WPŁYW ZAWARTOŚCI WILGOCI W WĘGLU NA PRZEBIEG SAMOZAGRZEWANIA THE INFLUENCE OF MOISTURE CONTENT IN COAL ON ITS SPONTANEOUS HEATING

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 211 Tom 6 Zeszyt 3 Jnusz CYGANKIEWICZ Główny Instytut Górnictw, Ktowice WPŁYW ZAWARTOŚCI WILGOCI W WĘGLU NA PRZEBIEG SAMOZAGRZEWANIA Streszczenie. W rtykule przedstwiono wybrne wyniki bdń nd wpływem zwrtej w węglu wilgoci n proces smozgrzewni. Bdni przeprowdzono w klorymetrze dibtycznym przepływowym. Skonfrontowno wyniki uzyskne dl węgl z pokłdu 45/1 KWK Boryni, o młej zwrtości wilgoci, z wynikmi uzysknymi dl węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, o dużej zwrtości wilgoci. Wykzno złożony wpływ wilgoci n proces smozgrzewni. Duż zwrtości wilgoci w węglu spowlni ten proces, jednk niewielk jej ilość może ten proces przyspieszć. THE INFLUENCE OF MOISTURE CONTENT IN COAL ON ITS SPONTANEOUS HEATING Summry. The pper presents selected results of studies on the effects of the level of moisture contined within col on its self-heting process. The results of severl lbortory tests conducted in n dibtic flow clorimeter on cols hving different moisture content were confronted, nmely on cols from the sem 45/1 from Boryni col mine, with low moisture content nd on cols from the 27 sem from KWK Jworzno-Sobieski, of high moisture content. It hs been shown tht the effect of col moisture level on the oxidtion process hs complex nture, nmely high moisture content in col slows the process, but smll mount cn ccelerte heting. 1. Wprowdzenie W literturze brk jednozncznej odpowiedzi n pytnie, jką rolę w procesie smozgrzewni odgryw zwrt w węglu wilgoć? Dl znlezieni odpowiedzi n powyższe pytnie w Zkłdzie Aerologii Górniczej GIG przeprowdzono bdni smozgrzewni węgli z większości eksplotownych w Polsce pokłdów. Węgle te

2 38 J. Cygnkiewicz chrkteryzowły się między innymi różnym stopniem metmorfizmu i różną zwrtością wilgoci. Bdni te przeprowdzono w klorymetrch dibtycznych przepływowych [1, 2]. Metod klorymetrii dibtycznej jest szczególnie przydtn do bdni procesów związnych z niskotemperturowym utleniniem węgli. Pozwl mierzyć ilości wydzielonego ciepł, które określ się n podstwie zminy tempertury próbki orz ilości odprowującej wilgoci. W pomirch klorymetrycznych główną rolę odgryw wyeliminownie strt ciepł. 2. Wyniki bdń nd wpływem zwrtej w węglu wilgoci n proces smozgrzewni W niniejszej prcy zmieszczono wyniki bdń wybrnych dwóch typów węgli, różniących się rdyklnie stopniem metmorfizmu i zwrtością wilgoci: węgl z pokłdu 27 koplni Jworzno-Sobieski i węgl z pokłdu 45/1 koplni Boryni. Wyniki nlizy technicznej węgli z pokłdów 45/1 koplni Boryni i 27 koplni Jworzno-Sobieski zmieszczono w tbeli 1. Wyniki bdń wybrnych prmetrów fizykochemicznych węgli z pokłdów 45/1 koplni Boryni i 27 koplni Jworzno-Sobieski Tbel 1 Lp. Koplni, pokłd W A % wgowy V Q s Q i S t S p S A S C C t H t N O d 1 Boryni 45/1 1,32 1,99 2, ,25,9,2,5 89,21 4,61 1,66 1,16 Jworzno- 2 Sobieski 27 13,95 2,35 29, ,89,61,17,72 66,51 3,93,91 11,63 Wrtości powierzchni włściwej, oznczone przy użyciu zotu i ditlenku węgl, orz wrtości wskźnik smozplności Sz zmieszczono w tbeli 2.

