Thermal behavior and oxidation kinetics of coal gangue under varying moisture conditions: An experimental and predictive modeling study

Im Schatten der Kohleminen in ganz China liegen riesige Haufen aus weggeworfenem Gestein und Erde, bekannt als Kohlegangue, den Elementen schutzlos ausgeliefert. Dies sind keine inerten Haufen; sie sind chemisch aktiv. Im Laufe der Zeit reagiert der Sauerstoff in der Luft mit den Mineralien und dem verbleibenden Kohlenstoff innerhalb des Gesteins – ein langsamer Prozess, der Wärme erzeugt. Wenn diese Wärme nicht entweichen kann, staut sie sich an, bis der Haufen von selbst entzündet, ein Phänomen, das als Selbstentzündung bezeichnet wird. Solche Brände setzen giftige Gase frei, verschmutzen die Luft und können den Boden destabilisieren, was die umliegenden Gemeinden gefährdet. Der Schlüssel zur Bekämpfung dieser Brände liegt darin, die interne Temperatur des Haufens zu verstehen und vorherzusagen, wann diese gefährlich hoch ansteigen wird. Das Verhältnis zwischen den Gasen, die während dieses langsamen Verbrennungsprozesses freigesetzt werden, und der steigenden Temperatur ist jedoch komplex und verändert sich je nachdem, wie feucht das Gestein ist.

Ein Team von Forschern der Inner Mongolia University of Science and Technology machte sich daran, diese Beziehung zu entschlüsseln, wobei sie sich speziell darauf konzentrierten, wie der Feuchtigkeitsgehalt den Erwärmungsprozess beeinflusst. Sie begannen damit, frische Kohlegangue aus einer lokalen Mine zu sammeln, sie zu zerkleinern und sie sorgfältig zu trocknen, um jegliches natürliches Wasser zu entfernen. Dann führten sie präzise Mengen Wasser wieder zu, um Proben mit fünf verschiedenen Feuchtigkeitsstufen zu erstellen, die von fast trocken (2 %) bis feucht (18 %) reichten. Diese Proben wurden in einen speziellen Ofen platziert und langsam erhitzt, um die natürliche Erwärmung eines echten Haufens nachzuahmen. Während die Temperatur von kühlen 30 °C auf glühende 550 °C anstieg, erfassten die Forscher die aus dem Gestein entweichenden Gase und maßen die Mengen an Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und verschiedenen Kohlenwasserstoffen.

Die Experimente enthüllten eine überraschende Doppelrolle des Wassers. Entgegen der einfachen Vorstellung, dass Wasser immer Dinge abkühlt, fanden die Forscher heraus, dass eine moderate Menge an Feuchtigkeit den Erwärmungsprozess tatsächlich beschleunigt. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt bei etwa 8,61 % lag, verbrauchte das Gestein Sauerstoff und erzeugte Wärme mit der höchsten Rate. In diesem Zustand schienen die Wassermoleküle dem Sauerstoff dabei zu helfen, sich in der Nähe der reaktiven Stellen auf der Gesteinsoberfläche zu sammeln, indem sie wie eine Brücke fungierten, die es dem Feuer erleichterte, zu entfachen. Sobald der Feuchtigkeitsgehalt jedoch höher anstieg, auf 18 %, kehrte sich der Effekt um. Das überschüssige Wasser begann, die winzigen Poren im Gestein zu blockieren und die aktiven Stellen zu bedecken, was die Reaktion effektiv erstickte und die Wärmeabgabe verlangsamte. Dies bedeutet, dass das Halten eines Kohlegangue-Haufens sehr nass eine Strategie zur Brandverhinderung sein könnte, während ein leicht feuchter Haufen gefährlicher als ein trockener sein kann.

Um genau zu verstehen, wie Wassermoleküle auf mikroskopischer Ebene mit dem Gestein interagieren und sich bewegen, führten die Forscher Computersimulationen durch. Sie bauten ein digitales Modell des primären Minerals des Gesteins, Kaolinit, auf und führten Wassermoleküle ein, um deren Verhalten bei verschiedenen Temperaturen zu beobachten. Die Simulationen bestätigten die experimentellen Ergebnisse: Bei diesem kritischen Feuchtigkeitsniveau von 8,61 % bewegten sich die Wassermoleküle so, dass der Sauerstoff leichter die Gesteinsoberfläche erreichen konnte. Aber bei 18 % bildete das Wasser eine dicke Schicht, die den Sauerstoff vom Gestein fernhielt und somit die Reaktion daran hinderte, an Dynamik zu gewinnen. Diese mikroskopische Sichtweise lieferte eine klare physikalische Erklärung für das makroskopische Verhalten, das im Ofen beobachtet wurde.

Mit diesem Verständnis darüber, wie Feuchtigkeit die Chemie verändert, wandten sich die Forscher der Herausforderung der Vorhersage zu. Sie mussten in der Lage sein, die interne Temperatur eines Gangue-Haufens basierend auf den freigesetzten Gasen vorherzusagen – eine Aufgabe, die durch die wechselnden Feuchtigkeitsgrade kompliziert wird. Sie entwickelten ein neues Computermodell, das eine Art künstliche Intelligenz kombiniert, die darauf ausgelegt ist, aus Sequenzen von Daten zu lernen, mit einem intelligenten Optimierungsalgorithmus, der seine eigenen Einstellungen feinabstimmt. Dieses Modell wurde mit den experimentellen Daten trainiert und lernte, Muster in den Gaswerten zu erkennen, die bestimmten Temperaturen entsprachen. Das System wurde gegen mehrere andere bestehende Modelle getestet und erwies sich als das genaueste, wobei seine Vorhersagen sehr nah an den tatsächlich gemessenen Temperaturen lagen.

Die Studie identifizierte, dass die wichtigsten Hinweise zur Temperaturvorhersage die Menge des verbleibenden Sauerstoffs sowie ein spezifisches Verhältnis, das Kohlenmonoxid und den Sauerstoffabfall umfasst, sind. Diese beiden Faktoren, denen das Modell ein hohes Gewicht zuzuweisen lernte, lieferten das deutlichste Signal dafür, wie intensiv die Erwärmungsreaktion war. Um diese Technologie für Ingenieure und Sicherheitsbeauftragte nutzbar zu machen, entwickelte das Team eine einfache Computerschnittstelle. Mit diesem Werkzeug kann ein Benutzer einfach den aktuellen Feuchtigkeitsgehalt und die Werte der Gassensoren eingeben, und das System berechnet sofort die interne Temperatur und identifiziert, in welchem Stadium der Erwärmung sich der Haufen befindet. Dieser Ansatz bietet eine praktische, datengestützte Methode zur Überwachung von Kohlegangue-Haufen, was eine frühzeitige Warnung ermöglicht, bevor ein spontaner Brand ausbrechen kann, und letztlich dazu beiträgt, sowohl die Umwelt als auch die öffentliche Sicherheit zu schützen.