XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проблема самовозгорания бурого угля

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галсанова Е.О. 1

---

1МБОУ "Хоронхойская СОШ"

Колодина Н.А. 1

---

1МБОУ "Хоронхойская СОШ"

Работа в формате PDF

370 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Уголь один из самых известных и перспективных из используемых человеком видов топлива. Уголь играет важную роль в электроэнергетике, особенно у нас в Бурятии, где до сих пор нет альтернативных видов топлива.

Бурым углём называют осадочную породу, которая образуется при разложении остатков древних растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Процесс образования и состав бурого угля сходен с каменным, но бурый является менее ценным. Однако месторождений бурого угля на планете больше, а залегает он на меньшей глубине. Поэтому добыча такого угля является менее затратной.

Ближайшее от нас месторождение бурого угля, расположено в с. Окино-Ключи Бичурского района. В поселке Хоронхой, где я живу, находится участок железнодорожной погрузки. Здесь уголь складируется на временное хранение, а в дальнейшем грузится в железнодорожные вагоны для отправки в точку назначения – Гусиноозерскую ГРЭС (государственная районная электростанция).

На складах уголь укладывается в штабели на негорючее, очищенное от посторонних примесей основание, штабеля укладываются послойно с уплотнением каждого слоя, высоту штабеля ограничивают, уменьшают углы откосов. При неправильном хранении в угольном скоплении образуются трещины и поры, что приводит к формированию процессов теплопереноса между углем и атмосферой, а значит уголь способен самовозгораться и его хранение связано с определенными рисками. Нужна профилактическая работа по предотвращению процессов самонагревания и самовозгорания угля. Поэтому считаю тему своей исследовательской работы актуальной.

Целью моей работы является исследовать способность Окино-Ключевского угля к самовозгоранию.

Задачи, которые были поставлены для достижения цели работы:

• изучить историю развития Окино-Ключевского угольного разреза, а так же процесс добычи угля и его перевозку;

• проанализировать процесс самовозгорания угля с физической точки зрения, выявить основные факторы влияющие на процесс самовозгорания углей;

• ознакомиться с технологией хранения угля на Участке железнодорожной погрузки в п. Хоронхой;

• провести эксперимент с целью наблюдения за температурным режимом штабеля при длительном хранении.

Методы:

-библиографический;

-работа с интернет-источниками;

-наблюдение;

-краеведческий;

-анализ и синтез.

1.1. История создания и Окино-Ключевского угольного разреза

В республике Бурятия из 11 месторождений угля особенно интенсивно разрабатываются Гусиноозерское, Тугнуйской, Сангинское, Дабан-Горхонское, Окино-Ключевское.

Окино-Ключевское месторождение расположено в предгорьях Малханского Хребта, в широкой долине нижнего течения р. Хилок, в 8-10 км в юго-западном направлении от реки. Расстояние от месторождения до железнодорожной станции п. Хоронхой - 89 км.

Официальное открытие Окино-Ключевского угольного разреза состоялось 10 сентября 2008 года, после чего было образовано ООО «Угольный разрез». В период с 2009 по 2010 год проводились геологоразведовательные работы. На 1 января 2013 года общие запасы бурого угля в пределах лицензионного участка составляли более 6 миллионов тонн. Залежи разведанных участков состоят из 11 угольных пластов. По качественным характеристикам уголь Окино-Ключевского разреза оказался наиболее приемлемым для сжигания в котлах на Гусиноозерской ГРЭС, которая и является основным его потребителем.

1.2. Процесс добычи и перевозки угля на Окино-Ключевском угольном разрезе

Добыча производится по транспортной схеме горизонтальными уступами с последовательной отработкой уступов послойно сверху вниз, углубляясь с каждым слоем все глубже. Режим работы разреза круглогодовой - 365 дней в году, при непрерывной рабочей неделе, в две смены по 12 часов каждая.

В сутки на участок железнодорожной погрузки в п. Хоронхой большегрузными автомобилями завозится 8000-10000 тонн угля. Здесь производится разгрузка и формирование штабелей. Этот процесс называется «перевалкой угля». Затем погрузчики берут уголь из штабеля и, аккуратно высыпают его в вагон. За погрузкой внимательно следит по камерам мастер участка. Каждый вагон взвешивается на весах, чтобы не возникло перегруза, формируется состав из 12-13 вагонов и отправляется в точку назначения – Гусиноозерскую ГРЭС.

1.3. Причины самовозгорания угля.

