Full Text

Введение Для оценки качества каменного угля проводят технический анализ по известным стандартным методикам, но при этом исследуют не сам уголь, а его образцы, диспергированные до фракции 0-200 (212) мкм [1-7]. Именно в таком широком диапазоне в действующих нормативах рекомендуется определять технические показатели и взрывопожароопасные свойства каменного угля. Многие исследователи достаточно хорошо изучили влияние дисперсионного состава угля на его пожаротехнические свойства, и в большинстве работ подтверждается увеличение взрывопожароопасности с уменьшением фракций [8-10]. Однако только с применением современных приборов и аппаратуры, позволяющих использовать термогравиметрический (ТГ) и дифференциально-термический (ДТА) анализ, появилась возможность выявить новые количественные и качественные зависимости влияния дисперсионного состава угольной пыли на процесс пиролиза. Полученные нами экспериментальные данные свидетельствует о том, что локализация дисперсионного состава угольной пыли меняет ее взрывопожароопасные свойства [8-15]. За последние несколько лет выросла угледобыча, которая привела к росту чрезвычайных ситуаций, в том числе и со смертельным исходом (массовой гибелью шахтеров) [16-19]. Данные обстоятельства свидетельствуют о необходимости поиска новых подходов к решению вопросов промышленной и пожарной безопасности, связанных с обеспечением безопасности на объектах минерально-сырьевого комплекса [20-26]. Одно из решений, направленных на повышение пожарной и промышленной безопасности, - применение современных наукоемких методов по определению технических показателй каменного угля как сырья, а также его взрывопожароопасных свойств [27-31]. С учетом того, что исследований для определения взрывопожароопасных свойств, направленных на изучение поведения угольной пыли различных фракций (от 0 до 200 мкм), не проводилось, мы предприняли попытку исследовать процесс пиролиза отдельно взятых фракций в окислительной среде. Цель работы Выполнить дисперсионный анализ стандартных образцов, подготовленных для проведения технического анализа, и оценить влияние на процесс пиролиза в окислительной среде каждой фракции каменноугольной пыли каменного угля марки Ж. Объект исследования Объектом исследования служили образцы каменного угля марки Ж Воргашорского месторождения, диспергированные и рассеянные на фракции. Фракционный состав: 0-45; 45-63; 63-94; 94-125; 125-140; 140-200; 200-250 и 250-315 мкм. Методы и методики исследования Для достижения поставленных целей мы применяли методы дисперсионного анализа, сухой гранулометрический рассев и методы термогравиметрии и дифференциально-термического анализа. В качестве образца для исследования была отобрана проба каменного угля марки Ж Воргашорского месторождения. Отобранный образец угля был подготовлен для размола на вибрационной конусной мельнице-дробилке ВКМД-10. После размола полученная диспергированная масса угля была направлена на сухой рассев. На рис. 1 представлен внешний вид аналитической просеивающей машины серии AS 200 фирмы Retsch. а б Рис. 1. Внешний вид просеивающей машины с подсоединенным для образующегося статического электричества заземлителем: 1 - рукоятка переключения вибрационного усилия; 2 - регулировка времени рассева (а); увеличенный набор сит с указанием ячейки сита (б) Данный тип рассеивающей машины обеспечивает плавный, неударный способ рассева. При безударном способе просева ячейки практически не засоряются и легко очищаются от остатков. Поскольку отсутствует эффект «пробивки» частиц при ударном способе рассева, то фракции получаются более строгих форм по дисперсионным параметрам. Результаты гранулометрического рассева отобранной пробы каменного угля марки Ж, измельченного с помощью ВКМД-10, приведены в таблице. Результаты рассева образца каменного угля марки Ж Воргашорского месторождения Дисперсность фракции, мкм Выход фракции, % 0-45 3,78 45-63 18,56 63-94 32,77 94-125 14,58 125-140 