AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA

W KRAKOWIE

Oznaczenie skłonności węgla do samozapalenia

Kinga Węgrecka

Szymon Szydłowski

Maciej Tokarczyk

Grupa 4, Rok III, EZSM

1. Wprowadzenie

Pożar podziemny jest to pojawienie się w kopalni ‘otwartego ognia’, tj. żarzącego się lub palącego się płomieniem materiału palnego lub wszelkich objawów tlenku węgla, węglowodorów lub dymu w powietrzu kopalnianym.

Do powstania pożaru niezbędne są trzy czynniki: obecność materiału palnego, jego zapalenie i doprowadzenie do miejsca zapalenia się materiału palnego dostatecznej ilości tlenu.

Zależnie od przyczyny w górnictwie podziemnym wyróżnia się dwa typy pożarów:

1. powstałe wskutek przyczyn zewnętrznych, czyli tzw. pożary egzogeniczne

2. powstałe wskutek samozapalenia się materiału palnego, czyli tzw. pożary endogeniczne

Spotyka się również podział pożarów kopalnianych na pożary z otwartym płomieniem i pożary bez otwartego płomienia. Charakterystyczne dla pożarów bez otwartego płomienia jest występowanie tylko gazów pożarowych, a dla pożarów z otwartym płomieniem- dodatkowo występowanie płomienia. Pożary bez otwartego płomienia powstają wyłącznie wskutek samozapalenia się węgla.

Samonagrzewanie, a następnie samozapalenie się węgla jest najczęstszą przyczyna powstania pożarów endogenicznych. Aby proces samonagrzewania i samozapalenia mógł się rozwinąć muszą być spełnione następujące warunki:

• Obecność rozdrobnionego węgla mającego zdolność do niskotemperaturowego utleniania

• Dopływ powietrza do miejsca, w którym znajduje się węgiel

• Możliwość akumulacji ciepła powstającego podczas utleniania się węgla

Metoda perhydrolowa Maciejasza

Oparta jest na badaniach szybkości wzrostu temperatury w układzie węgiel kamienny-wodny roztwór H₂O₂ (perhydrol), które wykazały, że reakcja w tym układzie ma charakterystyczny przebieg, inny dla węgli skłonnych do samozapalenia i inny dla węgli nieskłonnych do samozapalenia. Próbki węgla skłonnego do samozapalenia wykazują w czasie reakcji początkowo nieznaczne podniesienie temperatury. Po osiągnięciu przez układ temperatury około 50°C następuje bardzo szybki wzrost temperatury układu dochodzący do granicy rzędu 90-97°C. W przypadku węgli nieskłonnych temperatura układu podnosi sie od kilku do kilkunastu stopni, a następnie zaczyna powoli spadać. Dla węgli skłonnych do zapalania następuje wyraźny okres przygotowawczy i samozagrzewania.

Metoda GIG

Stanowisko laboratoryjne znajdujące się na terenie Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie służy do oznaczania skłonności węgla do samozapalenia i jest przeznaczone do badania wskaźnika samozapalności węgla wg PN-93/G-04558.

Badanie polega na tym, że specjalnie przygotowaną pastylkę węgla w prasie dźwigniowej z matrycą wkłada się do niskotemperaturowego pieca, w którym dla dwóch temperatur: 190 i 237C określa się czas narastania temperatury oraz energię aktywacji. Wielkości te pozwalają zaliczyć próbkę węgla do określonej grupy skłonności do samozapalenia (jednej z pięciu kategorii).

1. Przebieg ćwiczenia:

Przygotowanie stanowiska rozpoczęliśmy od zanurzenia 3 g rozdrobnionego węgla w 1,5 cm³ wody destylowanej- oba substraty następnie zamieszaliśmy. Zwilżenie próbki czyni węgiel hydrofilnym i zapewnia równomiernie działanie perhydrolu na ziarna. Zwilżoną próbkę wlaliśmy do naczynia, do którego dodaliśmy 9 cm³ perhydrolu, a następnie całość ponownie zamieszaliśmy. Istotnym było, aby dokładnie to wymieszać ze znajdującym się węglem. Tak przygotowaną mieszaninę uszczelniliśmy i zanurzyliśmy w nim termometr, który posłużył nam do dalszych pomiarów. Pomiary były dokonywane jeden za drugim w odstępie czasu wynoszącym 1 minutę i polegały na notowaniu temperatury narastającej w czasie aż do osiągnięcia jej maksymalnej wartości, która dla węgli skłonnych do samozapalenia wynosi 90-97C.

1. Pomiary:

Lp.	T [°C]	t [min]
1	23,5	0
2	25	1
3	26	2
4	26,7	3
5	27,5	4
6	28,5	5
7	30	6
8	31	7
9	32	8
10	34	9
11	36,8	10
12	40	11
13	44,2	12
14	51,5	13
15	59	14
16	77	15
17	99,5	16

1. Wnioski:

Jak wynika z przeprowadzonego przez nas ćwiczenia, badany węgiel ma wyraźne skłonności do samozapalenia. Zaobserwowaliśmy, że osiągnął swoją temperaturę maksymalną równą 99,5°C w ciągu zaledwie 16 minut.

Prowadząc obserwacje dostrzegliśmy, że w temperaturze 80°C zaczął wydzielać się dym, a przy 99,5°C nastąpił pożar, który trwał przez 10 minut.

Z wykresu określającego szybkość wzrostu temperatury dla węgla, można odczytać że do temperatury ok. 30°C wzrastała ona bardzo łagodnie i nieznacznie. Z czasem wzrost był coraz bardziej odczuwalny, by po osiągnięciu 50°C być już gwałtownym.

Powołując się na klasyfikację utworzoną przez Zdzisława Maciejasza można stwierdzić, że badana przez nas próbka węgla należy do węgli bardzo skłonnych do samozapalenia. Przyglądając się wyszczególnieniom tej klasyfikacji, a więc: T_max ≥ 90C, T_max ≤ 40 min oraz

T_{50 − 90} ≤ 2, 5 min, dostrzegamy że wszystkie one zostały spełnione.

1. Literatura:

1. Zdzisław Maciejasz, Franciszek Kruk, Pożary podziemne w kopalniach. Część 1.

Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice 1977.

1. Praca zbiorowa, Pożary podziemne w kopalniach, Wydawnictwo „Śląsk”,

Katowice 1971.

1. Nikodem Szlązak, Andrzej Salamon, Aerologia górnicza. Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych, Wydawnictwo AGH, Kraków 1991.