劉曉莉 柳 鵬 張福強(qiáng) 蘇璐璐 劉永剛

(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津市紅橋區(qū)，300130；2.河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司物流公司, 河北省張家口市，075100)

我國是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2018年煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比雖然首次低于60%，但由于我國能源結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了在未來的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。煤炭在開采、裝卸、運(yùn)輸和儲存過程中容易揚(yáng)塵，危害人身健康和安全生產(chǎn)，損耗物料的同時(shí)又污染大氣及生態(tài)環(huán)境。抑塵劑通過保濕、潤濕和膠結(jié)作用提高了灑水抑塵的效率，已在采掘工作面和鐵路運(yùn)輸中得到應(yīng)用。

在露天堆場，抑塵劑以提高煤炭含水率的濕抑塵方式，或以膠結(jié)顆粒的干抑塵方式發(fā)揮了作用，但抑塵性能的評價(jià)方法并不一致，不同單位的測試數(shù)據(jù)無法相互比較和判斷其抑塵性能的高低，因此增加了市場選擇的難度。另外，已有報(bào)道的聚合物抑塵劑均為改性生物質(zhì)，自然降解快，難以滿足6個月以上的抑塵需求。

為了構(gòu)建規(guī)范的抑塵性能評價(jià)方法，本文制備了降解較慢的丙烯酸類水性聚合物抑塵劑，通過研究恒溫恒濕條件下煤粉含水率的變化，以抑塵時(shí)間和抑塵效率評價(jià)濕抑塵性能；通過對表面形貌和聚集機(jī)制進(jìn)行分析，以壓縮強(qiáng)度評價(jià)干抑塵性能；對比現(xiàn)場應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場PM2.5和PM10抑塵效率判定實(shí)際效果。

1 材料和方法

1.1 原料與試劑

丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸羥乙酯(HEA)和過硫酸鉀(KPS)為工業(yè)級，氫氧化鈉和碳酸氫鈉為分析純。

1.2 抑塵劑合成

選取9.0 g的 AA、4.5 g的 AM、0.5 g 的AMPS、1.2 g 的HEA與20 mL去離子水混合，作為單體備用。在帶有機(jī)械攪拌、冷凝管、恒壓滴液漏斗和溫度計(jì)刻度為250 mL四口瓶中，加入80 mL的去離子水和0.1 g的NaHCO3后攪拌，在溫度為70 ℃下加入少量KPS，8 min后開始滴加單體，30 min補(bǔ)加一次KPS，180 min后單體滴畢，在溫度為90 ℃條件下保溫1 h，冷卻至室溫，以NaOH調(diào)節(jié)至中性，出料得水性聚合物抑塵劑。產(chǎn)物呈乳白色半透明，25 ℃粘度為385 mPa?s。

1.3 供試煤粉

取用北京市供暖用煤，200目篩下粒級作為供試煤粉。利用Mastersizer 2000激光粒度儀測得的粒度分布如圖1所示。

由圖1可以看出，中值粒徑為17.58 μm。以ARL QUANT型X射線熒光光譜儀測得煤粉中SiO2、Al2O3、SO3、CaO、Fe2O3、CuO、K2O和TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.72%、18.66%、14.02%、13.92%、9.67%、2.62%、1.44%和1.44%，其它物質(zhì)為1.51%。

圖1 供試煤粉的粒度分布

1.4 含水率變化

將初始質(zhì)量Ws為20.0 g的煤粉加入到?100 mm培養(yǎng)皿中，噴灑3.0 %濃度的抑塵劑水溶液至充分濕潤，抑塵劑的用量為1.08%，記作抑塵煤粉。作為對照，噴灑等量蒸餾水，記作灑水煤粉。測定了溫度為20 ℃、相對濕度為45%條件下t時(shí)刻的煤粉質(zhì)量Wt，其含水率見式(1)：

(1)

式中：P——含水率，%；

Wt——一定條件下，t時(shí)刻的煤粉質(zhì)量，g；

Ws——初始質(zhì)量，g。

1.5 表面形貌分析

抑塵煤粉和灑水煤粉室溫干燥之后表面噴金，采用Nova Nano SEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面形貌。

1.6 壓縮強(qiáng)度測試

將120.0 g煤粉與40.0 g抑塵劑溶液混合均勻，在40 mm40 mm40 mm的黃銅模具中成型、脫模，室溫干燥。灑水煤粉使用等質(zhì)量蒸餾水，重復(fù)以上操作。根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)測試不同齡期的壓縮強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕抑塵性能評價(jià)