3 Wpływ zwrtości wilgoci w węglu n przebieg L.p. 1 2 Koplni, pokłd Boryni 45/1 wicz Jworzno- Sobieski 27 Powierzchni włściw oznczon przy użyciu zotu i ditlenku węgl dl poszczególnych węgli Wskźnik i energi ktywcji Sz A Grup smozplności smozplności wg 93/G4558 Powierzchni m 2 /g z sorpcji zotu Równnie BET Powierzchni m 2 /g z sorpcji CO 2 Równnie PN- Dubinin- Rduszkie- Objętość porów cm 3 /g Tbel 2 Stosunek powierzchni ditlenku węgl do powierzchni zotu CO 2 /N II 3,2 118,14,47 39, V 13,43 185,6,74 26,36 Jk widć w tbeli 1, węgiel z pokłdu 45/1 koplni Boryni chrkteryzuje się niską zwrtością wilgoci (1,32%), części lotnych (1,99%), sirki (,25%) orz tlenu (1,16%), m ntomist wysoką zwrtość pierwistk węgl (89,21%). Węgiel ten zostł sklsyfikowny do drugiej grupy smozplności, jko węgiel o młej skłonności do smozpleni. Posid też stosunkowo niską objętość mikroporów,47 cm 3 /g i powierzchnię włściwą wyznczoną przy użyciu zotu 3,2 m 2 /g. Wyższ jest ntomist powierzchni włściw oznczon przy użyciu ditlenku węgl wynosi on 118,14 m 2 /g. Węgiel z pokłdu 27 koplni Jworzno-Sobieski chrkteryzuje się wysoką zwrtością wilgoci (13,95%), popiołu (2,35%), części lotnych (29,73%), sirki (,89%) i tlenu (11,63%), m ntomist niską zwrtość pierwistk węgl (66,51%). Węgiel ten zostł sklsyfikowny do piątej grupy smozplności, jko węgiel o dużej skłonności do smozpleni. Węgiel chrkteryzuje się wysoką objętością mikroporów,74 cm 3 /g, wysoką powierzchnią wyznczoną przy użyciu zotu 13,43 m 2 /g i wysoką powierzchnią oznczoną przy użyciu ditlenku węgl 185,6 m 3 /g. Wyniki bdń klorymetrycznych próbki węgl z pokłdu 45/1 koplni Boryni pokzno n rysunkch 1, 2, 3 i 4. Podczs bdni do komory rekcyjnej doprowdzno powietrze syntetyczne w ilości,3 l/h. Jk wykzły bdni, przy tej ilości dostrcznego powietrz proces smozgrzewni węgl z pokłdu 45/1 przebiegł njszybciej.

4 4 J. Cygnkiewicz N rysunku 1 przedstwiono szybkość wzrostu tempertury próbki węgl z pokłdu 45/1 podczs smozgrzewni. Jko wrtość tempertury początkowej przyjęto wrtość tempertury pierwotnej dl tego pokłdu w koplni Boryni t = 46 o C. Jk widć n rysunku 1, tempertur węgl wzrst nieml liniowo, ż do osiągnięci wrtości około 9 o C, powyżej której nstąpił szybki wzrost tempertury węgl. Sugeruje to zminę mechnizmu rekcji utlenini przy tej temperturze. Podczs przeprowdznego testu czs niezbędny do osiągnięci przez węgiel tempertury t = 2 o C wyniósł 283 godziny. N rysunku 2 przedstwiono wykresy zużyci tlenu podczs smozgrzewni próbki węgl z pokłdu 45/1, w funkcji czsu tempertur Tempertur [ C] Czs [godz] Rys. 1. Zminy w czsie tempertury próbki węgl z pokłdu 45/1 KWK Boryni podczs smozgrzewni w klorymetrze dibtycznym Fig. 1. Chnges in time of temperture of col smple from 45/1 KWK Boryni during its heting in dibtic clorimeter

5 Wpływ zwrtości wilgoci w węglu n przebieg... 41,25,2 Ilość tlenu zużytego podczs eksperymentu 6,4l Zużycie tlenu,15,1,5, Czs [godz] Rys. 2. Zużycie tlenu z pokłdu 45/1 KWK Boryni podczs smozgrzewni próbki węgl o msie 5 g powietrze syntetyczne n wlocie przepływ,5 l/h Fig. 2. Oxygen consumption rte during heting of 5 g smple of col collected from the 45/1 sem in KWK Boryni, with synthetic ir t the intke nd flow rte of,5 l/h 3 25 Ciepło utlenini 2 Ciepło [J] Czs [godz] Rys. 3. Ciepło utlenini węgl z pokłdu 45/1 KWK Boryni podczs zgrzewni próbki węgl o msie 5 g Fig. 3. Het of oxidtion of col from the 45/1 sem in Boryni col mine during heting of 5 g smple

6 42 J. Cygnkiewicz Ciepło jwne wydzielone podczs eksperymentu = 1,1286E+5 J Ciepło utjone podczs eksperymentu = 4,87E+4 J Ciepło [J] Czs [godz] Rys. 4. Ciepło jwne utlenini i ciepło utjone wyznczone dl próbki węgl z pokłdu 45/1 KWK Boryni Fig. 4. Vlues of sensible het of oxidtion nd ltent het determined for smple from the 45/1 sem in Boryni mine N rysunkch 3 i 4 przedstwiono wykresy ciepł utlenini orz ciepł jwnego utlenini i ciepł utjonego utlenini w funkcji czsu. Njwiększą wrtość ciepło utjone osiąg w temperturze 1 o C. Wyniki bdń klorymetrycznych próbki węgl z pokłdu 27 koplni Jworzno- Sobieski pokzno n rysunkch 5, 6, 7 i 8. Podczs bdń do komory rekcyjnej doprowdzno powietrze w ilości,5 l/h. N rysunku 5 przedstwiono szybkość wzrostu tempertury próbki węgl podczs smozgrzewni. Jko wrtość tempertury początkowej przyjęto t = 25 o C, co odpowid zmierzonej wrtości tempertury pierwotnej. Jk widć n rysunku 5, tempertur węgl wzrst szybko, ż do osiągnięci wrtości 8 o C, powyżej której nstępuje znczne spowolnienie smozgrzewni. Dzieje się tk ż do osiągnięci przez węgiel tempertury 1 o C, po której nstępuje powtórnie znczny wzrost szybkości smozgrzewni. N rysunku 6 przedstwiono wykres zużyci tlenu. Zużycie to jest blisko trzykrotnie większe od zużyci tlenu wyznczonego dl węgl z pokłdu 45/1 KWK Boryni. N rysunkch 7 i 8 przedstwiono wykresy ciepł utlenini orz ciepł jwnego utlenini i ciepł utjonego (wyrżone w J) wydzielnych podczs utlenini. Podobnie jk w przypdku węgl z pokłdu 45/1, njwiększą wrtość ciepło utjone osiąg w temperturze 1 o C, jednk wrtość tego ciepł jest blisko sześciokrotnie większ.

7 Wpływ zwrtości wilgoci w węglu n przebieg Tempertur [ C] tempertur Czs [godz] Rys. 5. Zminy w czsie tempertury próbki węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, podczs smozgrzewni w klorymetrze dibtycznym Fig. 5. Chnges in time of temperture of smple from the 27 sem in Jworzno-Sobieski col mine during its heting in dibtic clorimeter,2,18,16,14 Ilość tlenu zużytego podczs eksperymentu 15,65 l Zużycie tlenu,12,1,8,6,4,2, Czs [godz] Rys. 6. Zużycie tlenu z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, podczs smozgrzewni próbki węgl o msie 5g powietrze syntetyczne n wlocie przepływ,5 l/h Fig. 6. Oxygen consumption rte during heting of 5g smple of col collected from the 27 sem in KWK Jworzno-Sobieski, with synthetic ir t the intke nd flow rte of,5 l/h

