井下炮烟污染控制及炮烟净化.pdf

⋯ 一’ ； 矿 井通风 ； ⋯⋯ 一 ／ 井下炮烟污染控制及炮烟净化 北 京 科 技 大 学李 怀 宇谢 攘 华 俊 芳杜 翠 凤 7 ／ 北 京 科 技 大 学李 怀 宇谢 攘 华袁 俊 芳杜 翠 凤 八／ 一 【 摘要】 本文在闱述矿山井下炮螭污絷和控制现状的基础上 提出了采用循环通风 试 验 ‘ 关 键竭 盘 嚷銎 塑 墅 且催 化 转 化 法炮 烟 7 通 关 键 竭 塑 催 化 转 化 法炮 烟 巡 井下采掘工作 面爆破时，将产生大量 的粉尘和炮烟．炮烟 的主要有毒成分是一氧 化碳和氮的氧化物．粉尘和炮烟的存在．会 恶化井下工作环境，损害工人身体健康．甚 至可能引起炮烟 中毒事故．对于粉尘的清 除，已经有 了一些解决方法．然而，对于炮 烟的污染控制．除了采用局部通风外．至今 仍没有十分有效的措施．本文在分析和实验 的基础上，主要论述炮烟的净化． 1 炮烟污 染的控制方法 概述 炮 烟 污染 的控 制包 括两 个途 径 一 是 减少炮烟的生成量，二是清除炮娴． 1 ． 1 减少炮熘 生成 量 大 多 数 炸 药 只含 有 C、H N、O 四 种元素 ，其 中 c、H 是可燃元索．O是助 燃元素，N 是载氧体．炸药爆炸过程的实 质就是可燃元索与助燃元素发生极其迅速 的氧化燃烧反应．有毒气体的生成煎与 炸 药 的组 成 、化学 反应 的完全 程度 、爆 岩 尥 性质等许多因索有关． 控制炮娲 污染的根本途径是尽可能减 少炮烟中有毒气体的生成盘，在实际应， 乃 中可采取以下措施 1 选用合适的炸药，这包括使用氧平 衡接近于零 疗 勺 炸药， 选用乳化油炸药， 不使 用显然变 质或完全 失效 的炸药 用与炮孔 相 适应 的触大直径 的炸药包 ． 在吉水 的炮 孔 中，使用有适当．抗水性能的炸药包，并且 在装药后按实际情况尽可自 B 快地起爆． 2 采用孔底起爆装置和水封爆破． 3 保证大孔堵塞质盘和堵塞长度，不 向药包中加A纸或其它可燃材料． 1 ． 2 炮烟的清除 井巷拥进爆破时产生的炮烟 ．目前普 遍采用局部通风的方法使其稀释和排除。 局 部通风可以采用压人式、抽 出式或混合式 通风．混合式通风最为常用．它对清除炮 嘏 虽然有 效 ．但需要 毅 设和维 护 把污风排 至 回风井 巷的较长 的风筒 ．否 则含有毒 气 休 的炮 烟将 污染 新鲜 风 流．敷设 大量 的风 简需要较多的投 资，维护风简费时费力而 且不岛坚持．尤其是距回风井巷较远的掘 进 工作面．问题更为突出．因此，有必要 寻求一种既经济又安全方便的净化或部分 净化井下爆破后有毒气体的方法． 净化炮烟对 掘进工作丽实现全过程的 可控循 环通 风 具有煎 要意 义 ．可 控循环 通 风是在保证 国家卫生标 准的前提下．人 为 地利用井下已经使用过的一部分风流来达 并下 炮炳糟杂控制及炮烟狰化 一车 怀宇 一2 5 维普资讯 到通风 目的．国外从 6 0年代就开 始研 究这 种通风方法 的应用。并且成功地研制 了高 效率的粉尘和氡子体净化装置．使可控循 环通风在 以清除粉尘和氧子体为 目的的工 作面得到 了应用．但是．由于炮烟的净化 _直投有得到很好解决，因此对于既有粉 尘又有炮烟同题的掘进工作面采用可控循 环通风一直是个障碍。一且炮烟能净化． 掘进工作面就可 以实现垒过程的可控循环 通风．这不仅能减少设置风简的费用．减 少维护风筒的工作量和降低掘进工作面风 机的 能耗 ， 而且 可 以因一部分 风流重复使 用，减少主扇的供风量和相应 的能耗．因 此，炮烟 的净化研究对应用可控循环通风 这一节能技术尤为重要． 2 炮烟的净化研究 2 ． 