AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA
im. Stanisława Staszica
w Krakowie
Wydział Górniczy
AEROLOGIA GÓRNICZA
Sprawozdanie z ćwiczeń
Temat:
„Oznaczenie skłonności węgla do samozapalenia”
wykonali:
Szelest Piotr
Tatarczak Konrad
Haraszczuk Krystian
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 50oC następuje bardzo szybki wzrost temperatury układu dochodzący do 90÷97oC.
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≥90oC |
Tmax≤90oC |
Tmax<90oC |
Czas osiągnięcia max. temp. Tmax. |
Tmax≤40min |
40min.<Tmax<75min |
Tmax>75min |
Czas przyrostu temp. Między 50 a 95o 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 18oC. 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÷40oC 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÷97oC. 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.) |
||
|
151 |
322 |
CH-K-50 |
|
|
Temperatura (˚ C) |
|
||
1 |
22 |
22 |
22 |
0 |
2 |
23 |
22 |
23 |
5 |
3 |
24 |
22 |
23 |
10 |
4 |
24,5 |
22 |
23 |
15 |
5 |
21,5 |
22 |
23 |
20 |
6 |
22 |
22 |
24 |
25 |
7 |
22 |
22 |
24 |
30 |
8 |
22,5 |
22 |
24 |
35 |
9 |
22,5 |
22 |
24 |
40 |
10 |
22,5 |
22 |
24 |
45 |
11 |
22,5 |
22 |
24 |
50 |
12 |
22,5 |
22 |
24 |
55 |
13 |
22,5 |
22 |
24 |
60 |
14 |
22,5 |
22 |
24 |
65 |
15 |
22,5 |
22 |
24 |
70 |
5. Opracowanie wyników pomiarowych.
Na podstawie wyników pomiarowych zestawionych w powyższej tabeli wykres przebiegu reakcji w układzie współrzędnych prostokątnych :
Czas tmin (oś obciętych) - temperatura ToC (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.
seria 1 - węgiel typu 332
seria 2 - węgiel typu CH - K - 50
seria 3 - węgiel typu 151
6. Wnioski.
Po analizie wykresu dochodzimy do wniosku że , temperatur węgla typu 332 w czasie nie zmieniła się. Temperatura węgla typu CH - K - 50 po upływie 5 min. wzrosła o 1˚ i utrzymywała się, po upływie 20 min. znowu wzrosła o 1˚ i utrzymała się do końca pomiarów. Temperatura węgla typu 151 po upływie 15 min. osiągnęła max temp. 24,5˚C , a następnie spadła do 21,5˚ C i po upływie 35 min. osiągnęła wartość 22,5˚ C i utrzymała się do końca pomiarów.
Jak wynika z wykresu węgle te nie są skłonne do samozapalenia.
7