CC BY
13
© C.B. Жуков, O.B. Чсрсмисина, В.И. Кирьянов, 2015
УДК 543.27.05, 543.27-8, 543.272
C.B. Жуков, О.В. Чсрсмисина, В.И. Кирьянов
АНАЛИЗ ШАХТНЫХ ГАЗОВ, ПОСТУПАЮЩИХ НА ВОЗДУШНО-НАСОСНУЮ СТАНЦИЮ ШАХТЫ «ЗАПОЛЯРНАЯ»
Рассмотрена возможность аналитического контроля примесей паров и газов в технологическом воздухе насосной станции шахты «Заполярная». Предлагаемый метод может быть реализован как в условиях насосной станции шахты «Заполярная», так и проведения анализа отобранных проб с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Учитывая многокомпонентность состава исследуемого воздуха, для отбора и хранения проб разработан динамический импактор, реализующий псевдокипящий слой для повышения сорбции вещества из газовой фазы с концентрированием и дальнейшим проведением анализа. Конструкция динамического импактора позволяет анализировать отобранную пробу исследуемого вещества без проведения дополнительных операций, что снижает погрешность аналитического контроля. Для проведения контрольных измерений любым другим методом импактор позволяет десорбировать отобранную пробу без значительных потерь, как по компонентам, так и по их концентрациям. Для повышения достоверности аналитического контроля для анализа примесей в воздухе насосной станции применен газоанализатор серии SNIFF, в основе которого лежат полупроводниковые сенсоры. Мультика-нальная аналитическая система газоанализатора позволяет проводить анализ пяти компонент воздуха одновременно. Для повышения перечня обнаруживаемых веществ, приборы серии SNIFF не требуют смены детектора.
Ключевые слова: паровоздушная смесь, динамический импактор, газоанализ, газоанализатор SNIFF, псевдокипящий слой.
Л ля обеспечения пожаро- и взрывобезопасности работ в шахтах необходим достоверный аналитический контроль паровоздушной смеси непосредственно на месте для повышения экспрессности анализа и достоверности измерений. Разработка газоаналитической системы контроля шахтных газов требует знания состава исследуемого воздуха в реальных физико-химических условиях. Для определения состава паровоздушной смеси на сегодняшний день используют сложные
аналитические системы, которые зачастую не позволяют провести достоверный анализ. Кроме этого, в некоторых случаях данное оборудование не позволяет провести анализ на месте. В таком случае необходимо провести отбор проб и обеспечить доставку в лабораторию [1].
Предварительно определен состав паровоздушной смеси поступающей на ВНС шахты «Заполярная»: метан, пропан, бу-тан-1, этилен, азот, гелий, диоксид углерода, сероводород, этан, пентан-1, гептан, пропилен, кислород, оксид углерода, водород, пары воды.
Целью данной работы является разработка методики отбора, хранения и анализа паровоздушной смеси (ПВС) как в реальных, так и в лабораторных условиях. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
— достоверный отбор проб паровоздушной смеси;
— консервация и доставка проб отобранных в реальных условиях в лабораторию;
— качественный и количественный анализ отобранных проб в лаборатории и в условиях ВНС.
Для достоверного отбора и последующего хранения проб разработан динамический импактор (ДИ), конструкция которого позволяет реализовать контакт ПВС с сорбентом, находящимся в псевдокипящем состоянии под действием турбулентного потока (Не>10000).
В случае применения сорбентов для интенсификации сорбции и десорбции паров и газов наиболее оптимальным динамическим состоянием является псевдокипящий (псевдо-ожиженный) слой, который интенсифицирует процессы мас-сообмена, а в случае адсорбции повышает размер контактной площади сорбента с газом, что, соответственно, увеличивает скорость диффузии. Во-первых, при псевдокипящем взвешенном состоянии сечение взаимодействия частиц сорбента с молекулами пара (газа) предельно максимально, во-вторых, режим псевдо кипящего слоя позволяет расширить диапазон расхода (скорости) отбора газовой пробы, что повышает достоверность сорбции той или иной примеси паровоздушной смеси.
В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала, приходящийся на единицу объема, уравновешивается силой аэродинамического сопротивления слоя:
щл = (рт-рг)(1 -60 ) А з, (1)
где ДЯс/ - сопротивление слоя зернистого материала, Ь0 - параметр ограничивающего объема, в данном случае высота камеры размещения сорбента, ру и рг - плотности твердых частиц и отбираемого воздуха, е0 - порозность неподвижного слоя материала.
Порозность, или проникающая способность материала псевдокипящего слоя рассчитывается как отношение объема внешних пор к объему всего слоя материала:
6 = ^, (2)
где V0 и V- ограничивающий объем и объем частиц.
Теоретически порозность можно определить лишь для неподвижного слоя (режим фильтрации) или для шаровых частиц одинакового диаметра. Для частиц шаровой формы и близкой к ней порозность неподвижного слоя е0 = 0,4, для взвешенного слоя 0,4 < е < 1.