Бурый уголь является сложным продуктом органических соединений, он взаимодействует с кислородом даже при залегании его в пласте. У добытого угля интенсивность окислительных процессов значительно увеличивается. Углерод, являющийся основным веществом в составе угля, реагирует с кислородом воздуха, образуя углекислый газ: C + O₂ → CO₂. Как только эти реакции становятся достаточно значительными, чтобы стать самоподдерживающимися, мы можем сказать, что началось самовозгорание. Иногда это приводит к эндогенным пожарам. Такие пожары могут продолжаться месяцы и годы, а в отдельных случаях – до нескольких сот лет, пока не истощится тлеющий пласт.[1] По оценкам ученых, «Горящая гора» в Австралии - самое старое из известных месторождений угля: пожар там продолжается уже 6000 лет. В 2018 году на знаменитом Коркинском разрезе начался пожар из-за того, что разрез стал бесхозным и вовремя не был замечен. Хотя и были задействованы силы МЧС, но полностью потушить пожар пока не представляется возможным. Крупные пожары также несколько лет назад случились на Харанорском угольном разрезе в Забайкалье и Черногорском месторождении в Хакасии.

Для объяснения причин самонагревания выдвигаются различные теории – это пиритная, пиритно-фюзенная, фенольная, 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.

Пиритно-фюзенная теория объясняет явления самонагревания и самовозгорания углей при хранении наличием в угле фюзена, насыщенного пиритом, что 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.

В настоящее время наибольшее распространение и признание имеет теория адсорбции угля кислородом 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. 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. [2]

О состоянии угля в штабеле можно судить по результатам внешнего осмотра штабелей, по систематическим замерам внутриштабельной температуры, периодическим отборам проб угля и сопоставлению качественных его показателей по техническому и элементарному анализам. 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.

Однако подсчёты и практика хранения угля подсказывают, что влияние воздуха, содержащегося внутри штабеля, очень мало и потери качества угля за счёт окисления им обнаружить невозможно. Поэтому основное внимание при наблюдении за хранящимся в штабеле углём должно быть обращено на уменьшение газообмена в штабеле, т. е. на прекращение или значительное снижение циркуляции в штабеле воздуха, поступающего извне.

Все меры по предупреждению прописаны достаточно четко в «Инструкции по эксплуатации складов для хранения угля на шахтах, карьерах, обогатительных фабриках и сортировках», выпущенной Министерством угольной промышленности СССР еще 10 февраля 1970г.

2. Практическая часть

2.1 Хранение угля на складе участка железнодорожной погрузки.

Рассмотрим теперь, как происходит хранение угля на Участке железнодорожной погрузки. Уголь хранится на открытом воздухе. Запас угля составляет от 20 до 60 тыс. тонн. Как уже отмечалось выше, привезенный уголь формируется в штабеля – их два с каждой стороны от железнодорожного пути. В целях профилактики сомовозгорания угля на складах уголь укладывается в штабели на негорючее, очищенное от посторонних примесей основание, сокращаются сроки хранения, штабеля укладываются послойно с уплотнением каждого слоя, ограничивают высоту штабелей, уменьшают углы откосов. Весной, с началом снеготаяния, штабели очищаются от снега во избежание попадания в уголь большого количества влаги.

Но даже при соблюдении всех норм хранения угля могут наблюдаться очаги самовозгорания. Особенно это заметно в весенне-осенний период, когда вроде бы температура воздуха невысока, но солнце начинает припекать, вызывает таяние снега и летом, когда после проливных дождей, начинается жара, и как отмечалось выше, влажный уголь начинает быстрее окисляться.

Производится осмотр штабелей мастером погрузки и начальником участка ежесменно – ведь для успешной борьбы нужно обнаруживать пожарные очаги в начальной стадии их зарождения. В летнее время внешними признаками очагов самовозгорания служат появление на поверхности угля невысыхающих влажных пятен (или исчезающих с восходом солнца), белых отметин, пропадающих с началом дождя, озолившихся кусков, искрение в ночное время. В зимнее время очаг самовозгорания начинает парить.

Очаги самонагревания ликвидируют путем извлечения такого угля из штабеля и вывоз на отдельную площадку для тушения и охлаждения угля.

2.2 Наблюдение за температурой штабеля при хранении угля (эксперимент)

Для формирования более ясной картины в ходе исследовательской работы было принято решение о проведении эксперимента – наблюдение за температурным слоем внутри штабеля длительный отрезок времени (3 месяца). Но, как оказалось, уголь не хранится на складе участка железнодорожной погрузки длительное время, а сразу отгружается на ГРЭС. Поэтому было решено обратиться в ООО «Коммунальщик» с предложением о проведении эксперимента, так как котельная, относящаяся к данной организации тоже использует в своей работе уголь Окино-Ключевского угольного разреза уже на протяжении 8 лет.

