CC BY
9
УДК 622.4
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ В АТМОСФЕРЕ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
Н.В. Норина, А.Г. Исаевич
Представлены исследования по нормализации рудничной атмосферы в условиях калийных рудников. Разработана технология применения фотохимического метода нейтрализации сероводорода и метилмеркаптана в рудничной атмосфере, позволяющая снизить их концентрации до уровня предельно-допустимых значений. Разработанные технические средства нейтрализации серосодержащих соединений (генераторы озона) могут быть использованы в калийных рудниках.
Ключевые слова: калийные рудники, рудничная атмосфера, метилмеркаптан, сероводород, фотохимический метод, генераторы озона.
Исследования газовыделений в выработки калийных рудников свидетельствуют о широком спектре как горючих, так и токсичных газов, выделяющихся из массива в процессе выполнения различных технологических операций: бурения, добычи руды комбайновым или буровзрывным способами, транспортировки. Вследствие этого возникают условия, требующие постоянного контроля за составом рудничной атмосферы и организации подачи свежего воздуха в выработки. От бесперебойной работы вентиляционных систем шахт и рудников зависит здоровье находящихся под землей людей и безопасность эксплуатации добычного оборудования и рудничного транспорта.
К токсичным относятся такие серосодержащие соединения, как сероводород, меркаптан, метилмеркаптан, этилмеркаптан, диметилсульфид и другие. Эти газы приводят к ухудшению санитарных условий в подземных выработках [1]. В настоящее время известны методы очистки от серосодержащих соединений: реагентный, биохимический, адсорбционно-каталитический [2 - 3], в работе [4] описываются способы нейтрализации с помощью специального оборудования: лопастного и эжекторного типа нейтрализаторов, вентиляционного бункера-перегружателя, технологические, вентиляционные мероприятия, направленные на предотвращение и локализацию газовыделений. Описанные способы нейтрализации сернистых соединений показали, что все они при малой эффективности требуют значительных материальных, энергетических и трудовых затрат, а применение водных растворов в условиях добычи руды в шахтах неприемлемо. В процессе поиска эффективных способов для снижения концентраций серосодержащих газов в рудничной атмосфере калийных рудников определен фотохимический метод, основанный на получении озона при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ-излучения
[5 - 9]. В дальнейшем процессы нейтрализации сероводорода и метилмер-каптана озоном происходят в соответствии со следующими уравнениями:
20з ^ 02 +О0 +802 +Н20; (1)
Оз+СНзБН ^ Б0 + СО +2Н2О. (2)
Озон в процессе реакции разлагает их на следующие продукты: молекулярный, атомарный кислород, оксиды серы и углерода, которые не приводят к образованию канцерогенных веществ.
Для получения озона используется излучение дуговой ртутной лампы высокого давления ДРЛ-400, являющейся хорошим источником ультрафиолетового излучения, способствующим активному образованию озона. Основные характеристики лампы: мощность - 400 Вт, напряжение -145 В, световой поток - 23500 Лм. Образование озона под воздействием энергии оптического излучения происходит в результате сложного физико-химического процесса. Первые процессы образования озона из кислорода протекают в зависимости от количества приложенной энергии.
Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов 6,1 эВ, образование молекулярных ионов кислорода - при значении энергии электронов 12,2 эВ, а диссоциация в кислороде происходит при энергии электронов 19,2 эВ. При энергии электронов 12,2 эВ, образование озона не происходит, а при энергии электронов 19,2 эВ происходит, когда в процессе участвуют атом и ион кислорода. Основной реакцией является процесс диссоциации молекул кислорода при взаимодействии со свободным электроном:
О2+е- ^ О+О+е- . (3)
Постоянная времени этого процесса мала и составляет единицы наносекунд, далее происходит образование молекулы озона, при участии третьей частицы:
О+О2+М ^ О3+М, (4)
где М - молекула, ион, электрон или атом в нейтральном или возбужденном состоянии.
