Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров

Специальность 25.00.20

«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

НЕСТЕРЕНКО ГЕННАДИЙ ФИЛИППОВИЧ

Пермь - 2008 г.

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Научный консультант доктор технических наук, с.н.с.

Конорев Михаил Максимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ермолаев Александр Иванович

доктор технических наук

Казаков Борис Петрович

доктор технических наук, профессор

Мохирев Николай Николаевич

Ведущая организация Московский государственный горный

университет

Защита диссертации состоится «____» __________ 2008 г. в ______ на заседании диссертационного совета Д004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г.Пермь, ул.Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан «____» _____________ 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

к.г.-м.н., доцент Б.А. Бачурин

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В развитии горнорудной промышленности прослеживается устойчивая ориентация на открытый способ разработки как наиболее экономичный и высокопроизводительный. За последние 30 лет доля руд черных и цветных металлов, добытых на карьерах, увеличилась соответственно с 56 до 86% и с 40 до 55%. Исследованиями на многих карьерах установлено, что при высокой интенсификации и концентрации производства, с увеличением глубины происходит загрязнение вредными примесями атмосферы, превышающее ПДК: по запыленности воздуха на рабочих местах в 3-5 раз, по оксидам углерода в 1,5-3 раза, по оксидам азота в 5-7 раз. Это приводит к появлению профессиональных заболеваний горнорабочих, снижению производительности труда и производственному травматизму.

С ухудшением экологической обстановки на открытых горных работах в 50-60-х годах ХХ века начала интенсивно развиваться новая область горной науки - «Аэрология карьеров», основоположником которой был академик А.А. Скочинский. Теоретической базой новой науки явились рудничная аэрогазодинамика, горная теплофизика, метеорология и др. Большое влияние на решение теоретических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на карьерах и сокращения вредного воздействия на окружающую среду открытых горных работ оказали труды члена-корреспондента АН УССР Ф.А. Абрамова; докторов наук Н.З. Битколова, П.В. Бересневича, Л.Д. Вассермана, Г.В. Калабина, Л.Г. Качурина, М.М. Конорева, К.В. Кочнева, А.А. Кулешова, В.А. Михайлова, В.С. Никитина. В.В. Силаева, К.З. Ушакова, С.С. Филатова; кандидатов наук Я.З. Бухмана, А.А. Вершинина, Ю.В. Гуля, И.И. Иванова, Л.А. Козакова, Н.В. Ненашева, А.И. Павлова, Г.А. Радченко, С.М. Рослякова, Ю.Д. Хечуева и других.

Основными причинами загрязнения атмосферы карьеров являются несовершенство технологических процессов и оборудования, ухудшение условий естественного воздухообмена с ростом глубины карьеров.

Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов. Применяемые организационно-технические и технологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающую среду. Однако при отсутствии осадков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического комплекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют прилегающие к карьерам территории - почву, воздушную и водную среды. При мороси и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота, бенз(а)пирен, сажа и др.), выделяющихся с отработавшими газами автотранспорта. Кроме того, при происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при выносе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхности выработанного карьерного пространства. Поскольку ПДК ЗВ для окружающей природной среды, в частности, для «селитебных зон», значительно (~ на порядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок, то в данном случае следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсирован в виде платы за выбросы ЗВ.

При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ - сочетание штилей с инверсиями) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства горных работ. Продолжительность НМУ для карьеров Якутии, Восточной Сибири, Северо-Запада и Урала составляет соответственно 3500, 2720, 1650 и 1220 часов в год. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ приводят к экономическому ущербу предприятий и свидетельствуют о низкой эффективности организационно-технических мероприятий и средств по регулированию пылегазового режима. В связи с этим, необходимость применения технических способов и средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусственного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воздушный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда», в т.ч. и при нормальном (естественном) воздухообмене.

Серьезную опасность для существования экосистемы «карьер - окружающая среда» представляют массовые взрывы. Образующееся при взрывах пылегазовое облако (ПГО) при выходе за пределы карьера под воздействием ветра перемещается, загрязняя почву, поверхностные воды и значительные объемы окружающего воздушного бассейна. Кроме того, до 40-60 % вредных примесей остается во взорванной горной массе, что при отсутствии эффективных средств и способов их подавления может привести к отравлению горнорабочих при экскавации и транспортировании. В связи с этим, с экологической точки зрения производство массовых взрывов при высокой ветровой активности является недопустимым без применения эффективных средств и способов подавления ЗВ в ПГО и взорванной горной массе.

