Определение температуры самонагревания угля по соотношению оксида углерода и убыли кислорода на аварийном участке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

D01:10.12845/bitp.39.3.2015.10

д-р техн. наук Греков С.П. / Grekov S.P., Ph.D.1

проф. д-р техн. наук Пашковский П.С. / prof. Pashkovskiy P.S., Ph.D. инж. Орликова В.П. / Orlikova V.P., Eng.

Przyjęty/Accepted/Принята: 06.04.2015; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 20.08.2015; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2015;

Определение температуры самонагревания угля по соотношению оксида углерода и убыли кислорода на аварийном участке2

Identification of Temperature for Self Heating of Coal Caused by the Ratio of Carbon Oxide and Decreasing Oxygen Levels Along a Section Exposed to a Catastrophe

Określenie temperatury samonagrzewania się węgla w zależności od zawartości tlenku węgla i ubytku tlenu na odcinku awaryjnym

АННОТАЦИЯ

Цель: Целью исследований является расчет температуры самонагревания угля по соотношению оксида углерода и убыли кислорода на аварийном участке.

Актуальность: Актуальность исследований обусловлена длительностью используемого на практике метода определения температуры угля по отношению содержания непредельных углеводородов и необходимостью разработки экспресс - метода получения данных об эндогенном пожаре для принятия мер по его тушению.

Методы: Основаны на теоретической модели неизотермической кинетики гетерогенного окисления углей с переменной реакционной поверхностью кислородом воздуха, что вызвано метановыделением из угля, а также образованием и распадом поверхностных соединений при адсорбции кислорода и образовании вблизи поверхности частиц твердых продуктов реакции. Результаты: Предложена математическая модель процесса самонагревания в слое угля как пористой среде. Полагалось, что поступающий в такой слой фильтрационный поток воздуха, содержащий кислород, вступает в химические реакции окисления, что порождает источники тепла. Выделяющееся тепло расходуется на передачу через поверхность, ограничивающую слой угля и повышение его температуры.

Получено аналитическое решение задачи. Для описания интенсивности тепловыделения использована ранее разработанная авторами математическая модель. Учитывается изменение содержания кислорода и реакционной поверхности по мере окисления угля. Проанализировано около 30 экспериментов по определению удельной реакционной поверхности угля и получена ее зависимость от степени метаморфизма угля. Предложена зависимость для определения доли кислорода, вступающего в реакции окисления угля, и с учетом этого дана зависимость для вычисления интенсивности выделения тепла, его стока и температуры, зависимость от расхода кислорода на окисление угля. Предложена зависимость для определения температуры угля по соотношению оксида углерода и убыли кислорода на аварийном участке в результате его окисления углем. На конкретных примерах аварий на шахтах Донбасса показана возможность определения температуры самонагревания угля по данным анализа воздуха аварийного участка.

Практическая значимость: Полученные зависимости рекомендуются для опытно-промышленного использования контроля температуры самонагревания угля.

Выводы: Предложена математическая модель самонагревания в слое угля как пористой среде, апробированная на экспериментах НИИГД (Украины) и ФРГ в диапазоне температур 340-400 К на углях разной степени углефикации. Предложено использовать для определения температуры угля отношение оксида углерода к израсходованному на реакции окисления кислороду. Показано полное соответствие полученных результатов вычисления температуры с данными по соотношению этилена и ацетилена.

Научно-исследовательский институт горноспасательного дела и пожарной безопасности „Респиратор", Украина / The Respirator Scientific Research Institute of Mine-Work and Fire Safety, Donetsk, Ukraine; [email protected];

Процентное участие в создании статьи / Percentage contribution: Grekov S.P. - 35%, Pashkovskiy P.S. - 35%, Orlikova V.P. - 30%;

D01:10.12845/bitp.39.3.2015.10

Ключевые слова: гетерогенный процесс, доля реакционной поверхности, низкотемпературное окисление, скорость реакции, энергия активации, самовозгорание Вид статьи: предварительный отчет

ABSTRACT

Aim: The purpose of this study is to determine the temperature for self heating of coal, caused by the ratio of carbon monoxide and decreasing oxygen levels along a mining section exposed to a catastrophe.

Introduction: The need for this study is associated with existing cumbersome methods used to determine the temperature of coal containing unsaturated hydrocarbons and necessity to identify a faster method for obtaining data about spontaneous fires, to facilitate the selection of appropriate firefighting measures.

