Возможность создания оптоэлектронного многокомпонентного газоанализатора для аварийных ситуаций Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

-------------------------------------- © М.В. Хиврин, Е.М Гамарц,

Т.Ю. Фомичева, 2006

УДК 622.86:553.8

М.В. Хиврин, Е.М. Гамарц, Т.Ю. Фомичева

ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ДЛЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Семинар № 22

~П следствие воздействия различных

-Щ-Э природных факторов и технологических процессов, связанных с разработкой полезных ископаемых, а также в результате внезапных выбросов воздух подземных выработок отличается от воздуха на земной поверхности. Рудничная атмосфера содержит меньше кислорода; в ней могут содержаться вредные для жизнедеятельности газы (метан, окись углерода, углекислый газ, сероводород и др.).

Состояние атмосферы в горных выработках угольных шахт в нормальном технологическом режиме работы регламентируется «Правилами безопасности в угольных шахтах» [1]:

■ содержание кислорода (О2) в рудничном воздухе должно быть не менее 20 % об;

■ предельно допустимое содержание метана (СН4) и углекислого газа (СО2), в зависимости от характера и функционального назначения горных выработок, допускается соответственно в пределах (0,5^2) % и (0,5^1) % от объема;

■ содержание водорода (Н2) в зарядных камерах должно быть не более 0,5 % об;

■ предельно допустимая концентрация угарного газа (СО) составляет

0,0017 % об.

Несмотря на осуществление различных мероприятий по повышению техники безопасности, число взрывов и пожаров в

шахтах остается достаточно высоким. Известно, что горючесть и взрывчатость метановоздушной смеси зависит от процентного содержания метана и кислорода в атмосфере. Смесь, содержащая до 4,4 % метана, не взрывчата, но может гореть при наличии кислорода и источника высокой температуры; смесь, содержащая от 4,4 до 17 % метана, взрывчата; а при содержании метана свыше 17 % - не взрывчата и не поддерживает горения, а с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Наиболее легко воспламеняется смесь, содержащая 8-8,5 % метана.

Если горючий газ состоит не из одного метана, а из смеси горючих газов (например, метана, водорода, окиси углерода), то при избытке кислорода взрывчатость такой смеси может быть определена из уравнения Ле Шателье:

ХСН 4 + ХСО + ХН 2 > 1

5 12,5 4 “

где ХСН 4 ХСО ХН 2 - объемные доли горючих газов, %

После пожаров или взрывов метановоздушных или метанопылевоздушных смесей рудничная атмосфера в основном содержит азот, кислород (от 2,5 до 20 %), углекислый газ (до 8 %), метан (до 4 %), окись углерода (до 8,5 %), водород (до 10 %). Смесь этих газов в определенных комбинациях может быть взрывчата, причем взрывоопасность таких смесей зависит от

Газ или пар Химиче- Плотность Концентрационный предел распро- Температура

ская фор- газа по странения пламени самовоспла-

мула воздуху, нижний верхний нижний верхний менения,

отн. ед. объемная мг/л °С

доля, %

Метан (рудничный газ) СН4 0,55 4,40 17,0 29 113 537

Углерод оксид насыщенный при 18 °С СО 0,97 10,90 74,0 126 870 605

Водород Н2 0,07 4,00 77,00 3,4 63 510

процентного содержания составляющих смесь газов и рассчитывается в соответствии с достаточно сложными аналитическими выражениями. Таким образом, в предаварийных ситуациях или в условиях аварий необходим качественный и количественный анализ газовых смесей, содержащих эти газы.

В табл. 1 представлены данные о воспламеняемости газов СН4, СО, Н2 [3]

В «Уставе ВГСЧ по организации и ведению горноспасательных работ»

изложена методика определения взрывчатости смеси горючих газов, которая заключается в следующем:

1. Предварительно определяется общее содержание по объему Сг (%) горючих газов:

Сг = СН4+СО+Н2,

где СН4, СО, Н2 - содержание соответственно метана, окиси углерода и водорода.

2. Затем рассчитывается доля горючего газа в смеси:

РСН4 = СН4/СГ, РСО = СО/ Сг, РН2 = =Н/ Сг.