На основании предшествующих исследований установлено, что для обеспечения экологической безопасности на открытых горных работах одним из перспективных направлений является использование свободных турбулентных струй.

Состояние научных исследований, опытно-конструкторских работ и результаты испытаний различных типов вентиляторов на основе авиационных винтов и двигателей позволили перейти от испытаний единичных образцов вентиляторов к созданию систем всесезонного пылегазоподавления.

Однако, в теоретическом и практическом планах в предшествующих научных работах не было уделено достаточно внимания исследованиям аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и окружающей среде при воздействии газовоздушных и многофазных струй и при массовых взрывах, а также обоснованию параметров конструктивных элементов и устройств средств пылегазоподавления.

Следует отметить, что Государственной программой РФ в ближайшее время предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа» (на юге Якутии) с уникальным растительным и животным миром. В связи с этим проблема обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда» потребует кардинального решения при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом в сложных горно-геологичес-ких и суровых природно-климатических условиях.

Объектом исследования является атмосфера карьера и окружающая среда, санитарно_гигиенические параметры которых формируются под воздействием метеорологических, горногеологических и технологических факторов. Аэрогазодинамические и тепломассообменные процессы, протекающие в атмосфере карьера и окружающей среде при воздействии многофазных струй и при массовых взрывах, составляют предмет научного исследования.

Цель работы - формирование рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспечения экологической безопасности окружающей среды.

Идея работы заключается в искусственном формировании в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применением генераторав осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) для повышения экологической безопасности открытых горных работ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следуюшие задачи:

1. Определить аэрогазодинамические параметры турбулентных газовоз-душных и многофазных потоков, создаваемых в атмосфере карьера генераторами на основе турбовинтовых двигателей.

2. Установить эффективность процессов восстановления естественного воздухообмена методом физического моделирования и промышлеиного эксперимента.

3. Теоретически и в промышленнык условиях определить эффективность тепломассообменньх процессов с применением генераторов осадков при положительных и отрицательных температурах в атмосфере карьера.

4. Обосновать и разработать рациональные конструктивные элементы и устройства мощных средств пылегазоподавления.

5. Разработать теоретические основы азрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах в карьерах;

6. Обосновать необходимый состав комплекса средств нормализации состава атмосферы карьеров.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализацию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылегазоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй и средств экологического мониторинга.

2. Повышение эффективности искусственного формирования в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применением генераторов осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) достигается за счет оптимальных параметров входного коллектора и кожуха (насадка), применения конструктивных элементов и устройств - входных водораспылительных контуров, гидравлических бесфорсуночных сопел, газовыводящих патрубков и систем - шумоглушения, сканирования струй и регулирования их степени неизотермичности.

3. Пылегазовое облако (ПГО) формируется и поднимается как изотропный осесимметричный термик («пузырь») до уровня конвекции zК за время К. При этом изменение температурного перегрева, скорости и времени подъема описываются соответственно - линейно_гиперболической, тригонометрически_гиперболической и тригонометрической зависимостями. После уровня конвекции увеличение относительного радиуса и уменьшение относительной концентрации примесей во времени характеризуются соответственно параболической и гиперболической зависимостями.

4. За счет предварительной обработки зоны взрыва и последующего активного воздействия на ПГО многофазных струй турбовентиляторов в атмосфере карьера и облаке возникает инверсия, предотвращающая выход облака за пределы карьера и обеспечивающая условия для активного его рассеяния и подавления.

Научная новизна работы заключается в:

– теоретическом обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощных средств пылегазоподавления;

– обосновании комплекса средств при искусственном формировании рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации состава атмосферы карьеров;

– разработке на основе лабораторных исследований и промышленных испытаний эффективных способов интенсификации искусственного воздухообмена в атмосфере карьеров;

– установлении новых закономерностей процессов формирования, развития и распада ПГО на базе разработанных теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах;

– разработке теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и ПГО при формировании, развитии и рассеянии последнего во влажной стратифицированной атмосфере;

– разработке аналитических способов расчета параметров облака, зон возможного загрязнения (ЗВЗ) и оценки эффективности воздействия на подавление ПГО многофазных струй.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплекс методов, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований по проблеме; лабораторные и промышленные эксперименты; приборные и инструментальные измерения; математическое моделирование, вычислительная математика; объемное физическое моделирование при исследовании параметров струй и процессов искусственного воздухообмена; опытно-промышленные испытания средств и систем всесезонного пылегазоподавления.

