高硫礦床開采過程中硫化氫產(chǎn)生機(jī)理及治理技術(shù)研究

霍佳瑜

(保利能源控股有限公司山西省中陽榮欣焦化有限公司,山西呂梁 033400)

高硫礦床開采過程中硫化氫產(chǎn)生機(jī)理及治理技術(shù)研究

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本文介紹了天湖鐵礦的生產(chǎn)情況,并分析該礦H2S產(chǎn)生機(jī)理。通過實(shí)驗(yàn)研究,確定了吸收硫化氫的吸收液碳酸鈉溶液以及合理濃度。針對該礦具體條件,制定了治理硫化氫的被動治理措施,在井下運(yùn)用取得了良好的效果,這種方案針對性強(qiáng)、操作簡單、成本低,值得推廣應(yīng)用。

硫化氫 成因分析 堿溶液

1 概述

哈密市天湖鐵礦位于哈密市東部230km的天山附近，為二期技改礦井，開采深度368m。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)概況可知，在該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造中，380m水平以上地層中分布有鐵礦石，其硫化物含量為1.2%～1.5%。工作面作業(yè)流程為：鉆眼-裝藥-放炮-清渣-鉆眼等循環(huán)往復(fù)作業(yè)。在現(xiàn)有通風(fēng)條件下，井巷空氣中硫化氫的含量較高，一般在60ppm～400ppm之間，高于國家《安全規(guī)程》104條規(guī)定(0.00066%即：6.6ppm)規(guī)定濃度的10～60倍?；仫L(fēng)巷道內(nèi)的局部地區(qū)，空氣中硫化氫的濃度甚至更高，對人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對作業(yè)環(huán)境造成污染。

國內(nèi)許多學(xué)者都對礦井硫化氫治理進(jìn)行過研究，王建[1]通過增加工作面的通風(fēng)量、均壓通風(fēng)及設(shè)置屏蔽水幕的方法，對巷道硫化氫進(jìn)行了綜合的治理，取得了一定的效果；翟所國[2]采用在巷道中噴灑石灰水等措施，也有效地對硫化氫超限問題進(jìn)行了治理。但是這些方法的應(yīng)用都有一定的局限性，要想很好的治理硫化氫，必須詳細(xì)分析硫化氫產(chǎn)生機(jī)理，合理確定吸收液種類以及吸收液的濃度，最后針對礦井具體條件，制定治理方案，從而解決硫化氫超限問題，對保證礦井安全高效生產(chǎn)具有一定的理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

圖1 硫化氫被動治理方案示意圖

2 硫化氫產(chǎn)生機(jī)理

2.1 目前礦山硫化氫產(chǎn)生機(jī)理

硫酸鹽還原菌在無氧條件下可以吸收硫酸鹽，進(jìn)而氧化有機(jī)含硫化合物和無機(jī)含硫化合物獲取能量并將將其還原生成H2S排出的代謝過程被稱為BSR[3-7]。在鐵礦石中，硫酸鹽還原菌利用成鐵礦石的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)，主要是各種硫化物，作為能量和物質(zhì)來源，來還原硫酸鹽。在還原有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)的過程中，電子轉(zhuǎn)移給被吸收到細(xì)胞膜內(nèi)的硫酸鹽，硫酸鹽接受電子就會被還原為H2S排出。

TSR是指硫酸鹽在熱化學(xué)的作用下被還原生成H2S的過程，其產(chǎn)生的主要條件是在較高溫度條件下，硫酸鹽與有機(jī)物或烴類發(fā)生作用，硫酸鹽礦物被還原生成H2S和CO2[5，6]。在這個(gè)過程中硫酸鹽被還原，有機(jī)物(烴類)被氧化。國內(nèi)外許多學(xué)者的研究都證實(shí)，TSR是生成高硫化氫型和硫化氫型天然氣的主要成因[7-9]，同時(shí)一些低硫化氫型和微(貧)硫化氫型天然氣也被證明是TSR作用形成的[10]。一般認(rèn)為，較高的溫度、充足的烴類有機(jī)質(zhì)和發(fā)育的硫酸鹽是形成含H2S氣體所必需的3個(gè)基木條件[11]。

巖漿巖侵入也會導(dǎo)致硫化氫的產(chǎn)生，巖漿成因的最大特點(diǎn)是H2S氣體的濃度一般與礦石中硫化物的含量沒有直接關(guān)系。巖漿成因H2S氣體也有兩個(gè)明顯的標(biāo)志：第一個(gè)標(biāo)志是巖漿侵入明顯；第二個(gè)標(biāo)志是H2S氣體的δ34S值接近隕鐵值，一般在-5‰～+5‰，且與其他硫化物的同位素值有明顯的差別。

表1 吸收液選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 碳酸鈉溶液濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 天湖鐵礦H2S產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)該礦的礦床成因分析，硫的同位素分析表明是海洋型的，δ s34‰從7.69至10.98，平均9.76%是屬于沉積范疇，原礦硫本底值較高，在礦石形成過程中國，厭氧環(huán)境致使礦石含有的大量硫酸根及其它各種含硫物質(zhì)，在生化反應(yīng)的作用下，例如在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌(SRB)代謝，分解含硫有機(jī)物和含硫無機(jī)物，導(dǎo)致有毒氣體硫化氫的產(chǎn)生。除此之外，開采過程中使用的某些藥劑，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也會產(chǎn)生少量的H2S等有毒氣體，例如炸藥、黃藥、黑藥、Na2、S2O3等藥劑，有時(shí)遇到特定的條件也會產(chǎn)生硫化氫氣體。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 吸收液選擇實(shí)驗(yàn)

