煤塵化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響規(guī)律

羅根華，李博，丁瑩瑩，張博

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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煤塵化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響規(guī)律

羅根華1，李博2，丁瑩瑩1，張博1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

通過(guò)煤質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，進(jìn)而采用多元逐步回歸確定主要影響因素.結(jié)果表明：①煤質(zhì)化學(xué)組成是導(dǎo)致煤體潤(rùn)濕能力存在較大差異的內(nèi)在因素，固定碳含量和氧含量對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響顯著，顆粒平均孔直徑和比孔容與煤塵潤(rùn)濕性的相關(guān)性較低；②煤塵潤(rùn)濕性最佳線(xiàn)性回歸方程為y=31.471+0.825[固定碳含量]-0.631[氧含量]，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.871.

煤塵；化學(xué)組成；結(jié)構(gòu)參數(shù)；潤(rùn)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(shù)是煤礦井普遍采取的降塵技術(shù)[1- 4]，但煤塵顆粒表面與液體間潤(rùn)濕性差導(dǎo)致部分煤礦井總降塵率不足50%[4- 5].進(jìn)行煤塵潤(rùn)濕機(jī)理和影響因素研究是提高濕法噴霧降塵效率的關(guān)鍵[6- 8].煤塵潤(rùn)濕性與煤化程度有很大關(guān)系[9]，其中碳氧比對(duì)顆粒表面疏水性能影響最大[10]；何杰等研究結(jié)果表明液體pH對(duì)顆粒潤(rùn)濕性有顯著影響，但有關(guān)煤塵潤(rùn)濕性隨各影響因素的變化規(guī)律尚不明確.

本文采集10余種煤樣研究煤質(zhì)化學(xué)組成及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響，通過(guò)多元逐步回歸分析方法確定主要影響因素，為后續(xù)建立煤塵潤(rùn)濕接觸角估算模型和潤(rùn)濕性分級(jí)奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)樣品的采集

在新暴露煤壁采集煤樣并現(xiàn)場(chǎng)密封，采集包括褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤、瘦煤和無(wú)煙煤等煤種共35組，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行破碎、篩分后稱(chēng)取粒徑小于25 mm和小于120 μm煤樣備用.

1.1 煤質(zhì)化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)參數(shù)

取粒徑小于25 mm的煤樣，分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的GB/T 212- 2008和GB/T 476- 2008進(jìn)行煤質(zhì)工業(yè)分析和煤質(zhì)元素分析并計(jì)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(dòng)氮吸附分析儀測(cè)定參數(shù)，分別計(jì)算煤塵比孔容和平均孔直徑.

1.2 潤(rùn)濕接觸角的測(cè)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(nèi)，采用手動(dòng)進(jìn)樣并利用接觸角測(cè)定儀測(cè)定煤樣品接觸角.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤質(zhì)化學(xué)組成對(duì)潤(rùn)濕性的影響

(1)煤質(zhì)工業(yè)分析對(duì)潤(rùn)濕性的影響

灰分對(duì)煤塵潤(rùn)濕性有較大影響，煤中灰分含量增加導(dǎo)致煤塵潤(rùn)濕性增強(qiáng)(圖1(a))，這是由于灰分中礦物質(zhì)具有較強(qiáng)吸水性能；從圖1(b)可知，固定碳與接觸角之間具有正相關(guān)關(guān)系(R2=0.743)，這是由于隨著煤化程度加劇，煤分子中化學(xué)活動(dòng)性較強(qiáng)的側(cè)鏈和橋鏈逐漸減少，而具有穩(wěn)定性能的縮合芳香環(huán)數(shù)增加的結(jié)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(rùn)濕性增強(qiáng)(圖2(a))；煤中孔隙水易與液體親合，但孔隙中釋放的揮發(fā)性物質(zhì)如甲烷導(dǎo)致顆粒潤(rùn)濕性能變差，最終導(dǎo)致煤塵潤(rùn)濕性隨揮發(fā)分含量變化規(guī)律不明顯(圖2(b)).