Личный вклад автора заключается в:

– обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощных средств пылегазоподавления, обеспечивающих улучшение аэрогазодинамических и санитарно_гигиенических характеристик;

– разработке и обосновании новой технологии тепломассообменных процессов с применением перемещающихся в карьерном пространстве турбулентных струй;

– разработке аналитических зависимостей для расчета дефицита энергии неустойчивости атмосферы карьеров при температурных инверсиях;

– разработке теоретических основ процессов формирования, развития и рассеяния ПГО при массовых взрывах в карьерах;

– разработке теоретических основ процессов развития ПГО во влажной стратифицированной атмосфере карьеров и активного подавления облака с применением многофазных струй;

– непосредственном участии в разработке, внедрении и промышленных испытаниях средств и систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Урала, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием и непротиворечивостью теоретических выводов фундаментальным законам физики; достаточно высокой степенью сходимости (85%) результатов лабораторных и промышленных экспериментов по разрушению температурных инверсий; представительным объемом лабораторных экспериментов и промышленных испытаний средств искусственного воздухообмена и пылегазоподавления на карьерах; разработкой теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах.

Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований в области аэрологии карьеров, рудничной аэрогазодинамики, горной теплофизики и разработке на этой основе научной методологии экологически-оптимального управления пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров с целью обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий и снижения вредного воздействия открытых горных работ на окружающую среду.

Практическое значение работы состоит в обосновании рациональных условий применения средств искусственного воздухообмена и подавления вредных примесей в атмосфере глубоких карьеров; технико-экономическом обосновании выбора типа привода карьерных вентиляторов; разработке аэродинамических схем и конструкций карьерных вентиляторов-оросителей на базе ТВД; разработке конструкций устройств для генерирования многофазных струй и твердых осадков; разработке и внедрении в производство средств и систем всесезонного пылегазоподавления; разработке и испытании в промышленных условиях способов интенсификации искусственного воздухообмена и подавления пылегазового облака с помощью многофазных струй; разработке теоретических основ для расчета пераметров ПГО и зон возможного загрязнения (ЗВЗ).

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты исследований доведены до промышленного применения и вошли в проекты реконструкции карьеров трубка "Мир" (1980), Тейского (1986), Оленегорского (1984, 1990), Качарского (1990), Костомукшского (1992) ГОКов.

Средства и системы всесезонного пылегазоподавления прошли промыш-ленные испытания на карьерах Урала (ГБРУ, НТМК, комбинат «Ураласбест»), Казахстана (ЦГХК), Средней Азии (НГМК, карьер «Мурунтау») и Забайкалья (ПГХК и ЗабГОК).

Внедрение систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Целинного (ЦГХК) и Приаргунского горно-химических комбинатов позволило получить годовой экономический эффект 330 тыс. руб. (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и получили одобрение на технических совещаниях институтов Гипроруда, ВНИПИпромтехнология, Уралгипроруда, ВНИИпроектасбест, ВНИИБТГ, всесоюзных научных конференциях и совещаниях по проблемам аэрологии карьеров и охраны труда «Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов» (1976, 1979, 1983 гг.), «Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий» (1980), «Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах» (1985), «Эффективные технологии, способы и средства, обеспечивающие современные требования к экологии при разработке месторождений полезных ископаемых» (1990), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (1995), Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (1997), «Международной конференции по открытым и подземным горным работам» (1998), Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (1998), на второй международной конференции «Ресурсо-воспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (2003), ежегодных конференциях «Неделя горняка» (1997-2008 гг.).

Результаты разработок экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены тремя бронзовыми медалями. Внедрение технических решений отмечено знаком «Изобретатель СССР».

