Окисление и самовозгорание углей

Окисление углей происходит при их хранении на воздухе, а в природных условиях - при залегании в пластах и связано с присоединением к углю кислорода.

Реакции окисления являются экзотермическими, поэтому происходит вначале нагревание, температура в очагах местных перегревов может достигать 80 - 100^оС, а затем в случае отсутствия теплового равновесия и самовозгорание угля.

Соприкасаясь с воздухом, уголь начинает окисляться уже при температуре 20 - 25^оС. Окисление угля при низких температурах (до 40^оС) протекает сравнительно медленно и называется выветриванием. Выветривание угля при хранении сопровождается главным образом разрушением его кусков, увеличением в них количества трещин, уменьшением механической прочности. Медленное окисление наблюдается в верхних пластах угольных месторождений.

Зоны выветривания являются объектами, благоприятными для дальнейшего развития процесса окисления. Здесь уголь подвергается действию различных разрушительных сил, имеющих физическую и химическую природу. Сильное агрессивное действие оказывают окислительные процессы, развивающиеся под действием газообразного кислорода, и особенно кислорода, растворенного в адсорбционных пленках воды на поверхности угля.

Интенсивность гидролитических процессов усиливается с увеличением стадии окисления угля благодаря тому, что в угле в это время накапливаются кислородсодержащие группы, активизирующие данный процесс.

Свойства углей при длительном окислении значительно изменяются: уменьшается содержание в них горючих компонентов - углерода и водорода и увеличивается содержание кислорода, снижается теплота сгорания, что существенно уменьшает ценность угля как энергетического топлива, ухудшается спекаемость углей и уменьшается выход химических продуктов коксования.

Механизм процессов окисления угля очень сложен и в настоящее время не объяснен исчерпывающе. Из существующих гипотез окисления наибольшее признание получила адсорбционная гипотеза образования и распада комплекса уголь - кислород, которая заключается в следующем.

Первичным процессом окисления угля является сорбция последним кислорода. Поглощенный кислород образует с органической массой угля перекисные соединения, легко распадающиеся и выделяющие кислород, способный взаимодействовать с веществом угля. Затем протекают химические реакции окисления органической массы угля, сопровождающиеся выделением тепла и самонагреванием угля. По мере повышения температуры кислород перекисей, реагируя с органической массой угля, разрушает элементарные структурные единицы вещества угля, причем происходят процессы, сходные с термической деструкцией и горением. Повышение температуры, в свою очередь, способствует разложению перекисей и активации реакций окисления. Вследствие этого процессы приобретают цепной характер, и в конечном счете уголь самовозгорается.

Отсюда вытекает, что наиболее подверженными окислению должны быть угли, обладающие развитой внутренней поверхностью, с повышенным количеством в макромолекулах термонеустойчивых боковых цепей, т. е. бурые и малометаморфизованные каменные угли.

Основными факторами, обусловливающими окисление углей, являются их гранулометрический состав, пористость и трещиноватость, влажность, минеральные примеси, климатические условия.

Наличие в угле большого количества мелочи, а также большая пористость и трещиноватость угля повышают его сорбционную способность.

Влага в процессе окисления углей играет существенную роль. Влажный уголь сорбирует кислорода значительно больше, чем сухой. Так, один и тот же уголь при равных условиях в сухом состоянии сорбирует примерно на 70% меньше кислорода, чем уголь с влажностью 7,5%. Поглощенный влажным углем кислород расходуется на первоначальное, так называемое поверхностное окисление угля. В результате выделяется двуокись углерода, заполняющая поры в массе угля, занятые ранее кислородом.

При испарении внешней влаги в массе угля возникает усиленный газообмен с окружающей средой: воздух, обедненный кислородом и богатый двуокисью углерода, удаляется из пространства между частицами угля, а его место занимает свежий воздух, богатый кислородом[2]. Увеличение концентрации кислорода ускоряет процесс окисления угля.

Влияние внешней влаги проявляется еще в том, что влажный уголь после высыхания легко измельчается, а это приводит к увеличению его реакционной поверхности. В зимних условиях влажный уголь легко смерзается. После оттаивания он увеличивается в объеме, делается менее плотным и более проницаемым для окисляющих агентов.

Влияние минеральных примесей на процесс окисления углей изучен еще недостаточно, но известно, что серный колчедан может явиться концентратором очага самовозгорания угля.

Неблагоприятные климатические условия: обильные атмосферные осадки, частая, резкая смена температур, сильные ветры также способствуют усилению газообмена, что приводит к еще большей интенсификации окислительных процессов, ускорению самонагревания угля.

В связи с окислением углей и ухудшением при этом их качества или потерями угля при самовозгорании большое значение имеет правильное хранение углей. Правильный выбор размеров штабеля, уплотнение угля в штабеле, контроль температуры угля необходимы для предотвращения его нагрева и самовозгорания.

В практике переработки и хранения углей различают критическую температуру, по достижении которой может произойти быстрый переход от самонагревания до самовозгорания угля. Такой критической температурой для большинства бурых углей является 40 - 60 ^оС, для жирных каменных углей 60 - 70 ^оС, для тощих углей и антрацитов 80 ^оС.

Если при хранении угля в штабеле его температура достигает критической, то дальнейшее хранение такого штабеля становится опасным.