Влияние наноразмерной фракции угольной пыли на взрывоопасность пылеметановоздушных смесей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

- © Д.Ю. Палеев, A.M. Бакланов,

С.Н. Дубпов, В.В. Замащиков, А.Э. Конторович, A.A. Коржавин, A.A. Онищук, П.А. Пуртов, 2015

УДК 622

Д.Ю. Палеев, A.M. Бакланов, С.Н. Дубцов,

В.В. Замащиков, А.Э. Конторович, A.A. Коржавин,

A.A. Онищук, П.А. Пуртов

ВЛИЯНИЕ HAHOPA3MEPHOH ФРЛКЦИИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ HA ВЗРЫВООШСНОСТЬ ПЫЛЕМЕ-TAHOBO3fly0HbIX СМЕСЕЙ

Появление на угольных шахтах высокопроизводительной добычной техники привело к увеличению образования наиболее взрывоопасной высокодисперсной фракции угольной пыли. Это требует фундаментального исследования механизма образования на-норазмерной составляющей угольной пыли и степени её влияния на процессы воспламенения и горения пылегазовых смесей. В данной работе представлены: 1) анализ дисперсности угольной пыли, образующейся при механическом дроблении углей; 2) механизм образования наноразмерной составляющей угольной пыли; 3) масштаб влияния наноразмерной составляющей на горение пы-леметановоздушных смесей.

Ключевые слова: угольная пыль, аэрозоль, метан, воспламенение, взрыв, угольный пласт.

Взрывы горючих газов и угольной пыли в шахтах очень часто приводят к катастрофам с большим количеством человеческих жертв. Объясняется это тем, что в течение последних двух десятков лет появились высокопроизводительные проходческие и очистные комбайны нового поколения, работа которых приводит к образованию высокодисперсной угольной пыли. Поэтому для надежной оценки взрывоопас-ности атмосферы горных выработок и выбора эффективных средств и способов их взрывозащиты необходимо фундаментальное исследование механизма образования наноразмер-ной составляющей угольной пыли при механическом разрушении угля и степени её влияния на процессы воспламенения и горения пылегазовых смесей. В данной работе пред-

ставлены: 1) анализ дисперсности угольной пыли, образующейся при механическом дроблении углей; 2) механизм образования наноразмерной составляющей угольной пыли; 3) масштаб влияния наноразмерной составляющей на горение пылеметановоздушных смесей.

Для исследования наноразмерной составляющей угольной пыли использовался портативный диффузионный спектрометр (рис. 1), позволяющий измерять концентрацию на-ночастиц в диапазоне 101 — 109 частиц/см3 и спектр размеров в диапазоне 3 — 200 нм. Спектрометр был разработан и изготовлен в Институте химической кинетики и горения СО РАН. Он предназначен для автоматического измерения концентрации и распределения по размерам наночастиц в аэрозольной фазе в приложении к аэрозолям естественного и техногенного происхождения [1]. Прибор состоит из трех основных функциональных блоков: диффузионной батареи (для сепарации аэрозоля по размеру за счет диффузионной подвижности), конденсационного укрупнителя аэрозольных частиц и оптического счетчика частиц.

В диффузионной батарее исследуемый аэрозоль последовательно проходит семь наборов сеток. Частицы, прошедшие данное число наборов, направляются в конденсационную камеру, где укрупняются до оптически регистрируемого размера. Далее концентрация этого аэрозоля измеряется с помощью оптического счётчика. Аналогичная процедура выполняется последовательно для каждого числа наборов сеток. Создана модель осаждения наночастиц в диффузионной батарее, и разработан математический алгоритм восстановления их распределения по размерам из набора коэффициентов проскока (долей частиц, прошедших наборы сеток). Применяемый подход позволяет восстанавливать распределения произвольной формы, содержащие до трех пиков.

Рис. 1. Внешний вна диффузионного спектрометра аэрозолей

Управление прибором, обработка, отображение и хранение данных измерения выполняются с помощью программы персонального компьютера. Циклы измерений могут выполняться в автоматическом режиме.

Измеренная концентрация наночастиц в галерее одной из угольных шахт Кузбасса существенно превышает (как минимум на порядок) типичную концентрацию частиц, образующегося при дроблении твердых тел. Такая высокая концентрация может быть образована только при аэрозолеобра-зовании из газовой фазы — испарении органических компонентов угля при локальном нагреве в ходе дробления с образованием пересыщенного пара и последующей его нуклеа-ции. Эксперименты, проведенные на термоконденсационном генераторе аэрозоля, показали, что с ростом температуры наблюдается монотонный рост концентрации и размера частиц. Сопоставление химического состава исходного угля и аэрозоля методом хромато-масс-спектрометрии показало, что спектры аэрозоля и угля похожи.

