铁路煤炭运输抑尘剂的制备_评价和应用

JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.30󰀁No.4August2008

文章编号:1001󰀁8360(2008)04󰀁0125󰀁04

铁路煤炭运输抑尘剂的制备、评价和应用

李󰀁伟,󰀁朱󰀁红,󰀁刘凤月

(北京交通大学理学院,北京󰀁100044)

摘󰀁要:以木质素磺酸盐为原料,通过与聚合物单体的接枝改性,制备一种铁路煤炭运输抑尘剂。并分别对抑尘剂和固化层的各项性能进行评价。抑尘剂和固化层的各项性能评价结果表明:该抑尘剂无毒、无刺激性,不会对作业人员产生有害影响;对车体金属、漆层和橡胶无腐蚀作用,其运用不会影响车辆的正常使用。喷淋该抑尘剂于车厢内煤炭表面,能使煤炭表面形成一固化层,该固化层具有一定的韧性、抗压强度、耐温和耐雨水性能;并且不会改变煤炭的原有质量。经过现场多次列车运行试验表明,使用该抑尘剂能够避免煤炭在运输过程中的扬尘污染和损失。

关键词:煤炭;抑尘剂;扬尘污染;固化层中图分类号:X502󰀁󰀁文献标志码:A

Preparation,EvaluationandApplicationofDust

SuppressantinCoalRailwayTransportation

LIWei,󰀁ZHUHong,󰀁LIUFeng󰀁yue

(SchoolofSciences,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Adustsuppressantispreparedfromlignosulfonateandpolymerbycopolymerization.Theperform󰀁anceofthedustsuppressantandsolidifiedlayeraevaluatedrespectively.Thetestresultsshowthatthedustsuppressantisnon󰀁toxic,unstimulated,andunharmfultooperationworkersanditisnotcorrosivetometals,lacquerandrubber,thusproducingnoeffectonnormaloperationofvehicles.Thedustsuppressantissprayedonthesurfaceofcoal,formingasolidifiedlayeronthesurfaceofcoalwhichisofgoodtoughnessandintensityofpressureandisheat󰀁resistingandwater󰀁resisting,Thequalityofcoalisnotaffectedbythedustsuppressant.Applicationofthedustsuppressantcanreducethelossesofcoalandprotecttheenvironmentfrombeingpollu󰀁ted.

Keywords:coal;dustsuppressant;coaldustpollution;solidifiedlayer󰀁󰀁铁路煤炭运输一般都采用敞车运输,运输过程中由于路基、道岔和其它轨道设施造成的颠簸,以及列车交会时产生的风压,特别是当列车进入隧道时形成瞬间的扰动气流,都能将表面煤粉粒吹离车体,落洒到路面,导致沿线煤尘污染和煤炭损失

[3]

[1,2]

程度高、车流量大,作业速度快,需要大量人力才能完成,篷布覆、撤速度太慢,篷布还需回送,同时由于篷布丢失、破损,造成价格较高,一直不能广泛应用。三是洒水法。洒水是防治粉尘污染最常用的方法,但在自然条件干燥、列车高速运行的环境中,因为蒸发迅速、喷洒频繁、耗时耗工、大量用水,难以连续达到环境质量的要求。四是塑料薄膜覆盖法。由于塑料薄膜本身容易损坏,使用效果不好,而且薄膜不易降解,容易形成二次污染。因此,随着铁路运输大面积提速,为我国煤炭运输提供成本低廉、便于作业并且符合环保要求的煤炭运输抑尘剂就成为现阶段急需要解决的问题[4,5]。

木质素磺酸盐是造纸工业的副产物,价格低廉。。目前,阻止煤

炭散落的方法主要有以下几种:一是加盖法。每节车体加盖可有效防止煤尘的污染,但成本高,而且开、盖等一系列动作及开、关位置与敞开方向会对现有机械化装煤、卸煤过程产生影响,很难和现有的自动化生产线相匹配。二是篷布遮盖法。由于铁路沿线自动化

收稿日期:2008󰀁03󰀁03;修回日期:2008󰀁04󰀁03

基金项目:铁道部科技研究开发计划重点项目(2006Z010󰀁B)作者简介:李伟(1975󰀁),男,河南社旗人,博士研究生。E󰀁mail:05118318@bjtu.edu.cn

126

󰀁铁󰀁󰀁道󰀁󰀁学󰀁󰀁报

表1󰀁急性经口毒性实验结果

性别剂量/(mg󰀁kg-1)雌性雄性

50005000

动物数/只

1010

死亡数/只

00

第30卷

Zaslavsk等利用木质素磺酸盐与乙烯基类单体接枝共聚制备可用于抵御土壤风蚀的产物[6,7]。本文以木质素磺酸盐为原料,通过与聚合物单体的接枝改性,制备一种煤炭运输抑尘剂。该抑尘剂由天然产物制得,产品无毒、无刺激性,而且可生物降解,符合环保要求;该抑尘剂原料来源广,经济、价廉;使用该抑尘剂不会改变煤炭的原有质量。同时由于抑尘剂分子结构中含有羟基、磺酸基等可与煤炭颗粒结合的基团,利用这些基团使煤炭颗粒相互粘结形成一固化层,还可避免煤炭在铁路运输过程中的扬尘污染和损失。

