Reducing diesel particulate matter exposure in mines

• Autorzy: Watts W. F.

Warianty tytułu

PL

Ograniczenie ilości płynów pochodzących z urządzeń spalinowych w kopalniach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper summarizes a seminar given on April 7, 2004 at the Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences in Kraków, Poland. The focus of the paper is on control of Diesel particulate matter (DPM) in underground mines. A "toolbox" strategy is recommended that allows multi-ple approaches to be used to minimize exposure. Two approaches that were the subject of research inve-stigations conducted by the University of Minnesota (biodiesel fuel and low emission engines) are di-scussed in detail. The toolbox includes but is not limited to; improving engine maintenance, installation of exhaust aftertreatment devices such as exhaust filters and Diesel oxidation catalysts (DOCs), use of high ąuality Diesel fuel and lubrication oil, use of low emission engines, ventilation, better fleet/engine management, improved work practices, use of enclosed cabs with environmental control, use of respiratory protection, and better education. Each of these tools is briefly discussed. We showed in an underground mine study that a 58% blend of biodiesel fuel used with DOCs redu-ced total and elemental carbon emissions by 21.4 š 0.98%, and 28.6 š 0.87%, respectively. We also showed in a second underground mine study that use of low emission; electronically controlled Diesel engines reduced DPM emissions by about 60%. DPM exposure can be reduced if mine management and labor are willing to implement the toolbox strategy, remain committed, and follow up with an air quality monitoring and records evaluation program.