NaOH和Na2CO3被認(rèn)為都是作為H2S很好的吸收劑，二者的化學(xué)性質(zhì)還有明顯的不同，為了確定二者的吸收效果，進(jìn)行吸收液選擇試驗(yàn)，最終確定吸收劑。實(shí)驗(yàn)采用氫氧化鈉、碳酸鈉溶液吸收硫化氫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

從表中可以看出，氫氧化鈉和碳酸鈉都能對硫化氫進(jìn)行徹底的吸收，但是氫氧化鈉堿性太強(qiáng)，腐蝕太強(qiáng)，并且在強(qiáng)堿條件下氧化生成的硫磺易與硫化物生成多硫化物，進(jìn)而發(fā)生生成硫代硫酸鹽的副反應(yīng)。氫氧化鈉的成本較高，而碳酸鈉能對硫化氫進(jìn)行徹底吸收，而且其成本和腐蝕性都較如果控制好堿溶液濃度，能很好地抑制硫代硫酸鹽和其他雜質(zhì)的生成。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)選擇碳酸鈉作吸收劑。

3.2 碳酸鈉吸收液適宜濃度的實(shí)驗(yàn)

由于不同的堿液濃度對硫化氫的吸收率有顯著的不同，所以為了確定碳酸鈉水溶液濃度對硫化氫吸收的影響，進(jìn)行了四組濃度的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

由表2可以看出：碳酸鈉溶液的濃度過低不利于吸收，吸收能力較??；濃度過高，有副反應(yīng)，即產(chǎn)生硫代硫酸鹽，因此選擇W(Na2CO3)為3%到5%的碳酸鈉溶液比較合適。

4 污染物現(xiàn)狀評價(jià)及治理分析

4.1 污染物現(xiàn)狀評價(jià)

目前礦井巷道中H2S氣體濃度一般在60ppm～400ppm之間，大大超過了環(huán)境允許值，且散發(fā)出的惡臭氣體，嚴(yán)重影響充填區(qū)的周邊環(huán)境?？茖W(xué)合理的分析H2S氣體產(chǎn)生機(jī)理，研究有效的治理工藝，以降低硫化氫氣體的產(chǎn)生量，降低對周邊環(huán)境造成的危害。

4.2 治理方案分析

H2S氣體可分為主動治理方案和被動治理方案。

(1)主動治理方案。分析H2S氣體產(chǎn)生原因可知，原礦硫含量偏高，要想主動治理，需要控制硫化氫的涌出量，控制巖層裂隙的硫化氫涌出量難度較大，成本也較高，主動治理不符合實(shí)際情況。

(2)被動治理方案。目前，治理H2S氣體的方法有許多種，國內(nèi)外常用的方法歸納起來有7種，即：吸收法、吸附法、燃燒法、化學(xué)氧化法、冷凝法、生物脫臭法。后6種雖然效果非常顯著，但是在井下應(yīng)用有一定的局限性，所以采用吸收法，其處理設(shè)備簡單，費(fèi)用低。

5 治理方案

被動治理方案主要是將開采涌出到巷道中的硫化氫進(jìn)行處理，防止對施工人員產(chǎn)生危害。在進(jìn)風(fēng)巷道中安裝2個(gè)斷面，在回風(fēng)巷道安裝3個(gè)斷面，由硫化氫檢測儀表控制的堿水溶液噴灑裝置，當(dāng)硫化氫檢測儀表檢測到巷道中空氣中硫化氫含量超過6ppm時(shí)，堿水溶液(濃度3%～5%Na2CO3)噴灑裝置自動打開，噴灑霧狀堿水中和硫化氫氣體。本裝置在巷道規(guī)定的斷面噴灑堿水溶液，巷道空氣中的堿水溶液(蘇打水Na2CO3)與巷道空氣中的硫化氫氣體產(chǎn)生反應(yīng)，H2S+Na2CO3=Na2S↓+CO2↑+H2O生成對人體無害的硫化鈉、二氧化碳和水。

該治理方案的具體內(nèi)容是，在通風(fēng)巷道內(nèi)和回風(fēng)巷道內(nèi)安裝幾道由硫化氫檢測儀表控制的堿液噴灑裝置，如圖1所示。

設(shè)置堿水溶液自動噴灑裝置，可以根據(jù)巷道中硫化氫濃度的大小，自動進(jìn)行硫化氫治理，治理結(jié)果顯示，巷道中硫化氫濃度一直低于6ppm，有效控制了巷道空氣中的硫化氫濃度，從而達(dá)到治理超限的目的，堿水溶液自動噴灑裝置不僅具有節(jié)能作用，還保證了工人的健康和安全。

6 結(jié)語

根據(jù)天湖鐵礦的地質(zhì)條件，分析了該礦H2S產(chǎn)生機(jī)理。并通過實(shí)驗(yàn)，確定了吸收堿液碳酸鈉以及碳酸鈉溶液的合理濃度(3%～5%)，最后制定了被動治理方案，在井下運(yùn)用取得了良好的效果，這種方案具有針對性強(qiáng)，操作簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

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This paper introduces the production situation of Tianhu Iron Mine and analysis of the mechanism of hydrogen sulfide. The kinds of absorbing liquid and the reasonable concentration were determined through the experimental study. According to the specific conditions of the mine, the passive control measures is governed and has obtained good results in the underground application, the advantage of scheme is strong pertinence, simple operation, low cost and worthy of popularization and application.

hydrogen sulfide cause of formation alkali solution

霍佳瑜(1987—)，山西省呂梁市人，碩士研究生，2012年6月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）安全工程專業(yè)。2012年8月就業(yè)于保利能源控股有限公司山西省呂梁市中陽榮欣焦化有限公司，主要負(fù)責(zé)礦山技術(shù)工作。