Анализ морфологии угольного аэрозоля с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM 100 SX показал, что аэрозоль содержит две моды (рис. 2). Крупнодисперсная мода включает частицы неправильной формы размером от одного до нескольких микрон, полученные в результате дробления угля. Другая наноразмерная мода представляет собой агрегаты диаметром 90 нм, состоящие из отдельных сферических частиц, средний диаметр которых 20 нм.

Исследование влияния угольного аэрозоля на процесс горения газовых смесей проводилось в сферическом реакционном сосуде (бомбе) объемом 10 л. На рис. 3 проведено сравнение кривых давления для чистой метановой смеси и смеси с аэрозолем. Видно, что аэрозоль существенно влияет на процесс горения. В частности, возрастает максимальное давление, кроме того, наличие аэрозоля приводит к существенному увеличению (в несколько

4

Рис. 2. Электронномикроскопи-ческие изображения аэрозольных частиц, полученных при механохимическом дроблении угля

Рис. 3. Зависимость давления в бомбе от времени. Верхняя кривая -смесь аэрозоль+метан (6.5%)+воздух, нижняя кривая - метан (6.5%)+воздух

раз) скорости роста давления в бомбе по сравнению с чистой смесью. Дополнительно проводились специальные эксперименты, в которых генератор пыли работал при температуре камеры 60 °С, т.е. в режиме, когда наноразмерная фракция аэрозоля не образовывалась. В этом случае не было обнаружено изменения в кривых зависимости давления в бомбе от времени между чистой смесью и смесью с аэрозолем.

Проведенные эксперименты позволяют предполагать, что в ходе механического дробления угля, в результате подъема локальной температуры происходит выделение газообразных органических компонентов с последующей нуклеацией и агрегацией. Концентрация органического наноаэрозоля достаточно высока и оказывает существенное влияние на процесс горения метановоздушной смеси. Поэтому важной задачей является исследование процесса гомогенной нуклеации пересыщенного пара, выделяющегося при нагреве угля. Далее приведены результаты исследования процесса образования наноаэрозоля при возгонки органических компонентов из угля. Использовался термоконденсационный генератор аэрозоля, представляющий собой кварцевую трубку с внутренним диаметром 0.9 см. Снаружи расположен нагреватель, позволяющий варьировать температуру внутри трубки в пределах 300—1000 °С. В горячую зону внутри трубки помещается кварцевая ложечка с углем

(Ерунаковское месторождение). На вход трубки подается поток Аг или фильтрованного воздуха с объемной скоростью 1 л/мин. При прохождении вдоль горячей зоны поток насыщается паром органических компонентов. По мере выхода потока из горячей зоны его температура понижается, пар становится пересыщенным и начинается гомогенная нуклеация. На выходе концентрация и размер аэрозоля регистрируются с помощью аэрозольного спектрометра. С ростом температуры наблюдался монотонный рост концентрации и размера частиц. Так, при росте температуры от 490 до 560 К средний размер и концентрация увеличивались от 10 нм и 103 см-3 до 60 нм и 107 см-3, соответственно. Дальнейший рост температуры приводил к повышению диаметра частиц (100 нм при температуре 610 К), однако концентрация при этом практически не растет. Отсутствие роста концентрации связано с достижением коагуляционного предела (поскольку скорость коагуляции квадратично связана с концентрацией, при характерном времени коагуляции 100 с и константе коагуляции 109 см3/с концентрация не может существенно превысить величину 107 см-3).

Для того, чтобы сопоставить химический состав исходного угля и аэрозоля, использовался метод хромато-масс-спектрометрии. Спектры аэрозоля и угля похожи. Наиболее интенсивны линии алканов. Помимо алканов в состав аэрозольных частиц входят полиароматичекие соединения, содержащие 3 и 4 конденсированных ароматических кольца — алкильные производные фенантрена, антрацена, пирена. В спектре аэрозоля, в отличие от спектра угля отсутствуют легкие алканы С^ — С13, что связано, по-видимому, с тем, что они выходят в процессе нагрева в первую очередь, до того, как начинает образовываться аэрозоль в больших количествах.

