Глава I
СКЛОННОСТЬ УГЛЕЙ К САМООКИСЛЕНИЮ И ПОТЕРИ КАЧЕСТВА КАМЕННОГО УГЛЯ ПРИ ХРАНЕНИИ
ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕЙ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Каменный уголь, являясь сложным продуктом органических соединений, всегда взаимодействует с кислородом воздуха. В результате такого взаимодействия структура угля и его свойства с течением времени изменяются. Так, например, уменьшается теплота сгорания (теплотворная способность), снижается содержание основных горючих веществ — углерода и водорода, понижается способность угля к коксованию и спекаемости, увеличивается содержание кислорода, повышается гигроскопичность угля, пиритная сера, содержащаяся в угле, переходит в сульфатную и т. д.
Взаимодействие угля с кислородом начинается ещё при залегании его в пласте. Замечено, что в угле, добытом из верхних пластов, кислорода больше, чем в угле, полученном из пластов более глубокого залегания, что объясняется более легким проникновением воздуха к пластам угля мелкого залегания.
У добытого угля окислительные процессы становятся более интенсивными, при этом наблюдается заметное выделение тепла. Специальными исследованиями установлено, что присоединение 1 дц3 кислорода к углю способствует выделению 2,1 ккал тепла.
При определённых условиях хранения уголь в результате окисления нагревается вплоть до самовозгорания. Для объяснения причин самонагревания угля выдвигались различные теории, по-разному трактующие причины возникновения и развития этого процесса. К числу этих теорий относятся: пиритная, пиритно-фюзенная, фенольная, бактериальная, теория непредельных соединений и адсорбционная, или теория образования и распада углекислородных комплексов.
Согласно пиритной теории самонагревание угля объясняется быстрым окислением пирита (железного колчедана FeS2), который довольно часто встречается в угле в виде минеральной примеси этой теорией, однако, нельзя было объяснить самонагревание углей, не содержащих пирита, а также тот факт, что у некоторых углей с большим содержанием пирита быстрого самонагревания не наблюдалось. Очевидно, если влияние пирита на процесс самонагревания и имеется, то оно незначительно, и полностью приписывать явления самонагревания угля присутствию пирита нет оснований.
Пиритно-фюзенная теория объясняет явления самонагревания и самовозгорания углей при хранении наличием в угле фюзепа, насыщенного пиритом. Сторонники этой теории полагают, что присутствие в угле только пирита без наличия фюзена замедляет процесс самонагревания настолько, что в обычных условиях хранения угля явления самовозгорания не наблюдается; наличие жефюзена с пиритом обеспечивает быстрое окисление угля и является важнейшей причиной самовозгорания.
Фенольная теория объясняет самонагревание угля влиянием кислорода воздуха на фенольные группы, содержащиеся в угле, в результате чего выделяется большое количество тепла.
Бактериальная теория объясняет самонагревание углей деятельностью бактерий, однако исследованиями, проведёнными Академией наук СССР в последние годы, установлено, что деятельность бактерий не может быть причиной самонагревания каменных углей.
Теория непредельных соединений предполагает, что выделение тепла в каменных углях происходит вследствие окисления кислородом воздуха ненасыщенных органических соединений, содержащихся в углях. По их содержанию судят о склонности того или иного сорта угля к окислению.
Наибольшее распространение и признание имеет в настоящее время теория адсорбции угля кислородом воздуха, т. е. теория образования и распада углекислородных комплексов, которые меняют свою структуру при низкой температуре при соединении с кислородом воздуха. Образование и распад этих комплексов сопровождаются выделением теплоты, достаточной для того, чтобы в определённых условиях хранения угля температура его повысилась до величины (250—380°), при которой начинается усиленный химический распад угля.
Все практические мероприятия по улучшению хранения углей, которые проводятся в последние годы, вытекают из этой теории и уже в настоящее время дают известный эффект.
2. САМОНАГРЕВАНИЕ И САМОВОЗГОРАНИЕ УГЛЯ ПРИ ХРАНЕНИИ
Главной причиной самонагревания угля является доступ к поверхностям частиц угля кислорода воздуха, в результате чего кислород адсорбируется углём с выделением некоторого количества тепла. В случае, когда отвод тепла от хранящегося угля происходит медленнее, чем его выделение, — процесс накопления тепла ускоряется и в угле появляются очаги самовозгорания. Следовательно, борьбу с самонагреванием и самовозгоранием угля эффективно можно вести в двух направлениях: а) уменьшая доступ воздуха к окисляющейся поверхности угля и б) уменьшая окисляющуюся поверхность угля.
Всякий свежедобытый уголь обладает большой адсорбционной способностью к поглощению кислорода, которая уменьшается по мере насыщения поверхности угля кислородом, если процесс происходит в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Если окисленный уголь некоторое время остаётся без доступа воздуха, то способность угля поглощать кислород восстанавливается. Это было обнаружено при проведении опытов по определению скорости окисления угля разных марок и объясняется тем, что воспринятый поверхностью угля кислород с течением времени проникает вглубь кусков угля, позволяя поверхностным слоям вновь поглощать кислород с прежней скоростью.
Существенное значение для процесса адсорбции имеет внешняя влага, которая, попадая на поверхность частиц угля, смывает окисленные слои и обнажает свежие поверхности. Однако влага не всегда способствует процессу самонагревания: при большом увлажнении угля влага как бы является ингибитором и, предохраняя уголь от соприкосновения с воздухом, задерживает окисление и тем самым становится положительным фактором. Очевидно, этим и можно объяснить тот факт, что при хранении углей под водой длительное время изменения их физико-химических свойств не наблюдается.
Наблюдения за углём, добытым из пласта на поверхность, показывают, что не все марки угля одинаково подвержены самонагреванию. Больше того, даже у одной и той же марки угля и одной шахты, но различного размерного состава самонагревание происходит по-разному: у сортированного угля, состоящего из крупных кусков, при длительном хранении в обычных условиях самонагревания не наблюдается, в то время как такой же уголь, но в смеси с мелкими фракциями (рядовой) наиболее подвержен самонагреванию.
Установлено, что склонность угля к самонагреванию и самовозгоранию при прочих одинаковых условиях зависит от возраста угля или от степени метаморфизма угля.
Угли по склонности их к самонагреванию разделяются на следующие четыре группы:
- наиболее устойчивые при длительном хранении — антрациты всех месторождений;
- устойчивые при длительном хранении каменные угли: донецкий марки Т, донецкий марки Г—концентрат, кузнецкий марки Т, черемховский марки Д, сучанский марок Т, ПЖ, Г, печорский марки ПС и силезский — сортированный;
- средней устойчивости при длительном хранении каменные угли: донецкий марок ПЖ, К, ПС, Г; кузнецкий марок СС, К, ПЖ, Г; карагандинский марок ПЖ, ПС; печорский марки Г; кизеловский марки ПЖ; хакасский марки Д; букачачинский марок Г, ПЖ; среднеазиатский марки Г; сахалинский марок Т, К, Д и силезский рядовой;
- неустойчивые при хранении каменные угли: кузнецкий марки Д, печорский марки Д; тквибульский марки Г и ткварчельский марки ПЖ.
При рассмотрении вопроса устойчивости той или иной группы углей к окислению нельзя упускать из виду, что, помимо физико- химических свойств угля, на самонагревание влияют и такие факторы, как температура окружающей среды, степень доступа воздуха к частицам угля, способ укладки угля в штабели, уход за штабелями в период хранения и т. д. Можно создать такие условия хранения, когда малостойкий уголь может храниться значительно лучше, чем уголь, стойкий к самовозгоранию.