1 掘进工作面循环净化炮烟的理论 工作面循环净化炮 烟通风布 置如图 1 所示．新风靠压人式风机 5压人到独头巷 道内与工作面含炮烟的污风混合，混合风 流的一部分 与新风量相等 在压力作用 下 经独头巷谨进入贯穿风流巷道； 另一部分进 图 1 工作面循环通风净化炮烟 、 布置图 卜 压人式风机；2 一 净化装置 ；3 一 风筒； 4 一 两节风 门； 5 一 队式风 机 人压人式风机 l ，经净化装 置净化后再送 到工作面重复使用．工作面的炮烟浓度通 过循环净化处理和不 断供给新风的双重作 用将逐 渐降低，其衰减特性可用数学模型 较为精确地描述． 工作面炮烟浓度变化可用下式表示 V d 一 QI Cl 十 Q2 q d t - QI k c d t - Q2 k c x t t 1 式 中c 一 工作 面任意 时刻的炮烟 浓度 ． p p m 1 0 - - 6 v 一净化空间体积，m Q1 一进人工作面的新鲜风量， m’ ／s ； Q 广 循 环 进 入 净 化 装 置 的 风 量 ， r fl， ／s ； C ， 一新鲜风流的炮烟浓度，p p m； c 广 净化装置出风 的炮烟浓度，p p m； k 一紊流掺混系数． 假设工作面空间炮 烟浓度 均匀一致 ， 则 C． 一 1一n k c 2 】 式中 一净化装置的净化效率。％． 将 2 代人式 1 整理后得 d c口 l C1 ． 口l 1一n k c口i k c ． 。 一一 一 3 】 当 t 0时， CC0 ． 方 程 3 的 解 为 c 一 c 。 一 x e 一譬 f 口 l Q 4 循环系数 m定义为 口i 。百 式 中Q一 工 作 面 风 量 ， Q；Q一 十 Q 2 r fl ’ ／ 故Q 2 t mQ ’Q 1 - t - r a Q 国 将式 5 代人式 4 得 C - c 。 一 - - L 【 一 币 J x e一 f 1 - ⋯ 6 此式即为循环净化炮烟时， 净化空间 一 2 6一 有色矿 【 一 1 9 9 3 ． 5 维普资讯 炮烟浓度随时间变化的关系式 ．可以看 出， 工作面炮烟浓度随时间呈指数规律下降。 如 果 进 风不 受 污染 ， 则 C ；0 ，公式 可衙化 为 C 。 C e一 _ _ ’ 7 】 将炮烟浓度降低到许可浓度 C e 时所 需的时间t 为 I ／ C ㈣ 循 环通风分 为掺有外界新风的循环通 风和 不掺 有外界 新风 的循 环通 风 ，前 者称 为可 控 循 环 通 风 ， 后者 称 为全循 环 通 风 ． 全循环通风时，循环系数 m1 ，QQ ． 由式 7 可 得 出全循 环通风 净化 炮烟 时 ，炮 烟浓度随时问变化的关系式为 口 I C Cn e一下 9 由式【 9 可知，在不供 给新风，即压人 式 风 机 5不工作 的前提下 ，通 过 净化 装 置 的工作，炮烟浓度仍能不断下降．但金循 环通风不能改善工作面 内的气候条件，如 气温的升高 ，C O ， 含量的上升和古氧量的 下降． 因为 Q 1 - m Q，由式 7 】 得 c C e-- ⋯ 7 “ t f l 0 1 由式 】 0 可知，在新鲜风扭 Q． 一定的 条件 下， 由于 应用可控循 环通风 净化炮 烟，炮烟浓度的衰减 比不利用循环风流时 快．因此，在净化炮烟时．可有效地利用 循环风流，减少新鲜风流的供应量． 由式 7 8 、 1 0 可 以看 出，炮烟浓 度的衰减快慢及 所需 通风时问 的长 短在 K、V一 定时 ，与 Q 卜m m 构大小有 关．Q 1 - m m 的值越大．炮烟浓度衰减 越快 ．在新 鲜风量 Q。 一定时，m 越 大． 则 Q越大．但这会引起炮烟睁化装置处理 风量 的增 加 ． 因此 ．在 实 际应 用 中．应选 取合理的循环系数 ，并且要研 制出高效率 的炮烟净 化装置 ． 2 2 炮烟 的净化方 法 炮烟 舶 主要有 毒 气体是 一氧 化碳 和氮 的氧化物，其中C O更难清除．C O的净化 方法主要有吸收法 吸附法和催化转化 法． 吸附是指流体混合物与多孔性固体接触 时， 流体中的某一组分或某些组分吸 I 列蜃 f 体表 面并在上面浓集的现 象，它包括物理 吸附和 用化学溶液浸渍的化学吸附．常用的 CO吸 附剂有活性炭、分 子筛和硅胶．吸收法是将 气体混合 物中的一种或多种有害组分溶解 于 特定的吸 收液 中，或者进一步与吸收浓 中的 组分发生化学反应，使有害气体从气相转化 为渍相，从而使有害物分离的方法．常用的 C O吸收剂有铜氨溶液和四氯化铝亚铜 一甲 苯溶液．催化转化法是和 j 用稚化剂的冉 拄 化作 用。将废气中纳气态污染物转化为无害的或 比原状态更易去除的化舍物． 以达到净化目 的的方法 ．催化转化 C A 的催化剂有 贵金属 型锄．钯催化l荆．稀土催化剂和贱金属氧化 物型催化剂 。 金 属矿 山井下 一般 比较谰 湿 工作 面 温 度 不宜 过高 或过低 ．爆 破后 产生 的大 量 炮烟 ，要 求在尽可能短 的时间 内加 以清 除．由文献可知，吸附法处理气体量少而 且有解 吸 附的问题 ． 因而不能 用于 井下 炮 娴 的净化 ．吸收法是净化 气体 的常用方 法，但净化炮烟时蚊率低．大量的吸收液 在井下难 以处理．南菲一些矿山使用古碳 酸钠 5 ％、高锰酸钾 5 ％的水溶液吸收炮 烟 ，单个过滤装置 的处理风置 约为 4 ～ 9 m ／s 。对 NO 1 l g 净化效果晟大达 9 5 ％． 但它对 C O的含量影响．过滤后的空气须 用新鲜空气稀释才允许进人其它工作区． 周此，南非从未广泛应用这种过滤装置． 催化转化 法是净化炮烟 的有效 方法， 它能使炮烟就地净化， 而且没有后处理问 题 ． 因此它适用 于 井 下．关键 是选 取合 适 的催化剂．由于井下条件和成本的限制， 井下炮烟污染控制 及炮烟净化 一孝 怀字 一 2 7～ 维普资讯 要 求催 化 剂催化 温度 不 宜过 高 催 化效 率 高 ，价格便宜，来源广泛．稀土催化剂价 格 低 廉 ． 来 源 广 泛 ， 但 催 化 温 度 高 达 2 5 0 ℃以上，这必将 导致井 下工作面温度超 过矿 山安全规程的恨制．贵金属型催化剂 催化效率高，但价格昂贵．贱金属氧化物 型催化剂催化温度较低 ，催化效率较高 ， 而且 价格 适 中， 是井 下炮 烟净 化较 理想 的 倦化 剂． 2 ． 3 倦化转化法净化炮烟的实验研究 通过 对各 种催 化 剂进 行 实 验研究 。我 们认 为霍 加 拉 特对 炮烟 的净化 较 为有 效 ． 霍加 拉特 属于 贱金 属 氧化物 型催 化 剂， 主 要成 分 是二 氧化锰 和氧化 铜 ． 在实验室模 拟装 置 上对霍 加 拉特 的催 化性 能进 行一 系 列实 验 。其实验装置 如图 2所示 。 图 2 催化 剂催化 性能模拟实验 装置图 l 哺拟 巷 道 ； 2 -注气 孔 ； 3 ． 风机 4 - 诵 节 风 门；5 一 风管；6 一净化装置 向巷道内注人 C O或 “N O 气体并使其 混合均匀，开动风机使气体不断通过催化 剂 层 。用 CO 或 “NO监测 仪测 定 巷道 内 C O 或 “NO ， 的浓度．在实验室研究 了 CO 或 “NO 2 浓度、巷道内湿度、空速对擐加拉 特催化性 能 的关系 ． 2 ． 3 ． 