Образующийся в зоне разряда озон диффундирует, и в результате прохождения рабочего газа через разрядную лампу на выходе ламы
з
получается озоно-воздушная смесь с концентрацией озона до 10 мг/м . Кроме образования озона, при движении частиц газа происходит разложение молекулы Оз по реакции в течение 10 мкс:
О3+М ^ О2+О+М. (5)
Генератор озона, используемый для проведения фотохимической реакции нейтрализации серосодержащих соединений, представлен на рис.1. Он состоит из цилиндрической колбы (1), изготовленной из кварцевого стекла, прозрачного для коротковолнового УФ - излучения, которая помещается в герметичный корпус, состоящий из стеклянной кварцевой трубки (3), арматуры (2) и предохранительной решетки (4) [10]. Проведенные исследования основаны на отборе проб токсичных газов с последую-
щим химическим анализом на концентрационном спектрофотометре КФК-ЗКМ[11].
Рис. 1. Генератор озона
Эксперименты проводились на установке с генератором озона. Результаты исследований по изучению фотохимической реакции озона по отношению к сероводороду при различных температурах представлены на рис.2. При температуре воздушной среды 10...14 °С в движущемся потоке воздуха со скоростью 1,5 м/с достигнуто снижение концентрации сероводорода с 23 до 5 мг/м3.
Динамика изменения концентраций сероводорода
зоо
25.0
л 20.0
и «
§ 15.0
10 0
50
О о
1.
к.
1
15 20 25
Время, мнн.
35
Рис. 2. Зависимость концентрации сероводорода от времени при различных температурах
Разработанная технология фотохимического метода нейтрализации сероводорода в данном интервале температур позволит достигнуть снижение серосодержащих газов в рудничном воздухе до уровня предельно-
допустимых концентраций (ПДК) в соответствии со Специальными мероприятиями по безопасному ведению горных работ на ВКМС в условиях газового режима.
Промышленные испытания генератора озона на руднике СКРУ-3 ПАО «Уралкалий» были проведены с соблюдением следующих режимов: при неработающем комбайне (режим 1), включенном генераторе озона и неработающем комбайне (режим 2), работающем комбайне в штатном режиме и выключенном генераторе озона (режим 3), а также одновременно работающем комбайне и включенном генераторе (режим 4). Схема размещения оборудования и точек отбора проб рудничного воздуха представлена на рис.3.
6 7 1 3
Рис. 3. Схема размещения оборудования и отбора проб воздуха: 1 - рабочее место машиниста комбайнера; 2 - бункер-перегружатель; 3 - нагнетательный воздухопровод; 4 - выходной воздухопровод системы пылезащиты; 5 - генератор озона; 6,7,8 - точки отбора проб
рудничного воздуха
В промышленных условиях использованный метод позволил снизить концентрацию сероводорода и метилмеркаптана в рудничном воздухе до величины, составляющей 30 % от начального значения в режиме работы генератора озона и неработающем комбайне. При одновременно работающих комбайне и генераторе озона концентрации сероводорода и метилмеркаптана снизились до величины, составляющей 50 % от начального значения (рис.4).
Следующим этапом промышленных испытаний являлось использование генератора озона, состоящего из двух ламп ДРЛ-400. Исследования проводились в штатном режиме:
1) при работающем комбайне,
2) при работающем генераторе озона вместе с комбайном.
0 }--------------
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Время, мин.
Рис. 4. Изменение концентрации серосодержащих газов при различных
режимах испытаний
При совместно работающих генераторе озона и комбайне достигнуто снижение концентрации метилмеркаптана до величины, составляющей 50 % от начального значения, и сероводорода до величины, равной 80 % от соответствующего начального значения (рис. 5).
036911 12223333
Вреия. мим.
Рис. 5. Изменение концентрации серосодержащих газов в различных
режимах работы установки
В результате промышленных испытаний технологии нейтрализации серосодержащих газов в рудничной атмосфере фотохимическим методом
не происходит появление дополнительных или замещающих сложных соединений, требующих дополнительной очистки рудничного воздуха в рабочих зонах, где ведется добыча полезных ископаемых. Испытания технического средства - генератора озона с различной комплектацией -обеспечивают снижение концентрации серосодержащих газов до уровня предельно-допустимых значений.
Список литературы
1. Медведев И.И. Аэрология калийных рудников. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. 250 с.
2. Родионов А.И., Клушин В.Н. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.
3. Очистка газов от соединений серы: пат. №4302071/23-26 РФ; опуб.15.12.89. Бюл. № 46.
4. Медведев И.И., Полянина Г.Д. Газовыделения на калийных рудниках издательство. М.: Недра, 1974. 163 с.
5. Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях // Руководство Р3.5.1904-04. М., 2004. 48 с.
6. К образованию озона при обеззараживании воздуха УФ излучением в вентиляционных каналах / Ю.И. Шатилов, Р.Э. Прийман, Л.Ю. Виснапуу, В.В. Сысоев // Гигиена и санитария. 1989. №9. С.72.
7. Алферова Л.К. Многофункциональный ультрафиолетовый облучатель-озонатор // Новые технологии. 1996. №1. С.7-9.
8. Coal desulfurization in oxidative acid media using hydrogen peroxide and ozone: a kinetic and statistical approach / F. R. Carrillo-Pedroza [et al.] // Energy & Fuels. 2009. Т. 23. №. 7. С. 3703-3710.
9. Removal of heavy metals in an abandoned mine drainage via ozone oxidation: a pilot-scale operation / S. H. Seo [et al.] //Water Science and Technology. 2010. Т. 62. №. 9. С. 2115-2120.
10. Устройство для нейтрализации сероводорода в атмосфере калийных рудников; опубл.18.08.2008. Бюл. № 4.
11. Руководство по контролю вредных веществ в рудничном воздухе. Екатеринбург, 2002. 250 с.
Норина Надежда Владимировна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., nvnori-na@,mail.ru, Россия, Пермь, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук,
Исаевич Алексей Геннадьевич, канд. техн. наук, зав. сектором, aero alex amail.ru, Россия, Пермь, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук
METHODS AND TECHNICAL MEANS OF NEUTRALIZATION SULFUR-CONTAINING GASES IN THE ATMOSPHERE OF POTASSIUM MINES
N.V. Norina, A.G. Isaevich
The study is devoted to the normalization of the mine atmosphere in potash mines. We propose the technique of neutralizing toxic gases (hydrogen sulfide and methyl mercaptan) in a mine atmosphere, which is based on photochemical method. It allows reducing concentrations of toxic gases to the maximum permissible values. The developed technique of neutralizing sulfur-containing gases can be used in potash mines.
Key words: potassium mine, mine atmosphere, methyl mercaptan, hydrogen sulfide, photochemical method, ozone generators.
Norina Nadezhda Vladimirovna, candidate of technical sciences, senior researcher, nvnorina@mail. ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Science,
Isaevich Alexey Gennadievich, candidate of technical sciences, head of sector, ae-ro_alex@,mail. ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Medvedev I. I. Aerology of potash mines. Sverdlovsk: Uro of the USSR Academy of Sciences, 1990, 250 p.
2. Rodionov A. I., Klushin V. N. Technique of environmental protection. Chemistry: Moscow, 1989. 512 p.
3. Purification of gases from sulfur compounds; no. 4302071/23-26 RF; pub. 15. 12. 89. Byul. no. 46.
4. Medvedev I. I., Polyanina G. D. gas Emissions on potash ores publishing house. Nedra: Moscow, 1974. 163 p.
5. Use of ultraviolet bactericidal radiation for disinfection of air and surfaces in rooms // Manual P3. 5. 1904-04. Moscow. 2004. 48 p.
6. to the formation of ozone during air disinfection by UV radiation in ventilation channels / Yu. I. Shatilov, R. E. Priyman, L. Yu. Visnapuu, V. V. Sysoev / / Hygiene and sanitation. 1989. no. 9. P. 72.
7. Alferova L. K. Multifunctional UV irradiator-ozonator // New technology. 1996. No. 1. Pp. 7-9.
8. Coal desulfurization in oxidative acid media using hydrogen peroxide and ozone: a kinetic and statistical approach / F. R. Carrillo-Pedroza [et al.] // Energy & Fuels. 2009, Vol. 23, No. 7, Pp. 3703-3710.
9. Removal of heavy metals in an abandoned mine drainage via ozone oxidation: a pilot-scale operation / S. H. Seo [et al.] //Water Science and Tech-nology. 2010, Vol. 62, No. 9, Pp. 2115-2120.
10. Device for neutralization of hydrogen sulfide in the atmosphere of potassium mines; publ. 18. 08. 2008. bul. no. 4.
11. Guidelines for the control of harmful substances in the mining industry. Yekaterinburg, 2002, 250 p.