3. По найденным значениям РСО и РСН4 находится соответствующий треугольник взрываемости. На рис. 1 представлен набор вложенных друг в друга треугольников взрываемости, площадь которых увеличивается с уменьшением доли метана или увеличением доли водорода и зависит также от доли окиси углерода. Взрывоопасная зона расположена внутри

треугольника. По данным анализа проб воздуха на график наносится точка Х с координатами (Сг;О2), соединяется прямыми линиями с точками А (0;21), О (0;0) и Б (34;8). Оценка взрываемости шахтной атмосферы производится исходя из того, попадает или нет точка Х в площадь данного треугольника взрываемости.

В результате проведенных в ИГД им. А.А. Скочинского исследований предложена следующая методика определения взрывоопасности атмосферы [4 ] .

Относительная взрывчатость смеси СН4, Н2 и СО с воздухом определяется соотношениями:

Хсн 4 Хн 2 Хсо .

-------+------+------< 1 - невзрывчатая смесь

5 4 12,5

Хсн 4 Хн 2 Хсо .

-------+------+--------> 1 - взрывчатая смесь

5 4 12,5

Хсн 4 Хн 2 Хсо

-------+------+----------= 1 - нижняя граница

5 4 12,5

(предел) взрьвчапоспи(НПВ) смеси Для реакции взрыва (горения) каждого из газов во взрывчатой смеси необходима некоторая минимальная концентрация кислорода, величина которой определяется соотношением:

.. _.. Хн2 + Хсо

Хо2 > 2Хсн. + —2------------,

2 4 2

где Хо2, Хсн4, Хн2, Хсо - объемные концентрации соответственно кислорода, метана, водорода и окиси углерода.

О 4 8 12 16 20 24 28 Сг,%

Для применения этих соотношений на практике их необходимо отразить в виде соответствующих номограмм (рис. 2- рис.

4).

Обе эти методики предполагают наличие сведений о точном процентном составе газов в смеси.

Контроль состояния газовой атмосферы в аварийной ситуации подразделением

Рис. 1. Треугольники взры-

ваемости

ВГСЧ осуществляется с использованием специальной аппаратуры. Например, хроматографический газоанализатор «Поиск-2» определяет содержание в рудничной атмосфере следующих компонентов (% по объему): азота 0100; кислорода 0-5; 0-25; углекислого газа 0-5; 0-25; 0-50; метана 0-5; 0-25; 0-50; окиси углерода 0-2; 0-10; водорода 0-10. При затяжных авариях рекомендуется разворачивать аварийную химическую лабораторию ВГСЧ и использовать всю имеющуюся аппаратуру для непрерывного исследования рудничной атмосферы. Как видим, такой способ требует значительных затрат времени, что зачастую оборачивается невосполнимыми чело-веческими и значительными материальными потерями.

Наличие портативного многокомпонентного газоанализатора в таких ситуациях могло бы значительно улучшить условия для оперативного принятия решений.

Отсутствие такого прибора в настоящее время объясняется принципиальными недостатками электрохимических и термохимических сенсоров, широко применяющихся в шахтных газоанализаторах.

Основным недостатком этих традиционных сенсоров является малая селективность, т.е. большие погрешности при измерении в присутствии больших концентраций других сопутствующих газов, что

Невзрывчатая смесь /

Взрывчатая

смесь

6 7 8 9 10 И 12

—> СО,об.%

Рис. 2. Номограмма для определения относительной взрывчатости смесей газов СН4 + +Н2 + СО

делает невозможным создание многокомпонентного газоанализатора для определения взрывчатости смеси - эксплозимет-ра.

Другими недостатками промышленных

электрохимических, термохимических, а также полупроводниковых датчиков являются ограниченный срок службы и значительные затраты на техобслуживание.

В настоящее время в России и за рубе-

Рис. 3. Номограмма из выравненных точек для Рис. 4. Номограмма для определения миниопределения относительной взрывчатости мального содержания кислорода, придающего смесей газов СН4 + +Н2 + +СО относительно взрывчатым смесям горючих га-

зов свойство взрывчатости (по сумме СО +Н2

жом все чаще применяются газоанализаторы с инфракрасными сенсорами.

Датчики с инфракрасными чувствительными элементами свободны от упомянутых недостатков, а главное, обладают высокой селективностью, что позволяет создать многокомпонентный газоанализатор для определения взрывчатости воздушной атмосферы. Инфракрасные датчики обладают также рядом других достоинств:

1. Быстродействие инфракрасных газоанализаторов может достигать долей секунды, в отличие от термокаталитических и электрохимических, в основе которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом.

2. Для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества, выводящие из строя или нарушающие работу датчиков, в основе работы которых лежат химические реакции.

