粒徑對(duì)無煙煤等溫脫水規(guī)律影響的研究

李 鵬

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省沈陽(yáng)市，110016；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省沈陽(yáng)市，110016)

煤是一種多孔性多相固溶物質(zhì)，內(nèi)部具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，以微孔和小孔最為發(fā)育，煤中的水分含量是一項(xiàng)重要的煤質(zhì)指標(biāo)。在成煤過程中產(chǎn)生大量的瓦斯，其主要以吸附狀態(tài)存在于煤中。而煤中水分的存在會(huì)堵塞瓦斯運(yùn)移通道，從而抑制瓦斯解吸，降低瓦斯的擴(kuò)散能力。無煙煤由于變質(zhì)程度高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)高度發(fā)育，煤體中含有大量的微孔結(jié)構(gòu)，這些微孔結(jié)構(gòu)具有不同的尺寸，水分貯存在這些微孔中并形成不同尺寸的簇狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌叽绮煌@些簇狀結(jié)構(gòu)的水在相變?nèi)诨瘯r(shí)會(huì)吸收或釋放出不同的熱量。無煙煤具有復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu)，隨著微孔結(jié)構(gòu)的不同，與水之間的結(jié)合力強(qiáng)弱存在差異，在干燥過程中水分脫除難易程度相應(yīng)不同，其干燥機(jī)理也可能存在區(qū)別。

目前利用熱天平對(duì)煤粉燃燒特性的研究較多，對(duì)無煙煤的相關(guān)研究主要集中在水分對(duì)煤體瓦斯解吸特性的影響、外加水分抑制煤體瓦斯解吸速度以及干煤樣的解吸速度對(duì)比含水煤樣方向，而對(duì)無煙煤等溫脫水規(guī)律的研究相對(duì)較少。基于此，通過分析粒徑對(duì)無煙煤等溫脫水規(guī)律的影響做出分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

煤樣取自貴州大方縣綠塘煤礦M16煤層，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，各組試驗(yàn)煤樣均取自M16煤層的同一地點(diǎn)。按照《煤樣的制備方法》(GB/T474-2001)制取粒徑為0.25～0.2 mm和0.5～1.0 mm這2種煤樣，各粒徑均不少于200 g，密封保存。按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212-2008)執(zhí)行，測(cè)定煤樣的工業(yè)分析指標(biāo)。

煤樣真假密度采用MDMDY-300全自動(dòng)密度儀測(cè)定，各組煤真假密度均為實(shí)測(cè)3次的平均值，其中M16煤層的水分為1.53%、灰分為26.44%、揮發(fā)分為9.98%，真密度為1.58 g/mL，視密度為1.51 g/mL。稱取空氣干燥基煤樣，樣重不少于200 g(精確到0.1 mg)。將稱重的煤樣置于器皿中，均勻加入適量的蒸餾水。將裝有樣品的器皿放入濕度平衡的密封裝置中(25℃相對(duì)濕度為97%的恒濕環(huán)境)，密封裝置底部裝有足量的硫酸鉀過飽和溶液，每隔24 h稱重一次，直到相鄰兩次重量變化不超過試樣重量的2%。平衡處理后的2種煤樣如圖1所示。

圖1 平衡處理后的煤樣

外加水分后煤樣平衡濕度計(jì)算公式見式(1)：

式中：M0——樣品的平衡水分含量， %；

G1——平衡前空氣干燥基樣品質(zhì)量，g；

G2——平衡后樣品質(zhì)量，g；

Mad——樣品的空氣干燥基水分含量， %。

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

采用自制等溫脫水系統(tǒng)，等溫系統(tǒng)技術(shù)特征為220 V，溫度可調(diào)，等溫腔體尺寸為300 mm×300 mm×220 mm；干燥器；電子天平，感量0.1 mg；恒溫控制系統(tǒng)，靈敏度0.1℃；溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，溫度傳感器靈敏度0.1℃。自制等溫干燥脫水試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 等溫干燥脫水試驗(yàn)設(shè)備

選取0.2～0.25 mm和0.5～1.0 mm的煤樣各25 g左右置于煤樣托盤中，將托盤放入等溫腔體內(nèi)采用4個(gè)預(yù)設(shè)溫度，即75℃、85℃、95℃和105℃分別脫水，分析溫度和粒徑對(duì)煤樣失水的規(guī)律。開啟等溫，當(dāng)電子天平讀數(shù)前后讀數(shù)差值<5 mg時(shí)視為脫水結(jié)束，終止等溫加熱。試驗(yàn)重復(fù)2次，誤差超過5%則重做。