8 44 J. Cygnkiewicz 25 2 Ciepło utlenini Ciepło [J] Czs [godz] Rys. 7. Ciepło utlenini węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, podczs zgrzewni próbki węgl o msie 5 g Fig. 7. Het of oxidtion of col from the 27 sem in Jworzno-Sobieski col mine during heting of 5 g smple Ciepło jwne wydzielone podczs eksperymentu = 1,146E+5 J Ciepło utjone podczs eksperymentu = 1,93E+5 J 14 Ciepło [J] Czs [godz] Rys. 8. Ciepło jwne utlenini i ciepło utjone wyznczone dl próbki węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski Fig. 8. Vlues of sensible het of oxidtion nd of ltent het determined for smple from the 27 col sem in Jworzno-Sobieski mine Przedstwione wyniki bdń smozgrzewni węgli z pokłdów 45/1 i 27 świdczą o dużym wpływie prowni n przebieg smozgrzewni. W efekcie szybkość wzrostu tempertury węgl zncznie mleje. Dotyczy to zwłszcz węgli o dużej zwrtości wilgoci, jk np. węgiel z pokłdu 27. Węgiel ten, chrkteryzujący się dużo większą skłonnością do

9 Wpływ zwrtości wilgoci w węglu n przebieg utlenini, osiągnął temperturę 2 o C po upływie około 25 godzin, czyli niewiele krócej niż mjący zncznie mniejszą skłonność do utlenini węgiel z pokłdu 45/1. Dl zbdni wpływu wilgoci n proces smozgrzewni przeprowdzono serię eksperymentów n węglch, z których usunięto część wilgoci poprzez suszenie w zocie, w temperturze 4 o C. N rysunku 9 przedstwiono wyniki bdń klorymetrycznych próbki węgl z pokłdu 27, z której w wyniku suszeni usunięto część wilgoci z około 14% wgowych do około 5%. Suszenie węgl w zocie przeprowdzno do chwili, w której zwrtość wilgoci w powietrzu wypływjącym z suszrni spdł poniżej 2%. Nstępnie węgiel umieszczono w klorymetrze dibtycznym przepływowym, przez który przepływło powietrze suche w ilości,8 l/h. N rysunku 9 przedstwiono szybkość wzrostu tempertury próbki węgl podczs smozgrzewni. Jk widć n rysunku 9, wyznczony w eksperymencie okres wzrostu tempertury węgl częściowo wysuszonego od 25 o C do 2 o C jest czterokrotnie mniejszy od podobnego okresu wyznczonego dl węgl o nturlnej zwrtości wilgoci. N rysunku 1 przedstwiono wykresy ciepł jwnego utlenini i ciepł utjonego utlenini (wyrżone w J) wyznczone podczs eksperymentu. Jk widć n rysunku 1, usunięcie części wilgoci z węgl zncznie zmniejszyło ciepło utjone, co z kolei umożliwiło rdyklny wzrost szybkości procesu smozgrzewni tempertur Tempertur [ C] Czs [godz] Rys. 9. Zminy w czsie tempertury próbki węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, suszonego w zocie, w temperturze 4 o C, podczs smozgrzewni w klorymetrze dibtycznym Fig. 9. Chnges in time of temperture of smple from the 27 sem in Jworzno-Sobieski col mine, dried in nitrogen t 4 o C, during its heting in n dibtic clorimeter

10 46 J. Cygnkiewicz Ciepło jwne wydzielone podczs eksperymentu = 1,226E+5 J Ciepło utjone podczs eksperymentu = 3,27E+4 J Ciepło [J] Czs [godz] Rys. 1. Ciepło jwne utlenini i ciepło utjone wyznczone dl próbki węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski, suszonego w zocie, w temperturze 4 o C Fig. 1. Vlues of sensible het of oxidtion nd of ltent het determined for smple from the 27 col sem in Jworzno-Sobieski mine, dried in nitrogen t 4 o C 3. Anliz wyników bdń Przeprowdzone bdni wykzły duży wpływ wilgoci zwrtej w węglu n przebieg procesu smozgrzewni. Wpływ ten jest różnorodny: Znjdując się w porch węgl wod blokuje dostęp tlenu do centrów ktywnych, przez co ogrnicz jego utleninie. Szybkość dyfuzji tlenu w powietrzu jest bowiem około 1 4 rzy większ niż w wodzie. Ztem usunięcie części wilgoci poprzez suszenie węgl w tmosferze inertnej (np. w zocie) zncznie zwiększ liczbę dostępnych dl tlenu centrów ktywnych. Ilustrcją tego wniosku jest przykłd węgl z pokłdu 27, który po usunięciu części wilgoci z około 14% do około 5%, przez suszenie w temperturze 4 o C, wykzł zncznie większą skłonność do smozgrzewni (rys. 9). Jednk dlsze suszenie tego węgl w temperturze 15 o C nie powodowło zwiększni ktywności chemicznej węgl, wręcz przeciwnie, niezncznie ją osłbiło. Świdczyć to może o tym, że wilgoć wpływ n nturę centrów ktywnych, n których zchodzi utleninie [3], ktlizując ten proces. Nleży pmiętć, że cłkowite usunięcie wody (poprzez suszenie w temperturze 15 o C) może spowodowć zpdnięcie się koloidlnej struktury spotyknej w węglch niskouwęglonych (np. węgiel z pokłdu 27 koplni Jworzno-Sobieski), co utrudni dostęp tlenu do centrów ktywnych. Z bdń wynik, że istnieje pewn optymln, z punktu widzeni procesu smozgrzewni, zwrtość wody w węglu. Jest to t wilgoć,