1 一氧化碳浓度 和巷道 内湿度与 C O 转化率 的关 系 实 验 条 件 霍 加 拉 特 的 装 填 量 为 3 4 0 g ，管 速 Nl _ 5 m／s ， 空 速 为 7 ． 3 3 x l 0 ‘ h _ 。．采用较高空速是为 了在井下应用 时，减少 霍加拉特 的用量 ． 通常湿度条件下，所测数据种计算结 果如 表 1 所 示 。 表 1 通 常 湿 度 下 ， 霍 加 拉 特 对 CO 实 验次数 l 2 3 4 巷道 内相对 湿度 ． ％ 6 3 2 5 9 ．6 6 1 ． 5 6 4 ． o 巷 内 温度． ℃ 1 9 ． 6 9 ． 3 I 9 ． 9 2 0 ． 6 co韧始浓度． p p m 1 9 5 5 1 7 8 S 1 8 g 0 1 7 6 0 l O 分钟时 c o{ 盎 瘦． p p m 3 5 3 2 7 3 3 2 6 3 O 6 2 0 分针时 c o维度． 口 口 m 7 3 6 4 1 5 7 4 3 0分钟时 C O酿窿． p p m 2 7 2 4 2 4 3 j 前 2 0 分钟的 CO转化率． ％ 9 6 2 7 9 6 ． 4 2 O 1 9 5 S 0 由表 1可看 出 ，在 通 常环境 湿度 条 件 下，翟加拉特对 CO有较好的净化效果，在 2 9 ～ 3 4分 钟 内 ．能 将 初 始 浓 度 为 1 7 6 0 1 9 5 5 p p m 的 CO混合气体降低到 2 4 p p m，前 2 0分钟的 C O转化率达 9 6 ％． 由于 井 下湿 度校 太 ． 因而我 们测 试 了 巷道 内相 对湿度 在 9 0 ％以上 时， 翟加拉 特 对 C O 的净化效果 ．实验结果表明，在高 环境 湿度条 件 下 ．霍加 拉 特的催 化 能力 下 降 ．空 速 为 7 ． 3 3 x 1 0 ‘ h ． 。 时 ．首 次使 用 的 糕 加 拉 特 在 3 2分 钟 内 能 将 韧 始 浓 度 为 2 0 0 0 p p m 的 CO 混 合气 体 降 到 5 0 p p m 以 下 ， 前 2 0分 钟 的 CO 转 化 率 为 9 2 ％～ 9 3 ％ ．但 反复 在 高湿 度 下继 续试 验 ，霍 加 拉特的催化能力迅速下降．甚至产生水中 毒而失效 ． 2 ． 3 ． 2 空速与 CO转化 率的关 系 空速指单位时间内，通过给 定体积催 化剂的气体 或液体 的体积数，单位 为 m ／ m h h _ 。 ．空速是催化剂装填体 积和气体 流量的函数，是决定催化{ } 町 的催 化 能力 和 用量 的 主要 因素 ．在通 常温 度和 湿度条件下，改变空速．所测数据和计算 结 果如表 2 ． 实 验 结 果 表 明 ， 空 速 对 CO 的 转 化 率 有 一 定 影 响 ． 空 速 增 大 。 CO 转 化 率 下降 ．但通 常环境湿度条件下 ，空速达 1 2x 1 0 ‘ h 时 ，雹 加 拉特 对 CO 仍有 较 好 的净化效 果． 一 2 8一 有色矿山一I 9 9 3 5 维普资讯 对 NO 2 的转化，我仉也进行了实验研 究 ．结 果表明 ，翟加 拉特对 NO 也有～定 的净化效果． 表 2 通 常 湿 度 下 ， 不 同 空 速 时 的 CO 转化率 巷 道内温度， ％ 5 8 ． 3 5 9 ． i 6 4 ． 0 I 6 ] 4{ 6 1 I 巷遘内强度。 ℃ 2 I _2 I 9 9 ．2 0 7 2 3 4 I 2 2 7 空 迭 K。 x1 0 h - ‘ 4 ． 9 5 5 ． 9 3 7 ． 0 8 l 8 4 5 I I _ ．9 6 葡 2 。 丹钟的 c O 转化率， ％ 9 6 ． 1 2 9 6 ． 5 O 9 6 I 9 4 ． 