Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 5

BADANIE SKŁONNOŚCI WĘGLA DO SAMOZAPALENIA

1. Cel ćwiczenia

Oznaczenie wskaźnika samozapalności węgla zmodyfikowaną metodą Olpińskiego oraz obliczenie energii aktywacji.

2. Wprowadzenie

Podziemne pożary, zarówno egzogeniczne jak i endogeniczne, nadal są jednym z najbardziej niebezpiecznych zagrożeń dla dołowych załóg górniczych. Pomimo tego, iż wskaźnik pożarowości (1) z roku na rok maleje, to nadal są powodem tragedii górniczych i dużych strat materialnych.

(1)

gdzie:

N_p - liczba wszystkich pożarów podziemnych powstałych w danym roku kalendarzowym,

T - wydobycie węgla kamiennego netto w milionach ton w roku.

Cechą charakterystyczną egzogenicznych pożarów podziemnych jest otwartość płomienia oraz nagłość występowania z wydzielaniem dużych ilości dymów i gazów pożarowych. Cechy te powodują, że liczba nieszczęśliwych wypadków z ludźmi jest znacznie większa niż podczas pojawienia się pożaru endogenicznego. Profilaktyka zapobiegania pożarom egzogenicznym sprowadza się zazwyczaj do przestrzegania przepisów przeciwpożarowych oraz zdyscyplinowania załogi dołowej.

Pożary endogeniczne występują głównie w kopalniach eksploatujących kopaliny palne, ale również mogą występować w kopalnia prowadzącej eksploatację kopalin niepalnych, w wyrobiskach której nagromadzono materiały skłonne do samozapalenia.

W celu prowadzenia skutecznej profilaktyki przeciwpożarowej oraz prowadzenia efektywnych działań zwalczania pożarów podziemnych, konieczne jest wdrażanie i stosowanie odpowiednich metod oceny, wykrywania i zwalczania tego zagrożenia.

Wg [3], zakłady górnicze eksploatujące węgiel kamienny mają obowiązek prowadzenia rozpoznania możliwości samozapalenia się węgla, w oparciu o badania samozapalności i oznaczenia wskaźnika samozapalności wg Polskich Norm.

Oznaczenie wskaźnika samozapalności stosuje się w celu sprawdzenia skłonności węgla do samozapalenia i może być przeprowadzone dwoma metodami, a mianowicie:

Metodą perhydrolową - polega ona na badaniu szybkości wzrostu temperatury mieszaniny węgla kamiennego i wodnego roztworu nadtlenku wodoru H₂O₂.

Rys. 1. Schemat układu aparatury do oznaczenia skłonności węgla do samozapalenia metodą perhydrolową

Oznaczenie wskaźnika samozapalności węgla metodą perhydrolową wykonuje się przy pomocy układu aparaturowego przedstawionego na rys 1. Przedstawiony układ składa się z termostatu 1, łaźni wodnej 2, w których umieszcza się naczynia Dewara 3 oraz termometrów 4 do kontrolowania szybkości wzrostu temperatury układu. Łaźnia wodna jest włączona w obieg termostatu, co zapewnia jednakowe warunki przeprowadzenia badań niezależnie od temperatury otoczenia. Termostatem ustala się temperaturę łaźni wodnej na poziomie 291K.

W celu oznaczenia skłonności węgla do samozapalenia, naważkę 3g węgla o uziarnieniu 0.06mm zwilżoną wodą destylowana w ilości 1.5cm³, poddaje się działaniu 20-procentowego perhydrolu. Po wprowadzeniu zwilżonej próbki węgla do naczynia Dewara, dodaje się do niego 9cm³ perhydrolu o stężeniu 20%, przy czym perhydrol należy dokładnie mieszać z węglem, aż do uzyskania temperatury 322 - 323K. W czasie trwania reakcji odnotowuje się czas, jaki upłynął od początku trwania reakcji do osiągnięcia przez układ temperatury maksymalnej T_max.

Wielkościami charakterystycznymi są: czas τ_323-363 wzrostu temperatury od 323 do 363K liczony w sekundach, czas τ_max osiągnięcia przez mieszaninę węgla z nadtlenkiem wodoru temperatury maksymalnej oraz wartość temperatury maksymalnej T_max w K.

