Proceedings of the International conference
"Health and Safety at Work - SESAM 2003", INSEMEX Petrosani,
Petrosani, September 2003, Romania.
------
INSTALAŢIE DE INERTIZARE NECRIOGENICĂ
ing. Cornel Gligor, INSEMEX Petroşani
ing. Liviu Jurca, INSEMEX Petroşani
dr. ing. Doru Cioclea, INSEMEX Petroşani
ing. Constantin Jujan, C.N.H. Petroşani
Abstract
The installation of inertisation with non-criogenic nitrogen is a complex equipment that separates air inside its main compartments into nitrogen and oxygen at the working place; to this end, there is used a special method for the production of nitrogen. Two methods of air separation are use to get nitrogen: the criogenical method and the non-criogenical method.
There are presented the basic schemes of the non-criogenical inertisation installations: with membrane and in PSA system.
The use of nitrogen during the inertisation implies the survey and the observance of certain parameters that derive from:
- the structure and the construction of the pipe network necessary for the conveyance of the gaseous nitrogen;
- the influence of the nitrogen flow rate used on the composition of the atmosphere in the underground.
The paper shows the benefits of the non-criogenical system against the criogenical system. These elements together with those parameters that support the implementation of inertisation have led to the selection of the non-criogenical installation for being applicated in the mining operations in the Jiu Valley.
1. Procedee de obţinere a azotului
Pe plan mondial, pentru obţinerea azotului la scară industrială se utilizează două metode de separare a aerului şi anume:
1. metoda criogenică
2. metoda necriogenică.
Metoda criogenică
Această metodă constă în comprimarea aerului şi răcirea lui până la temperaturi criogenice.
În acest mod, aerul lichefiat este separat într-o coloană de distilare, obţinându-se în principal azotul şi oxigenul.
Această metodă de separare a aerului se realizează în unităţi specializate în care, pe lângă componentele menţionate mai sus, se produc şi alţi compuşi cum este de exemplu argonul.
Metoda necriogenică
Este o metodă cu utilizare mai recentă şi conferă posibilitatea producerii azotului sau oxigenului la unitatea care îl foloseşte, eliminându-se astfel transportul produşilor de separaţie de la producător la utilizator.
Metoda necriogenică cuprinde două procedee de separare a aerului şi anume:
– procedeul cu membrană
– procedeul în sistem PSA.
Procedeul cu membrană se bazează pe principiul permeabilităţii selective,
utilizând membrane care sunt incluse în ansamblul componentelor, cu rol de producere a azotului, constituite din materiale polimerice şi care au o permeabilitate selectivă la gaze.
Conform schemei din fig. 1, prin introducerea aerului în membrană se produce o trecere rapidă a O2, CO2 şi a vaporilor prin fibra membranei. În schimb azotul, care este considerat un ,,gaz mai lent”, trece mai încet prin membrană şi apoi direct în sistemul de distribuţie la beneficiar.
Procedeul PSA se bazează pe proprietăţile fizice ale unor materiale granulare de tipul carbonului molecular.
Aceste materiale se găsesc în două vase în care este introdus alternativ aerul comprimat. În timp ce într-un vas are loc adsorbţia, în cel de al doilea se produce procesul de regenerare ca urmare a reducerii presiunii, după care sistemul se inversează.
fig. 1
2. Elemente de principiu ale instalaţiilor de inertizare
A. Instalaţia de inertizare cu membrană
Conform schemei de principiu redată în fig. 2, această instalaţie este constituită dintr-un compresor care produce o comprimare a aerului la presiuni cuprinse între 3 - 16 bari.
fig. 2
Înainte de a se produce separarea, aerul este supus unui proces de purificare şi uscare în mai multe etape.
Astfel, aerul comprimat intră într-un pre-filtru unde se reţin diversele particule (impurităţi) şi unde are loc o primă separare a condensului, datorită umidităţii din aer.
Urmează apoi un proces de uscare într-un uscător rece, unde are loc şi o separare a produselor lichide precum apa, uleiul. La ieşirea din acest uscător, temperatura aerului este în jurul valorii de cca. +20C. Aerul pătrunde apoi în filtrul submicronic unde sunt reţinute particule de praf cu mărimi mai mici de 0,9 microni. În continuare aerul intră în filtrul de cărbune activ, care reţine vapori de ulei precum şi o serie de produse chimice ca de exemplu: oxizii de azot (NOx), oxizii de sulf (SOx) şi hidrogenul sulfurat (H2S).
Prin intermediul unui filtru de încălzire, aerul pătrunde în modulul cu membrane unde are loc separarea azotului de celelalte gaze.
B. Instalaţia de inertizare PSA
În conformitate cu schema de principiu din figura 3-a, instalaţia este constituită dintr-un compresor de aer care produce o comprimare a acestuia până la presiuni de 5-7 bari, după ce, în prealabil, a fost trecut printr-un filtru cu rol de reţinere a particulelor de praf.
Apoi, aerul comprimat pătrunde într-un sistem de purificare constituit dintr-un uscător rece precum şi un set de filtre, în scopul separării respectiv a reţinerii particulelor lichide precum apa şi uleiurile.
