支架放煤涌出H2S防治技術及應用

程 麗

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引 言

在礦井的開采中,往往會伴隨著H2S氣體的產生,當其濃度達到50×10-6時,會使接觸人員產生咳嗽或眼睛紅腫疼痛等癥狀;濃度繼續增加可能會危脅生命。從物化性質分析,H2S較為活潑,會很快腐蝕金屬及其他材質儀器,濃度達到0.043～0.460時,會有爆炸隱患[1-5]。H2S濃度較高是煤礦開采中常見問題,至今,我國新疆等多個地區的近百礦井有過H2S氣體異常的記錄。國內外學者、專家從成因、H2S形成機理以及防治措施等方面進行了研究,形成了較為系統的治理措施[6-10]。本文以烏東煤礦為研究背景進行了綜采工作面的H2S災害治理技術研究和工藝參數優化。在烏東煤礦的開采過程中,H2S氣體異常涌出,高于相關規程規定(6.6×10-6)近700倍,礦井H2S必須引起重視。由于放頂煤技術工藝的特性,在放煤時會有大量H2S氣體涌出,工作面H2S也主要是這一部分,因此有必要對支架放煤時H2S氣體的涌出規律監測、分析,并結合噴灑液吸收H2S氣體試驗研究,提出防治措施優化參數,進行H2S治理,為相似礦井綜采工作面的H2S氣體防治提供借鑒和參考。

1 支架放煤擾動H2S擴散分布規律

在北區的+575水平45號煤層西翼綜采工作面設置了氣體測點。由于該工作面煤層較厚,故沿放煤支架下風流方向及后部放煤空間至支架人行道方向布點,并采用CD4型H2S便攜儀進行監測。

1.1 支架放煤下風流沿程方向H2S擴散分布規律

在生產中放煤時,由于放煤機的上下運動和后部溜槽運煤的擾動,會有H2S涌出,且隨著其后部氣體的流動而流動。

分別在不同位置設置了5個測點進行氣體監測(1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 m)。 采用 10-6為計數單位,監測結果如圖1所示。可以看出：由于放煤涌出的H2S體積分數具有隨距離增加而減小的趨勢;且在4.5 m后,H2S減小趨勢變弱,這可能是由于受到了后溜槽運煤擾動涌出的H2S二次疊加的影響。

圖1 H2S在下風流向分布Fig.1 Return airflow distribution of hydrogen sulfide

1.2 支架后溜槽至人行道方向H2S擴散分布規律

分別在支架后溜槽、后溜槽與支架人行道中部、支架人行道靠近后立柱等處布點進行觀測,結果如圖2所示。可以看出,在后部煤體阻擋作用下,放煤時涌出的H2S會向人行道方向流動,并且隨距離的增加有逐漸減小的趨勢。

2 噴灑吸收液治理H2S的影響因素

噴灑液體通過化學反應進行H2S氣體吸收是現在業內公認的有效治理技術之一。但是因為沒有進行針對性的研究,致使吸收效率只能達到60%。通過改變治理技術條件進行模擬,以深入了解各影響因素的作用,提高治理效果。目前使用的吸收液的主要化學添加成分為CaCO3,但中和反應后形成的尾液不穩定,有H2S揮發出來,因此,在溶液中加入代號為WT的高效氧化劑,直接將溶液中吸收的硫元素變為單質硫。

圖2 H2S沿人行道方向變化Fig.2 Hydrogen sulfide changes along the sidewalk

2.1 噴灑吸收液治理煤礦H2S實驗室系統建立

模擬試驗系統如圖3所示。根據實際情況將風速設置為 0.5 ～ 3.0 m/s、H2S 濃度為 50×10-6～200×10-6。改變微壓計、風機及變頻器等設施,得到模擬試驗所需外部條件;通過噴吸收液凈化H2S模擬裝置、H2S發送系統控制噴灑液濃度;通過調節噴吸收液裝置、吸收液供應泵站控制液體噴灑量,尾液、尾氣處理裝置可避免環境污染。

圖3 噴灑吸收液治理H2S實驗室試驗系統Fig.3 Laboratory test system of spray absorption liquid to control hydrogen sulfide

2.2 風速的影響

參數設置：吸收液濃度 0.2%,流量 18、27、54 L/min,壓力 8 MPa;風速0.5、1.0、2.0、3.0 m/s。 試驗結果如圖4所示。可以看出,當條件固定時,吸收效率和風速成反比。當流量為27 L/min時,風速由初始值增至最高值,吸收效率從峰值的97.1%減小到83.3%。原因是：流量一定,隨風速增大,液體流動加快,液體中的化學分子沒有完全接觸空氣中的H2S,導致吸收效果下降。風速不變時單純增大液體的流量,吸收效率有變大的趨勢。如風速為2 m/s時,將流量從初始值逐漸增大到最終值的過程中,氣體的吸收效率增加了8.7%。因此,風速和氣體吸收效率成反比,但在風速不變的情況下,適當增大吸收液流量,對H2S氣體的吸收有積極影響。