W zależności od wymienionych wielkości charakterystycznych węgle dzieli się na trzy grupy skłonności do samozapalenia:

1. węgle bardzo skłonne do samozapalenia, gdy

T_max ≥ 363K,

τ_max ≤ 2400s,

τ_232-263 ≤ 150s

2. węgle mało skłonne do samozapalenia, gdy:

T_max ≤ 363K,

2400s < τ_max < 4500s,

150s < τ_232-263 ≤ 360s

3. węgle nieskłonne do samozapalenia, gdy:

T_max < 363K,

τ_max > 4500s,

τ_232-263 > 360s

Metoda wysokotemperaturowa - określa szybkość wzrostu temperatury węgla przy jego utlenianiu powietrzem w warunkach umownych, wyrażoną w stopniach Celsjusza na minutę.

Rys.2. Stanowisko do badania skłonności węgla do samozapalenia:

Wskaźnik samozapalności wyznacza się poprzez ciągły pomiar temperatury, specjalnie przygotowane próbki węgla w postaci pastylek, wprowadzonej do strumienia powietrza o stałej temperaturze. Oznaczenie przeprowadza się w urządzeniu przedstawionym na rys. 2, które stanowi: 1-piec, 2-sonda pomiarowa temperatury, 3-próbka węgla, 4-króciec wylotowy komory reakcyjnej, 5-rotametr z regulatorem przepływu, 6-regulator temperatury pieca, 7-bezpieczniki, 8-dioda i załączniki dodatkowego grzejnika, 9-dioda sygnalizacyjna napięć wewnętrznych, 10-zaciski wyjściowe sygnału temperatury, 11-wyświetlacz temperatury, 12-załącznik układu transportu próbki, 13-dioda sygnalizacyjna przekroczenia czasu obliczania wskaźnika, 14-wyświetlacz wskaźnika samozapalności, 15-przyciski zerowania układu obliczania wskaźnika, 16-uchwyt układu transportu próbki, 17-załącznik urządzenia, 18-przełącznik obliczania wskaźnika dla temperatur 237 i 190^oC.

Wskaźnik wyznacza się w dwóch seriach pomiarów:

• w pierwszej serii pomiarów dla zakresu temperatury od 200 do 260^oC

(2)

• w drugiej serii pomiarów dla zakresu temperatury od 165 do 215^oC

(3)

gdzie:

- temperatura, ^oC,

- czas, min.

We wzorach (2) i (3) wielkości (τ₁, t₁), (τ₂, t₂) oraz (τ₁', t₁'), (τ₂', t₂') stanowią współrzędne dowolnych punktów stycznych w punktach odpowiadających temperaturze powietrza w komorze reakcyjnej równej 237^oC dla pierwszej serii pomiarów i 190^oC dla drugiej serii pomiarów (rys. 3).

Energia aktywacji - minimalna energia jaką musi mieć zespół cząstek, aby mogła przebiec reakcja, wyrażona wielkością A w równaniu Arrheniusa
określającym zależność szybkości reakcji k od temperatury T, w którym

R - uniwersalna stała gazowa,

k₀ - współczynnik przedeksponencjalny.

Na podstawie Sz^a i Sz^a' energię aktywacji określa zależność:

J/mol (4)

gdzie:

A - energia aktywacji, J/mol,

Sz^a, Sz^a' - wskaźniki samozapalności w temperaturach 237 i 190^oC/min,

R - stała gazowa równa 8,315 J/(mol·K),

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

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

lub w kJ/mol wg wzoru

(5)

Rys.3. Przykład graficznego wyznaczenia wskaźnika Sz^a

Na podstawie wyznaczonego wskaźnika Sz^a oraz wyliczonej energii aktywacji A skłonność węgla do samozapalenia określa się według tabeli 1.

Tab.1. Podział węgli wg skłonności do samozapalenia

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
		poniżej 42 lub równe			IV	Węgiel o dużej skłonności do samozapalenia
	powyżej 100 do 120	powyżej 34
		poniżej 34 lub równe			V	Węgiel o bardzo duzej skłonności do samozapalenia
powyżej 120	nie normalizuje się

3. Sprzęt i aparatura wykorzystane w ćwiczeniu

1. matryca do przygotowania (pastylkowania) próbek węgla,

2. prasa,

3. waga laboratoryjna o dokładności ± 0,1g,

4. stoper,

5. urządzenie do oznaczania wskaźnika samozapalności węgla, rys.2.