Methods: Methods are based on the theoretical model for non-isothermic kinetics of heterogeneous oxidation of coal with a variable reactionary oxygen surface, caused by the release of methane, as well as by formation and decay of surface compounds through oxygen adsorption and formation of stable particles.

Results: A self heating model was put forward for a layer of coal, based on a representation involving a porous substance. It was assumed that a stream of filtered air, containing oxygen, oxidised upon entering such a layer and generated a heat source. Heat was absorbed across the coal surface culminating in an increase to its temperature. An analytical solution was obtained for this exercise. To describe the intensity of generated heat, the authors utilised their own, previously developed mathematical model. The model took into account the change in oxygen content and surface reaction, depending on coal oxidation levels. Some 30 experiments were performed and analysed, which addressed the issue of coal surface reaction and identified the relationship between the surface layer and degree of coal metamorphosis. This relationship was utilised to determine the proportion of oxygen absorbed during oxidation of coal. By taking account of such data it is possible to calculate the intensity of generated heat, its flow and temperature, and consequential use of oxygen during oxidation of coal. It is proposed that the ratio of carbon oxide to reduced oxygen levels along a section exposed to an emergency, as a result of oxidation can be used to determine coal temperature. This is illustrated by specific examples of mine incident analysis in the Donets Basin.

Practical benefit: The identified dependences are recommended for further research and industrial application with the aim of controlling the temperature of self heating coal.

Conclusions: The mathematical model for surface selfheating of coal and porous substances, was approved during tests at NIIGD "Respirator" (Ukraine) and the Federal Republic of Germany, within the temperature range of 340-400 K, for use with different coal quality. It is proposed that the ratio of carbon oxide to oxygen used for oxidation reactions is utilized to determine the temperature of coal. Demonstrated full compatibility between derived results for temperature calculations and data concerning the ratio of ethylene to acetylene.

Keywords: heterogeneous process, surface reaction segment, low-temperature oxidation, reaction rate, activation energy, spontaneous combustion

Type of article: short scientific report ABSTRAKT

Cel: Celem badań jest określenie temperatury samonagrzewania się węgla w zależności od zawartości tlenku węgla i ubytku tlenu na odcinku awaryjnym.

Aktualność badań: Potrzeba przeprowadzenia badań wiąże się z czasochłonnością wykorzystywanej dotychczas metody określenia temperatury węgla ze względu na zawartość węglowodorów nienasyconych oraz koniecznością opracowania szybkiej metody pozyskiwania danych na temat pożaru endogennego, które są niezbędne podczas wyboru odpowiednich środków do jego ugaszenia. Metody: Metody opierały się na teoretycznym modelu nieizotermicznej kinetyki heterogenicznego utleniania tlenem z powietrza węgli ze zmienną (niejednorodną) powierzchnią reakcyjną, co powodowane jest wydzielaniem metanu z węgla, a także powstawaniem i rozpadem związków powierzchniowych przy adsorpcji tlenu i powstawaniu przy powierzchni stałych produktów reakcji.

Wyniki: W artykule zaproponowany został model procesu samonagrzewania się warstwy węgla na przykładzie środowiska porowatego. Założono, że wchodzący do takiej warstwy strumień filtrowanego powietrza wstępuje w reakcje chemiczne utleniania, przez co generowane jest źródło ciepła. Wydzielające się ciepło jest wydatkowane na przejście przez powierzchnię warstwy węgla i zwiększenie jego temperatury. Otrzymano rozwiązanie analityczne tego zadania. Do opisania intensywności wydzielania ciepła wykorzystano wcześniej opracowany przez autorów model matematyczny. Uwzględniono w nim zmianę zawartości tlenu i powierzchni reakcyjnej w miarę utleniania się węgla. Przeanalizowano około 30 eksperymentów polegających na określeniu powierzchni reakcyjnej węgla i otrzymano zależność między nią a stopniem metamorfizmu węgla. Zaproponowano wykorzystanie tej zależności do określenia zawartości procentowej tlenu wstępującego w reakcję utleniania węgla. Z uwzględnieniem tych danych możliwe jest wyliczenie: intensywności wydzielania ciepła, jego spadku i temperatury oraz zależności między zużyciem tlenu a utlenianiem się węgla. Autorzy przedstawili zależność, na podstawie której możliwe jest obliczenie temperatury węgla pod względem zawartości tlenku węgla i ubytku tlenu na odcinku awaryjnym. Na rzeczywistych przykładach awarii w kopalniach w Donbasie przedstawiono możliwość określenia temperatury samonagrzewania się węgla na podstawie danych analizy powietrza na odcinku awaryjnym.

