粒平均孔直径和比孔容与煤尘润湿性的相关性较低；②煤尘润湿性最佳线性回归方程为y=31.471+0.825[固定碳含量]-0.631[氧含量]，复相关系数R=0.871.

煤尘；化学组成；结构参数；润湿接触角；多元逐步回归分析

0 引言

采用湿法喷雾降尘技术是煤矿井普遍采取的降尘技术[1- 4]，但煤尘颗粒表面与液体间润湿性差导致部分煤矿井总降尘率不足50%[4- 5].进行煤尘润湿机理和影响因素研究是提高湿法喷雾降尘效率的关键[6- 8].煤尘润湿性与煤化程度有很大关系[9]，其中碳氧比对颗粒表面疏水性能影响最大[10]；何杰等研究结果表明液体pH对颗粒润湿性有显著影响，但有关煤尘润湿性随各影响因素的变化规律尚不明确.

本文采集10余种煤样研究煤质化学组成及其结构参数对煤尘润湿性的影响，通过多元逐步回归分析方法确定主要影响因素，为后续建立煤尘润湿接触角估算模型和润湿性分级奠定基础.

1 实验样品的采集

在新暴露煤壁采集煤样并现场密封，采集包括褐煤、长焰煤、气煤、瘦煤和无烟煤等煤种共35组，在实验室内进行破碎、筛分后称取粒径小于25 mm和小于120 μm煤样备用.

1.1 煤质化学组成及结构参数

取粒径小于25 mm的煤样，分别按照国家标准中的GB/T 212- 2008和GB/T 476- 2008进行煤质工业分析和煤质元素分析并计算氧碳和氢碳摩尔比；将粒径小于120 μm的煤样在120℃条件下干燥5 h，采用3H- 2000系列全自动氮吸附分析仪测定参数，分别计算煤尘比孔容和平均孔直径.

1.2 润湿接触角的测定

将粒径小于25 mm的各种煤样烘干去除表面水分，粉碎至74 μm含量在80%以上，取400 mg煤样品，用加压成型器在500 MPa压力下，压成直径约13 mm，厚度2 mm的成型体，试片在饱和食盐水中放置24 h.在恒湿室内，采用手动进样并利用接触角测定仪测定煤样品接触角.

2 实验结果与分析

2.1 煤质化学组成对润湿性的影响

(1)煤质工业分析对润湿性的影响

灰分对煤尘润湿性有较大影响，煤中灰分含量增加导致煤尘润湿性增强(图1(a))，这是由于灰分中矿物质具有较强吸水性能；从图1(b)可知，固定碳与接触角之间具有正相关关系(R2=0.743)，这是由于随着煤化程度加剧，煤分子中化学活动性较强的侧链和桥链逐渐减少，而具有稳定性能的缩合芳香环数增加的结果.

(a)灰分的影响

(b)固定碳的影响

煤水分含量直接影响颗粒表面zeta电位[11]，含水率增加使煤尘润湿性增强(图2(a))；煤中孔隙水易与液体亲合，但孔隙中释放的挥发性物质如甲烷导致颗粒润湿性能变差，最终导致煤尘润湿性随挥发分含量变化规律不明显(图2(b)).

(a)水分的影响

(b)挥发分的影响

(2)煤质元素分析对润湿性的影响

煤中碳含量对煤尘润湿性有很大的影响(R2=0.738)，碳含量减少有利于提高颗粒表面润湿性能(图3(a))，这是由于煤化程度的加剧导致煤化学组成的芳环数急剧增加而逐渐趋向石墨结构，最终导致煤尘润湿性能变差.低煤阶的煤中所含氧官能团中部分电离并与水形成氢键而增加煤尘润湿性能，煤变质过程中亲水性含氧官能团脱落而导致煤亲水性下降，即煤的润湿性与氧含量呈负相关的关系.从图3(b)可知，煤尘颗粒中氧含量与润湿接触角呈指数负相关关系(R2=0.712)，结果表明氧含量对煤尘表面与液体间的附着能力有较大影响.煤中H、S、N三种元素含量与煤尘润湿性相关系数分别为R2=0.170、R2=0.031和R2=0.025，这可能与相关元素在煤中含量相对较低有关.

(a)碳含量的影响

(b)氧含量的影响

O/C和H/C摩尔比在一定程度上说明了煤变质程度[12]，不同煤阶煤种颗粒表面对液体附着能力有较大差异.从图4(a)和图4(b)可知，O/C和H/C摩尔比与煤尘润湿性具有负相关关系，相关系数分别为R2=0.639和R2=0.480，说明煤中氧、氢含量增加有利于提高颗粒表面亲水性，颗粒中氧元素比氢元素对煤尘润湿性影响要大.

