露天煤炭堆场抑尘剂的性能与现场应用

2019-07-09刘晓莉张福强苏璐璐刘永刚

中国煤炭 2019年6期

刘晓莉柳鹏张福强苏璐璐刘永刚

(1.河北工业大学化工学院，天津市红桥区，300130；2.河北钢铁集团宣钢公司物流公司, 河北省张家口市，075100)

我国是煤炭生产和消费大国，2018年煤炭在一次能源消费结构中的占比虽然首次低于60%，但由于我国能源结构的特殊性，决定了在未来的一段时间内，煤炭在我国一次性能源生产和消费中仍将占据主导地位。煤炭在开采、装卸、运输和储存过程中容易扬尘，危害人身健康和安全生产，损耗物料的同时又污染大气及生态环境。抑尘剂通过保湿、润湿和胶结作用提高了洒水抑尘的效率，已在采掘工作面和铁路运输中得到应用。

在露天堆场，抑尘剂以提高煤炭含水率的湿抑尘方式，或以胶结颗粒的干抑尘方式发挥了作用，但抑尘性能的评价方法并不一致，不同单位的测试数据无法相互比较和判断其抑尘性能的高低，因此增加了市场选择的难度。另外，已有报道的聚合物抑尘剂均为改性生物质，自然降解快，难以满足6个月以上的抑尘需求。

为了构建规范的抑尘性能评价方法，本文制备了降解较慢的丙烯酸类水性聚合物抑尘剂，通过研究恒温恒湿条件下煤粉含水率的变化，以抑尘时间和抑尘效率评价湿抑尘性能；通过对表面形貌和聚集机制进行分析，以压缩强度评价干抑尘性能；对比现场应用和实验室的测试数据，根据现场PM2.5和PM10抑尘效率判定实际效果。

1 材料和方法

1.1 原料与试剂

丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸羟乙酯(HEA)和过硫酸钾(KPS)为工业级，氢氧化钠和碳酸氢钠为分析纯。

1.2 抑尘剂合成

选取9.0 g的 AA、4.5 g的 AM、0.5 g 的AMPS、1.2 g 的HEA与20 mL去离子水混合，作为单体备用。在带有机械搅拌、冷凝管、恒压滴液漏斗和温度计刻度为250 mL四口瓶中，加入80 mL的去离子水和0.1 g的NaHCO3后搅拌，在温度为70 ℃下加入少量KPS，8 min后开始滴加单体，30 min补加一次KPS，180 min后单体滴毕，在温度为90 ℃条件下保温1 h，冷却至室温，以NaOH调节至中性，出料得水性聚合物抑尘剂。产物呈乳白色半透明，25 ℃粘度为385 mPa•s。

1.3 供试煤粉

取用北京市供暖用煤，200目筛下粒级作为供试煤粉。利用Mastersizer 2000激光粒度仪测得的粒度分布如图1所示。

由图1可以看出，中值粒径为17.58 μm。以ARL QUANT型X射线荧光光谱仪测得煤粉中SiO2、Al2O3、SO3、CaO、Fe2O3、CuO、K2O和TiO2的质量分数分别为36.72%、18.66%、14.02%、13.92%、9.67%、2.62%、1.44%和1.44%，其它物质为1.51%。

图1 供试煤粉的粒度分布

1.4 含水率变化

将初始质量Ws为20.0 g的煤粉加入到ø100 mm培养皿中，喷洒3.0 %浓度的抑尘剂水溶液至充分湿润，抑尘剂的用量为1.08%，记作抑尘煤粉。作为对照，喷洒等量蒸馏水，记作洒水煤粉。测定了温度为20 ℃、相对湿度为45%条件下t时刻的煤粉质量Wt，其含水率见式(1)：

(1)

式中：P——含水率，%；

Wt——一定条件下，t时刻的煤粉质量，g；

Ws——初始质量，g。

1.5 表面形貌分析

抑尘煤粉和洒水煤粉室温干燥之后表面喷金，采用Nova Nano SEM 450型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌。

1.6 压缩强度测试

将120.0 g煤粉与40.0 g抑尘剂溶液混合均匀，在40 mm40 mm40 mm的黄铜模具中成型、脱模，室温干燥。洒水煤粉使用等质量蒸馏水，重复以上操作。根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)测试不同龄期的压缩强度。

2 结果与讨论

2.1 湿抑尘性能评价

2.1.1 湿抑尘时间

提高煤炭含水率是洒水的主要目的，为此在温度为20 ℃、相对湿度为45%条件下测试含水率P的变化，抑尘煤粉a、b、c分别使用的KPS用量为0.4%、0.6%和1.0%，煤粉含水率随时间的变化如图2所示。喷洒抑尘剂之后水分挥发缓慢，含水率始终高于洒水煤粉。

图2 煤粉含水率随时间的变化

研究表明，无扬尘含水率(Dust Extinction Moisture，简称DEM)以上，粉体扬尘微乎其微。一般认为煤粉DEM为6%～8%，与交通部对煤炭露天堆垛的要求一致。本文以8.0%确定抑尘时间td，以此评价DEM以上的湿抑尘性能。抑尘煤粉b的抑尘时间达到15.75 h，是洒水煤粉的2.69倍。

2.1.2 湿抑尘效率

DEM以下容易扬尘，可通过抑尘效率评价性能。煤粉含水率随时间的变化方程见式(2)：

P=Ae-Bt

(2)