Так как перепад давления в псевдоожиженном слое ДНсл остается постоянным, объем кипящего слоя определяется из
1 -6
условия: ( -рг)( -60)3 = ( -РГ)( -6) А3 ^ А = ^-Т А .
В этом случае порозность слоя равна: Ат
Н'
где Ьт - высота твердой фазы, которая рассчитывается как
Ат =-, М - масса слоя зернистого материала, Н - высота
5рт
ограничивающего объема, рТ - плотность твердой фазы материала, Б- площадь основания ограничивающего объема.
Обобщение опытных данных при промежуточных значениях порозности е дает соотношение для числа Рейнольдса
Не =_^_
"' 18+0,бьй^'
где Аг — критерий Архимеда, который определяется как 3^РГ ( -РГ)
Скорость потока воздуха, необходимая для достижения состояния псевдоожиженного слоя определяется размером час-
6 = 1 ,
тиц сорбента d, плотностью сорбента - рт и кинематической вязкостью сорбента jj определяется полуэмпирической зависимостью Аэрова - Тодеса: Re =-A—j= = wTdpT . qt_
18 + 0,6\4Ar ^t куда скорость витания частиц в псевдоожиженном слое равна
3 vit I
Ré..* цт
= .
¿Рт
В соответствии с расчетами сконструирован динамический импактор (рис. 1), который состоит из корпуса 8 и крышки 3 (верхняя часть) с двумя штуцерами 1 и 2. В корпусе размешена «сорбционная камера» которая включает в себя обойму 10, кольцо 4 с сеткой 5 и оптически прозрачное стекло 7. В этой камере размешается сорбент 6 через который проходит газовая смесь (газовый поток).
Рис. 1. Схема динамического импактора: 1 — входной штуцер, 2 — выходной штуцер, 3 — крышка, 4 — уплотнительное кольцо, 5 - сетка, 6 — сорбент, 7 - оптическое окно, 8 — корпус, 9 — нижняя крышка, 10 — обойма с сорбентом
В качестве сорбента использованы окислы переходных металлов с легируюшими добавками, которые синтезированы в лабораторных условиях золь-гель методом. Синтезированные таким способом неорганические сорбенты обладают высокой сорбционной способностью к компонентам паровоздушной смеси, стабильностью и возможностью многократного использования без изменения свойств [2].
Схема синтеза применяемых сорбентов представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема синтеза иеоргаиине- салевой раствор Осадитель
ских сорбентов (золь-гель метод)
Для аналитического метода контроля ПВС сорбированной с помощью ДИ наиболее оптимальным методом является метод комбинационного рассеяния (КР), так как спектры сто-ксова рассеяния однозначно соответствуют веществу-
аналиту. Для проведения спектрального анализа (измерения спектров комбинационного рассеяния) использован спектрометр Rm с опорной длиной волны 532 нм. Настоящая модель позволяет варьировать мощность излучения в пределах от 10 до 200 мВт. Приемное отделение спектрометра позволяет разместить ДИ без каких-либо конструктивных изменений. Спектрометр Rm с размещенным в нем ДИ представлен на рис. 3.
Для повышения чувствительности метода КР проводится дополнительная обработка спектра с применением дисперсионного преобразования по волновым числам, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум на 3-4 порядка [3-5].
На рис. 4 приведены спектры определяемых веществ в ПВС насосной станции шахты «Заполярная»
По площадям аналитических линий спектров КР рассчитаны концентрации отобранных веществ из ПВС. Параллельно с спектральными измерениями проведен анализ с помощью газоанализатора серии SNIFF 008 (рис. 5) непосредственно в условиях насосной станции.
Спектрометр КР и газоанализатор предварительно отка-либрованы в лабораторных условиях с помощью газодинамического поста ГДП-102 и газодинамической установки, позволяющей проводить необходимое разбавление с относительной погрешностью не более 3 %.
Рис. 3. Спектрометр комбина ционного рассеяния Rm
Готовый сорбент
Рис. 4. Спектры комбинационного рассеяния исследуемых веществ после отбора с помощью динамического импактора
Рис. 5. Газоанализатор SNIFF
Указанная погрешность
обеспечена применением систем управления потоками El-Flow (BronkHorst).
В табл. 1 приведены значения концентраций веществ-аналитов, обнаруженных и отобранных в ПВС насосной станции шахты «Заполярная»
Результаты одной серии спектрометрических и газоаналитических измерений
Таблица 1
№ п.п. Вещество-аналит Концентрация, об.%
Спектроскопия КР Газовый анализ SNIFF
1 Диоксид углерода (CO2) 0,63 0,74
2 Оксид углерода (CO) 0,0011 0,0008
3 Сероводород(H2S) 0,00032 0,0004
4 Водород (H2) 0,045 0,063
5 Метан (CH4) 0,089 0,081
6 Этан (C2H6) 0,26 0,17
7 Пропан (C3HS) 0,53 0,45
S Бутан (C4Hio) 0,00046 0,00053
9 Пентан (C5H12) 0,00057 0,00065
10 Fептан (C7H16) 0,000021 0,000028
11 Этилен (C2H4) 0,00082 0,00074
12 Пропилен (C3H6) 0,00032 0,00025
По результатам измерений видно, что динамический им-пактор позволяет проводить количественный анализ целевых компонент ПВС насосной станции шахты «Заполярная» с относительной погрешностью не более 7 %. Газоаналитические измерения позволяют определять указанные компоненты с относительной погрешностью не более 25 %, но время анализа при этом составляет от 1 до 3 минут для одного измерения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эль^алим C.3. // Средства индикации и мониторинга атмосферного воздуха, воды и почвы/ Химическая безопасность, № S, 2009, с. 23 - 44.
