Waterproof anti-explosive powders for coal mines

• Autorzy: Buczek B. , Vogt E.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0012

Warianty tytułu

PL

Wodoodporne przeciwwybuchowe pyły dla kopalń węgla

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Limestone powder characterized by hydrophobic properties is used as an anti-explosive agent in coal mining industry. Unfortunately, the standard method of producing such powder by milling limestone with stearic acid is practically unprofitable in many modernized quarries and plants, and sometimes literally impossible due to the introduction of technological changes and implementation of modern mills. Then new methods of hydrophobization of limestone surfaces ought be searched. In the work two methods hydrophobization: from the stearic acid vapour phase and from silicone solutions are proposed. Lime dust from the Czatkowice Quarry of Lime was used as a raw material during investigations. It is a good agent for research because it is possible to compare the properties of samples modified in this work to the properties of anti-explosive lime powder (Polish Standard, 1994) used in mining industry in Poland. The first technique of limestone powder hydrophobization was carried out in an apparatus of own design (Vogt, 2008, 2011), and it consisted in free sedimentation of the powder layer dispersed by stearic acid vapour in powder counter current flow. The second way of modification consisted in mixing in the evaporating dish substrates: limestone powder and dope - silicone solution - Sarsil® H-15 (Vogt & Opaliński, 2009; Vogt & Hołownia, 2010). Evaluation of properties so-obtained waterproof powders was carried out according to the Polish Standard, as well as using original powder determination ways, with the Powder Characteristic Tester (Index tables, Tablets & Capsules, 2005). Moreover water vapour adsorption isotherms were obtained and the thermal decomposition of powder was made. All modified samples acquired the hydrophobic character. Therefore we can state that the both proposed methods of hydrophobization of the limestone powder are useful. The parameters obtained with the use of Powder Characteristics Tester enable us to make a characterization of limestone properties not only as a water resistant material but also from the cohesion point of view. On the base of TG, DTG or DTA and EGA curves for all investigated materials was stated that the character of the thermal decomposition of modified samples is the same as this one for raw powder, what is profitable for application of hydrophobized powders as an anti-explosive agent.

