ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКСНЫЙ ИНГИБИТОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ВОЗГОРАНИЯ НИЗКОСОРТНОГО УГЛЯ И МЕТОД ЕГО ПОДГОТОВКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2019 года по МПК E21F5/06 A62D1/00 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к области применения методов подземного пожаротушения и технических приемов тушения на угольных шахтах и, в частности, к физико-химическому комплексному ингибитору для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля и метода его подготовки.

Описание предшествующего уровня техники

Ресурсы низкосортного угля в Китае имеются в изобилии, но проблема воспламенения является довольно серьезной. Низкосортный уголь содержит большое количество активных функциональных групп, включая алифатические группы, такие как метил, и метилен, и гидроксильная группа, и эти активные функциональные группы обладают очень сильной окислительной активностью, так что окислительное самопроизвольное возгорание может легко произойти и даже возникнуть пожар. Огонь, вызванный самопроизвольным возгоранием угля, может не только сжечь большое количество угольных ресурсов, но также высвободить большое количество токсичных и вредоносных газов, что создает угрозу здоровью персонала и экологической безопасности. Это проблема, которую необходимо срочно решать во время безопасной добычи угля.

Основным принципом контроля самопроизвольного возгорания угля является устранение возникновения окисления угля или уменьшение генерации и накопления тепла при окислении угля. Низкотемпературное окисление угля представляет собой сложный процесс свободно-радикальной цепной реакции угольно-кислородного комплекса. Во время процесса свободные радикалы используются для инициирования роста цепи и цепной передачи. Поэтому выбор подходящего ингибитора может своевременно устранять или уменьшать активные функциональные группы или ключевые свободные радикалы во время цепной реакции цикла, обеспечивая при этом удержание влаги и понижение температуры угля, что имеет огромное значение для контроля самопроизвольного возгорания угля. В настоящее время ингибиторы для контроля самопроизвольного возгорания угля главным в основном являются физическими ингибиторами и химическими ингибиторами. Механизм ингибирования физических ингибиторов главным образом представляет собой кислородный барьер и прекращение доступа кислорода, а также поглощение влаги и понижение температуры. Физическими ингибиторами в основном являются пены, гели и водопоглощающие соли (такие как NaCl, MgCl₂ и СаСl₂). Эти физические ингибиторы могут изменять физические условия вокруг залежей угля и препятствовать самопроизвольному возгоранию угля главным образом за счет удержания влаги, поглощения тепла и понижения температуры, но не изменяют существенно риск самопроизвольного возгорания угля, поэтому когда увлажняющие свойства ингибиторов исчерпаны, ингибиторный эффект исчезает. Механизм ингибирования химических ингибиторов главным образом представляет собой уменьшение количества активных функциональных групп в угле или прерывание свободно-радикальной цепной реакции угольно-кислородного комплекса для ингибирования самопроизвольного возгорания угля. Химическими ингибиторами в основном являются окислителями, такими как перхлораты, перманганаты, пероксиды и экологически чистые ингибиторы, такие как мочевины, реагенты-стабилизаторы, катехины. Однако окислители могут выделять тепло во время реакции, что приводит к повышению температуры залежей угля, а сами окислители имеют большой риск возгорания; и реагенты-стабилизаторы, катехины и тому подобное являются дорогостоящими, что приводит к затруднениям в практическом применении на местах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, чтобы решить проблему окисления низкосортного угля при низкой температуре и преодоления недостатков прототипа. Комплексный ингибитор может поддерживать хороший ингибирующий эффект при физическом удержании влаги и может также существенно ингибировать самопроизвольное возгорание низкосортного угля в соответствии с функциями ключевых активных функциональных групп при окислении низкосортного угля. Для достижения вышеуказанной цели, техническое решение настоящего изобретения реализуется следующим образом:

Предоставляется физико-химический комплексный ингибитор для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, комплексный ингибитор состоит из хелата и аттапульгита, а хелат образуется путем хелатирования проантоцианидина с хлоридом кальция.

Массовое соотношение проантоцианидина к хлориду кальция составляет от 1:6 до 1:8, наиболее предпочтительно 1:7.

