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        粒徑對(duì)無(wú)煙煤等溫脫水規(guī)律影響的研究

        2019-01-02 03:23:08
        中國(guó)煤炭 2018年12期
        關(guān)鍵詞:無(wú)煙煤等溫煤樣

        李 鵬

        (1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧省沈陽(yáng)市,110016;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧省沈陽(yáng)市,110016)

        煤是一種多孔性多相固溶物質(zhì),內(nèi)部具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),以微孔和小孔最為發(fā)育,煤中的水分含量是一項(xiàng)重要的煤質(zhì)指標(biāo)。在成煤過(guò)程中產(chǎn)生大量的瓦斯,其主要以吸附狀態(tài)存在于煤中。而煤中水分的存在會(huì)堵塞瓦斯運(yùn)移通道,從而抑制瓦斯解吸,降低瓦斯的擴(kuò)散能力。無(wú)煙煤由于變質(zhì)程度高,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)高度發(fā)育,煤體中含有大量的微孔結(jié)構(gòu),這些微孔結(jié)構(gòu)具有不同的尺寸,水分貯存在這些微孔中并形成不同尺寸的簇狀結(jié)構(gòu),因?yàn)槌叽绮煌?,這些簇狀結(jié)構(gòu)的水在相變?nèi)诨瘯r(shí)會(huì)吸收或釋放出不同的熱量。無(wú)煙煤具有復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu),隨著微孔結(jié)構(gòu)的不同,與水之間的結(jié)合力強(qiáng)弱存在差異,在干燥過(guò)程中水分脫除難易程度相應(yīng)不同,其干燥機(jī)理也可能存在區(qū)別。

        目前利用熱天平對(duì)煤粉燃燒特性的研究較多,對(duì)無(wú)煙煤的相關(guān)研究主要集中在水分對(duì)煤體瓦斯解吸特性的影響、外加水分抑制煤體瓦斯解吸速度以及干煤樣的解吸速度對(duì)比含水煤樣方向,而對(duì)無(wú)煙煤等溫脫水規(guī)律的研究相對(duì)較少?;诖耍ㄟ^(guò)分析粒徑對(duì)無(wú)煙煤等溫脫水規(guī)律的影響做出分析。

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)樣品

        煤樣取自貴州大方縣綠塘煤礦M16煤層,為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,各組試驗(yàn)煤樣均取自M16煤層的同一地點(diǎn)。按照《煤樣的制備方法》(GB/T474-2001)制取粒徑為0.25~0.2 mm和0.5~1.0 mm這2種煤樣,各粒徑均不少于200 g,密封保存。按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212-2008)執(zhí)行,測(cè)定煤樣的工業(yè)分析指標(biāo)。

        煤樣真假密度采用MDMDY-300全自動(dòng)密度儀測(cè)定,各組煤真假密度均為實(shí)測(cè)3次的平均值,其中M16煤層的水分為1.53%、灰分為26.44%、揮發(fā)分為9.98%,真密度為1.58 g/mL,視密度為1.51 g/mL。稱取空氣干燥基煤樣,樣重不少于200 g(精確到0.1 mg)。將稱重的煤樣置于器皿中,均勻加入適量的蒸餾水。將裝有樣品的器皿放入濕度平衡的密封裝置中(25℃相對(duì)濕度為97%的恒濕環(huán)境),密封裝置底部裝有足量的硫酸鉀過(guò)飽和溶液,每隔24 h稱重一次,直到相鄰兩次重量變化不超過(guò)試樣重量的2%。平衡處理后的2種煤樣如圖1所示。

        圖1 平衡處理后的煤樣

        外加水分后煤樣平衡濕度計(jì)算公式見式(1):

        式中:M0——樣品的平衡水分含量, %;

        G1——平衡前空氣干燥基樣品質(zhì)量,g;

        G2——平衡后樣品質(zhì)量,g;

        Mad——樣品的空氣干燥基水分含量, %。

        1.2 試驗(yàn)儀器與方法

        采用自制等溫脫水系統(tǒng),等溫系統(tǒng)技術(shù)特征為220 V,溫度可調(diào),等溫腔體尺寸為300 mm×300 mm×220 mm;干燥器;電子天平,感量0.1 mg;恒溫控制系統(tǒng),靈敏度0.1℃;溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),溫度傳感器靈敏度0.1℃。自制等溫干燥脫水試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

        圖2 等溫干燥脫水試驗(yàn)設(shè)備

        選取0.2~0.25 mm和0.5~1.0 mm的煤樣各25 g左右置于煤樣托盤中,將托盤放入等溫腔體內(nèi)采用4個(gè)預(yù)設(shè)溫度,即75℃、85℃、95℃和105℃分別脫水,分析溫度和粒徑對(duì)煤樣失水的規(guī)律。開啟等溫,當(dāng)電子天平讀數(shù)前后讀數(shù)差值<5 mg時(shí)視為脫水結(jié)束,終止等溫加熱。試驗(yàn)重復(fù)2次,誤差超過(guò)5%則重做。

