AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Wydział Górniczy

AEROLOGIA GÓRNICZA

Sprawozdanie z ćwiczeń

Temat:

Oznaczenie skłonności węgla do samozapalenia.

wykonali:

Iwona Drożdż

Janusz Romanowski

1. Wprowadzenie.

Pożary endogeniczne , czyli pożary wskutek samozapalenia węgla powstają w kopalniach w których prowadzi się roboty górnicze w pokładach skłonnych do samozapalenia.

Aby proces samozapalenia i samo zagrzewania mógł się rozwijać, muszą istnieć równocześnie trzy współdziałające czynniki tj:

• obecność rozdrobnionego węgla skłonnego do nisko temperaturowego

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 .

W związku z powyższym istotną staje się znajomość przebiegu procesu samozapalenia węgla. Badania i obserwacje wykazały , że w procesie samozapalenia węgla można wyróżnić dwa zasadnicze okresy :

• okres przygotowawczy , zwany również inkubacyjnym.

• Okres samo nagrzewania węgla , który może doprowadzić do jego samozapalenia.

Skłonność węgla do samozapalenia jest przyczyną powstawania pożarów w kopalniach , na zwałach węgla , a także w czasie długotrwałego transportu. Dlatego też wcześniejsza znajomość skłonności węgla do samozapłonu umożliwia:

• zaprojektowanie właściwego systemu eksploatacji o dobór odpowiednich wymiarów pól eksploatacyjnych,

• zaprojektowanie racjonalnego rozprowadzenia powietrza w kopalni,

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

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

a) metody ustalające skłonność węgla do utleniania w podwyższonej

temperaturze

b) metody ustalające skłonności węgla do utleniania w niskiej

temperaturze

Większość metod grupy pierwszej oparta jest na oznaczeniu temperatury zapłonu węgla .Metoda grupy drugiej , za pomocą której ocenia się skłonność węgla do utleniania w niskiej temperaturze , różnią się między 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 należy między innymi metoda: Orleańskiej i Wesołowskiego oraz metoda perhydrolowa Maciejasza.

METODA PERHYDROLOWA MACIEJASZA.

Metoda ta oparta jest na badaniach szybkości wzrostu temperatury w układzie węgiel kamienny - wodny roztwór H₂O₂, które wskazały, że reakcja w tym układzie ma charakterystyczny przebieg - inny dla węgli skłonnych do samozapalenia niż dla węgli nieskłonnych do samozapalenia. Próbki węgla skłonnego do samozapalenia wykazują w czasie reakcji początkowo nieznaczne podniesienie temperatury około 50^oC następuje bardzo szybki wzrost temperatury układu dochodzący do 90÷97^oC.

W przypadku węgli nieskłonnych do samozapalenia temperatura układu podnosi się od kilku do kilkudziesięciu stopni po upływie znacznie dłuższego czasu , po czym łagodnie spada. Krzywe przedstawiające wzrost temperatury układu : węgiel kamienny- wodny roztwór H₂O₂ mają podobny kształt do krzywej przebiegu procesu samozapalenia węgla. Dla węgli skłonnych do samozapalenia w obydwu przypadkach wyraźnie następuje okres przygotowawczy i okres samo zagrzewania

Węgle zwietrzałe dają podobny przebieg reakcji , jak węgle nieskłonne do samozapalenia , bez względu na to czy pochodzą one z pokładu skłonnego , czy też nieskłonnego do samozapalenia.

Na tej podstawie można przyjąć reakcję w układzie : węgiel kamienny-wodny roztwór H₂O₂ za reakcję modelową procesu samozapalenia węgli .Im krótszy jest odcinek poziomy (lub prawie poziomy) krzywej wzrostu temperatury w omawianej reakcji, odpowiadający okresowi przygotowawczemu, tym bardziej węgiel skłonny jest do samozapalenia.

Na podstawie badań ustalono wskaźniki skłonności węgli do samozapalenia metodą perhydrolową zestawiono w tablicy:

Wskaźniki skłonności węgla do samozapalenia metodą perhydrolową Maciejasza

WYSZCZEGÓLNIENIE	GRUPA
		I	II	III
		Węgle mało Skłonne do samozapalenia	Węgle mało skłonne Do samozapalenia	Węgle nieskłonne do samozapalenia
Najwyższa temperatura układu węgielkamienny- roztwór H2O2.	Tmax≥90^oC	Tmax≤90^oC	Tmax<90^oC
Czas osiągnięcia max. temp. T­­­­max.	Tmax≤40min	40min.<Tmax<75min	Tmax>75min
Czas przyrostu temp. Między 50 a 95^o C	T50-90≤2,5 min	2,5min <T50-90<6min	T50-90>6min