PL

Artykuł przygotowano w oparciu o seminarium które odbyło się w IMG PAN w dniu 7.04.2004 r. Głównym zagadnieniem było ograniczenie ilości pyłów pochodzących ze spalin (z maszyno napędzie dieslowskim) w kopalniach podziemnych. Zalecane podejście do problemu to tak zwany „toolbox" (skrzynka z narzędziami), ponieważ umożliwia ono stosowanie rozmaitych technik zmniejszających ekspozycję. Na Uniwersytecie Minnesota badano dwie metody: stosowanie biopaliw oraz silników o niskiej emisji. Metody te przedstawione zostały szczegółowo. Toolbox oferuje zestaw narządzi, każde z nich przeznaczone jest do określonych zastosowań. Dla rozwiązana problemu można wypróbować kolejne narzędzia, można też wykorzystać kilka narzędzi jednocześnie. W miarę udoskonalania technologii wprowadzane są nowe narzędzia. Ograniczenie ekspozycji na spaliny z silników wymaga takiego właśnie podejścia, ponieważ żadna z pojedynczych metod ograniczania emisji nie nadaje się do zastosowań w każdej s. Toolbox obejmuje (choć nie wyłącznie) następujące środki: poprawę konserwacji silnika, instalację urządzeń do oczyszczania spalin (filtrów lub katalizatorów), stosowanie wysokiej jakości paliwa i olejów smarowniczych, szersze wykorzystanie silników o niskiej emisji, wentylacja, lepsze zarządzanie sprzętem, udoskonalenie zasad obsługi, stosowanie zamkniętych kabin dla ochrony przed niekorzystnym wpływem środowiska, stosowanie środków ochrony układu oddechowego, lepsze wyszkolenie. Każda z wyżej wymienionych metod została omówiona. Lista zaleceń, które na pewno poskutkują ograniczeniem ekspozycji na pyły zawarte w spalinach podana jest poniżej: - stosowanie silników o niskiej emisji spalin; - stosowanie paliw o niskiej zawartości siarki; - stosowanie nowych technologii; - nie włączanie urządzeń o napędzie dieslowskim bez odpowiedniej wentylacji; - szkolenie górników w zakresie obsługi i konserwacji sprzętu o napędzie dieslowskim; - zapoznanie się z instrukcją obsługi sprzętu; - reagowanie na obecność czarnego dymu wskazującego na nieprawidłową pracę silnika; - utrzymywanie silnika w czystości; odpowiednie chłodzenie; - unikanie pracy silnika przy wysokich obciążeniach, a niskich prędkościach; - unikanie przeciążeń. Reasumując, można ograniczyć ekspozycję na pyły pod warunkiem że kierownictwo kopalni i pracownicy zechcą zastosować strategię toolboxa, są zdeterminowani w działaniach, prowadzą monitoring jakości powietrza i odpowiednią ocenę wyników. Biopaliwa wytwarzane są z odnawialnych źródeł energii np olejów roślinnych (sojowy, kukurydziany i rzepakowy), tłuszczów po recyklingu (tłuszcze roślinne i zwierzęce) oraz pozostałości płodów rolnych. Korzyści płynące z biopaliw pozostają w prostej relacji do ilości biokomponentu która uległa spaleniu. Biopaliwa praktycznie nie zawierają siarki a ich zmieszanie z paliwem do silników dieslowskich obniża zawartość siarki w paliwie. Biokomponent działa jak utleniona domieszka, stosowany w niewielkich stężeniach poprawia smarność paliwa silnikowego o ultra niskiej zawartości siarki. Obniżenie emisji spalin pozostaje w bezpośrednim związku z ilością biokomponentu która uległa spaleniu.W trakcie badań prowadzonych w kopalni określano stężenia emitowanych pyłów i spalin w nieprodukcyjnej części kopalni. W trakcie pierwszego tygodnia oceny czerpak /zgarniak/skip (scoop) o napędzie dieslowskim pracował na paliwie D2 o niskiej zawartości siarki. W czasie drugiego tygodnia urządzenie pracowało na mieszance: 58% (wagowo) ester metylowo sojowy i paliwo do silników Diesla o niskiej zawartości siarki. W czasie trwania obydwu tygodni urządzenie wyposażone było w identyczne katalizatory o zaawansowanej konstrukcji. Celem oceny było określenie zmian składu spalin i oszacowanie kosztów zastosowania pojazdu testowego napędzanego mieszanką biopaliwa. Wykazano, że domieszka 58% (masowo) biopaliwa oraz zastosowanie katalizatora powodują obniżenie emisji węgla całkowitego i wolnego kolejno o 24.4 š 0.98% oraz o 28.6 š 0.87%. Badania prowadzone w kopalni z wykorzystaniem silników o niskiej emisji miały za cel ujecie ilościowe wpływu stosowania urządzeń o napędzie dieslowskim na jakość powietrza w kopalni poprzez pomiary masy pyłów, ich stężenia, składu chemicznego i aktywności mutagennej. Należało także określić, czy stosowanie tego typu silników nie wprowadzi nowego czynnika zagrożenia w kopalni. Pomiary prowadzono w okresie dwutygodniowym. W trakcie pierwszego tygodnia wydobycie prowadzono przy pomocy ładowarki czołowej i pojazdów napędzanych silnikiem 1990 Caterpillar 340008C, 314 kW, wtrysk bezpośredni, z turboładowaniem, dochładzanie, mechanicznym wtryskiem paliwa (DITA). W ciągu drugiego tygodnia pojazdy te zastąpiono podobnymi pojazdami, napędzanymi silnikami 1998 Caterpillar 3408F z hydrauliczno-elektrycznym zespołem wtrysku, turboładowanie, dochładzanie (HEUI). W trakcie trwania całych badań stosowano to samo paliwo o niskiej zawartości siarki (34 ppm S). Badania wykazują, że zastosowanie nowoczesnego paliwa zapewniającego niewielką emisję nie spowodowało w kopalni żadnych dodatkowych problemów związanych z jakością powietrza. Nie stwierdzono podwyższenia poziomu zawartości nanocząstek, w rzeczywistości całkowite stężenie cząstek zmniejszyło się o 50%. Ilość poli-cyklicznych węglowodorów aromatycznych oraz poziom aktywności biologicznej związanej z pyłami spalinowymi uległy obniżeniu o prawie 90% dzięki wykorzystaniu nowoczesnych silników dieslowskich o niewielkiej emisji. Zastosowanie nowoczesnych silników dieslowskich i paliwa o niskiej zawartości siarki znacznie poprawiły jakość powietrza w odniesieniu do zawartości pyłu i jego poszczególnych składników. Silniki dieslowskie o niewielkiej emisji, wyposażone w regulację elektroniczną mogą doprowadzić do zmniejszenia emisji pyłów spalinowych o ok. 60%.