При согласовании проведения наблюдения за штабелем выяснилось, что запас топлива на предстоящий отопительный сезон начинает формироваться в июле месяце, так как отопительный сезон начинается уже с 10-15 сентября в зависимости от погодных условий.

К 20 июлю был сформирован штабель из бурого угля, где находилось примерно 3000 т угля. Длина штабеля составила - 15 метров, ширина – 3 метра, высота около 4 метров, угол наклона 15-20 градусов. В центр штабеля были установлены две трубы высотой 4 метра и диаметром 150 мм.

20 июля были проведены первые замеры. Температура измерялась внутри трубы на глубине 2-3 метра. Температуры внутри штабеля сопоставлялись с температурой окружающей среды. Длительность эксперимента составила ровно три месяца при изменении температуры с 28 градусов нуля до 10 градусов нуля. Замеры температуры происходили каждые 10 дней в одно и то же время: с 11 до 12 часов дня. Результаты эксперимента представлены в таблице.

При анализе полученных данных мы можем увидеть, что в течение первого месяца в штабелях тепло выделялось медленно. Температура угля внутри штабеля практически не отличается от температуры воздуха. Но уже 20 августа при понижении температуры воздуха произошло увеличение теплоотдачи от штабеля в окружающий воздух и снижение температуры в штабеле, что и наблюдалось во второй месяц наблюдения: несмотря на прохладную погоду, прослеживался рост температуры в штабеле до 25 градусов. Максимальный перепад температуры между очагом самонагревания и атмосферой наблюдался 20.09.2024 и составил 20 градусов. В течение третьего месяца, несмотря на снижение температуры воздуха ниже 0 градусов температура в штабеле была выше на 17-19 градусов. 12.10.2024 выпал снег, что привело к снижению притока кислорода к штабелю. В результате этого температура угля и температура воздуха начали сближаться.

Изменение температуры воздуха, а также максимальной температуры в наблюдаемом штабеле приведено на графике. (Приложение 1)

Заключение

Таким образом, при выполнении данной работы я узнала, что уголь, относится к самонагреваемым и самовозгораемым веществам.

Эксперимент показал, что по мере увеличения температуры самонагревание приобретает собирательный характер. Повышение температуры в ядре самовозгорания происходит медленно и постепенно, но может приостановиться с охлаждением.

Проанализировав выше перечисленные гипотезы, я выделила основные факторы, способствующие самовозгоранию угля (в порядке значимости):

1) Условия доступа кислорода к частицам угля, ускоряющие процесс окисления (т.е. степень трещиноватости, пористости, разрыхления).

2) Накопление тепла в очаге самовозгорания.

3) Степень увлажненности угля и окружающего его воздуха.

4) Наличие примесей, активно участвующих в процессе окисления (Fe, S, Са, Na, Cl, и др.).

Моя гипотеза, о зависимости процесса возникновения очагов самовозгорания от температуры атмосферного воздуха, подтвердилась.

Из-за поздней закладки штабеля удалось зафиксировать только процесс самонагревания угля. Нужно такой штабель закладывать для эксперимента раньше, в начале лета и наблюдение должно быть более длительным. Конечно, это может привести к самовозгоранию угля и, поэтому, такой эксперимент мы ставить не будем.

На сегодняшний день задачей немаловажной задачей является разработка эффективных способов и методов борьбы с окислением и самовозгоранием углей, как в процессе добычи, так и в процессе складирования и хранения. Необходимо создать такие условия хранения, когда малостойкий к процессам окисления уголь может храниться значительно лучше, чем уголь, стойкий к самовозгоранию:

- не допускать загрязнения мест хранения угля древесными отходами и растительными остатками;

- не размещать новый уголь вместе с прошлогодними остатками, нельзя перемешивать разные сорта угля;

- нельзя хранить уголь под подземными коммуникациями и сооружениями;

- складирование должно проводиться равномерно, послойно для ограничения доступа воздуха внутрь штабеля с углем (уплотнение).

.

Приложение 1

Приложение 2

Список использованных источников

1. Громыка Д.С, Кремчеев Э.А. Применение методов идентификации процессов самовозгорания бурых углей // Успехи современного естествознания.- 2018 №6 –с. 131-137.

2. Захаров Е.И., Качурин Н.М. Самовозгорание углей: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 318 с.

3. https://dprom.online/unsolution/samovozgoranie-uglya-endogennye-pozhary-legendy-goryashhih-gor/