PL

W górnictwie węgla kamiennego używany jest hydrofobowy pył wapienny jako substancja stosowana w systemie zabezpieczeń przeciwwybuchowych (Cybulski, 2004). Niestety, dotychczasowy sposób wytwarzania takiego produktu polegający na współmieleniu kamienia wapiennego z kwasem stearynowym staje się praktycznie niemożliwy do stosowania w nowoczesnych zakładach np. kamieniołomy. Sytuacja taka jest wynikiem wprowadzania zmian technologicznych, głównie związanych z wymianą starych konstrukcji młynów na nowe urządzenia. Tym samym istnieje potrzeba poszukiwania nowych metod hydrofobizacji powierzchni pyłów wapiennych. W pracy omówiono dwie nowe metody hydrofobizacji pyłu wapiennego: za pomocą par kwasu stearynowego oraz roztworu silikonowego - Sarsil® H-15. Podczas badań używano surowego pyłu wapiennego pochodzącego z Kopalni Kamienia Wapiennego w Czatkowicach. Materiał ten jest dobrym materiałem do badań gdyż istnieje możliwość porównywania właściwości materiałów hydrofobowych otrzymanych w pracy z właściwościami handlowego pyłu przeciwwybuchowego (Polska Norma, 1994), używanego w polskich kopalniach. Pierwszy sposób hydrofobizacji pyłu wapiennego, polegający na swobodnym opadaniu pyłu wapiennego w oparach kwasu stearynowego przepływających w przeciwprądzie, przeprowadzono w aparacie własnej konstrukcji (Vogt, 2008, 2011). Aparat gwarantuje dobry kontakt modyfikatora z ziarnami pyłu. Pył opadając, nie napotyka żadnych przeszkód ulegał rozproszeniu, a wprowadzony w stanie parowym kwas stearynowy może swobodnie osiadać na jego powierzchni zewnętrznej oraz penetrować w głąb porów, blokując je dla wilgoci. Drugi sposób hydrofobizacji sprowadzał się w uproszczeniu do zmieszania substratów: pyłu wapiennego i domieszki silikonowej - Sarsil® H-15, w parownicy (Vogt i Opaliński, 2009; Vogt i Hołownia, 2010). We wstępnych badaniach określono objętość preparatu, jaką trzeba dodać do pyłu w celu uzyskania optymalnych warunków kontaktu preparatu z ciałem stałym. Otrzymany po modyfikacji materiał był zbrylony w niewielkim stopniu, a jego całkowite rozdrobnienie uzyskano poprzez przecieranie pyłu przez sito o odpowiednim wymiarze oczek. Badanie właściwości tak otrzymanych hydrofobowych materiałów przeprowadzono w oparciu o PN (Polska Norma, 1994), jak również w oparciu o standardowe metody badania materiałów proszkowych z użyciem aparatu Powder Characteristic Tester (Index tables, Tablets & Capsules, 2005) (Tablica 2,3). Oceny stopnia hydrofobizacji materiałów po modyfikacji dokonano, w przypadku proszku hydrofobizowanego parami kwasu stearynowego, w oparciu o procedurę opisaną w Polskiej Normie (1994), oznaczając procentową zawartość kwasu stearynowego. Otrzymany podczas badań pył hydrofobizowany kwasem stearynowym zawierał 0,18% modyfikatora, co jest ilością dopuszczalną przez Polską Normę (1994).W celu oceny właściwości hydrofobowych materiału modyfikowanego roztworem silikonowym do badań zaadaptowano technikę pomiaru zwilżalności ziaren węglowych „film flotation” (Fuerstenau i Williams, 1987) przyjmując, jako materiał odniesienia hydrofobizowaną mączkę wapienną z Kopalni Kamienia Wapiennego w Małogoszczy. Opracowano metodę wyznaczania współczynnika C określonego, jako stopień hydrofobizacji (Vogt i Opaliński, 2009). Średnia wartość C = 84% wskazuje, że materiał modyfikowany preparatem silikonowym uzyskał odpowiednie właściwości hydrofobowe. Tym samym oba materiały po modyfikacji uzyskały zadowalające właściwości wodoodporne. Ponadto, dla badanych pyłów wyznaczono izotermy adsorpcji pary wodnej (Rys. 1). Uzyskane niższe wartości adsorpcji dla materiałów po modyfikacji niż dla proszku surowego potwierdzają, że materiały posiadają charakter hydrofobowy, co pozwala stwierdzić, że obie proponowane metody hydrofobizacji są użyteczne do produkcji wodoodpornego pyłu wapiennego. Analizę termiczną pyłów wapiennych wykonano w celu porównania efektu cieplnego przemian zachodzących podczas ogrzewania pyłów modyfikowanych z efektem cieplnym zachodzącym podczas ogrzewania surowego pyłu wapiennego. W trakcie badań użyto termowagę firmy TA Instruments 2960 SDT ze sprzężonym spektrometrem masowym firmy Balzers TermoStar 300. Otrzymane wynikiprzedstawiono na Rys. 2. Linie ciągłe na Rys. 2a i 2b przedstawiają przebieg krzywych TG, DTG oraz DTA dla pyłu surowego. Linie przerywane zostały otrzymane dla pyłu modyfikowanego kwasem stearynowym (Rys. 2a) oraz preparatem SARSIL® H-15 (Rys. 2b). Na Rys. 3 zobrazowano wyniki analizy zawartości tlenku węgla IV w składzie gazów otrzymywanych podczas rozkładu termicznego pyłu wapiennego (EGA). Krzywa otrzymana dla pyłu modyfikowanego kwasem stearynowym w zasadzie pokrywa się z krzywą otrzymaną dla pyłu surowego. Parametry uzyskane z użyciem aparatu Powder Characteristics Tester umożliwiły scharakteryzowanie pyłów wapiennych nie tylko pod kątem ich właściwości hydrofobowych, ale także właściwości kohezyjnych i przepływowych.

