Niederschlagung von Nitrosegasen aus Sprengschwaden durch Bedüsung

Hutwalker, Alexander GND

Als Reaktion auf die Empfehlung der EU-Kommission senkte die Bundesrepublik Deutschland als erster europäischer Staat im Jahr 2016 die Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) für Stickstoffmonoxid (5,0 ppm) und Stickstoffdioxid (0,5 ppm). Im Vergleich zu den bislang geltenden Werten bedeuten die neuen AGW eine Reduzierung um 92 % (NO) bzw. 90 % (NO2), dabei gilt für den Bergbau eine Übergangsfrist bis zum 31. Oktober 2021. Trotz dieser Übergangsfrist bedeutet die erfolgte Absenkung eine große Herausforderung für den deutschen Bergbau, da mit der aktuell eingesetzten Technik und den gängigen Verfahrensabläufen die neuen Grenzwerte nicht überall einzuhalten sind. Nach einem Beschluss der EU-Kommission 2017 gelten die neuen Grenzwerte europaweit ab August 2023, so dass zukünftig alle europäischen Bergbaubetriebe betroffen sein werden. Um auch zukünftig in Europa wirtschaftlich erfolgreich Rohstoffe im untertägigen Bergbau gewinnen zu können, wird ein System vorgeschlagen, welches zur Reduzierung der Stickoxidkonzentrationen in den Abwettern nach Sprengarbeiten beiträgt. Durch die Festlegung von Anforderungskriterien an das zu entwickelndes System wird ein Konzept zur Bedüsung der Sprengschwaden mit Absorptionsmittellösungen im freien Strecken-querschnitt ausgewählt. Zur Auswahl eines entsprechenden Absorbens wird eine Labormesszelle zur Bedüsung eines sprengschwadenähnlichen Gasgemischs am Institut für Bergbau der Technischen Universität Clausthal konzipiert. Hier werden zunächst die Literaturergebnisse in Bezug zur Wirksam-keit von Wasser überprüft und bestätigt. Im weiteren Verlauf werden unterschiedliche Zusatzstoffe zum Wasser auf ihre Wirksamkeit zur Nitrosegasabscheidung getestet. Dabei werden deutliche Unter-schiede zwischen den getesteten Zusatzstoffen in Bezug auf die Absorption von NO und NO2 fest-gestellt. Anschließend werden die untersuchten Zusatzstoffe in Bezug auf die von ihnen ausgehende Gefährdung der Grubensicherheit und der Belegschaft bewertet. Als Resultat der Untersuchungen wird Natriumsulfit als Absorptionsmittel für Messungen an realen Sprengschwaden ausgewählt. Es zeigt im Labor die besten Ergebnisse bezogen auf die NOx-Reduktion, auch gehen nach heutigem Kenntnisstand sowohl vom Absorbens selber als auch vom Reaktionsprodukt mit Stickoxiden, dem Natriumsulfat, keine Gefahren für Arbeiter und Grube aus. Mit diesen Labormessungen ist die grundsätzliche Machbarkeit der Abscheidung von Stickoxiden aus Gasgemischen im niedrigen ppm-Bereich durch Bedüsung mit einem Absorptionsmittel unter Umgebungsbedingungen nachgewiesen. Darauf aufbauend werden Messkonzepte zur Untersuchung der Übertragbarkeit der Labor-ergebnisse auf reale Sprengschwaden erstellt. Zunächst erfolgen Messungen auf einem übertägigen Testgelände für Sprengstoffe. Anschließend werden weitere Messungen in-situ im konventionellen Streckenvortrieb eines Steinkohlebergwerks durchgeführt. Sowohl im Schwadenmesskanal auf dem Testgelände als auch bei den Versuchen unter Tage wird ein positiver Einfluss der Absorptions-mittelbedüsung auf die Nitrosegase im Sinne der Untersuchung erzielt. Es wird eine grundsätzliche Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Labor auf reale Sprengschwaden gesehen. Eine abschließende Bewertung des untersuchten Konzepts zeigt, dass die aufgestellten An-forderungen erfüllt werden. Somit wird im Rahmen der Untersuchungen erstmals ein Konzept erstellt, welches es ermöglicht, Nitrosegaskomponenten gezielt durch Bedüsung mit einem Absorptionsmittel aus den Abwettern abzuscheiden. Überlegungen zu potentiellen Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens zeigen eine Vielzahl an denkbaren Varianten im untertägigen Bergbau. Dabei sind diese nicht ausschließlich auf NOx aus Sprengschwaden bezogen, auch ist die Machbarkeit der Stickoxidabscheidung aus Dieselmotor-emissionen zu untersuchen. Die Auslegung der Bedüsungssysteme muss dabei grundsätzlich individuell auf die jeweiligen Betriebssituationen unter Tage angepasst werden. Auch erscheint durch dieses Konzept eine kombinierte Abscheidung von Stickoxiden und Stäuben aus dem Abwetterstrom realisierbar. Dazu sind jedoch weitere Untersuchungen zur Benetzbarkeit unterschiedlicher Staubtypen