Akademia Górniczo - Hutnicza

im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Sprawozdanie z zajęć laboratoryjnych z aerologii górniczej

Skłonność węgla do samozapalenia

Wykonał:

Marcin Wiącek

Sebastian Szczęsny

Wydział Górniczy

G i G rok III gr. 2

Wprowadzenie

Pożary wskutek samozapalenia węgla.

Pożary endogeniczne, czyli pożary wskutek samozapalenia węgla, powstają w kopalniach prowadzących roboty górnicze w pokładach skłonnych do samozapalenia. Aby proces samozapalenia i samozagrzewania mógł się rozwinąć, muszą istnieć równocześnie trzy współdziałające czynniki, takie jak:

• obecność rozdrobnionego węgla skłonnego do niskotemperaturowego utleniania,

• dopływ powietrza do miejsca nagromadzenia tego węgla,

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

Pierwszy z wymienionych warunków związany jest z naturalnymi właściwościami substancji węglowej, dwa pozostałe zależą od warunków górniczo - technicznych, tj. stosowanego systemu eksploatacji pokładu, sposobu przewietrzania kopali itp.

Metody oznaczania skłonności węgli do samozapalenia.

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

Dotychczas opracowano wiele metod oznaczania skłonności do samozapalenia, z których większość polega na ustaleniu skłonności węgla do utleniania.

Metody te można podzielić na dwie grupy:

1. metody ustalające skłonność węgli do utleniania się w podwyższonej temperaturze

2. metody ustalające skłonność węgli do utleniania się w niskiej temperaturze (metody niskotemperaturowe).

Większość metod grupy pierwszej oparta jest na oznaczaniu temperatury zapłonu węgli. Do nich należą metody Dennstedta, Ermanna, Davisa i Byrne'a oraz Oreszki.

Metodą Oreszki temperaturę zapłonu węgli ustala się pośrednio, na podstawie badania zmian ciężaru próbki przy jednostajnie wzrastającej temperaturze. Za temperaturę zapłonu przyjmuje się temperaturę, w której ciężar próbki gwałtownie maleje, przy równoczesnym szybkim wzroście temperatury.

Inne metody tej grupy polegają na ustaleniu szybkości utleniania węgla, jak np. metoda Olpińskiego lub metoda Majewskiej, w której wskaźnikiem skłonności węgla do samozapalenia jest tzw. powierzchnia gazowa wyznaczona na podstawie ilości przereagowanego tlenu oraz ilości produktów gazowych utleniania węgla (CO i CO₂) w temperaturze 150°C, 175°C i 200°C przy szybkości wzrostu temperatury 25°C/h. Uzupełniającymi wskaźnikami są kruchość i wskaźnik mechanicznego wietrzenia węgla.

Do pierwszej grupy należy również zaliczyć metodę Kreulena polegającą na ustaleniu zawartości kwasów huminowych powstałych w czasie utleniania węgla w temperaturze około 240°C.

Metody drugiej grupy, oceniające skłonność węgli do utleniania w niskiej temperaturze, różnią się miedzy sobą przede wszystkim rodzajem stosowanego utleniacza. Jako związki utleniające używane są tlen gazowy lub powietrze, kwas azotowy, nadmanganian i dwuchromian potasu oraz nadtlenek wodoru (perhydrol H₂O₂). Do metod tych należą m. in. metoda Wesołowskiego i Orleańskiej oraz metoda perhydrolowa Maciejasza.

Metoda Olpińskiego

Metoda Olpińskiego polega na wyznaczeniu szybkości utleniania węgla w strumieniu przepływającego powietrza przy temperaturze 230°C. Jest to współczynnik reakcyjności węgla względem powietrza w temperaturze 230°C, który Olpiński oznacza przez SZ^b i nazywa wprost samozapalnością. Ściśle licząc, współczynnik ten nie charakteryzuje bezpośrednio zachowania się węgla reagującego z powietrzem w temperaturze krytycznej dla procesu samozapalenia węgli, leżącej w granicach 60°C do 80°C, jednak przeprowadzone badania wykazały, że często węgle o wysokim współczynniku reakcyjności w temperaturze 230°C reagują energicznie z powietrzem również w niższych temperaturach.

Wskaźnik skłonności węgla do samozapalenia:

SZ^b = dT/dt [°C/min]

Wskaźniki skłonności węgli do samozapalenia według oznaczenia metodą Olpińskiego:

Grupa	Ocena skłonności węgli do samozapalenia	Wskaźnik SZ^b [°C/min]
I II III IV	węgiel bardzo mało skłonny węgiel mało skłonny węgiel skłonny węgiel bardzo skłonny	80 80 ÷100 100 ÷120 >120

Jak podaje autor metody, węgle grupy I i II można przez dłuższy czas magazynować i transportować nawet do krajów tropikalnych przy zachowaniu normalnych środków ostrożności, węgle grupy III mogą ulegać w tych warunkach samozapaleniu, natomiast węgle grupy IV uważa za niebezpieczne i nadające się raczej do szybkiego zużycia.

Metoda Orleańskiej i Wesołowskiego

Metoda Orleańskiej i Wesołowskiego polega na oznaczeniu obniżenia temperatury zapłonu węgla utlenianego powierzchniowo. Im węgiel bardziej skłonny do samozapalenia, tym większe jest obniżenie temperatury zapłonu. Doświadczenia wykazały, że temperatura zapłonu obniża się zarówno przy utlenianiu węgla powietrzem jak i innymi substancjami chemicznymi, np. kwasem azotowym lub nadtlenkiem wodoru.

Ustalono, że miarą skłonności substancji węglowej do samozapalenia może być wielkość obniżenia temperatury zapłonu po utlenieniu substancji. Obniżenie tej temperatury jest jednocześnie wskaźnikiem łatwości utleniania substancji węglowej przy niskich temperaturach.

Różnica temperatur zapłonu węgla ΔT przed i po utlenieniu określa skłonność węgla do samozapalenia, a więc

ΔT = T₀ - T₂

gdzie:

T₀ - temperatura zapłonu węgla nie utlenionego

T₂ - temperatura zapłonu węgla utlenionego.

Wskaźniki skłonności węgli do samozapalenia według oznaczenia metodą Orleańskiej i Wesołowskiego:

Grupa	Ocena skłonności węgli do samozapalenia	Wskaźnik SZ^b [°C/min]
I II III	węgiel nieskłonny węgiel mało skłonny węgiel bardzo skłonny	10 10 ÷25 >25

Zestawienie otrzymanych wielkości:

Temperatura węgla °C	Czas t [min]
20,0	1
20,0	2
20,0	3
20,0	4
20,2	5
20,2	6
20,3	7
20,4	8
20,5	9
20,5	10
20,5	11
20,5	12
20,5	13
20,6	14
20,6	15
20,7	16
20,8	17
20,9	18
20,9	19
21,0	20

.

Wykres zależności temperatury T [°C] od czasu t [min]

Wniosek:

W przypadku badanej próbki nie nastąpił wzrost temperatury. Na tej podstawie możemy przyjąć, że badany przez nas węgiel jest nieskłonny do samozapalenia i należy do 1 grupy samozapalenia węgla.

---