煤顆粒水分蒸發對煤自燃影響的實驗研究

張智昱

(遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院, 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,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關系;喬玲等[3]針對浸水煤體開展微觀表征實驗,發現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在水分的化學脫附促進煤氧化效應。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規律和煤堆升溫特性,分析特征參數(溫度和粒徑)對水分蒸發的作用,探索水分蒸發對煤堆熱平衡發展過程的影響。

1 水分蒸發過程分析

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

(1)

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

其中,hm與對流換熱系數ht的關系如下:

(2)

式中:ht為對流換熱系數,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,即熱擴散速率與質量擴散速率的比值,取1.2.

有效擴散傳質系數Dv與溫度T和壓力P的關系可表示為[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.

傳質畢渥數本質是煤顆粒內部水分擴散阻力與顆粒表面傳質阻力的比值。當煤顆粒粒徑較小或者溫度較高時,傳質畢渥數較小,當滿足Bim<0.1時,煤顆粒的內部擴散阻力可忽略不計,煤顆粒內部干燥區水分濃度達到飽和狀態;反之,傳質畢渥數較大,當滿足Bim>10時,煤顆粒表面傳質阻力可忽略不計,煤顆粒內部干燥區與顆粒周圍水分濃度相同。

煤堆由煤顆粒組成,煤顆粒產生的水分在煤堆空隙內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為空隙內滲流速度,m/s;Sf為煤顆粒水分蒸發源項,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,通過分析多孔介質佩克萊數可知,粒徑越大,多孔介質孔隙內通過滲流運輸組分機制相對于擴散機制越占優勢。

2 實驗過程

實驗煤樣源于內蒙古白音華露天煤礦,其水分、灰分、揮發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 恒溫煤水分蒸發實驗

采用恒溫煤水分蒸發實驗系統(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規律,具體步驟如下:

圖1 恒溫煤水分蒸發實驗系統圖

將一定量原煤煤樣(質量為m0,d=0.1 mm)平鋪于托盤內,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(溫度為40 ℃),應用電子天平稱重煤樣,直至其質量不變(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%),記錄煤樣質量(mc)變化,直至質量不變(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(圖2)分析原煤堆積顆粒的升溫規律,具體步驟如下:

圖2 開放式恒溫實驗系統圖

將一定量褐煤顆粒(d=0.5 mm)自燃堆積于銅制網框(邊長為5 cm)內,將網框置于恒溫箱內;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,重復上述實驗步驟。

3 實驗結果分析

3.1 煤顆粒水分蒸發規律

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速率。可以看出,不同條件下的煤體水分蒸發規律類似:初期水分蒸發速率大,隨著煤體含濕量的降低,煤體內外水分差異變小,蒸發速率變慢,最終煤體內部孔隙間水分與周圍環境趨于一致。

圖3 不同溫度及粒徑褐煤顆粒水分蒸發曲線圖

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,所以應用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為蒸發時間因子,s;b1、b3均為常數。b2能夠整體反映煤顆粒水分蒸發強度,%. 蒸發時間因子與溫度、粒徑的關系見表1,不同粒徑褐煤傳質畢渥數Bim隨溫度變化曲線見圖4. 結合表1和圖4進行分析,煤樣粒徑越小,傳質畢渥數Bim越小,表面傳質阻力相對于擴散阻力越大,蒸發因子越大,水分蒸發越慢;另外,溫度升高造成有效擴散傳質系數增加,水分擴散阻力減小,傳質畢渥數Bim變小,蒸發因子變小,因而水分更易散失。

表1 蒸發時間因子(b2)與溫度、粒徑的關系表

圖4 不同粒徑褐煤傳質畢渥數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煤顆粒內部水分蒸發是由兩種不同的阻力影響的。隨著溫度的增加,有效擴散傳質系數Dv變大,造成蒸發時間因子快速變小;在外部環境溫度條件為Te=70 ℃、90 ℃時,d=0.1 mm和d=1 mm煤樣顆粒的傳質畢渥數Bim較小,內部水分擴散阻力相對于表面傳質阻力可以忽略不計,兩者的蒸發時間因子均小(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,煤顆粒的蒸發時間因子與溫度、粒徑分別呈負相關、正相關。

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,由分析可知,大粒徑煤顆粒的蒸發速率較小,另外,大粒徑煤堆自然對流較強,煤顆粒蒸發的水分能快速排至外界,造成顆粒內部濕度與孔隙空氣濕度的差值較大,更有利于水分蒸發。因此,大粒徑煤顆粒在此階段表現為初期升溫較快,后期升溫較慢的現象,粒徑越大,這種現象越明顯;在溫度回升階段,水分蒸發基本結束,此時溫度達到100 ℃以上,內在水分開始蒸發,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,與氧氣反應更加劇烈,因此d=0.5 mm的煤堆最終發生自燃,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,可以發現,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,水分的蒸發會消耗煤體產生的熱量,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 語

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

2) 通過Lagergren方程擬合得到煤顆粒的蒸發時間因子,該因子能夠表征煤顆粒水分蒸發的整體強度,分別與溫度、粒徑呈負相關、正相關。當白音華褐煤粒徑較小(≤1 mm)、溫度較高(≥70 ℃)時,顆粒內部擴散阻力很小,蒸發時間因子很小,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。