Słowa kluczowe

EN

mining; diesel; Diesel particulate matter; emission control; control strategy; industrial hygiene

PL

górnictwo; silnik spalinowy; pyły w spalinach; ograniczenie emisji; strategie kontroli zanieczyszczenia; higiena pracy

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, nr 4
• Strony: 557--575
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., wykr.

Twórcy

autor

Watts W. F.

• Research Associate, University of Minnesota, Departament of Mechanical Engineering, Center for Diesel Research, 111 Church st. Se, Minneapolis, MN 55455, USA,

Bibliografia

• [1] American Conference of Govemmental Industrial Hygienists, 1995. 1995-1996 Threshold Limit yalues for Chemical Substances and Physical Agents and Biological Exposure Indices. American Conference Governmental Industrial Hygienists, Cincinnati, OH, 138 pp.
• [2] American Conference of Govemmental Industrial Hygienists, 1999. 1999 TLVs™ and BEIs,M Threshold Limit Yalues for Chemical Substances and Physical Agents & Biological Exposure Indices. American Conference Govem- mental Industrial Hygienists, Cincinnati, OH, 184 pp.
• [3] ACGIH, 2001. 2001 TLys™ and BEIs™ Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents & Biological Exposure Indices. American Conference Governmcntal Industrial Hygienists, Cincinnati, OH, 185 pp.
• [4] ACGIH, 2003. 2003 TLVs™ and BEIs™ Based on the Documentation of the Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents & Biological Exposure Indices. American Conference Govemmental Industrial Hygienists, Cincinnati, OH, 206 pp.
• [5] Bagley S.T., Grat z L.D., 1998. Evaluation of Biodiesel Fuel and a Diesel Oxidation Catalyst in an Underground Metal Minę. Part 3 - Biological and Chemical Characterization. 37 pp. Available at http://www.deep.org/reports/ inco_bio_mtu.pdf
• [6] Bagley S.T., Watts W.F., Johnson J.P., Kittelson D.B., Johnson J.H., Schauer J.J., 2001. Impact of Low-Emission Diesel Engines on Underground Mine Air Quality. National Institute for Occupational Safety and Health Grant No. R01/CCR515831-01, Finał Report, 58 pp. Available at http://www.deep.org/reports/ 2002_watts_report.pdf
• [7] Canadian Mining Regulations, 1997-1998. Health, Safety and Reclamation Codę for Mines in British Columbia, 1997, section 6.22.2(3); Regulation respecting occupational health and safety in mines, 1998, section 102.(l)(a) and 102.(1.1); Schedule VI Sampling and Analysis Protocol for Respirable Combustible Dust (RCD). Regulations for Mines and Mining Plants, Ontario Regulation 854/90, 1997, section 183.1(5).
• [8] Commission for the Investigation of Health Hazards of Chemical Compounds in the Work Area, 2002. List of MAK and BAT Values 2002. Maximum Concentrations and Biological Tolerance Values at the Workplace, Report No. 38, Wiley-VCH, Weinheim (Federal Republic of Germany), 222 pp.
• [9] Dockery D.W.,Pope III A.,Xu X.,Spengler J.D.,Ware J.H.,Fay M.E.,Ferris Jr. B.G., Speizer F.E., 1993. An Association Between Air Pollution and Mortality in Six U.S. Cities, New England Journal of Medicine. Vol. 329, No. 24, pp. 1753-1759.
• [10] Donaldson K., Stone V., Gilmour PS., Brown D.M., MacNee W., 2000. Ultrafme Particles: Mechanisms of Lung Injury. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Royal Society London., 358: 2741-2749.
• [11] Donaldson K., Stone V., Seaton A., MacNee W., 2001. Ambient Particie Inhalation and the Cardiovascular System: Potential Mechanisms. Environmental Health Perspectives., 109 (Suppl. 4): 523-528.
