AEROLOGIA GÓRNICZA
Ćwiczenie nr 6 Oznaczanie skłonności węgla do samozapalenia metodą perhydrolową.
Kierunek TPEZ		Grupa I	Marcin Filipczuk Michał Jawiarczyk	Ocena

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:

• obecność rozdrobnionego węgla skłonnego do niskotemperaturowego utleniania,

• dopływ powietrza do miejsca nagromadzenia się tego węgla,

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

Pierwszy z wymienionych warunków związany jest z naturalnymi właściwościami substancji węglowej, dwa pozostałe należą od warunków górniczo-technicznych.

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

• okres przygotowawczy, zwany również inkubacyjnym,

• okres samo zagrzewania się węgla, który może doprowadzić do jego zapalenia.

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

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

2. metody ustalające skłonność węgli do utleniania w niskiej temperaturze.

Większość metod grupy pierwszej oparta jest na oznaczeniu temperatury zapłonu węgli.

Metody grupy drugiej, za pomocą, których ocenia się skłonność węgli 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 należą miedzy innymi metoda: Orleańskiej i Wesołowskiego oraz metoda perhydrolowa Maciejasza.

METODA PERHYDROLOWA MACIEJASZA

Metoda ta oparta jest na badaniu szybkości wzrostu temperatury w układzie węgiel kamienny-wodny roztwór H_{,2O2, 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 samozapalenia wykazują w czasie reakcji początkowo nieznaczne podniesienie temperatury. Po osiągnięciu przez układ 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 węgla do samozapalenia metodą perhydrolową i zestawiono w tablicy:

WYSZCZEGÓLNIENIE	GRUPA
		I	II	III
		Węgle bardzo skłonne do samozapalenia	Węgle mało skłonne do samozapalenia	Węgle nieskłonne do samozapalenia
Najwyższa temperatura układu węgiel kamienny- roztwór H2O2	Tmax≥90^oC	Tmax≤90^oC	Tmax<90^oC
Czas osiągnięcia maksymalnej temperatury Tmax	Tmax≤40 min	40min<Tmax<75min	Tmax>75 min
Czas przyrostu temperatury między 50 a 95^oC	T50-90≤2,5 min	2,5min<T50-90<6min	T50-90>6 min

Wskaźniki skłonności węgla do samozapalenia metodą perhydrolową Macieja

TABELA 1

APARATURA DO OZNACZANIA SKŁONNOŚCI WĘGLI DO SAMOZAPALENIA

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

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Z próbki węgla przesianej przez sito 0,06 mm i dokładnie wymieszanej odważa się 3 g i wsypuje na laboratoryjne szkiełko zegarowe, gdzie zwilża się próbkę wodą destylowana.

W tym celu wlewa się do próbki 1,5 cm³ wody (tj.: 0,5 cm³/q węgla) i miesza się mieszadełkiem do czasu równomiernego nawilżenia całej próbki.

Zwilżenie próbki czyni węgiel hydrofilnym i zapewnia równomierne działanie perhydrolu na ziarna węgla. Zwilżoną próbkę wsypuje się do naczyńka Dewera, do którego, wlewa się następnie 9 cm³ perhydrolu o stężeniu 20% (tj.: 3 cm³ H₂O₂/g węgla).

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 40-50^oC należy mieszać perhydrol z węglem.

Równocześnie z wlaniem perhydrolu do naczyńka Dewera należy włączyć stoper umożliwiający kontrolę szybkości wzrostu temperatury układu.

W czasie trwania reakcji odnotowuje się czas, jaki upłynął od początku trwania reakcji do osiągnięcia przez układ temperatury maksymalnej (T_max) 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 kamienne

ZESTAWIENIE WYNIKÓW POMIARÓW

WĘGIEL
Czas [min]	Temperatura [^oC]
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38	24 24 24 24 24 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 24,5 24,5 24,5 24,7 24,7 24,7 24,8 24,8 25

Na podstawie wyników pomiarów zestawionych w powyższej tabeli wykonuje się wykres przebiegu reakcji w układzie współrzędnych.

Po wykonaniu wykresów należy ocenić skłonność węgla do samozapalenia wg TABELI 1

WNIOSKI

Z tego względu, że oba wykresy są jednakowe nie można przyjąć średniej wartości tych dwu pomiarów, natomiast po analizie wykresów widzimy, że węgle osiągają maksymalną temperaturę T>90^oC w czasie t>75 min, są to węgle nieskłonne do samozapalenia lub ćwiczenie zostało źle wykonane i są złe wyniki.

---