死亡率/%

00

2.1.4󰀁实验结果

从表1急性经口毒性实验结果可以看出,实验期间,受试动物生长良好,进食正常,未见中毒体征及死亡,大体解剖未见异常。对小鼠急性经口半数死亡量为LD50>5000mg/kgBW,根据卫生部急性毒性分级标准判定,该抑尘剂属无毒。2.2󰀁抑尘剂的皮肤刺激性

2.2.1󰀁材料和动物

浓度为5%的抑尘剂溶液(喷淋作业的浓度值);普通级新西兰种家兔,3只,北京科宇动物养殖中心提供。

2.2.2󰀁实验方法

实验前24h,将动物脊柱两侧被毛剪掉,不可损伤表皮。将2.5cm󰀁2.5cm的双层纱布浸泡抑尘剂溶液,敷贴于一侧去毛皮肤表面,油纸覆盖,胶布固定,另一侧皮肤作为空白对照。封闭24h后,去除覆盖物,并用温水清洗除去残留物,于去除受试物后1h、24h、48h和72h各观察涂抹部位皮肤反应。2.2.3󰀁实验结果

实验期间,受试动物皮肤无明显刺激反应,对照皮肤亦未见异常。依据卫生部皮肤刺激强度分级标准判定,该抑尘剂一次完整皮肤刺激实验结果为无刺激性。2.3󰀁抑尘剂的腐蚀性

抑尘剂喷淋作业过程中,难免有少量抑尘剂喷洒到列车的车帮和连接处,因此考察抑尘剂对车体金属、漆层以及连接处橡胶部件的腐蚀是很有必要的。利用国标GB/T5096󰀁85和标准HB/Z5334󰀁1985的方法对其测定,结果表明抑尘剂对车体金属、漆层和橡胶均无腐蚀作用。

2.4󰀁抑尘剂的温度适应性

将抑尘剂分别在0󰀁、-5󰀁、-10󰀁、-15󰀁和-20󰀁条件下放置24h,结果表明,抑尘剂在-5󰀁以上不会结冰,即其凝固点为-5󰀁。当温度在-5󰀁以下时,抑尘剂就被冻成冰状。将冰冻后的抑尘剂在室温下将其解冻,溶化后的抑尘剂再进行煤炭表面固化实验,得到相同的实验效果。即抑尘剂经过低温冷冻后,再进行解冻,抑尘剂的性能不会受到影响。

1󰀁抑尘剂的制备

1.1󰀁原料

木质素磺酸盐,工业级,图们市华威友邦化工有限公司;聚合物单体,工业级,天津市福晨化学试剂厂;30%过氧化氢,化学纯,北京市北化精细化学品有限公司。1.2󰀁仪器

恒温水浴;强力电动搅拌机;搅拌浆;流量计。1.3󰀁制备步骤

将木质素磺酸盐溶解在水中形成30%的溶液;加入相应量的聚合物单体;搅拌均匀;通过流量计缓慢滴加适量的30%过氧化氢溶液;进行接枝共聚反应,共聚反应包括聚合物单体接枝到木质素磺酸盐的聚合和聚合物单体本身的聚合;搅拌反应4h,使单体反应完全;反应产物在50󰀁下干燥;粉碎成粉末。

2󰀁抑尘剂的评价

2.1󰀁抑尘剂的毒性2.1.1󰀁材料和动物

浓度为5%的抑尘剂溶液(喷淋作业的浓度值);清洁级昆明种小鼠,20只,体重18g~21g,雌雄各半,军事医学科学院实验动物中心提供。

2.1.2󰀁饲养环境

室温20󰀁~21󰀁,相对湿度为43%~52%RH。2.1.3󰀁实验方法

按照一次最大限度试验要求,剂量设计为5000mg/kgBW,按0.2ml/10gBW经口灌胃给予受试动物。灌胃前动物禁食16h,自由饮水。灌胃后给予正常饮食,连续观察14天,记录中毒体征及死亡情况,实验结果见表1。

