Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0062

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0062
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
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
Докладчик
Эпштейн Светлана Абрамовна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования

Цель работы - 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.
Задачи исследования:
- установление и обоснование признаков классификации углей по их склонности к окислению;
- разработка способов определения значений классификационных признаков углей по их склонности к окислению;
- проведение экспериментальных исследований по установлению склонности углей разных месторождений к окислению и самовозгоранию в зависимости от количественных значений параметров, характеризующих классификационные признаки углей;
- разработка рекомендаций: по пересмотру типовых нормативных документов (РД, ПБ и стандартов различного уровня), регламентирующие классификацию углей по их склонности к окислению;
- разработка проектов нормативных документов, регламентирующих определение сроков хранения углей в связи с их склонностью к окислению и потере ими качества при хранении и транспортировке;
- разработка лабораторного технологического регламента по мониторингу и прогнозированию рисков самовозгорания углей и потери их качества при хранении и транспортировке;
- разработка Проекта технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка аппаратурного обеспечения мониторинга состояния углей при их хранении и транспортировке»;
- разработка проекта инструкции по определению склонности углей к самовозгоранию.

Актуальность и новизна исследования

Управление качеством и безопасностью угольной продукции - это система мероприятий, осуществляемых на всех этапах ее производства и потребления, в целях установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня потребительских характеристик и предотвращения рисков, связанных с негативным воздействием на окружающую среду. Разномасштабная дезинтеграция угля, происходящая под влиянием различных природных и техногенных факторов при его добыче, транспортировке и хранении, приводит к активизации взаимодействия органического и неорганического угольного вещества с кислородом воздуха и влаги. Как следствие, в углях инициируются и развиваются процессы окисления, приводящие к потере их качества и возрастанию рисков самовозгорания углей. В то же время без надежной информации об указанной склонности невозможно обоснование эффективных технических, технологических и организационных решений по управлению качеством и безопасностью углей на всех стадиях их жизненного цикла. Применяемая в настоящее время группировка (классификация) углей по склонности к окислению и самовозгоранию была разработана еще в 50-70-х годах прошлого века, причем осуществляемое в ее рамках соответствующее ранжирование углей базируется на чисто качественных подходах. Кроме того, отсутствует надежное соответствующее методическое и аппаратурное обеспечение. В связи с этим научное и методическое обоснование оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию на основе комплекса количественных показателей, а также выбор методов их определения для разработки способов мониторинга и прогнозирования рисков самовозгорания углей и потери их качества при хранении и транспортировке является актуальной научной и практической задачей.
Описание исследования

 

 

 Анализ литературных и патентных источников, а также данные о закономерностях окисления углей, позволил  разделить признаки, определяющие склонность углей к окислению на 4 основные группы:

1)генетические признаки, связанные с происхождением угольного вещества в процессах генезиса и метаморфизма.

2)химическая активность углей по отношению к окислителям

3) признаки эндогенной и экзогенной нарушенности углей, определяющие доступ окислителя к свободной поверхности углей, их газопроницаемость и коэффициенты диффузии;

4) эффективные кинетические параметры, характеризующие интенсивность экзотермических процессов, приводящих к разогреву углей.

На основании анализа экспериментальных и теоретических данных предложены методы и средства для решения поставленных в проекте задач: для оценки химической и сорбционной активности углей обосновано применение метода, основанного на исследовании кинетики взаимодействия углей с озоном при комнатной температуре; для определения структурной поврежденности углей обоснован метод термостимулированной акустической эмиссии, позволяющий проводить измерения без предварительного разрушения образцов; для определения минеральных и валентных форм железа предложено применять метод мессбауэровской спектроскопии; для изучения динамики изменения химических, физико-химических и  структурных свойств углей при окислении обосновано  использование метода низкотемпературного окисления углей; теоретически и экспериментально обосновано, что определение склонности углей к самонагреву и самовозгоранию адекватно описывается кинетическими показателями на основании данных тепловых испытаний с использованием изотермических микрокалориметров. Для работы отобраны представительные образцы углей различных марок - 23 пробы углей разных видов (бурые, каменные и антрациты), охватывающих ряд метаморфизма углей разных месторождений РФ, определены их генетические и основные технологические характеристики. Выбраны, усовершенствованы и разработаны методы определения  количественных значений; параметров классификационных признаков углей по их склонности к окислению. Разработанная на основе исследования взаимодействия углей с озоном методика регламентирует определение показателей химической активности углей в процессах низкотемпературного окисления. 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. Получены количественные показатели химической активности углей по озону. Разработан метод определения активных групп в углях, обуславливающих их сорбционную активность в процессах окисления. основанный на потенциометрическом титровании растворов, полученных при спирто-щелочной экстракции углей. Определены количественные значения содержания активных групп в углях и их изменение в ряду метаморфизма углей. Разработан метод определения эффективных кинетических параметров, характеризующих интенсивность экзотермических процессов, приводящих к разогреву углей. Метод реализован на современных изотермических калориметрах TAMAir, разработаны условия измерений, определены количественные параметры тепловых потоков для исследованной серии углей, оценены метрологические характеристики результатов измерений. Для определения количественных показателей нарушенности углей разработан метод термостимулированной акустической эмиссии, обоснован количественный показатель «термической стойкости» углей и проведено его определение для серии исследованных углей. Минеральные и валентные формы железа в углях определены методом мёссбауэроской спектроскопии.  Разработаны методики определения склонности углей к окислению (на основании изменения базовых характеристик углей после низкотемпературного окисления) и самовозгоранию (на основе кинетических параметров изотермической калориметрии углей). Полученные по низкотемпературному окислению углей позволили ранжировать их по группам в соответствии с показателем изменения их теплоты сгорания ΔQ50 после окисления. Установлена удовлетворительная корреляция между изменения теплоты сгорания ΔQ50 и показателями, характеризующими склонность углей к окислению. Предложен проект Ранжирования (классификации) углей по склонности к окислению и самовозгоранию.

