Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Sorpcja pary wodnej na próbkach wytypowanych węgli kamiennych w aspekcie określenia potencjału magazynowego złoża

Orzechowska-Zięba A., Baran P., Zarębska K., Cygankiewicz J.

Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN

|

2017

|

nr 97

71--82

PL

Możliwość zastosowania nietradycyjnej metody utylizacji odpadowych gazów cieplarnianych, przez zatłaczanie CO2 (sekwestracja) w porowate złoża geologiczne traktowane jako niekonwencjonalne zbiorniki gazu, wymaga spełnienia podstawowych kryteriów takich jak np. wpływ na środowisko oraz długoletnie składowanie. Istotną kwestią jest fizyczne zachowanie się złoża podczas fazy nasycania jego struktury porowatej dwutlenkiem węgla. Należy tutaj przede wszystkim wymienić: zdolność transportu CO2 wzdłuż struktury porowatej oraz zdolność adsorpcyjną. W artykule przedstawiono wyniki badań sorpcji pary wodnej na próbkach węgla pochodzących z wytypowanych KWK o zróżnicowanej zawartości pierwiastka C. Uzyskane wyniki przedstawiono w postaci izoterm sorpcji i desorpcji w temperaturze 303 K, oraz opisano równaniem izotermy adsorpcji BET. Na podstawie danych sorpcji obliczono powierzchnię właściwą, zgodnie z teorią BET. Ilość zasorbownych cząsteczek pary wodnej dla badanych próbek węgla była zależna od stopnia metamorfizmu. Otrzymane izotermy można zaliczyć do typu II według klasyfikacji BET. Do badań sorpcyjnych zastosowano aparaturę typu objętościowego – adsorpcyjną mikrobiuretkę cieczową. Sorpcja pary wodnej w zastosowaniu dla węgli pozwala na ilościowe określenie pierwotnych centrów adsorpcji jako miary oddziaływań adsorbowanych cząsteczek z powierzchnią adsorbentu. Na podstawie równań adsorpcji BET z izoterm sorpcji pary wodnej określono ilości aktywnych centr adsorpcji, które potencjalnie mogą brać udział w adsorpcji CO2 w pokładach węgla podczas wtłaczania tego gazu. Pojemność sorpcyjna węgli pozostaje w korelacji ze stopniem metamorfizmu jak również ma ogromny wpływa na możliwość magazynową złoża.

EN

The possibility of the application of nontraditional method of greenhouse gas utilization by the injection of CO2 (sequestration) into porous geological deposits, treated as unconventional gas collectors, requires the fulfillment of basic criteria such as the impact on the environment and long term storage. The important issue is the physical behavior of the deposit during the porous structure saturation phase by carbon dioxide. What should be mentioned first and foremost is: the availability of CO2 transport along the porous structure and adsorption capacity. The work presents the results of water vapor sorption on coal samples from selected Hard Coal Mines of a differentiated carbon content. The received results were presented in the form of sorption and desorption isotherms performed in a temperature of 303 K. It was additionally described with a BET adsorption isotherm. Based on sorption data, a specific surface area was calculated, in accordance with BET theory. The amount of the adsorbed water vapor molecules for the analyzed coal samples was dependent on the degree of metamorphism. The obtained isotherms can be described as type II according to the BET classification. Volumetric type apparatus -adsorption- microburette liquid was used for the sorption experiments. Water vapor sorption in relation to coals allows for the quantitative determination of primary adsorption centers as a measure of adsorbed molecule interconnections with the adsorbent surface. Based on the BET adsorption equation, out of water vapor isotherms, the amount of adsorption active centers, which potentially may take part in CO2 adsorption in coal seams during injection of this gas, was determined. The sorption capacity of coals is determined by the degree of metamorphism, which also has very large impact on the sorption capacity of the deposit.

2

Wpływ głębokości eksploatacji węgla na ciepło oddawane przez górotwór

Cygankiewicz J., Knechtel J.

Przegląd Górniczy

|

2017

|

T. 73, nr 2

8--17

PL

Dla zbadania wpływu głębokości eksploatacji węgla na ilość ciepła traconego przez górotwór zastosowano metodę symulacji numerycznych. W pracy rozważa się oddziały wydobywcze składające się z chodnika podścianowego, ściany eksploatacyjnej i chodnika nadścianowego. Do każdego z rejonów powietrze świeże od szybu wdechowego doprowadzane jest przekopem głównym i pochylnią do pokładu węglowego. Rozważa się oddziały wydobywcze, na których temperatura pierwotna skał wynosi odpowiednio: 35÷37°C (najpłytszy), 40÷42°C, 45÷47°C oraz 50÷52°C (najgłębszy). Dane początkowe do obliczeń dla wszystkich oddziałów przyjęto takie same, za wyjątkiem temperatury pierwotnej skał i wysokości geodezyjnych, na których zlokalizowane są badane wyrobiska. Wykonano alternatywne prognozy klimatyczne, przy czym potencjał chłodniczy w każdym wariancie dobrano tak, aby prognozowana temperatura powietrza mierzona termometrem suchym była nie wyższa od 33°C. Dla takich warunków (korzystając z metody różnic skończonych) wyznaczono strefy wychłodzenia górotworu otaczającego wyrobiska korytarzowe i ścianowe każdego z wymienionych rejonów wydobywczych. Po porównaniu ze sobą wyników obliczeń wykonanych dla poszczególnych oddziałów wydobywczych stwierdzono, że ilość ciepła oddawana przez górotwór do najgłębiej położonych wyrobisk (zlokalizowanych na głębokości, na której temperatura pierwotna skał wynosi 50÷52°C) jest czterokrotnie większa od ilości ciepła oddawanej przez górotwór do wyrobisk położonych najpłycej (zlokalizowanych na głębokości, na której temperatura pierwotna skał wynosi 35÷37°C). Oddział wydobywczy, w którym temperatura pierwotna skał wynosi 40÷42°C otrzymuje od górotworu dwa razy tyle ciepła co oddział najpłytszy. W podsumowaniu zwrócono uwagę, że prowadzenie wydobycia na dużej głębokości jest związane z koniecznością stosowania klimatyzacji. Zatem trzeba ponieść dodatkowe koszty związane z chłodzeniem powietrza. Koszty te jednak mogą się częściowo zwrócić, jeśli zagospodaruje się ciepło oddawane przez górotwór. Ciepło to można odprowadzić na powierzchnię, np. z gorącą wodą (o temperaturze powyżej 40°C) z chłodnic wyparnych ziębiarek, pracujących na dole kopalni i wykorzystać do celów komunalnych lub do zasilania ziębiarek amoniakalnych zabudowanych na powierzchni.

