甘宇

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤層自燃的最主要因素是水的產(chǎn)生，水是煤樣的一種主要成分，對(duì)煤層自燃的影響有著雙重的影響，有促進(jìn)效果，也有遏制效應(yīng)，由于煤炭自燃是在多種原因綜合影響下形成的后果，所以含水量也是影響煤炭自燃的極其重要的原因[1-3]。郝正虎等[4]在一維球坐標(biāo)系條件下，構(gòu)建了基于一個(gè)球形褐炭顆粒內(nèi)部的水分脫除流程的數(shù)值模擬。Zhang等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)界面更新、干燥溫度和粒度是影響煤干燥速率的三個(gè)主要因素。較高的干燥溫度會(huì)導(dǎo)致大孔和中孔的收縮和塌陷，這會(huì)降低干煤在煤倉(cāng)中后期儲(chǔ)存時(shí)的吸水率。Ren等[6]的研究結(jié)果表明，對(duì)于低孔隙率煤，水分的吸附可以軟化和潤(rùn)滑微觀結(jié)構(gòu)，削弱機(jī)械性能。而干燥過(guò)程會(huì)破壞高孔隙率煤的微觀結(jié)構(gòu)，降低其力學(xué)性能。各國(guó)學(xué)者對(duì)于水分蒸發(fā)均提出了不同的見(jiàn)解，但關(guān)于水分在煤炭顆粒中相變對(duì)煤炭自燃的作用的有關(guān)研究卻很少。研究煤顆粒與煤堆中水分的相變過(guò)程對(duì)于從微觀角度研究水分對(duì)煤炭自燃過(guò)程有著重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在高低溫恒溫恒濕箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程主要為：將煤顆粒篩分成粒徑范圍為：0.074～0.100 mm、0.1～2.0 mm以 及2～5 mm的實(shí)驗(yàn)煤樣；隨后將不同粒徑范圍的煤樣利用噴淋滲濾法制備出飽和含水率的煤樣并做密封處理；將煤樣放入高低溫恒溫恒濕箱中，溫度分別設(shè)為50 ℃、80 ℃，所設(shè)濕度分別為40%、60%、80%，共18組實(shí)驗(yàn)。每組設(shè)5組平行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)?？諝饬魉贋?0 mL/min。每隔30 min稱重開(kāi)口容器和煤顆?？傎|(zhì)量，直至連續(xù)三次稱重不變?yōu)橹埂?/p>

2 濕空氣氣氛下煤顆粒水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及規(guī)律分析

圖1為煤顆粒在溫度50 ℃，濕度40%情況下的水分蒸發(fā)曲線圖。不同粒徑的煤顆粒均呈現(xiàn)先迅速失水階段，隨著蒸發(fā)過(guò)程的繼續(xù)發(fā)展，在50 min時(shí)，達(dá)到最大蒸發(fā)速率；在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢；在300 min后，煤樣水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖1 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度40%情況下水分蒸發(fā)曲線

圖2為煤顆粒在溫度為50 ℃，濕度為60%情況下的水分蒸發(fā)曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發(fā)均呈現(xiàn)出先迅速失水階段，隨著蒸發(fā)過(guò)程的繼續(xù)發(fā)展，相較于濕度40%的情況下，濕度60%的條件下在90 min時(shí)，達(dá)到最大蒸發(fā)速率，在120 min之后，煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖2 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度60%情況下水分蒸發(fā)曲線

圖3為煤顆粒在溫度50 ℃，濕度80%情況下的水分蒸發(fā)曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發(fā)總體趨勢(shì)相似，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢，在300 min后，煤樣質(zhì)量不再發(fā)生變化，水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖3 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度80%情況下水分蒸發(fā)曲線

綜上可知，均呈現(xiàn)出在0.1～2.0 mm粒徑的煤樣失重最小，失重率依次為0.21%、0.40%、3.53%。粒徑在0.074～0.100 mm的煤樣失重最大，失重率依次為1.21%、1.19%、1.63%。

圖4為煤顆粒在溫度80 ℃，濕度40%情況下的水分蒸發(fā)曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫恒濕的情況下的水分蒸發(fā)總體趨勢(shì)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不同粒徑煤樣均呈現(xiàn)出先迅速失水階段，單位時(shí)間內(nèi)失水量最大，粒徑范圍在0.074～0.100 mm和2～5 mm的煤樣隨著蒸發(fā)過(guò)程的繼續(xù)發(fā)展，在90 min時(shí)達(dá)到最大的蒸發(fā)速率，在120 min后煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖4 不同粒徑煤顆粒在溫度80 ℃， 濕度40%情況下水分蒸發(fā)曲線