4. Przeprowadzane pomiary

Badanie skłonności węgla do samozapalenia wg załączonej normy wykonać dla co najmniej 6 przygotowanych pastylek (liczbę pastylek w ćwiczeniu ustali prowadzący). Urządzenie z rys. 1 przygotować do pomiarów, ustalając następujące warunki:

• natężenie strumienia objętości powietrza w komorze reakcyjnej powinno wynosić 25±3 dm³/h (regulacji dokonuje się zaworem wbudowanym w miernik przepływu - rotametr),

• temperatura powietrza w komorze reakcyjnej powinna wynosić:

• w pierwszej serii pomiarów 237^oC,

• w drugiej serii pomiarów 190^oC.

Regulacji temperatury dokonuje się regulatorem temperatury.

Po osiągnięciu optymalnych warunków wykonać oznaczenie Sz^a i Sz^a', rozpoczynając pomiar czasu i temperatury:

• dla pierwszej serii pomiarów od 200^oC,

• dla drugiej serii pomiarów od 165^oC.

Odczyty w każdej serii pomiarów przeprowadzić przy wzroście temperatury co 5 ^oC. Badanie należy zakończyć w momencie, gdy temperatura pastylki w pierwszej serii pomiarów przekroczy 260^oC, a w drugiej serii 215^oC.

5. Wyniki pomiarów i obliczenia

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów określić:

1. wskaźnik Sz^a w oparciu o styczną w punktcie 237 do otrzymanej krzywej,

2. wskaźnik Sz^a' w oparciu o styczną w punkcie 190 do otrzymanej krzywej,

3. energię aktywacji A,

4. przedstawić interpretację graficzną wskaźników Sz^a i Sz^a' (jak na rys. 3),

5. dokonać oceny skłonności węgla do samozapalenia.

UWAGA Chcąc w miarę dokładnie wyznaczyć wskaźnik Sz^a lub Sz^a' należy:

• znaleźć w excelu równania krzywych,

• wyznaczyć w oparciu o równania krzywych czasy odpowiadające temperaturom 237-1 i 237+1°C oraz 190-1 i 190 +1°C,

• otrzymane parametry wstawić do wzorów na Sz^a i Sz^a'.

6. Sprawozdanie

Na podstawie otrzymanych wyników oraz obowiązujących norm, dokonać oceny skłonności węgla do samozapalenia. Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno zawierać:

1. Protokół z pomiarów (wyniki pomiarów powinny być prowadzone na oddzielnej kartce),

2. Tok przeprowadzonych obliczeń,

3. Wynik oznaczenia,

4. Wnioski i dyskusję błędów.

Protokół powinien zawierać:

• listę osób realizujących ćwiczenie w danej grupie,

• wyniki pomiarów zatwierdzone przez prowadzącego.

7. Zagadnienia

1. Rodzaje pożarów podziemnych.

2. Charakterystyka powstawania i przebiegu pożarów podziemnych.

3. Procesy samozagrzewania i samozapalenia węgla.

4. Sposoby oceny zagrożenia pożarami endogenicznymi kopalń węgla.

5. Zwalczanie pożarów podziemnych.

6. Metody oceny rozwoju pożarów endogenicznych.

7. Profilaktyka przeciwpożarowa w kopalniach rudy miedzi.

8. Literatura

[1] A. STRUMIŃSKI, B. MADEJA-STRUMIŃSKA: Ocena i likwidacja zagrożenia pożarami endogenicznymi w kopalniach węgla. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne. Wrocław 1997.

[2] A. STRUMIŃSKI: Zwalczanie pożarów w kopalniach głębinowych. Wydaw. „Śląsk” Spółka z o.o. Katowice 1996.

[3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych.

PN-90/G-04502 Węgiel kamienny i brunatny. Metody pobierania i przygotowania próbek do badań laboratoryjnych.

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

PN-G-04039:1998 Węgiel kamienny. Pobieranie próbek do badań samozapalności

---