EN

A method of numerical simulations has been used for investigating the impact of coal mining depth on the heat emitted by the rock mass. This work deals with the mining districts consisting of the lower longwall gate, longwall face and the upper longwall gate. For each district, fresh air is supplied from the exhaust shaft through the main drift and ramp into a coal deposit. The mining districts considered have been those in which the primary rock temperature is as follows: 35÷37°C (the shallowest one), 40÷42°C, 45÷47°C and 50÷52°C (the deepest one). Input data for calculations for all districts have been assumed the same, except the primary temperature of rocks and geodetic heights, at which investigated workings are being located. Alternative climate predictions have been performed. Cooling potential in all variants have been chosen in such a way so that the predicted air temperature measured with dry-bulb thermometer is not higher than 33°C. For such conditions, the cooling zones of the rock mass surrounding gallery and longwall workings have been determined for each of mentioned mining area (applying the finite difference method). Based on a comparison of the results of calculations performed for the individual mining districts it has been stated that the amount of heat emitted by the rock mass into the deepest workings (located at a depth where the primary rock temperature is 50÷52°C) is four times higher than the amount emitted by the rock mass into the workings located at the shallowest depths (located at the depth at which the primary rock temperature is 35÷37°C). The mining district, in which the primary rock temperature is 40÷42°C, obtains from the rock mass twice as much heat as the shallowest district. In the summary it has been pointed out that carrying out exploitation at large depths requires use of air conditioning. Thus, additional costs associated with air cooling have to be incurred. These can, however, be partially recouped if the heat emitted by the rock mass is to be utilized. This heat can be transported to the surface e.g. with hot water (at temperature above 40°C) from evaporative coolers of chillers operating underground and then used for municipal purposes or to power ammonia chillers installed on the surface.

3

Rozszerzalność węgla z kopalni „Pniówek” wywołana zmianami temperatury układu węgiel-gaz

Baran P., Czerw K., Zarębska K., Cygankiewicz J.

Przegląd Górniczy

|

2017

|

T. 73, nr 2

1--7

PL

Węgiel znajdujący się w złożu doznaje naprężeń wynikających z występowania naprężeń geostatycznych oraz zmian objętościowych, towarzyszących procesom sorpcji/desorpcji gazów. Zmiany wymiarów węgla będące następstwem procesów sorpcyjnych stanowią efekt wypadkowy kilku zjawisk, w tym: pęcznienia matrycy węglowej towarzyszącej sorpcji, kontrakcji węgla pod wpływem ciśnienia gazu wolnego w szczelinach i porach oraz przegrupowania elementów struktury węgla. Występujące w górotworze wahania temperatury mogą powodować zaburzenie równowagi sorpcyjnej gazów obecnych w złożu węgla (pochodzenia endogenicznego czy też wtłoczonego/zdeponowanego CO2). Naruszenie równowagi wywoływać będzie zmiany objętościowe masy węglowej, co powodować może zmiany stanu naprężenia górotworu i w konsekwencji prowadzić do niekontrolowanego rozszczelnienia magazynu gazu (w przypadku sekwestracji CO2) czy też wyrzutu skalno-gazowego w przypadku eksploatacji górniczej złoża. Stąd też analiza wpływu temperatury na zjawiska sorpcyjno-dylatometryczne będzie mieć istotne znaczenie. Istnieje mało doniesień literaturowych pokazujących jaki jest wpływ temperatury na zmiany objętościowe węgla kamiennego towarzyszące sorpcji gazów kopalnianych. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów dylatometrycznych dla dwóch próbek węgla, pochodzących z różnych pokładów w kopalni „Pniówek”. Zostały zmierzone zmiany objętościowe układów węgiel- -CH4, węgiel-CO2 podczas zmiany temperatury układu. Stwierdzono odmienny charakter zachowania się układu w zależności od rodzaju użytego gazu. Uzyskane wyniki wskazują również, że głębokość zalegania oraz skład petrograficzny mają wpływ na zmiany objętościowe układu węgiel-gaz podczas zmian temperatury.

EN

Coal seams are imposed by effective stress emerging from vertical overburden pressure, horizontal lateral earth pressure and extensively from gas sorption/desorption-induced volumetric changes. The range of contingent dimension changes of coal resulting from sorption processes is a combined effect of several phenomena, including sorption-induced swelling of coal matrix, contraction of coal microporous regions caused by free gas pressure in pores and cleats and coal structural re-arrangement. Temperature fluctuations emerging in coalbeds may result in significant changes in sorption conditions followed by equilibrium disturbance for accumulated gases. The equilibrium disturbance can cause volumetric changes in coal mass that may be further transferred to stresses in rock strata and a repercussion can lead to an uncontrolled loss of gas reservoir sealing (in CO2 sequestration case) or sudden gas, rock and coal outburst in case of operating underground coal mines. Hence conducting analyses of the temperature influence on sorption and dilatometric phenomena will be of significance. Nonetheless, the influence of temperature variation on mine gases sorption-induced coal’s overall dimensions changes remains an unexplored research area. In this study the results of dilatometric tests performed on 2 hard coal samples obtained from different seams of Polish coal mine Pniówek are presented. Measurements of temperature-induced changes of coal samples overall dimensions and volume in coal-methane and coal-carbon dioxide systems were conducted. The influence of the type of gas on the nature of coal-gas system response to temperature change effect was acknowledged. The results also show that the depth of the coal seam and the petrographic composition of coal relate to character of volumetric changes of coal-gas system caused by temperature changes.

4

Zastosowanie schłodzonego azotu do likwidacji termicznych skutków działania georeaktora podziemnego zgazowania węgla

Cygankiewicz J.