• [12] Gangal M., Ebersole J.,Vallieres J., Dainty D., 1990. Laboratory Study of Current (1990/91) SOOT/RCD Sampling Methodology for the Minę Environment. Mining Research Laboratory, Canada Centre for Minerał and Energy Technology (CANMET), Ottawa, Canada.
• [13] Health Effects Institute, 1999. Diesel Emissions and Lung Cancer: Epidemiology and Quantitative Risk Assessment. A Special Report of the Institute’s Diesel Epidemiology Expert Panel, June 1999, Flagship Press, N. Andover, MA., 82 pp. Available at http://www.healtheffects.org/Pubs/DieselEpi-C.pdf
• [14] International Agency for Research on Cancer, 1989. Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans Diesel and Gasoline Engine Exhausts and Some Nitroarenes, vol. 46, 458 pp., Lyon, France.
• [15] ICRP (International Commission on Radiological Protection), 1994. Humań Respiratory Tract Model for Radiological Protection. A Report of Committee 2 of the ICRP. Pergamon Press: Oxford, England.
• [16] Kittelson D.B., Watts W.F., Johnson J.P., 2002. Diesel Aerosol Sampling Methodology - CRC E-43 Finał Report. Coordinating Research Council, Alpharetta, GA. 181 pp. Available at http://www.crcao.com/
• [17] McDonald J.F., Cantrell B.K., Watts W.F., Bickel K.L., 1997. Evaluation of a Soybean-Oil-Based Diesel Fuel in an Underground Gold Minę. Canadian Institute Mining Bulletin 90(1015):91-95, 1997.
• [18] Mine Safety and Health Administration, Department of Labor, 1997. Practical Ways to Control Diesel Emissions in Mining - A Toolbox. Prepared by W.F. Watts for the U.S. Minę Safety and Health Administration, 47 pp., March, 1997. Available at http://www.msha.gov/S&HINFO/TOOLBOX/DTBFINAL.PDF
• [19] Mine Safety and Health Administration, Department of Labor. 2001 (a). 30 CFR Part 57, Diesel Particulate Exposure of Underground Metal and Nonmetal Miners; Finał Rule. Fed. Reg. January 19, pages 5706-5910.
• [20] Mine Safety and Health Administration, Department of Labor. 2001 (b). 30 CFR Part 72, Diesel Particulate Exposure of Underground Coal Miners; Finał Rule. Federal Register, January 19, pages 5526-5706.
• [21] National Institute for Occupational Safety and Health., 1988. Carcinogenic Effects of Exposure to Diesel Exhaust. Current Intelligence Bulletin., 50, 30 pp.
• [22] National Institute for Occupational Safety and Health., 1998. Elemental Carbon (Diesel Exhaust) 5040. Issue 2, January 15, 1998, 9 pp. in NIOSH Manual of Analytical Methods (NMAM), Fourth Edition, March 15, 1996.
• [23] Oberdorster G. 2001. Pulmonary Effects of Inhaled Ultrafme Particles. International Archives of Occupational and Environmental Health., 74: 1-8.
• [24] Oberdorster G., Ute 11 M.J., 2002. Ultrafme Particles in the Urban Air: to the Respiratory Tract-and Beyond? Environmental Health Perspectives., 110(8): A440-A441.
• [25] Peters A., Wichmann H.E.,Tuch T.,Heinrich J.,Heyder J., 1997. Respiratory Effects Are Associated with the Number of Ultrafme Particles. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine., 155: 1376-1383.
• [26] Pope III C.A., Thun M.J., Namboodiri M.M., Dockery D.W., Evans J.S., Speizer F.E., Heath Jr. C.W., 1995. Particulate Air Pollution as a Predictor of Mortality in a Prospective Study of U.S. Adults, American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine., Vol. 151, pp. 669-674.
• [27] Ramachandran G., Watts W.F., 2003. Statistical Comparison of Diesel Particulate Matter Sampling Methods. American Industrial Hygiene Association Journal., 64(3):329-337.
