Совершенствование разработки соляных месторождений
..pdfучетом большей плотности сероводорода по отношению к воздуху ав торы объясняют характером и величиной распределения векторов ско ростей рудничного воздуха в призабойном пространстве. Скорость и направление движения воздушных потоков определяли с помощью крыльчатого анемометра в поперечных сечениях выработок на рас стоянии 1,5; 4,0; 6,0; 8,0 м от забоя. В кавдом сечении измерения проводили в девяти фиксированных точках и в каждой точке в трех взаимно перпендикулярных направлениях, что позволило получить объемную,картину движения воздушных потоков в призабойном прост ранстве при работающих комбайнах типа "Урал".
Рис.2. Эпюры скоростей воздушных потоков
При расположении конца воздуховода в 10 м от забоя в приза бойном пространстве формируются направленные в сторону забоя ус тойчивые воздушные потоки у кровли и стенки со стороны пульта уп равления (воздуховода) и выходящие из выработки у почвы (рис.2 ). За комбайном происходит формирование вихревых потоков с частичным подъемом воздуха от почвы к кровле выработок. Представленный ха рактер движения воздушных масс, более высокая, чем у воздуха, плотность сероводорода обусловливают распределение его в приза бойном пространстве.
В случае увеличения расстояния от забоя до воздухоподанщего вентиляционного става до 20-25 м в призабойном пространстве пре обладают турбулентные, вихревые потоки. Непосредственно у ограж дающего щита часть потока поднимается к кровле, часть опускается к почве. Такому распределению воздуха способствует работа крыль чаток главных электродвигателей. Движение воздуха в забой происхо дит в основном у почвы, а.из него - под кровлей, что приводит к повышению концентрации газа в верхней части выработки. У пульта управления комбайном часто формируется застойная зона со скоро стью воздушных потоков, близкой к нулю.
Таким образом, распределение концентраций сероводорода в при забойном пространстве во многом определяется воздушными потоками, скорость и направление которых, в свою очередь, зависят от рас стояния между забоем и воздуховодом.
Библиографический список
1. Вахромеева В.А. 0 микровключенном сероводороде в соляных породах Верхнекамского месторождения// Тр.ШИИГ. М.: Недра, 1964.
С.I5I-I55.
2.Полянина Г.Д. и др. Результаты опытно-промышленных испыта ний пылегазопоглотителя в руднике Второго Соликамского рудоуправ ления (СКПРУ-2)// Технология подземной разработки калийных место рождений/ Перм.политехи.ин-т. Пермь, 1988. С. 90-95.
Получено 20.10.89
Совершенствование разработки соляных месторождений. Пермь, 1990
УДК 622.457.3+622.411.34 (470.53)
А.Н.ЗЕМСКОВ (Белорусский филиал ЕНШГ), М.В.ЗИЛЬБЕРМАН (Пермский политехнический институт)
ВЫБОР РАСТВОРОВ-ПОГЛОТИТЕЛЕЙ СЕРОВОДОРОДА В АППАРАТАХ ГАЗООЧИСТКИ НА КАЛИЙНЫХ РУДНИКАХ
Приведена методика выбора растворовпоглотителей для использования их в нейтрализаторах сероводорода.
В последние годы на рудниках ПО "Сильвинит" и ПО "Уралкалий", разрабатывающих запасы Верхнекамского калийного месторождения, серьезной проблемой стала загазованность выработок сероводородом. Интенсивные газовыделения явились причинами снижения норм выработ ки на горнодобычные комплексы на газоносных пластах, заболевания горнорабочих конъюнктивитом,перехода квалифицированных рабочих с газоносных пластов на менее газоносные и т.д.
Для борьбы.с выделениями сероводорода используются’средства вентиляции и разрабатываются мероприятия организационного и тех нологического характера (регулирование продолжительности добычных циклов, объема добычи и т.д.).
Однако на удаленных от воздухоподающих стволов участках шахт ных полей и при обнаружении участков пластов с повышенной газонос ностью целесообразно использовать специальные способы газоподавления: предупреждение выделений газа путем его нейтрализации в местах отбойки полезного ископаемого, локализация вредностей и их целенаправленное удаление из зон скопления и выделения в отрабо танные выработки или пропускание газовоздушных смесей через специ альные устройства - нейтрализаторы /1-3/.