Przegląd Górniczy

|

2016

|

T. 72, nr 2

3--9

PL

Wyznaczono pole temperatury skal wokół czynnego georeaktora podziemnego zgazowania węgla. Dla ograniczenia skutków działania tego georeaktora zaproponowano podanie w miejsce jego działania azotu schłodzonego do temperatury -100°C. Korzystając z metody modelowania numerycznego, badano jaki jest wpływ czasu podawania schłodzonego azotu na zmiany pola temperatury skał. Zmiany tego pola badano również dla przypadku, gdy zimny azot nie jest podawany.

EN

The temperature field of rocks surrounding the active georeactor for underground coal gasification was determined. A proposal for the reduction of adverse effects of the georeactor operation was submitted, consisting in feeding nitrogen gas cooled down to 100°C into the place of operation. By the use of the numerical modeling method, it was examined how the duration of feeding cooled nitrogen affects the variations in the temperature field of rocks. Variations of this field were also examined for the case in which the cooled nitrogen was not used.

5

Mapy izolinii temperatury pierwotnej skał Północnego Okręgu Węglowego Lubelskiego Zagłębia Węglowego

Cygankiewicz J., Knechtel J.

Wiadomości Górnicze

|

2015

|

R. 66, nr 5

247--256

PL

Do sporządzenia map izolinii temperatury pierwotnej skał Północnego Okręgu Węglowego Lubelskiego Zagłębia Węglowego skorzystano z pomiarów w otworach wierconych z powierzchni oraz z przekrojów geologicznych. Na podstawie analizy przekrojów geologicznych wyznaczono grubości warstw stratygraficznych zalegających nad miejscami pomiaru temperatury pierwotnej skał. Korzystając z metod statystycznych, wyznaczono wartości współczynników charakteryzujących przepływ ciepła w skałach Północnego Okręgu Węglowego LZW. Z kolei wyznaczono grubości warstw stratygraficznych miejsc, dla których należy wyznaczyć temperaturę pierwotną skał. Następnie obliczono tę temperaturę w wybranych punktach poziomów i przy pomocy specjalistycznego programu SURFER 8 wykreślono mapy izolinii tej temperatury dla wspomnianych poziomów.

EN

In order to draw up maps of virgin temperature isolines of rocks in the Northern Coal District of Lublin Coal Basin an advantage was taken of the measurements in the boreholes drilled from the surface and from geological cross-sections. Based on the analysis of geological cross-sections the thickness of stratigraphic bedded was determined above the virgin temperature measurement points of rocks. Using statistical methods, values of coefficients characterizing the heat flow in the rocks of the Northern Coal District of Lublin Coal Basin were determined. Then the thickness of stratigraphic layers was determined at places for which the virgin temperature of rocks should be determined. Then calculations were done of the temperature at selected levels and with the help of a special SURFER 8 software followed by plotting of isolines maps of the said temperature for the aforementioned levels.

6

Wygaszanie georeaktora podziemnego zgazowania węgla w kopalni węgla kamiennego

Turek M., Cygankiewicz J., Więckowski M.

Przemysł Chemiczny

|

2015

|

T. 94, nr 12

2173-2179

PL

Korzystając z opracowanego modelu emisji gazów z zagrzanego fragmentu złoża, jakim jest georeaktor podziemnego zgazowania węgla, oraz ustalone kryteria jego gaszenia, określono prognozowany przebieg procesów jego wygaszania i schładzania. Na podstawie ich rzeczywistego przebiegu skorygowano opracowane prognozy oraz zastosowano metodę wygaszania i wychładzania, niekonwencjonalną w wyrobiskach podziemnych czynnego zakładu górniczego, polegającą na podawaniu gazu inertnego (azotu) schłodzonego do temperatury ok. 1–3°C. Przedstawiono wyniki podjętych działań.

EN

The georeactor used for underground gasification of coal in a Polish mine was extinguished by cooling with N2 stream at 22–23°C and then at 1–3°C. To develop a model of the georeactor behaviour, gasification expts. under lab. were carried out. The extinguishing course was followed by chromatog. detn. of CO, ethylene, propylene and acetylene in the gas stream. The decreasing the N2 stream temp. resulted in an acceleration of the process studied. The extinguishing started in 29th August 2014 at the georeactor temp. 650°C and was completed on 31st January 2015 at the georeactor temp. 49,6°C.

7

Determination of critical conditions of spontaneous combustion of coal in longwall gob areas

Cygankiewicz J.

Archives of Mining Sciences

|

2015

|

Vol. 60, no. 3

761--776

EN

Decades of experience in the fight against endogenous fire hazard in coal mines indicate a major influence of certain conditions in a given area of the mine on the possibility of fire occurrence, such as: susceptibility of coals to spontaneous combustion, oxygen content in the air incoming to the self-heating coal, conditions of heat exchange between the self-heating coal mass and the environment This paper presents a numerical method for determining the critical conditions of spontaneous combustion of coal in longwall gob areas, i.e. conditions under which spontaneous combustion may occur. It has been assumed that crushed coal in the gob has a shape of a flat layer adjacent from the roof and floor side to the rocks. Our considerations have been limited to coals containing small amount of moisture. A simple model of oxidation kinetics on the coal surface expressed by the Arrhenius equation has been adopted. His model assumes that oxidation rate is independent of the amount of oxygen absorbed by coal. The rate of reaction depends only on temperature, with the parameters of the equation changing after the coal Has reached the critical temperature. The article presents also a mathematical model of spontaneous heating of the coal layer in the gob area. It describes the heat balance in the coal as well as the oxygen and heat balance in the flowing gases. The model consists of a system of differential equations which are solved using numerical techniques. The developed computer program enables to perform the relevant calculations. In this paper, on the example of coal from a seam 405, we present the method for determining the following critical parameters of the layer of crushed coal: thickness of the layer, oxygen content in a stream of gases flowing through the layer and thermal conductivity of surrounding rocks.

PL

Wieloletnie doświadczenie w zakresie zwalczania zagrożenia pożarem endogenicznym w kopalniach wskazują na zasadniczy wpływ na możliwość zaistnienia pożaru niektórych warunków panujących w danym miejscu kopalni, takich jak: skłonność węgla do samozapalania zawartość tlenu w powietrzu dopływającym do zagrzewającego się węgla. W pracy przedstawiono numeryczną metodę wyznaczania warunków krytycznych samozapalania węgla w zrobach ścian, czyli takich po spełnieniu których może dojść do samozapalenia. Przyjęto, że znajdujący się w zrobach rozkruszony węgiel ma kształt płaskiej warstwy, sąsiadującej od stropu i spągu ze skałami. Rozważania ograniczono do węgli charakteryzujących się niską zawartością wilgoci. Przyjęto prosty model kinetyki utleniania na powierzchni węgla wyrażony równaniem Arrheniusa. Model ten zakłada niezależność szybkości utleniania od ilości tlenu pochłoniętego przez węgiel. Szybkość reakcji zależy jedynie od temperatury , przy czym występujące w równaniu parametry zmieniają się po osiągnięciu przez węgiel temperatury krytycznej. W artykule przedstawiono matematyczny model samozagrzewania warstwy węgla w zrobach opisujący bilans ciepła w węglu oraz bilans tlenu i bilans ciepła w przepływających gazach. Tworzące model układy równań różniczkowych cząstkowych rozwiązywane są metodami numerycznymi. Opracowany program komputerowy umożliwia wykonywanie stosownych obliczeń. W pracy, na przykładzie węgla z pokładu 405 , przedstawiono sposób wyznaczania warunków krytycznych warstwy rozkruszonego węgla: grubości warstwy, zawartości tlenu w przepływających przez warstwę gazach oraz przewodności cieplnej otaczających skał.

8

Wpływ rozdrobnienia węgli kamiennych na ilości sorbowanego etenu

Dudzińska A., Cygankiewicz J., Żyła M.

Przemysł Chemiczny

|

2014

|

T. 93, nr 2

206-211

PL

Węgle kamienne o dużej zawartości tlenu i podwyższonej porowatości sorbują wyraźnie więcej etenu w porównaniu z próbkami węgli o mniejszej porowatości i wyższym stopniu metamorfizmu. Wraz ze wzrostem rozdrobnienia węgla wzrasta ilość sorbowanego etenu. Największym przyrostem wartości sorpcji charakteryzują się węgle średniouwęglone o małej porowatości i niewielkich wartościach powierzchni właściwych. Dla tych węgli ilość sorbowanego etenu wzrasta 3–4 razy przy 10-krotnym rozdrobnieniu próbek węglowych. Przyczyną tego zjawiska jest zrywanie wiązań elektrostatycznych występujących w węglu między centrami elektronodonorowymi i elektronoakceptorowymi. Zobojętnione centra, po ich rozerwaniu, przechodzą w liczne samodzielne punkty sorpcyjne. Cząsteczki etenu mające charakter ugrupowań dipolowych chętnie wiążą się z samodzielnymi centrami wykazującymi ładunki dodatnie bądź ujemne.

EN

Bituminous coal samples of specified elementary composition, porosity and specific surface area collected from 6 Polish coal mines were sepd. into 3 particle size fractions in order to study the effect of coal fragmentation on sorption of ethene. The amts. of sorbed ethene increased with the increasing disintegration of coal samples. The highest increase was obsd. for medium-rank coals of low porosity.

9

Isotherm maps of virgin rock temperature in collieries of Katowicki Holding Węglowy

Cygankiewicz J., Knechtel J.

Journal of Sustainable Mining

|

2014

|

Vol. 13, iss. 4

1--4

EN

Purpose Assessing the level of heat hazard in rock mass. Measurements of virgin rock temperature were made in 89 active workings of collieries located in the area of Katowicki Holding Węglowy. Methods Experimental method – in situ measurements, the results of the measurements are developed with the least square method. Using maps of the coal seams in the collieries, coordinates (x, y, z) of measurement points were determined, and then, by utilizing a surface map, the geodetic height of the physical surface over the measurement points was determined. The next stage was to analyse geological cross-sections; the thickness of stratigraphic layers i.e. overburden, carboniferous rocks and the total thickness of the coal seams located above the measurement points was determined. Coefficients characterising heat transport in the aforementioned types of rock were calculated using the least square method. By re-analysing geological cross-sections we determined the thickness of the previously mentioned stratigraphic layers for the locations, where rock temperature was to be determined. Virgin rock temperature was calculated for five levels in approximately 200 locations of Katowicki Holding Węglowy. Results Using these locations, isotherm maps of virgin rock temperatures in the collieries of Katowicki Holding Węglowy for the following levels were prepared: –450 m, –550 m, –650 m, –750 m and –850 m. Practical implications Preparing climate forecasts for the collieries of Katowicki Holding Węglowy. Originality/ value Developing a method to determine rock temperature in a point which cannot be reached, when values of the temperature in other points are known.

10

The effect of temperature of rocks on microclimatic conditions in long gate roads and galleries in coal mines

Cygankiewicz J., Knechtel J.

Archives of Mining Sciences

|

2014

|

Vol. 59, no. 1

189--216

EN

The aim of this study was to examine the effect of the temperature of surrounding rocks on enthalpy and temperature of air flowing along several model mine workings. Long workings surrounded by non- -coal rocks as well longwall gates surrounded by coal were taken into consideration. Computer-aided simulation methods were used during the study. At greater depths the amount of moisture transferred into a mine working from the rock mass is two orders of magnitude smaller than the moisture that comes from external (technological) sources, mainly from coal extraction-related processes, therefore in the equation describing temperature changes only the terms representing the flux of heat from rocks were included. The model workings, for calculation purposes, were divided into sections, 50 m in length each. For each of the sections temperature of its ribs and temperature and stream of enthalpy of air flowing along it were calculated with the use of the finite differences method. For workings surrounded by non-coal rocks two variant calculations were carried out, namely with or without technological sources of heat. For coal surrounded workings (longwall gates) a new method for determination of heat from coal oxidation was developed, based on the findings by Cygankiewicz J. (2012a, 2012b). Using the results of a study by J.J. Drzewiecki and Smolka (1994), the effects of rock mass fracturing on transfer of heat into the air stream flowing along a working were taken into account.

