Opredelenie temperatury samonagrevaniâ uglâ po sootnošeniû oksida ugleroda i ubyli kisloroda na avarijnom učastke

• Autorzy: Grekov S. P. , Pashkovskiy P. S. , Orlikova V. P.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.39.3.2015.10

Warianty tytułu

EN

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

PL

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

• Języki publikacji: RU

Abstrakty

EN

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 self heating 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.

PL

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 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

EN

heterogeneous process; surface reaction segment; low temperature oxidation; reaction rate; activation energy; spontaneous combustion

PL

proces heretogeniczny; udział/część powierzchni reakcyjnej; niskotemperaturowe utlenianie; szybkość reakcji; energia aktywacji; samonagrzewanie się

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2015
• Tom: Nr 3
• Strony: 119--127
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grekov S. P.

• The Respirator Scientific Research Institute of Mine-Work and Fire Safety, Donetsk, Ukraine;

autor

Pashkovskiy P. S.

autor

Orlikova V. P.

Bibliografia

• [1] Pashkovskiy P.S., Engogennye pozhary v ugolnykh shakhtakh, Knowledge, Donetsk 2013, 791.
• [2] Kucher R.V., Kompanets V.A., Butuzova L.F., Struktura iskopaemykh uglei i ikh sposobnost k okisleniiu, Nauk. Dumka, Kiev 1980, 168.
• [3] Lindenau N.I., Maevskaya V.M., Krylov V.F., Proiskhozhdenie i tushenie engogennykh pozharov v ugolnykh shakhtakh, М.: Nedra, 1977, 320.
• [4] Grekov S.P., Cygankiewicz J., Koshovskiy B.I., Berezovskiy A.A., Neizotermicheskaiya kinetika geterogennogo okisleniya uglei kislorodom vozdukha i ikh samonagrevaniia, “Khimiya tverdogo topliva” Issue 6, 2000, pp. 27–37.
• [5] Draizdel D., Vydelenie v dinamiku pozharov, Stroiizdat, 1990, 424.
• [6] Grekov S.P., Orlikova V.P., Vsiakii A.A., Opredelenie sklonnosti uglei k samovozgoraniiu, „Gornospasatelnoe delo: sb. nauch. tr.” Vol. 51, pp. 88–99.
• [7] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S., Orlikova V.P., Teplovoi effekt 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.
• [9] Rukovodstvo po preduprezhdeniiu i tusheniiu endogennykh 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] Мünzner V.H., Peters W., Zur Kinetik der Kohleoxydation im Temperaturbereich 30°C–100°C. Eingegangen am 26. August 1965, 399–407.