Znaczenie dla praktyki: Otrzymane zależności są rekomendowane do badań i zastosowań przemysłowych w celu kontroli temperatury samonagrzewania się węgla.

Wnioski: Zaproponowany model matematyczny samonagrzewania się w warstwie węgla - środowisku porowatym - potwierdzony został w drodze eksperymentów przeprowadzonych przez Instytut Naukowo-Badawczy Górnictwa „Respirator" (Ukraina) i Republikę Federalną Niemiec w granicy temperatur 340-400 K na węglach o różnym stopniu uwęglenia. W celu określenia temperatury węgla

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ DOI:10.12845/bitp.39.3.2015.10

zaproponowano wykorzystanie modelu opisującego stosunek zawartości tlenku węgla i tlenu biorącego udział w reakcjach utleniania. Wykazano pełną zgodność otrzymanych wyników wyliczeń temperatury z danymi w odniesieniu do etylenu i acetylenu.

Słowa kluczowe: proces heretogeniczny, udział/część powierzchni reakcyjnej, niskotemperaturowe utlenianie, szybkość reakcji, energia aktywacji, samonagrzewanie się Typ artykułu: doniesienie wstępne

1. Введение

Эффективность борьбы с эндогенными пожарами, возникающими в выработанном пространстве угольных шахт, в значительной степени зависит от своевременности обнаружения и полноты информации о процессе самовозгорания угля. В процессе развития эндогенного пожара выделяют стадию самонагревания, раннюю стадию самовозгорания и стадию горения угля.

Самонагревание угля начинается, как только создаются условия для аккумуляции теплоты. Стадия самонагревания в основном определяет длительность инкубационного периода процесса самовозгорания и протекает в интервале температур, начиная со значений, характерных для условий данной выработки, и до критической температуры самовозгорания. По достижении критической температуры начинается ранняя стадия самовозгорания угля. Кроме изменения температуры в очаге пожара, происходят существенные изменения состава воздуха аварийного участка: уменьшается содержание кислорода, увеличивается выделение оксидов углерода, водорода, предельных и непредельных углеводородов, содержание которых значительно превышает фоновые значения. Признаком самонагревания угля на контролируемом участке является устойчивое превышение объемной доли СО и Н2 над фоновым их содержанием. Однако по результатам определения превышения оксида углерода и водорода над фоновым их содержанием невозможно отличить стадию самонагревания от ранней стадии самовозгорания. Вместе с тем определение стадии развития эндогенного пожара имеет большое значение, поскольку ранняя стадия самовозгорания угля при благоприятных условиях может длиться всего несколько часов. Эти стадии на шахтах Украины определятся по температуре угля в очаге эндогенного пожара на основании данных о соотношении этилена С2Н4 и ацетилена С2Н2 в пробах воздуха аварийного участка, так как на стадии самонагревания и ранней стадии самовозгорания, вплоть до температуры воспламенения летучих веществ, рост доли этилена опережает рост доли ацетилена, вследствие чего соотношение этих компонентов закономерно увеличивается [1].

Известные методы оценки основаны на анализе продуктов реакции кислорода с углем, в то время как согласно теории «уголь-кислородного» комплекса на начальной стадии кислород физически сорбируется поверхностью угля с незначительным выделением теплоты. Затем с повышением температуры начинается расщепление неустойчивых кислородных комплексов с образованием конечных продуктов окисления угля

- оксидов углерода, воды, при котором выделение теплоты возрастает в 1,5-2 раза [2]. Таким образом, контроль концентрации кислорода дает возможность проследить весь процесс низкотемпературного окисления и, следовательно, является наиболее чувствительным индикатором раннего появления очага самонагревания угля.

Влияние содержания кислорода резко возрастает с повышением температуры: чем она выше, тем при меньшем содержании кислорода может протекать процесс окисления. Зависимость процесса самонагревания от содержания кислорода в шахтной среде является одним из главных факторов, влияющих на пожароопасность горных работ при переходе их на глубокие горизонты [3].

Между тем существующая система контроля на угольных шахтах, ограничивающаяся газовым анализом шахтной среды в действующих выработках и выработанном пространстве, зачастую оказывается малоэффективной при обнаружении самонагревания и практически не дает информации о местонахождении очага пожара. Отсутствие необходимой информации об эндогенном пожаре, особенно о местонахождении очага в выработанном пространстве, затрудняет использование активных методов тушения и становится причиной применения способа изоляции участков с признаками самонагревания.