第4期铁路煤炭运输抑尘剂的制备、评价和应用󰀁

127

3󰀁固化层的评价

3.1󰀁固化层的煤质分析

分别采集未使用抑尘剂的煤样和使用抑尘剂的固化层煤样,进行煤质的各项指标检测,检测结果如图1

(a)和(b)所示。从图1(a)空气干燥基、干燥基、干燥无灰基和收到基的成分分析结果可以看出,样品的全水、分析水、灰分、挥发分、固定碳、全硫、碳、氢、氮、氧等组分基本一致,其中,全硫和氮的百分比含量较低,图中未显示;从图1(b)煤质各成分发热量来看,样品的高位发热量和低位发热量也基本一致。这说明喷淋抑尘剂后对原有煤质不产生影响。

m2;加入砝码的质量m3。按照式(1)计算表面所承受的压强,计算结果见表2。

123

P=(m+m+m)gS

(1)

表2󰀁精煤固化层所能承受的压强单位:kPa

样品编号精煤

163.2

2.5

363.8

4.6

563.3

平均值63.9

从表2可以看出,固化层能够承受60kPa以上的压强。煤炭实际运输过程中,无论列车正常行驶、交会或通过隧道,在列车速度和风速的合力作用下,列车表面的压强都不会超过󰀁20kPa

[9~11]

。所以,固化层的

表面抗压强度能够满足煤炭实际运输的要求,运输过程中固化层不会被风力所破坏。列车现场多次动态试验也证明了这一点。

3.3󰀁固化层的温度变化试验

利用高低温交变箱(无锡市锦华试验设备有限公司生产)分析气温的变化对固化层的影响。将喷淋抑尘剂的精煤煤样放到高低温交变箱中,设定控温程序。温度变化范围为-40󰀁~50󰀁,平均升温速率为1.8󰀁/h。各个样品经过-40󰀁~50󰀁的温度变化和两天的实验过程,由于该抑尘剂形成的固化层具有一定的韧性和强度,在此期间整个煤固化层没有出现裂纹,也没有破裂的现象。因此,该抑尘剂应用于精煤,在-40󰀁~50󰀁之间使用,固化层不会受到热胀冷缩的破坏。

3.4󰀁固化层的抗雨淋性能试验

抑尘剂固化前被雨水稀释,在一定程度上影响粘结效果。当固化层达到一定程度后,固化层块放入水中浸泡24h,未发现疏松散落现象。在10󰀁以上温度范围内,列车运行速度为60km/h,固化层的形成时间需要2h。所以,降雨对固化层的影响主要在喷淋后2h内。

4󰀁抑尘剂的应用

2007年3、4、8、10月份在黑龙江省鸡西市进行4

3.2󰀁固化层表面抗压性能试验

为了考察煤炭铁路运输过程中风力对固化层的破坏,准备喷淋抑尘剂的精煤样品5个,精煤煤样固化后,进行固化层的表面抗压试验。试验采用堆载法测量[8],试验过程如下:把一个刚性长方体置于煤固化层上;在刚性长方体上面放一个托盘;然后逐渐往托盘里加砝码,直到煤层破裂,或者长方体开始下沉。记录下长方体受力面积S;取托盘的质量m1;长方体的质量次列车现场运行试验,每车喷淋浓度为5%抑尘剂100kg,即每平方米的喷淋量在2.5kg。列车从鸡西到丹东或北台的整个运输途中经历多次解编作业;通过较多隧道和桥梁;行驶1400多公里;气温变化范围在-15󰀁~35󰀁;经过复杂的自然气象变化情况。到达目的地时,对照车和试验车的煤炭情况见图2(a)和(b)。

从图2可以看出,未喷淋抑尘剂的对照车内较大128

󰀁铁󰀁󰀁道󰀁󰀁学󰀁󰀁报第30卷

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颗粒的煤被风吹到车厢两边,而较小颗粒的煤已形成扬尘被吹下车厢,整个煤层高度下降。与对照车相比,喷洒抑尘剂的车辆到达目的地后煤炭表面仍然完整一

体;由于颠簸,固化层随煤体整体下降10cm~20cm,但固化层未被破坏,也未形成空壳;固化层表面虽有裂纹,但固化层具有一定的韧性和粘结性,未被风吹起;抑尘剂对车体无腐蚀,易清除;除去水分蒸发和渗洒量,经过始末站测量每车节约精煤300kg左右,明显减少煤炭扬尘污染,并节约了煤炭资源。

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5󰀁结论

以木质素磺酸盐为原料,通过与聚合物单体的接枝改性,制备出一种煤炭运输抑尘剂。经过各项性能测定,该抑尘剂无毒、无刺激性,并对车体金属、漆层和

橡胶无腐蚀作用。该抑尘剂喷淋于车厢煤炭的表面,在煤炭表面形成一固化层,该固化层具有一定的韧性和抗压强度,能够承受车辆的颠簸和风力作用。经过列车现场多次运行试验,使用该抑尘剂能够避免列车运输途中煤炭扬尘污染,同时也节约了煤炭资源。

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(责任编辑󰀁李淑萍󰀁刘梅林)