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CCC/259

Valutazione e gestione della combustione spontanea del carbone
Dr L L Sloss

La combustione spontanea del carbone è un fenomeno termico insito nella natura del materiale, originato dall’auto-riscaldamento dello stesso e provocato a sua volta dall’ossidazione atmosferica.
Quando il calore prodotto dall’ossidazione non è adeguatamente dissipato si verifica l’aumento della temperatura del carbone che, in circostanze favorevoli, può raggiungere la temperatura di autoaccensione dando luogo a fenomeni di combustione spontanea.
Tale evento rappresenta un rilevante problema per l’industria carbonifera, sia per motivi strettamente connessi alla sicurezza, sia per la potenziale perdita economica dovuta alla quantità di materiale persa durante la combustione. Ulteriori complicazioni sono legate al possibile rilascio incontrollato di gas quali ad esempio CO2, CH4, CO nocivi sia per la salute che per l’ambiente.
Nel 2014, in Ucraina, in una miniera sotterranea, un’esplosione conseguente al fenomeno dell’auto-combustione causò più di trenta morti.
A fine di definire le misure più idonee a prevenire e controllare e, per quanto possibile, evitare incidenti simili, è utile comprendere i meccanismi attraverso i quali il carbone tende ad auto-riscaldarsi e quali siano i parametri di processo e i modi attraverso cui il materiale degenera in auto-combustione.
Per impostare efficaci misure prudenziali è quindi fondamentale la conoscenza delle caratteristiche chimiche e fisiche del carbone oggetto d’interesse quali porosità, rango, umidità e granulometria, e dei fattori esterni quali condizioni ambientali, modalità di stoccaggio e ventilazione.
Per migliorare le tecniche di gestione è necessario:
– Il monitoraggio e la rilevazione, in tempo reale, delle alterazioni delle caratteristiche del carbone;
– L’analisi chimico-fisica del carbone considerato e lo sviluppo di modelli predittivi sul comportamento di quest’ultimo all’auto-riscaldamento;
– L’utilizzo di tecniche e tecnologie di controllo per il contenimento degli eventi di auto-combustione.
La Figura 1 mostra un esempio di come può avvenire l’auto-riscaldamento di un cumulo di carbone e come eventualmente questo possa trasformarsi in un evento di spontanea combustione.

cumulo figura

Figura 1 Rappresentazione schematica del processo di auto-combustione per un cumulo di carbone.

La comparsa di materiale incandescente e l’emissione di fumo sono segnali evidenti di un’auto-combustione in corso.Generalmente il fenomeno si manifesta in zone ben definite della massa del carbone (“hot spots”) e tende a diffondersi in ogni direzione senza un tempestivo e opportuno intervento. Gli incendi da auto-combustione del carbone, una volta sviluppatisi, sono, infatti, difficili da contrastare. In tali situazioni gli interventi esterni devono mirare essenzialmente a interrompere il flusso d’aria che alimenta la combustione e a raffreddare la zona calda, iniettando gas inerte (ad esempio, azoto) o isolando la superficie della massa di carbone con materiali idonei.