Целью работы является разработка метода расчета температуры самонагревания угля по соотношению оксида углерода и убыли содержания кислорода на аварийном участке при эндогенном пожаре.

2. Теоретические и экспериментальные исследования

Ранее нами были рассмотрены тепловая и диффузионная задачи самонагревания угля, предполагая известными функциональные зависимости плотности источников и стоков от температуры и концентрации [4]. Сформулирована физическая и адекватная ей математическая модель процесса в слое различной толщины. Предложен способ численного решения задачи. Сложность вычислений и временами неадекватность полученного решения по разработанной программе из-за неустойчивости численного метода позволили нам предложить упрощенную математическую модель, позволяющую получить аналитическое решение задачи самонагревания угля в слое зернистого материала и его температуру.

Предполагается, что скопление угля, подверженное самонагреванию, - это некоторый минимальный объем, необходимый для развития процесса. Этот

D01:10.12845/bitp.39.3.2015.10

объемпо данным автора[1] определяется минимальной толщиной его скопления m, которая составляет 0,14 -е 0,2- м (на пластт кн8 при m = 0,1!? м произяшлв 8 пвжеров, на пласте Ie про то = O51JiM прошло 1 7 по-жтров, на пласте Z7 при m = 0,14 м -1Т пожаров).

П редставом урр авненр- для динамике темпоратцры в зоне самонагревания угмя в виде:

н-(об + p).) = Т<ДС _ щи сы

где ρ - плотность газа, кг/м3;

с - уделонао теплоемкость газов при постежнном деи?^ лении, Дж/(к-К); Т - температура в очаге пожара, К; T0?- температура до пожара, К;

40 - твмператууа поттд3 окружтющих околление дгля, К; и - скорость движения воздуха, м/с; l - длина зоны горения, м;

ос - коэффициент теплообмена между скоплением угля и окружающими еао породами, Вт/(м2К) ;

П- перимятр скопления угля,м; S - площадь поперечного сечения скопления угля, м2; q - интрнсивность иеточника т-пла при горении, Вт/м3.

Для IC вазистационерного (^луТЧс1.я уравнение Ot-) примет вид:

е-Te-aTo = °п_^ п + _ч_ twi;)

I P0CS V с е P0C' k я

оде тт = ри/а0 - масствая скароеть везаухе, м/с; ρ 0 - плотностм газа при т^юо:п^]з^(г)'']3(т T0, кг/м3.

Принимая Тс = T0U решив уравнение; (2¾ относительно температуры имеем

T =р 7,,(1+3¾ (3Т

"vk и+аУ

где: еЗ =о -ОО удельный коэффицизнт всплообмдна ткопления угля с пкружающими eio (оро^м^ м/с;

у _ Ч

q = —- - удельная интенсивно— тепловыделения в соне горения, 1/с

Интенсивность тепловыделения в единице обьема η может Оыть представлена вырджени-м [-]

д _ о,Oi(Co-C1)UT0Wc ^

где C0 - концентрацию кислорода на входе в зону горения, %;

C1 - концентрация киспарода на выход е из зоны ось рения, %;

Нс с- теплота сгорания твердого материала, Дж/кг. Подставляя (4) в фтрмдлу (У0 будем имегь

O1Oi(C0CC1)Sijc

Г -ее T0 + ■

(5)

с(и-а)

Илдедсивноеть оелловыдененна VHljro согласно ранее предложенной математической мо°тли [6^ подтвер-жденн ой- проведенными экспериментальными нрблю-даииями, мтжеа б-1т ь представлена в ви де:

Wiin = .faoXZccOi , e=0)3^),

(6Т

где о)у н ас - концентрации ккислорода и углеродав моль/м3;

к - константа соорости окисления, м3/(дмоль); ξ - доля концентн+цди кислород·, вступающего в т--акции окилленря я углем;

q0 - тд плотв реакции окислтв ия, Дж/моль .

Здесь величина ξα02 со ттоттствует доле киссорода Δ-Μ2 = С? — Сл%, израсходовонноео на горение.

Примем во внимание, ьто п-и иемонагвивании BIyIrJBIii скороьть Мильороции воздуха черее скопления ,гля нала, и первый чявн 13 CKTxt^iBi^x знаменателя й оыоожония (5) на несколокт аорядков мтльше тем а. Предположим, что при небольшом изменении тем -пе(атуры на нд.1^)т^лr:E,нo:Ie стлдии самонагревания нгля й = и. Тоедо, п]виравниви]) Vizqo и q ие подставляя (4) в (551, а также вместо α итпользуя его раамерный вид, выражение (3) запишем в виде:

T = гс + jHey, К (70)

В раб от е [7] нами исследовтлась скорость тепловыделения из углей о учетом предположения, что ктвцеятрация кислорода постояннт и рдвнс единице. Вьеаажение для скоросии тепловыделения V4-, Дж/ (омодь) имеет видя

M= = (8)

едт q0 - тт еплтоареакции окисленид, Дж/моль, оопрэсдее уиемея яе ETi1Ioe яженоя:

q0 = 6=80 k02, (9-

k - конт танта скоро сти окисления угля, 1/с.

