Состав газа межкускового пространства обусловливается, с одной стороны, составом окружающей атмосферы, а с другой, образующимися при окислении продуктами распада топлива. Из атмосферы попадают азот, небольшое количество двуокиси углерода и кислород. Концентрация последнего в газовой фазе изменяется от 21% до нуля. С момента закладки штабеля она монотонно падает и когда достигает нескольких процентов, скорость сорбции постепенно снижается. Из продуктов низкотемпературного окисления топлива в газовой фазе штабеля содержатся двуокись углерода, окись углерода, метан и низкомолекулярные продукты распада топлива.
Метан в газовой фазе штабелей обычно фиксируется в том случае, если штабель сложен из угля, добытого из метаноносного пласта. Появление метана в межкусковом пространстве штабелей также возможно в качестве продукта глубокого окисления и термического разложения топлива при наличии в штабеле очагов самовозгорания.
Окись углерода — продукт низкотемпературного окисления угля и торфа. Наличие ее в газовой фазе штабелей устанавливается довольно редко; когда она обнаруживается, ее содержание довольно стабильно и обычно по превышает долей процента. Образование окиси углерода при низкотемпературном окислении отражает индивидуальные свойства топлива и особенности механизма его окисления. При высокотемпературном окислении топлива окись углерода является характерным продуктом, и ее присутствие в газовой фазе принимают как показатель, указывающий на наличие очагов горения материала.
Рис. 4.3. Изменение состава газа межкускового пространства буроугольного уплотненного штабеля по сечению аэрируемой зоны.
Двуокись углерода является одной из основных составляющих газовой фазы угольных штабелей, и ее концентрация в определенной степени отражает механизм и кинетику окисления топлива при хранении. Между концентрациями кислорода и двуокиси углерода в газовой фазе штабелей, находящихся в состоянии газового равновесия, соблюдается четкая закономерность: концентрация двуокиси углерода повышается по мере снижения концентрации кислорода и удаления от поверхности штабеля. У нижней границы зоны кислородного влияния содержание двуокиси углерода достигает максимума и далее сохраняет почти постоянное значение в пределах всей бескислородной зоны. На рис. 4.3 показаны кривые распределения содержания кислорода и двуокиси углерода в газовой фазе в зоне кислородного влияния промышленного уплотненного угольного штабеля, достигшего состояния газового равновесия.
Значения концентрации двуокиси углерода в газовой фазе угольных штабелей, достигших равновесия, зависят в основном от зрелости хранимого угля. В табл. 4.4 приведены данные непосредственных измерений; видно, что содержание двуокиси углерода в газовой фазе типичных углей групп Б2 и Б3 изменяется в пределах 10-12%. Это составляет приблизительно половину концентрации кислорода в атмосферном воздухе, который первоначально заполнял межкусковое пространство. Для зрелых углей равновесные концентрации двуокиси углерода составляют 3—6%, что соответствует приблизительно 1/4—1/5 содержания кислорода в атмосфере. Доля кислорода, сорбированного углем и преобразованного в двуокись углерода, оказывается характерной величиной. По этому показателю все угли естественно делятся на две группы: молодые, преимущественно бурые, с выходом двуокиси углерода, равным приблизительно 50% количества сорбированного кислорода, и зрелые угли с выходом двуокиси углерода 20—30%.
Таблица 4.4. Содержание двуокиси углерода в межкусковом пространстве угольных штабелей, находящихся в состоянии, близком к равновесному
В зоне кислородного влияния штабелей бурого угля, находящихся в состоянии равновесия, состав газа межкускового пространства приблизительно описывается соотношением
(4.1) где
— объемные концентрации двуокиси углерода в зоне реакции и кислорода в атмосфере соответственно.
Рис. 4.4. Изменение во времени состава газовой фазы опытного штабеля в начальный период хранения.
Особенно точно оно описывает случаи, когда в газовой фазе содержится от 3 до 18% кислорода. В свежезаложенных штабелях бурого угля обычно наблюдается довольно быстрое снижение концентрации кислорода в газовой фазе, которая вскоре достигает нуля, а концентрация двуокиси углерода продолжает падать еще длительное время. На рис. 4.4 показано взаимное расположение кривых сорбции кислорода и накопления двуокиси углерода в газовой фазе опытного штабеля, сложенного из бурого угля Ангренского месторождения. Наблюдения за промышленными крупными штабелями показывают, что максимальная концентрация двуокиси углерода в газовой фазе достигается через 1—3 мес после завершения формирования штабеля и может достигать 26—28%, а в некоторых случаях даже 30—35%. Достигнув максимума, концентрация начинает постепенно снижаться и со временем приближается к равновесному значению, характерному для данного вида топлива.
