煤颗粒水分蒸发对煤自燃影响的实验研究

张智昱

(辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院, 辽宁 葫芦岛 125105)

煤自燃严重威胁煤炭开采、运输、储存的安全[1].煤体是一种含水的多孔介质,水分相变不可避免影响煤氧化过程中的热平衡,张晓明等[2]采用开放式恒温实验研究不同含水量褐煤的升温特性,得到临界自燃着火点温度与含水量的负相关关系;乔玲等[3]针对浸水煤体开展微观表征实验,发现浸水煤体的自燃倾向性高于原煤;刘晓源等[4]利用氮吸附仪和热分析仪分析原始赋存水分对煤自燃过程的影响,提出外在水分的物理抑制及内在水分的化学脱附促进煤氧化效应。目前的研究多局限于单一尺度煤体水分对煤自燃特性的影响,因此,基于颗粒尺度和煤堆尺度,分别研究煤颗粒水分蒸发规律和煤堆升温特性,分析特征参数(温度和粒径)对水分蒸发的作用,探索水分蒸发对煤堆热平衡发展过程的影响。

1 水分蒸发过程分析

基于湿收缩概念,假设煤颗粒中存在一个湿收缩区,主要由外在水分和内在水分组成。颗粒内部水分会经历颗粒内部干燥区运移、界面水分对流传质。水分运移与传热过程类似,即水分在煤中传递和蒸发过程类似于煤颗粒在气流中冷却过程,可采用传质毕渥数Bim表示[5]:

(1)

式中:Bim为传质毕渥数;hm为对流传质系数,m/s;l为特征长度(为r0/3),m;ε为孔隙率;Dv为有效扩散传质系数,m2/s.

其中,hm与对流换热系数ht的关系如下:

(2)

式中:ht为对流换热系数,W/(m2·K),取11;ρg为恒温箱中的气体密度,kg/m3,取1.239;cg为空气的比热容,J/(kg·K),取1005;Le为路易斯数,即热扩散速率与质量扩散速率的比值,取1.2.

有效扩散传质系数Dv与温度T和压力P的关系可表示为[5]:

(3)

式中:D为T0=256 K,P0在标准大气压条件下的扩散速率,m2/s,取2.55×10-5.

传质毕渥数本质是煤颗粒内部水分扩散阻力与颗粒表面传质阻力的比值。当煤颗粒粒径较小或者温度较高时,传质毕渥数较小,当满足Bim<0.1时,煤颗粒的内部扩散阻力可忽略不计,煤颗粒内部干燥区水分浓度达到饱和状态;反之,传质毕渥数较大,当满足Bim>10时,煤颗粒表面传质阻力可忽略不计,煤颗粒内部干燥区与颗粒周围水分浓度相同。

煤堆由煤颗粒组成,煤颗粒产生的水分在煤堆空隙内运移并排至煤堆外部,其水分运移过程可由组分守恒方程表征:

(4)

式中:n为煤堆孔隙率;C为煤堆空隙的水浓度,mol/m3;v为空隙内渗流速度,m/s;Sf为煤颗粒水分蒸发源项,mol/(m3·s).

因此,水分在煤堆空隙中的运移速度主要取决于渗流速度和扩散系数,通过分析多孔介质佩克莱数可知,粒径越大,多孔介质孔隙内通过渗流运输组分机制相对于扩散机制越占优势。

2 实验过程

实验煤样源于内蒙古白音华露天煤矿,其水分、灰分、挥发分及固定碳含量分别为23%、18.2%、30.9%和27.9%. 为避免水分流失对实验的影响,将新开采煤块密封并运送至实验室,利用颚式破碎机破碎,通过不同尺寸的标准分样筛对其进行筛选,针对恒温水分蒸发实验,选取0.1 mm、1 mm、5 mm、10 mm四种粒径煤样,针对开放式恒温实验,选取0.5 mm、1 mm、3 mm、5 mm四种粒径煤样。

2.1 恒温煤水分蒸发实验

采用恒温煤水分蒸发实验系统(见图1)分析不同温度(T=40 ℃、55 ℃、70 ℃、90 ℃)和粒径(d=0.1 mm、1 mm、5 mm、10 mm)条件下的褐煤水分蒸发规律,具体步骤如下:

图1 恒温煤水分蒸发实验系统图

将一定量原煤煤样(质量为m0,d=0.1 mm)平铺于托盘内,将其置于装有蒸馏水的密闭瓶中(空气相对湿度为100%),密闭瓶置于恒温箱内(温度为40 ℃),应用电子天平称重煤样,直至其质量不变(m1);快速将盛有煤样的托盘从水密闭瓶放置于KOH溶液密闭瓶(空气相对湿度为6.26%),记录煤样质量(mc)变化,直至质量不变(m2).煤样含湿量f为:(mc-m2)/(m1-m2)×100%;随后改变温度和粒径,重复以上实验步骤。

2.2 开放式恒温实验

采用开放式恒温实验系统(图2)分析原煤堆积颗粒的升温规律,具体步骤如下:

图2 开放式恒温实验系统图

将一定量褐煤颗粒(d=0.5 mm)自燃堆积于铜制网框(边长为5 cm)内,将网框置于恒温箱内;采用GL220型温度采集器记录煤堆中心点及恒温箱的温度(Te),通过不断实验确定不同粒径煤堆的最低自燃温度和最高未自燃温度,从而确定临界自燃着火点温度;改变粒径,重复以上实验步骤;将褐煤颗粒在45 ℃恒温氮气中干燥,制备干燥褐煤煤样,重复上述实验步骤。

