Файл: Учебное пособие Кемерово 2008.pdf

где
K
– кинетическая константа скорости сорбции, численно равная скорости сорбции при концентрации кислорода 100 %, см
3
/(гÇч).
Интегрирование этого уравнения позволяет получить следующую зависимость для определения константы скорости сорбции кислорода углем:
0
ln
С
C
M
V
K




,
(3.3)
где
0
С
– начальная концентрация кислорода в
сосуде;

C
– концентрация кислорода через время Поглощение кислорода углем происходит при постоянном объеме газа в сорбционном сосуде, что приводит к разряжению воздуха. После отбора пробы она сжимается, что вызывает увеличение в ней концентрации кислорода. Для вычисления истинной концентрации кислорода в сорбционном сосуде применяется формула где
A
C
– концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха.
С учетом изменения барометрического давления и упругости водяных паров в воздухе вычисление константы скорости сорбции кислорода производится по формуле где В – барометрическое давление перед началом сорбции, мм рт. ст 23,8 – упругость паров воды при 25 С, мм рт. ст.
По мере проведения опыта химическая активность угля уменьшается, что объясняется образованием слоя окисленного угля, препятствующего проникновению кислорода к активным

центрам. Поэтому в течение эксперимента определяют константы скорости сорбции через 50, 100, 150, 200 и 250 ч и наносят на график (рис. 3.2). Затем по формуле (3.6) определяют среднеарифметическое значение, которое является основным показателем химической активности угля и обозначается
25
K
n
n
i
i
K
K



1 где
n
– число определений константы скорости сорбции кислорода углем в процессе эксперимента
i
K
– текущее значение константы скорости сорбции кислорода углем, см
3
/(гÇч).
Рис. 3.2. Изменение константы сорбции кислорода углем во времени
Значение константы скорости сорбции за первые двое суток не входит в вычисление показателя химической активности угля потому, что вначале сорбции воспроизводимость результатов хуже, чем в дальнейшем. Поданным многолетних исследований химическая активность бурых углей освоенных месторождений России колеблется в пределах 0,080–0,160 см
3
/(гÇч). Для каменных углей характерны значения химической активности от
0,010 до 0,080 см
3
/(гÇч).
3.5. Моделирование процесса самовозгорания
Процесс самовозгорания зависит от множества факторов, причем часть из них может изменяться произвольно в процессе эксплуатации шахты, а многими можно управлять целенаправленно. Под действием этих факторов возможно ускорение, замедление или прекращение развития процесса самовозгорания на любой стадии. Однако в шахтах очаги самовозгорания обычно развиваются в недоступных для человека местах, что не позволяет детально исследовать этот процесс. Из-за недостаточной изученности влияния на процесс самовозгорания различных факторов зачастую невозможно прогнозировать поведение очагов эндогенных пожаров. В таких условиях затруднен выбор наиболее эффективных способов подавления процесса самовозгорания. Недостаток информации об особенности поведения очагов эндогенных пожаров существенно увеличивает опасность для шахтеров и горноспасателей, находящихся в шахте. Поэтому необходимо дальнейшее исследование влияния различных факторов на развитие эндогенных пожаров. Ранжирование этих факторов по степени значимости позволит предложить новые и усовершенствовать известные способы борьбы с самовозгоранием угля. Полученные данные могут употребляться для прогноза эндогенной пожароопасности и оценки тенденции поведения очагов самовозгорания.
Для исследования процессов самовозгорания применяют физическое и математическое моделирование. Полное физическое моделирование исследуемых процессов зачастую встречает непреодолимые трудности из-за невозможности произвольно изменять численные значения многих параметров. Известные попытки физического моделирования процесса самовозгорания не позволили оценить влияние отдельных факторов на этот процесс из-за трудоемкости, длительности эксперимента. Однако основным препятствием для получения обоснованных выводов является невоспроизводимость физических экспериментов, обусловленная изменением физических и химических свойств исследуемой массы угля в каждом новом опыте. Данным фактом, видимо, можно объяснить различные мнения о пожароопасных параметрах некоторых факторов и даже о качественном воздействии части из них на процесс самовозгорания.
Наиболее эффективным методом оценки влияния отдельных факторов на процесс самовозгорания угля является математическое моделирование, позволяющее с минимальными затратами исследовать влияние любого параметра. В основе всех математических моделей лежат уравнения, описывающие генерацию и потери тепла в скоплении окисляющегося материала. Уравнение массопереноса описывает распределение кислорода в скоплении с учетом процессов сорбции кислорода углем.
С целью получения аналитического решения уравнения максимально упрощаются. Наиболее простой является математическая модель процесса самовозгорания, описывающая нестационарный тепло- и массоперенос в одномерном скоплении угля. Перенос тепла, генерируемого при взаимодействии кислорода с углем, осуществляется за счет теплопроводности и конвекции. С учетом испарения начальной влаги и экспоненциальной зависимости скорости сорбции кислорода углем от температуры процесс можно описать следующими уравнениями 3 2
2 1
2 2
1 1
)
/
exp(
)
1
(
)
1
(
)
1
(
; (3.7)
)
/
exp(
)
1
(
1 Начальные и граничные условия
0
)
0
,
(
T
Т
х

;
0
)
0
,
(
С
С
х

;
0
)
0
,
(
W
W
х

;
)
(
0 1
0
T
T
x
T
x







;
)
(
0 2
T
T
x
T
L
x







;
0 373




T
W
;
(3.9)
)
(
0 1
0
C
C
x
C
D
c
x






;
)
(
0 где m – пористость скопления угля
1
 – плотность угля, кг/м
3
;
1
c – теплоемкость скопления угля, Дж/(кгÇК); Т – температура, К
 – время, с  – коэффициент теплопроводности угля, Вт/(мÇК); С – концентрация кислорода Q – тепловой эффект реакции

окисления, Дж/м
3
; K – константа скорости окисления, м
3
/(кгÇс);
E – энергия активации, Дж/моль; R – газовая постоянная,
Дж/(мольÇК);
2
 – плотность газа, кг/м
3
;
2
c – теплоемкость газа,
Дж/(кгÇК); V – скорость фильтрации газам с
w
Q
– удельная теплота испарения воды, Дж/кг;
3

– плотность воды, кг/м
3
;
W – влажность угля D – коэффициент молекулярной диффузии кислорода, мс
i

– коэффициент теплоотдачи от угля,
Вт/(м
2
ÇК);
ci

– коэффициент массоотдачи, мс L – размер угольного скопления, м.
Решение системы уравнений (3.8) можно осуществить ко- нечно-разностным методом с реализацией на ПЭВМ. При моделировании можно оценить влияние на процесс самовозгорания таких изменяющихся факторов, как коэффициент теплопроводности и теплоемкость скопления, влажность, сорбционная активность и начальная температура угля, а также скорость воздуха и концентрация кислорода в нем. Проведенное физическое (в лабораторных условиях) и математическое моделирование показали, что процесс самовозгорания угля имеет несколько стадий (рис. 3.3). Первая стадия – низкотемпературное окисление – характеризуется медленным, но постепенно возрастающим повышением температуры до 50–
80 С. Выделение тепла происходит в основном из-за адсорбции кислорода. По мере повышения температуры адсорбция переходит в хемосорбцию. В результате образуются комплексы кислород уголь, покрывающие пленкой поверхность угля. Незначительная часть комплексов разрушается с выделением оксида углерода, углекислого газа, водорода и других газов. Длительность первой стадии зависит от химической активности угля, условий теплообмена скопления с окружающей средой и может продолжаться от 10 до 100 сут.
Первая стадия может закончиться остыванием скопления угля или переходом во вторую стадию в зависимости от свойств угля и внешних условий. Так, образующаяся пленка окисленного угля препятствует доступу кислорода к активным центрам, что снижает скорость взаимодействия компонентов и количество выделяющегося тепла. В тоже время с повышением температуры экспоненциально возрастает химическая активность угля по отношению к кислороду. В зависимости оттого, какой из этих процессов будет доминирующим, зависит исход первой стадии.
Рис. 3.3. Изменение максимальной температуры угля в процессе самовозгорания
Вторая стадия происходит при выпаривании имеющейся изначально в угле влаги, а также образованной в результате химических реакций воды в интервале температур 60–120 С. Из-за больших потерь тепла на испарение жидкой фазы температура скопления стабилизируется или даже немного понижается. Длительность второй стадии может доходить до 30 сути зависит от интенсивности выделения тепла и его потерь в окружающее пространство. После испарения жидкости большая часть образующегося тепла идет на повышение температуры угля. Начинается третья стадия – возгорание, особенностью которого является быстрый рост температуры окисляющегося материала. Поступающий кислород перестает удерживаться углем и весь переходит в летучие продукты окисления. При дальнейшем повышении температуры летучие горючие вещества (СОН, СН
4
и др, выделяемые углем, начинают реагировать с кислородом. Когда концентрация этих веществ вблизи поверхности угля достигает предела воспламенения, образуется пламя.