durch Natriumsulfitlösungen erforderlich.Als Reaktion auf die Empfehlung der EU-Kommission senkte die Bundesrepublik Deutschland als erster europäischer Staat im Jahr 2016 die Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) für Stickstoffmonoxid (5,0 ppm) und Stickstoffdioxid (0,5 ppm). Im Vergleich zu den bislang geltenden Werten bedeuten die neuen AGW eine Reduzierung um 92 % (NO) bzw. 90 % (NO2), dabei gilt für den Bergbau eine Übergangsfrist bis zum 31. Oktober 2021. Trotz dieser Übergangsfrist bedeutet die erfolgte Absenkung eine große Herausforderung für den deutschen Bergbau, da mit der aktuell eingesetzten Technik und den gängigen Verfahrensabläufen die neuen Grenzwerte nicht überall einzuhalten sind. Nach einem Beschluss der EU-Kommission 2017 gelten die neuen Grenzwerte europaweit ab August 2023, so dass zukünftig alle europäischen Bergbaubetriebe betroffen sein werden. Um auch zukünftig in Europa wirtschaftlich erfolgreich Rohstoffe im untertägigen Bergbau gewinnen zu können, wird ein System vorgeschlagen, welches zur Reduzierung der Stickoxidkonzentrationen in den Abwettern nach Sprengarbeiten beiträgt. Durch die Festlegung von Anforderungskriterien an das zu entwickelndes System wird ein Konzept zur Bedüsung der Sprengschwaden mit Absorptionsmittellösungen im freien Strecken-querschnitt ausgewählt. Zur Auswahl eines entsprechenden Absorbens wird eine Labormesszelle zur Bedüsung eines sprengschwadenähnlichen Gasgemischs am Institut für Bergbau der Technischen Universität Clausthal konzipiert. Hier werden zunächst die Literaturergebnisse in Bezug zur Wirksam-keit von Wasser überprüft und bestätigt. Im weiteren Verlauf werden unterschiedliche Zusatzstoffe zum Wasser auf ihre Wirksamkeit zur Nitrosegasabscheidung getestet. Dabei werden deutliche Unter-schiede zwischen den getesteten Zusatzstoffen in Bezug auf die Absorption von NO und NO2 fest-gestellt. Anschließend werden die untersuchten Zusatzstoffe in Bezug auf die von ihnen ausgehende Gefährdung der Grubensicherheit und der Belegschaft bewertet. Als Resultat der Untersuchungen wird Natriumsulfit als Absorptionsmittel für Messungen an realen Sprengschwaden ausgewählt. Es zeigt im Labor die besten Ergebnisse bezogen auf die NOx-Reduktion, auch gehen nach heutigem Kenntnisstand sowohl vom Absorbens selber als auch vom Reaktionsprodukt mit Stickoxiden, dem Natriumsulfat, keine Gefahren für Arbeiter und Grube aus. Mit diesen Labormessungen ist die grundsätzliche Machbarkeit der Abscheidung von Stickoxiden aus Gasgemischen im niedrigen ppm-Bereich durch Bedüsung mit einem Absorptionsmittel unter Umgebungsbedingungen nachgewiesen. Darauf aufbauend werden Messkonzepte zur Untersuchung der Übertragbarkeit der Labor-ergebnisse auf reale Sprengschwaden erstellt. Zunächst erfolgen Messungen auf einem übertägigen Testgelände für Sprengstoffe. Anschließend werden weitere Messungen in-situ im konventionellen Streckenvortrieb eines Steinkohlebergwerks durchgeführt. Sowohl im Schwadenmesskanal auf dem Testgelände als auch bei den Versuchen unter Tage wird ein positiver Einfluss der Absorptions-mittelbedüsung auf die Nitrosegase im Sinne der Untersuchung erzielt. Es wird eine grundsätzliche Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Labor auf reale Sprengschwaden gesehen. Eine abschließende Bewertung des untersuchten Konzepts zeigt, dass die aufgestellten An-forderungen erfüllt werden. Somit wird im Rahmen der Untersuchungen erstmals ein Konzept erstellt, welches es ermöglicht, Nitrosegaskomponenten gezielt durch Bedüsung mit einem Absorptionsmittel aus den Abwettern abzuscheiden. Überlegungen zu potentiellen Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens zeigen eine Vielzahl an denkbaren Varianten im untertägigen Bergbau. Dabei sind diese nicht ausschließlich auf NOx aus Sprengschwaden bezogen, auch ist die Machbarkeit der Stickoxidabscheidung aus Dieselmotor-emissionen zu untersuchen. Die Auslegung der Bedüsungssysteme muss dabei grundsätzlich individuell auf die jeweiligen Betriebssituationen unter Tage angepasst werden. Auch erscheint durch dieses Konzept eine kombinierte Abscheidung von Stickoxiden und Stäuben aus dem Abwetterstrom realisierbar. Dazu sind jedoch weitere Untersuchungen zur Benetzbarkeit unterschiedlicher Staubtypen durch Natriumsulfitlösungen erforderlich.