2. Эль^алим C.3. // Перспективы применения полупроводниковых мультисенсорных устройств в газовом анализе/ Нанотехнологии. Изд. Руда и металлы. № 1, 200S. С. 6-21.
3. Эль^алим C.3. //Применение вейвлет-преобразования для обработки дискретных сигналов систем полупроводниковых адсорбционных датчиков/ Журнал химической физики, № 3, 2010, с 9 - 17.
4. Mathieu H. // Physique des semiconducteurs et des composants electroniques. Paris. 1995. P. 407.
5. Mitchell F. // Introduction to electronics design. Prentice Hall, 2-nd edit, 1998. P. 885. 1233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Жуков Станислав Викторович — кандидат технических наук, ведущий инженер-химик, zhukov-stanislav@mail.ru, ООО «Омега»,
Черемисина Ольга Владимировна — доктор технических наук, профессор, ovcheremisina@yandex.ru, Национальный минерально-сырьевой университет
«Горный»,
Кирьянов Василий Иванович — генеральный директор, office@innovationcentre.ru, ЗАО «Инновационный центр «С&С».
UDC 543.27.05, 543.27-8, 543.272
THE ANALYSIS OF THE MINE GASES ARRIVING ON AIR AND PUMP STATION OF ««ZAPOLYARNAYA»» MINE
Zhukov Stanislav Viktorovich, leading chemical engineer,e-mail: zhukov-stanislav@mail.ru, JSC Omega, , Russia,
Cheremisina Olga Vladimirovna, prof., e-mail: ovcheremisina@yandex.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Kiryanov Vasily Ivanovich, CEO, e-mail: office@innovationcentre.ru, JSC «Innovative Center «C&C», Russia.
In article possibility of analytical control of impurity of vapors and gases in technological air of pump station of Zapolyarnaya mine is considered. The offered method can be realized as in the conditions of pump station of Zapolyarnaya mine, and carrying out the analysis of the selected tests by means of spectroscopy of combinational dispersion. Considering a components of composition of the studied air, the dynamic impaction realizing the pseudo-boiling layer for increase of sorption of substance from a gas phase with concoction and further carrying out the analysis is developed for selection and storage of tests. The design of a dynamic impaction allows to analyze the selected test of the studied substance without carrying out additional operations that reduces an error of analytical control. For carrying out control measurements by any other method the impaction allows to desorption the selected test without considerable losses, both on components, and on their concentration. The SNIFF series gas analyzer which cornerstone semiconductor sensors are is applied to increase of reliability of analytical control for the analysis of impurity in air of pump station. The multichannel analytical system of a gas analyzer allows to carry out the analysis five component of air at the same time. For increase of the list of the found substances, devices of the SNIFF series don't demand change of the detector. The circuitry decision and software allows to carry out the multicomponent analysis, leaning on the built-in database. The database on substances - to anolytes prepares according to qualifying standards of analytical control.
Key words: steam-air mix, a dynamic impaction, gas analysis, SNIFF gas analyzer, the pseudo-boiling layer.
REFERENCES
1. Jel'-Salim S.Z. Sredstva indikacii i monitoringa atmosfernogo vozduha, vody i pochvy/ Himicheskaja bezopasnost' (Means of indication and monitoring of atmospheric air, water and the soil), No 8, 2009, pp. 23 - 44.
2. Jel'-Salim S.Z. Perspektivy primenenija poluprovodnikovyh mul'tisensornyh ustrojstv v gazovom analize (Prospects of use of semiconductor multitouch devices in the gas analysis) / Nanotehnologii. Izd. Ruda i metally. No 1, 2008. pp. 6-21.
3. Jel'-Salim S.Z. Primenenie vejvlet-preobrazovanija dlja obrabot-ki diskretnyh sig-nalov sistem poluprovodnikovyh adsorbcionnyh datchikov (Application of veyvlet-transformation for processing of discrete signals of systems of semiconductor adsorptive sen-sors)/ Zhurnal himicheskoj fiziki, No 3, 2010, pp. 9 - 17.
4. Mathieu H. // Physique des semiconducteurs et des composants electroniques. Paris. 1995. P. 407.
5. Mitchell F. // Introduction to electronics design. Prentice Hall, 2-nd edit, 1998. P. 885.