Используемые в различных отраслях промышленности способы по давления сероводорода могут быть объединены в три группы:
1) сорбция, растворение сероводорода;
2 |
) связывание |
сероводорода в нерастворимые соединения; |
3 |
) разрушение |
(окисление) сероводорода. |
Критериями оценки различных способов поглощения являются ин тенсивность и глубина очистки газа. Кроме того, применяемый спо соб поглощения должен отвечать условиям горных выработок калийных рудников: ограниченности рабочих пространств, взрывоопасности га зовоздушных смесей, нечувствительности к высокой запыленности рудничной атмосферы и т.д.
Наиболее реально использование в рудничных условиях "мокрых" способов, обеспечивающих контактирование газовоздушных смесей с жидкими химическими поглотителями.
Определяющими характеристиками процесса газопоглощения явля ются применение эффективных реагентов-поглотителей и обеспечение развитой поверхности контакта газа с поглотителями, что определя ется конструкцией аппаратов газоочистки.
Возможность применения тех или иных поглотителей оценивается целесообразностью их использования в условиях калийных рудников, их токсичностью и вероятностью образования побочных продуктов ре акции, стоимостью и дефицитностью.
Невыполнение хотя бы одного из предъявленных условий вынуди ло нас отказаться от использования подмыльных щелоков, цеолитсо держащих веществ, реагента ВНШТБ-I, многих органических соедине ний.
Проведем сравнение для наиболее распространенных представи телей указанных выше трех групп: гидроокиси натрия NaOH (свя зывание сероводорода в растворимые соединения), сульфата меди CuSOif (связывание в нерастворимые соединения) и хлорида желе за (Ш) - РеС(.3 (окисление газа).
При использовании реагентов-поглотителей наибольшее•значение имеют две характеристики: емкость, оценивающая, сколько сероводо рода может поглотить тот или иной раствор, и равновесное давление сероводорода над раствором-поглотителем, определяющее предельно
допустимую глубину очистки |
газа. |
|
Величина емкости отмеченных поглотителей по сероводороду оп |
||
ределялась исходя из стехиометрии реакций: |
|
|
МаОН+H2S |
NaHS + H20 , |
(I) |
CuSOt\ +H2$ |
CuS + ^SOf , |
(2) |
Емкости поглотителей сероводорода составили: Net ОН -
0,800 |
г/г |
(0,560 |
л/г); Си S O . 0,237 |
г/г (0,166 л/г); F e d 3 - |
0,098 |
г/г |
(0,069 |
л/г). |
исходя из известных термо |
Равновесные |
давления рассчитывали, |
|||
динамических характеристик компонентов |
системы (рисунок). Посколь |
|||
ку при поглощении сероводорода в растворах растут концентрации продуктов реакции, то по мере увеличения степени использования реагента равновесное давление сероводорода возрастает. Кроме то
го, |
изменение |
исходной концентрации реагента влияет на величину |
|||
равновесного |
давления. |
|
|
|
|
|
Исходя из вышеизложенного, расчеты проводились для растворов |
||||
различных концентраций |
(30 и 50 г/л) и их результаты |
представлены |
|||
в виде зависимости равновесного давления от емкости поглотителя |
|||||
по сероводороду. |
|
|
|
||
|
При анализе поглощения сероводорода раствором гидроокиси нат |
||||
рия учитывали |
следующие химические реакции: растворение сероводо |
||||
рода в воде, |
образование гидросульфида и сульфида натрия: |
||||
|
|
N2Sp +OH~= NS~ +Н2 0 , |
(5) |
||
|
|
NS |
+ ОН =S |
+ Н2 О . |
(6) |
|
Равновесия этих реакций описываются следующими уравнениями: |
||||
|
|
|
|
|
(7) |
|
|
N2 = [ H S ~ ] / [ N2 S ] [ O H ~], |
(8) |
||
|
|
/e3=[$2~ ]/ [H S ~ ][0 H ~ ] , |
о) |
||
где |
P//3s |
~ давление |
сероводорода над раствором, атм.; |
||
|
[0#~]f[S2']- концентрации ионов MS~*ОН~, |
серы, |
|||
|
|
|
моль/л. |
|
|
Уравнение (4) представляет собой закон Генри, остальные урав нения описывают процесс диссоциации сернисто-водородной кислоты.