Массовое соотношение хелата к аттапульгиту составляет от 1:4 до 1:6, наиболее предпочтительно 1:5.

Также предлагается метод для подготовки физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, как описано выше.

Метод подготовки физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля включает следующие этапы:

(1) проантоцианидин и хлорид кальция растворяют и диспергируют в воде растворителя и тщательно перемешивают в течение 10-20 мин для получения хелатного раствора; а также

(2) аттапульгит добавляют к раствору хелата и тщательно перемешивают в течение 10-20 мин для получения комплексного ингибиторующего раствора.

Также предлагается метод по использованию физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, как описано выше.

Метод использования физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля включает в себя использование раствора комплексного ингибитора, который распыляется на остатки переработки угля в подземной выработанной территории для контроля самопроизвольного возгорания угля.

Полезный эффект:

Аттапульгит в комплексном ингибиторе представляет собой гидросульфатный силикатный глинистый минерал богатый магнием, имеющий многослойную структуру. Он обладает хорошими коллоидными свойствами, такими как уникальная дисперсия, высокая термостойкость и стойкость к солям и щелочам. Он также обладает хорошей пластичностью и межмолекулярной связью, а также сильной водопоглощающей способностью. Его структура содержит большое количество цеолитной воды и кристаллической воды, так что вода не будет легко рассеиваться при низкой температуре, а водяной пар будет образовываться при высокой температуре. Кроме того, устойчивый оксидный изолирующий слой, такой же как изоляционный слой MgO и Al₂O₃, может быть сформирован, что может блокировать контакт залежей угля с кислородом. Структура о-дигидроксибензольного кольца в проантоцианидине может быть подвергнута хелатированию с Са²⁺для образования стабильного «донора водорода». Имеющийся в составе водород может связывать гидроксильные свободные радикалы, образующиеся во время цепной реакции цикла, а также может удалять свободные радикалы пероксида, тем самым прерывая цепную реакцию цикла свободных радикалов. Кроме того, фенольная гидроксильная группа в проантоцианидине, которая не участвует в хелатировании, может быть подвергнута связыванию водородной связи с активной субстанцией угля, такой как гидроксил с образованием стабильной структуры После применения водорода фенольная гидроксильная группа также может взаимодействовать с активной субстанцией, такой как алифатическая группа, с образованием стабильной структуры эфирной связи, тем самым достигая цели ингибирования самопроизвольного возгорания угля. В дополнение, структура аттапульгита содержит большое количество каналов и пор, и хелатный компонент в комплексном ингибиторе может быть хорошо диспергирован в этих каналах и порах, так что хелат и аттапульгит образуют стабильный сцепленный комплексный ингибитор. Образовавшийся комплексный ингибитор обладает влагопоглощающим и удерживающим влагу эффектом и может уменьшить потерю воды при низкой температуре. Устойчивый оксидный изолирующий слой, такой же как изоляционный слой MgO и Al₂O₃, может быть сформирован при высокой температуре, что может блокировать контакт залежей угля с кислородом. Кроме того, комплексный ингибитор может связывать гидроксильные свободные радикалы, образующиеся во время цепной реакции цикла, и удалять свободные радикалы пероксида, а также может взаимодействовать с активной субстанцией угля с образованием стабильной структуры, такой как эфирная связь и водородная связь, тем самым обеспечивая постоянное ингибирование низкосортного угля.

Комплексный ингибитор является экологически чистым и экономичным, имеет ценные источники и стабильные свойства, а также прост в использовании. Распыление раствора комплексного ингибитора на район горных работ и выработанную территорию низкосортного угля может дезактивировать активность окисления активных функциональных групп на основе физического ингибирования, таким образом что активные функциональные группы угля, такие как алифатическая группа, становятся стабильной структурой и гидроксильные свободные радикалы, образующиеся во время реакции, связываются и удаляются, тем самым достигая цели ингибирования самопроизвольного возгорания угля.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы цель, решение и эффект настоящего изобретения стали более понятными, настоящее изобретение более подробно описывается ниже. Следует отметить, что конкретные примеры, описанные здесь, приведены исключительно в целях иллюстрации и не должны толковаться как ограничения настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к физико-химического комплексному ингибитору для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, который состоит из хелата и аттапульгита в массовом соотношении от 1:4 до 1:6, хелат образуется путем хелатирования проантоцианидина с хлоридом кальция в массовом соотношении от 1:6 до 1:8.