In response to the recommendation of the European Commission, the Federal Republic of Germany was the first European country to lower the occupational exposure limit values (OEL) for nitrogen monoxide (5.0 ppm) and nitrogen dioxide (0.5 ppm) in 2016. Compared to the previously valid values, the new OELs represent a reduction of 92 % (NO) and 90 % (NO2), with a transitional period for mining operations until 31 October 2021. Despite this transitional period, the reduction represents a major challenge for the German mining industry. The new limit values cannot be complied with in all operations by using the current technology and the usual process of ventilation solely. According to a decision by the European Commission in 2017, the new OELs will apply throughout Europe from August 2023, meaning that all European mining companies will be affected in future. In order to be able to continue raw materials production from underground mining in Europe with economic success in the future, a system is proposed which will contribute to reducing the NOx-concentrations in the blast fumes after blasting. By defining requirements for the system to be developed, the concept of spraying absorbency solutions into the blast fumes in the free section of the drift was selected. For the selection of a suitable absorbency, a laboratory plant is designed at the Institute of Mining at Clausthal University of Technology. Different additives to water are tested for their effectiveness in nitrous gas reduction. Clear differences between the tested additives with regard to the absorption of NO and NO2 are found. Subsequently, the investigated additives are evaluated with regard to the risk they pose to mine safety and the workforce. As a result of the investigations, sodium sulphite is selected as an absorbency for further measurements on real blast fumes. In the laboratory experiments, it showed the best results in terms of NOx reduction, and according to the current state of knowledge, both the absorbency itself and the reaction product with nitrogen oxides, sodium sulphate, do not pose any risk to workers or the mine. With these laboratory measurements, the basic feasibility of absorbing nitrogen oxides in the low ppm range from gas mixtures by spraying of an absorbency solution under ambient conditions has been demonstrated. Based on this results, measurement concepts are developed to investigate the transferability of laboratory results to real blast fumes. First, measurements are carried out on a surface test site for explosives. Subsequently, further measurements are carried out in-situ in a coal mine. In both situations, in the blast fumes test channel on the test site and during the underground tests, a positive influence of the absorbency spraying is achieved. A fundamental transferability of the results from the laboratory to actual blast fumes is seen. A final evaluation of the concept shows that the requirements are met. Thus, for the first time, a concept is developed which makes it possible to specifically reduce NOx-components from the exhaust air by spraying of an absorbency solution. Considerations on potential applications of the process show a multitude of possible variants in underground mining. These are not exclusively related to NOx from blast fumes; the feasibility of nitrogen oxide absorption from diesel engine emissions must also be investigated. The design of the spraying systems must always be individually adapted to the respective underground operating situation. Furthermore, a combined reduction of nitrogen oxides and dusts from the blast fumes appears possible. However, this requires further investigations on the wettability of different dust types by sodium sulphite solutions.

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Hutwalker, Alexander: Niederschlagung von Nitrosegasen aus Sprengschwaden durch Bedüsung. 2019.

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