о Q.4 йб OB ^/Еяох n u f
Ри с. Равновесные давления сероводорода над растворами поглотителей в зависимости от Е/ЕтаК
Величины констант равновесия определяли по известной формуле
RT£n /<р = -л& ,
где /г |
- универсальная газовая постоянная, R |
= 1,987 -ЕЕ2Л- - - ; |
|||||||
Т |
- абсолютная температура растворения, |
К; |
(кмоль-град) |
||||||
Л & |
- свободная энергия реакции, ккал/моль; |
|
|
||||||
К п - коэффициент |
Генри |
(коэффициент |
пропорциональности) для |
||||||
|
растворов, мм рт.ст. |
|
|
|
|||||
Изменение величин стандартных своббдных энергий рассчитывали |
|||||||||
по данным работы /4 /. |
|
|
|
|
|
|
|||
Исходные данные и результаты расчета констант равновесия |
|||||||||
представлены в табл.1 . |
|
|
|
|
|
Таблица I |
|||
Исходные данные и константы равновесия реакций |
|||||||||
(4)-(6) |
|||||||||
Компонент |
|
A& , ккал/моль |
Константы |
Значения констант |
|||||
' V r * - . |
- 7,892 |
|
|
K i |
|
1 |
0 |
||
R2 sp |
|
- 6,540 |
|
|
*2 |
1,1 |
Ю " 7 |
||
RS~ |
|
3,100 |
|
|
* 3 |
1 |
, 0 • к г 1 4 |
||
s z |
|
2 2 , 1 0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
Результаты расчетов по определению равновесных давлений серо |
|||||||||
водорода над растворами |
гидроокиси натрия приведены в |
та[бл.2 . |
|||||||
Равновесные давления |
сероводорода над растворами |
Таблица 2 |
|||||||
|
в |
зависимости |
от использованной |
емкости A/aOS/ |
|||||
|
3 ^-ный раствор |
|
|
емкость |
давление |
||
г/л |
л/л атм .Ю4 3 |
1 |
|
схО ы о |
|||
I |
2 |
___ 2 __ |
4___ |
2,82 |
1 , 8 6 |
0,04 |
0,04 |
3,71 |
2,44 |
0 , 1 0 |
0 , 1 0 |
5,71 |
3,76 |
0,19 |
0,19 |
|
5 ^-ный раствор |
|
г/л |
емкость |
атм1-0 " 6 |
л/л |
||
5 |
6 |
7 |
2,79 |
1,83 |
0,031 |
5,64 |
3,71 |
0,075 |
8,64 5,69 |
0,140 |
|
давление
1
о сх м о
8
0,031
0,075
0,140
|
|
|
|
|
|
Окончание |
табл.2 |
|
I |
Н - |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
0,240 |
||||||||
7,75 |
5,10 |
0,32 |
0,32 |
11,87 |
7,82 |
0,240 |
||
9,92 |
6,54 |
0,51 |
0,51 |
15,30 |
10,08 |
0,398 |
0,398 |
|
12,41 |
8,17 |
0,84 |
0,84 |
19,07 |
12,56 |
0,673 |
0,673 |
|
15,10 |
9,94 |
1,40 |
1,40 |
23,39 |
15,40 |
1 , 2 0 0 |
1 , 2 0 0 |
|
18,02 |
11,87 |
2,80 |
2,80 |
28,39 |
18,70 |
2,400 |
2,400 |
|
21,45 |
14,13 |
7 , 0 0 |
7,00 |
34,27 |
22,57 |
6,450 |
6,450 |
Из данных табл.2 следует, что растворы гидроокиси натрия обеспечивают очистку газовоздушных смесей от сероводорода до са нитарных норм. При этом емкости поглощаемых растворов оказывают ся весьма значительными - до 22,5 л сероводорода на I д растворапоглотителя, а равновесные давления - достаточно низкими для до ведения очистки газа до уровня ниже ПДК.
Однако применительно к конкретным условиям очистки растворы гидроокиси натрия обладают одним существенным недостатком. Из вестно, что поступающий на очистку воздух запылен. В состав пыли входят хлориды щелочно-земельных элементов, гидролизующиеся в ще лочных средах с образованием гидроксидов:
МдС£2 +2NaОнму (он)2 + 2NaС£, |
(ю) |
СаС12 +2МаОН= Са (ОН) + 2 А/аСг. |
> |
При использовании нейтрализаторов ящичного типа с набором сеток, орошаемых диспергированными растворами-поглотителями /3/, или нейтрализаторов лопастного типа происходит забивание контак тирующих поверхностей гидроксидами и резкое увеличение расхода гидроокиси натрия.