На рис. 4 приведена зависимость давления в бомбе от времени, при воспламенении чистой смеси метан — воздух и смеси термоконденсационный аэрозоль — метан — воздух. Видно, что при наличии аэрозоля в смеси увеличивается скорость роста давления и величина максимального давления. Так, в случае чистой смеси максимальное давление составляет 6.5 МПа, а в случае смеси с аэрозолем 8 МПа. Такое увеличение максимального давления соответствует увеличению

0.0 оа

07

0.6

£ 05

03 0.2 0 1

аэрозоль + метан (6.5%) ■+ воздух

метан {6.5%} + воздух

—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—Т—т—?

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

time / s

Рис. 4. Зависимость давления в бомбе от времени, при воспламенении смеси метан — воздух и термоконденсационный аэрозоль - метан — воздух

содержания топлива в смеси с аэрозолем приблизительно на 20% по сравнению с чистой смесью. Из рис. 4 можно увидеть, что добавка аэрозоля приводит к увеличению скорости нарастания давления почти на порядок.

Таким образом, разработка угольных пластов современными проходческими и выемочными комбайнами приводит к образованию значительного количества органического аэрозоля, не учитываемого современными методами контроля взрывобе-зопасности в шахтах. Наличие данного аэрозоля в метановоз-душной среде может существенно сдвинуть порог воспламенения и значительно увеличить скорость нарастания давления при взрыве.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ankilov A., Baklanov A., Mavliev R., and Eremenko S., Aer J. Sci. 22, S325 (1991).

2. Friedlander S.K., Smoke, Dust, and Haze (Oxford University Press, New York/Oxford 2000). ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Палеев Д.Ю. — доктор технических наук, начальник Новокузнецкого филиала ВНИИПО МЧС России, Бакланов A.M. — научн. сотрудник,

Дубцов С.Н. — кандидат химических наук, ст. научн. сотр.,

Замащиков В.В. - доктор физико-математических наук, ст. научн. сотр.

Коржавин A.A. — доктор физико-математических наук, зав. лабораторией,

Онищук A.A. — доктор химических наук, зав. лабораторией,

Пуртов П.А. — доктор физико-математических наук,зам. директора по науке,

Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН

(ИХКГ СО РАН),

Конторович А.Э. — академик, председатель Кемеровского научного центра СО РАН.

UDC 622

THE INFLUENCE OF COAL DUST NANOSCALE FRACTION ON THE EXPLOSIVE-NESS OF COAL-AIR-AND-METHANE MIXTURE

Dr. D.Y. Paleev, (PhD Tech., Head of Novokuznetsk branch of FGU VNIIPO of EMERCOM of Russia), Russia,

Baklanov A.M., Researcher, Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion (ICKC SB RAS), Russia,

Doubtsov S.N., Ph.D. in Chemistry, Leading Researcher, ICKC SB RAS, Russia, Dr. Zamaschikov V.V., Ph.D. in Physics and Mathematics, ICKC SB RAS, Russia, Kontorovich A.E., Academy Fellow, Chairman of Kemerovo Research Center of the Russian Academy of Sciences, Russia,

Dr. Korzhavin A.A., Ph.D. in Physics and Mathematics, Head of laboratory, ICKC SB RAS, Russia,

Dr. Onischuk A.A., Ph.D. in Chemistry, Head of laboratory, ICKC SB RAS, Russia,

Dr. PurtovP.A., Ph.D. in Physics and Mathematics, Deputy Director on research, ICKC SB

RAS, Russia.

The appearance of advanced mining technology in coal mines resulted in the increased formation of the most highly-explosive finely-dispersed coal dust. It requires the fundamental research of the nanoscale fraction formation in coal dust and the degree of its influence on the processes of ignition and combustion of gaseous and particulate mixtures. This paper presents: 1) the analysis of dispersion of coal dust fromed as a result of coal mechanical crushing; 2) the mechanism of formation of coal dust nanoscale fraction; 3) the degree of impact of nanoscale fraction on the combustion of coal-air-and-methane mixtures.

Key words: coal dust, aerosols, methane, fire, explosion, coal seam.

REFERENCES

1. Ankilov A., Baklanov A., Mavliev R., and Eremenko S., Aer J. Sci. 22, S325 (1991).

2. Friedlander S.K., Smoke, Dust, and Haze (Oxford University Press, New York/Oxford 2000).