При температуре воспламенения с углем начинают реагировать СО
2
и НО. Образующиеся горючие газы СО и Н
2
взаимо- действуют с притекающим кислородом, выделяя значительное количество тепла. Реакция угля с СО
2
и НО эндотермична (поглощает тепло, поэтому температура угля становится ниже температуры прилегающего к нему слоя газа. Она поддерживается конвективным переносом тепла и излучением из фронта пламени. После появления пламени температура очага стабилизируется на уровне, определяемом притоком свежего воздуха.
Развитие первой стадии (низкотемпературного окисления) может происходить при небольшом притоке кислорода. Исследования показали, что необходимое количество кислорода может обеспечить молекулярная диффузия. Однако по мере роста температуры потребность в кислороде увеличивается и для его подвода требуется фильтрация воздуха через разогревающееся скопление. В зависимости от физико-химических свойств окисляющегося материала существует оптимальная скорость фильтрации воздуха, которая обеспечивает максимальный для данных условий прирост температуры. В случае если скорость воздуха меньше оптимальной, скорость повышения температуры замедляется, начинается перемещение очага навстречу потоку воздуха. Превышение скорости фильтрации воздуха оптимального значения приводит к усиленному выносу тепла из очага, что сопровождается замедлением процесса самовозгорания и может вызвать перемещение очага походу струи газа.
По мере повышения температуры угля в скоплении начинает увеличиваться выделение различных газов. Так, возрастает выделение метана, радона, на стадии выпаривания усиливается вынос водяного пара. Экспоненциально с ростом температуры увеличивается образование оксида углерода, водорода, углекислого газа, этана, пропана, этилена, пропилена и других углеводородов. Влияние некоторых параметров на процесс самовозгорания угля
Для оценки степени влияния отдельных параметров на процесс самовозгорания использовалась система уравнений
(3.8)–(3.9). В качестве модели выбиралось скопление угля со следующими базовыми параметрами L = 3,0 м
1
 = 1 200 кг/м
3
;
m = 0,3; Q = 1,26Ç10 7
Дж/м
3
; E = 6,28Ç10 4
Дж/моль. С целью упрощения расчетов испарение влаги происходило при температуре
373 Ка его скорость подбиралась из условия поддержания этой температуры до полного высушивания угля.
При оценке влияния отдельных факторов на процесс в качестве критерия использовали время разогрева скопления угля до температуры 423 К (150 С. Расчеты показали, что довольно существенно на процесс самовозгорания воздействует изменение теплоемкости угля (риса. Повышение теплоемкости угля от
1,1 до 1,8 кДж/(кгÇК), те. в 1,6 раза, увеличивает длительность начальной стадии в 1,5 раза. Время разогрева угля в зависимости от теплоемкости выражается формулой 1
с


,
(3.10)
где  – длительность разогрева до 423 К, сут с – теплоемкость скопления угля, Дж/(кгÇК).
Изменение коэффициента теплопроводности скопления угля незначительно влияет на начальную стадию разогрева рис. 3.4, б. Так, увеличение коэффициента теплопроводности в
2 раза приводит к росту времени разогрева до критической температуры только в 1,04 раза. Длительность формирования области с заданной температурой в зависимости от коэффициента теплопроводности угля можно описать уравнением 20
,
(3.11)
где