• [28] Seaton A., MacNee W., Donaldson K., Godden D., 1995. Particulate Air Pollution and Acute Health Effects. Lancet., 345: 176-178.
• [29] Schnakenberg G.H. Jr., Bugarski A.D., 2002. Review of Technology Available to the Underground Mining Industry for Control of Diesel Emissions Review of Technology Available to the Underground Mining Industry for Control of Diesel Emissions. NIOSH IC 9462, DHHS (NIOSH) Publication No. 2002-154, 52 pp. Available at http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/ic9462.pdf
• [30] Schnakenberg G.H. Jr., 2004. Diesel Particulate Filter Selection Guide for Diesel-powered Eąuipment in Metal and Nonmetal Mines. Available at http://www.cdc.gov/niosh/mining/topics/diesel/diesel.html
• [31] Spears M., 1997. An Emission-Assisted Maintenance Procedurę. University of Minnesota Center for Diesel Research report produced for NIOSH on Contract No.USDI/1423C0369004, Evaluation of Technology to Reduce Diesel Particulate, Oct. 1997. Available at http://www.cdc.gov/niosh/mining/topics/diesel/eamp/eamp.html
• [32] Stenitzer M., 2003. Catalytic Stripper. M.S. Thesis, University of Minnesota, (2003). Available from W.F. Watts, University of Minnesota.
• [33] SUVA: Grenzwerte am Arbeitsplatz, 1997.
• [34] U.S. Environmental Protection Agency, 2002. A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions. Draft Technical Report, EPA 420-P-02-001, 126 pp, October, 2002.
• [35] Utell M.J., F ramp ton M.W., 2000. Acute Health Effects of Ambient Air Pollution: The Ultrafme Particie Hypo- thesis. Journal of Aerosol Medicine., 13(4): 355-359.
• [36] Watts W.F., 1992. Health Risks Associated with the Use of Diesel Equipment Underground. In Bureau of Mines IC 9324, In Bureau of Mines IC 9324, Diesels in Underground Mines: Measurement and Control of Particulate Emissions. Proceedings: Bureau of Mines Information and Technology Transfer Seminar, 1992, pp. 4-10.
• [37] Watts W.F., 1995. Assessment of Occupational Exposure to Diesel Emissions. 1995. In: Diesel Exhaust: A Critical Analysis of Emissions, Exposure, and Health Effects. pp. 107-123. Health Effects Institute, Cambridge, MA.
• [38] Watts W.F., Spears M., Johnson J., Birch E., Cantrell B.K., Grenier M., Walker J., Bagley S., Maskery D., Stachulak J.S., Conard B.R., 1998. Evaluation of Biodiesel Fuel and Oxidation Catalyst in an Underground Metal Minę, 51 pp. Available at http://www.deep.org/reports/inco_bio.pdf
• [39] Waytulonis R.W., 1987. An Overview of the Effects of Diesel Engine Maintenance on Emissions and Performance. In Bureau of Mines IC 9141, Diesels in Underground Mines. Proceedings: Bureau of Mines Technology Transfer Seminar, 1987, pp. 72-78.
• [40] Waytulonis R.W., 1992a. Diesel Exhaust Control, Chapter 11.5. SME Mining Engineering Handbook, 2nd Ed. v. 1. H.L. Hartman, ed., 1992, pp. 1040-1051.
• [41] Waytulonis R.W., 1992b. Modem Diesel Emission Control. In Bureau of Mines IC 9324, Diesels in Underground Mines: Measurement and Control of Particulate Emissions. Proceedings: Bureau of Mines Information and Technology Transfer Seminar, 1992, pp. 49-59.
• [42] Whitby K.T., Cantrell B.K., 1976. Atmospheric Aerosols: Characteristics and Measurement. Proceedings of the International Conference on Environmental Sensing and Assessment (ICESA), Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). IEEE #75-CH 1004-1, ICESA paper 29-1, 6 pp, IEEE, Washington, DC.