Akademia

Górniczo - Hutnicza

im. Stanisława Staszica w

Krakowie

AEROLOGIA GÓRNICZA

LABORATORIUM

Temat:

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Kierunek Górnictwo i Geologia

Rok 3, Grupa 3

Wykonali :

Pyrcik Jarosław

Sikora Mateusz

Pożary endogeniczne, czyli pożary w skutek samozapalenia węgla, powstają w kopalniach w których prowadzi się roboty górnicze w pokładach skłonnych do samozapalenia. Przyczyną większości tego rodzaju pożarów jest samozapalenie się węgla w zrobach ścian zawałowych przy przechodzeniu stref uskokowych, pozostawienie warstwy (łaty) węgla w stropie z powodu pogorszonych warunków stropowych, względnie występowanie nadległych, w bliskości położonych pokładów pozabilansowych. Istotnym źródłem jest także migracja powietrza przez warstwy spękanego węgla w rejonach występowania tąpań lub wstrząsów górotworu oraz w miejscach prowadzonej profilaktyki tąpaniowej.

Na proces samozapalenia i samozagrzewania się węgla wływają:

-obecność rozdrobnionego węgla skłonnego do niskotemperaturowego utleniania

-dopływ powietrza do miejsca nagromadzenia się tego węgla

-możliwość akumulacji ciepła wydzielającego się w czasie reakcji utleniania węgla.

Na podstawie badań laboratoryjnych wyróżniono dwa zasadnicze okresy:

-okres przygotowawczy, zwany inkubacyjnym

-okres samozagrzewania się węgla, który może doprowadzić do jego samozapalenia.

Skłonność węgli do samozapalenia jest przyczyną powstania pożarów w kopalniach, na zwałach węgla, a także w czasie długotrwałego transportu.

Wcześniejsza znajomość skłonności węgla do samozapalenia umożliwia:

-zaprojektowanie właściwego systemu eksploatacji i dobór odpowiednich wymiarów pól eksploatacyjnych

-zaprojektowanie racjonalnego rozprowadzanie powietrza w kopalni

zastosowanie odpowiednich środków zapobiegających samozapaleniu się węgla w przypadku konieczności jego magazynowania lub długotrwałego transportu.

Metody oznaczania skłonności węgla do samozapalenia można podzielić na dwie grupy:

1. metody oznaczające skłonności do utleniania w podwyższonej temperaturze,

2. metody ustalające skłonność do samozapalenia węgla w niskiej temperaturze (metody Orleańskiej, Wesołowskiego, perhydrolowa Maciejasza).

Jako związki utleniające stosuje się tlen gazowy lub powietrze, kwas azotowy, nadmanganian potasu i dwuchromian potasu oraz nadtlenek wodoru (perhydrol H₂O₂).

W ćwiczeniu wykorzystaliśmy metodę perhydrolową Maciejasza. Polega ona na badaniu szybkości wzrostu temperatury w układzie węgiel kamienny - wodny roztwór H₂O₂ ,które wykazały, że reakcja w tym układzie ma charakterystyczny przebieg, inny dla węgli skłonnych do samozapalenia niż dla węgli nieskłonnych do samozapalenia.Próbki węgla skłonnego do zapalenia wykazują w czasie reakcji początkowo nieznaczne podniesienie temperatury. Po osiągnięciu przez układ temperatury około 50 °C następuje szybki wzrost temperaturyukładu dochodzący do 90-97 °C. W przypadku węgli nieskłonnych do samozapalenia temperatura układy podnosi się od kilku do kilkudziesięciu stopni po upływie znacznie dłuższego czasu, po czym łagodnie spada. Węgle zwietrzałe dają podobny przebieg reakcji, jak węgle nieskłonne do samozapalenia.

Na podstawie wykresu zależności temperatury roztworu od czasu reakcji możemy określić skłonność węgla do samozapalenia. Im krótszy odcinek poziomy krzywej wzrostu temperatury, odpowiadający okresowi przygotowawczemu ,tym węgiel bardziej skłonny do samozapalenia.

Aparatura do wyznaczania skłonności węgla do samozapalenia składa się z wanny wodnej posiadającej otwory w których umieszczone są 2 naczynia Dewara. Zapobiegają one rozpraszaniu się ciepła powstałego w czasie reakcji.

Mamy do dyspozycji 2 rodzaje węgla o uziarnieniu 0,06 mm. Z każdego z nich usypujemy 3 g i zwilżamy je wodą destylowaną w ilości 1,5 cm³ co czyni węgiel hydrofilnym i zapewnia równomierne działanie perhydrolu na ziarna węgla. Zwilżoną probkę wsypujemy do naczynia Dewara, do którego wlewamy 12 cm³ perhydrolu o stężeniu 20%. W momencie wymieszania perhydrolu z zawartościa naczynia Dewara mierzymy temperaturę i powtarzamy tę czynność co 5 min.

Wskaźniki skłonności węgla do samozapalenia metodą perhydrolową Maciejasza.

Wyszczególnienie	Grupa
		I	II	III
		Węgle bardzo skłonne do samozapalenia	Węgle mało skłonne do samozapalenia	Węgle nieskłonne do samozapalenia
Najwyższa temperatura układu węgiel kamienny -wodny roztwór perhydrolu. Czas osiągnięcia maksymalnej temperatury Tmax Czas przyrostu temperatury między 50 -90°C.	Tmax ≥ 90°C Tmax ≤ 40 min T50-90 ≤ 2,5 min	Tmax ≤ 90°C 40 min ≤ Tmax ≤ 75 min 2,5 min< T50-90 < 6 min	Tmax < 90°C Tmax ≥ 75 min T50-90 > 6 min

PN-93/G-04558 - Oznaczenie wskaźnika samozapalności.