Din rezervorul tampon, aerul comprimat pătrunde alternativ în cei doi recipienţi (nr. 1 şi 2) care conţin granule de carbon molecular de tipul CMS.
Pe durata unui ciclu, aerul comprimat trece prin recipientul de adsorbţie 1, unde oxigenul este adsorbit de carbonul molecular, iar azotul produs, cu grad ridicat de puritate, părăseşte acest recipient.
În acelaşi timp, recipientul adsorbant nr. 2 este regenerat prin depresurizare la presiune atmosferică.
Aceste cicluri sunt realizate prin acţionarea automată a ventilelor corespunzătoare, durata nominală a acestora fiind de 2 x 60 sec.
Producerea azotului precum şi funcţionarea instalaţiei PSA este redată pe cicluri de procesare în figura 3-b şi 3-c.
fig. 3-a
fig. 3-b fig. 3-c
3. Parametrii legaţi de utilizarea azotului în procesul de inertizare
Folosirea azotului în procesul de inertizare impune transportul acestuia de la instalaţia de inertizare, amplasată la suprafaţă, până la locul de utilizare din subteran, prin intermediul unei reţele de conducte permanente, destinate special pentru acest gaz.
O astfel de reţea de transport, împreună cu instalaţia de inertizare amplasată la suprafaţă, este prezentată schematic în figura nr. 4.
fig. 4
Din această schemă de principiu rezultă că instalaţia de inertizare este amplasată la suprafaţă, în apropierea puţului de evacuare a aerului viciat.
Transportul azotului se realizează prin conducte amplasate în acest puţ, în lucrările miniere orizontale şi în galeria de bază a abatajului până după digul de izolare.
Transportul azotului în subteran, până la locul de utilizare, impune urmărirea şi respectarea unor parametrii care derivă din:
– modul de realizare al reţelei de conducte necesare transportului azotului gaz;
– influenţa debitului de azot utilizat asupra compoziţiei atmosferei subterane.
3.1 Modul de realizare al reţelei de conducte de transport gaz
Transportul azotului de la suprafaţă până la locul de distribuire (utilizare) din subteran se poate realiza prin conducte rigide (din ţeavă) sau flexibile (furtune).
Aceste conducte trebuie să reziste presiunilor şi temperaturilor care apar în mod funcţional în procesul de inertizare şi care sunt în corelare cu parametrii instalaţiei de inertizare.
Reţeaua de conducte trebuie realizată astfel încât să asigure etanşare împotriva scurgerilor de gaz inert în lucrările miniere subterane. În acest sens, tronsoanele de conducte se îmbină între ele cu flanşe şi şuruburi, între care se introduc garnituri de etanşare.
Înainte de începerea oricărei inertizări, precum şi în situaţia în care inertizarea s-a întrerupt pe o perioadă mai mare de 24 ore, este necesară verificarea integrităţii conductei de transport azot în subteran din punct de vedere al presiunii, respectiv al etanşeităţii, respectiv al posibilităţilor de deteriorare a acesteia.
Pentru realizarea acestor operaţii, conducta de transport azot trebuie să fie prevăzută cu ventile şi aparat de măsură a presiunii conform schemei prezentate în figura nr. 5.
fig. 5
În ceea ce priveşte diametrul conductelor de transport gaz inert, acestea au dimensiuni variabile, fiind funcţie şi de distanţa pe care se realizează acest transport.
Conform datelor din literatura de specialitate, se utilizează conducte cu diametre cuprinse între f 80 ÷ f 150 mm. Pe o conductă cu diametrul de f 100 mm se poate transporta azot pe o distanţă de până la 5 km.
3.2 Influenţa debitului de azot utilizat asupra compoziţiei
atmosferei subterane
Utilizarea azotului are efect asupra compoziţiei atmosferei subterane, în sensul reducerii concentraţiei de oxigen. Ca atare scurgerea acestuia prin neetanşeităţile reţelei de conducte, mai ales ruperea acesteia poate deveni periculoasă în situaţia în care debitul de azot depăşeşte o fracţie din debitul de aer (Qa) existent în galerie. Ca atare concentraţia de oxigen poate avea valoarea dată de relaţia de mai jos, şi anume:
= 0,2 x Qa / Qa + QN2) × 100 (1)
Întrucât concentraţia minimă de oxigen în lucrările miniere subterane este conform normelor de 19%, relaţia (1) devine
19 = 20 Qa / (Qa + QN2) (2)
= Qa / 19 (3)
Relaţia (3) arată că debitul de azot utilizat trebuie să reprezinte a 19-a parte din debitul de aer (în cazul realizării unui amestec intim) pentru a nu produce o scădere a concentraţiei de oxigen sub valoarea de 19%.
Ca atare dacă debitul de azot () utilizat este mai mare decât Qa / 19, oxigenul va scădea sub 19%.
În baza acestui considerent s-a conceput diagrama din fig. 6 din care rezultă debitele de aer necesare în raport cu cantitatea maximă de azot ce trebuie utilizată, pentru ca oxigenul să nu scadă sub valoarea de 19%.