Массовые соотношения компонентов пригодны как подходящие показатели, а также соотношения могут быть скорректированы в соответствии с практическими ситуациями. Массовые соотношения, достигающие оптимального эффекта, представляют собой: массовое соотношение 1:7 проантоцианидина к хлориду кальция; и массовое соотношение 1:5 хелата к аттапульгиту.

Настоящее изобретение более подробно описано ниже на конкретных примерах.

Пример 1:

Для комплексного ингибитора, имеющего массовую концентрацию 10%, проантоцианидин и хлорид кальция взвешивали в массовом соотношении 1:6, добавляли к 1 мл воды и перемешивали в течение 10-20 мин, чтобы получить хелатный раствор; аттапульгит взвешивали в массовом соотношении 1:4 хелата к аттапульгиту, добавляли к хелатному раствору и перемешивали в течение 10-20 минут, получая комплексный ингибирующий раствор. 1 г образца низкосортного угля взвешивали, и порода самопроизвольного возгорания низкосортного угля должна была воспламениться, тщательно перемешивали и смешивали с полученным комплексным ингибирующим раствором, затем оставляли на воздухе для высыхания в течение 24 часов и помещали в эксикатор для использования.

(1) было взято 10 мг образца угля. Процесс самопроизвольного возгорания угля был смоделирован термоанализатором SDT-Q600 с запрограммированным повышением температуры. Измеренная начальная температура выделения теплоты образца угля после обработки ингибирующим раствором выше на 33°С, чем у образца угля без обработки. Кроме того, экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 100°С и экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 200°С были значительно ниже, чем у исходного угля.

(2) Скорость ингибирования определяется до 80% методом определения скорости ингибирования для экзотермы от начальной температуры выделения теплоты до 100°С.

(3) Изменения метила и метилена в угле с температурой до и после ингибирования были испытаны на месте с помощью ИК-спектроскопии. Было обнаружено, что в ингибированном угле очень мало изменений в метиле и метилене, в то время как наблюдаются значительные изменения в метил- и метилен в исходном угле, что указывает на то, что ингибитор может уменьшить окисление метила и метилена в угле; и гидроксил в ингибированном угле значительно меньше, чем гидроксил в исходном угле, что указывает на то, что ингибитор может уменьшить присутствие гидроксила, тем самым улучшая свойство самопроизвольного возгорания залежей угля.

Пример 2:

Для комплексного ингибитора, имеющего такую же массовую концентрацию, что и в примере 1, проантоцианидин и хлорид кальция взвешивали в массовом соотношении 1:6, добавляли к 1 мл воды и перемешивали в течение 10-20 мин, чтобы получить хелатный раствор; аттапульгит взвешивали в массовом соотношении 1:4 хелата к аттапульгиту, добавляли к хелатному раствору и перемешивали в течение 10-20 минут, получая комплексный ингибирующий раствор. 1 г образца низкосортного угля взвешивали, и порода самопроизвольного возгорания низкосортного угля должна была воспламениться, тщательно перемешивали и смешивали с полученным комплексным ингибирующим раствором, затем оставляли на воздухе для высыхания в течение 24 часов и помещалали в эксикатор для использования.

(1) было взято 10 мг образца угля. Процесс самопроизвольного возгорания угля был смоделирован термоанализатором SDT-Q600 с запрограммированным повышением температуры. Измеренная начальная температура выделения теплоты образца угля после обработки раствором ингибитора выше на 40°С, чем у образца угля без обработки. Кроме того, экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 100°С и экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 200°С были значительно ниже, чем у исходного угля.

(2) Скорость ингибирования определяется до 86% методом определения скорости ингибирования для экзотермы от начальной температуры выделения теплоты до 100°С.

Состояния покоя были такими же, как в примере 1.