11 Wpływ zwrtości wilgoci w węglu n przebieg której nie możn usunąć z węgl poprzez suszenie w temperturze zbliżonej do wrunków nturlnych (w przeprowdzonych eksperymentch był to tempertur 4 o C). Prownie wody pochłni znczną część ciepł wydzielonego podczs utlenini węgl. Dl węgli nisko uwęglonych, o dużej zwrtości wilgoci (np. dl węgl z pokłdu 27 KWK Jworzno-Sobieski), prownie może pochłnić nwet 65% tego ciepł (rys. 8). W przypdku węgli wysoko uwęglonych (np. z pokłdu 45/1) prownie pochłni około 3% ciepł utlenini (rys. 4). Prownie przyczyni się jednk do odsłnini nowych, niedostępnych dotąd dl tlenu centrów ktywnych, co z kolei uintensywni proces utlenini. Usunięcie poprzez suszenie większości wilgoci z węgl, z pokłdu 27, zncznie osłbiło proces prowni, zmniejszjąc ciepło utjone prowni, co zdecydownie przyspieszyło smozgrzewnie węgl (rys. 9 i 1). 4. Podsumownie Wpływ wilgoci zwrtej w węglu n proces smozgrzewni jest złożony. Jeżeli jest on w węglu w odpowiednio dużej ilości, spowlni smozgrzewnie, blokując dostęp tlenu do centrów ktywnych n powierzchni węgl i pochłnijąc podczs prowni znczną część ciepł utlenini. Ntomist obecność niewielkiej ilości wilgoci w węglu wspomg utleninie, co przypisuje się ktlitycznemu oddziływniu wody. BIBLIOGRAFIA 1. Cygnkiewicz J.: Bdni niskotemperturowego smozgrzewni węgli kmiennych w Głównym Instytucie Górnictw. Bibliotek Szkoły Eksplotcji Podziemnej, 2, s Cygnkiewicz J.: About Determintion of Susceptibility of Cols to Spontneous Combustion Using n Adibtic Test Method. Arch. Min. Sci., Vol. 45, Clemens A.H., Mtheson T.W.: The role of moisture in the self-heting of low-rnk cols. Fuel, No. 75, 1996, p Kji R., Hishinum Y., Nkmur Y.: Low temperture oxidtion of cols: Effects of pore structure nd col composition. Fuel, Vol. 64, 1985, p Kji R., Hishinum Y., Nkmur Y.: Low temperture oxidtion of cols clorimetric study. Fuel, Vol. 66, 1987, p Recenzent: Dr hb. inż. Jn Drend, prof. nzw. w Pol. Śl.

12 48 J. Cygnkiewicz Abstrct The presented lbortory study imed t determintion of the effects of the level of moisture contined within col on its self-heting process. The tests conducted in n dibtic flow clorimeter on cols hving different moisture content demonstrted tht the reltionship between col moisture level nd intensity of col oxidtion process is complex one. High moisture content in col slows down the oxidtion process by hmpering oxygen ccess to ctive centers on col grins surfces nd by consuming, due to evportion, lrge shre of therml energy relesed during oxidtion. On the other hnd, under certin conditions, reltively smll mount of moisture cn trigger nd ccelerte the process of col self-heting, due to ctlytic interctions of wter molecules with col mtter.