4 7} 9 0 5 0 l 罂 加 拉 特对 炮姬 的清 除鞍 为有 效 ， 但它 的最大缺 点是在高湿度 条件下 ，易 吸 收 水 蒸 汽 而 发 生 中毒 ． 引起 化 能 力 明显 下 降 ． 由差 热分 析 结 果 可 知 ，加 热 已 中 毒 的 霍 加 拉 特 能 恢 复 其 催 化 能 力 ． 对 于 最 佳 的 加 热 温 度 和 温 度 稳 定 时 间 ． 需 作 进 一 步 的 实 验研 究 。 如 果能 较好 地 解决霍加 拉特 的水 中毒 问题，它无疑将 在炮烟循 环净化 中得 到应 用．关 于这个 课 题 ， 我 们 正 在作 深 入 研 究 ． 目前 已 取 得 实 质性 进展 ． 3 结话 3 l 减少炮 烟 中有 毒气体 的生成量 是控 制 炮姬 污染 的 根本 方 法．除 了要 从 炸药 本 身 去 考 虑外 ，还应采 取多种 措施 降低 毒气 的 生成量 ． 3 ． 2 循环通风净化炮娲是炮烟清除的新方 法 ， 它能 减少 主扇 的供 风量 和有 效 地解决 多工作面 掘进 时的风流污染 问题 ． 3 3 催 化 转 化法是 净化炮 烟 的有 效 方 法 ， 催 化荆 的选取 是炮姻 循 环净化 的 关键 ．翟 加 拉特 对炮 烟有较 好 的净化效 果 ．如 能解 决雹加拉特的水 中毒问题，循环净化炮烟 将在 井下得到 实际应用． 参考文献 l 王英被主编．矿井通风与安全 北京 冶金工 业 出版社 ．1 9 7 9 ． 2 陈秉勤 可拉空气 再循 环技术的发展及 应用 前景．工业安全与防尘 1 9 9 0 ．No ． 2 ． 3 刘 亮生．石华译 ．矿山炮烟过滤净化 法的现 状 世界采矿 报．1 9 9 2 ．4 1 0 ． 4 林 大 汗 ．爆 破 毒 气 及控 制 ． 安 全 ， I 9 9 2 ， N o ． 3 ． -， 责任编辑肖泽铭 上接 5 1页 可溶 性盐 的 主方 法减弱甚 至消 除．硫 离子 s 以 微 溶 性 铅 或 汞 的 硫 化 物 P b S或 Hg S 的形式从 溶赦 中除去。 总 的说来 ． 金的氰 化浸 出是 一个缓 慢 的过程，尤其是用空气或氧气作氧化剂时 更 是如此 ．缓慢 的原因在 于金 的氧 化建 雎 缓慢．金 的氰化速率可 以通过增大氧在氰 化矿浆 中溶铘度的方法来提高．例如．使 缨小的氧气泡通过较长的矿浆柱达到分 散 的 目的，或采 用增 加氧气 压力 的方 法．进 一 步 的，还可以使用能产生活性或原子氧 O 的 氧 化 荆 如 H2 H2 、 Na 2 O 2 、 O 3 、 C a O， 、KMn Oa R 速 金的氰 化 ．因 为原 子 氧的氧化性 比分子氧 如空气、氧气 的氧化 性强的多，所以使用时必须采取相应的措 施 防 止 氰 化 物 CN- 氧 化 成 氰 酸 盐 CNO3． 分 子 氧 空气 ．氧 气 易得且 远 比过 氧 化物 、臭 氧 和过 氧酸盐 等 活性 氧 源 价 廉 ， 禺 此，为 了在金 的氰 化过 程 中有 效的 利用 分 子氧 ，进行这方 面 的研究 和开 发 R＆D 工作 十分 必要 ． 工作 目标之一 是开 发新设 备 以使 氧 在氰化 浸 出矿 浆 中能保 留较长 时 问 ．这 可 以通 过改进充气 装 置或 搅拌装 置 实现 ．另外 ，还 需要 对 利用活性 氧 的较高 氧化 活性进 行研 究． 参考文献略 邹蔚 蔚摘译 自 CI M B u l l e t i n ， l 9 9 2 ， 9 3 1 ～ 3 7 ． 扬 松荣校 责任 编辑康 晓菡 井下炮姻悸染控制及炮烟岢化 一李怀宇 ’ 一 2 9 维普资讯