式中：t——时间，h；

A、B——常数。

方程(2)取自然对数后的线性回归结果如图3所示。

图3 自然对数回归结果

自td时刻至含水率达到平衡的时刻te，平均含水率见式(3)：

(3)

式中：Pav——平均含水率， %；

td——含水率为6%的时刻，h；

te——含水率达到平衡的时刻，h。

将Pav代入式(4)，分别估算装卸过程中抑尘煤粉和洒水煤粉的扬尘排放系数Es和E0，根据计算抑尘效率η式(5)，装卸过程和露天堆场的抑尘效率见表1。

(4)

式中：E——扬尘排放系数，g/t；

ki——物料的粒度乘数；

u——地面平均风速，m/s。

(5)

式中：η——抑尘效率，%；

Es——抑尘煤粉的扬尘排放系数，g/t；

E0——洒水煤粉的扬尘排放系数，g/t。

表1 装卸过程和露天堆场的抑尘效率

由表1可以看出，抑尘剂对装卸过程中煤粉的抑尘效率高于65%。其中，抑尘煤粉b的平均含水率是洒水煤粉的2.43倍，抑尘效率达到了71.21%，其相应的KPS用量为最终选择。

以同样的方法和步骤估算在露天煤炭堆场的效果，扬尘排放模型见式(6)，根据表1的结果，抑尘效率高于75%，最高达到了85.18%。

Q=46.27u3.79e-0.556Pav

(6)

式中：Q——扬尘量，g/(h·kg)；

u——地面平均风速，m/s。

2.2 表面形貌分析

不同于普通洒水，水性聚合物能够润湿煤粉颗粒表面，胶结10 μm以下的微细颗粒，在干燥过程中有效堵塞水传输、延缓水挥发、提高内聚力，煤粉的表面形貌如图4所示。

图4 煤粉的表面形貌

由图4(a)可以看出，抑尘煤粉b的表面致密、平整，颗粒空隙消失；相比之下，图4(b)中的洒水煤粉呈自然堆砌状态、空隙可见，密实程度低。

2.3 干抑尘性能评价

干燥过程中水分不断减少，煤粉颗粒逐渐聚集，内聚力增加，不同龄期的压缩强度如图5所示。

图5 不同龄期的压缩强度

由图5可以看出，洒水煤粉和抑尘煤粉b在第7 d的时候压缩强度分别达到0.59 MPa和1.51 MPa。随着水分的进一步减少，水的内聚作用损失殆尽，洒水煤粉在第28 d的强度降低到0.082 MPa；由于抑尘剂的内聚和胶结作用，抑尘煤粉对水分的依赖性小，在第28 d的强度仍保持为1.40 MPa。致密的表面封闭和充分的胶结强度足以抵御风力扬尘，因此以室温28 d压缩强度评价干抑尘性能，考虑到测试误差和安全系数，1.2 MPa以上为宜。

2.4 二次润湿性能

丙烯酸类水性聚合物具备二次润湿能力，露天堆场的表面封闭层遭到破坏后只要不出现粉化，洒水便可助其表面进行修复。在首次喷洒抑尘剂干燥后，喷洒相同质量的蒸馏水、测定干燥过程中的含水率变化，以此类推，共喷洒6次。自然对数回归常数及其相关系数见表2。

表2 自然对数的回归常数及其相关系数

根据表2的回归结果，计算起始干燥时刻t0到平衡时刻te之间的平均含水率和露天堆场的抑尘效率，二次润湿时露天堆场的抑尘效率见表3。

表3 二次润湿时露天堆场的抑尘效率

由3可以看出，当润湿次数低于4时，平均含水率变化不大，抑尘效率高于90%；随着润湿次数的增加，抑尘剂的渗透深度加大，表层含量下降，5次之后的抑尘效率为68.02%。人为破坏堆场的概率比较低，因此可以认为喷洒一次抑尘剂，半年之内能保持较好的抑尘效果。

2.5 现场应用效果

以实验室的研究结果为基础，在邢台市内丘煤炭超市实施规模化抑尘，超市总占地10万m2。抑尘区域处在该煤炭超市的东北侧，面积约2.67 万m2，有13座锥形堆体，单座最高为5 m、重约500 t。

2017年5月14日12:30，天气晴，气温为26 ℃、相对湿度为29%、风速为3.0 m/s，东北风。抑尘车通过高压喷枪逆风向喷洒，地面和堆体的用量分别为0.5 kg/m2和0.7 kg/m2。采用气溶胶监测仪TSI 8530监测扬尘浓度，仪器距地面1.5 m。为了配合抑尘项目的实施，超市停止营业一周。

图6 抑尘效率随时间的变化

经测试，抑尘剂喷洒之前的PM2.5和PM10浓度分别为0.098 mg/m3和0.145 mg/m3；喷洒之后第1 d的PM2.5和PM10浓度分别为0.018 mg/m3和0.022 mg/m3，抑尘效率分别为81.6%和84.8%，与上文的计算结果非常接近；第3 d的PM2.5和PM10抑尘效率分别为65.3%和73.4%；第5 d的PM2.5和PM10抑尘效率分别为60.2%和70.6%。煤炭超市地处市郊，四周开阔，加之抑尘面积有限，受外来源的影响，抑尘效率随时间变化而有所下降，抑尘效率随时间的变化如图6所示。但堆体表面的状态稳定，28 d时封闭完好，煤炭堆体的表面封闭状态如图7所示。