PL

Badano wpływ temperatury pierwotnej skał na strumień entalpii oraz temperaturę powietrza w wyrobisku korytarzowym o długości 2000 m. Rozpatrywano wyrobiska kamienne oraz chodniki podścianowe. W badaniach zastosowano metodę symulacji komputerowych. Na dużych głębokościach wilgoć przenoszona z górotworu do wyrobiska jest dwa rzędy wielkości mniejsza od wilgoci pochodzącej od procesów technologicznych. W związku z powyższym w równaniu opisującym zmiany temperatury w masywie skalnym uwzględniono tylko człon reprezentujący ruch ciepła w skałach. Badane wyrobisko podzielono na odcinki o długości 50 m. Korzystając z metody różnic skończonych dla każdego z odcinków wyznaczono temperaturę ociosu, a następnie temperaturę i strumień entalpii powietrza. W odniesieniu do wyrobisk kamiennych rozważania przeprowadzono dla wariantu z technologicznymi źródłami ciepła oraz bez takich źródeł. Dla chodników węglowych przedstawiono nowy sposób określenia ciepła utleniania węgla, na podstawie wyników badań J. Cygankiewicza (2012a, 2012b). Korzystając z wyników badań J. Drzewieckiego i J. Smołki (1994), uwzględniono wpływ spękań górotworu na przenoszenie ciepła do powietrza w wyrobisku.

11

Sorpcja węglowodorów na różnych próbkach węgli kamiennych

Cygankiewicz J., Dudzińska A., Żyła M.

Karbo

|

2013

|

Nr 3

217--225

PL

Jak wskazują wyniki szczegółowych analiz chromatograficznych, w powietrzu kopalnianym obecne są węglowodory: etan, eten, propan, propen. Ich zawartości mają ścisły związek z procesami samozagrzewania węgli. W pracy przedstawiono wyniki badań sorpcji etanu, etenu, propanu i propenu na wybranych 7 różnych próbkach węgli kamiennych pobranych z aktualnie eksploatowanych pokładów węglowych. Badania sorpcyjne przeprowadzono metodą objętościową w temperaturze 298 K z wykorzystaniem aparatu ASAP 2010 do badania struktury i właściwości fizykochemicznych substancji firmy Micromeritics. Próbki węglowe przed pomiarem rozdrobniono do uziarnienia 0,5-0,7 mm. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że węglowodory nienasycone: eten i propen sorbowane są przez badane węgle w znacznie większych ilościach w porównaniu z węglowodorami nasyconymi: etanem i propanem. Ta zwiększona sorpcja etenu i propenu związana jest z oddziaływaniem centrów energetycznych powierzchni węgli z elektronami podwójnego wiązania występującego między atomami węgla w cząsteczce węglowodorów. Węglowodory nasycone sorbowane są w niewielkich ilościach. W wyniku badań stwierdzono również, że ilości sorbowanych węglowodorów są zależne od rodzaju węgla. Najwięcej etanu, etenu, propanu, propenu sorbują węgle o niskim stopniu metamorfizmu, dużej zawartości pierwiastka tlenu oraz dużej porowatości.

EN

As the results of detailed studies of chromatographic analyses show such hydrocarbons as ethane, ethene, propane and propene are present in the mine air. Their concentration is strictly connected with the process of self-heating of coal. This paper presents the results of tests on sorption of ethane, ethene, propane and propene on 7 different samples of hard coals collected from several coal seams, being currently mined. The sorption tests were done by a volumetric method at 298 K temperature with the use of ASAP 2010 apparatus by Micromeritics company for studying of the structure and physicochemical properties of coal matter. Prior the tests the samples were ground coal grain size of 0.5-0.7 mm in size. The results of the study demonstrated that the unsaturated hydrocarbons, namely: ethene and propene are adsorbed on the coals tested in much larger volumes than the saturated hydrocarbon such as ethane and propane. This larger sorption of ethene and propene can be attributed to the interaction between active centers on the surface of coal particles with “p” electrons of the double bonds between carbon atoms in molecules of the hydrocarbons. The tests demonstrated also that the amount of hydrocarbons adsorbed depends on the type of coal, namely most ethane, ethene, propane, propene is absorbed on coals of low degree of metamorphism, high content of oxygen and high porosity.

12

Sorption of saturated and unsaturated hydrocarbons on selected coal sample from the Pniówek mine

Baran P., Cygankiewicz J., Krzyżanowski A., Zarębska K.

Geology, Geophysics and Environment

|

2013

|

Vol. 39, no. 4

341--349

EN

Type, amount and composition of gases which form in rocks and coals during a metamorphism process depend on a number of factors in particular genetic type of original matter, way and conditions of its gathering, temperature, pressure and geological time. Sorption tests were done by the volumetric method, with the use of adsorption micro-burettes. A major advantage of the measurement set-up is that the surplus amounts of adsorbate can be used in experiments, which is of particular importance when handling sorbents with heterogeneous structure, such as hard coals. Sorbates used in the test program were the vapours of hexane, hex-1-ene, heptane, hept-1-ene, octane and benzene. Measurement results seem to corroborate the hypothesis that sorption of polar substance vapours is chiefly a surface process. Polarity of hard coals, mostly associated with the presence of reactive oxygen groups (nitrogen and sulphuric groups), largely affects the sorption of polar substances and in a most characteristic manner controls the sorption of apolar ones. In the case of the latter, sorption is induced by the action of the dispersive interaction force between the coal surface and the sorbate's polar molecules. The pattern of sorption isotherms indicates that the presence of dual bond affects the sorbent-sorbate interactions and hence the sorption capacity of investigated coals.

13

The influence of disintegration of hard coal varieties of different metamorphism grade on the amount of sorbed ethane

Żyła M., Dudzińska A., Cygankiewicz J.