Диссертация обобщает разработки плановых научных исследований ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), выполненных с 1970 по 2008 гг.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 115 печатных работах: 95 статей, в том числе 21 - в научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, одна монография, 18 авторских свидетельств на изобретения, один патент РФ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из 6 глав, изложенных на 355 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 87 рисунков и список литературы из 221 наименования.

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность докторам технических наук А.В. Гальянову, М.М. Конореву, кандидатам наук А.А. Вершинину, А.И. Павлову, С.М. Рослякову, О.Г. Страшникову; инженерам М.В. Блонскому, А.А. Киенко, В.Н. Макарову, Ю.Л. Калифатиди, Т.Г. Петровой, В.И. Прибылеву за помощь при проведении исследований и подготовке к диссертации к защите.

аэрогазодинамический тепломассообменный карьер загрязнение

Основное содержание работы

1. Современное состояние исследований по проблеме нормализации атмосферы глубоких карьеров

Технологические процессы на карьерах характеризуются интенсивным выделением вредных примесей, загрязняющих как атмосферу карьера, так и окружающую среду.

Одним из основных источников мгновенного выделения в атмосферу карьеров пыли и вредных газов являются массовые взрывы. Количество одновременно взрываемых ВВ в рудных карьерах колеблется от 200 до 1000 т и более. При производстве массовых взрывов концентрация вредных примесей как в облаке, так и в атмосфере карьера, а также в горной массе достигает значительных величин. Удельный выброс пыли в пылегазовое облако достигает 0,027-0,17 кг/м3 горной массы; 63-80% осевшей в карьере пыли имеет дисперсность менее 1-4 мкм. Количество образовавшейся пыли и её дисперсность изменяются в широких пределах и зависят в основном от типа и крепости горных пород, степени их обводнённости, удельного расхода ВВ и др.

Важнейшими климатообразующими факторами, определяющими санитарно-гигиеническое состояние атмосферы карьеров, являются радиационный и ветровой режимы районов расположения, а также синоптическая обстановка.

В связи с тем, что полная энергия атмосферы карьера остается постоянной при адиабатических переходах системы из одного состояния в другое, дефицит энергии неустойчивости может быть рассчитан на основании уравнения:

Еу = (Еп+Ев)а - (Еп+Ев)u , (1)

где: индексы а - относятся к адиабатическому состоянию ( =а0,01 К/м); u - к инверсионному (<0); Еп - потенциальная энергия системы, Дж; Ев - внутренняя энергия системы, Дж.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поскольку на величину Еу определяющее влияние оказывает , то при =idem, H к=idem, Нк/Т0=idem, Vк=idem, объем любого карьера может быть аппроксимирован усеченным конусом. При этом величины Еп и Ев определяются из уравнений:

где: g - ускорение силы тяжести, м/с2; 0 - плотность воздуха у дна карьера, кг/м3; - температурный градиент, К/м; Сv - удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, Дж/кг К; Т0 - температура воздуха у дна карьера, 0К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кг .К; r0 - радиус дна карьера, м; - средний угол наклона борта карьера, град.

Значения ЕП и ЕВ вычисляются путем разложения первых сомножителей под знаком интегралов в ряды и последующего их свертывания.

В результате получены итоговые уравнения для вычисления внутренней и потенциальной энергий:

Анализ расчетов показал, что для перевода атмосферы ряда карьеров из глубокого инверсионного состояния ( =-0,05 К/м) в адиабатическое ( =0,01 К/м) потребуется (5,31-13,03)1011Дж. Это эквивалентно количеству тепла, выделяющегося при полном сгорании 12,3-30 т керосина. Однако, такие ситуации возможны только в районах крайнего Севера и Якутии.

Время разрушения температурной инверсии можно рассчитать по формуле:

где: n - количество установок; GT - часовой расход топлива ТВД одной установки, кг/ч; НИ - теплотворная способность топлива, Дж/кг; - к.п.д. процессов сгорания в ТВД ( = 0,970,98).

По технологическим причинам для разрушения температурных инверсий целесообразно применение средств большой единичной мощности.

