粒径对褐煤粉尘润湿性的影响研究

张 洋，崔豫楠，闫晶晶，李治刚，郭红光，李雨成

(太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024)

粉尘危害是煤炭开采与运输过程中的主要危害之一，严重影响煤矿的高效生产，同时威胁到工人的身体健康[1]。实测结果表明，即使采取了防尘措施，在综掘工作面司机处的最大粉尘浓度依旧能达到400～900 mg/m3，其远远超过了国家标准[2-4]。根据2020年公布的《2019年我国卫生健康事业发展统计公报》显示，2019年尘肺病患者数量约占全国职业病病例总数的82%，其中有58.66%的尘肺病患者分布在煤炭和有色金属开采行业，尘肺病等职业病防治形势仍然十分严峻[4-5]。因此，采取有效的粉尘防治措施，降低煤炭开采现场粉尘浓度迫在眉睫。

近年来国内外学者通过研究提出了诸多降尘技术，其中喷雾降尘技术由于装置简单和成本较低而被广泛应用[6-8]。为提高喷雾降尘效果，有关科研人员对煤尘润湿性开展了大量研究。董平等利用接触角自动测量仪测量了5种不同变质程度的超细煤粉的接触角，发现超细煤粉的表面具有极强的疏水性[9-10]；杨静等通过NMR和XPS实验对6种不同变质程度的煤尘表面碳(氧)基团的分布特征进行了研究，发现芳香基团和羟基分别是碳基团和氧基团的主要影响因子，对煤尘润湿性的影响较大[11-12]。

相关研究人员基于不同煤种的物理化学特性及表面活性剂对煤尘润湿性的影响进行了大量的研究并取得了较大进展，研究表明同一煤种因其粒径变化也会对煤尘润湿性及润湿速率产生较大的影响[13-14]。为了研究粒径对煤尘润湿性的影响，笔者选取内蒙古雁南煤矿的4组不同粒径的褐煤煤粉，通过接触角实验、红外光谱测试、沉降实验和润湿热实验，从微观和宏观2个方面对煤尘润湿性进行研究，探讨不同粒径煤尘对润湿效率的影响规律。该研究对优化喷雾降尘中雾滴特性，提高矿井煤尘润湿效率具有一定的参考价值。

1 实验样品和实验方法

1.1 样品制备

将内蒙古雁南煤矿褐煤煤样放入球磨机中研磨一段时间后取出，用标准筛筛分得到4组粒径：①1～74 μm(200目)、②75～95 μm(160目)、③96～119 μm(120目)、④120～180 μm(80目)样品。

1.2 实验方法

1)根据GB/T 30732—2014《煤的工业分析方法》和GB/T 31391—2015《煤的元素分析方法》标准，对煤尘样品进行分析，结果如表1所示。

表1 煤粉的工业分析、元素分析结果 单位：%

2)采用SDC-350接触角测量仪对煤粉样品表面润湿性进行测定。利用成型煤粉法，将200 mg煤粉用压片机在10 MPa压力下压制成直径13 mm、厚度2 mm且具有光滑平面的圆柱煤片，用洗耳球吹掉煤片上的煤粉，利用测量仪测定接触角[15]。

3)采用WKL-722粉尘分散度测试仪对不同粒径煤粉样品进行沉降实验研究。首先进行煤粉样品分散度测定，然后使用天平称取100 mg实验煤粉，分别放入装有200 mL不同温度清水的量筒中，使其在静置状态下自然沉降12 h，12 h后抽取量筒中的悬浮液，最后用分散度测试仪对悬浮液中的煤粉进行分散度测定。

4)为探究不同粒径煤尘表面微观结构的差异，采用FTIR-1500傅里叶变换红外光谱仪对煤尘进行FTIR光谱测定。先将烤箱内在恒温105 ℃条件下干燥12 h的实验煤粉样品放置于玛瑙研钵中，再加入干燥的光谱纯溴化钾(溴化钾的质量是样品的200倍)，充分混合均匀后取适量的混合样品置于压模中，使其分布均匀。把压模水平放置于压片机座上，将其加压至10 MPa，等待2 min，确保其均匀、无残缺、表面平滑且透光好。取出供试片并置于红外光谱仪样品室进行测试[16]。