–
коэффициент теплопроводности скопления угля,
Вт/(мÇК).
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод,
что изменение теплопроводности и теплоемкости угольных скоплений может только замедлить процесс самовозгорания, ноне предотвратить его. Поэтому увеличение этих параметров целесообразно производить в комплексе с другими воздействиями.
Рис. 3.4. Влияние теплоемкости (аи коэффициента теплопроводности (б) скопления угля на длительность разогрева до
423 К
Существенно затормозить или предотвратить процесс самовозгорания угля способна инертизация (например, разбавлением воздуха инертными газами, приводящая к снижению концентрации кислорода в воздухе (риса. В этом случае наблюдается увеличение продолжительности как начальной стадии разогрева, таки стадии экспоненциального повышения температуры.
Из расчетов следует, что при заданной химической активности угля и содержании кислорода менее 10 % возгорания угля в расчетные суток не произошло. Интересно отметить, что по мере падения концентрации кислорода в потоке воздуха уменьшается и величина оптимальной скорости воздуха, обеспечивающей наибольший прирост температуры.
Степень влияния этого параметра иллюстрируется тем фактом, что сокращение концентрации кислорода в 1,7 раза приводит к увеличению продолжительности развития процесса самовозгорания до принятой критической температуры в 2,4 раза. Дальнейшее снижение содержания кислорода вызывает резкое падение скорости разогрева. Длительность разогрева угля в зависимости от концентрации кислорода в воздухе можно определить по выражению 10 119
ln
3 10 где С – концентрация кислорода.
а
б
Рис. 3.5. Время разогрева угля в зависимости от концентрации кислорода (аи скорости фильтрации воздуха (б) Приведенные результаты свидетельствуют о целесообразности и эффективности применения инертизации атмосферы выработанного пространства для предотвращения развития самовозгорания угля. Однако входе моделирования установлено, что критическое значение концентрации кислорода, позволяющее предотвратить эндогенный пожар, является переменной величиной, зависящей отряда факторов. В наибольшей степени на критическую концентрацию влияют сорбционная активность угля и скорость фильтрующегося газа. Так, увеличение сорбционной активности угля в 1,4 раза по сравнению с базовым вариантом создает условия для развития высокотемпературного очага в течение сут при концентрации кислорода 10 Аналогичное действие оказывает скорость фильтрации газа.
Например, снижение расхода газа через скопление угля до мс при концентрации кислорода 10 % и сохранении остальных базовых параметров скопления также приводит к возникновению эндогенного пожара через 70–80 сут. Поэтому при реализации способа предотвращения эндогенных пожаров путем инертизации атмосферы выработанного пространства возникают трудности с определением пожаробезопасной концентрации кислорода. Кроме того, сниженное содержание кислорода необходимо поддерживать в течение длительного времени, что потребует расхода большого количества инертного газа. Осложняет использование способа инертизации для предупреждения эндогенных пожаров опасность выноса инертной атмосферы из выработанного пространства в действующие горные выработки.
Исследование влияния расхода проходящего через уголь воздуха на процесс самовозгорания осуществлялось в интервале скоростей от до мс. На рис. 3.5, б приведено влияние скорости продувки воздуха на время разогрева скопления угля до заданной температуры. Описать данную зависимость можно уравнением 10 397 2
3 10 18
,
296
exp(
V
V






, где V – скорость фильтрации воздуха, м/с.
Полученные результаты показывают, что изменение скорости воздуха неоднозначно влияет на процесс самовозгорания. Для каждого конкретного случая, определяемого набором свойств скопления угля и влиянием окружающей среды, существует оптимальная скорость, при которой достигается наибольший рост температуры. Причем величина оптимальной скорости меняется на всем протяжении конкретного процесса самовозгорания по мере роста температуры. На первых стадиях, при низкотемпературном окислении, эта скорость минимальна. При увеличении температуры угля для поддержания максимального темпа разогрева требуется непрерывное повышение скорости фильтрующегося воздуха