煤塵化學組成及結構參數對煤塵潤濕性的影響規律

羅根華，李博，丁瑩瑩，張博

(1.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

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煤塵化學組成及結構參數對煤塵潤濕性的影響規律

羅根華1，李博2，丁瑩瑩1，張博1

(1.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

通過煤質化學組成和結構參數對煤塵潤濕性的影響規律，進而采用多元逐步回歸確定主要影響因素.結果表明：①煤質化學組成是導致煤體潤濕能力存在較大差異的內在因素，固定碳含量和氧含量對煤塵潤濕性的影響顯著，顆粒平均孔直徑和比孔容與煤塵潤濕性的相關性較低；②煤塵潤濕性最佳線性回歸方程為y=31.471+0.825[固定碳含量]-0.631[氧含量]，復相關系數R=0.871.

煤塵；化學組成；結構參數；潤濕接觸角；多元逐步回歸分析

0 引言

采用濕法噴霧降塵技術是煤礦井普遍采取的降塵技術[1- 4]，但煤塵顆粒表面與液體間潤濕性差導致部分煤礦井總降塵率不足50%[4- 5].進行煤塵潤濕機理和影響因素研究是提高濕法噴霧降塵效率的關鍵[6- 8].煤塵潤濕性與煤化程度有很大關系[9]，其中碳氧比對顆粒表面疏水性能影響最大[10]；何杰等研究結果表明液體pH對顆粒潤濕性有顯著影響，但有關煤塵潤濕性隨各影響因素的變化規律尚不明確.

本文采集10余種煤樣研究煤質化學組成及其結構參數對煤塵潤濕性的影響，通過多元逐步回歸分析方法確定主要影響因素，為后續建立煤塵潤濕接觸角估算模型和潤濕性分級奠定基礎.

1 實驗樣品的采集

在新暴露煤壁采集煤樣并現場密封，采集包括褐煤、長焰煤、氣煤、瘦煤和無煙煤等煤種共35組，在實驗室內進行破碎、篩分后稱取粒徑小于25 mm和小于120 μm煤樣備用.

1.1 煤質化學組成及結構參數

取粒徑小于25 mm的煤樣，分別按照國家標準中的GB/T 212- 2008和GB/T 476- 2008進行煤質工業分析和煤質元素分析并計算氧碳和氫碳摩爾比；將粒徑小于120 μm的煤樣在120℃條件下干燥5 h，采用3H- 2000系列全自動氮吸附分析儀測定參數，分別計算煤塵比孔容和平均孔直徑.

1.2 潤濕接觸角的測定

將粒徑小于25 mm的各種煤樣烘干去除表面水分，粉碎至74 μm含量在80%以上，取400 mg煤樣品，用加壓成型器在500 MPa壓力下，壓成直徑約13 mm，厚度2 mm的成型體，試片在飽和食鹽水中放置24 h.在恒濕室內，采用手動進樣并利用接觸角測定儀測定煤樣品接觸角.

2 實驗結果與分析

2.1 煤質化學組成對潤濕性的影響

(1)煤質工業分析對潤濕性的影響

灰分對煤塵潤濕性有較大影響，煤中灰分含量增加導致煤塵潤濕性增強(圖1(a))，這是由于灰分中礦物質具有較強吸水性能；從圖1(b)可知，固定碳與接觸角之間具有正相關關系(R2=0.743)，這是由于隨著煤化程度加劇，煤分子中化學活動性較強的側鏈和橋鏈逐漸減少，而具有穩定性能的縮合芳香環數增加的結果.

(a)灰分的影響

(b)固定碳的影響

煤水分含量直接影響顆粒表面zeta電位[11]，含水率增加使煤塵潤濕性增強(圖2(a))；煤中孔隙水易與液體親合，但孔隙中釋放的揮發性物質如甲烷導致顆粒潤濕性能變差，最終導致煤塵潤濕性隨揮發分含量變化規律不明顯(圖2(b)).

(a)水分的影響

(b)揮發分的影響

(2)煤質元素分析對潤濕性的影響

煤中碳含量對煤塵潤濕性有很大的影響(R2=0.738)，碳含量減少有利于提高顆粒表面潤濕性能(圖3(a))，這是由于煤化程度的加劇導致煤化學組成的芳環數急劇增加而逐漸趨向石墨結構，最終導致煤塵潤濕性能變差.低煤階的煤中所含氧官能團中部分電離并與水形成氫鍵而增加煤塵潤濕性能，煤變質過程中親水性含氧官能團脫落而導致煤親水性下降，即煤的潤濕性與氧含量呈負相關的關系.從圖3(b)可知，煤塵顆粒中氧含量與潤濕接觸角呈指數負相關關系(R2=0.712)，結果表明氧含量對煤塵表面與液體間的附著能力有較大影響.煤中H、S、N三種元素含量與煤塵潤濕性相關系數分別為R2=0.170、R2=0.031和R2=0.025，這可能與相關元素在煤中含量相對較低有關.

(a)碳含量的影響

(b)氧含量的影響

O/C和H/C摩爾比在一定程度上說明了煤變質程度[12]，不同煤階煤種顆粒表面對液體附著能力有較大差異.從圖4(a)和圖4(b)可知，O/C和H/C摩爾比與煤塵潤濕性具有負相關關系，相關系數分別為R2=0.639和R2=0.480，說明煤中氧、氫含量增加有利于提高顆粒表面親水性，顆粒中氧元素比氫元素對煤塵潤濕性影響要大.

(a)O/C摩爾比的影響

(b)H/C摩爾比的影響

2.2 煤塵結構參數對潤濕性的影響

實驗測定結果表明，不同煤礦區煤塵的孔徑大小和比孔容有較大差距.煤塵平均孔直徑介于134.4～434.4?之間(見圖5)，煤化程度越高則煤塵孔隙率呈減少趨勢，而微孔對應比孔容所占比例增加，煤塵大孔數量減少導致導致總孔容降低.測定結果表明，煤塵比孔容介于0.005 493～0.032 686 cm3/g之間(見圖6).研究表明，液體分子大小與孔隙相近時，有利于提高液體分子進入孔隙并在其內部附著，而提高顆粒潤濕性能.由于采用平均孔直徑和比孔容無法表示煤塵中不同孔徑所占比例，導致煤塵平均孔直徑和比孔容大小較難表征煤塵顆粒潤濕性.

圖5 煤塵平均孔直徑對潤濕性的影響

圖6 煤塵比孔容對潤濕性的影響

2.3 煤塵潤濕性影響因素的多元逐步回歸分析

利用SPSS15.0軟件進行自變量和因變量的偏相關分析，并通過求得的回歸系數進行顯著性檢驗，最終確定煤塵潤濕性主要影響因素并建立線性回歸方程.回歸分析結果見表1、表2和表3.從表1可知，對煤塵潤濕性影響最主要的兩個因素為固定碳含量和氧元素含量；表2說明，回歸方程系數和固定碳、氧元素含量2個因素的實際顯著性水平分別為0.018、0.000和0.036，在顯著性水平P=0.01下，固定碳含量對煤塵潤濕性的作用顯著，而氧含量的作用不顯著.

表1 統計結果

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

表2 回歸系數表

a.Dependent Variable:y代表接觸角；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，煤塵潤濕性的最佳線性回歸方程為y=31.471+0.825x1-0.631x2，方程復相關系數為R=0.871.進行多元線性回歸方程的顯著性檢驗結果見表3，最佳回歸方程的F=50.423，方程在顯著性水平P=0.01條件下的顯著性指標為0.000，說明該回歸方程線性關系顯著.

3 結論

(1)煤質組成和結構參數在不同程度上影響了煤塵潤濕性，煤質工業分析中固定碳與接觸角之間具有正相關關系，而灰分和水分含量的增加有利于提高煤的潤濕性；煤中S、N和H三種元素含量較小，對煤塵潤濕性的影響有限；煤的變質將導致碳和氧兩種元素含量和存在形式發生改變，兩種元素的不同存在形式極大地影響著煤塵潤濕性能，相關系數分別為R2=0.738和R2=0.712；煤塵顆粒平均孔直徑和比孔容與潤濕接觸角的相關性較低;

(2)煤質化學組成是導致煤體潤濕能力存在較大差異的內在因素.由多元逐步回歸分析可知，影響煤塵顆粒潤濕性的主要因素包括固定碳和氧元素含量，結構參數和其它化學參數對煤塵顆粒潤濕性影響相對較??；煤塵潤濕性最佳線性回歸方程為y =31.471+0.825x1-0.631x2，復相關系數R=0.871.

[1]孟君.綜采工作面氣水噴霧粉塵防治技術及管理研究[D].北京:中國礦業大學,2013.

[2]張延松.高壓噴霧及其在煤礦井下粉塵防治中的應用[J].重慶環境科學,1994,16(6):32- 36.

[3]盧鑒章.我國煤礦粉塵防治技術的新進展[J].煤炭科學技術,1996,24(7):1- 5.

[4]黃維剛,胡夫,劉楠琴.表面活性劑對煤塵濕潤性能的影響研究[J].礦業安全與環保,2010,37(3):4- 6.

[5]王開松,李武.綜采工作面的煤塵綜合防治[J].煤炭科學技術,2005,33(1):48- 50.

[6]GOSIEWSKA A,DRLICH J.Mineral matter distribution on coal surface and its effect on coal wettability[J].Collid and Interface Science,2002,247:107- 116.

[7]孫銀宇,聶容春,馬帥,等.煤塵潤濕性影響因素的研究[J].選煤技術,2013,2(2):31- 34.

[8]董平,單忠健,李哲.超細煤粉表面潤濕性的研究[J].煤炭學報,2004,29(3):346- 349.

[9]RODRIGUEZ J A G,PURCELL R J,APLAN F F.Estimating the hydrophobicity of coal[J].Colloids and Surface,1984,12:1- 25.

[10]CRAWFORD R J,GUY D W,MAINWARING D E.The influence of coal rank and mineral matter content on contact angle hysteresis[J].Fuel,1994,73(5):742- 746.

[11]李啟輝,吳國光,孫志強,等.煤化程度與顆粒大小對煤表面zeta電位影響研究[J].能源技術與管理,2007(3):81- 82.

[12]薛建明,王小明,劉建民.濕法煙氣脫硫設計及設備選型手冊[M].北京:中國電力出版社,2011.

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

國家自然科學基金資助項目(U1261121)

羅根華(1980-)，男，講師，博士，主要從事大氣污染控制技術和礦山環境質量演變的研究E-mail:luogenhua@163.com.

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