圖4 吸收效率隨風速變化Fig.4 Absorption efficiency varies with wind speed

2.3 噴灑液量的影響

風速為2 m/s,H2S體積分數100×10-6,吸收液流量設置在18～54 L/min的4個等差檔次,濃度分別設置了 0.1%、0.2%、0.5%和 1%,將噴頭壓力設置在8 MPa,試驗結果如圖5所示。可以看出,吸收液濃度不變的情況下,單純增加噴霧流量,H2S氣體的吸收效率變大,但當到達臨界值時增加量逐漸減小,并趨于穩定。即在一定范圍內,吸收效率和流量增加量呈正比關系。化學噴灑吸收液體的濃度為0.2%,液體的流量從27 L/min增加到最大值時,氣體的吸收效率增加了近2%。試驗中,化學噴灑吸收液的流量不變,而將低濃度的吸收液換成高濃度的吸收液,發現吸收效果與濃度在一定的范圍內呈正相關關系。如液體流量為27 L/min,將吸收液的濃度從0.1%增至0.5%后,氣體的吸收效果增加了近15%。因此,當單純增加化學噴灑吸收液體吸收效果不顯著的情況下,適當提高液體中化學成分的濃度,可對吸收效率產生積極的影響。

圖5 吸收效率隨流量變化Fig.5 Absorption efficiency varies with flow rate

2.4 涌出濃度的影響

試驗風速1 m/s,化學噴灑吸收液濃度0.2%,液體流量18、27和54 L/min,液體壓力為8 MPa,氣體濃度50×10-6～200×10-6。試驗結果如圖6所示。

圖6 吸收效率隨涌出濃度變化Fig.6 Absorption efficiency varies with effluent concentration

由圖6看出,當其他條件不變時,氣體的吸收效率與其涌出量呈負相關關系。液體流量為18 L/min時,氣體的涌出量從初始的最小值增加到最大值200×10-6時,其吸收效率為90.4%,與初始相比降低了6%;涌出濃度降低一半,液體流量從最小值增加到最大值時,氣體吸收效率增加3.6%。因此,如果氣體涌出量突然增加致使吸收效果減弱時,可通過增大流量來提高吸收效率。

3 噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S工藝

采用特制的噴灑化學液進行中和,在正對放煤口處布置化學液體噴灑裝置(圖7)。考慮到放煤口處采用設施可能會有氣體溢出,在支架尾梁的下方布置攔截裝置(圖8)。

圖7 正對放煤口噴灑吸收液裝置示意Fig.7 Schematic of coal caving department spray absorbent device

3.1 噴霧裝置設計及布置

考慮到+575試驗綜采工作面支架放煤氣體的濃度、工作面的風量等因素,通過計算得出完全吸收放煤口H2S所需噴霧裝置流量約60 L/min。根據烏東礦+575試驗工作面支架放煤空間并考慮到所噴吸收液有效覆蓋放煤涌出H2S的空間范圍,放煤口正對噴霧裝置安裝在支架尾梁2個千斤頂下方正對放煤口方向;噴霧裝置主體為外徑φ27 mm、壁厚5 mm的無縫鋼管,長度1 m,噴霧裝置上安裝10個PZ型噴嘴,噴嘴內芯選型為φ2.5 mm。

圖8 放煤口擴散H2S攔截噴霧示意Fig.8 Caving department diffusion hydrogen sulfide interception spray diagram

支架下風流攔截噴霧裝置安裝在支架尾梁下方靠近下風流側,與風流方向成70°夾角;噴霧裝置主體為外徑φ27 mm、壁厚5 mm的無縫鋼管,長度1.2 m,噴霧裝置上安裝 7個 PZ型噴嘴,內芯φ2.5 mm。

3.2 噴霧流量的影響

現場試驗時,通過更換噴嘴內芯孔徑以及閥門調節,得出不同噴霧流量,流量通過噴霧系統中的SGS型雙功能水表測得,噴霧壓力取8 MPa,化學吸收液濃度為0.9%,治理效果與流量關系如圖9所示。可以看出：①當將噴嘴處的液體壓力篤固定時,H2S的治理效率與噴嘴處的液體流量呈正相關關系。設置噴嘴處液體流量50 L/min不變,通過在特定點處安裝設置的氣體監測儀對H2S的濃度進行監測,測得回風中,距離工作面1.5 m處的H2S濃度均值僅為573.4×10-6,與噴液相比,未噴液前減小了 751.8×10-6,降低效率為 56.7%;當噴霧流量為70 L/min時,測得放煤口下風流1.5 m處的后溜槽上方H2S濃度均值為432.4×10-6,相比未噴液前減小了856.2×10-6,降低效率為 66.4%;當噴霧流量為100 L/min時,測得放煤口下風流1.5 m的后溜槽上方H2S濃度均值為397.4×10-6,相比未噴液前減小了827.2×10-6,降低效率為67.5%。②當將流量增大到臨界值時,流量增大的治理效果不明顯。流量為70 L/min,氣體的吸收效率為66.4%;增大化學噴灑吸收液體流量至100 L/min,效果增加僅為67.5%。因此,適合急傾斜厚煤層綜采工作面噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S的噴霧流量約70 L/min。

