濕風流下煤顆粒水分蒸發實驗規律研究

甘宇

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤層自燃的最主要因素是水的產生，水是煤樣的一種主要成分，對煤層自燃的影響有著雙重的影響，有促進效果，也有遏制效應，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]在一維球坐標系條件下，構建了基于一個球形褐炭顆粒內部的水分脫除流程的數值模擬。Zhang等[5]通過實驗發現界面更新、干燥溫度和粒度是影響煤干燥速率的三個主要因素。較高的干燥溫度會導致大孔和中孔的收縮和塌陷，這會降低干煤在煤倉中后期儲存時的吸水率。Ren等[6]的研究結果表明，對于低孔隙率煤，水分的吸附可以軟化和潤滑微觀結構，削弱機械性能。而干燥過程會破壞高孔隙率煤的微觀結構，降低其力學性能。各國學者對于水分蒸發均提出了不同的見解，但關于水分在煤炭顆粒中相變對煤炭自燃的作用的有關研究卻很少。研究煤顆粒與煤堆中水分的相變過程對于從微觀角度研究水分對煤炭自燃過程有著重要意義。

1 實驗方法

實驗在高低溫恒溫恒濕箱中進行，實驗的過程主要為：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的實驗煤樣；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，溫度分別設為50 ℃、80 ℃，所設濕度分別為40%、60%、80%，共18組實驗。每組設5組平行實驗，根據預設的實驗方案進行水分蒸發實驗。空氣流速為60 mL/min。每隔30 min稱重開口容器和煤顆粒總質量，直至連續三次稱重不變為止。

2 濕空氣氣氛下煤顆粒水分蒸發實驗結果及規律分析

圖1為煤顆粒在溫度50 ℃，濕度40%情況下的水分蒸發曲線圖。不同粒徑的煤顆粒均呈現先迅速失水階段，隨著蒸發過程的繼續發展，在50 min時，達到最大蒸發速率；在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢；在300 min后，煤樣水分蒸發基本結束。

圖1 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度40%情況下水分蒸發曲線

圖2為煤顆粒在溫度為50 ℃，濕度為60%情況下的水分蒸發曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發均呈現出先迅速失水階段，隨著蒸發過程的繼續發展，相較于濕度40%的情況下，濕度60%的條件下在90 min時，達到最大蒸發速率，在120 min之后，煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發基本結束。

圖2 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度60%情況下水分蒸發曲線

圖3為煤顆粒在溫度50 ℃，濕度80%情況下的水分蒸發曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發總體趨勢相似，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢，在300 min后，煤樣質量不再發生變化，水分蒸發基本結束。

圖3 不同粒徑煤顆粒在溫度50 ℃， 濕度80%情況下水分蒸發曲線

綜上可知，均呈現出在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總體趨勢均呈現下降趨勢，不同粒徑煤樣均呈現出先迅速失水階段，單位時間內失水量最大，粒徑范圍在0.074～0.100 mm和2～5 mm的煤樣隨著蒸發過程的繼續發展，在90 min時達到最大的蒸發速率，在120 min后煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發基本結束。

圖4 不同粒徑煤顆粒在溫度80 ℃， 濕度40%情況下水分蒸發曲線

圖5為煤顆粒在溫度80 ℃，濕度60%情況下水分蒸發曲線圖。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總體趨勢相似，均呈現出先迅速失水階段，在60 min內失水速率達到最大，隨著蒸發過程的繼續發展，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢，在300 min后，煤樣水分蒸發基本結束。

圖5 不同粒徑煤顆粒在溫度80 ℃， 濕度60%情況下水分蒸發曲線

圖6為煤顆粒在溫度80 ℃，濕度80%情況下水分蒸發曲線圖。不同粒徑的煤顆粒在恒溫濕度情況下的水分蒸發總體趨勢相似，均呈現出先迅速失水階段，隨著蒸發過程的繼續發展，在100 min之后，煤顆粒的水分蒸發速率開始逐漸減慢，在400 min后，煤樣水分蒸發基本結束。

圖6 不同粒徑煤顆粒在溫度80℃， 濕度80%情況下水分蒸發曲線

從圖4～圖6中可以得到，均呈現出在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%。

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

在溫度80 ℃時，濕度分別在40%、60%以及80%時，隨著粒徑的增大，煤顆粒的水分蒸發速度呈現逐漸減少的趨勢；在三組實驗組中，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，煤顆粒水分蒸發速度最慢。