1.3 同一粒徑加熱脫水試驗(yàn)

粒徑為0.2～0.25 mm和0.5～1.0 mm的無煙煤在溫度為75℃、85℃、95℃和105℃下的熱重曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，隨著溫度的升高，樣品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的重量都相應(yīng)減小，這表明在某一溫度下(如75℃)，雖然樣品干燥過程已經(jīng)結(jié)束，但試樣中仍存在一定質(zhì)量的水分無法蒸發(fā)出去，只有通過提高溫度才可以使之進(jìn)一步脫除。另外，圖中曲線表明2種粒徑的無煙煤樣品分別在加熱120 min和70 min后重量基本保持恒定。

圖3 粒徑為0.2～0.25 mm在不同溫度條件下熱重曲線

圖4 粒徑為0.5～1.0 mm在不同溫度條件下熱重曲線

粒徑為0.2～0.25 mm和0.5～1.0 mm的無煙煤在不同溫度下，外加平衡水分蒸發(fā)速率隨樣品含水率的變化關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 0.2～0.25 mm粒徑不同溫度的干燥速率與含水率

圖6 0.5～1.0 mm粒徑不同溫度的干燥速率與含水率

由圖5和圖6可以看出，隨著溫度升高，曲線變陡，說明溫度的升高使無煙煤樣品脫水速率降低的趨勢(shì)加強(qiáng)；隨著溫度的升高，樣品在同一含水率下的干燥速率明顯升高，說明溫度的升高有利于無煙煤內(nèi)水分的快速脫除。

樣品含水率見式(2)：

式中：X——含水率， %；

W——為某一時(shí)刻樣品質(zhì)量，g；

W0——樣品在某一等溫條件下干燥失重后維持恒定的質(zhì)量，對(duì)應(yīng)該溫度下的干燥狀態(tài)，g。

樣品干燥速率由式(2)求微分得到，見式(3)：

把等溫干燥過程干燥速率與含水率關(guān)系中的臨界含水率定義為Xc1和Xc2，可以通過對(duì)曲線求微分得到。在0～Xc1區(qū)間，曲線呈凸拋物線型；在Xc1～Xc2區(qū)間，曲線呈水平直線或線性；X>Xc2區(qū)間，曲線呈凹拋物線型或?qū)?shù)曲線型或散點(diǎn)非線性。

拐點(diǎn)的存在說明無煙煤等溫干燥過程中存在不同的干燥機(jī)理。利用非線性擬合以及最小誤差分析程序，將干燥速率與含水率曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到Xc前后的脫水干燥機(jī)理方程，見式(4)、式(5)和式(6)：

根據(jù)方程得到相應(yīng)的特征參數(shù)，粒徑為0.2～0.25 mm和0.5～1.0 mm條件下不同溫度無煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)見表1和表2 。

由表1和表2可以看出，在X>Xc2階段，隨著溫度的升高，針對(duì)同一含水率X，試驗(yàn)粒徑為0.2～0.25 mm和0.5～1.0 mm無煙煤對(duì)應(yīng)的干燥速率提高，這是因?yàn)殡S著溫度的升高,水分蒸發(fā)速率提高;對(duì)于X

表1 粒徑為0.2～0.25 mm條件下不同溫度無煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)

表2 粒徑為0.5～1.0 mm條件下不同溫度無煙煤等溫干燥各階段的特征參數(shù)

2 粒徑對(duì)等溫加熱脫水的影響

相同溫度下不同粒徑的煤樣，失水規(guī)律并非呈線性。由圖5可以看出，在溫度為105℃和粒徑為0.20～0.25 mm時(shí)，在Xc1

圖7 平均粒徑與穩(wěn)態(tài)線性失水階段失水速率擬合曲線

由圖7可以看出，平均粒徑與Xc1

3 結(jié)論

(1)2種粒徑無煙煤試樣在熱天平等溫干燥實(shí)驗(yàn)表明，干燥速率曲線存在拐點(diǎn)，干燥過程分為明顯3個(gè)階段，即X>Xc2、Xc1

(2)相同溫度下不同粒徑煤樣，失水規(guī)律并非呈線性。在溫度為105℃和粒徑為0.20～0.25mm時(shí)，在Xc1