控制煤塵污染固化劑的研制＊

劉生玉 李雪輝 郭建英 蘇立紅 仇歡歡

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

★節(jié)能與環(huán)保 ★

控制煤塵污染固化劑的研制＊

劉生玉 李雪輝 郭建英 蘇立紅 仇歡歡

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

為解決固化劑生產(chǎn)原料多羥基聚合物溶解過程緩慢和固化劑溶液粘稠的問題,采用催化氧化法和酒精堿法對(duì)原料淀粉進(jìn)行化學(xué)改性和非晶化處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該方法改善了淀粉基固化劑溶液粘度的穩(wěn)定性及其低溫溶解性,使淀粉基固化劑固化抑塵性能良好。

煤塵污染 固化劑 催化氧化 淀粉 控制

AbstractIn order to address the problem of slow dissolving of polyhydroxy polymer as a raw material for the production of curer and thick solution of curer,catalytic oxidation method and alcoholic alkaline treatment method is used to carry out chemical modifying treatment and non crystalline treatment for starch used as raw material.Results of this experimental tests show that the application of this method improves the starch based curer’s solution thickness and its low temperature dissolvability.In this way,curing performances and dust suppression properties of the starch based curer improve.

Key wordscoal dust pollution,curer,catalytic oxidation,starch,control

煤散料在儲(chǔ)運(yùn)過程中,由于風(fēng)力和運(yùn)煤列車顛簸致使煤散料散失嚴(yán)重,并由此帶來嚴(yán)重的煤粉塵污染。運(yùn)煤列車在隧道內(nèi)穿行,形成強(qiáng)大氣流,致使煤炭粉料吹失嚴(yán)重,如果隧道內(nèi)的煤塵濃度達(dá)到爆炸極限后,會(huì)有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。另外,運(yùn)煤列車經(jīng)過隧道時(shí)煤炭粉料在隧道內(nèi)揚(yáng)塵,如果隧道內(nèi)的煤塵全塵濃度達(dá)256.4 mg/m3(測塵地點(diǎn):蛇口卯隧道 (55±0.8)km),即嚴(yán)重影響洞內(nèi)電力信號(hào)等設(shè)備的安全運(yùn)行,有發(fā)生粉塵爆炸的危險(xiǎn),造成運(yùn)輸安全隱患。

采用表層固化技術(shù)是防止煤散料散失和粉塵治理的有效方法。表層滲透固化抑制煤塵污染技術(shù)原理是根據(jù)凝聚作用機(jī)理,利用物化制品的粘著力將煤塵粘結(jié)在一起或增加煤粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度以達(dá)到煤粉成團(tuán)或煤料表層結(jié)殼,達(dá)到防止起塵的目的。本項(xiàng)目前期采用淀粉氧化-糊化法制備的固化劑反應(yīng)時(shí)間長,且固化劑溶液粘度穩(wěn)定性較差,通過在神華集團(tuán)公司神朔鐵路的工業(yè)應(yīng)用發(fā)現(xiàn),在冬季低溫情況下,固化劑溶液粘度有顯著增大現(xiàn)象,使得固化劑溶液粘稠,噴灑過程中容易堵塞噴嘴,影響噴灑過程的進(jìn)行。另外,以原淀粉為固化劑主體原料在低溫條件下的制備過程緩慢,且固化劑溶液穩(wěn)定性差。本文將重點(diǎn)解決固化劑生產(chǎn)原料多羥基聚合物低溫溶解性問題,在保證固化劑良好的固化抑制煤塵效果前提下,通過對(duì)多羥基聚合物進(jìn)行改性,改善固化劑溶液低溫下粘度穩(wěn)定性,解決固化劑冬季使用過程中溶解過程緩慢和固化劑溶液粘稠的問題。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

固化劑主體原料選用天然多羥基聚合物淀粉。多羥基聚合物淀粉具有價(jià)格低廉、來源廣泛、易生物降解,且不會(huì)增加煤中灰分等優(yōu)點(diǎn)。淀粉是天然多晶體系,其內(nèi)部分為結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)域。將天然淀粉置于冷水中,水分子只是簡單地進(jìn)入淀粉顆粒的非結(jié)晶區(qū)域,與無定型部分的親水基結(jié)合或被吸附,而一旦受熱,淀粉又將恢復(fù)到原狀態(tài)。淀粉為多羥基聚合物,在氧化劑的作用下,特別是在催化氧化條件下,氧化劑進(jìn)入淀粉團(tuán)的深處,主要在團(tuán)粒的低結(jié)晶區(qū)域發(fā)揮作用,生成高度降解的酸性片段,在一定p H值范圍的反應(yīng)介質(zhì)中,催化劑的加入使得天然淀粉葡萄糖的苷鍵部分?jǐn)嗔押徒到?致使聚合度降低、分子量減少的反應(yīng)過程加快并可控。通過對(duì)淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的非晶化處理和對(duì)淀粉分子羥基基團(tuán)的催化氧化改性可以實(shí)現(xiàn)固化劑在低溫條件下制備,同時(shí)固化劑溶液的粘度穩(wěn)定性也良好。

氧化淀粉是變性淀粉的主要品種之一,與天然淀粉相比,氧化淀粉糊化容易、糊化溫度低、熱糊粘度穩(wěn)定性高、凝沉性減弱、溶解性增加、滲透性與成膜性提高。雙氧水氧化淀粉,其反應(yīng)方程式為:

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以雙氧水作為氧化劑,硫酸銅作催化劑,在水浴條件下將按一定比例配制的淀粉乳進(jìn)行加熱攪拌,制取氧化淀粉。通過改變氧化溫度、氧化時(shí)間、氧化劑用量、糊化溫度等,研究在不同條件下得到的氧化淀粉的性質(zhì)。用酸堿滴定法測定羧基含量,用粘度計(jì)測定糊液粘度。不同處理方法對(duì)淀粉結(jié)晶度的影響采用X射線衍射法和偏光顯微鏡測定。

2 研究結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 催化氧化法

雙氧水氧化淀粉過程中,雙氧水量、氧化時(shí)間、氧化溫度等條件都對(duì)產(chǎn)品氧化淀粉的性能有較大影響。如,隨著雙氧水量的增加,會(huì)使氧化淀粉的羧基含量明顯增大,氧化程度明顯加深,而隨著氧化程度的加深,淀粉分子鏈被切割的程度也加大,導(dǎo)致淀粉分子高度降解而產(chǎn)生碎片,從而使粘度下降。

銅基催化劑對(duì)雙氧水氧化淀粉有極強(qiáng)的催化作用。在氧化淀粉反應(yīng)中加入Cu2+,能極大地加速氧化反應(yīng)的進(jìn)行,加深氧化的程度。與非催化氧化相比,得到氧化淀粉的羧基含量顯著增加,氧化程度明顯加深。而隨著氧化程度的加深,淀粉分子鏈被切割的程度也加大,導(dǎo)致淀粉分子高度降解而產(chǎn)生碎片,從而使粘度下降。制備出的催化氧化-糊化淀粉基固化劑溶液在30 d時(shí)間內(nèi)存放,其粘度變化不大。隨溫度的降低,催化氧化-糊化淀粉基固化劑溶液粘度的增加幅度明顯小于非催化氧化-糊化淀粉基固化劑溶液,有利于噴灑。

2.1.2 酒精堿法

圖1 采用酒精堿法非晶化處理淀粉的偏光顯微鏡對(duì)比圖

圖1為采用酒精堿法非晶化處理淀粉的偏光顯微鏡對(duì)比圖,可以發(fā)現(xiàn)酒精堿法處理后的淀粉晶體的偏光十字消失了,說明結(jié)晶結(jié)構(gòu)被打破。這是由于在一定濃度的堿液中,淀粉這種弱離子交換劑上的-OH的質(zhì)子被解離,淀粉分子帶負(fù)電,它們之間相互排斥促進(jìn)顆粒溶脹,最終導(dǎo)致雙螺旋區(qū)的展開變成單螺旋,結(jié)晶序列發(fā)生變化。X衍射圖譜的結(jié)果也顯示淀粉的結(jié)晶區(qū)域受到一定程度的破壞,這印證了偏光檢測的結(jié)論。同時(shí),向溶液中滴加的乙醇在淀粉顆粒外部形成保護(hù)層,抑制顆粒的過度溶脹,保持了顆粒的完整性。中和溶液中的堿,使淀粉分子與乙醇形成螺旋復(fù)合物 (V型復(fù)合物)。通過抽濾,低溫干燥,將乙醇及水分蒸發(fā),顆粒內(nèi)形成空穴,使淀粉處于一種亞穩(wěn)態(tài)。用酒精堿法處理的淀粉,在冷水中溶解后具有和常規(guī)糊化淀粉類似的粘結(jié)性、粘度等物理性質(zhì)。

2.2 固化劑現(xiàn)場噴灑試驗(yàn)

神華集團(tuán)神東煤炭公司是我國大型煤炭生產(chǎn)基地,近3年煤炭生產(chǎn)量均超過1億t,神東公司所產(chǎn)煤炭完全依賴鐵路運(yùn)輸,在運(yùn)輸過程中由于風(fēng)力等原因造成煤料損失嚴(yán)重,運(yùn)煤車經(jīng)過的隧道內(nèi)煤塵濃度高,威脅運(yùn)輸安全,并且在鐵路沿線造成嚴(yán)重煤炭粉塵污染。采用催化氧化法研制的固化抑塵劑在神東煤炭分公司大柳塔環(huán)線裝煤站進(jìn)行了運(yùn)煤車現(xiàn)場工業(yè)規(guī)模噴灑試驗(yàn)。噴灑系統(tǒng)主要由噴灑管、噴頭、輸送泵、連接管路和噴管懸掛支架組成,輸送泵是齒輪油泵,輸送泵出口壓力0.3 MPa,噴灑管安裝10個(gè)噴頭,噴灑車次編號(hào)朔814。噴灑完成后到神木北站觀察噴灑效果,編號(hào)朔814運(yùn)煤車到神木北站停靠編組,對(duì)所噴灑的5節(jié)車廂進(jìn)行了觀察,運(yùn)煤車煤料表層已形成固化層,手感未完全凝固,到達(dá)卸煤點(diǎn) (電廠)再觀察,噴灑固化劑的煤料表面固化層完好、無破損,手感和腳踩感覺煤料殼層硬實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過催化氧化法研制的固化抑塵劑噴灑到運(yùn)煤車后,起到了防止煤散料沿途散失,控制煤塵污染的效果。

3 結(jié)論

(1)采用催化氧化法和非晶化處理淀粉,顯著改善了淀粉基固化劑溶液粘度穩(wěn)定性和低溫溶解性的問題,非晶化處理后的淀粉冷水中溶解性良好,解決了在冬季低溫情況下,固化劑溶液粘稠影響噴灑的問題;酒精堿法處理的淀粉,在冷水中溶解后具有和常規(guī)糊化淀粉類似的粘結(jié)性、粘度等物理性質(zhì)。

(2)固化劑現(xiàn)場噴灑試驗(yàn)表明催化氧化法研制的淀粉基固化抑塵劑,固化抑塵性能良好,可以有效解決煤炭鐵路運(yùn)輸過程中煤炭粉料散失造成的經(jīng)濟(jì)損失及粉塵污染的問題。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Development of a coal dust pollution control curing agent

Liu Shengyu,Li Xuehui,Guo Jianying,Su Lihong,Qiu"Huanhuan
(College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

TD995

A

劉生玉 (1969-),男,博士,副教授,從事潔凈煤技術(shù)研究。

＊山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目 (041057)和山西省出國留學(xué)人員科技項(xiàng)目 (2008-12)