張智昱

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 葫蘆島 125105)

煤自燃嚴重威脅煤炭開采、運輸、儲存的安全[1].煤體是一種含水的多孔介質(zhì),水分相變不可避免影響煤氧化過程中的熱平衡,張曉明等[2]采用開放式恒溫實驗研究不同含水量褐煤的升溫特性,得到臨界自燃著火點溫度與含水量的負相關(guān)關(guān)系;喬玲等[3]針對浸水煤體開展微觀表征實驗,發(fā)現(xiàn)浸水煤體的自燃傾向性高于原煤;劉曉源等[4]利用氮吸附儀和熱分析儀分析原始賦存水分對煤自燃過程的影響,提出外在水分的物理抑制及內(nèi)在水分的化學(xué)脫附促進煤氧化效應(yīng)。目前的研究多局限于單一尺度煤體水分對煤自燃特性的影響,因此,基于顆粒尺度和煤堆尺度,分別研究煤顆粒水分蒸發(fā)規(guī)律和煤堆升溫特性,分析特征參數(shù)(溫度和粒徑)對水分蒸發(fā)的作用,探索水分蒸發(fā)對煤堆熱平衡發(fā)展過程的影響。

1 水分蒸發(fā)過程分析

基于濕收縮概念,假設(shè)煤顆粒中存在一個濕收縮區(qū),主要由外在水分和內(nèi)在水分組成。顆粒內(nèi)部水分會經(jīng)歷顆粒內(nèi)部干燥區(qū)運移、界面水分對流傳質(zhì)。水分運移與傳熱過程類似,即水分在煤中傳遞和蒸發(fā)過程類似于煤顆粒在氣流中冷卻過程,可采用傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim表示[5]:

(1)

式中:Bim為傳質(zhì)畢渥數(shù);hm為對流傳質(zhì)系數(shù),m/s;l為特征長度(為r0/3),m;ε為孔隙率;Dv為有效擴散傳質(zhì)系數(shù),m2/s.

其中,hm與對流換熱系數(shù)ht的關(guān)系如下:

(2)

式中:ht為對流換熱系數(shù),W/(m2·K),取11;ρg為恒溫箱中的氣體密度,kg/m3,取1.239;cg為空氣的比熱容,J/(kg·K),取1005;Le為路易斯數(shù),即熱擴散速率與質(zhì)量擴散速率的比值,取1.2.

有效擴散傳質(zhì)系數(shù)Dv與溫度T和壓力P的關(guān)系可表示為[5]:

(3)

式中:D為T0=256 K,P0在標準大氣壓條件下的擴散速率,m2/s,取2.55×10-5.

傳質(zhì)畢渥數(shù)本質(zhì)是煤顆粒內(nèi)部水分擴散阻力與顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)阻力的比值。當煤顆粒粒徑較小或者溫度較高時,傳質(zhì)畢渥數(shù)較小,當滿足Bim<0.1時,煤顆粒的內(nèi)部擴散阻力可忽略不計,煤顆粒內(nèi)部干燥區(qū)水分濃度達到飽和狀態(tài);反之,傳質(zhì)畢渥數(shù)較大,當滿足Bim>10時,煤顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)阻力可忽略不計,煤顆粒內(nèi)部干燥區(qū)與顆粒周圍水分濃度相同。

煤堆由煤顆粒組成,煤顆粒產(chǎn)生的水分在煤堆空隙內(nèi)運移并排至煤堆外部,其水分運移過程可由組分守恒方程表征:

(4)

式中:n為煤堆孔隙率;C為煤堆空隙的水濃度,mol/m3;v為空隙內(nèi)滲流速度,m/s;Sf為煤顆粒水分蒸發(fā)源項,mol/(m3·s).

因此,水分在煤堆空隙中的運移速度主要取決于滲流速度和擴散系數(shù),通過分析多孔介質(zhì)佩克萊數(shù)可知,粒徑越大,多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)通過滲流運輸組分機制相對于擴散機制越占優(yōu)勢。

2 實驗過程

實驗煤樣源于內(nèi)蒙古白音華露天煤礦,其水分、灰分、揮發(fā)分及固定碳含量分別為23%、18.2%、30.9%和27.9%. 為避免水分流失對實驗的影響,將新開采煤塊密封并運送至實驗室,利用顎式破碎機破碎,通過不同尺寸的標準分樣篩對其進行篩選,針對恒溫水分蒸發(fā)實驗,選取0.1 mm、1 mm、5 mm、10 mm四種粒徑煤樣,針對開放式恒溫實驗,選取0.5 mm、1 mm、3 mm、5 mm四種粒徑煤樣。