煤顆粒水分蒸發的時間隨速度的增長而增加，在每個溫度下的水分蒸發初期增加很快，增加幅度隨時間逐漸減小；煤中的水分蒸發速度與時間成負相關關系，其值隨時間的增長而減小。煤顆粒的水分蒸發速度隨溫度的升高而增大，所以煤顆粒水分蒸發與溫度存在正反饋的關系。煤的孔隙度隨著溫度的升高而增加，從而擴大煤與氧氣的接觸面積，使得煤的低溫氧化過程加快，引發煤自然發火的產生。煤樣粒徑越小，在相同的蒸發時間內煤中水分散失的越快且越多。當煤由0.074～0.100 mm的煤粒組成時，煤樣的水分散失量最多。對于濕度而言，存在一個區間，使得煤的水分蒸發在這個區間內產生數據的波動，在本文中濕度達到60%和80%之間時，在不同溫度和粒徑范圍下，均表現出水分蒸發速度與蒸發量最大的現象。

在濕風流的影響下，進入煤層顆粒內的風流改變了煤樣內的壓力和壓差，同時也影響了煤顆粒中不同位置的風力和壓差，壓力的變化導致了煤顆粒內出現壓差，隨著實驗的開展，由于空氣中的飽和蒸氣壓達到平衡，使得煤樣中的水分蒸發的速度逐漸減小，所以隨著實驗進程的持續，在單位時間內煤樣中的水分蒸發量會逐漸趨于穩定。

在對于空氣氛圍下的煤顆粒水分蒸發實驗規律的總結歸納，可以發現每種工況下水分蒸發過程都存在三種蒸發階段，即快速蒸發期、降速蒸發階段、穩定蒸發階段。在水分蒸發的開始時，煤顆粒開始吸收外部環境的熱量，一方面用于煤顆粒表面附著水分的蒸發，另一方面使其自身溫度升高。在蒸發穩定期，外部的飽和蒸氣壓水分的蒸發在煤顆粒的表面上進行。由于表面水分的蒸發，在煤顆粒的不同位置將產生濕度差。在此濕度差的推動下，其在內部的水分將以液態水的形式向表面擴散，由于蒸發過程在表面上進行，在確定的實驗工況條件下，蒸發速度為常數。

當水分蒸發至一定程度時，煤顆粒內部液態水的擴散速率小于其表面蒸發速度后，在煤顆粒表面上就會形成干涸層，蒸發過程向煤顆粒內部深入，此時水分蒸發的第一階段結束，即快速蒸發期結束，降速蒸發階段開始。隨著水分蒸發過程的不斷進行，干涸層不斷向煤炭內部深入擴大，此時的水分蒸發過程已開始深入到煤顆粒的內部，整個煤顆粒可以分為蒸發區和濕區兩部分，此時的水分蒸發速度隨著蒸發區的深入而降低，此階段即為水分蒸發過程的降速階段。

隨著水分蒸發的持續，當煤顆粒表面的水分全部被干燥時，降速階段結束，穩定蒸發階段開始，這時煤顆粒整體可分為干區、蒸發區和濕區3部分，此時蒸發過程全部在煤顆粒內部進行，由于煤中存在毛細管，毛細管力可以將水分進行運移，此時水分主要利用毛細管力的作用由煤顆粒內部遷移至煤顆粒表面，蒸發的過程從表面的蒸發改變為主要發生在煤顆粒內部毛細管內水分的遷移，水分在濕區以液態水的形式遷移至煤顆粒的表面，然后逐漸蒸發至大氣中。

3 結語

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

將煤炭顆粒的水分蒸發析出可包括三種過程：快速蒸發期、降速蒸發階段、穩定蒸發階段。第一步，在氣候潮濕時期，水分主要是在煤粒表面完成的，這個過程中煤顆粒中的水分沿水分蒸發的煤顆粒孔隙中產生的縫隙均勻上升，水分最后到達煤顆粒表面蒸發。第二步，煤顆粒含水量減小到煤顆粒的一定含水率時，隨著蒸發時間的持續，煤顆粒表面開始變干，水分逐漸減少，表面形成一個相較于煤顆粒核心處而言較為干燥的表層。第三步，在一段時間后，當煤顆粒表面非常干燥時，煤顆粒中孔隙內部的毛細管力停止作用。此時，水分蒸發會從表面蒸發遷移至煤顆粒的內部核心處，水從液態轉為氣態后通過煤顆粒孔隙，再擴散到外部環境中去，蒸發的速率比同樣條件下煤顆粒表面水分的蒸發小得多。