Следует отметить, что при разрушении инверсий с помощью твердых осадков необходимо учитывать энергию, выделяющуюся в результате фазовых переходов воды в снег. Время обработки атмосферы карьера можно существенно сократить (на 10-15 %):

(7)

где: Eу - дефицит энергии неустойчивости атмосферы карьера, Дж; m - расход топлива кг/с; Ну - теплотворная способность топлива, Дж/кг; n - количество генераторов осадков, шт; Сж, Сл - удельная теплоемкость жидкости и льда (снега), Дж/кг К; mж - расход жидкости, кг/с; Тж - разность температуры жидкости и снега, К.

Значительный объем исследований в решении проблемы пылегазоподавления при технологических процессах и производстве буровзрывных работ выполнен институтом ВНИИБТГ. Практический и научный интерес представляют разработки КазПТИ, ЦНИЛ ВГСЧ бывш. Минцветмета, НИИКМА, ЦНИИПП по применению для этих целей пены на основе различных составов ПАВ. Применение пены уменьшает подъем ПГО в 2-3 раза, в 3-4 раза быстрее осаждается образующаяся пыль.

Для подавления пыли при добыче, погрузке и транспортировании полезных ископаемых, а также при их дроблении, измельчении и т.д. в России и за рубежом применяют пену и различные составы на основе нефтяных смол, отходов целлюлозно-бумажного производства. Эти и другие растворы применяются для пылеподавления на автодорогах, закрепления пылящих поверхностей хвостохранилищ, штабелей руды, обработки площадок для кучного выщелачивания.

Значительный объем исследований по снижению вредных выбросов ОГ дизельных двигателей выполнен в ИГД УрО РАН. Особый интерес представляет система снижения токсичности отработавших газов (ССТОГ), в основе которой лежит пропуск ОГ через перевозимую горную массу. ССТОГ прошла большой объем промышленных испытаний на карьерах ПО «Апатит» (ЦНИДИ), Качарском, Оленегорском, "Мурунтау", комбинатов "Магнезит", "Ураласбест".

По мере углубления карьеров происходит трансформация ветровых потоков и резкое снижение скорости у дна и придонных слоев атмосферы. Для предотвращения снижения интенсивности естественного воздухообмена рядом авторов и организаций предложены различные способы: установка с наветренной стороны карьеров заграждений с проранами (Я.З. Бухман); установка с наветренной стороны карьера вращающегося цилиндра для обеспечения безотрывного течения (ВНИИгалургии); устройство покрытий черного типа для усиления естественной конвенции (КазПТИ ); размещение отвалов с максимальной отметкой в виде терриконов (ВостНИГРИ). Перспективным является предложение о создании на дне карьеров водоемов, над которыми распыляется вода. Образующиеся при этом "термики" обеспечивают очистку циркулирующего в районе бассейна воздуха. Поскольку в условиях штилей и инверсий способы интенсификации естественного воздухообмена не эффективны, целесообразно использовать в эти периоды мощные средства всесезонного пылегазоподавления в режиме генерирования твердых и жидких осадков.

В 1960 г. Криворожским горнорудным институтом (КГРИ) была разработана первая в СССР вентиляторная установка на базе турбореактивного авиадвигателя (ТРД) ВК-1 и автомобиля ЗИЛ-130. Результаты испытаний вентилятора показали, что он позволяет создавать воздушно-водяные струи и тем самым активно подавлять витающую пыль и растворимые газы. На Сибайском карьере применялась модернизированная турбореактивная установка УВУ-1 на шасси автомобиля БелАЗ-540, спроектированная институтом "Унипромедь" и Казанским проектным бюро машиностроения. Экспериментальные исследования послужили основой для разработки институтами НИИОГР, ВНИИГМ им. М.М. Федорова и Донгипроуглемаш специального вентилятора ПВУ-6.

В результате большого объема экспериментальных и опытно-конструкторских работ ИГД МЧМ СССР и институтом НИПИГОРМАШ были созданы и доведены до промышленного внедрения вентиляторные установки УМП-14 (ВУ-1), УМП-21 (ВУ-2) на базе несущих винтов вертолетов Ми-1 и Ми-4. Установка УМП-1 на шасси автомобиля БелАЗ-548 с воздушным винтом диаметром 3,6 м находится в серийном производстве.

Промышленная проверка эффективности вентиляторных установок АИ_20КВ (ТВД самолета ИЛ-18), предназначенных для искусственного воздухобмена атмосферы проветривания карьеров объемом до 20х106 м3 и глубиной до 100 м, послужила основой для разработки мощных карьерных вентиляторов-оросителей НК-12КВ и создания на их базе на ряде крупных карьеров систем всесезонного пылегазоподавления.