Conform diagramei din fig. 6, respectiv a formulelor prezentate în acest subcapitol, în condiţiile utilizării unui debit de 15 N m3/min, debitul de aer trebuie să fie de minim 285 m3/min, pentru ca concentraţia de oxigen să nu scadă sub limita admisă (19%).
Pentru calculul debitului maxim de azot în raport cu concentraţia de oxigen din galeria de cap a unui abataj frontal, literatura de specialitate indică utilizarea următoarei formule:
QVN2 = QVu x [( % O2 / % O2r) – ( 1 + 0,01 × %CH4)] (4)
în care:
QVN2 = debitul maxim de azot din spaţiul exploatat
QVu = debitul total de aer din curentul de alimentare a abatajului
% O2 = concentraţia de oxigen din curentul de alimentare a abatajului frontal
% O2 r= concentraţia minimă de oxigen admisă în curentul de evacuare
% CH4 = concentraţia de metan din curentul de evacuare.
fig. 6
În baza măsurătorilor efectuate, cu formulele 3 şi respectiv 4, s-au obţinut următoarele valori ale debitului maxim de azot:
– pentru abatajul frontal 239 str. 3 bl. II - E. M. Petrila:
= 7,8 N m3/min., respectiv 11,9 N m3/min
– pentru abatajul frontal panou 5 str. 3 bl. III-N - E. M. Uricani
= 22,2 N m3/min, respectiv 32,4 N m3 / min.
Având în vedere condiţiile specifice ale minelor din Valea Jiului (ex. lucrări miniere cu secţiuni mici, debite de aer cu valori reduse, etc.), pentru etapa de experimentări industriale se vor lua în calcul debitele de azot rezultate cu relaţia (3), care oferă un grad de securitate superior, pentru situaţiile în care concentraţia de oxigen s-ar putea reduce sub limita admisă.
Această analiză trebuie efectuată pentru tot traseul pe care este montată conducta de azot respectiv de la suprafaţă până în zona de inertizare.
În situaţiile în care se întâlnesc lucrări miniere cu debite de aer reduse, sub valoarea stabilită în baza diagramei din figura 6 sau formula 3, întreaga reţea de lucrări miniere situată în aval de această zonă este considerată periculoasă din punct de vedere al posibilităţii de reducere a concentraţiei de oxigen sub limitele admise.
3.3 Alegerea instalaţiei de inertizare necriogenice
La alegerea instalaţiei de inertizare necriogenice posibilă de aplicat în condiţiile minelor din Valea Jiului, s-au avut în vedere, în primul rând, avantajele sistemului necriogenic faţă de cel criogenic.
În consecinţă acest sistem oferă următoarele avantaje:
· utilizează azot produs de propria instalaţie, eliminându-se astfel achiziţionarea de azot de la o unitate specializată;
· foloseşte o instalaţie modulară, cu posibilitate de punere rapidă în funcţiune, eliminând astfel o serie de echipamente suplimentare, necesare în realizarea procesului de inertizare (instalaţii de producere azot în unităţi specializate în acest sens, cisterne auto, vaporizatoare, recipienţi de stocare, recipienţi de transport azot lichid, conducte magistrale la suprafaţă etc.)
· realizează inertizarea prin intermediul unei reţele de conducte subterane, neutilizând echipamente speciale (ex. recipienţi mobili, care sunt dificil de introdus în subteran şi impun condiţii speciale de gabarit);
· posibilitatea utilizării, funcţie de necesităţi, la diverse mine din bazinul Văii Jiului, costul tehnologiei de inertizare fiind de cca. 2-3 ori mai redus decât în situaţiile de utilizare a azotului lichid produs de instalaţiile criogenice (date din experienţa din Cehia şi Polonia).
Luând în considerare aceste elemente, cât şi parametrii care condiţionează aplicarea inertizării, CNH Petroşani în colaborare cu INSEMEX Petroşani a elaborat fişa tehnică a instalaţiei mobile de producere a azotului (instalaţia cu membrană).
În baza acestei fişe, s-a întocmit caietul de sarcini care a stat la baza licitaţiei efectuată şi câştigată de firma MESSER GAZ România, şi care va produce această instalaţie.
BIBLIOGRAFIE
1. / Adamus, A. - Optimizarea tehnologiei de injectare a azotului, Lucrările celui de al 6-lea Congres Internaţional de Ventilaţie Minieră, 17-22 mai 1997 Pittsburgh, Pennsylvania, SUA2. / Adamus, A. - Prevention of the Spontaneous Combustion, Internal Regulation no. 33/1997 of the Ostrava - Karvina Coleagues - Stock Company, November 1997, Ostrava
3. / Kajdasz, Z. - Modern Methods of Fighting Pit Fires, Coal Mining - focus on gas
4. / Stassen, S.S. - Focuri şi incendii de mine, Universitatea Liege, 1983
5. / X X X - Membrane Technology, www: italfils.it/eng/eng.4htm
6. / X X X - Sisteme necriogenice de separare a aerului, Messer - Italfils Engineering
7. / X X X - Membrane Technology at a Colance, www.praxair.com