化学团聚剂对煤尘团聚性能的影响

张迎新, 唐 露, 王佳伟, 杨 康

(黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着煤炭开采机械化率的提高,井下各个生产环节的产尘量大幅增加。井下煤尘浓度过高易导致煤尘发生爆炸,且煤尘漂浮在空气中,人体长期吸入会对健康造成损害[1]。添加化学抑尘剂的喷雾降尘是目前各个矿井采用较多的降尘方法[2]。按照化学抑尘剂的抑尘机理分类,化学抑尘剂可以分为粉尘湿润剂、粘结剂和凝聚剂三大类。湿润剂用于提高水对粉尘的湿润能力和抑尘效果,它特别适合于疏水性的呼吸性粉尘。郭王勇等[3]研究发现抑尘剂的润湿性与煤尘的灰分,液固之间的表面张力以及抑尘剂的电动电位有关。李仲文等[4]利用悬滴法和座滴法分别测定了多种湿润剂溶液的表面张力以及与无烟煤的接触角,优选出了一种抑尘效果较好的润湿剂溶液。以上这些研究可以有效降低大粒径煤尘浓度,但对75 μm及以下粒径煤尘作用效果有限。75 μm及以下粒径煤尘是煤尘爆炸的主要参与成分,这部分煤尘不易沉降,长期漂浮在空气中。

团聚技术是提高细颗粒物清除效率的有效方法,团聚技术主要有声团聚[5]、电团聚[6]、磁团聚[7]、化学团聚[8-9]等几种方式。其中化学团聚技术是通过化学团聚剂将细微颗粒团聚,化学团聚剂是粉尘粘结剂,它不同于湿润剂通过改变水和粉尘表面的极性从而加速润湿粉尘,也不同于凝聚剂通过吸收大量水分使粉尘保持较高的含湿量从而防止扬尘。化学团聚剂是通过高分子链的吸附搭桥作用使粉尘团聚长大,增大粒径[10]。化学团聚技术在电厂降低燃煤飞灰浓度中应用广泛,能有效团聚常规除尘器难以捕捉的细微粒径飞灰。

传统的纯水喷雾降尘对75 μm及以下粒径煤尘除尘率较低,化学团聚技术可将这部分煤尘团聚长大,加速沉降。煤矿使用化学团聚技术无需改变正常生产条件及现有除尘设备,通过在喷雾降尘的水中添加适量团聚剂,可以有效降低井下煤尘浓度。笔者根据团聚剂合成方法及分子链所带电荷性质不同,选取了5种化学团聚剂,通过对团聚前后煤尘粒径变化的分析,研究团聚剂种类,浓度以及温度对团聚效果的影响,探究煤尘的团聚行为。

1 实 验

1.1 实验样品与试剂

实验煤样取自七台河矿业集团公司建设煤矿。在参考国内外有关降尘用团聚剂配方、专利及相关学术论文的基础上,本着无毒无害、保存时间长且理化性质不变、不可燃、对金属和橡胶无腐蚀、成本低且运输方便的原则,从现有的团聚剂中优选了用途较广的阴离子、非离子、阳离子3类团聚剂,5种试剂进行实验[11-12]。其中,羧甲基纤维素钠(简称CMC),为阴离子,分子式为C6H7O2(OH)2OCH2COONa,黄单胞多糖(简称XTG),为阴离子,分子式为C8H14Cl2N2O2,离子聚丙烯酰胺(简称PAM),为非离子,分子式为CH2CHCONH2,阳离子聚丙烯酰胺(简称CPAM),为阳离子,结构式为[CH2CH(CONH2)]-[(CH2CH)COO-CH2CH2N+(CH3)3CL],阴离子聚丙烯酰胺(简称APAM),为阴离子,结构式为[CH2CH(CONH2)]-[CH2CH(COONa)]。试剂均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 实验设备

实验所需设备主要包括水浴锅、粒径分析仪、场发射扫描电子显微镜、恒温加热箱、电子天平、烧杯。其中,溶液温度控制与搅拌转速控制采用HH-J2型数显搅拌水浴锅,转速可控范围0～2 000 r/min,温度可控范围0～80 ℃。煤尘粒径分布使用马尔文Mastersizer3000E激光粒度分析仪测量,该仪器采用激光衍射技术测量粒度,当激光束穿过分散的颗粒样品时,通过测量散射光的强度来完成粒度测量,数据用于分析计算形成该散射图谱的粒度,可测量粒度范围为0.1～1 000 μm。

