不同煤化程度煤尘水分复吸特性及平衡预测模型研究.pdf

不同煤化程度煤尘水分复吸特性及平衡预测模型研究王飞1,2，闫晶晶1,2，李雨成1，刘红威1,2，高亚斌1，李子文1（1.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原030024；2.山西煤矿安全研究生教育创新中心,山西太原030024）摘要：水分复吸是一种有效评价煤尘润湿性大小的方法，但不同类型煤尘的亲水性强弱存在差异。为了探究不同煤化程度煤尘水分复吸特性，通过自行设计水分复吸试验系统，对比分析不同煤尘在不同环境温度和相对湿度条件下水分复吸率变化规律，明确煤尘特性对水分复吸特性的影响，从而确立不同煤化程度煤尘水分复吸平衡预测模型。研究结果表明：随着环境温度升高，煤样水分复吸率先增大后减小，达到复吸平衡的时间在逐渐缩短；在相同温度条件下，相对湿度增加会提高煤尘水分复吸能力，水分复吸平衡时间与相对湿度成正比；煤化程度越高，其水分复吸能力越强。随着煤尘接触角增大，水分复吸率与接触角成线性反比关系，煤尘的润湿性与水分复吸能力成正相关线性关系；含氧官能团占比增加，水分复吸率整体上呈线性增加的趋势；煤尘比表面积增大会抑制水分复吸过程，而孔径增加会促进吸附水的储存，总孔体积增大会为复吸水提供更多的空间，因此可以根据煤尘特性参数有效预测不同煤化程度煤尘的水分复吸率及润湿性大小。通过对比分析各预测模型的拟合结果，发现 Henderson 模型是所有预测模型中拟合度最高的，最适合不同煤化程度煤尘水分复吸平衡的精准预测模型。研究将有助于不同煤尘吸湿性大小的定性分析，为煤尘润湿降尘技术研究提供借鉴。关键词：煤尘；水分复吸；润湿性；温湿度；理化特性；复吸平衡预测中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08016009Study on moisture re-absorption characteristics and equilibrium prediction modelof coal dust with different rankWANGFei1,2,YANJingjing1,2,LIYucheng1,LIUHongwei1,2,GAOYabin1,LiZiwen1（1.College of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Center of Shanxi Mine Safety for Graduate Education Innovation,Taiyuan 030024,China）Abstract:Moisturere-absorptionisaneffectivemethodtomeasurewettabilityofcoaldust,butfordifferenttypesofcoaldust,therearedifferenceintheirhydrophilicity.Inordertoexplorethemoisturere-absorptioncharacteristicsofcoaldustwithdifferentdegreesofcoali-fication,thevariationofmoisturere-absorptionrateofcoaldustunderdifferentambienttemperatureandrelativehumiditywascomparedandanalyzedbyaself-designingmoisturere-absorptionexperimentalsystem.Theeffectofcoaldustpropertiesonmoisturere-absorptioncharacteristicswasclarified,andapredictionmodelforthemoisturere-absorptionequilibriumofcoaldustwithdifferentdegreesofcoali-ficationwasestablished.Theresultsshowedthat,withtheincreaseofambienttemperature,themoisturere-absorptionrateofcoalsamplefirstlyincreasedandthendecreased,andthetimetoreachthere-absorptionequilibriumwasgraduallyshortened.Inthesametemperaturecondition,themoisturere-absorptionrateofcoaldustincreasedwithincreasingrelativehumidity,andthetimetoreachmoisturere-ab-sorptionequilibriumwasproportionaltorelativehumidity.Thehigherthedegreeofcoalificationledtothestrongermoisturere-absorp-tioncapacity.Asthecontactangleofcoaldustincreased,themoisturere-absorptionratewaslinearlyinverselyrelatedtothecontactangle,收稿日期：20220823责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-0784基金项目：2018 年度山西省重点研发计划资助项目(201803D31053)；山西焦煤集团公司重大技术攻关资助项目(201812xs06)；爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)开放课题资助项目(KFJJ19-03M)作者简介：王飞（1972），男，内蒙古巴彦淖尔人，教授，博士。