2.1 恒溫煤水分蒸發(fā)實驗

采用恒溫煤水分蒸發(fā)實驗系統(tǒng)(見圖1)分析不同溫度(T=40 ℃、55 ℃、70 ℃、90 ℃)和粒徑(d=0.1 mm、1 mm、5 mm、10 mm)條件下的褐煤水分蒸發(fā)規(guī)律,具體步驟如下:

圖1 恒溫煤水分蒸發(fā)實驗系統(tǒng)圖

將一定量原煤煤樣(質(zhì)量為m0,d=0.1 mm)平鋪于托盤內(nèi),將其置于裝有蒸餾水的密閉瓶中(空氣相對濕度為100%),密閉瓶置于恒溫箱內(nèi)(溫度為40 ℃),應(yīng)用電子天平稱重煤樣,直至其質(zhì)量不變(m1);快速將盛有煤樣的托盤從水密閉瓶放置于KOH溶液密閉瓶(空氣相對濕度為6.26%),記錄煤樣質(zhì)量(mc)變化,直至質(zhì)量不變(m2).煤樣含濕量f為:(mc-m2)/(m1-m2)×100%;隨后改變溫度和粒徑,重復(fù)以上實驗步驟。

2.2 開放式恒溫實驗

采用開放式恒溫實驗系統(tǒng)(圖2)分析原煤堆積顆粒的升溫規(guī)律,具體步驟如下:

圖2 開放式恒溫實驗系統(tǒng)圖

將一定量褐煤顆粒(d=0.5 mm)自燃堆積于銅制網(wǎng)框(邊長為5 cm)內(nèi),將網(wǎng)框置于恒溫箱內(nèi);采用GL220型溫度采集器記錄煤堆中心點及恒溫箱的溫度(Te),通過不斷實驗確定不同粒徑煤堆的最低自燃溫度和最高未自燃溫度,從而確定臨界自燃著火點溫度;改變粒徑,重復(fù)以上實驗步驟;將褐煤顆粒在45 ℃恒溫氮氣中干燥,制備干燥褐煤煤樣,重復(fù)上述實驗步驟。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 煤顆粒水分蒸發(fā)規(guī)律

圖3為不同恒溫條件下褐煤含濕量隨時間變化曲線,曲線斜率表示煤顆粒的蒸發(fā)速率?？梢钥闯?不同條件下的煤體水分蒸發(fā)規(guī)律類似:初期水分蒸發(fā)速率大,隨著煤體含濕量的降低,煤體內(nèi)外水分差異變小,蒸發(fā)速率變慢,最終煤體內(nèi)部孔隙間水分與周圍環(huán)境趨于一致。

圖3 不同溫度及粒徑褐煤顆粒水分蒸發(fā)曲線圖

通過使用不同擬合方程對比,Lagergren方程對曲線的擬合程度最優(yōu),所以應(yīng)用Lagergren方程對圖3中的曲線進行擬合,方程為:

φ=b1exp(b2t)+b3

(5)

式中:φ為含濕量變化,%;t為時間,s;b2為蒸發(fā)時間因子,s;b1、b3均為常數(shù)。b2能夠整體反映煤顆粒水分蒸發(fā)強度,%. 蒸發(fā)時間因子與溫度、粒徑的關(guān)系見表1,不同粒徑褐煤傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim隨溫度變化曲線見圖4. 結(jié)合表1和圖4進行分析,煤樣粒徑越小,傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim越小,表面?zhèn)髻|(zhì)阻力相對于擴散阻力越大,蒸發(fā)因子越大,水分蒸發(fā)越慢;另外,溫度升高造成有效擴散傳質(zhì)系數(shù)增加,水分擴散阻力減小,傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim變小,蒸發(fā)因子變小,因而水分更易散失。