1.3 实验方法

煤样取自七台河矿业集团公司建设煤矿,将其放入密封袋内保存送至实验室,利用破碎机对其进行破碎处理,使用200目标准分样筛筛选后保存。实验时称取煤尘样品1 g,将其加入不同温度的500 mL团聚剂溶液(团聚剂与去离子水配制)中,使用电磁搅拌仪(700 r/min)搅拌3 min,使液面上产生紊流条件,煤尘均匀分布于溶液中,从而促进煤尘发生团聚。常温静置沉降24 h,使用恒温加热箱保持与团聚剂溶液相同温度,对其烘干后取团聚煤尘样品,使用激光粒度分析仪测试团聚后煤尘粒径分布,取累计粒度分布数达到10%时所对应的粒径D10、累计粒度分布数达到50%时所对应的粒径D50等具有代表性的参数,每个实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 团聚剂种类

煤尘团聚是通过团聚剂的分子链将两个或更多的煤尘吸附,再通过分子链自身的“架桥”方式将其连接,从而使得被吸附的煤尘之间相互接触,团聚长大。不同团聚剂的分子量与分子结构存在差异,故其对煤尘的团聚效果也不尽相同。

图1为团聚剂溶液温度t=25 ℃,搅拌转速700 r/min,团聚剂浓度0.1 g/L时,不同种类团聚剂溶液对煤尘团聚作用的影响。主要表征为D10及D50参数的变化。

图1 不同种类团聚剂的团聚效果Fig.1 Agglomeration effect of different agglomeration agents

从图1可以看出,未添加任何团聚剂的去离子水中,D10为6.16 μm,D50为26.9 μm,使用XTG团聚后,D10与D50分别增至15.2 μm及82.9 μm,煤尘的粒径分布有明显增长,表明煤尘与团聚剂分子链之间产生了吸附反应。因为不同的团聚剂所含分子量不同,对煤尘的团聚促进作用有所差异,其中,XTG的分子量适中,分子链为线性结构,伸展度较好[13],促进效果最好。APAM团聚效果略优于PAM和CPAM,这是因为对于疏水性固体粒子在水中分散时,使用阴离子高分子表面活性剂做分散剂最有效,团聚剂分子在煤尘上定向吸附后,煤尘带有电荷,形成双电层,使分散体趋于稳定[14]。CPAM团聚效果不如PAM和APAM,这与吴超[14]的研究结果一致,阳离子型团聚剂在水中能够电离出阳离子,且CPAM作为有机高分子化合物会电离出较多有机胺衍生物,不易与煤尘吸附。非离子型团聚剂PAM不会在水中发生电离,溶剂稳定性高[15]。

2.2 团聚剂浓度

团聚剂溶液浓度也是影响煤尘团聚长大效果的重要因素,文中选取XTG和APAM这2种团聚剂,在温度t=25 ℃,团聚剂溶液浓度分别为0.05、0.10、0.20、0.30 g/L时,探究浓度对团聚效果的影响。图2为上述实验条件下煤尘的累计粒度分布粒径D50结果。

图2 团聚剂浓度对团聚效果的影响Fig.2 Effect of agglomeration agent concentration on agglomeration

由图2可知,在XTG溶液浓度低于0.10 g/L时,随着团聚剂溶液浓度增加,煤尘累计粒度分布粒径显著增加。在溶液浓度由0.05 g/L增加至0.10 g/L时,D50由62.7 μm增长至82.9 μm,粒径分布增长32%。但当浓度超过0.10 g/L时,随着浓度逐渐增大,煤尘累计粒度分布粒径呈现减小的趋势。APAM团聚剂溶液浓度由低增高,煤尘累计粒度分布粒径也呈现先增大后减小的趋势。浓度为0.20 g/L时,较浓度为0.05 g/L时粒径分布增长50%,但当浓度超过0.2 g/L时,D50逐渐减小。出现这种现象是由于溶液浓度逐渐增大过程中团聚剂分子数量增多,分子链吸附煤尘能力加强,可以团聚更多煤尘。但浓度过大时,溶液中过量的团聚剂分子相互挤压,分子链不易伸展,对煤尘的吸附架桥作用难以实现[16],并且煤尘比表面积较小,煤尘表面被过量团聚剂分子饱和吸附,没有足够多的空余吸附位置,因此团聚效果较之前有所降低。综上,团聚剂浓度存在一个最佳区间,过高或过低均会影响团聚效果,XTG与APAM最佳团聚浓度存在差别,这是因为XTG的分子量比APAM高,浓度相同时,XTG的分子数量更多。