E-mail：通讯作者：闫晶晶（1991），男，山西朔州人，博士研究生。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023王飞，闫晶晶，李雨成，等.不同煤化程度煤尘水分复吸特性及平衡预测模型研究J.煤炭科学技术，2023，51（8）：160168.WANGFei，YANJingjing，LIYucheng，et al.Studyonmoisturere-absorptioncharacteristicsandequilibriumpre-dictionmodelofcoaldustwithdifferentrankJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（8）：160168.160andthewettabilityofcoaldustwaspositivelylinearlyrelatedtothemoisturere-absorptioncapacity.Themoisturere-absorptionrateover-allincreasedlinearlywiththeincreasingproportionofoxygen-containingfunctionalgroups.Theincreaseofspecificsurfaceareaofcoaldustwillinhibitthemoisturere-absorptionprocess,whiletheincreaseofporesizewillpromotethestorageofadsorbedwater,andthein-creaseoftotalporevolumewillprovidemorespaceformoisturere-absorption.Themoisturere-absorptionrateandwettabilitywithdiffer-entcoalificationcanbeeffectivelypredictedbasedonthecharacteristicparametersofcoaldust.Bycomparingandanalyzingthefittedres-ultsofeachpredictionmodel,itwasfoundthattheHendersonmodelhadthehighestfittingdegreeamongallthepredictionmodelsandwasthemostsuitableforaccuratepredictionofmoisturere-absorptionequilibriumofcoaldustatdifferentcoalification.Theresultswillhelptoqualitativelyanalyzethehygroscopicityofdifferentcoaldustandprovideareferenceforcoaldustwettingandreductiontech-niques.Key words:coaldust；moisturere-absorption；wettability；temperatureandhumidity；physicalandchemicalcharacteristics；predictionmodel0引言煤炭作为世界上最不可或缺的化石燃料之一，在当代能源安全中发挥着至关重要的作用1-2。然而，在煤矿生产的各个环节中均不可避免地会产生大量的煤尘颗粒，严重危害员工生命健康和生产工艺安全3。目前，喷雾降尘技术以其简单经济和绿色高效的优点在煤矿井下得到了广泛应用，然而不同煤化程度煤尘的润湿性存在显著差异，直接影响煤矿井下降尘效率4-5。而水分复吸作为衡量煤尘润湿特性有效方法之一，在界面改性和表面润湿领域具有十分重要的应用价值6。因此研究不同类型煤尘的水分复吸特性对润湿降尘技术具有重要意义。国内外学者在煤尘水分复吸规律进行了大量研究工作。刘晓阳等7采用量热法研究褐煤水分复吸规律，发现水分复吸率随复吸时间先快速增大并最终达到平衡态，而且提高环境温度会促进水分复吸过程。ZHAO 等8研究了煤尘在温度 2035 和相对湿度 50%80%条件下的水分复吸，研究结果揭示了温度升高可以增加水分子的碰撞频率并减低复吸平衡时间，同时随着相对湿度增大，煤尘微孔吸附和毛细管冷凝现象明显，水分复吸平衡所需时间也在逐渐增加。景晓霞等9研究发现，煤尘水分复吸能力主要取决于煤尘含水率、接触角、比表面及孔隙结构特征、含氧官能团数量等因素。莫琼等10研究了褐煤物化结构对水分复吸特性的影响，结果表明褐煤孔结构和含氧官能团破坏会抑制水分复吸行为。根据吸湿理论及水分复吸特性，煤尘水分复吸需要经历快速吸水、缓慢吸水和吸水平衡 3 个阶段，而水分复吸平衡含水率(EMC)是衡量煤尘润湿能力的重要指标。刘英鹏等11根据不同温度和湿度条件下褐煤水分复吸规律，发现 Chung-Pfost 模型可以有效预测水分复吸平衡 EMC。马亚飞12通过研究煤尘理化结构和环境温湿度对水分复吸特性的影响，揭示了 3 种不同煤种水分复吸强度及对应的水分复吸平衡 EMC 模型。然而，目前关于煤尘水分复吸特性主要集中在低阶褐煤方面，亟待开展不同煤化程度煤尘水分复吸特性研究，掌握不同变质程度煤尘的水分复吸规律。鉴此，笔者通过开展水分复吸试验，研究不同环境温度和相对湿度对水分复吸率的影响，阐明煤尘特性对水分复吸的内在影响机制，确立衡量煤尘润湿特性大小的水分复吸平衡 EMC 预测模型，为不同类型煤尘吸湿性大小研究奠定理论基础。1试验材料与方法1.1煤样制备根据煤化程度对水分复吸特性的影响，选取宝日希勒褐煤(HM-B)、西易烟煤(YM-X)、官地焦煤(JM-G)和寺河无烟煤(WY-S)4 种不同变质程度的煤样。首先，对破碎后的煤粉进行120 目（0.