Archives of Mining Sciences

|

2013

|

Vol. 58, no. 2

449--463

EN

Ethane constitutes an explosive gas. It most often accompanies methane realizing during exploitation and mining works. In this paper the results of ethane sorption have been discussed on three grain classes of six selected hard coal samples collected from active Polish coalmines. On the basis of obtained results, it has been stated that the tested hard coals prove differentiated sorption power with reference to ethane. Te extreme amount of ethane is sorbed by low carbonized hard coal from “Jaworzno” coalmine. This sort of coal shows great porosity, and great content of oxygen and moisture. The least amount of ethane is sorbed by hard coal from “Sośnica” coalmine. This sort of coal possesses relatively a great deal of ash contents. Together with the process of coal disintegration, the amount of sorbed ethane increases for all tested coal samples. Between tested coals there are three medium carbonized samples collected from “Pniówek”, “Chwałowice” “Zofiówka” coalmines which are characterized by small surface values counted according to model BET from nitrogen sorption isotherms determined at the temperature of 77.5 K. The samples of these three coals prove the highest, from between tested coals, increase of ethane sorption occurring together with their disintegration. These samples disintegrated to 0,063-0,075 mm grain class sorb ethane in the amount corresponding with the sorption quantity of low carbonized coal from “Jaworzno” coalmine in 0.5-0.7 mm grain class. It should be marked that the low carbonized samples collected from “Jaworzno” and Wesoła” coalmines possess large specific surface and great porosity and belong to coal group of “loose” spatial structure. Regarding profusion of sorbed ethane on disintegrated medium carbonized samples from “Pniówek”, “Zofiówka”, “Chwałowice” coalmines it can be supposed that in the process of coal disintegration, breaking their “compact’ structure occurs. Loosened structure of medium carbonized coals results in increasing accessibility of ethane particles to sorption centres both electron donors and electron acceptors which are present on hard coal surface. The surface sorption centre increase may result in formation a compact layer of ethane particles on coal surface. In the formed layer, not only the strengths of vertical binding of ethane particles with the coal surface appear but also the impact of horizontal strengths appears which forms a compact layer of sorbed ethane particles. The surface layer of ethane particles may lead to explosion.

PL

Etan jest gazem wybuchowym. Towarzyszy on najczęściej metanowi uwalniającemu się podczas eksploatacji i robót górniczych. W pracy omówiono wyniki badań sorpcji etanu na trzech klasach ziarnowych sześciu wybranych próbek węgli kamiennych pobranych z czynnych polskich kopalń. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że badane węgle wykazują zróżnicowane chłonności sorpcyjne w odniesieniu do etanu. Największe ilości etanu sorbuje niskouwęglony węgiel z kopalni Jaworzno o dużej porowatości oraz dużej zawartości tlenu i wilgoci, a najmniejsze ilości etanu sorbowane są przez węgiel z kopalni Sośnica o stosunkowo dużej zawartości popiołu. Wraz z procesem rozdrabniania węgli wzrasta ilość sorbowanego etanu dla wszystkich badanych próbek węglowych. Wśród badanych węgli znajdują się trzy próbki węgli średniouwęglonych pobrane z kopalń: Pniówek, Chwałowice, Zofiówka, które charakteryzują się małymi wartościami powierzchni wyliczonymi według modelu BET z izoterm sorpcji azotu wyznaczonych w temperaturze 77,5 K. Próbki tych trzech węgli wykazują największy, spośród badanych, przyrost ilości sorbowanego etanu zachodzący wraz z rozdrobnieniem. Próbki te rozdrobnione do klasy ziarnowej 0,063-0,075 mm sorbują etan w ilości odpowiadającej wielkości sorpcji na niskouwęglonym węglu z kopalni Jaworzno będącym w klasie ziarnowej 0,5-0,7 mm. Należy zaznaczyć, że próbki węgla niskouwęglonego pobrane z kopalni Jaworzno i Wesoła mające dużą powierzchnię właściwą i dużą porowatość należą do grupy węgli o „luźnej” budowie przestrzennej. Uwzględniając duże ilości sorbowanego etanu na rozdrobnionych średniouwęglonych próbkach węgla z kopalń: Pniówek, Zofiówka, Chwałowice można przypuszczać, że w procesie rozdrabniania węgla zachodzi rozbijanie ich „zwartej” struktury. Rozluźniona struktura średniouwęglonych węgli prowadzi do zwiększenia dostępności cząsteczek etanu do centrów sorpcji zarówno elektronodonorowych jak też elektronoakceptorowych obecnych na powierzchni węgli kamiennych. Powierzchniowy wzrost centrów sorpcji może prowadzić do utworzenia na powierzchni węgla zwartej warstwy cząsteczek etanu. W utworzonej warstwie występują nie tylko siły pionowego wiązania cząsteczek etanu z powierzchnią węgla, lecz również oddziaływania poziomych sił tworzących zwartą warstwę zaadsorbowanych cząsteczek etanu. Powierzchniowa warstwa cząsteczek etanu może prowadzić do wybuchu.

14

Influence of the metamorphism grade and porosity of hard coal on sorption and desorption of propane

Dudzińska A., Żyła M., Cygankiewicz J.

