Каталитические технологии для безопасности и здоровья людей в шахтах и тоннелях

А.Г. Тарарыкин, генеральный директор ЗАО «Редкинский катализаторный завод»

А.Ю. Успенская, специалист коммерческого отдела ЗАО «Редкинский катализаторный завод»

Какие проблемы? Кто виноват?

Подземные работы – наиболее экстремальный вид деятельности человека, жестче них – только зимовка в Антарктиде и полёты в космос. Находиться в таких условиях тяжело, а надо ещё расходовать физические силы для выполнения определенных технологических операций. Помимо пыли и повышенной влажности шахтного воздуха, тяжёлые условия труда шахтеров осложняются выбросами отработанных газов работающей тяжёлой техники.

Гранулированный катализатор

Гранулированный катализатор

Практически вся горно-транспортная и вспомогательная техника, используемая в шахтах, тоннелях, глубоких разрезах и рудниках, работает на дизельных двигателях. В выхлопе дизельного двигателя всегда находятся остатки недогоревшего топлива в виде сажи, углеводородных соединений (СxНy) и угарного газа (СО). Помимо этого дизельный двигатель представляет собой «автономный химический реактор», синтезирующий одни из самых токсичных видов атмосферных загрязнений – оксиды азота. Кислород (О2) и азот (N2) соединяются в виде ядовитых соединений общей формулы (NОх) под действием высокой температуры и давления в цилиндрах двигателя.

Обезвреживание отработанных газов – это всегда химическая реакция, проходящая на катализаторе, вмонтированном в выхлопной тракт. С помощью дожигания на катализаторах сажа, СxНy и СО из выхлопов двигателя могут быть легко удалены практически полностью кислородом воздуха. Нейтрализация же оксидов азота – процесс прямо противоположный. При этом ни качество топлива и масел, ни какие-либо регулируемые параметры работы двигателя не отменяют законов химии. Существенную роль играет химический состав катализаторов, наиболее эффективные из которых могут нейтрализовать (восстановить) NОх недогоревшими остатками топлива.

Блочные катализаторы

Блочные катализаторы

Самые лучшие катализаторы позволяют снизить концентрацию NОх в отработанных газах до 50 % от начального уровня. Работа дизелей в грузовых автомобилях, как и в электрогенерирующих установках происходит в стационарном режиме, при котором мощность вырабатывается большей частью в равномерном режиме. При подземных горных и дорожных работах рывки, мгновенный набор мощности, вибрации, удары, остановки выемочно-погрузочных, доставочных и транспортных машин составляют нормальный ритм их работы Катализаторные системы, хорошо освоенные в конструкции легкового и грузового транспорта, не выдерживают таких условий эксплуатации.

Что делать? Что можно предложить?

Эффективное решение задачи по очистке выхлопов двигателей достигается применением тех же самых каталитических технологий, реализуемых в грамотно спроектированном каталитическом реакторе-нейтрализаторе, устанавливаемом вместо штатного глушителя. Такой реактор-нейтрализатор заполняется гранулированным катализатором (ШПК-1) на основе специального шарикового носителя, на котором платина в качестве активного компонента распределена по поверхности шариков.

Строительство тоннеля в олимпийском Сочи

Строительство тоннеля в олимпийском Сочи

Важная особенность ШПК-1 состоит в том, что ни вибрации, ни удары, сопровождающие работу двигателя и его выхлопной системы, не оказывают какого-либо воздействия на работоспособность шарикового катализатора. Скорее способствуют повышению его эффективности, так как в процессе вибрации и возникающего при этом трения гранул друг о друга, они самоочищаются от накопленной элементарной сажи. Другая особенность – катализатор сохраняет свои свойства при температурах до 800°С, поэтому внезапные термические удары, локальные перегревы или попадание водяных струй из дорожных лужи не приводят к растрескиванию шариков, что часто бывает в монолитных керамических блоках. Для сложных мобильных и стационарных объектов, оснащенных дизельным приводом, такая технология даёт возможность преодолеть большинство трудностей и существенно очистить воздух в замкнутых пространствах шахт и карьеров.

Нестандартный нейтрализатор для экскаватора Hitachi

Нестандартный нейтрализатор для экскаватора Hitachi

Другие проблемы: водород угроза взрыва и пожара

Насущные проблемы обеспечения чистоты выхлопов двигателей в шахтах и глубоких карьерах возникают и при эксплуатации электротранспорта, работающего на аккумуляторах: они обусловлены необходимостью достижения водородной взрывобезопасности таких машин. Опасность токсичных выбросов в атмосферу шахт и карьеров связана эксплуатацией шахтных электровозов, работающих на тяговых щелочных никель-железных (ТНЖ и ТНЖШ) и никель-кадмиевых (ТНК) аккумуляторных батареях.

Во-первых, аккумуляторные батареи в таких электровозах занимают большое пространство, в зависимости от тяговой мощности локомотив, их количество может составлять от 70 до 300 штук. Во-вторых, во время работы электровоза и особенно при зарядке аккумуляторных батарей выделяется водород – газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха, но отличающийся очень широким пределом взрывоопасности: от 4 до 75 об. % в воздухе при его температуре 20°С. С повышением температуры окружающего воздуха предел взрывоопасности водорода расширяется. Определить наличие водорода в воздухе можно только с помощью газоанализатора.

Шахтный аккумуляторный электровоз

Шахтный аккумуляторный электровоз

В этой связи представляет особую актуальность необходимость внесения изменения в требования п. 410 «Правил безопасности в угольных шахтах», 2014 г. – заменить электровозы в исполнении РП (рудничные повышенной надёжности) на РВ (рудничные взрывобезопасные) на всех угольных шахтах.

Конструктивно электровозы исполнения РВ отличаются тем, что в их батарейных отсеках в целях окисления водорода устанавливаются катализаторы, состоящие из набора палладиевых каталитических элементов. Палладий содержащие элементы способны при температуре окружающего воздуха ускорять химическую реакцию водорода с кислородом (по формуле Н2 + ½ O2-Н2О). Это даёт возможность удалять водород, не допуская создания взрывоопасных концентраций и аварийных происшествий в шахтах.

Кассета с палладиевыми каталитическими элементами

Кассета с палладиевыми каталитическими элементами

Опыт работы нашего предприятия по водородной безопасности АЭС и подводных лодок ВМФ России позволил создать оптимальные конструкции кассет и каталитических элементах, на которых происходит беспламенная «холодное» окисление водорода, выделяющегося в процессе работы аккумуляторной батареи.

И в настоящее время ЗАО «Редкинский катализаторный завод» производит и поставляет каталитические элементы для батарейных отсеков шахтных электровозов. Долгое время в этой сфере мы сотрудничаем с «Русской горнонасосной компанией» (бывший ОАО «Ясногорский машзавод»), производящим шахтные электровозы.

Ключевые слова: безопасность в шахтах, Каталитические технологии, шахтный воздух

Журнал "Горная Промышленность"№2 (132) 2017, стр.84