表1 蒸發(fā)時間因子(b2)與溫度、粒徑的關(guān)系表

圖4 不同粒徑褐煤傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim隨溫度變化曲線圖

相同溫度、相同含濕量條件下,粒徑與蒸發(fā)速率呈反比,這是由于大粒徑煤顆粒的水分擴散阻力較大,其內(nèi)部水分運移速率較小。當煤顆粒溫度較低時(Te=40 ℃、55 ℃),d=0.1 mm和d=1 mm煤樣含濕量的變化不一致,說明d=1 mm煤顆粒內(nèi)部水分蒸發(fā)是由兩種不同的阻力影響的。隨著溫度的增加,有效擴散傳質(zhì)系數(shù)Dv變大,造成蒸發(fā)時間因子快速變小;在外部環(huán)境溫度條件為Te=70 ℃、90 ℃時,d=0.1 mm和d=1 mm煤樣顆粒的傳質(zhì)畢渥數(shù)Bim較小,內(nèi)部水分擴散阻力相對于表面?zhèn)髻|(zhì)阻力可以忽略不計,兩者的蒸發(fā)時間因子均小(265～525 s),因此,d=0.1 mm和d=1 mm煤樣的含濕量變化曲線幾乎重合。整體而言,粒徑的增加會增大擴散阻力,而溫度升高會降低擴散阻力。因此,在相同含濕量條件下,煤顆粒的蒸發(fā)時間因子與溫度、粒徑分別呈負相關(guān)、正相關(guān)。

3.2 水分對堆積煤顆粒自燃影響

不同粒徑條件下原煤與干燥煤堆中心點溫度曲線見圖5. 原煤溫度曲線可根據(jù)升溫速率變化劃分為快速升溫、緩慢升溫、溫度回升、自燃/冷卻4個階段,水分對煤自燃的顯性影響主要體現(xiàn)在前3個階段:快速升溫階段煤堆溫度較低,在熱對流與熱傳導(dǎo)作用下煤堆快速升溫,然而大粒徑煤堆的流動阻力小,隨著溫度的升高,水分蒸發(fā)強度增加,當溫度達到55～70 ℃時,升溫速率將維持在較低值;在緩慢升溫階段,煤堆由外界吸收的熱量大部分用于水分蒸發(fā),由分析可知,大粒徑煤顆粒的蒸發(fā)速率較小,另外,大粒徑煤堆自然對流較強,煤顆粒蒸發(fā)的水分能快速排至外界,造成顆粒內(nèi)部濕度與孔隙空氣濕度的差值較大,更有利于水分蒸發(fā)。因此,大粒徑煤顆粒在此階段表現(xiàn)為初期升溫較快,后期升溫較慢的現(xiàn)象,粒徑越大,這種現(xiàn)象越明顯;在溫度回升階段,水分蒸發(fā)基本結(jié)束,此時溫度達到100 ℃以上,內(nèi)在水分開始蒸發(fā),升溫速率開始降低,降低幅度隨著粒徑的增加而減小;在自燃/冷卻階段,小粒徑煤顆粒水分蒸發(fā)快,在第四階段不易受水分的影響,另外小粒徑煤顆粒比表面積較大,與氧氣反應(yīng)更加劇烈,因此d=0.5 mm的煤堆最終發(fā)生自燃,干燥煤堆的升溫過程不包括第二階段,其余階段溫度變化與原煤煤堆相似。

圖5 不同粒徑原煤與干燥煤堆溫度、升溫速率曲線圖

不同粒徑條件下原煤與干燥煤堆的臨界自燃著火點溫度見圖6,可以發(fā)現(xiàn),水分的存在會提升煤堆的臨界自燃著火點溫度4～6 ℃,降低煤堆的自燃傾向性。由于顆粒水分蒸發(fā)及煤堆空隙滲流特性相似性,小粒徑(d=0.5 mm、1 mm)煤堆臨界自燃著火點溫度較低且相似,水分的蒸發(fā)會消耗煤體產(chǎn)生的熱量,造成煤堆升溫過程后期熱量供給不足,不易形成自燃。

圖6 煤堆臨界自燃著火點溫度曲線圖

4 結(jié) 語

1) 對白音華褐煤顆粒水分蒸發(fā)過程進行無量綱分析,傳質(zhì)畢渥數(shù)與溫度、粒徑分別呈負相關(guān)、正相關(guān)。

2) 通過Lagergren方程擬合得到煤顆粒的蒸發(fā)時間因子,該因子能夠表征煤顆粒水分蒸發(fā)的整體強度,分別與溫度、粒徑呈負相關(guān)、正相關(guān)。當白音華褐煤粒徑較小(≤1 mm)、溫度較高(≥70 ℃)時,顆粒內(nèi)部擴散阻力很小,蒸發(fā)時間因子很小,造成不同煤顆粒的含濕量變化曲線幾乎重合。

3) 開放式恒溫條件下白音華褐煤煤堆升溫過程可劃分為4個階段:快速升溫、緩慢升溫、溫度回升、自燃/冷卻,水分蒸發(fā)作用主要集中于前3個階段,水分會顯著提升臨界自燃著火點溫度,降低煤堆自燃能力。