Способ определения склонности углей к самовозгоранию Советский патент 1991 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к угольной про- мышленности а именно к обеспечению безопасных условий труда при разработке угольных месторождений.

Цель изобретения - повышение достоверности способа.

Способ заключается в следующем.

Определяют константу скорости окисления угля таким образом. В поток газа-носителя импульсно вводят кислород, который по мере продвижения вдоль хроматографи- ческой колонки, содержащей исследуемый уголь определенной фракции, вступает во взаимодействие с последним. Опыт повторяют при различных температурах от 20 до 150° С. Из полученных данных по количеству поглощенного кислорода и времени контакта его с исследуемым углем рассчитывают константу скорости хемосорбции кислорода по формуле

лГь

О)

К - 1 In QB Кл - - Ш -х,

t Uebix

где t - время контакта кислорода с углем, с;

QBX - объем введенного кислорода, см ;

Оеых - объем проявленного кислорода, см3.

В опытах можно использовать, например, хроматограф ЛХМ-8МД.

Для определения теплоты реакции взаимодействия кислорода с углем используют проточную систему с импульсным дозированием кислорода. Установку можно скомпоновать, например, на базе серийного хроматографа ЛХМ-8МД и дифференциального микрокалориметра ДАК-1-1. Условия определения дифференциальных теплот следующие: расход газа-носителя по обеим ячейкам микроО 00

ч

ON

t

калориметра 2 см /мин, навеска угля 2,5-4,5 г, температура опыта 80°С, объем дозы кислорода 0,125 м3, фракционный состав угля 0,35-0,5 мм. Микрокалориметром измеряют тепло, выделяющееся в результате взаимодействия кислорода с углем. ,

Критическую температуру самовозгорания угля Ткр, определяют методом, сущность которого заключается в том, что в хроматог- рафическом режиме определяют константу скорости окисления угля при различных температурах, По полученным данным строят график температурной зависимости константы скорости в аррениусовских координатах, из которого определяют критическую температуру самовозгорания угля. Используя результаты определения температурной зависимости константы скорости окисления кислородом угля, определяют значения энергии Е активации и предэкспоненциального множителя RO в интервале температур от начальной Т0 до критической ТКр. по формулам

К о Е

г Р(1пККр-1пКл.,0,р л е R То т

, (2JRoГЖ - V)

т-Уор

I о I кр

где Ккр. - константа скорости окисления угля при критической температуре, с 1;

Кл - константа скорости реакции окисления угля при начальной температуре лабораторного опыта,

у- плотность угля, кг/м3;

SP - удельная реакционная поверхность в лабораторном опыте, м2/кг;

R -универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К).

Реагирующую поверхность Sp как функцию внешней поверхности определяют, исходя из дробимости угля, no-формуле, полученной в результате обработки экспериментальных данных

SP aSBH1D,(4)

где а- коэффициент пропорциональности, найденный методом наименьших квадратов из зависимости Sp от 5Вн ;

Sp - реагирующая поверхность частиц угля, м /кг;

SBH -внешняя поверхность частиц угля, определенная в режиме хроматографиче- ского опыта, м2/кг;

D - дробимость угля.

Дробимость угля определяют, например, при помощи шаровой мельницы МШЛК-8, в барабан которой загружают 300 г угля крупностью 10-20 мм и 16 фарфоровых шаров диаметром 35 мм. После закрытия крышки барабана мельницу приводят в действие на 6 мин. По окончании измельчения с помощью гранулометрического анализа определяют

средний размер зерен. При этом уголь разделяют на следующие фракции: 20-10; 10-5; 5-3; 3-2,5; 2,5-2; 2-1; 1-0,5; 0,5-0,2; 0,2-0 мм. При этом средний размер зерен в каждой

фракции составил соответственно 15,0; 7,5; 4,0; 2,75; 2,25; 1,50; 0,75; 0,35; 0,10 мм. Величина поверхности частиц, образовавшихся после измельчения угля, отнесенная к поверхности частиц исходного угля, является мерой дробимости, которую рассчитывают по формуле

(5)

где d - средний диаметр частиц исходного угля, м;

а - масса исходного угля, кг;

ai - масса данного класса угля при ситовом анализе, кг;

di - средний диаметр частиц данного класса, м;

п - количество фракций.

Поскольку масса исходного угля составляет 0,3 кг, а средний диаметр частиц 0,015 мм, то формула для расчета дробимости имеет вид

ц .а,

- ai

«чог.