Archives of Mining Sciences

|

2013

|

Vol. 58, no. 3

867--879

EN

In this paper results of investigations of sorption of hard coal samples collected from the extracted coal seams of Polish coal mines are presented. As sorbate propane was used. Examinations were carried out in the temperature of 298 K by means of volumetric assessment with the use of apparatus ASAP 2010 of Micromeritics. On the basis of conducted examinations it has been found out that the amount of sorbed propane depend on a type of coal, its metamorphism grade, content of oxygen element, moisture and porosity of these coals. The greatest amounts of propane are sorbed by low carbonized, high-porosity coals of high content of oxygen and moisture. Sorption of relatively high amounts of propane by these coals (ca. 10 cm3/g) is a result of the influence of polar surface of coals with molecules of propane and good availability of internal microporous structure of these coals for molecules of examined sorbate. Medium and high carbonized coals sorb insignificant amounts of propane. These coals have compact structure and non-polar character of their surface, their internal porous structure is to a minor degree available for propane molecules in conditions of carried out research. Sorption of propane in this case, takes place mainly in surface pores and on the surface of coals. Moreover, measurements of desorption isotherms of propane showing irreversible character of sorption were made. Desorption isotherms do not come together with sorption isotherms forming open hysteresis loop. Amounts of non-desorbing propane remaining in the coal depend on the type of examined coal.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań sorpcji próbek węgli kamiennych pobranych z eksploatowanych pokładów węglowych polskich kopalń. Jako sorbat zastosowano propan. Badania przeprowadzono w temperaturze 298 K metodą objętościową z wykorzystaniem aparatu ASAP 2010 firmy Micromeritics. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że ilości sorbowanego propanu są zależne od rodzaju węgla, jego stopnia metamorfizmu, zawartości pierwiastka tlenu, wilgoci i porowatości tych węgli. Największe ilości propanu sorbują węgle niskouwęglone, wysokoporowate o dużej zawartości tlenu i wilgoci. Sorpcja stosunkowo dużych ilości propanu tych węgli (ok. 10 cm3/g) jest wynikiem oddziaływania polarnej powierzchni węgli z cząsteczkami propanu oraz dobrej dostępności wewnętrznej mikroporowatej struktury tych węgli dla cząsteczek badanego sorbatu. Węgle średnio i wysokouwęglone sorbują niewielkie ilości propanu. Węgle te mają zwartą budowę oraz niepolarny charakter powierzchni, ich wewnętrzna struktura porowata jest w niewielkim stopniu dostępna dla cząsteczek propanu w warunkach przeprowadzanych badań. Sorpcja propanu w tym przypadku zachodzi głównie w powierzchniowych porach i na powierzchni węgli. Przeprowadzono również pomiary izoterm desorpcji propanu wykazując nieodwracalny charakter sorpcji. Izotermy desorpcji nie zbiegają się z izotermami sorpcji tworząc otwartą pętlę histerezy. Pozostające w węglu ilości nie desorbującego się propanu są zależne od rodzaju badanego węgla.

15

Możliwości magazynowania CO2 w polskich węglach kamiennych

Zarębska K., Cygankiewicz J.

Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski

|

2012

|

nr 7-8

54--57

PL

Koncepcja podziemnego magazynowania przedstawiana jest jako jeden ze sposobów zmniejszenia emisji ditlenku węgla jako gazu cieplarnianego. Dlatego badane są możliwości sekwestracji CO2 w wytypowanym rezerwuarze poprzez zatłaczanie go do głębokich pokładów węgla. W pracy zbadano proces sorpcji metanu i ditlenku węgla na w pełni scharakteryzowanym polskim węglu kamiennym z obszaru Górnego Śląska, w celu określenia selektywności sorpcji tych dwóch gazów.

EN

The idea of underground storage is presented as one of methods of reducing the emissions of carbon dioxide as a greenhouse gas. The sequestration of CO2 by pumping it into deep coal seams is being investigated. Sorption behaviour of methane and carbon dioxide has been studied on a set of well-characterised Polish coal Upper Silesia to investigate its selectivity with respect to the sorption of the two gases.

16

Wpływ stopnia metamorfizmu węgli kamiennych na sorpcję i desorpcję etanu

Cygankiewicz J., Żyła M., Dudzińska A.

Karbo

|

2012

|

Nr 3

134--144

PL

Etan, obok innych węglowodorów: etenu, propanu, propenu, jest składnikiem powietrza kopalnianego. Najczęściej towarzyszy metanowi obecnemu w złożach węgla kamiennego. Wzrost stężenia etanu w atmosferze kopalni jest wynikiem wydzielania się tego węglowodoru ze złoża węglowego wraz ze wzrostem temperatury spowodowanej procesami samozagrzewania węgli. W pracy przeanalizowano zdolności sorpcyjne węgli kamiennych w odniesieniu do etanu, podano wyniki objętości sorbowanego etanu w zależności od procentowej zawartości pierwiastka węgla, tlenu, porowatości ogólnej oraz powierzchni właściwej wyznaczonej z sorpcji azotu i ditlenku węgla. Największe ilości etanu sorbują węgle niskouwęglone o dużej zawartości tlenu, wilgoci, porowatości ogólnej oraz o zwiększonych wartościach powierzchni właściwych. Węgle średniouwęglone o mniejszej porowatości ogólnej sorbują wyraźnie mniejsze ilości etanu. Węgle te mają zwartą budowę oraz bardziej apolarny charakter, spowodowany warstwą węglowodorów łańcuchowych otaczającą aromatyczny polimer węglowy. Przeprowadzono również pomiary izoterm desorpcji etanu wykazując nieodwracalny charakter adsorpcji. Izotermy desorpcji nie zbiegają się z izotermami adsorpcji tworząc otwartą pętlę histerezy. Pozostające w węglu ilości nie-desorbującego się etanu są znaczne i mogą być traktowane jako łatwopalny składnik złoża węgla.

EN

Ethane, among other hydrocarbon compounds such as ethene propane or propene, is present in coal mine air. In many cases ethane accompanies the methane that is present within deposits of coal. The increase of the concentration of ethane in mine atmosphere can be the result of the evolution of this hydrocarbon from a coal seam due to the increasing temperature during spontaneous heating of coal. In this study the sorption capacity of ethane on coals was analyzed. The volumes of ethane sorbed are related to the carbon content in coal matter, its total porosity and specific surface area determined on the basis of nitrogen and carbon dioxide sorption. The largest amounts of ethane are adsorbed by low-rank coals with high content of oxygen and moisture and having high total porosity as well as increased values of the specific area. Medium rank coals, of lower total porosity, absorb smaller amounts of ethane - these coals are more compact and have more nonpolar character, due to a layer of hydrocarbon chains surrounding aromatic polymers of carbon. The desorption of ethane isotherms obtained during additional tests demonstrated that ethane adsorption is irreversible - the desorption isotherms do not coincide with the adsorption ones, thus creating open hysteresis loops. The amounts of ethane not desorbing and remaining inside the coal matter can be significant and may be treated as a flammable component within coal deposits.

17

Prognosticating fire hazards in goafs in Polish collieries

Zarębska K., Baran P., Cygankiewicz J., Dudzińska A.

