Регистрация / Вход
Прислать материал

Научно-методическое обоснование и разработка способов мониторинга и прогнозирования рисков самовозгорания углей и потери их качества при хранении и транспортировке с целью снижения техногенной нагрузки на окружающую среду

Номер контракта: 14.575.21.0062

Руководитель: Эпштейн Светлана Абрамовна

Должность: зав. НУИЛ "Физико-химии углей"

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
уголь, склонность к окислению, хранение, транспортировка, сроки хранения, самовозгорание, озон

Цель проекта:
Исследование и разработка комплекса научно-технологических решений, направленных на создание способов мониторинга и прогнозирования рисков самовозгорания углей и потери их качества при хранении и транспортировке для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методика определения склонности углей к окислению при взаимодействии с озоном.
Методика позволяет исследовать начальные стадии окисления углей при комнатной температуре. Такую возможность дает использование более активного, чем кислород, окислителя – озона при низких концентрациях – десятки - сотни мкг/м3. Выбор условий экспериментов и конструкционных материалов позволяет исключить или свести к минимуму влияние взаимодействия озона с материалом установки. Экспериментальная методика дает возможность регистрировать начало пропускания озона образцом угля на уровне десятых долей мкг/м3.
На основе сопоставления концентрации озона, подаваемой на образец угля от генератора и измеренной после прохождения слоя исследуемого образца, определены кинетические характеристики эффективности взаимодействия углей с озоном: степень превращения озона, количество прореагировавшего озона за заданные промежутки времени, зависимости между ними, а, также скорость их изменения. В условиях экспериментов наблюдается пропускание озона исследуемыми углями всех типов, монотонно возрастающее во времени. Выделяются угли, сильно пропускающие (мало поглощающие) озон в течение всего эксперимента, и наиболее быстро пропускающие озон, у которых сравнительно высокая скорость пропускания в начале процесса быстро достигает почти стационарного значения. С целью выделить вклад реакций окисления углей из общего брутто-процесса их взаимодействия с озоном разработана кинетическая модель. Модель позволяет определить кинетические параметры, характеризующие начальную интегральную активность углей к озону – параметр KL и скорость изменения их активности – параметр dKL/dt - на основе экспериментальных данных по кинетике разложения озона в слое угля.
Полученные зависимости между показателями кинетики взаимодействия углей с озоном и показателями их химической активности свидетельствуют о различиях в механизме окисления для углей. При этом были выделены две группы углей по типу поведения при взаимодействии с окислителем (озоном и кислородом). Предварительно можно полагать, что для углей 1-й группы взаимодействие с окислителем приводит преимущественно к его сорбции (или хемосорбции), а для углей 2-й группы в этих процессах происходит химическое разрушение вещества.
2. Рекомендации по нормативному обеспечению Технического регламента Таможенного Союза «Требования к углям и продуктам их переработки» в части транспортировки и хранения при обороте угольной продукции.
Актуальность разработки нормативных документов в части сроков их хранения обусловлена вопросами безопасности хранения и транспортировки угля, являющимися неотъемлемой частью проекта Технического Регламента Таможенного Союза «Требования к углям и продуктам их переработки». Показано, что в последнем проекте ТР ТС, прошедшем межгосударственное согласование и внутригосударственное обсуждение, вопрос о безопасности углей с точки зрения их склонности к окислению и самовозгоранию остается открытым, в первую очередь, в связи с отсутствием нормативного обеспечения, регламентирующего классификацию и методы испытаний продукции. Рекомендовано ввести четкое определение понятия «сроки хранения углей» применительно к их качеству и безопасности. Предложена схема разработки нормативного обеспечения ТР ТС в части определения сроков хранения углей в связи с их склонностью к окислению. Схема включает разработку и пересмотр: классификации углей по их склонности к окислению, общих требований к методам определения показателей склонности углей к окислению, терминов и определений, методов испытаний, а также отраслевых инструкций и действующих стандартов на продукцию. Представлена структура классификации углей по их склонности к окислению. Отмечено, что новая классификации углей по их склонности к окислению должна быть согласована с действующей классификации углей, определяющей их марочную принадлежность. Предложены 4 группы признаков классификации, выделены классификационные показатели. Проведен анализ нормативных документов, регламентирующих определение предложенных показателей. Отмечена необходимость аттестации методик измерений с дальнейшей их стандартизацией для ряда показателей.