2.1.1 濕抑塵時(shí)間

提高煤炭含水率是灑水的主要目的，為此在溫度為20 ℃、相對濕度為45%條件下測試含水率P的變化，抑塵煤粉a、b、c分別使用的KPS用量為0.4%、0.6%和1.0%，煤粉含水率隨時(shí)間的變化如圖2所示。噴灑抑塵劑之后水分揮發(fā)緩慢，含水率始終高于灑水煤粉。

圖2 煤粉含水率隨時(shí)間的變化

研究表明，無揚(yáng)塵含水率(Dust Extinction Moisture，簡稱DEM)以上，粉體揚(yáng)塵微乎其微。一般認(rèn)為煤粉DEM為6%～8%，與交通部對煤炭露天堆垛的要求一致。本文以8.0%確定抑塵時(shí)間td，以此評價(jià)DEM以上的濕抑塵性能。抑塵煤粉b的抑塵時(shí)間達(dá)到15.75 h，是灑水煤粉的2.69倍。

2.1.2 濕抑塵效率

DEM以下容易揚(yáng)塵，可通過抑塵效率評價(jià)性能。煤粉含水率隨時(shí)間的變化方程見式(2)：

P=Ae-Bt

(2)

式中：t——時(shí)間，h；

A、B——常數(shù)。

方程(2)取自然對數(shù)后的線性回歸結(jié)果如圖3所示。

圖3 自然對數(shù)回歸結(jié)果

自td時(shí)刻至含水率達(dá)到平衡的時(shí)刻te，平均含水率見式(3)：

(3)

式中：Pav——平均含水率， %；

td——含水率為6%的時(shí)刻，h；

te——含水率達(dá)到平衡的時(shí)刻，h。

將Pav代入式(4)，分別估算裝卸過程中抑塵煤粉和灑水煤粉的揚(yáng)塵排放系數(shù)Es和E0，根據(jù)計(jì)算抑塵效率η式(5)，裝卸過程和露天堆場的抑塵效率見表1。

(4)

式中：E——揚(yáng)塵排放系數(shù)，g/t；

ki——物料的粒度乘數(shù)；

u——地面平均風(fēng)速，m/s。

(5)

式中：η——抑塵效率，%；

Es——抑塵煤粉的揚(yáng)塵排放系數(shù)，g/t；

E0——灑水煤粉的揚(yáng)塵排放系數(shù)，g/t。

表1 裝卸過程和露天堆場的抑塵效率

由表1可以看出，抑塵劑對裝卸過程中煤粉的抑塵效率高于65%。其中，抑塵煤粉b的平均含水率是灑水煤粉的2.43倍，抑塵效率達(dá)到了71.21%，其相應(yīng)的KPS用量為最終選擇。

以同樣的方法和步驟估算在露天煤炭堆場的效果，揚(yáng)塵排放模型見式(6)，根據(jù)表1的結(jié)果，抑塵效率高于75%，最高達(dá)到了85.18%。

Q=46.27u3.79e-0.556Pav

(6)

式中：Q——揚(yáng)塵量，g/(h·kg)；

u——地面平均風(fēng)速，m/s。

2.2 表面形貌分析

不同于普通灑水，水性聚合物能夠潤濕煤粉顆粒表面，膠結(jié)10 μm以下的微細(xì)顆粒，在干燥過程中有效堵塞水傳輸、延緩水揮發(fā)、提高內(nèi)聚力，煤粉的表面形貌如圖4所示。

圖4 煤粉的表面形貌

由圖4(a)可以看出，抑塵煤粉b的表面致密、平整，顆?？障断В幌啾戎?，圖4(b)中的灑水煤粉呈自然堆砌狀態(tài)、空隙可見，密實(shí)程度低。

2.3 干抑塵性能評價(jià)

干燥過程中水分不斷減少，煤粉顆粒逐漸聚集，內(nèi)聚力增加，不同齡期的壓縮強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 不同齡期的壓縮強(qiáng)度

由圖5可以看出，灑水煤粉和抑塵煤粉b在第7 d的時(shí)候壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到0.59 MPa和1.51 MPa。隨著水分的進(jìn)一步減少，水的內(nèi)聚作用損失殆盡，灑水煤粉在第28 d的強(qiáng)度降低到0.082 MPa；由于抑塵劑的內(nèi)聚和膠結(jié)作用，抑塵煤粉對水分的依賴性小，在第28 d的強(qiáng)度仍保持為1.40 MPa。致密的表面封閉和充分的膠結(jié)強(qiáng)度足以抵御風(fēng)力揚(yáng)塵，因此以室溫28 d壓縮強(qiáng)度評價(jià)干抑塵性能，考慮到測試誤差和安全系數(shù)，1.2 MPa以上為宜。