Результаты исследования

 

1.         Обоснованы и разработаны методы количественной оценки комплекса показателей, характеризующих склонность углей к окислению и самовозгоранию. Для оценки химической активности углей предложено использовать  кинетические параметры, характеризующие их взаимодействие с озоном при комнатной температуре. Сорбционную активность углей предложено определять по количеству суммарных кислых групп методом потенциометрического титрования спирто-щелочных растворов, полученных при экстракции углей. Для определения эффективных кинетических параметров, характеризующих интенсивность экзотермических процессов окисления углей предложено использовать метод изотермической калориметрии при температурах 40 ,60 и 80 °С, а для определения содержания минеральных и валентных форм железа - метод мёссбауэровской спектроскопии.

2. Разработана Методика определения склонности углей к окислению при взаимодействии с озоном. 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)). 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.

3.         Проведены экспериментальные исследования по определению количественных значений показателей, отражающих склонность углей разных видов к окислению и самовозгоранию. Установлены различия в механизме окисления бурых и каменных углей. Показано,  что при низкотемпературном окислении  бурых углей протекают преимущественно процессы деструкции угольного вещества, а при окислении каменных  углей - хемосорбции.

4.         Экспериментальные исследования по установлению влияния низкотемпературного окисления углей на изменение их качества показали удовлетворительную корреляцию между изменением высшей теплоты сгорания углей после окисления и показателями, характеризующими их склонность к окислению. На основании результатов изменения теплоты сгорания после низкотемпературного окисления углей проведено их ранжирование по склонности к окислению.

5.         Предложены количественные показатели для ранжирования углей по их склонности к окислению и самовозгоранию. Установлено, что угли одной марочной принадлежности, приуроченные к одному бассейну или месторождению или отобранные на разных участках одного разреза, могут относиться к разным группам по склонности к окислению и самовозгоранию.

 Результаты проекта сопоставимы, а в некоторых случаях превосходят аналогичные результаты, полученные зарубежными исследователями при оценке тепловых эффектов  окисления углей (Boleslav Taraba, B. Basil Beamish), кинетических параметров окисления углей  (D. Wang, K. Zheng, V. Strezov, C.T. Vijayakumar и др.), а так же при разработке классификаций углей для определения склонности к окислению (Chen X., B. Basil Beamish).

Практическая значимость исследования
Ожидаемые результаты планируется использовать:
- в области технического регулирования - при разработке стандартов, регламентирующих показатели безопасности угольной продукции при ее хранении и транспортировке; для разработки нормативных документов, обеспечивающих требования Технического регламента ТС; для уточнения показателей, значения которых устанавливают в зависимости от склонности углей к окислению, в нормативных документах разного уровня.
В рамках настоящего Соглашения подготовлены:
1. Рекомендации по нормативному обеспечению Технического регламента Таможенного Союза «Требования к углям и продуктам их переработки» в части транспортировки и хранения при обороте угольной продукции.
2. Проект национального стандарта «Угли бурые, каменные и антрацит. Общие требования к методам определения склонности к окислению при хранении и транспортировке». Проект стандарта был вынесен на рассмотрение Технического комитета по стандартизации "Твердое минеральное топливо" и в 2015-2016 годах на его основе была разработаны 2 национальных стандарта : ГОСТ Р 57017-2016 «Общее руководство по определению сроков хранения углей» и ГОСТ Р 57012-2016 «Стандартная практика по определению признаков окисления и самовозгорания углей».
- для создания системы мониторинга качества углей при их хранении и перемещении. Разрабатываемые в проекте методы и подходы могут стать основой для уточнения норм потерь основных показателей качества при транспортировке углей и их длительном хранении. Это позволит регламентировать сроки обновления запасов топлива в энергетике, его переоценку и реальные сроки хранения продукции без существенной потере ими потребительских свойств.
В рамках настоящего Соглашения разработаны:
1.Лабораторный технологический регламент по мониторингу и прогнозированию рисков самовозгорания углей и потери их качества при хранении и транспортировке
2 Проект инструкции по определению склонности углей к самовозгоранию
В настоящее время результаты работы используются для оценки склонности к окислению углей, добываемых на предприятиях АО СУЭК в соответствии с договором о НИР между НИТУ МИСиС и ОАО Приморскуголь. Проведены предварительные переговоры об аналогичных работах с УК Востсибуголь и Новорязанской ГРЭС.