Пример 3:

Для комплексного ингибитора, имеющего массовую концентрацию 10%, проантоцианидин и хлорид кальция взвешивали в массовом соотношении 1:8, добавляли к 1 мл воды и перемешивали в течение 10-20 минут, чтобы получить хелатный раствор; аттапульгит взвешивали в массовом соотношении 1:6 хелата к аттапульгиту, добавляли к хелатному раствору и перемешивали в течение 10-20 минут, получая комплексный ингибирующий раствор. 1 г образца низкосортного угля взвешивали и порода самопроизвольного возгорания низкосортного угля должна была воспламениться, тщательно перемешивали и смешивали с полученным комплексным ингибирующим раствором, затем оставляли на воздухе для высыхания в течении 24 часов и помещали в эксикатор для использования.

(1) было взято 10 мг образца угля. Процесс самопроизвольного возгорания угля был смоделирован термоанализатором SDT-Q600 с запрограммированным повышением температуры. Измеренная начальная температура выделения теплоты образца угля после обработки раствором ингибитора выше на 36°С, чем у образца угля без обработки. Кроме того, экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 100°С и экзотерма от начальной температуры выделения теплоты до 200°С были значительно ниже, чем у исходного угля.

(2) Скорость ингибирования определяется до 84% методом определения скорости ингибирования для экзотермы от начальной температуры выделения теплоты до 100°С.

Состояния покоя были такими же, как в примере 1.

Приведенное выше описание всего лишь дает предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения. Следует отметить, что некоторые модификации и варианты могут вноситься специалистами в данной области техники без какого-либо значительного отклонения от принципов изобретения, и эти модификации и варианты следует рассматривать в рамках настоящего изобретения.

Физико-химический комплексный ингибитор для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля и методы его подготовки и использования. Комплексный ингибитор состоит из хелата и аттапульгита, при этом хелат образован путем хелатирования проантоцианидина с хлоридом кальция. Ингибитор обладает влагопоглощающим и удерживающим влагу эффектом и может уменьшить потерю воды при низкой температуре. При высокой температуре формирует устойчивый оксидный изолирующий слой, такой же как изоляционный слой MgO и Al₂O₃, что блокирует контакт залежей угля с кислородом. Кроме того, ингибитор связывает гидроксильные свободные радикалы, образующиеся во время цепной реакции цикла, и разрушает свободные радикалы пероксида, а также взаимодействует с активной субстанцией угля с образованием стабильной структуры, такой как эфирная связь и водородная связь, тем самым обеспечивая постоянное ингибирование низкосортного угля. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Физико-химический комплексный ингибитор для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля, в котором комплексный ингибитор состоит из хелата и аттапульгита, при этом хелат образован путем хелатирования проантоцианидина с хлоридом кальция.

2. Физико-химический комплексный ингибитор по п. 1, отличающийся тем, что массовое соотношение проантоцианидина к хлориду кальция составляет от 1:6 до 1:8.

3. Физико-химический комплексный ингибитор по п. 2, отличающийся тем, что массовое соотношение проантоцианидина к хлориду кальция составляет 1:7.

4. Физико-химический комплексный ингибитор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что массовое соотношение хелата к аттапульгиту составляет от 1:4 до 1:6.

5. Физико-химический комплексный ингибитор по п. 4, отличающийся тем, что массовое соотношение хелата к аттапульгиту составляет 1:5.

6. Метод подготовки физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля по п. 1 формулы изобретения, в котором метод включает следующие этапы:

(1) проантоцианидин и хлорид кальция растворяют и диспергируют в воде-растворителе и тщательно перемешивают в течение 10-20 мин для получения хелатного раствора, а также

(2) аттапульгит добавляют к раствору хелата и тщательно перемешивают в течение 10-20 мин для получения комплексного ингибирующего раствора.

7. Метод использования физико-химического комплексного ингибитора для контроля самопроизвольного возгорания низкосортного угля по п. 1 формулы изобретения, в котором раствор комплексного ингибитора распыляется на остатки переработки угля в подземной выработанной территории для контроля самопроизвольного возгорания угля.