2.4 二次潤濕性能

丙烯酸類水性聚合物具備二次潤濕能力，露天堆場的表面封閉層遭到破壞后只要不出現(xiàn)粉化，灑水便可助其表面進(jìn)行修復(fù)。在首次噴灑抑塵劑干燥后，噴灑相同質(zhì)量的蒸餾水、測定干燥過程中的含水率變化，以此類推，共噴灑6次。自然對數(shù)回歸常數(shù)及其相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 自然對數(shù)的回歸常數(shù)及其相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表2的回歸結(jié)果，計(jì)算起始干燥時(shí)刻t0到平衡時(shí)刻te之間的平均含水率和露天堆場的抑塵效率，二次潤濕時(shí)露天堆場的抑塵效率見表3。

表3 二次潤濕時(shí)露天堆場的抑塵效率

由3可以看出，當(dāng)潤濕次數(shù)低于4時(shí)，平均含水率變化不大，抑塵效率高于90%；隨著潤濕次數(shù)的增加，抑塵劑的滲透深度加大，表層含量下降，5次之后的抑塵效率為68.02%。人為破壞堆場的概率比較低，因此可以認(rèn)為噴灑一次抑塵劑，半年之內(nèi)能保持較好的抑塵效果。

2.5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

以實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，在邢臺市內(nèi)丘煤炭超市實(shí)施規(guī)?；謮m，超市總占地10萬m2。抑塵區(qū)域處在該煤炭超市的東北側(cè)，面積約2.67 萬m2，有13座錐形堆體，單座最高為5 m、重約500 t。

2017年5月14日12:30，天氣晴，氣溫為26 ℃、相對濕度為29%、風(fēng)速為3.0 m/s，東北風(fēng)。抑塵車通過高壓噴槍逆風(fēng)向噴灑，地面和堆體的用量分別為0.5 kg/m2和0.7 kg/m2。采用氣溶膠監(jiān)測儀TSI 8530監(jiān)測揚(yáng)塵濃度，儀器距地面1.5 m。為了配合抑塵項(xiàng)目的實(shí)施，超市停止?fàn)I業(yè)一周。

圖6 抑塵效率隨時(shí)間的變化

經(jīng)測試，抑塵劑噴灑之前的PM2.5和PM10濃度分別為0.098 mg/m3和0.145 mg/m3；噴灑之后第1 d的PM2.5和PM10濃度分別為0.018 mg/m3和0.022 mg/m3，抑塵效率分別為81.6%和84.8%，與上文的計(jì)算結(jié)果非常接近；第3 d的PM2.5和PM10抑塵效率分別為65.3%和73.4%；第5 d的PM2.5和PM10抑塵效率分別為60.2%和70.6%。煤炭超市地處市郊，四周開闊，加之抑塵面積有限，受外來源的影響，抑塵效率隨時(shí)間變化而有所下降，抑塵效率隨時(shí)間的變化如圖6所示。但堆體表面的狀態(tài)穩(wěn)定，28 d時(shí)封閉完好，煤炭堆體的表面封閉狀態(tài)如圖7所示。

圖7 煤炭堆體的表面封閉狀態(tài)

3 結(jié)論

(1)以丙烯酸類水性聚合物抑塵劑噴灑細(xì)顆粒煤粉，通過煤粉的含水率變化、表面形貌和壓縮強(qiáng)度，提出了抑塵性能的評價(jià)方法。

(2)以抑塵時(shí)間和抑塵效率評價(jià)濕抑塵性能。抑塵劑在溫度為20 ℃、相對濕度為45%條件下將抑塵時(shí)間提高到15.75 h，8%含水率以下的抑塵效率達(dá)到了85.18%。

(3)以室溫28 d壓縮強(qiáng)度評價(jià)干抑塵性能。抑塵煤粉堆砌致密、表面平整，28 d強(qiáng)度達(dá)到1.40 MPa，可以有效抵御風(fēng)力侵蝕。

(4)現(xiàn)場應(yīng)用表明，PM2.5和PM10的抑塵效率分別達(dá)到81.6%和84.8%，第5 d分別保持為60.2%和70.6%，堆體表面的封閉狀態(tài)穩(wěn)定。