Wskaźnik samozapalności węgla - prędkość wzrostu temperatury węgla przy jego utlenianiu powietrzem w warunkach umownych, to jest temperatury i natężenia przepływu obkętości powietrza w komorze adiabatycznej (reakcyjnej).

Punkt adiabatyczny - temperatura, do której proces utleniania próbki węgla zachodzi bez wymiany ciepła.

Energia aktywacji - najmniejsza energia, jaką musi mieć zespół cząsteczek, aby mogła przebiec reakcja wyrażona wielkością A w równaniu Arrheniusa.

Zasada metody polega na ciągłym pomiarze temperatury pastylki przygotowanej z badanego węgla, wprowadzonej do strumienia powietrza o temperaturach 237 ^oC i 190 ^oC, oraz na wyznaczeniu prędkości wzrostu temperatury tej pastylki w punktach adiabatycznych.

Aparatura:

• matryca do przygotowania próbek węgla,

• waga laboratoryjna

• stoper

• urządzenie do wyznaczania wskaźnika samozapalności węgla.

Na podstawie otrzymanych pomiarów sporządzić fragment krzywej wzrostu temperatury pastylki węgla, w układzie współrzędnych o osiach odciętej
czas w minutach i rzędnej t temperatury w stopniach Celsjusza, w następujących zakresach:

• dla pierwszej serii pomiarów od 200 do 260 ^oC,

• dla drugiej serii pomiarów od 165 do 215 ^oC.

W punkcie krzywej o współrzędnej t=237 ^oC należy wykreślić styczną i obliczyć wskaźnik samozapalności węgla (Sz^a), w ^oC/min wg wzoru:

w którym wielkości(
i
) oraz (
i
) stanowią współrzędne dwóch dowolnych dostatecznie odległych punktów stycznej.

W punkcie krzywej o współrzędnej t= 190 ^oC należy wykreślić styczną i wyliczyć wskaźnik samozapalności węgla(Sz^a'), w ^oC/min wg wzoru:

w którym wielkości(
i
) oraz (
i
) stanowią współrzędne dwóch dowolnych dostatecznie odległych punktów stycznej.

Na podstawie wskaźników (Sz^a) i (Sz^a')należy obliczyć energię aktywacji (A), w J/mol wg wzoru

w którym:

- wskaźniki samozapalności,

R - stała gazowa, równa 8,315 J/mol*K,

T - temperatura oznaczania wskaźnika samozapalności (Sz^a), K, (równa 237+273=510K),

T' - temperatura oznaczania wskaźnika samozapalności (Sz^a'), K, (równa 190+273=463K),

Lub w kJ/mol wg wzoru

Za wynik końcowy oznaczania należy przyjąc średnią arytmetyczną co najmniej trzech oznaczań w temperaturach 237 ^oC i 190 ^oC.

Wskaźnik samozapalności Sz^a ^oC/min	Energia aktywacji A KJ/mol	Grupa samozapalności	Ocena skłonności węgla do samozapalenia
Do 80	powyżej 67	I	Węgiel o bardzo małej skłonności do samozapalenia
		od 46 do 67	II	Węgiel o małej skłonności do samozapalenia
		poniżej 46	III	Węgiel o średniej skłonności do samozapalenia
	Powyżej 80 do 100	powyżej 42
		42 lub poniżej			IV	Węgiel o dużej skłonności do samozapalenia
	Powyżej 100 do 120	powyżej 34
		34 lub poniżej			V	Węgiel o bardzo dużej skłonności do samozapalenia
Powyżej 120	nie normalizuje się

PODZIAŁ WĘGLA WG SKŁONNOŚCI DO SAMOZAPALENIA

Na podstawie pomiarów otrzymaliśmy następujące wartości temperatur próbek:

Czas trwania reakcji [min]	Temperatura próbki 1. [˚C]	Temperatura próbki 2. [˚C]
0	22,0	21,0
2	23,0	21,5
4	23,5	22,0
6	24,0	22,0
8	24,0	22,2
10	24,0	22,5
12	25,0	22,5
14	25,0	22,5
16	25,0	22,5
18	25,5	22,5
20	25,5	22,5
22	26,0	22,5
24	26,0	22,5
26	27,0	22,5
28	27,0	22,5
30	27,0	22,5
32	27,5	22,5
34	27,5	22,5
36	28,0	22,5
38	28,0	22,5
40	28,0	22,5

Wnioski:

Z analizy powyższych wykresów wynika, iż rozpatrzone w ćwiczeniu węgle nie miały skłonności do samozapalenia. W próbce 1. można zaobserwować wzrost temperatury 22-28˚C , natomiast w próbce 2. przyrost temperatury zawierał się pomiędzy wartościami 21-22,5˚C.

Analizowany węgiel w próbce 1. teoretycznie posiadał zdolność do samozapalenia, jednakże wyniki doświadczenia temu zaprzeczyły. Utrata skłonności do samozapalenia mogła być wywołana zwietrzeniem węgla w trakcie upływy czasu a także niedokładnością w czynnościach przygotowujących materiał próbki do wykonania ćwiczenia (niedokładne wymieszanie próbki z wodą lub perhydrolem, nieszczelność naczynia Dewara itp.).

---