湿风流下煤颗粒水分蒸发实验规律研究

甘宇

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤层自燃的最主要因素是水的产生，水是煤样的一种主要成分，对煤层自燃的影响有着双重的影响，有促进效果，也有遏制效应，由于煤炭自燃是在多种原因综合影响下形成的后果，所以含水量也是影响煤炭自燃的极其重要的原因[1-3]。郝正虎等[4]在一维球坐标系条件下，构建了基于一个球形褐炭颗粒内部的水分脱除流程的数值模拟。Zhang等[5]通过实验发现界面更新、干燥温度和粒度是影响煤干燥速率的三个主要因素。较高的干燥温度会导致大孔和中孔的收缩和塌陷，这会降低干煤在煤仓中后期储存时的吸水率。Ren等[6]的研究结果表明，对于低孔隙率煤，水分的吸附可以软化和润滑微观结构，削弱机械性能。而干燥过程会破坏高孔隙率煤的微观结构，降低其力学性能。各国学者对于水分蒸发均提出了不同的见解，但关于水分在煤炭颗粒中相变对煤炭自燃的作用的有关研究却很少。研究煤颗粒与煤堆中水分的相变过程对于从微观角度研究水分对煤炭自燃过程有着重要意义。

1 实验方法

实验在高低温恒温恒湿箱中进行，实验的过程主要为：将煤颗粒筛分成粒径范围为：0.074～0.100 mm、0.1～2.0 mm以 及2～5 mm的实验煤样；随后将不同粒径范围的煤样利用喷淋渗滤法制备出饱和含水率的煤样并做密封处理；将煤样放入高低温恒温恒湿箱中，温度分别设为50 ℃、80 ℃，所设湿度分别为40%、60%、80%，共18组实验。每组设5组平行实验，根据预设的实验方案进行水分蒸发实验。空气流速为60 mL/min。每隔30 min称重开口容器和煤颗粒总质量，直至连续三次称重不变为止。

2 湿空气气氛下煤颗粒水分蒸发实验结果及规律分析

图1为煤颗粒在温度50 ℃，湿度40%情况下的水分蒸发曲线图。不同粒径的煤颗粒均呈现先迅速失水阶段，随着蒸发过程的继续发展，在50 min时，达到最大蒸发速率；在100 min之后，煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢；在300 min后，煤样水分蒸发基本结束。

图1 不同粒径煤颗粒在温度50 ℃， 湿度40%情况下水分蒸发曲线

图2为煤颗粒在温度为50 ℃，湿度为60%情况下的水分蒸发曲线图。不同粒径的煤颗粒在恒温湿度情况下的水分蒸发均呈现出先迅速失水阶段，随着蒸发过程的继续发展，相较于湿度40%的情况下，湿度60%的条件下在90 min时，达到最大蒸发速率，在120 min之后，煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢，在300 min后，煤样水分蒸发基本结束。

图2 不同粒径煤颗粒在温度50 ℃， 湿度60%情况下水分蒸发曲线

图3为煤颗粒在温度50 ℃，湿度80%情况下的水分蒸发曲线图。不同粒径的煤颗粒在恒温湿度情况下的水分蒸发总体趋势相似，在100 min之后，煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢，在300 min后，煤样质量不再发生变化，水分蒸发基本结束。

图3 不同粒径煤颗粒在温度50 ℃， 湿度80%情况下水分蒸发曲线

综上可知，均呈现出在0.1～2.0 mm粒径的煤样失重最小，失重率依次为0.21%、0.40%、3.53%。粒径在0.074～0.100 mm的煤样失重最大，失重率依次为1.21%、1.19%、1.63%。

图4为煤颗粒在温度80 ℃，湿度40%情况下的水分蒸发曲线图。不同粒径的煤颗粒在恒温恒湿的情况下的水分蒸发总体趋势均呈现下降趋势，不同粒径煤样均呈现出先迅速失水阶段，单位时间内失水量最大，粒径范围在0.074～0.100 mm和2～5 mm的煤样随着蒸发过程的继续发展，在90 min时达到最大的蒸发速率，在120 min后煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢，在300 min后，煤样水分蒸发基本结束。

图4 不同粒径煤颗粒在温度80 ℃， 湿度40%情况下水分蒸发曲线

图5为煤颗粒在温度80 ℃，湿度60%情况下水分蒸发曲线图。从曲线图可以看出，粒径范围在0.1～2.0 mm和0.074～0.100 mm的煤颗粒在恒温湿度情况下的水分蒸发总体趋势相似，均呈现出先迅速失水阶段，在60 min内失水速率达到最大，随着蒸发过程的继续发展，在100 min之后，煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢，在300 min后，煤样水分蒸发基本结束。

图5 不同粒径煤颗粒在温度80 ℃， 湿度60%情况下水分蒸发曲线

图6为煤颗粒在温度80 ℃，湿度80%情况下水分蒸发曲线图。不同粒径的煤颗粒在恒温湿度情况下的水分蒸发总体趋势相似，均呈现出先迅速失水阶段，随着蒸发过程的继续发展，在100 min之后，煤颗粒的水分蒸发速率开始逐渐减慢，在400 min后，煤样水分蒸发基本结束。

图6 不同粒径煤颗粒在温度80℃， 湿度80%情况下水分蒸发曲线

从图4～图6中可以得到，均呈现出在0.1～2.0 mm粒径的煤样失重最小，失重率依次为9.7%、13.9%、25.0%。粒 径 在0.074～0.100 mm的煤样失重最大，失重率依次为16.7%、39.7%、22.9%。