圖5為煤顆粒在溫度80 ℃，濕度60%情況下水分蒸發(fā)曲線圖。從曲線圖可以看出，粒徑范圍在0.1～2.0 mm和0.074～0.100 mm的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發(fā)總體趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)出先迅速失水階段，在60 min內(nèi)失水速率達(dá)到最大，隨著蒸發(fā)過(guò)程的繼續(xù)發(fā)展，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖5 不同粒徑煤顆粒在溫度80 ℃， 濕度60%情況下水分蒸發(fā)曲線

圖6為煤顆粒在溫度80 ℃，濕度80%情況下水分蒸發(fā)曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發(fā)總體趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)出先迅速失水階段，隨著蒸發(fā)過(guò)程的繼續(xù)發(fā)展，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發(fā)速率開(kāi)始逐漸減慢，在400 min后，煤樣水分蒸發(fā)基本結(jié)束。

圖6 不同粒徑煤顆粒在溫度80℃， 濕度80%情況下水分蒸發(fā)曲線

從圖4～圖6中可以得到，均呈現(xiàn)出在0.1～2.0 mm粒徑的煤樣失重最小，失重率依次為9.7%、13.9%、25.0%。粒 徑 在0.074～0.100 mm的煤樣失重最大，失重率依次為16.7%、39.7%、22.9%。

基于上述的蒸發(fā)量曲線得出了各實(shí)驗(yàn)組的蒸發(fā)速度，可得：在溫度50 ℃時(shí)，煤顆粒的蒸發(fā)速度在不同粒徑、溫度影響下的規(guī)律不盡相同，其中濕度在40%、60%以及80%時(shí)，隨著粒徑的增大，煤顆粒的水分蒸發(fā)速度呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)；其中濕度在40%時(shí)，受粒徑的影響較大反而濕度在60%時(shí)，受粒徑的影響較小。在三組實(shí)驗(yàn)組中，在溫度50 ℃，濕度40%，粒徑0.074～0.100 mm的條件下，煤顆粒水分蒸發(fā)速度最快；粒徑2～5 mm的煤顆粒水分蒸發(fā)速度最慢。

在溫度80 ℃時(shí)，濕度分別在40%、60%以及80%時(shí)，隨著粒徑的增大，煤顆粒的水分蒸發(fā)速度呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)；在三組實(shí)驗(yàn)組中，在溫度80 ℃，濕度40%，粒徑0.074～0.100 mm的條件下，煤顆粒水分蒸發(fā)速度最快；在溫度80 ℃，濕度80%，粒徑2～5 mm的條件下，煤顆粒水分蒸發(fā)速度最慢。

煤顆粒水分蒸發(fā)的時(shí)間隨速度的增長(zhǎng)而增加，在每個(gè)溫度下的水分蒸發(fā)初期增加很快，增加幅度隨時(shí)間逐漸減??；煤中的水分蒸發(fā)速度與時(shí)間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其值隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。煤顆粒的水分蒸發(fā)速度隨溫度的升高而增大，所以煤顆粒水分蒸發(fā)與溫度存在正反饋的關(guān)系。煤的孔隙度隨著溫度的升高而增加，從而擴(kuò)大煤與氧氣的接觸面積，使得煤的低溫氧化過(guò)程加快，引發(fā)煤自然發(fā)火的產(chǎn)生。煤樣粒徑越小，在相同的蒸發(fā)時(shí)間內(nèi)煤中水分散失的越快且越多。當(dāng)煤由0.074～0.100 mm的煤粒組成時(shí)，煤樣的水分散失量最多。對(duì)于濕度而言，存在一個(gè)區(qū)間，使得煤的水分蒸發(fā)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的波動(dòng)，在本文中濕度達(dá)到60%和80%之間時(shí)，在不同溫度和粒徑范圍下，均表現(xiàn)出水分蒸發(fā)速度與蒸發(fā)量最大的現(xiàn)象。

在濕風(fēng)流的影響下，進(jìn)入煤層顆粒內(nèi)的風(fēng)流改變了煤樣內(nèi)的壓力和壓差，同時(shí)也影響了煤顆粒中不同位置的風(fēng)力和壓差，壓力的變化導(dǎo)致了煤顆粒內(nèi)出現(xiàn)壓差，隨著實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，由于空氣中的飽和蒸氣壓達(dá)到平衡，使得煤樣中的水分蒸發(fā)的速度逐漸減小，所以隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的持續(xù)，在單位時(shí)間內(nèi)煤樣中的水分蒸發(fā)量會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