Отмечено, что пересмотр должен постепенно внедряться и в отраслевые документы, регламентирующие безопасность добычи, хранения и транспортировки угольной продукции. Для этого, прежде всего, необходимо широко апробировать предлагаемые методы на производственных объектах, применительно к особенностям добываемых углей, условиям их хранения, климатическим условиям и правилам транспортировки на различные расстояния. При этом полученные результаты измерений должны быть сопоставлены с результатами мониторинга качества углей при их хранении и статистики самовозгорания штабелей при хранении и транспортировке. Указано, что сроки хранения углей в соответствующих стандартах, регламентирующих технические условия на угольную продукцию, должны быть изъяты из текста, либо рассматриваться как информационные.
3. Проект национального стандарта «Угли бурые, каменные и антрацит. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке».
Проект стандарта состоит из следующих разделов:
- Область применения. Стандарт распространяется на бурые каменные угли и антрациты, а также на продукты их переработки (в соответствии с Перечнем объектов Технического регламента Таможенного Союза);
- Нормативные ссылки – перечень связанных стандартов;
- Термины и определения;
- Отбор и подготовка проб для анализа;
- Требования к применяемым методикам испытаний.
- Требования к аппаратуре и реактивам;
- Требования к проведению испытаний. Приведены методики определения содержания валентных форм железа методом мессбауэровкой спектроскопии, определения химической активности углей методом потенциометрического титрования, определения химической активности по взаимодействию с озоном и определения эффективных кинетических показателей окисления углей методом изотермической калориметрии;
- Требования к точности измерений;
- Требования по технике безопасности при проведении испытаний.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Методика определения склонности углей к окислению при взаимодействии с озоном.
Разработанная методика регламентирует определение показателей химической активности углей в процессах низкотемпературного окисления. Рассчитанные с применением предложенной кинетической модели параметры позволили провести классификацию исследованных углей по их склонности к окислению. Поскольку в результате окисления сокращается число активных центров, химическую активность образцов к окислению можно оценивать по их способности к необратимой сорбции озона, которая определяется по скорости изменения интегральной активности (характерной является максимальная скорость изменения KL(t)). Согласно такой классификации, исследуемые угли по способности к необратимой сорбции, характеризующей склонность к окислению, расположены в соответствующий ряд.
При разработке методики было применены новые подходы и технологические решения, заключающиеся в применении более активного, чем кислород, окислителя и оригинальной системы регистрации данных, что позволяет проводить испытания при комнатных температурах в режиме онлайн регистрации концентрации озона. Для получения параметров взаимодействия углей с озоном разработана кинетическая модель процесса и алгоритм восстановления классификационных показателей. По сравнению с аналогичными работами, предлагаемая методика обладает более высокой точностью и информативностью, позволяет получать хорошо воспроизводимые результаты, обеспечена аппаратурой и средствами измерений. Для достижения заявленных результатов были использованы ранее апробированные подходы по исследованию взаимодействия материалов различной природы с озоном. Сопоставление полученных данных с результатами исследования химического состава углей, содержания в них активных функциональных групп и их термохимических превращений при ТГ-исследованиях в различных средах, показали хорошую согласованность при оценке склонности углей к окислению.