(0 ивпольоованид (¾] выражение =) примет вид:

Ke0 = 6980ксд8.

(-0)

Завинимесзь V4o кот концентрации горючихвещесан в Bo0J0ле Ц, в нот/ оI-I жи рт(5отт π редстав лена в виде :

1°° я, 572(2=)1°1. ( 11)

О 0 м е д дне я (I 00I) и ( 00 а) и ме о м :

K4o = 1302/^'08°°)0'5. (12)

Вырижеоие (-2) можно записать в виде:

ц а = 1 КГ ( 2 (оо) B ) P о 8 ((Iir Д 5) о щ 0 ( 1 05)

где _ - константа скорости окисления угля, м3/(с · моль).

При нспользовании зависимости концентнации уголрода с— оетт удетьной поверхности у-гля ,Syji0 ме-/иа, по-^-B^τ:^[-<;I^нo:o^ τ ^;а(;7от€; BHf-i^aoeH^e ^13-)1 зопиштм в лзиосе)^^

"4Ό

= 1алл-(—o,os2T а/ 2;т;(ш^зст

9 , 1 ■ 1 O4 ) /а} 0 8 (Vr) 0,5. (14)

Если учесть, чао злачлнив концснярации κиcл(с]р(сдίl в вByC^л:e ]не jfia^^o 1 и измеьяогля по -герк^ п°юникно-вЕнг^иия ^i0O в!]глуI¢ĆIl у/'оглст^ то используя (6) будем иметс

wT, :=

е?^^ V Дж/(с · моззегь)- опрзоод^ля^тся! выражением Е14Д (ίο ест1> име^м:

w,

:= :(ai2^^aO)((^0,0(^^y2T( + ^45(3352-/, + ■1- 9) , 1 ■ 1 0) 4 )) к } 0· 0 8 °о ^0/5-

(16)

аи^ак: сог'лдсно пол+ченному вирсжзнию с]ко]}0ст0:1 теплов1)1д^лени>т vr4o ест): функция удельной реакционной поверхности, концентрации кислорлдз, константы скортост^ о^няслевти-ся и степени метдмвмфизма у;-г;ея.

1С вырожении (1а) ввдeльнίoя рио^кт/ион^ная Iаoв^е,:x;-иость S я^в^ля:-!т-ся хс^роктерно!10 чертой кажтоко ^вотяя. Ее

DOI: 10.12845/bitp.39.3.2015.10

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

связь с фракционным составом изучалась автором [1] на углях разной степени углефикации в лабораторных условиях хроматографическим методом. В различных опытах уголь был измельчен до размера от 0...0,2 мм до 3.3,5 мм и дегазирован. Поэтому найденная автором удельная реакционная поверхность является максимально возможной для процессов окисления.

Результаты обработки экспериментов по 27 образцам углей разной степени углефикации нозволили получить ее связь с концентрацией горючих веществ в угле, представленную на рис. 1 и описываемую зависимостью

S^ = -0,45(Vr)2 + 0,18Vr + 44,8.

(1 7)

Концентрация кислорода α0ζ, вступающего в реакции окисвения с углем на его поверхности S^, меняется во времени по мере проникновения кив-ворвда в межкусковое простраоство скопления угля д втффузит в; поры угля. 13 рабсте [С] исслсдояано изменение во времени доли В реагирующего кнсло-рода н;г реаксцигонной пов ерхности S и получено рыражение в виде:

ξ = 1- -хр(-ня) -D- ++ =χρ(-μ() - -χρ--ν(-, (18)

где ν - констснта скорпсти образовгния поверхностного компоекеа, 1/ч,равная

=V = 2,2 ■ IO11E"-"66, (19)

Е - энцзсия актив ации,Д ж/моль; μ - констаяте скоростиперехода метана из свяаанного coιаτ(CЯIеия в св1о(5одное, 1/ч,

которую оп7еделяют из выражения:

= = ^J0Pp -Xpq-=IO - КО"6 (Di)--1O, ]2 0)

Jc е газоносность пласта, м3/т; R - радиус частиц угля, м; V0 - концентрация горючих веществ в угле, %; t - вркмя, C,

С иао(сльзoваниeм этих выражений найдем для примере cвoрocτь тепловыделения Wq , моль/]м3 · с)), и τомπосеяуру угля за время, равное инкубарионному перио ду ί самовозгорания, рιaccчиτаIаному согласно руководящему документу [9] по шахте «Комсомолец».