Controllo e predizione degli incidenti

Differenti tecniche e appositi test sono utilizzati per stabilire se il carbone è incline alla combustione spontanea. Numerosi modelli e sistemi matematici sono stati, inoltre, elaborati sulla base delle analisi condotte sui carboni, per studiare e prevedere la propensione di questi ultimi all’auto-riscaldamento. Uno di questi è il modello di Frank-Kamenetskii, sviluppato nel 1959, che si basa sul bilancio tra la velocità di generazione del calore nel centro del cumulo di carbone e il calore trasferito dalla superficie del cumulo stesso. Questo modello è spesso utilizzato per prevedere la forma e la dimensione ottimale che un cumulo di carbone dovrebbe avere per minimizzare il processo di auto-riscaldamento. Tuttavia, questo modello non definisce una temperatura critica di auto-ignizione (CSIT, critical self-ignition temperature) che rappresenta un ottimo indicatore in quanto prossima a quella di auto-accensione.
Sasaki e altri (2014) hanno sviluppato un metodo di valutazione della temperatura di auto-accensione CSIT per differenti formati di cumuli di carbone in diverse condizioni ambientali (portata d’aria e temperatura). Questa preziosa informazione può essere utilizzata per impostare gli allarmi, specificatamente per i singoli cumuli di carbone, in base alla loro chimica e disposizione.
Per rilevare l’auto-riscaldamento del carbone, nella maggior parte delle miniere, sono utilizzati sistemi di monitoraggio in continuo della temperatura e della concentrazione di CO nell’ambiente circostante.
Il monossido di carbonio è, infatti, uno dei primi prodotti che si sviluppa dal processo di ossidazione del carbone e la sua concentrazione, registrata negli ambienti circostanti un cumulo di carbone, è considerata un indicatore attendibile di un’incipiente combustione spontanea.
I sistemi di rilevamento dei gas sono migliorati significativamente negli ultimi anni. Quelli utilizzati sono, infatti, più efficienti e sensibili dei sistemi di una volta. I tempi di analisi sono stati, infatti, ridotti da trenta minuti a meno di un minuto e la sensibilità degli strumenti è dell’ordine dei ppm. Il monitoraggio della temperatura è spesso realizzato con un sistema di termocoppie posizionate, a differenti profondità, sul materiale. Tuttavia, secondo alcuni, la loro presunta inaffidabilità, derivante da possibili guasti e/o danneggiamenti, ne farebbe uno strumento di fatto scarsamente consigliato. Tra i dispositivi meno invasivi e più efficienti si annovera la termografia infrarossa, utilizzata per indagini sui flussi di calore all’interno dei cumuli di carbone.

Piani di monitoraggio della combustione spontanea

In Australia, ma anche in Cina, Sud Africa e Stati Uniti stanno diventando sempre più comuni i piani di monitoraggio per la combustione spontanea SCMP (Spontaneous Combustion Management Plans) nelle miniere.
L’obiettivo principale dell’SCMP è gestire e minimizzare il verificarsi della combustione spontanea. Ciò può essere garantito sia attraverso la comprensione dei meccanismi che causano l’auto-combustione sia con lo sviluppo di misure efficaci di prevenzione e di controllo.
Al fine di garantire uno standard di sicurezza elevato, oltre a ridurre i rischi del personale in loco, vanno minimizzati i rischi di combustione spontanea e quelli derivanti da impatti dovuti ad eventuali incendi non in situ. Vi è inoltre la necessità di stabilire precise norme circa la prevenzione antincendio.
In generale l’SCMP deve contenere:
– L’elenco dei materiali coinvolti – le caratteristiche del tipo di carbone considerato e la relativa propensione all’auto-riscaldamento;
– L’identificazione delle possibili aree coinvolte;
– Specifiche circa i requisiti di controllo;
– Un livello di allarme, funzione dell’evento;
– L’elenco delle azioni da intraprendere nel caso di incendio TARP (trigger action response plan);
– Il registro di eventuali eventi o incidenti che si sono verificati;
– Gli attori coinvolti nel piano e le rispettive mansioni.
L’SCMP, visto il suo continuo aggiornamento, dovuto come sopra accennato all’annotazione degli eventi registrati, risulta un documento estremamente dinamico.
Insieme alle misure di prevenzione e protezione, uno dei fattori fondamentali per la riduzione del rischio riguarda l’organizzazione delle squadre di soccorso. Buona parte degli incidenti nelle miniere è causata, infatti, da errori umani. Nel settore dell’industria carbonifera sta diventando sempre più comune, per il personale, sottoporsi obbligatoriamente a una regolare formazione sulla sicurezza, che comprende la prevenzione e il controllo della combustione spontanea. L’Us National Mining Association (NMA) ha istituito CORESaftety, un modello per formare il personale e garantire la sicurezza durante le attività minerarie. Convegni e workshop, dedicati alla formazione per la sicurezza nelle miniere, sono disponibili nel sito http://www.scjmhsc.org/, dove è possibile discutere di problematiche comuni.
Presupponendo l’impossibilità di annullare il rischio dell’errore umano, la continua formazione complementata dall’applicazione di nuove tecniche possono contribuire a ridurlo in maniera significativa. FPoggi