Существенным отличием сульфата меди от хлорида железа явля ется связывание серы в нерастворимые соединения и необходимость
подкисления раствора поглотителя по мере его использования |
(2 )-(3 ). |
Рассмотрим условия равновесия в системе Си2* -H2 S |
При |
анализе равновесия реакции поглощения сероводорода сульфатом меди принимались в расчет следующие процессы:
Л 2 $ г а ъ |
^ 2 ^ Р ’ |
(12) |
|||
|
|||||
|
|
|
+ |
2 - |
(13) |
H 2 S P |
+ |
2 М |
+ S |
, |
|
Y |
|
2+ |
2 — |
(14) |
|
С и «5 |
S |
|
|
.«5 |
|
Первый из них соответствует растворению сероводорода в воде, вто рой - диссоциации растворенного сероводорода, третий - растворению сульфида меди.
Уравнения для констант равновесия этих реакций выглядят сле дующим образом:
* i s P »a * / C # g s J , |
(15) |
|
|
||
£ 2 = [ H +] [ S S ~ |
] / [ н 2 з ] , |
(16) |
K 3 = [ C u 2 |
+ ] [ S 2 ~ l |
(17) |
Значения констант, определенные по данным работы /4/» составляни: /Г, = 1 0 ; Кг = H P * 1; /<3 = 8 - Н Г 37.
Комбинируя уравнения констант равновесия, получаем выражения для расчета равновесных концентраций сероводорода над растворами, содержащими сульфид меди:
P # § K j C Н + ~\I/<2 [ C i / Z* ] (18)
Это уравнение позволило рассчитать равновесные давления сероводо рода над растворами сульфата меди, связавшими различное количест во сероводорода (табл.З).
Данные табл.З показывают, что поглощение сероводорода сульфа том меди обеспечивает более низкие давления сероводорода над раст вором-поглотителем по сравнению с гидроокисью натрия. Однако этот факт не имеет решающего значения при выборе, реагентов-поглотите лей, поскольку в обоих случаях обеспечивается очистка газовоздуш ных смесей до уровня ПДК.
Таблица 3
Равновесные давления' сероводорода над растворами сульфата меди в зависимости от использованной емкости
|
3 %-ный раствор |
|
|
5 %-ный раствор |
|||||||
емкость |
|
давление |
емкость |
атм.Ю1 |
|
давление |
|||||
г/л |
|
|
л/л |
атм -" Ю1 4 %о6.10~гг |
г/л |
л/л |
4 |
%о6-1<Г1' |
|||
0,64 |
|
0,42 |
0,0066 |
0,0066 |
1,06 |
0,70 |
0 , 0 1 1 |
1 |
0 , 0 1 1 1 |
||
1,28 |
0,84 |
0,0300 |
0,0300 |
2 , 1 2 |
1,40 |
0,0500 |
|
0,0500 |
|||
1,91 |
|
1,26 |
0,0771 |
0,0771 |
3,19 2 , 1 0 |
0,1290 |
|
0,1290 |
|||
2,55 |
1 |
, |
6 |
8 |
0,1600 |
0,1600 |
4,25 |
2,80 |
0,2660 |
0,2660 |
|
3,18 |
2 |
, |
1 |
0 |
0,3000 |
0,3000 |
5,31 |
3,50 |
0,5000 |
0,5000 |
|
3,82 |
2,52 |
0,5400 |
0,5400 |
6,38 4,20 |
0,9000 |
|
0,9000 |
||||
4,46 |
2,94 |
0,9800 |
0,9800 |
7,44 |
4,90 |
1,6300 |
1,6300 |
||||
5,10 |
3,36 |
1,9200 |
1,9200 |
8,50 |
5,60 |
3,2000 |
|
3,2000 |
|||
5,75 |
|
3,78 |
4,8600 |
4,8600 |
9,56 |
6,30 |
8 , 1 0 0 0 |
8 , 1 0 0 0 |
|||
лись |
При анализе поглощения сероводорода хлоридом железа учитыва |
||||||||||
такие реакции: |
|
|
|
|
|
* |
|||||
|
|
|
|
|
^2 sraa ~~ ^г5р ’ |
|
|
(19) |
|||
|
|
|
|
|
3+ |
|
2 + ^ 0 |
+ |
|
(20) |
|
|
|
|
|
|
2 F s +//2Sp + 2 F e |
+S + 2Н |
|
||||
|
Уравнения констант равновесия этих реакций: |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
^7 “ 2в |
|
^ |
, |
|
(2 |
|
|
|
|
|
|
|
[ У ]'/[/■/'] [ ^ ] |
|
М ) |
|||
Величины констант равновесия, рассчитанные по данным работы /4/ составили Kj = 10; К г = 0,54*Ю20.
Таким образом, расчетная форафгла для определения равновесно го давления сероводорода над растворами хлорида железа выглядит следующим образом: