飽和水霧條件下環境溫度對不同變質程度煤塵吸水率的影響

任 鵬，王 飛，閆晶晶，賀志宏，劉振明，申 龍

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原030024；2.山西煤礦安全研究生教育創新中心，山西 太原030024；3.山西焦煤西山煤電集團公司，山西 太原030000；4.山西汾西礦業集團 通風部，山西 介休032000）

現代煤礦機械化程度加深加快了掘進速度，同時增加了掘進工作面煤塵產生量，加大了礦井粉塵的治理難度[1-3]，而掘進面粉塵中5μm以下的呼吸性粉塵較難去除。長時間接觸呼吸性粉塵，一些細小顆粒會進入細支氣管和肺泡，會在生理、病理上產生一系列變化，導致塵肺病日益嚴重[4-5]。而D Prostański[6]研究發現水霧降塵是目前最常用的工作面降塵方式，普通的噴霧降塵雖能有效降低掘進工作面的粉塵濃度，但由于傳統水霧降塵水霧粒徑較大，難以有效捕捉呼吸性粉塵。以往的研究[7-8]表明，較小粒徑的水霧對呼吸性粉塵具有更好的捕捉效果，可以通過超聲霧化噴霧來提高降塵效率。大量的現場實測[9-10]發現，掘進工作面水霧降塵環境常處于飽和水霧條件下；與此同時，劉英鵬[11]等人的研究發現，環境溫度對煤塵吸水率具有顯著的影響。因此，進行了飽和水霧條件下環境溫度對掘進工作面煤塵吸水率影響的實驗研究，利用自行設計的超聲霧化吸水實驗系統制造飽和水霧環境，測定不同環境溫度下煤塵的吸水能力，根據實驗結果，得出掘進工作面呼吸性粉塵的最佳降塵環境，從而實現最佳的降塵效果。

1 飽和水霧條件下煤塵吸水率實驗

1.1 實驗裝置

超聲霧化吸水實驗系統如圖1。

圖1 超聲霧化吸水實驗系統Fig.1 Ultrasonic atom ization moisture adsorption experiment system

該系統由電腦控制端、NRWT-12十二噴頭超聲霧化器、ZWB-0.003/7型空氣壓縮機、R-WTH-1000L恒溫恒濕箱、MF1035C電子天平BPZ75/12高壓水泵等組成。實驗系統由控制段和實驗段和數據處理段組成，為便于實驗觀測，實驗段由8 mm透明亞克力板制成。

通過觀察壓力流量計調節空氣壓縮機，在實驗段模型內形成穩定氣流。開啟高壓水泵將水運輸至水箱，經過濾器過濾，通過超聲霧化裝置的高頻振蕩將液態水分子打散至5～10μm，產生水霧的利用穩定氣流流動至吸水裝置中，形成飽和水霧條件。

1.2 實驗煤樣

準備20種煤樣，通過測量鏡質組反射率，選取具有煤階代表性的4種煤樣，分別是晉城無煙煤（WY）、官地煙煤（YM-G）、西易煙煤（YM-X）、內蒙古寶日希勒褐煤（HM），原煤去除氧化層經碎煤機粉碎和80～100目（150～180μm）標準篩的過濾，裝入密封袋保存。原煤樣品的工業分析和元素分析見表1。

表1 原煤樣品的工業分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal sam ples %

1.3 實驗方案

首先將煤樣放置在實驗室環境下達到濕度平衡狀態，在預先干燥和已稱量的培養皿中稱取500 g煤粉并均勻平攤，在30℃的恒溫干燥箱中連續干燥1 h直至煤樣質量恒定；然后通過自行研制的實驗裝置，構建飽和水霧環境，分別將晉城無煙煤（高階）、官地煙煤（中階）、西易煙煤（中階）、內蒙古寶日希勒褐煤（低階）放在吸水箱中，在不同環境溫度下（20、22.5、25、27.5、30、32.5、35、37.5、40℃）進行煤塵吸水性實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

煤樣在不同環境溫度下的吸水率變化如圖2。

圖2 4種煤樣在不同環境溫度下的吸水率變化Fig.2 Change ofmoisture absorption rate of four coal samp les at different water m ist temperatures

從圖2可以看出，煤塵吸水率在0～360 min內總體上呈上升趨勢，雖然每次吸水率實驗的環境溫度不同，但煤樣的吸水能力沒有發生變化，吸水能力依次為HM＞YM-X＞YM-G＞WY。4種不同變質程度的煤在吸水過程中均有吸水率先升高后降低的趨勢，大部分發生在120～170 min左右，環境溫度為37.5、40℃時，這種趨勢較為明顯。從圖2中發現HM和YM-G的吸水曲線起伏波動較大，而YM-X和WY的吸水曲線趨于平緩。在9個不同環境溫度下，HM的上升趨勢最為明顯，YM-G從27.5℃開始吸水率上升幅度加大，吸水速度加快，直到35℃時吸水速度放緩。其中WY和YM-X的變質程度雖然有較大差距，但YM-X的吸水能力強于WY的吸水能力，總體上兩者吸水趨勢較為接近，說明2種煤樣具有相似性。4種不同變質程度的煤在實驗剛開始時吸水速度較快，隨著時間的增加，吸水速度逐漸變小且穩定下來。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 環境溫度對同一種煤塵吸水率影響