(6)

0

5

0

5

0

5

Формулу для определения показателя склонности угля к самовозгоранию получают из уравнения теплового баланса для скопления самонагревающегося угля

SpQRoe E/RTCo2dr CmdT,(7)

где Sp-peaтирующая поверхность угля, м2/кг;

взаимодействия

Q - теплота реакции кислорода с углем, Дж/м ;

RO - предэкспоненциальный множитель, м/с;

Т - температура угля, К;

Е -энергия активации процесса окисления, Дж/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);

Со2 - объемная доля кислорода, %;

Cm - средняя удельная теплоемкость угля в интервале температур То-Ткр., Дж/(кг-К);

т- время достижения критической температуры, с.

После необходимых математических преобразований получают формулу для определения показателя склонности угля к самовозгоранию. 1- Стот

RT°

{МЙ- тЬ } (8J где Ei - интегральная функуция.

Подставив в формулу численные значения постоянных величин: Со2-0,21; R 8,31

ТЛЕ пт A Tie

„е ° RTKpe +

Дж/(моль-К); С 1400 Дж/(кг-К) и обозначив

Н1&)-БИ$ (9)

получают формулу

1

6700 SpQR

J

ко1

РИДЕ

TKD о,12Е

,12Јг;

По значению показателя г судят о склонности угля к самовозгоранию.

Пример. Рассчитаем показатель склонности угля к самовозгоранию для пласта з. Марка угля плотность у 1440 кг/м3.

В табл. 1 приведены результаты вычислений по формуле (1) константы скорости окисления угля кислородом при различных температурах, а также данные для графика зависимости константы скорости в аррени- усовских координатах,

Теплота реакции взаимодействия1 кислорода с углем для пласта 1з составила Q 27,2-104 Дж/м5.

Для нахождения критической темпера- туры самовозгорания угля пласта з по данным табл. 1 строим график температурной зависимости константы скорости в аррени- усовских координатах. Из него ТКр 360 К.

Используя результаты исследования температурной зависимости константы скорости окисления угля, определили по формуле (2) значение энергии активации Е 360 кДж/моль и предэкспоненциального множителя Ro 0,217 м/с по формуле (3).

Для нахождения реагирующей поверхности Sp описанным выше способом производим дробление навески угля пласта з в шаровой мельнице и затем с помощью гранулометрического анализа определяем вес каждой фракции.

Результаты гранулометрического анализа пробы угля пласта з приведены в табл. 2.

По формуле (6) находим, что дробимость D 72,5. SB H 0,018 м2/кг-определяем в режиме хроматографического опыта, Sp 6,27 м2/кг.

ю

5

10

Коэффициент (J. находим из таблицы 3

Подставляя найденные величины в формулу (10), ПОЛУЧИМ

Г 30-104с,

что говорит о том. что уголь пласта з склонен к самовозгоранию. Данные практики подтверждают этот вывод, так как при отработке этого пласта были случаи самовозгорания угля.

Формула изобретения

Способ определения склонности углей к самовозгоранию, включающий измерение константы скорости окисления кислородом угля, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности способа, дополнительно определяют теплоту реакции взаимодействия кислорода с углем, критическую температуру самовозгорания угля, энергию активации процесса окисления и реагирующую поверхность частиц угля, а-показатель склонности угля у самовозгоранию определяют из выражения

.Г-6700 , SpQR,1

кр

0,7 2 Е

е тир - Т0е

O.ltE о

где т- показатель склонности угля к самовозгоранию, с;

Sp - реагирующая поверхность частиц угля, м2/кг;

Q - теплота реакции взаимодействия кислорода с углем, Дж/м3;

RO - предэкспоненциальный множитель, м/с:

Е - энергия активации процесса окисления, Дж/моль;

То - начальная температура окисления угля, К;

Ticp. - критическая температура самовозгорания угля, К;

К - коэффициент, учитывающий разность интегральных показательных функций Ei(x),

при этом при значении показателя склонности угля к самовозгоранию менее 3-10 с уголь считают склонным к самовозгоранию.

Т а б л и ц а 1

Изобретение относится к угольной п ромы ш- ленности, а именно к обеспечению безопасных условий труда при разработке угольных месторождений. Цель изобретения - повышение достоверности способа. Для этого определяют константу скорости окисления угля, теплоту реакции воздействия кислорода с углем, критическую температуру самовозгорания угля, энергию активации процесса окисления и реагирующую поверхность частиц угля, а показатель склонности угля к самовозгоранию определяют из математического выражения. По величине показателя склонности угля к самовозгоранию судят о степени склонности угля к самовозгоранию. При значении показателя склонности угля к самовозгоранию менее 3-106 с уголь считают склонным к самовозгоранию. Для определения критической температуры самовозгорания угля используют график зависимости константы скорости окисления угля от температуры в аррениусовских координатах. 2 табл. у Ё

, .ТаблицаЗ

Значение реагирующей и внешней поверхности угля пласта I3 различного фракционного

состава

Таблица2