9,74 140-200 20,55 Согласно данным таблицы видно, что фракционный состав неоднородный. Только на долю фракции 63-94 приходится 32,77 %, а в совокупности на фракции меньше 94 мкм - более 55 %. Полученные данные подтверждают необходимость исследования взрывопожароопасных свойств более узких фракций пыли, а не только прохода дисперсностью менее 212 мкм. Дальнейшие исследования процесса пиролиза проводили на установке STA 449 F3 Jupiter. В качестве окислительной среды выбран воздух (окислитель - кислород воздуха). Условия проведения эксперимента выбраны с учетом результатов предыдущих исследователей и имеющихся методик по термогравиметрическому анализу. Данная установка представляет собой совмещенный ТГА/ДСК/CTA-анализатор, STA 449 F3 Jupiter, работающий под управлением программного пакета NETZSCH Proteus Termal Analysis. При проведении экспериментов применяли термогравиметрический и дифференциально-термический анализ и программную экспресс-обработку полученных данных. Выбор условий испытаний и примененных методов основан на анализе литературных и нормативно-правовых данных [32-41]. Условия проведения испытаний: термопара (модуль) - тип S; масса образца - 10 мг; скорость нагрева - 20 °С/мин; расход газа (воздух) - 40/60 мл/мин; конечная температура нагрева - 900 °С; термостатирование в течение 10 минут при 900 °С и охлаждение; окислительная среда - воздух. На рис. 2 представлен результат термогравиметрического исследования процесса пиролиза фракций 0-45, 45-63, 63-94, 94-125, 125-140, 140-200. Дополнительно исследовали и более крупные фракции пыли, а именно 200-250 и 250-315 мкм, также представленные на рис. 2. Рис. 2. Графики термогравиметрического и дифференциально-термического анализа образцов каменноугольной пыли различной дисперсности Из данных, приведенных на рис. 2, видно, что кривые ТГ разделились на три группы и кривые ДТА также образовали три группы по фракционному составу, аналогичные группам ТГ. В первую группу вошла фракции 0-45 мкм (черная кривая) и 45-63 мкм (сиреневая кривая). Вторая кривая, являющаяся «границей» между первой и третьей группами, представлена только фрацией 63-94 мкм (красная кривая). Третью большую группу совпадающих (накладывающихся друг на друга) кривых составляют остальные фракции: 94-125, 125-140, 140-200, 200-250 и 250-315 мкм (ниже на рис. 3 и 4 третья группа представлена фракцией 250-315 мкм синего цвета). Для наглядности и возможности сопоставления приведенных в статье результатов ТГ- и ДТА-анализов на рис. 3 и 4 кривые одной и той же фракции имеют один и тот же цвет, что и на рис. 1. Черный цвет соответствет фракции угольной пыли дисперсностью 0-45 мкм, красный цвет - 63-94 мкм и синий цвет - 250-315 мкм. Рис. 3. Графическое отображение данных термогравиметрического анализа образцов каменноугольной пыли дисперсностью 0-45 (черная), 63-94 (красная) и 250-315 (синяя кривая) мкм Полученные результаты подтвердили предположение о неоднозначности поведения угольной пыли в зависимости от ее дисперсности в условиях нагрева в воздушной (окислительной) среде. Кроме того, результаты ТГ- и ДТА-анализа показали необходимость изучения именно узких фракций, а не фракции 0-212 мкм, как предписывается нормативными документами [3-7, 13]. Рис. 4. Результаты программной экспресс-обработки кривых dДТА с помощью программного пакета NETZSCH Proteus Termal Analysis: 0-45 мкм - черная, 63-94 мкм - красная и 250-315 мкм - синяя кривая Результаты программной экспресс-обработки кривых ТГ с помощью программного пакета NETZSCH Proteus Termal Analysis приведены на рис. 3. Согласно экспресс-данным программного анализа, приведенным на рис. 3, видно, что начало термической деструкции образцов фракции 0-45 и 63-94 мкм полностью совпадает. Набор массы в интервале температур 250-350 °С свидетельствует о возможном появлении очага тления. Установить точную температуру тления можно при сопоставлении данных термогравиметрического (ТГ), дифференциально-термогравиметрического (ДТГ) и/или дифференциально-термического анализа по первой производной (dДТА) [34-36]. Для всех остальных фракций увеличение массы и разогрева образца не наблюдается, а вот снижение массы начинается с температуры 400 °С, т.