根據每個稱量點的樣品質量計算出各個時刻的吸水率R[11]，計算公式為：

式中：R為吸水率；m0為干燥煤樣質量，g；m為稱量點煤樣質量，g。

不同環境溫度下干燥樣品在飽和水霧條件下的平均吸水率變化如圖3。

圖3 不同環境溫度下干燥樣品在飽和水霧條件下的平均吸水率變化Fig.3 Changes in average water absorption of dry sam ples under saturated water m ist at different ambient temperatures

由圖3可知，4種干燥煤樣的吸水率受環境溫度影響較大，4種煤粉的吸水率都隨環境溫度先升高后減小，趨勢一致。當環境溫度為27.5℃時，4種煤樣從0～6 h吸水率都高于其他八種環境溫度，WY的平均吸水率變化幅度最小，潤濕性最差。這主要是因為隨著溫度升高，空氣中水蒸汽分壓升高，蒸汽擴散到煤顆粒表面的壓力差增加，水分擴散能力得到增強，所以吸水率呈現增強的趨勢。另一方面，隨著溫度的升高，煤的吸附熱減小，對應的吸附力變小，解吸附作用增強[11-12]，并且解吸附作用增強程度超過前者，因此吸水率又呈現下降趨勢。這與劉英鵬等人研究得到的溫度趨勢一致，隨著溫度增加，吸水率先升高后降低，但最高吸水率對應的環境溫度不同，這主要因為其研究的溫度只有20、30、40℃3個溫度點，而且只研究了低階褐煤。

從圖3可以看出，在環境溫度20～40℃，溫度每增加2.5℃，吸水率變化范圍為0.6%～1.3%。

2.2.2 環境溫度對不同煤樣吸水率影響

在相同環境溫度下，不同變質程度的煤塵的吸水率有很大差異，因此為了探究煤變質程度影響煤吸水性的作用機理，采用賽默飛IS5傅里葉紅外光譜進行分析。該設備的波數掃描范圍為4 000～400 cm-1，動鏡速度為0.474 7 cm/s，樣品掃描次數32次，背景掃描32次，采樣增益為1.0。不同煤階煤樣的紅外光譜如圖4。

圖4 不同煤階煤樣的紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of different coal ranks

從圖4可知，不同變質程度的煤具有結構相似性，波段發生震蕩的位置大體一致，不同點主要在于吸光率、峰高和峰面積。主要表現在4個振動區域：羥基伸縮振動區間（3 200～3 800 cm-1）、芳香族和脂肪族C-H吸收伸縮振動區間（2 800～3 100 cm-1）、羰基C=O化合物伸縮振動區間（1 500～1 850 cm-1）和醇、醚類C-O伸縮振動區間（1 000～1 200 cm-1）。煤樣的紅外光譜中官能團波數及峰面積數據見表2。

表2 煤樣的紅外光譜中官能團波數及峰面積數據Table 2 W ave number and peak area data of functional groups in infrared spectra of coal samp les

從圖4、表2可以看出，在3 200～3 800 cm-1振動吸收區包含-OH分子內締合寬峰（3 200～3 400 cm-1）和游離-OH（3 500～3 650 cm-1），隨著煤變質程度加深，-OH在分子內締合的吸收帶有逐漸下降的趨勢，峰面積從YM-X開始明顯減少，從HM的67.39 mm2下降到YM-X的22.57 mm2。官能團的羰基的吸收帶峰面積也隨著變質程度的升高而逐步降低，而醇、酚和醚類C-O吸收帶峰面積變動不大。HM在芳香族C-H（3 000～3 100 cm-1）吸收帶沒有明顯的吸收峰，變質程度較高的WY表新出很強的吸收峰，趨勢與-OH變化正好相反，隨著煤階增加，芳構化程度加深，芳香核增大。在2 800～3 000 cm-1區間中，2 900～2 920 cm-1處屬于甲基（-CH3）非對稱伸縮振動吸收峰，2 811 cm-1處屬于亞甲基（-CH2-）非對稱吸收峰，都屬于脂肪烴，隨著煤變質程度的加深，疏水官能團吸收峰面積越來越大。已有的研究表明，決定煤塵表面親水性的基團是羥基、羧基、羰基等官能團，決定煤塵表面疏水性的集團是脂肪烴和芳香烴[13]。煤分子結構中的親水基團羥基和羰基是影響煤親水性的主要基團，分子結構中的羥基等含氧基團是重要的活性氧，能夠與水分子形成氫鍵，而且羥基等極性極大，容易和介電常數大的水結合，所以親水基團越多，煤親水能力越強。而芳香烴和脂肪烴都是非極性的，水是極性溶劑，所以芳香烴和脂肪烴基團越多，煤塵表面疏水性越強。從表2中可知，隨著煤階升高，親水基團吸收峰面積逐漸降低，疏水基團吸收峰面積逐漸增加，煤吸水性越來越差。

3結 論

1）環境溫度對煤塵吸水率影響較大。在飽和水霧條件下，環境溫度從20℃到40℃不斷升高，同一種變質程度的煤的吸水率先升高后降低，最佳煤塵吸水率對應的環境溫度為27.5℃。雖然4種煤變質程度有較大區別，但在飽和水霧條件下煤塵吸水趨勢一致，且最佳環境溫度都為27.5℃。

2）隨著煤變質程度加深，羥基和羰基等含氧官能團越來越少，芳香烴、脂肪烴等基團逐漸增加，碳結構官能團增加，煤往石墨化方向變化，導致煤的吸水率降低，相應的煤的潤濕性變差

3）在飽和水霧條件下，環境溫度為27.5℃，煤塵為低階褐煤時，煤的吸水率最高，潤濕性最佳，降塵效果最好。