2.3 团聚剂温度

团聚剂溶液温度对煤尘团聚效果也有较大影响,不同团聚剂在不同温度下的物性表现不同。选用XTG、CPAM、CMC 3种团聚剂,保持浓度、给尘量等条件均相同的情况下,改变溶液温度,图3为溶液温度对团聚效果的影响。

图3 溶液温度对团聚效果的影响Fig.3 Effect of solution temperature on agglomeration

由图3可知,团聚效果与团聚剂溶液温度呈正相关。在温度,浓度相同的情况下,XTG的团聚效果最好,CPAM次之,CMC最差,这与团聚剂的分子量有关,XTG的分子量高于CPAM与CMC。随着团聚剂溶液温度的增加,团聚效果均逐渐增强。温度由25 ℃上升至40 ℃时,CPAM与CMC团聚效果显著提升,经CPAM团聚后的煤尘累计粒度分布粒径D50由66.1 μm升至73.5 μm,增长了11%,与此同时,CMC增长了17%,XTG增长2%。这是由于温度升高,溶液中分子热运动加剧,且升温导致团聚剂分子链进一步伸展,煤尘与团聚剂分子链碰撞吸附概率增大,因此能够团聚更多煤尘[17]。但温度由40 ℃升至60 ℃时,三种团聚剂溶液团聚效果增强趋势放缓,CPAM溶液煤尘累计粒度分布粒径D50由73.5 μm升至77.8 μm,仅增长5%。这可能是因为溶液中煤尘与团聚剂分子吸附已经较为完全,无法发生更多团聚。

3 煤尘团聚过程分析

使用场发射扫描电子显微镜对团聚前后煤尘的微观形貌进行观察,结果如图4所示。由图4a可知,未进行团聚的煤尘独立分散,主要以不规则颗粒存在。图4b是煤尘与团聚剂溶液团聚作用后的微观形貌,从图4b中可以看出,煤尘经团聚剂后形成了稳定的链状结构团聚体。

图4 煤尘团聚前SEM图Fig.4 SEM images before and after coal dust agglomeration

化学团聚剂分子在黏性力作用下将单个煤尘吸附后,又通过分子自身的长链继续吸附其他一个或多个煤尘,这样煤尘之间通过分子链“架桥”方式连接在一起,形成“煤尘-高分子链-煤尘”链状絮凝体[18]。当煤尘表面有足够多的空余吸附位置并且有相对多的团聚剂分子链向外伸展时,不同链状絮凝体之间可以互相吸附构成网状结构。溶液中不断发生的这种现象使得分子链更易于捕获并吸附煤尘,进一步起到增大团聚体体积的作用。

4 结 论

(1)化学团聚技术可有效促进煤尘团聚长大,加入团聚剂后煤尘累计粒度分布粒径D10与D50与纯水相比均提高约2倍,其中,经XTG团聚后煤尘D50提高了3倍。

(2)在一定浓度范围内,团聚剂促进煤尘团聚的效果随着团聚剂溶液浓度增加而提高。XTG浓度小于0.10 g/L时,增大其浓度可以增强团聚效果,当XTG浓度大于0.10 g/L时,继续增大团聚剂浓度,团聚效果有所减弱。考虑到环境适用性以及经济性,使用XTG作为团聚剂时,浓度以0.10 g/L为宜。

(3)低温环境不利于团聚剂作用。适当升高团聚剂溶液温度,溶液中煤尘和团聚剂分子热运动加剧,碰撞并吸附在一起的概率增大,并且温度升高,团聚剂分子链伸展度较好,更易于吸附煤尘。