Иепользувм: И = 00% , = 1!? м2/т· £инк = 6 0(1 O1, aO0 = 6,37 ]0I0ЛI)/мВ ξ = 0,00(270; q = ,7,9(5 · IO6 Дж/моль; аас =I 1(14 · IO5мешь/м3, И = 2,77 · 1088 м3/(с · моль).

Тоеде сагкеано форяуле (6) посуоим W4o = 587 Дж/ (м3 · с).

Примом, как было сказановыше,за величину тол-щиное скопления угля, подверженного самонагрева-н ию, ср еднее из минимальных значений m = 0,19 м и такую же ег о ширину. Тогда П = 0,76 м, S = 0,Г36 м2. Используя нойденную для аналогичных условий в рлботе []0] вемичину а = 0,=1 Дж/(а ■ м2 ■ К), по формуле (7) имеем: Т = 355 К.

4 J кр

Выпвлним аналоги чный расчет, используя зависимость для определения удельной реакционной поверхности угля и ее связь а векиопнал а*с (14).

Согласно (17) имеем: S =192 м2/кг. По формуле (16) нвеадим w4o = 60 1 Дж/(мН ■ с). Температура угля по форммвк (7) для этоао сллчая: Ткр = 367 К.

Найденная лабораторным путем критическая температура самовозгорания этого угля составила 362 К. Таким образом, росчетное значение Т довогьно бл изао клабв]дторному, что свидетельствует о верности предлагаемого метода расчста температуры в скоплении угля по убыли кислород а . ватуп асшего в реакции екиссения.

С целью подтверждения досалвеаносги использования данных газового состако для расчета температуры очагс самонатревания угля воспользуемся результатами автора [1 ] по 27 случаям исследования углей в лабо-°аторныхусловиях. Анализируемые угли прадставляли весь спектр их углефикгции от длиннопламенных до снтрацитвв, критические температуры самовозгорания свставляаи от 358 до 390 К, конетанты скор ости реакцииокисления гфи крити ческих температурах - от 8 ■ °0-4 до 90 ■ 10-] 1/с, удельные реакционные поверхно сти - от 10°^ м2(кг до 40 0 м2/кг. Резутьтаты полученных /ависимостей тгмпературыугля от израсходованного на1 реакции его окисления кислорода для углей марки Ж представлены на рис. 2.

D01:10.12845/bitp.39.3.2015.10

ACq2, NO

0,7 2,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

320 330 340 350 360 370 380 J, К

Рис. 2. Зависимость температуры угля марки Ж от концентрации кислоро°а,израсходованного на зго окисление Fig, 2. Dependence between the temperature of Zh rank ciol and the concentration of the oxygen used Oor it3 oxidation

Источник: Собственная разработка. Uource: Own elaboration.

Из анализа предстаоленных нз рисунке данных следует, что в изученном диапазоне температур их за-гиси мосзь от израохду ованного н а рза кцая окиелзния кислорода может 2ыть принята линдйной

ДСло = 0,017я i- -,8Т (21)

и полнзстыю соотверсивутет предложоинзй теоретической зависимосои (7). Вытражение для определения темперстуры1 уеля имеет вид:

те = 11а,1Дс02 -а Р14,4. (22)

С целью возможности использования полученные р езультатов для условий горных выраб оток, где итрссходованный на розкции окисления ии1ил:я кислорода птдврхоается сазбавлению в! оздухом нварийного участка, необходимо учитывать еще один компонент газового состава прндуктов окислгния угля для нахо-ждьния температуры очуга нвжара. 1С качестве таков--го компонента используем оксид углерода,довольно точно определяемый в шахтных услоуиях экспресс

методом и пр-ктически не поглощаемый углями, по-родоми и шохтдыми оадами. Найдем зивисимозть Т = /(Ссс/ДС02), в которой CCO -концентрация оксида углеродн на исходящий из пожарного участка струе возтуха, %, r ДСС2 - р-1Я1з:носгть концинтраций кислорода на свежей и исходрщей струе воздуха, %.

Отношение Ссе/ДСе2 для каждого типа угля находится в лабораторных условиях генодинамичесвим мет од оом путем пропускания кислорода через слой угля с таксй же скоростью, которао характерна для условий его самонагревания в шахтах, т.е. порядка 1 ■ 10-5 -я 1 ■ 10-4, м/с.

Воспользуемся теорерическими и эксп ерименталь-ными данными динамики параметров окисвеуия угуя марки Ж, приведенными выше и экспериментальным и данными двторов [ес], изучавших склонность угкей ix самона^еванию, из которых повучим результаты, представленные в таблиье 1.

Таблица 1. Расчетные данные динзмиеи парамутров окисления углей мурки Ж Table 1. Calculation data of dynamics of oxidation characteristics of Zh rank coals

Время,ч / Time, h

Пераметр / Parameter 550 550 580 620 650 670 70S

ае , моль/м3 5,9 6,05 6Д2 0,59 0,25 6,6 6,9

ę 0,0fS 0,033 0,036 0,038 0,041 0,043 0,045

Т, к 34:0 350 300 3370 380 390 400

ДСе2, % 0,223 0,32 0,401 0,50 0,59 0,68 0,77

Ссе, % 0,005"* 0,0S 0,01 6 0,030 0,053* 0,088 0,154

*- по данным (yccording to data) [11]

Из анализа результатов следует, что по мере окисления угля возрастает еодержание оксида урлерода и изртеокдоуанного на окидленид кислорода, пкэсому

пред ставляет интерес установить взаимосвязь темпе-ртеурввуеоя с дтидшенрем Ссе/ДСе2 (рис. 3).

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D0I:10.12845/bitp.39.3.2015.10

Рис. 3. Зависимость температуры самонагревания угля от соотношения Cco/ACq2 ijij.. 3. Relationship betweon coal spoHraneous heating Hemperatuoe rnd Ccy/ZiCy2 ratio Источник: Собственная разработка. Source: Owvn elaboration.

гыпнлнгнс еривннние результатов шынислення гем-пернтуры на сварийном рчаст ке по coorн(Cшeнию кон-цен трац ий Ccy /ACy и по соотно шению концентраций нвпр егнеьных углеводородов (этилена и ацетилена) Сэг/ЦСац. Результаты приведены в таблице 2 .

Таблиц. 2. Сотоотавление р:)е;;зуул:Е>та:г о:^ рнсопта ушмпвртоуры по различным индикаторным компонентам Table 2. Comparisan ob results oO temfte^^tiri"^ calcmlation ^cccu^diinuu; to various indicator compononts

Шахта О Mine М арка угля О Type of coal Температура по соцтношенею концентраций СС0/ДС02 , If О Tempprature accord^0 t^ss the jfsi-tt^o of concentrations ГоЛ1 К Температура по соотнншению канцентраций Сэт/бтт ц, I3 / О Tempeaature accordaon to the ratio of cnncentrationa Кэт /Стц, К /

"Пионер» ООО «Добропольеуголь» / "Pioner" PAO DTEK "Dobrojw—eugor ля 3C4 3tf

«им. Артема» ГП еЛуганскутоль» / "Artyom Mine" "GP Luganskugol" Т 403

3оа 363

4017 433

«Комсомолеп Донбасса» ПАО ДТЭК / PAO DTEK Shachta Komsomolets Donbassa Т УО3 473

453 4073

Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.

Из анализа данных табл. 2 следует, что температуры, определенные по двум соотношениям имеют близкие значения. Различие в неаоторых случаях можно нНш-яснить различной газоносностью пластов и степенью

Аналитичесаое вы-ражание этоха заоигимеееи мнжет быыь преоатовлнно цодом:

.о.-. .сеоуб

3. Апробация

Для апробации предложенного подхода к опрн-делению температуры самоокисление угией быило

углефикации угля. Таким образом, предложенный метод определения температуры самонагревания угля по соотношению Ссу/ДСУ2 может бы1ть использован для начальной стадии процесса окисления.