圖9 噴灑吸收液不同流量條件下H2S治理效果測試Fig.9 Hydrogen sulfide treatment effect test of spray absorption liquid under different flow conditions

3.3 噴灑吸收液濃度的影響

噴灑吸收液壓力為8 MPa,噴灑吸收液流量約70 L/min,噴灑吸收液濃度分別取 0.9%、1.1%及1.3%,吸附液濃度與治理效果關系如圖10所示。可知,①噴灑吸收液為0.9%時,測得放煤口下風流1.5 m 處的后溜槽上方 H2S均值為 432.4×10-6,相比未噴液前減小了 856.2×10-6,降低效率為66.4%;噴灑吸收液增加到1.1%時,測得放煤口下風流1.5 m處的后溜槽上方 H2S均值為404.2×10-6,比未噴液前減小了821.2×10-6,H2S降低效率為67%;噴灑吸收液增至1.3%時,測得放煤口下風流1.5 m的后溜槽上方 H2S均值為395.2×10-6,比未噴液前減小了 868.4×10-6,H2S降低效率為68.7%。②在噴霧壓力及噴霧流量一定條件下,化學噴灑吸收液體濃度達到臨界值0.9%時,再增加濃度并沒有對吸收效率有較大影響。液體濃度增至1.1%和 1.3% 時,效率僅增加 0.6% 和 2.3%。 因此,適合該礦綜采工作面的噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S的吸收液配比濃度約0.9%。

圖10 噴灑不同吸收液濃度條件下H2S治理效果測試Fig.10 Sulfate reduction test with different concentration of absorbing liquid

3.4 支架下風流噴霧攔截組數的影響

為降低H2S擴散濃度,在支架尾梁下方安裝噴灑吸收液裝置,利用其噴灑吸收液水霧對下風流中的H2S進行攔截捕捉并凈化吸收。現場試驗時,噴霧壓力8 MPa,噴灑吸收液濃度0.9%。由支架下風流不同攔截噴霧組數時H2S治理效果測試如圖11所示。可以看出：① 一定范圍內,H2S氣體的吸收效率與噴霧裝置的開啟組數呈正相關關系。在開啟1組裝置時,下風側6 m處監測H2S濃度為747.6×10-6;再開啟1組裝置時,濃度減弱到608.4×10-6,降低效果分別超過了40%和50.5%;繼續開啟1組噴灑裝置時,此處測得濃度已低至451.2×10-6,與之前未采取措施時相比,H2S吸收效率高達65.5%,與之前分別開啟1組和2組噴灑裝置相比較,H2S的吸收效率分別提升22.1%和12%。②通過工程實踐看出,開啟正對著放煤口的噴灑裝置時,向外擴散的H2S濃度明顯降低;再將風流沿程方向的噴灑裝置打開,可以增加H2S的吸收效率。打開工作面中設置的全部裝置,測得在下風側6 m的后溜槽處,H2S的平均值有了較為明顯的降低(186×10-6),與采取噴灑措施之前比較,降低1 154×10-6,H2S的吸收效率高達86.1%。

圖11 支架下風流不同攔截噴霧組數時H2S治理效果測試Fig.11 Hydrogen sulfide treatment effect test with different back pack air flow interception spray group

4 結 論

1)采用現場實測分析方法,得出支架放煤涌出規律：H2S濃度與距支架放煤口距離呈負相關關系,一定范圍內,距放煤口越遠,氣體濃度越低。由于受H2S二次疊加影響,在距支架放煤口4.5 m后,H2S擴散過程中減小量較小;由于受到支架后部風流流場和后部溜槽煤體的遮擋,支架放煤涌出的H2S部分向支架人行道方向擴散,且在后部溜槽至人行道方向上呈現逐步減小的擴散分布規律。

2)經實驗室試驗和現場實踐得出噴灑吸收液治理H2S的最佳工藝參數為：噴霧壓力8 MPa,吸收液濃度0.9%,噴向滾筒的水霧流量70 L/min左右,放煤口和下風流跟蹤H2S攔截噴灑吸收液裝置適合開啟3組。該條件下測得下風流6 m處后溜槽H2S濃度降至186×10-6,吸收效率86.1%。

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