饱和水雾条件下环境温度对不同变质程度煤尘吸水率的影响

2021-06-23闫晶晶贺志宏刘振明

煤矿安全 2021年6期

任鹏，王飞，闫晶晶，贺志宏，刘振明，申龙

（1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原030024；2.山西煤矿安全研究生教育创新中心，山西太原030024；3.山西焦煤西山煤电集团公司，山西太原030000；4.山西汾西矿业集团通风部，山西介休032000）

现代煤矿机械化程度加深加快了掘进速度，同时增加了掘进工作面煤尘产生量，加大了矿井粉尘的治理难度[1-3]，而掘进面粉尘中5μm以下的呼吸性粉尘较难去除。长时间接触呼吸性粉尘，一些细小颗粒会进入细支气管和肺泡，会在生理、病理上产生一系列变化，导致尘肺病日益严重[4-5]。而D Prostański[6]研究发现水雾降尘是目前最常用的工作面降尘方式，普通的喷雾降尘虽能有效降低掘进工作面的粉尘浓度，但由于传统水雾降尘水雾粒径较大，难以有效捕捉呼吸性粉尘。以往的研究[7-8]表明，较小粒径的水雾对呼吸性粉尘具有更好的捕捉效果，可以通过超声雾化喷雾来提高降尘效率。大量的现场实测[9-10]发现，掘进工作面水雾降尘环境常处于饱和水雾条件下；与此同时，刘英鹏[11]等人的研究发现，环境温度对煤尘吸水率具有显著的影响。因此，进行了饱和水雾条件下环境温度对掘进工作面煤尘吸水率影响的实验研究，利用自行设计的超声雾化吸水实验系统制造饱和水雾环境，测定不同环境温度下煤尘的吸水能力，根据实验结果，得出掘进工作面呼吸性粉尘的最佳降尘环境，从而实现最佳的降尘效果。

1 饱和水雾条件下煤尘吸水率实验

1.1 实验装置

超声雾化吸水实验系统如图1。

图1 超声雾化吸水实验系统Fig.1 Ultrasonic atom ization moisture adsorption experiment system

该系统由电脑控制端、NRWT-12十二喷头超声雾化器、ZWB-0.003/7型空气压缩机、R-WTH-1000L恒温恒湿箱、MF1035C电子天平BPZ75/12高压水泵等组成。实验系统由控制段和实验段和数据处理段组成，为便于实验观测，实验段由8 mm透明亚克力板制成。

通过观察压力流量计调节空气压缩机，在实验段模型内形成稳定气流。开启高压水泵将水运输至水箱，经过滤器过滤，通过超声雾化装置的高频振荡将液态水分子打散至5～10μm，产生水雾的利用稳定气流流动至吸水装置中，形成饱和水雾条件。

1.2 实验煤样

准备20种煤样，通过测量镜质组反射率，选取具有煤阶代表性的4种煤样，分别是晋城无烟煤（WY）、官地烟煤（YM-G）、西易烟煤（YM-X）、内蒙古宝日希勒褐煤（HM），原煤去除氧化层经碎煤机粉碎和80～100目（150～180μm）标准筛的过滤，装入密封袋保存。原煤样品的工业分析和元素分析见表1。

表1 原煤样品的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal sam ples %

1.3 实验方案

首先将煤样放置在实验室环境下达到湿度平衡状态，在预先干燥和已称量的培养皿中称取500 g煤粉并均匀平摊，在30℃的恒温干燥箱中连续干燥1 h直至煤样质量恒定；然后通过自行研制的实验装置，构建饱和水雾环境，分别将晋城无烟煤（高阶）、官地烟煤（中阶）、西易烟煤（中阶）、内蒙古宝日希勒褐煤（低阶）放在吸水箱中，在不同环境温度下（20、22.5、25、27.5、30、32.5、35、37.5、40℃）进行煤尘吸水性实验。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

煤样在不同环境温度下的吸水率变化如图2。

图2 4种煤样在不同环境温度下的吸水率变化Fig.2 Change ofmoisture absorption rate of four coal samp les at different water m ist temperatures

从图2可以看出，煤尘吸水率在0～360 min内总体上呈上升趋势，虽然每次吸水率实验的环境温度不同，但煤样的吸水能力没有发生变化，吸水能力依次为HM＞YM-X＞YM-G＞WY。4种不同变质程度的煤在吸水过程中均有吸水率先升高后降低的趋势，大部分发生在120～170 min左右，环境温度为37.5、40℃时，这种趋势较为明显。从图2中发现HM和YM-G的吸水曲线起伏波动较大，而YM-X和WY的吸水曲线趋于平缓。在9个不同环境温度下，HM的上升趋势最为明显，YM-G从27.5℃开始吸水率上升幅度加大，吸水速度加快，直到35℃时吸水速度放缓。其中WY和YM-X的变质程度虽然有较大差距，但YM-X的吸水能力强于WY的吸水能力，总体上两者吸水趋势较为接近，说明2种煤样具有相似性。4种不同变质程度的煤在实验刚开始时吸水速度较快，随着时间的增加，吸水速度逐渐变小且稳定下来。