2. Aparatura do oznaczania skłonności węgla do samozapalenia. Aparatura do oznaczenia skłonności węgla do samozapalenia składa się z wanny wodnej , wykonanej z cienkiej blachy miedzianej z otworami na naczyńka Dewara oraz termometrów do kontrolowania szybkości wzrostu temperatury układu . Wanna wodna dla zapewnienia jednakowej temperatury układu wody powinna być włączona w obieg z termostatem . W celu wyeliminowania termostatu każdorazowo ustala się temperaturę wody przed rozpoczęciem ćwiczenia na 18^oC. Naczyńka Dewara zapobiegają rozproszeniu ciepła powstałego w czasie reakcji. W takich warunkach przebieg reakcji jest zbliżony do przebiegu adiabatycznego .

3. Przebieg ćwiczenia

Z próbki węgla przesianej przez sito 0,06 mm i dokładnie wymieszanej odważa się 3g i wsypuje na laboratoryjne szkiełko zegarkowe , gdzie zwilża się próbkę wodą destylowaną. W tym celu wlewa się do próbki 2 cm³ wody i miesza się porcelanowym mieszadełkiem do czasu równomiernego nawilżenia całej próbki . Zwilżenie próbki czyni węgiel hydrofilnym i zapewnia równomierne działanie perhydrolu na ziarna węgla . Zwilżoną próbkę węgla wsypuje się do naczyńka Dewara , do którego wlewa się następnie 9cm³ perhydrolu o stężeniu 20% . Perhydrol należy dokładnie zmieszać z węglem . Można to wykonać szklanym mieszadełkiem lub termometrem służącym do pomiaru temperatury mieszaniny węgla i perhydrolu . Również w czasie trwania reakcji do czasu osiągnięcia przez układ temperatury 40÷40^oC należy mieszać perhydrol z węglem . Równocześnie z wlaniem perhydrolu do naczyńka Dewara należy włączyć stoper umożliwiający kontrolę szybkości wzrostu temperatury układu . W czasie reakcji odnotowuje się w odpowiednim formularzu czas , jaki upłyną od początku trwania reakcji do osiągnięcia przez układ temperatury maksymalnej wynoszącej dla węgli skłonnych do samozapalenia 90÷97^oC. W celu kontroli pomiary przeprowadza się dla tego samego węgla dwukrotnie , tzn. w ćwiczeniu oznacza się skłonność dwóch próbek węgla kamiennego .

4. Zestawienie wyników pomiarowych.

Nr. pomiaru	Węgiel typu			Czas pomiaru (min.)
		Próbka I			Próbka II
		Temperatura (˚ C)
1	21	22,2	22	0
2	22	22,2	23	5
3	21,5	22,2	22	10
4	22	22,2	22,5	15
5	22	22,2	23	20
6	23	22,2	22	25
7	22	22,2	22	30

5. Opracowanie wyników pomiarowych.

Na podstawie wyników pomiarowych zestawionych w powyższej tabeli wykres przebiegu reakcji w układzie współrzędnych prostokątnych :

Czas t_min (oś obciętych) - temperatura T^oC (oś rzędnych)

Wielkość jednostki na osi zależy od szybkości reakcji i może być przyjmowana dowolnie , to jednak wskazane jest przyjmowanie tej samej jednostki dla jednej serii pomiarów . Z wykonywanych dwóch pomiarów dla jednej próby a i b przyjmujemy średnią wartość tych dwóch pomiarów .

Po wykonaniu wykresów należy określić skłonność węgla do samozapalenia wg tablicy z punktu pierwszego.

WYKRES PRZEBIEGU SKŁONNOŚCI SAMOZAPALENIA DLA DWÓCH PRÓB WĘGLOWYCH

6. Wnioski.

Po analizie wykresu dochodzimy do wniosku że , temperatura węgla w czasie pierwszej próby prawie nie uległa zmianie. Temperatura węgla

po upływie 5 min. wzrosła o 1˚ i utrzymywała się, po upływie 20 min. znowu wzrosła o 1˚ i utrzymała się taka do końca pomiarów. Temperatura węgla w drugiej próbie po upływie 5 min. osiągnęła max temp. 23˚C i następnie spadła do 22˚ C Po upływie 20 min. ponownie osiągnęła wartość 23˚ C i znowu obniżyła poziom do 22⁰ C, utrzymując się na tej wysokości do końca pomiarów.

Jak wynika z wykresu węgle te nie są skłonne do samozapalenia.

6

---