AGH Drilling, Oil, Gas

|

2012

|

Vol. 29, no. 4

463--478

EN

The purpose of the study is to determine the sorption capacity of hard coals from Polish collieries with respect to several sorbets: ethane, ethylene, propane, propylene. The knowledge of the sorption capacity of coal with respect to a wide range of sorbates is essential to ensure the miners' safety and to allow for reliable forecasting fire hazard and self-heating of coal. The self-heating process is evaluated using specialist indicators based on hydrocarbon contents in mine air. Coal properties, such as porosity, coal rank, maceral content, moisture, ash and volatile matter contents as well as proportion of mineral substances are of key importance for understanding the processes taking place on the hard coal-gas interface. The quantitative analysis of these parameters supported by sorption tests will provide us information about the coal's structure's tendency to accumulate and release gases and vapours. It is important to determine the accessibility of the internal coal structure to gases and to investigate the influence of the micro- and submicro-porosity on the process of sorption. Concentrations of non-saturated hydrocarbons: ethylene and propylene are good indicators used to evaluate the scale of the self-heating process. Therefore, we need to reliably establish whether hydrocarbons present in mine air are released only through the self-heating process or whether they can be also accumulated in the coal structure and then desorbed when the conditions should change. Although preventive measures have been put place in Polish collieries, endogenous fire are still fairly frequent, so the hazard control based only on concentrations of non-saturated hydrocarbons may prove insufficient. It is also necessary to determine whether those hydrocarbons can be accumulated in coal, what factors will trigger this process and in what extent. Results of such tests will contribute to fire prevention and will help control other hazards associated with underground mining operations.

18

O cyrkulacji atmosfery w otamowanym rejonie ściany wydobywczej

Trutwin W., Cygankiewicz J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2011

|

Vol. 13, no. 1-4

291--296

PL

Praca stanowi próbę interpretacji wyników badań rozprzestrzeniania się gazów w przestrzeni otamowanej rejonu ściany wydobywczej (Rys. 1) przy pomocy gazu znacznikowego (sześciofl uorku siarki, SF6). Pierwotnym celem tych badań było określenie szczelności otamowanej przestrzeni w związku z koniecznością określenia warunków jej bezpiecznego otwarcia. Analiza przebiegów czasowych stężeń SF6 w próbkach pobieranych na poszczególnych tamach, zwłaszcza T-1 i T-2, daje asumpt do hipotezy, że w przestrzeni otamowanej ma miejsce cyrkulacja gazów. W szczególności, taka migracja gazów odbywa się w chodniku podścianowym F-22c, ścianie F-22, chod. nadścianowym F-22b, F-22a. Wielkości podane w Tabl. 1 i 2, które charakteryzujące przepływ gazów w tym układzie wyrobisk, są wielkościami przybliżonymi. Potwierdzenie dalszymi badaniami występowania zjawiska cyrkulacji w przestrzeni otamowanej może przyczynić się do lepszego poznania procesu gaszenia pożaru w przestrzeni otamowanej rejonu ściany wydobywczej.

EN

Tracer gas used in order to detect leaks of gases from a sealed-off area in a mine [1] revealed, that in headings and workings which have been sealed-off may occur circulation of gases. This conclusion is the result of observation of the tracer gas concentration behind the stops T-1 and T-2 after the injection of the gas through a pipe line in the long wall F-22 (Fig. 1). From diagrams (Figs. 2-6) of the tracer gas concentration vs. time can be seen the propagations of the gas between the source and the stops. Tables 1 and 2 are presenting data concerning estimates of the average velocity of flow of the circulating gases in the sealed-off area. Further research concerning circulation of gases in sealed-off areas should be carried out in order to get more detail characterizing this process. These details may by useful in the case when fire fighting in sealed-off areas is carried out by use of inert gases.

19

Wpływ zawartości wilgoci w węglu na przebieg samozagrzewania

Cygankiewicz J.

Górnictwo i Geologia

|

2011

|

T. 6, z. 3

37-47

PL

W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań nad wpływem zawartej w węglu wilgoci na proces samozagrzewania. Badania przeprowadzono w kalorymetrze adiabatycznym przepływowym. Skonfrontowano wyniki uzyskane dla węgla z pokładu 405/1 KWK Borynia, o małej zawartości wilgoci, z wynikami uzyskanymi dla węgla z pokładu 207 KWK Jaworzno-Sobieski, o dużej zawartości wilgoci. Wykazano złożony wpływ wilgoci na proces samozagrzewania. Duża zawartości wilgoci w węglu spowalnia ten proces, jednak niewielka jej ilość może ten proces przyspieszać.

EN

The paper presents selected results of studies on the effects of the level of moisture contained within coal on its self-heating process. The results of several laboratory tests conducted in an adiabatic flow calorimeter on coals having different moisture content were confronted, namely on coals from the seam 405/1 from Borynia coal mine, with Iow moisture content and on coals from the 207 seam from KWK Jaworzno-Sobieski, of high moisture content. It has been shown that the effect of coal moisture level on the oxidation process has complex nature, namely high moisture content in coal slows the process, but a smali amount can accelerate heating.

20

Analiza sorpcji metanu i dwutlenku węgla na węglach kamiennych w aspekcie zatłaczania CO2

Zarębska K., Baran P., Dudzińska A., Cygankiewicz J.

Wiadomości Górnicze

|

2010

|

Vol. 61, nr 9

502-505

PL

W artykule przedstawiono wyniki procesów sorpcji CO2 i CH4na próbkachtrzech polskich węgli kamiennych, w zakresie niskich ciśnień gazów. Szukano powiązań między właściwościami węgli kamiennych, a przebiegiem procesu deponowania dwutlenku węgla oraz określenia czynników determinujących efektywność tego procesu. Za niską pojemność sorpcyjną względem sferycznej cząsteczki metanu w badanych układach odpowiedzialna jest struktura badanych węgli. Odpowiada ona również za dobrą dostępność penetrowanej struktury cząsteczki CO2.

EN

The paper presents some results of the CO2 and CH4 sorption processes in three Polish hard coal samples in the range of low pressure. The aim of the research is to find the connection between properties of hard coals and carbon dioxide depositing process and to find the factors which determine the effectiveness of the process. The structure of the examined coals is responsible for low sorption capacity in relation to a spherical molecule of methane. The structure is also responsible for its better accessibility for a CO2 molecule.