е. как минимум на 50 °С позже. Кроме того, в литературных источниках выдвинуто предположение о том, что точке перегиба соответствует максимум выхода летучих и температура самовоспламенения вещества [32, 34-36]. Следовательно если опираться на данные фракционного состава без знания пропорционального соотношения между фракциями и термических характеристик каждой фракции, достоверность оценки взрывопожаротехнических свойств угольной пыли сильно занижается. На рис. 4 представлены результаты дифференциально-термического анализа по первой производной. Они также подтверждают наши предположения о главенствующей роли мелкодисперсных фракций в инициации окислительно-восстановительных процессов, приводящих к возникновению очагов тления при более низких температурах. На рис. 4 приведены dДТА-кривые, по которым, в отличие от ДТА-кривых, представленных на рис. 1, можно лучше визуально оценить протекающие в исследуемом образце эндо- и экзотермические эффекты. В образцах дисперсностью 0-45 и 63-94 мкм от 175 °С начинается выделение тепла, которое, по нашим предположениям, приводит при температуре, равной 293 °С (фракция 0-45 мкм) и 299 °С (фракция 63-94 мкм), к возникновению тления в данных образцах каменноугольной пыли. Данные результаты хорошо согласуются со справочными значениями температур тления, но достоверно это утверждать можно, только проведя дополнительный эксперимент по определению температуры тления по стандартной методике и сравнив полученные значения. Для всех остальных образцов дисперсностью более 94 мкм разогрев образцов начинается с 420 °С и экзотермический пик определяется при температуре 448,9 °С. Разница между этими пиками в образцах 0-45, 63-94 и 94 мкм и выше составляет около 150 °С, а это уже существенно. Кроме того, максимальный экзотермический эффект образцов с меньшей дисперсностью также наблюдается при более низкой температуре, равной 677,7 °С, чем у всех остальных образцов дисперсностью выше 94 мкм (94-125; 125-140; 140-200; 200-250 и 250-315 мкм). Выводы 1. Для увеличения достоверности данных технического анализа необходимо прикладывать к ним дисперсионный паспорт, т.е. в сопроводительной документации приводить данные гранулометрического анализа пробы, направляемой на технический анализ. 2. Предлагаем при определении взрывопожароопасных свойств каменноугольных пылей исследования проводить с образцами фракционного состава 0-100 мкм, а не 0-212 (200) мкм, как рекомендовано в [3-7, 13] и ряде других нормативно-правовых документов. 3. Методы термогравиметрического и дифференциально-термического анализа при их совместной интерпретации позволяют судить о взрывопожароопасных свойствах каменноугольной пыли при ее пиролизе в воздушной среде. Для этого нужна разработка пакета нормативно-правовых документов, устанавливающих требования к методикам определения взрывопожароопасных свойств каменноугольной пыли с помощью термогравиметрии и дифференциально-термического анализа.

About the authors

Vladimir A. Rodionov

Author for correspondence.
Email: 79213258397@mail.ru
149 Moskovskiy av., Saint Petersburg, 199105, Russian Federation

PhD in Engineering, Associate Professor, Doctorate Student at the Faculty of Highly Qualified Personnel Training

Leonid V. Pikhkonen

Email: igpsmining@list.ru
149 Moskovskiy av., Saint Petersburg, 199105, Russian Federation

PhD in Engineering, Head of the Department of Mine Rescue and Explosion Safety

Sergey Ya. Zhikharev

Email: perevoloki55@mail.ru
78 Sibirskaya st., Building A, Perm, 614007, Russian Federation

Doctor of Engineering, Chief Research Fellow

References

Statistics

Views

Abstract - 376

PDF (Russian) - 94

PDF (English) - 239

Refbacks

• There are currently no refbacks.