3 实验结果分析

3.1 煤颗粒水分蒸发规律

图3为不同恒温条件下褐煤含湿量随时间变化曲线,曲线斜率表示煤颗粒的蒸发速率。可以看出,不同条件下的煤体水分蒸发规律类似:初期水分蒸发速率大,随着煤体含湿量的降低,煤体内外水分差异变小,蒸发速率变慢,最终煤体内部孔隙间水分与周围环境趋于一致。

图3 不同温度及粒径褐煤颗粒水分蒸发曲线图

通过使用不同拟合方程对比,Lagergren方程对曲线的拟合程度最优,所以应用Lagergren方程对图3中的曲线进行拟合,方程为:

φ=b1exp(b2t)+b3

(5)

式中:φ为含湿量变化,%;t为时间,s;b2为蒸发时间因子,s;b1、b3均为常数。b2能够整体反映煤颗粒水分蒸发强度,%. 蒸发时间因子与温度、粒径的关系见表1,不同粒径褐煤传质毕渥数Bim随温度变化曲线见图4. 结合表1和图4进行分析,煤样粒径越小,传质毕渥数Bim越小,表面传质阻力相对于扩散阻力越大,蒸发因子越大,水分蒸发越慢;另外,温度升高造成有效扩散传质系数增加,水分扩散阻力减小,传质毕渥数Bim变小,蒸发因子变小,因而水分更易散失。

表1 蒸发时间因子(b2)与温度、粒径的关系表

图4 不同粒径褐煤传质毕渥数Bim随温度变化曲线图

相同温度、相同含湿量条件下,粒径与蒸发速率呈反比,这是由于大粒径煤颗粒的水分扩散阻力较大,其内部水分运移速率较小。当煤颗粒温度较低时(Te=40 ℃、55 ℃),d=0.1 mm和d=1 mm煤样含湿量的变化不一致,说明d=1 mm煤颗粒内部水分蒸发是由两种不同的阻力影响的。随着温度的增加,有效扩散传质系数Dv变大,造成蒸发时间因子快速变小;在外部环境温度条件为Te=70 ℃、90 ℃时,d=0.1 mm和d=1 mm煤样颗粒的传质毕渥数Bim较小,内部水分扩散阻力相对于表面传质阻力可以忽略不计,两者的蒸发时间因子均小(265～525 s),因此,d=0.1 mm和d=1 mm煤样的含湿量变化曲线几乎重合。整体而言,粒径的增加会增大扩散阻力,而温度升高会降低扩散阻力。因此,在相同含湿量条件下,煤颗粒的蒸发时间因子与温度、粒径分别呈负相关、正相关。

3.2 水分对堆积煤颗粒自燃影响

不同粒径条件下原煤与干燥煤堆中心点温度曲线见图5. 原煤温度曲线可根据升温速率变化划分为快速升温、缓慢升温、温度回升、自燃/冷却4个阶段,水分对煤自燃的显性影响主要体现在前3个阶段:快速升温阶段煤堆温度较低,在热对流与热传导作用下煤堆快速升温,然而大粒径煤堆的流动阻力小,随着温度的升高,水分蒸发强度增加,当温度达到55～70 ℃时,升温速率将维持在较低值;在缓慢升温阶段,煤堆由外界吸收的热量大部分用于水分蒸发,由分析可知,大粒径煤颗粒的蒸发速率较小,另外,大粒径煤堆自然对流较强,煤颗粒蒸发的水分能快速排至外界,造成颗粒内部湿度与孔隙空气湿度的差值较大,更有利于水分蒸发。因此,大粒径煤颗粒在此阶段表现为初期升温较快,后期升温较慢的现象,粒径越大,这种现象越明显;在温度回升阶段,水分蒸发基本结束,此时温度达到100 ℃以上,内在水分开始蒸发,升温速率开始降低,降低幅度随着粒径的增加而减小;在自燃/冷却阶段,小粒径煤颗粒水分蒸发快,在第四阶段不易受水分的影响,另外小粒径煤颗粒比表面积较大,与氧气反应更加剧烈,因此d=0.5 mm的煤堆最终发生自燃,干燥煤堆的升温过程不包括第二阶段,其余阶段温度变化与原煤煤堆相似。

图5 不同粒径原煤与干燥煤堆温度、升温速率曲线图

不同粒径条件下原煤与干燥煤堆的临界自燃着火点温度见图6,可以发现,水分的存在会提升煤堆的临界自燃着火点温度4～6 ℃,降低煤堆的自燃倾向性。由于颗粒水分蒸发及煤堆空隙渗流特性相似性,小粒径(d=0.5 mm、1 mm)煤堆临界自燃着火点温度较低且相似,水分的蒸发会消耗煤体产生的热量,造成煤堆升温过程后期热量供给不足,不易形成自燃。

图6 煤堆临界自燃着火点温度曲线图

4 结 语

1) 对白音华褐煤颗粒水分蒸发过程进行无量纲分析,传质毕渥数与温度、粒径分别呈负相关、正相关。

2) 通过Lagergren方程拟合得到煤颗粒的蒸发时间因子,该因子能够表征煤颗粒水分蒸发的整体强度,分别与温度、粒径呈负相关、正相关。当白音华褐煤粒径较小(≤1 mm)、温度较高(≥70 ℃)时,颗粒内部扩散阻力很小,蒸发时间因子很小,造成不同煤颗粒的含湿量变化曲线几乎重合。

3) 开放式恒温条件下白音华褐煤煤堆升温过程可划分为4个阶段:快速升温、缓慢升温、温度回升、自燃/冷却,水分蒸发作用主要集中于前3个阶段,水分会显著提升临界自燃着火点温度,降低煤堆自燃能力。