DOI:10.12845/bitp.39.3.2015.10

Аббревиатуры

t время с

J газоносность пласта, м3/т

R длина зоны горения м

И доля концентрации кислорода, вступающая в реакции окисления с углем -

t инк инкубационный период самовозгорания ч

q интенсивность источника тепла при горении Вт/м3

W4o интенсивность тепловыделения Дж/(м3 • с)

V константа скорости обеазования поверхностного комплекса 1/ч

И константа скорости перехода метана из связанного состояния в свободное 1/ч

k константа скорости окисления 1/с; м3/(с • моль)

С концентрация кислорода на входе в зону горения %

С концентрация кислорода на выходе из зоны горения %

a°2 концентрация кислорода моль/м3

al концентрации углерода моль/м3

QO концентрация оксида углерода на исходящей струе воздуха %

а концентрация ацетилена %

г концентрация этилена %

V концентрация горючих веществ в угле %

а коэффициент теплообмен между скоплением угля и окружающими его породами Вт/(м2 • К)

и массовая скорость воздуха м/с

Р плотность газа кг/м3

р0 плотность, газа при температуре Za кг/м3

S площадь поперечного сечения скопления угля м2

п периметр скопления угля м

РР радиус частиц угля м

ТС° 2 разность концентраций кислорода на свежей и исходящей струе воздуха %

и скорость движения воздуха м/с

иЧо скорость тепловыделения Дж/(с • моль)

Т температура в очаге пожара К

т 0 температура до пожара К

г с температура пRрoд, окружающих скопление угля К

H с теплота сгорания твердого материала Дж/кг

а> теплота реакции окисления Дж/моль

? удельная интенсивность тепловыделения о зоне горения 1/с

% удельный коэффициент теплообмена скопления угля с окружающими его породами м/с

S уд удельная поверхность угля м2/кг

с удельная теплоемкость газов при постоянном давлении Дж/(кг • К)

ЕЕ энергия актисации Дж/моль

Ли тература

[1] PashkovskiyP.S .,Engogennyepozharyvugolnykhshakhtakh, [4:] Knowledge, Danetsk 2013, 791.

[2] Kucher R.V., Kzmpanets V.A., Butuzova L.I1., Struktura isko-paemykh uglei i ikh sposobnast k okisleniiu, Nauk. Dumka,

Kiev 1980, 1(58. [5]

[3] LindenauN.I., Maeaokaya V.M., Krylov V.F. , Proiskhtahde-nie i tushenie engogennykh poaharov v ugolnykh shakhtakh, М.: Nedra, 1977, 320.

Grekov S.P., Cygankiewicz J., Koshovskiy B.I., Berezovskiy A.A., Neiaotermicheskaiya kinetikageterogennogo okisleniya uglei kislorodom voaduk.Ra i ikh samonagrevaniia, "Khimiya tverdogo topliva" Issue 6, 2000, pp. 27-37. Draizdel D., Vydehnle v dinamiku poaharov, Stroiizdat, 19990, 424.

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

[6] Grekov S.P., Orlikova V.P., Vsiakii A.A., Opredelenie sklon-nosti uglei k samovozgoraniiu, „Gornospasatelnoe delo: sb. nauch. tr." Vol. 51, pp. 88-99.

[7] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S., Orlikova V.P., Teplovoi ef-fekt okisleniia uglia i engogennaia pozharoopasnost, „Ugol Ukrainy" Issue 10, 2014, pp. 46-50.

[8] Pashkovskiy P.S., Grekov S.P., Zinchenko I.N., Aktualnye voprosy borby c samovozgoraniem uglia, Arpi, Donetsk 2013, 655.

DOI:10.12845/bitp.39.3.2015.10

[9] Rukovodstvo po preduprezhdeniiu i tusheniiu endo-gennykh pozharov na ugolnykh shakhtakh Ukrainy: КД 12.01.402-2000, NIIGD „Respirator", Donetsk 2001, 215.

[10] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S, Vsiakii A.A., Inzhenernyi metod opredeleniia inkubatsionnogo perioda samovozgoraniia uglia, „Ugol Ukrainy" Issue 3, 2015, 4.

[11] Munzner V.H., Peters W., Zur Kinetik der Kohleoxydation im Temperaturbereich 30°C-100°C. Eingegangen am 26. August 1965, 399-407.

* * *

Греков Святослав Павлович - доктор технических наук, член-корреспондент Международной академии наук высшей школы, заместитель заведующего отделом борьбы с эндогенными пожарами в шахтах и на породных отвалах, специалист в области тепломассопереноса в горных выработках и пористых средах.

Пашковский Петр Семенович - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины, первый заместитель директора НИИГД „Респиратор", основатель научной школы борьбы с пожарами на угольных шахтах.

Орликова Виктория Петровна - окончила Донецкий национальный университет по специальности химик. Научный сотрудник отдела борьбы с эндогенными пожарами в шахтах и на породных отвалах НИИГД „Респиратор". Имеет более 20 публикаций в научно-технических изданиях, является соавтором 12 национальных стандартов и 4 патентов.