5)采用Staram C80微量热仪对4组粒径煤粉样品进行润湿热测定，温度设定为30 ℃、恒温。将提前筛分的4组粒径干燥煤粉各称取200 mg放置于膜混合池底部，用铝箔膜将其密封，然后在膜混合池上部放入1.5 mL的蒸馏水，随后将其放入微量热仪中，待恒温平衡之后，用膜混合池自带的顶针刺破铝箔膜，使水和煤粉样品接触。由软件记录4组粒径煤尘润湿过程的热流线，待润湿过程结束后，对热流线进行积分，得到润湿热值[17]。

2 结果与讨论

2.1 润湿接触角分析

所谓接触角是指在一固体水平平面上滴一液滴，在固体表面上的固—液—气三相交界点处，气—液界面和固—液界面两切线把液相夹在其中时所形成的角度。一般而言，接触角越小，润湿性越好，一般把接触角θ=90°定义为润湿与否的标准：θ>90°为不润湿;θ<90°为润湿[18]。

实验测得不同粒径煤尘的接触角数据如图1 所示。

(a)测试图片

由图1可以明显看出，褐煤的润湿性较好，但是随着煤尘粒径增大，煤尘的接触角呈下降趋势，由最大59.183°减小到39.684°，说明煤尘粒径的减小导致了煤尘润湿性的降低。

2.2 煤尘的沉降分析

在清水沉降实验中，设定4种恒定沉降温度(20、25、30、40 ℃)，沉降时间为12 h，沉降后抽取量筒中部区域的悬浮液，并对其进行分散度测定。选取占比较大且具有代表性的较小粒径煤尘S1(1≤S1<2 μm)和S2(2≤S2<3 μm)，较大粒径煤尘B1(120≤B1<140 μm)和B2(140≤B2<160 μm)进行粒径分布情况数据统计。不同恒定沉降温度下悬浮液煤尘粒径分布曲线如图2所示。

图2 不同恒定沉降温度下悬浮液煤尘粒径分布曲线

由图2可见，相较于对照组原始煤尘的分散度占比情况，小粒径煤尘S1和S2随着悬浮液温度升高其占比逐渐增大；而大粒径煤尘B1和B2随着悬浮液温度升高其占比逐渐降低。这一现象表明：小粒径煤尘受高温影响，热膨胀导致小粒径煤尘密度变小，导致煤尘上升(浮力大于重力)；大粒径煤尘受高温影响(热动力)，加剧了煤尘沉降。

对煤尘沉降实验分析发现，悬浮液中的煤尘颗粒主要受到自身重力、浮力、静电斥力，以及溶液对煤尘的润湿能力等的影响[19]。通过研究进一步发现，当煤尘颗粒较大时，重力对煤尘沉降起主要作用，因此沉降速度较快，而且随着温度的增高会加速煤尘沉降;当煤尘颗粒较小时，浮力作用突显，同时煤尘间静电斥力增强，煤尘颗粒更易悬浮于流体中，同时高温强化了浮力作用，使其更不容易团聚沉降。沉降效果在一定程度上反映了不同粒径煤尘的润湿性差异，并为喷雾降尘机理的阐述奠定了基础。

此外，由样品沉降实验可知，润湿速率随煤尘平均粒度的增大而增高，因为在图2中大粒径的初始煤粉样品都在沉降12 h之后下降了。从25 ℃悬浮液的占比情况可以看出，大粒径煤尘B1+B2占比由一开始的13.61%降至3.59%，而小粒径煤尘S1+S2占比却从开始的11.03%在沉降之后的悬浮液中增加至24.39%，这一结果表明大粒径煤尘在沉降过程中润湿比较好。其原因是粒径越小的煤尘表面不饱和性越大，加之粒径越小的煤尘表面粗糙程度越高，煤尘润湿性越差[19]。

2.3 煤尘表面官能团分析

煤是芳香大分子缩聚而成的高分子聚合物，这些大分子由许多不同特点的基本结构单元组成，核心是缩合芳香环。已有研究表明，脂肪烃、芳香烃等基团是煤尘表面的主要疏水基团，是决定煤尘表面疏水性的主要因素；羧基、羟基等含氧官能团及矿物类基团，则是导致煤尘亲水性的主要因素[20]。实验所测不同粒径煤尘的红外光谱如图3所示。