在對(duì)于空氣氛圍下的煤顆粒水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)歸納，可以發(fā)現(xiàn)每種工況下水分蒸發(fā)過(guò)程都存在三種蒸發(fā)階段，即快速蒸發(fā)期、降速蒸發(fā)階段、穩(wěn)定蒸發(fā)階段。在水分蒸發(fā)的開(kāi)始時(shí)，煤顆粒開(kāi)始吸收外部環(huán)境的熱量，一方面用于煤顆粒表面附著水分的蒸發(fā)，另一方面使其自身溫度升高。在蒸發(fā)穩(wěn)定期，外部的飽和蒸氣壓水分的蒸發(fā)在煤顆粒的表面上進(jìn)行。由于表面水分的蒸發(fā)，在煤顆粒的不同位置將產(chǎn)生濕度差。在此濕度差的推動(dòng)下，其在內(nèi)部的水分將以液態(tài)水的形式向表面擴(kuò)散，由于蒸發(fā)過(guò)程在表面上進(jìn)行，在確定的實(shí)驗(yàn)工況條件下，蒸發(fā)速度為常數(shù)。

當(dāng)水分蒸發(fā)至一定程度時(shí)，煤顆粒內(nèi)部液態(tài)水的擴(kuò)散速率小于其表面蒸發(fā)速度后，在煤顆粒表面上就會(huì)形成干涸層，蒸發(fā)過(guò)程向煤顆粒內(nèi)部深入，此時(shí)水分蒸發(fā)的第一階段結(jié)束，即快速蒸發(fā)期結(jié)束，降速蒸發(fā)階段開(kāi)始。隨著水分蒸發(fā)過(guò)程的不斷進(jìn)行，干涸層不斷向煤炭?jī)?nèi)部深入擴(kuò)大，此時(shí)的水分蒸發(fā)過(guò)程已開(kāi)始深入到煤顆粒的內(nèi)部，整個(gè)煤顆?？梢苑譃檎舭l(fā)區(qū)和濕區(qū)兩部分，此時(shí)的水分蒸發(fā)速度隨著蒸發(fā)區(qū)的深入而降低，此階段即為水分蒸發(fā)過(guò)程的降速階段。

隨著水分蒸發(fā)的持續(xù)，當(dāng)煤顆粒表面的水分全部被干燥時(shí)，降速階段結(jié)束，穩(wěn)定蒸發(fā)階段開(kāi)始，這時(shí)煤顆粒整體可分為干區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和濕區(qū)3部分，此時(shí)蒸發(fā)過(guò)程全部在煤顆粒內(nèi)部進(jìn)行，由于煤中存在毛細(xì)管，毛細(xì)管力可以將水分進(jìn)行運(yùn)移，此時(shí)水分主要利用毛細(xì)管力的作用由煤顆粒內(nèi)部遷移至煤顆粒表面，蒸發(fā)的過(guò)程從表面的蒸發(fā)改變?yōu)橹饕l(fā)生在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)管內(nèi)水分的遷移，水分在濕區(qū)以液態(tài)水的形式遷移至煤顆粒的表面，然后逐漸蒸發(fā)至大氣中。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)濕空氣氛圍下的水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，得到在空氣濕度60%和80%時(shí)，外界溫度越高，煤顆粒水分蒸發(fā)速度越快。溫度越高，蒸發(fā)速度越快；濕度為變量的中間值，越靠近60%，則煤顆粒的蒸發(fā)速度越快，而粒徑則是粒徑越小，蒸發(fā)速度越快。溫度80 ℃，濕度為80%，粒徑為0.074～0.100 mm時(shí)，蒸發(fā)速度最快。

將煤炭顆粒的水分蒸發(fā)析出可包括三種過(guò)程：快速蒸發(fā)期、降速蒸發(fā)階段、穩(wěn)定蒸發(fā)階段。第一步，在氣候潮濕時(shí)期，水分主要是在煤粒表面完成的，這個(gè)過(guò)程中煤顆粒中的水分沿水分蒸發(fā)的煤顆?？紫吨挟a(chǎn)生的縫隙均勻上升，水分最后到達(dá)煤顆粒表面蒸發(fā)。第二步，煤顆粒含水量減小到煤顆粒的一定含水率時(shí)，隨著蒸發(fā)時(shí)間的持續(xù)，煤顆粒表面開(kāi)始變干，水分逐漸減少，表面形成一個(gè)相較于煤顆粒核心處而言較為干燥的表層。第三步，在一段時(shí)間后，當(dāng)煤顆粒表面非常干燥時(shí)，煤顆粒中孔隙內(nèi)部的毛細(xì)管力停止作用。此時(shí)，水分蒸發(fā)會(huì)從表面蒸發(fā)遷移至煤顆粒的內(nèi)部核心處，水從液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)后通過(guò)煤顆?？紫叮贁U(kuò)散到外部環(huán)境中去，蒸發(fā)的速率比同樣條件下煤顆粒表面水分的蒸發(fā)小得多。