基于上述的蒸发量曲线得出了各实验组的蒸发速度，可得：在温度50 ℃时，煤颗粒的蒸发速度在不同粒径、温度影响下的规律不尽相同，其中湿度在40%、60%以及80%时，随着粒径的增大，煤颗粒的水分蒸发速度呈现逐渐减少的趋势；其中湿度在40%时，受粒径的影响较大反而湿度在60%时，受粒径的影响较小。在三组实验组中，在温度50 ℃，湿度40%，粒径0.074～0.100 mm的条件下，煤颗粒水分蒸发速度最快；粒径2～5 mm的煤颗粒水分蒸发速度最慢。

在温度80 ℃时，湿度分别在40%、60%以及80%时，随着粒径的增大，煤颗粒的水分蒸发速度呈现逐渐减少的趋势；在三组实验组中，在温度80 ℃，湿度40%，粒径0.074～0.100 mm的条件下，煤颗粒水分蒸发速度最快；在温度80 ℃，湿度80%，粒径2～5 mm的条件下，煤颗粒水分蒸发速度最慢。

煤颗粒水分蒸发的时间随速度的增长而增加，在每个温度下的水分蒸发初期增加很快，增加幅度随时间逐渐减小；煤中的水分蒸发速度与时间成负相关关系，其值随时间的增长而减小。煤颗粒的水分蒸发速度随温度的升高而增大，所以煤颗粒水分蒸发与温度存在正反馈的关系。煤的孔隙度随着温度的升高而增加，从而扩大煤与氧气的接触面积，使得煤的低温氧化过程加快，引发煤自然发火的产生。煤样粒径越小，在相同的蒸发时间内煤中水分散失的越快且越多。当煤由0.074～0.100 mm的煤粒组成时，煤样的水分散失量最多。对于湿度而言，存在一个区间，使得煤的水分蒸发在这个区间内产生数据的波动，在本文中湿度达到60%和80%之间时，在不同温度和粒径范围下，均表现出水分蒸发速度与蒸发量最大的现象。

在湿风流的影响下，进入煤层颗粒内的风流改变了煤样内的压力和压差，同时也影响了煤颗粒中不同位置的风力和压差，压力的变化导致了煤颗粒内出现压差，随着实验的开展，由于空气中的饱和蒸气压达到平衡，使得煤样中的水分蒸发的速度逐渐减小，所以随着实验进程的持续，在单位时间内煤样中的水分蒸发量会逐渐趋于稳定。

在对于空气氛围下的煤颗粒水分蒸发实验规律的总结归纳，可以发现每种工况下水分蒸发过程都存在三种蒸发阶段，即快速蒸发期、降速蒸发阶段、稳定蒸发阶段。在水分蒸发的开始时，煤颗粒开始吸收外部环境的热量，一方面用于煤颗粒表面附着水分的蒸发，另一方面使其自身温度升高。在蒸发稳定期，外部的饱和蒸气压水分的蒸发在煤颗粒的表面上进行。由于表面水分的蒸发，在煤颗粒的不同位置将产生湿度差。在此湿度差的推动下，其在内部的水分将以液态水的形式向表面扩散，由于蒸发过程在表面上进行，在确定的实验工况条件下，蒸发速度为常数。

当水分蒸发至一定程度时，煤颗粒内部液态水的扩散速率小于其表面蒸发速度后，在煤颗粒表面上就会形成干涸层，蒸发过程向煤颗粒内部深入，此时水分蒸发的第一阶段结束，即快速蒸发期结束，降速蒸发阶段开始。随着水分蒸发过程的不断进行，干涸层不断向煤炭内部深入扩大，此时的水分蒸发过程已开始深入到煤颗粒的内部，整个煤颗粒可以分为蒸发区和湿区两部分，此时的水分蒸发速度随着蒸发区的深入而降低，此阶段即为水分蒸发过程的降速阶段。

随着水分蒸发的持续，当煤颗粒表面的水分全部被干燥时，降速阶段结束，稳定蒸发阶段开始，这时煤颗粒整体可分为干区、蒸发区和湿区3部分，此时蒸发过程全部在煤颗粒内部进行，由于煤中存在毛细管，毛细管力可以将水分进行运移，此时水分主要利用毛细管力的作用由煤颗粒内部迁移至煤颗粒表面，蒸发的过程从表面的蒸发改变为主要发生在煤颗粒内部毛细管内水分的迁移，水分在湿区以液态水的形式迁移至煤颗粒的表面，然后逐渐蒸发至大气中。

3 结语

根据湿空气氛围下的水分蒸发实验，得到在空气湿度60%和80%时，外界温度越高，煤颗粒水分蒸发速度越快。温度越高，蒸发速度越快；湿度为变量的中间值，越靠近60%，则煤颗粒的蒸发速度越快，而粒径则是粒径越小，蒸发速度越快。温度80 ℃，湿度为80%，粒径为0.074～0.100 mm时，蒸发速度最快。

将煤炭颗粒的水分蒸发析出可包括三种过程：快速蒸发期、降速蒸发阶段、稳定蒸发阶段。第一步，在气候潮湿时期，水分主要是在煤粒表面完成的，这个过程中煤颗粒中的水分沿水分蒸发的煤颗粒孔隙中产生的缝隙均匀上升，水分最后到达煤颗粒表面蒸发。第二步，煤颗粒含水量减小到煤颗粒的一定含水率时，随着蒸发时间的持续，煤颗粒表面开始变干，水分逐渐减少，表面形成一个相较于煤颗粒核心处而言较为干燥的表层。第三步，在一段时间后，当煤颗粒表面非常干燥时，煤颗粒中孔隙内部的毛细管力停止作用。此时，水分蒸发会从表面蒸发迁移至煤颗粒的内部核心处，水从液态转为气态后通过煤颗粒孔隙，再扩散到外部环境中去，蒸发的速率比同样条件下煤颗粒表面水分的蒸发小得多。