Для оценки штабеля как физико-химической среды, в которой развивается процесс аутоокисления твердого топлива, наибольший интерес представляет аэрация штабеля, т. е. его кислородный режим, которым в основном определяется возможность окисления, самонагревания и самовозгорания топлива при хранении. Газообмен в штабелях вместимостью до 5 тыс. т на угольных складах предприятий железнодорожного транспорта впервые исследовал В. В. Чанкин. Позднее Г. К. Петрик [28] провел подобные исследования в более крупных угольных штабелях топливных складов коммунального хозяйства. В УралВТИ исследован газообмен в крупных штабелях угольных складов тепловых электрических станций [29].
Состав газа, отобранного с различных глубин небольших штабелей, показывает, что по мере удаления от поверхности штабеля в газе межкускового пространства постепенно снижается содержание кислорода и повышается содержание двуокиси углерода (СО2). При этом содержание кислорода не падает до нуля, и, следовательно, в мелких штабелях имеются благоприятные условия для окисления топлива во всем их объеме.
Рис. 4.1. Распределение кислорода в газовой фазе уплотненного штабеля.
В крупных уплотненных штабелях наблюдается аналогичная картина в поверхностном слое; начиная с некоторой глубины содержание кислорода равно нулю, а содержание двуокиси углерода достигает предельного значения, характерного для данной марки угля. Таким образом, в крупных штабелях естественно создаются две зоны с различным кислородным режимом. Зона, в межкусковом пространстве которой полностью отсутствует молекулярный кислород, названа бескислородной, а зона, в газовой фазе которой содержится молекулярный кислород,— зоной кислородного влияния. Характер распределения кислорода в газовой фазе по сечению штабеля представлен на рис. 4.1.
Кислородная кривая является результирующей двух процессов, протекающих в поверхностном слое штабеля: внедрения атмосферного кислорода в глубь штабеля и расходования его на окисление топлива. Кривая имеет три сопряженные части, отражающие изменяющееся соотношение между скоростями диффузии и сорбции кислорода. В поверхностной зоне штабеля до глубины 100—200 мм идет свободный обмен газа с окружающей атмосферой. Здесь концентрация кислорода определяется газовой проницаемостью поверхностного слоя штабеля и метеорологическими условиями хранения (силой и направлением ветра). На глубине от 200 до 1200 мм внедрение кислорода происходит вследствие диффузионного перемещения его молекул по узким каналам межкускового пространства, и концентрация кислорода в газовой фазе постепенно уменьшается по мере приближения к нижней границе зоны кислородного влияния. При этом уголь продолжает оставаться адсорбционно насыщенным по отношению к кислороду, и скорость его окисления остается на прежнем уровне. На глубине более 1200 мм, когда в газовой фазе концентрация кислорода снижается и уголь делается ненасыщенным по кислороду, скорость окисления топлива уменьшается и кривая становится более пологой. В целом форма кривой и ее наклон определяются газовой проницаемостью угольного слоя, химической активностью топлива и температурой.
Изучение распределения содержания кислорода и штабелях с различными габаритными размерами и сложенных из углей различных марок показывает, что в штабеле имеются кислородная и бескислородная зоны. Соотношение в штабеле между объемами аэрируемой и неаэрируемой зон определяется габаритными размерами штабеля, его формой, способом закладки, свойствами угля и метеорологическими условиями хранения. Поэтому аэрация штабеля, его газопроницаемость, является основной характеристикой, отражающей физико-химическое состояние среды, в которой находится хранимое топливо. В аэрируемой зоне кислородного влияния происходят все окислительные процессы, обусловливающие снижение теплоты сгорания топлива при хранении.
Систематические наблюдения за аэрацией промышленных штабелей показывают, что глубина проникновения атмосферного кислорода в уплотненные штабели по всей поверхности почти одинакова и очень мало зависит от формы сечения штабеля. В табл. 4.1 приведены значения глубины проникновения кислорода в штабели, сложенные из углей различных марок и месторождений, при приблизительно одинаковых условиях хранения, способе укладки и поверхностной обработке штабеля. Из приведенных данных следует, что химическая активность хранимых углей сравнительно мало влияет на глубину проникновения кислорода в штабель.
На границу аэрируемой зоны довольно слабо влияют различные кратковременные воздействия внешней среды. При долгосрочных воздействиях внешних факторов граница зоны кислородного влияния может заметно перемещаться. В частности, на глубину проникновения кислорода в штабель заметное влияние оказывает сезонное изменение метеорологических условий: с понижением температуры граница очень медленно перемещается в глубь штабеля и в зимние периоды даже в штабелях, сложенных из активных бурых углей, нередко опускается до 4—5 м.
Зона кислородного влияния может заметно перемещаться при длительном воздействии ветра постоянного направления. Из табл. 4.2 видно, что зона кислородного влияния с наветренной стороны больше, чем с подветренной.
Таблица 4.1. Глубина проникновения атмосферного кислорода в поверхностный слой уплотненного штабеля в теплое время года
Таблица 4.2. Содержание кислорода в газовой фазе, %, эксплуатационного штабеля Южноуральской ГРЭС
Рис. 4.2. Конфигурация зоны кислородного влияния угольного штабеля.
1 — верхняя зона кислородного влияния; 2 — нижняя зона кислородного влияния; 3 — бескислородная зона; 4 — каналы миграции кислорода.
При некоторых способах закладки, допускающих сегрегацию топлива, внутри штабеля образуются скопления крупных кусков топлива, по межкусковому пространству которых атмосферный кислород свободно проникает в глубокие слои, развивая и углубляя зону кислородного влияния. В табл. 4.3 приведены три серии анализов газа межкускового пространства большого штабеля, отобранных из одного и того же гнезда, в котором одна из газозаборных трубок на глубине 2000 мм попала в канал миграции кислорода и систематически показывает завышенное содержание кислорода. Примечательно, что показания такой относительно выпадающей точки весьма устойчивы во времени. Это свидетельствует об устойчивости миграции кислорода по каналам. Замечено слабое влияние сезонного изменения условий хранения на миграцию кислорода.
Таблица 4.3. Содержание кислорода, %, в газовой фазе уплотненного угольного штабеля при наличии в нем дефектов закладки
При исследовании газообмена в штабелях небольшой емкости, расположенных в южных широтах страны. Г. К. Петрик [28] наблюдал изменение направления движения воздуха и газов в штабеле под влиянием изменения температуры окружающей среды. В УралВТИ при исследовании крупных уплотненных штабелей, расположенных в средних широтах страны, этого явления не было обнаружено.
При закладке штабелей на неплотное основание или при подсыпке крупного угля в нижние горизонты штабеля образуется дополнительная зона кислородного влияния, наличие которой не всегда улавливается методами обычного газового анализа. В результате этого уголь нижних горизонтов штабеля часто полностью озоляется. На рис. 4.2 схематически показана аэрация поперечного сечения крупного угольного штабеля.