(a)水分的影響

(b)揮發(fā)分的影響

(2)煤質(zhì)元素分析對(duì)潤(rùn)濕性的影響

煤中碳含量對(duì)煤塵潤(rùn)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(rùn)濕性能(圖3(a))，這是由于煤化程度的加劇導(dǎo)致煤化學(xué)組成的芳環(huán)數(shù)急劇增加而逐漸趨向石墨結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致煤塵潤(rùn)濕性能變差.低煤階的煤中所含氧官能團(tuán)中部分電離并與水形成氫鍵而增加煤塵潤(rùn)濕性能，煤變質(zhì)過(guò)程中親水性含氧官能團(tuán)脫落而導(dǎo)致煤親水性下降，即煤的潤(rùn)濕性與氧含量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系.從圖3(b)可知，煤塵顆粒中氧含量與潤(rùn)濕接觸角呈指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.712)，結(jié)果表明氧含量對(duì)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(rùn)濕性相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.170、R2=0.031和R2=0.025，這可能與相關(guān)元素在煤中含量相對(duì)較低有關(guān).

(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(shuō)明了煤變質(zhì)程度[12]，不同煤階煤種顆粒表面對(duì)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(rùn)濕性具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.639和R2=0.480，說(shuō)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(duì)煤塵潤(rùn)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)潤(rùn)濕性的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，不同煤礦區(qū)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(jiàn)圖5)，煤化程度越高則煤塵孔隙率呈減少趨勢(shì)，而微孔對(duì)應(yīng)比孔容所占比例增加，煤塵大孔數(shù)量減少導(dǎo)致導(dǎo)致總孔容降低.測(cè)定結(jié)果表明，煤塵比孔容介于0.005 493～0.032 686 cm3/g之間(見(jiàn)圖6).研究表明，液體分子大小與孔隙相近時(shí)，有利于提高液體分子進(jìn)入孔隙并在其內(nèi)部附著，而提高顆粒潤(rùn)濕性能.由于采用平均孔直徑和比孔容無(wú)法表示煤塵中不同孔徑所占比例，導(dǎo)致煤塵平均孔直徑和比孔容大小較難表征煤塵顆粒潤(rùn)濕性.

圖5 煤塵平均孔直徑對(duì)潤(rùn)濕性的影響

圖6 煤塵比孔容對(duì)潤(rùn)濕性的影響

2.3 煤塵潤(rùn)濕性影響因素的多元逐步回歸分析

利用SPSS15.0軟件進(jìn)行自變量和因變量的偏相關(guān)分析，并通過(guò)求得的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，最終確定煤塵潤(rùn)濕性主要影響因素并建立線(xiàn)性回歸方程.回歸分析結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3.從表1可知，對(duì)煤塵潤(rùn)濕性影響最主要的兩個(gè)因素為固定碳含量和氧元素含量；表2說(shuō)明，回歸方程系數(shù)和固定碳、氧元素含量2個(gè)因素的實(shí)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(duì)煤塵潤(rùn)濕性的作用顯著，而氧含量的作用不顯著.

表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shù)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(rùn)濕性的最佳線(xiàn)性回歸方程為y=31.471+0.825x1-0.631x2，方程復(fù)相關(guān)系數(shù)為R=0.871.進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸方程的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(biāo)為0.000，說(shuō)明該回歸方程線(xiàn)性關(guān)系顯著.

3 結(jié)論

(1)煤質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同程度上影響了煤塵潤(rùn)濕性，煤質(zhì)工業(yè)分析中固定碳與接觸角之間具有正相關(guān)關(guān)系，而灰分和水分含量的增加有利于提高煤的潤(rùn)濕性；煤中S、N和H三種元素含量較小，對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響有限；煤的變質(zhì)將導(dǎo)致碳和氧兩種元素含量和存在形式發(fā)生改變，兩種元素的不同存在形式極大地影響著煤塵潤(rùn)濕性能，相關(guān)系數(shù)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(rùn)濕接觸角的相關(guān)性較低;

(2)煤質(zhì)化學(xué)組成是導(dǎo)致煤體潤(rùn)濕能力存在較大差異的內(nèi)在因素.由多元逐步回歸分析可知，影響煤塵顆粒潤(rùn)濕性的主要因素包括固定碳和氧元素含量，結(jié)構(gòu)參數(shù)和其它化學(xué)參數(shù)對(duì)煤塵顆粒潤(rùn)濕性影響相對(duì)較?。幻簤m潤(rùn)濕性最佳線(xiàn)性回歸方程為y =31.471+0.825x1-0.631x2，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.871.

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1261121)

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

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