        1.3 同一粒徑加熱脫水試驗(yàn)

        粒徑為0.2~0.25 mm和0.5~1.0 mm的無(wú)煙煤在溫度為75℃、85℃、95℃和105℃下的熱重曲線如圖3和圖4所示。

        由圖3和圖4可以看出,隨著溫度的升高,樣品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的重量都相應(yīng)減小,這表明在某一溫度下(如75℃),雖然樣品干燥過(guò)程已經(jīng)結(jié)束,但試樣中仍存在一定質(zhì)量的水分無(wú)法蒸發(fā)出去,只有通過(guò)提高溫度才可以使之進(jìn)一步脫除。另外,圖中曲線表明2種粒徑的無(wú)煙煤樣品分別在加熱120 min和70 min后重量基本保持恒定。

        圖3 粒徑為0.2~0.25 mm在不同溫度條件下熱重曲線

        圖4 粒徑為0.5~1.0 mm在不同溫度條件下熱重曲線

        粒徑為0.2~0.25 mm和0.5~1.0 mm的無(wú)煙煤在不同溫度下,外加平衡水分蒸發(fā)速率隨樣品含水率的變化關(guān)系如圖5和圖6所示。

        圖5 0.2~0.25 mm粒徑不同溫度的干燥速率與含水率

        圖6 0.5~1.0 mm粒徑不同溫度的干燥速率與含水率

        由圖5和圖6可以看出,隨著溫度升高,曲線變陡,說(shuō)明溫度的升高使無(wú)煙煤樣品脫水速率降低的趨勢(shì)加強(qiáng);隨著溫度的升高,樣品在同一含水率下的干燥速率明顯升高,說(shuō)明溫度的升高有利于無(wú)煙煤內(nèi)水分的快速脫除。

        樣品含水率見式(2):

        式中:X——含水率, %;

        W——為某一時(shí)刻樣品質(zhì)量,g;

        W0——樣品在某一等溫條件下干燥失重后維持恒定的質(zhì)量,對(duì)應(yīng)該溫度下的干燥狀態(tài),g。

        樣品干燥速率由式(2)求微分得到,見式(3):

        把等溫干燥過(guò)程干燥速率與含水率關(guān)系中的臨界含水率定義為Xc1和Xc2,可以通過(guò)對(duì)曲線求微分得到。在0~Xc1區(qū)間,曲線呈凸拋物線型;在Xc1~Xc2區(qū)間,曲線呈水平直線或線性;X>Xc2區(qū)間,曲線呈凹拋物線型或?qū)?shù)曲線型或散點(diǎn)非線性。

        拐點(diǎn)的存在說(shuō)明無(wú)煙煤等溫干燥過(guò)程中存在不同的干燥機(jī)理。利用非線性擬合以及最小誤差分析程序,將干燥速率與含水率曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以得到Xc前后的脫水干燥機(jī)理方程,見式(4)、式(5)和式(6):

        根據(jù)方程得到相應(yīng)的特征參數(shù),粒徑為0.2~0.25 mm和0.5~1.0 mm條件下不同溫度無(wú)煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)見表1和表2 。

        由表1和表2可以看出,在X>Xc2階段,隨著溫度的升高,針對(duì)同一含水率X,試驗(yàn)粒徑為0.2~0.25 mm和0.5~1.0 mm無(wú)煙煤對(duì)應(yīng)的干燥速率提高,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,水分蒸發(fā)速率提高;對(duì)于X

        表1 粒徑為0.2~0.25 mm條件下不同溫度無(wú)煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)

        表2 粒徑為0.5~1.0 mm條件下不同溫度無(wú)煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)

        2 粒徑對(duì)等溫加熱脫水的影響

        相同溫度下不同粒徑的煤樣,失水規(guī)律并非呈線性。由圖5可以看出,在溫度為105℃和粒徑為0.20~0.25 mm時(shí),在Xc1

        圖7 平均粒徑與穩(wěn)態(tài)線性失水階段失水速率擬合曲線

        由圖7可以看出,平均粒徑與Xc1

        3 結(jié)論

        (1)2種粒徑無(wú)煙煤試樣在熱天平等溫干燥實(shí)驗(yàn)表明,干燥速率曲線存在拐點(diǎn),干燥過(guò)程分為明顯3個(gè)階段,即X>Xc2、Xc1

        (2)相同溫度下不同粒徑煤樣,失水規(guī)律并非呈線性。在溫度為105℃和粒徑為0.20~0.25mm時(shí),在Xc1

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