3. Высокая чувствительность и стабильность, а также долговечность оптических датчиков обеспечивают более высокое соотношение качество/цена по сравнению с термокаталитическими.

4. Инфракрасные газоанализаторы могут работать в бескислородной среде, и их работа не зависит от процентного содержания кислорода в воздушной атмосфере.

5. Инфракрасные газоанализаторы

могут измерять концентрации газов в широком диапазоне (от долей процента до 100 %) в отличие от термо-

каталитических.

К недостатку оптических абсорбционных портативных газоанализаторов следует отнести их габариты (в 1,5^2 раза больше по сравнению с термокаталитическими).

Принцип действия большинства инфракрасных газоанализаторов основан на поглощении светового излучения, прошедшего через газ (абсорбционные газоанализаторы). Потеря энергии излучения

за счет поглощения ения соответствует закону Бугера - Ламберта:

I = 10в-а1!с

где I - интенсивность светового луча после прохождения через слой газа; 1о - интенсивность излучения на входе кюветы; сг(Л,-) - показатель поглощения (зависит

от длины X); I - длина оптической кюветы с газом; с - концентрация газа, поглощающего излучение.

Наибольшее поглощение газа происходит для каждого газа на соответствующей длине волны.

В табл. 2 указаны длины волн поглощения для метана, окиси и двуокиси углерода.

Так как абсорбционные ИК-датчики по принципу действия являются амплитудными, то для исключения влияния посторонних воздействий используется опорный сигнал на длине волны за пределами зоны интенсивного поглощения светового излучения газа и тогда формула для измерения концентрации газа С выглядит следующим образом:

о 1 Рг (Л2)- Рг (Л1)

~[ст(Л1 )-а(Л2)] I Рг(Л2) ’

где Х1 - длина волны, соответствующая пику поглощения газа (длина волны сигнала); Х2 - опорная длина волны, лежащая вне спектра поглощения; I - длина измерительной ячейки с газом; Рг(Ц) ^ = 1,2) -принятая оптическая мощность на длинах волн сигнала и опоры; с(Лг) ( = 1,2) - коэффициент, характеризующий поглощение молекул газа на длинах волн сигнала и опоры.

В качестве ИК - излучателей могут использоваться полупроводниковые светодиоды, лазеры или лампочки накаливания.

В качестве фотоприемников обычно применяются фоторезисторы или фотодиоды.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в институте «Гипроуглеавтоматизация» совместно с

№ Название газа Химическая формула Длина волны поглощения X, мкм НПВ %об.

1 Метан СН4 3,3; 7,5 4,4

2 Углекислый газ СО2 2.7; 4,3

3 Окись углерода СО 4,7 10,9

РНИИ «Электронстандарт» (С.-Петер-

бург), показали, что в настоящее время имеется необходимая элементная база для создания портативных многокомпонентных ИК газоанализаторов для определения взрывоопасности атмосферы (инфракрасные лазеры и светодиоды, п/п фотодиоды и фотосопротивления, инфракрасные фильтры, микропроцессоры и другие электронные компоненты). В настоящее

1. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ05-618-03. М. 2004

2. Соболев Г.Г. Организация и ведение горноспасательных работ в шахтах. - М.: Недра, 1988.

3. ГОСТР 51330.19-99 (МЭК 60079-20-96). Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 20. Данные по горючим газам и парам, относящиеся к эксплуатации электрооборудования. ИПК. «Издательство стандартов», 2000.

время РНИИ «Электронстандарт» (С.-Петербург) выпускает портативные взрывозащищенные ИК - газоанализаторы для предприятий ІІ группы по классификации взрывозащищенного электрооборудования в соответствии с ГОСТ Р 51330.0-99. Погрешность измерения концентрации инфракрасными газоанализаторами не превышает 0,1 % об.газов инфракрасными газоанализаторами не превышает 0,1 % об.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Клебанов Ф.С. и др. Определение взрывчатости горючих газов в аварийных пожарных зонах угольных шахт. «Горный вестник» №2 1994.

5. Хиврин М.В., Миронов С.А.и др. Оценка

точностных характеристик волоконно-

оптического датчика метана. Сб. «Автоматизация на угольных предприятиях». - М.: ГУА, 1994.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Хиврин М.В. - доцент, Московский государственный горный университет, Гамарц Е.М. - доктор технических наук, РНИИ «Э-Стандарт», С.-Петербург, Фомичева Т.Ю. - младший научный сотрудник, ФГУП ГУА, Москва.