2.2 实验结果分析

2.2.1 环境温度对同一种煤尘吸水率影响

根据每个称量点的样品质量计算出各个时刻的吸水率R[11]，计算公式为：

式中：R为吸水率；m0为干燥煤样质量，g；m为称量点煤样质量，g。

不同环境温度下干燥样品在饱和水雾条件下的平均吸水率变化如图3。

图3 不同环境温度下干燥样品在饱和水雾条件下的平均吸水率变化Fig.3 Changes in average water absorption of dry sam ples under saturated water m ist at different ambient temperatures

由图3可知，4种干燥煤样的吸水率受环境温度影响较大，4种煤粉的吸水率都随环境温度先升高后减小，趋势一致。当环境温度为27.5℃时，4种煤样从0～6 h吸水率都高于其他八种环境温度，WY的平均吸水率变化幅度最小，润湿性最差。这主要是因为随着温度升高，空气中水蒸汽分压升高，蒸汽扩散到煤颗粒表面的压力差增加，水分扩散能力得到增强，所以吸水率呈现增强的趋势。另一方面，随着温度的升高，煤的吸附热减小，对应的吸附力变小，解吸附作用增强[11-12]，并且解吸附作用增强程度超过前者，因此吸水率又呈现下降趋势。这与刘英鹏等人研究得到的温度趋势一致，随着温度增加，吸水率先升高后降低，但最高吸水率对应的环境温度不同，这主要因为其研究的温度只有20、30、40℃3个温度点，而且只研究了低阶褐煤。

从图3可以看出，在环境温度20～40℃，温度每增加2.5℃，吸水率变化范围为0.6%～1.3%。

2.2.2 环境温度对不同煤样吸水率影响

在相同环境温度下，不同变质程度的煤尘的吸水率有很大差异，因此为了探究煤变质程度影响煤吸水性的作用机理，采用赛默飞IS5傅里叶红外光谱进行分析。该设备的波数扫描范围为4 000～400 cm-1，动镜速度为0.474 7 cm/s，样品扫描次数32次，背景扫描32次，采样增益为1.0。不同煤阶煤样的红外光谱如图4。

图4 不同煤阶煤样的红外光谱Fig.4 Infrared spectrum of different coal ranks

从图4可知，不同变质程度的煤具有结构相似性，波段发生震荡的位置大体一致，不同点主要在于吸光率、峰高和峰面积。主要表现在4个振动区域：羟基伸缩振动区间（3 200～3 800 cm-1）、芳香族和脂肪族C-H吸收伸缩振动区间（2 800～3 100 cm-1）、羰基C=O化合物伸缩振动区间（1 500～1 850 cm-1）和醇、醚类C-O伸缩振动区间（1 000～1 200 cm-1）。煤样的红外光谱中官能团波数及峰面积数据见表2。

表2 煤样的红外光谱中官能团波数及峰面积数据Table 2 W ave number and peak area data of functional groups in infrared spectra of coal samp les

从图4、表2可以看出，在3 200～3 800 cm-1振动吸收区包含-OH分子内缔合宽峰（3 200～3 400 cm-1）和游离-OH（3 500～3 650 cm-1），随着煤变质程度加深，-OH在分子内缔合的吸收带有逐渐下降的趋势，峰面积从YM-X开始明显减少，从HM的67.39 mm2下降到YM-X的22.57 mm2。官能团的羰基的吸收带峰面积也随着变质程度的升高而逐步降低，而醇、酚和醚类C-O吸收带峰面积变动不大。HM在芳香族C-H（3 000～3 100 cm-1）吸收带没有明显的吸收峰，变质程度较高的WY表新出很强的吸收峰，趋势与-OH变化正好相反，随着煤阶增加，芳构化程度加深，芳香核增大。在2 800～3 000 cm-1区间中，2 900～2 920 cm-1处属于甲基（-CH3）非对称伸缩振动吸收峰，2 811 cm-1处属于亚甲基（-CH2-）非对称吸收峰，都属于脂肪烃，随着煤变质程度的加深，疏水官能团吸收峰面积越来越大。已有的研究表明，决定煤尘表面亲水性的基团是羟基、羧基、羰基等官能团，决定煤尘表面疏水性的集团是脂肪烃和芳香烃[13]。煤分子结构中的亲水基团羟基和羰基是影响煤亲水性的主要基团，分子结构中的羟基等含氧基团是重要的活性氧，能够与水分子形成氢键，而且羟基等极性极大，容易和介电常数大的水结合，所以亲水基团越多，煤亲水能力越强。而芳香烃和脂肪烃都是非极性的，水是极性溶剂，所以芳香烃和脂肪烃基团越多，煤尘表面疏水性越强。从表2中可知，随着煤阶升高，亲水基团吸收峰面积逐渐降低，疏水基团吸收峰面积逐渐增加，煤吸水性越来越差。