Słowa kluczowe

EN

limestone powder; hydrophobization; flow properties; adsorption; thermal decomposition

PL

pył wapienny; hydrofobizacja; właściwości przepływowe; adsorpcja; rozkład termiczny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 1
• Strony: 169--178
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Buczek B.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Energy and Fuels, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Vogt E.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Energy and Fuels, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Buczek B., Vogt E., 2007. Twenty - Fourth Annual International Pittsburgh Coal Conference: Coal - Energy, Environment and Sustainable Development: September 10-14, Johannesburg, South Africa, PCCã2007. 51.
• Carr R., 1965. Classifying Flow Properties of Solids. Chemical Engineering 72, pp. 163-168.
• Cybulski K., 2004. Assessment criteria of protective zones against coal dust explosions. Archives of Mining Sciences, 49, 4, 477-494.
• Diao I., Feuerstenau D.W., 1991. Characterization of the wettability of solid particles by film flotation. Part II Theorectical analysis. Colloids and Surfaces. 60, 127-144.
• Fuerstenau D.W., Williams M.C., 1987. Characterization of hydrophobicity of particles by film flotation. Colloids and Surfaces, 22, 87-91.
• Hausner H., 1967. Friction conditions in a mass of metal powder. International Journal of Powder Metallurgy, 3, 7-13.
• Index tables. Handbook of powder characteristics tester. Hosokawa Micron Corporation. Reprinted from Carr R., 1965 Chem. Eng., 18, 166-167, with approval of Mr. R. Carr and the copyright owner McGraw-Hill Incorporated, New York. 10036, U.S.A.
• Lebecki K., 1993. Neutralizacja osiadłego pyłu węglowego jako zabezpieczenie przed przenoszeniem wybuchu. Prace Naukowe Główny Instytut Górniczy 784 (In Polish).
• Lebecki K., Małachowski M., 2012. Optical method for continuous monitoring of dust deposition In mine’s entry. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No 3, p. 517-534.
• Man C.K., Teacoach K.A., 2009. How does limestone rock dust prevent coal dust explosion in coal mines? Mining Engineering, 61, 9, 69-73.
• Polish Standard PN-G-11020, 1994. Mining-Antiexplosive stone powder.
• Skalski Z., 2005. Workowe zapory pyłowe dla podziemnych wyrobisk kopalń węgla kamiennego. Wiadomości Górnicze, 12, 612-619 (In Polish).
• Tablets & Capsules. Powder Density in Solid Dosage Forms, M.A. Thomas, Quanta-chrome Corporation. 2005.
• Vogt E., 2008. Hydrophobization of fine solids presented on the example of limestone powder. Polish Journal of Chemical Technology, 10, 1, 49-51.
• Vogt E., 2011. Hydrophobized limestone powder as an antiexplosive agent. Polish Journal of Environmental Studies, 20, 3, 801-804.
• Vogt E., 2011. Hydrofobizacja pyłu wapiennego za pomocą par kwasu stearynowego. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 6, 12-15 (In Polish).
• Vogt E., Buczek B., 2007. Rola i znaczenie pyłu wapiennego w systemie zabezpieczeń przeciwwybuchowych w kopalniach węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23, 3, 235-242 (In Polish).
• Vogt E., Hołownia D., 2010. Badanie właściwości hydrofobowych modyfikowanych pyłów wapiennych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 26, 2, 41-56 (In Polish).
• Vogt E., Opaliński I., 2009. The comparison of properties of hydrophobized limestone powders produced in different methods. ICheaP-9 Conference, Rome 10-13 May 2009. Chemical Engineering Transaction, Editor Sauro Pierucci, Vol. 17, 1711-1716.