2. Рекомендации по нормативному обеспечению Технического регламента Таможенного Союза «Требования к углям и продуктам их переработки» в части транспортировки и хранения при обороте угольной продукции.
Разработанные рекомендации позволят уточнить основные положения Технического Регламента ТС в части пожарной безопасности углей и продуктов их переработки при хранении и транспортировке. При разработке рекомендаций были использованы новые подходы к классификации углей по их склонности к окислению и определению на ее основе сроков хранения углей. Заявленные результаты могут быть достигнуты путем последовательного изменения и разработки нормативных инструкций, стандартов и отраслевых документов, регламентирующих определение склонности углей к окислению и определение на этой основе сроков хранения углей. Риски заключаются в согласовании указанных документов со всеми странами-членами Таможенного Союза.
3. Проект национального стандарта «Угли бурые, каменные и антрацит. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке».
Разработанный проект стандарта является основой для определения классификационных показателей углей, отражающих их склонность к окислению. В стандарте приведены ссылки на соответствующие нормативные документы, регламентирующие определение химического, петрографического и технического состава углей, а также методики определения содержания валентных форм железа методом мессбауэровкой спектроскопии, определения химической активности углей методом потенциометрического титрования, определения химической активности по взаимодействию с озоном и определения эффективных кинетических показателей окисления углей методом изотермической калориметрии. Предлагаемый стандарт разрабатывается впервые, аналогичные зарубежные стандарты отсутствуют. Проект стандарта вынесен на рассмотрение Технического комитета по стандартизации "Твердое минеральное топливо" на предмет включения в План национальной стандартизации на 2016-2017 гг.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Методика определения склонности углей к окислению при взаимодействии с озоном.
Методика может быть использована для определения классификационных показателей, характеризующих склонность углей к окислению. Эти оценки будут производиться при геологических опробованиях и добычных работах, при хранении углей в штабелях и транспортировке. Разрабатываемая методика включена в проект стандарта «Угли бурые, каменные и антрацит. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке». В дальнейшем планируется аттестация методики и внедрение ее в практику работы испытательных лабораторий и для целей сертификации продукции. В настоящее время предприняты работы по исследованию углей разных месторождений с применением разработанной методики и сопоставлению полученных данных с имеющейся информацией о склонности углей к окислению. Планируется провести сопоставительные испытания склонности углей к окислению в соответствии с разработанной методикой и методиками, существующими в РФ (по сорбции кислорода - методика ВостНИИ) и за рубежом (методы "cross-point" и R70).
2. Рекомендации по нормативному обеспечению Технического регламента Таможенного Союза (ТР ТС)«Требования к углям и продуктам их переработки» в части транспортировки и хранения при обороте угольной продукции.
Рекомендации будут использованы для разработки окончательной редакции Технического регламента ТС в части безопасности транспортировки и хранения угольной продукции, а также при формировании Единого перечня нормативных документов для обеспечения ТР ТС. В соответствии с разработанными рекомендациями будут внесены изменения в существующие нормативные документы и разработаны новые стандарты, регламентирующие оценку склонности углей к окислению и определение сроков их хранения. В рамках международного сотрудничества будут проведены согласования предлагаемых рекомендаций и внесение соответствующих изменений в нормативные документы, разработанные в странах-членах ТС.
3. Проект национального стандарта «Угли бурые, каменные и антрацит. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке».
Разработанный проект стандарта будет использован для определения классификационных показателей с целью определения принадлежности углей к определенной группе по склонности к окислению. После рассмотрения проекта стандарта в Техническом комитете по стандартизации и внесения его в план национальной стандартизации, стандарт будет доработан и вынесен на внутригосударственное обсуждение. После апробации национального стандарта и внедрения его в практику испытательных лабораторий РФ и стран Таможенного Союза, он может быть внесен в перечень стандартов для ТР ТС. Разрабатываемый стандарт планируется использовать для оценки качества и соответствия углей и продуктов их переработки при хранении и транспортировке, а также безопасности продукции в части рисков самовозгорания.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Выбраны и обоснованы методы и средства, направления исследований и способов решения поставленных задач.
4. Отобраны и подготовлены лабораторные образцы углей различных марок.
5. Выбраны и обоснованы признаки классификации углей по их склонности к окислению.
6.Разработаны рекомендаций по пересмотру типовых нормативных документов (РД, ПБ и стандартов различного уровня), регламентирующие классификацию углей по их склонности к окислению
7. Разработаны способы определения количественных значений параметров классификационных признаков углей по их склонности к окислению.
8. Разработана методика исследований взаимодействия углей с озоном, проведены исследования в соответствии с данной методикой.
9. Разработана методика определения склонности углей к окислению при взаимодействии с озоном.
10. Разработаны рекомендации по нормативному обеспечению Технического регламента Таможенного Союза «Требования к углям и продуктам их переработки» в части определения сроков хранения углей.
11. Разработана методика исследований по установлению склонности углей различных месторождений к окислению в зависимости от количественных значений параметров, характеризующих классификационные признаки углей, проведены исследования в соответствие с данной методикой.
12. Разработана методика исследований по определению склонности углей к самовозгоранию
с использованием тепловых и физико-химических методов, проведены исследования в соответствие с данной методикой.
13. Разработан проект национального стандарта «Угли бурые, каменные и антрациты. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке».