Механизм развития процесса самовозгорания угля

Основываясь на базовых теориях термодинамики и физической химии можно сделать вывод о том, что самовозгорание угля представляет собой сложный многостадийный процесс сушки химически активного материала, сопровождающийся фазовыми превращениями в гетерогенной системе «уголь - воздух» и развитием химической реакции окисления.

Аналитический обзор литературных источников, патентных материалов и результатов, выполненных ВостНИИ [1-6], экспериментальных исследований с позиций кинетики окисления угля дал основания для выдвижения рабочей гипотезы о формировании очагов самовозгорания угля, которая сформулирована следующим образом: «Формирование очага самовозгорания угля происходит в зоне адиабатического насыщения воздуха, фильтрующегося через угольное скопление, а местоположение этой зоны предопределяется внешним тепло- и массообменом при протекании гетерогенной реакции окисления в низкотемпературном интервале, соответствующем термодинамическим характеристикам фаз системы «уголь - воздух». Дальнейшее развитие окислительных процессов в сформировавшемся очаге зависит от условий внутреннего массообмена в угольной фазе».

Для выяснения сущности отдельных стадий и выдвинутой гипотезы формирования очагов самовозгорания угля, разработана физическая модель механизма развития этого явления. Она базируется на основных положения теории сушки коллоидных капиллярно пористых материалов и закономерностях кинетики гетерогенных реакций с учётом тепло- и массообмена процессов в системе «уголь - воздух».

Физическая модель механизма развития процесса самовозгорания угля представлена на рис. 1. В модели предусматривается, что начальная температура угля меньше температуры адиабатического насыщения воздуха, имеющего относительную влажность φ < 1. При указанных термодинамических характеристиках фаз системы «угольное скопление–окружающая среда» в ней протекают тепло- и массообменные процессы в таком направлении, при котором происходит нагревание угля даже в начальный период времени (рис.1, 3 и 4 ). Это сопровождается увеличением интенсивности влагообмена с поверхности угольного скопления и снижением его влагосодержания, в результате чего повышается скорость химической реакции окисления угля к (рис.1, 1 и 2 ).

В соответствие с выдвинутой гипотезой наибольший практический и научный интерес представляет исследование начальной стадии процесса, в конце которой температура становится равной температуре адиабатического насыщения воздуха. Аналитическое определений продолжительности этой стадии связано с решением задачи по нагреванию (охлаждению) газом неподвижного слоя кусковых материалов, известной как задача Т. Шумана.

Прогревание угольного скопления воздухом в начальный период сопровождается процессами массо-передачи веществ из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз системы «уголь–воздух». К таким процессам следует отнести удаление влаги из угля путём её испарения (сушка) и соединение угольного вещества с кислородом (окисление).

Перенос влаги и кислорода внутри куска угля происходит за счёт молекулярной диффузии, которая является весьма медленным процессом и зависит от вида переносимого вещества, свойств угля, температуры и давления. Этот вид переноса веществ в пределах одной фазы называется внутренней массоопередачей.

В движущейся фазе наблюдается внешняя массо-передача, которая является сложным процессом и определяется как молекулярной диффузией, так и непосредственным переносом веществ, благодаря наличию скорости потока. Такой вид суммарного переноса веществ зависит от гидродинамических условий процесса (скорости потока и масштаба турбулентности) и называется турбулентной (конвективной) диффузией.

Рис. 1. Физическая модель механизма развития процесса самовозгорания угля: 1 – состояние системы «уголь – воздух», соответствующее выдвинутой гипотезе о формировании очагов самовозгорания угля; 2 – область параметров окружающей атмосферы воздуха при торможении процесса окисления и самонагревания угля.

В процессе сушки суммарный (результирующий) поток влаги внутри куска угля определяется диффузией и термодиффузией. Решающую роль в перемещении водяного пара с поверхности кусков угля в окружающую среду играет внешняя массопередача, которая зависит от температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха. Эти параметры влияют на продолжительность процесса конвективной сушки и критическое влагосодержание материалов. Так, согласно экспериментальным данным ВостНИИ, при постоянной скорости движения и температуре воздуха повышение его относительной влажности с 60 % до 85 % увеличивает продолжительность сушки в 1,6 раза при одинаковом конечном влагосодержании угля. Увеличение скорости движения воздуха существенно повышает интенсивность сушки в первом периоде и значительно меньше сказывается в конце процесса сушки. При прочих равных параметрах повышение температуры воздуха в 3 раза увеличивает интенсивность сушки в первом периоде в 2,5 раза.

В реальных условиях шахты из рассмотренных выше параметров, влияющих на интенсивность сушки в начальный период, в значительных пределах может изменяться лишь скорость движения утечек воздуха через разрыхленные скопления угля в выработанном пространстве. Эти изменения обусловлены, главным образом, неустойчивым проветриванием выемочных полей, особенно при наличии диагональных соединений, колебаниями барометрического давления на земной поверхности и повышением аэродинамического сопротивления выработанного пространства при увеличении расстояния до очистного забоя. Сказанное даёт основания полагать, что в начальный период окисления угля интенсивность влагообмена определяется скоростью фильтрации воздуха через угольное скопление.

В процессе сушки в периоды времени τ 2 и τ 3 происходит замедление интенсивности влагообмена и уменьшение скорости сушки (рис.1, кривые 1 и 3 ) вследствие углубления зоны испарения и увеличения пути диффузии водяных паров внутри куска угля. Это приводит к сокращению расходуемого на испарение влаги количества выделяющегося тепла, большая часть которого воспринимается угольным веществом. По указанной причине температура угля повышается, что в свою очередь увеличивает скорость химической реакции окисления (рис. 1, кривые 2 и 4 ). Причём в период времени τ₂ температура угля превышает температуру окружающей среды, а потоки тепла и влаги в куске угля имеют одинаковое направление (от угля к воздуху). Однако увеличение интенсивности испарения влаги в микро – и макрокапиллярах по мере роста температуры угля не компенсирует снижение коэффициента влагообмена β_вл из-за повышения длины пути диффузии водяных паров.

Рост константы скорости реакции окисления в периоды времениτ 2 и τ 3 возможен лишь при увеличении притока кислорода внутрь куска угля. Поэтому развитие процессов самонагревания угля в эти периоды времени определяется условиями внутренней массопе-редачи кислорода, при которой скорость процесса сравнительно мало зависит от скорости потока.

Кинетика гетерогенного процесса, в котором диффузный перенос реагирующего вещества через поверхность раздела фаз сопровождается химической реакцией, может быть установлена с использованием метода, предложенного Д. А. Франк–Каменецким. Для рассматриваемой системы «уголь–воздух» диффузия происходит из фазы I (воздух) в фазу II (уголь), в которой протекает химическая реакция, а концентрация кислорода в объёме фазы I и С = Со.

Тогда диффузия кислорода в уравнением:

. §2N _ 5-С

52у " С-т , на границе фаз угле описывается

С учётом стока кислорода за счёт реакции окисления угля уравнение (1) принимает вид х 52N  5- С ~    m

А -^—=----+ N - к , ⁽²⁾

52 у  С-т где к - константа скорости реакции окисления угля.

Решение уравнения (2) для стационарного режима с учётом краевого условия, (при у = 0, С = С ₀ имеет вид

N = N 0 а

.

Из уравнения (3) следует, что глубина проникновения кислорода внутрь куска угля ( у ) зависит от соотношения между коэффициентом диффузии Д и к -константой скорости реакции окисления угля.

При стационарном процессе окисления угля поток кислорода к поверхности раздела фаз должен быть равен потоку в глубину куска угля, т.е.

I =P k ( C ₀ - C ) = С 'Т А - к ,  (4)

где P’ - коэффициент внешней массопередачи кислорода; С - коэффициент кислорода у поверхности угля.

Из баланса кислорода на границе фаз системы

«уголь–воздух» определяем

P k N о

N ' =

Р к + А - - к

/ P‘ V о Т А - к .       (5)

Р к + Т А - к

В том случае, когда р‘ < Ч А - к) поток кислорода определяется выражением I   P'. V0, т.е. зави- сит от коэффициента внешней массопередачи. При развитии процесса окисления угля такое соотношение параметров может наблюдаться при относительно малых скоростях воздушного потока или при сравнительно высоких температурах, которые соответствуют уже сформировавшемуся очагу самовозгоранию угля.

При р‘ > (J4 . к), поток кислорода I = С0ТА - к, т. е. скорость окисления угля опреде- ляется внутренней массоотдачей кислорода и протеканием химической реакции. Указанное сочетание параметров и существенное влияние их на процесс окисления могут быть при относительно высоких скоростях воздушного потока и при сравнительно низких температурах, которые обычно имеют место в начальный период самовозгорания угля. В этот период обычно происходит окисление главным образом свежеобнаженных поверхностей угля, общее количество сорбированного кислорода невелико, а диффузия его внутрь кусков затруднено вследствие того, что микро- и макропоры поры заполнены метаном и влагой.

При углублении зоны испарения и увеличения регулирующей поверхности для интенсификации процесса окисления угля необходимо повышения расхода кислорода, что в свою очередь требует увеличения скорости воздушного потока (рис. 1 кривые 8 и 9). Фактором имитирующим развитие процесса в целом в этот период, может быть или внутренняя массопереда-ча кислорода в соответствии с рассмотренными выше соотношениями параметров.

Отсутствие перепада влагосодержаний между поверхностью и центром кусков угля, что имеет место в период времени т3, характеризуется развитием процесса окисления по всему объёму кусков и наибольшими значениями объёма поглощённого кислорода и скорости воздушного потока (рис. 1, кривые 8 и 9).

Выводы:

• 1.    Результаты анализа теоретических положений разработанной физической модели механизма развития процесса самовозгорания угля показали определяющее влияние на продолжительность начальной стадии окисления внешней массопередачи влаги (от угольного скопления к окружающей атмосфере) в в соответствии с выдвинутой гипотезой формирования очагов эндогенных пожаров. Причём поток влаги в указанном направлении зависит от параметров термодинамического состояния системы «уголь–воздух» в период времени т 1 , (рис. 1, заштрихованная область «А»);

• 2.    В том случае, если проходящий через угольное скопление воздушный поток, начиная с некоторого момента времени, имеет термодинамические параметры, расположенные в области «Б» на рис. 1, то будет происходить внутреннее увлажнение угля. Это обусловлено направленностью тепло- и влагообменных процессов, которые сопровождаются охлаждением воздушного потока, конденсацией водяных паров на поверхности кусков и замедлением скорости сушки и окисления угля. Поэтому поддержание указанных термодинамических параметров окружающей среды является по существу альтернативным техническим решением по торможению развития процесса окисления и самонагревания угольного скопления.