图3 不同粒径煤尘的红外光谱图

由图3可以看出，4组粒径煤尘红外光谱图的吸光度的变化趋势较相似，在796.176～804.542、1 094.568～1 102.934、1 614.662～1 623.028、2 919.777～2 928.143、3 421.744～3 430.111 cm-1附近都出现了吸收峰，这5处吸收峰分别对应取代苯类的吸收带、石英Si—O—Si的反对称伸缩振动带、芳香族环的伸缩振动峰、脂肪族系列的伸缩振动峰、羟基—OH形成的氢键吸收带。虽然各组煤尘吸光度的变化趋势较相似，但光谱的强度峰宽还是存在差异，说明煤尘粒径的变化导致其官能团占比也发生了变化。通过软件对与煤尘润湿性密切相关的含氧基团占比进行分析，利用基团的峰面积比来表示其占比，得到不同粒径煤尘的含氧官能团占比如表2所示[15]。

表2 不同粒径煤尘的含氧官能团占比

由表2可以看出，羟基—OH由大粒径煤尘的35.86%降至小粒径煤尘的29.82%，羧基—COOH由大粒径煤尘的14.25%降至小粒径煤尘的5.26%，说明随着煤尘粒径的减小，含氧官能团数量逐渐减少，煤尘亲水性影响因子减小[7，12]。

2.4 润湿热分析

润湿热是指煤被液体润湿时释放出的热量，通常用1 g煤被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。在30 ℃的条件下测得不同粒径煤尘的润湿热流线如图4所示。通过对热流线积分得到不同粒径煤尘润湿热值见表3。

图4 不同粒径煤尘的润湿热流线图

润湿热的产生是液体在煤的孔隙内表面上发生吸附作用的结果，其大小受矿物质的质量分数、比表面积等多种因素影响，一般来说，随着煤阶的降低，煤尘表面的润湿热越大，其润湿性越好[21]。

由图4和表3可以看出，在润湿初期，由于水分子在煤尘表面充分铺展，4组粒径煤尘润湿过程迅速发生，后期由于受到孔隙阻力的影响，润湿放热速率减小；与大粒径煤尘相比，粒径较小的煤尘热流线峰值均上升且上升幅度较为明显,粒径120～180 μm煤尘的放热速率在2.6 min达到了峰值，其润湿热值为10.015 J/g;而粒径1～74 μm煤尘的放热速率在3.2 min才达到峰值，其润湿热值为28.588 J/g，这说明同一种煤尘随着粒径的减小，润湿热逐渐增大。这有可能是煤粉在细化过程中，随着煤尘粒径的减小，煤尘内部的一些微孔被打开，导致煤尘比表面积增大，吸附作用增强，润湿热受其主导也增高[15]。而本文前面的实验已经表明煤尘粒径越小其润湿性越差，为了更好地分析润湿热与润湿性之间的相互关系，对图1与表3的数据进行线性回归分析,得到煤尘润湿热与接触角的拟合关系，如图5所示。

图5 煤尘润湿热与接触角的拟合关系图

由图5拟合得到煤尘润湿热与接触角的关系式为y=0.899x-24.219，相关性较高(R2=0.934)，可以发现同一种煤随着煤尘粒径的减小，润湿热与接触角相继增大，煤尘润湿性变差。因此，润湿热在这里可以表征同一种煤(雁南煤矿褐煤)不同粒径煤尘的润湿性好坏。

3 结论

1)对于同一煤种，随着煤尘粒径的减小，煤尘与液体的接触角逐渐增大(39.684°～59.183°)，疏水性增强，雁南煤矿煤尘随着粒径减小其润湿性变差。

2)清水沉降实验中，较大粒径煤尘B1+B2和较小粒径煤尘S1+S2的占比由沉降前的13.61%、11.03%，在25 ℃悬浮液中沉降后分别变为3.59%、24.39%，表明大粒径煤尘更容易亲水沉降。

3)相同煤种不同煤尘粒径红外谱图的吸光度变化趋势非常相似，通过计算发现随着煤尘粒径的减小，煤尘所含的含氧官能团逐渐减少，煤尘亲水性影响因子减小。

4)对于同一煤种(雁南煤矿褐煤)，随着煤尘粒径的减小其润湿热与接触角相继增大，润湿性变差，表明润湿热可以用于表征同一煤种不同粒径煤尘润湿性的好坏。