(a)O/C摩尔比的影响

(b)H/C摩尔比的影响

2.2 煤尘结构参数对润湿性的影响

实验测定结果表明，不同煤矿区煤尘的孔径大小和比孔容有较大差距.煤尘平均孔直径介于134.4～434.4Å之间(见图5)，煤化程度越高则煤尘孔隙率呈减少趋势，而微孔对应比孔容所占比例增加，煤尘大孔数量减少导致导致总孔容降低.测定结果表明，煤尘比孔容介于0.005 493～0.032 686 cm3/g之间(见图6).研究表明，液体分子大小与孔隙相近时，有利于提高液体分子进入孔隙并在其内部附着，而提高颗粒润湿性能.由于采用平均孔直径和比孔容无法表示煤尘中不同孔径所占比例，导致煤尘平均孔直径和比孔容大小较难表征煤尘颗粒润湿性.

图5 煤尘平均孔直径对润湿性的影响

图6 煤尘比孔容对润湿性的影响

2.3 煤尘润湿性影响因素的多元逐步回归分析

利用SPSS15.0软件进行自变量和因变量的偏相关分析，并通过求得的回归系数进行显著性检验，最终确定煤尘润湿性主要影响因素并建立线性回归方程.回归分析结果见表1、表2和表3.从表1可知，对煤尘润湿性影响最主要的两个因素为固定碳含量和氧元素含量；表2说明，回归方程系数和固定碳、氧元素含量2个因素的实际显著性水平分别为0.018、0.000和0.036，在显著性水平P=0.01下，固定碳含量对煤尘润湿性的作用显著，而氧含量的作用不显著.

表1 统计结果

a.Predictors:固定碳含量；b.Predictors:固定碳含量，氧元素含量.

表2 回归系数表

a.Dependent Variable:y代表接触角；x1代表固定碳含量，x2代表氧元素含量.

表3 方差分析表

a.Predictors:固定碳含量；b. Predictors:固定碳含量,氧元素含量.

表2可知，煤尘润湿性的最佳线性回归方程为y=31.471+0.825x1-0.631x2，方程复相关系数为R=0.871.进行多元线性回归方程的显著性检验结果见表3，最佳回归方程的F=50.423，方程在显著性水平P=0.01条件下的显著性指标为0.000，说明该回归方程线性关系显著.

3 结论

(1)煤质组成和结构参数在不同程度上影响了煤尘润湿性，煤质工业分析中固定碳与接触角之间具有正相关关系，而灰分和水分含量的增加有利于提高煤的润湿性；煤中S、N和H三种元素含量较小，对煤尘润湿性的影响有限；煤的变质将导致碳和氧两种元素含量和存在形式发生改变，两种元素的不同存在形式极大地影响着煤尘润湿性能，相关系数分别为R2=0.738和R2=0.712；煤尘颗粒平均孔直径和比孔容与润湿接触角的相关性较低;

(2)煤质化学组成是导致煤体润湿能力存在较大差异的内在因素.由多元逐步回归分析可知，影响煤尘颗粒润湿性的主要因素包括固定碳和氧元素含量，结构参数和其它化学参数对煤尘颗粒润湿性影响相对较小；煤尘润湿性最佳线性回归方程为y =31.471+0.825x1-0.631x2，复相关系数R=0.871.

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Study on Influence of Coal Dust Wettability by Chemical Composition and Structure Parameters

LUO Genhua1,LI Bo2, DING Yingying1,ZHANG Bo1

(1.College of Environment Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The correlation among coal dust wettability and chemical compositions and characteristic parameters of coal is analyzed,and the multiple stepwise regression is used to ascertain the main influencing factors.The results show that ①Different chemical compositions of the coal is the internal factor which lead to difference wettability of coal dust.The crrelation of pore size,specific pore volume of particles and wetting contact angle is not high,but the correlation tetwen fixed caron content and coal dust wettability is significant;②The optimal regression equation of coal dust wettability is y=31.471+0.825[fixed carbon content]-0.631[oxygen content],and the complex correlation coefficient is 0.871.

coal dust;chemical composition;structure parameter;wetting contact angle;multiple stepwise regression analysis

1673- 9590(2016)03- 0064- 04

2015- 12- 16

国家自然科学基金资助项目(U1261121)

罗根华(1980-)，男，讲师，博士，主要从事大气污染控制技术和矿山环境质量演变的研究E-mail:luogenhua@163.com.

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