Обязательным элементом комплекса средств нормализации атмосферы карьеров должны быть средства и системы экологического мониторинга.

Анализ характеристик различных средств и систем экологического мониторинга воздуха рабочих зон и атмосферы показал:

– для условий карьеров характерна высокая мобильность фронта горных работ, вследствие чего системы и средства пылегазового контроля должны включать средства передачи информации по радиоканалу;

– существенными недостатками стационарных и передвижных комплексов являются высокая стоимость вследствие комплектации однокомпонентными газоанализаторами и отсутствие средств радиотелекоммуникаций;

– средств радиотелекоммуникаций, как у системы «Диспетчер_2», у современных средств и систем экологического мониторинга нет;

– самыми надежными и точными являются многокомпонентные газоанализаторы и комплексы производства ЗАО «Украналит» (Украина);

– для условий карьеров пригодны приборы, имеющие цифровые выходы (интерфейсы RS232 или RS485), позволяющие адаптировать пылегазоанализаторы путем преобразования информации в радиосигналы.

В результате анализа также установлено, что в настоящих условиях существует реальная возможность внедрения модернизированной системы «Диспетчер_2», разработанной ИГД МЧМ СССР и проходившей испытания на карьерах «Мурунтау» (Узбекистан) и комбината «Магнезит» (г.Сатка, Челябинская область). Наличие радиотелеметрических устройств в модернизированной системе «Диспетчер-2», современных многокомпонентных газоанализаторов атмосферного воздуха и радиотехнических средств в кабинах горнотранспортного оборудования позволяет реально использовать систему спутниковой навигации GPS - «ГЛОНАС» для экологического мониторинга и управления средствами и системами пылегазоподавления

2. Обоснование рациональных конструктивных параметров и элементов средств нормализации атмосферы карьеров

Работами, выполненными в ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), было установлено, что из имеющихся технических средств для целей искусственной вентиляции и пылегазоподавдения в карьерах наиболее приемлемыми являются вентиляторы на базе ТВД, объединяющих в себе воздушные винты изменяемого шага и газотурбинный привод, имеющий малый вес и габариты, при этом отпадает необходимость в большом резерве установленной мощности карьерных электрических подстанций.

При работе на земле ТВД имеют максимальное значение тяги и минимальный удельный расход топлива. Эти параметры могут быть улучшены за счет наддува компрессора, впрыска воды (или 3-7% смеси метанол-вода) непосредственно в камеру сгорания или воздухозаборник компрессора. При введении 5% воды в компрессор двигателя прирост тяги газотурбинного двигателя составляет 33%, снижение удельного расхода топлива - 7%. Для реализации этих способов предложены конструкции воздухозаборника и водораспыляющих контуров, защищенные авторскими свидетельствами.

Опыт промышленной эксплуатации экспериментального образца вентилятора НК-12КВ показал необходимость доработки его конструкции с целью улучшения аэродинамических, гигиенических и эксплуатационных характеристик. Следует отметить, что в выполненных В.И. Шайдаковым исследованиях системы «винт-насадок», имеются неточности, приведшие к ошибочным выводам. В связи с этим возникла необходимость в дополнительных теоретических исследованиях качеств системы «винт-насадок», излагаемых ниже.

Определяющим фактором, входящим во все расчетные интегральные формулы, является разность давлений в любой точке эквипотенциальных поверхностей кольца:

(8)

где: pa - атмосферное давление, Па; pк - давление на поверхности кольца, Па; - плотность воздуха, кг/м3; dS - элемент дуги, на радиусе R; Vк - средняя скорость по поверхности равного потенциала, проходящей по поверхности кольца, м/с.



Рис.1. К вычислению интеграла 2.

На рис.1 представлена расчетная схема для вычисления интеграла, входящего в формулу 8.

После перехода к безразмерным величинам

и интегрирования получим:

На основании уравнения неразрывности и интегрирования в системе сферических координат

-

В итоге имеем общее решение уравнения 8:

В интегральной форме тягу кольца можно представить в виде:

где: m=R2v1 - массовый расход воздуха в плоскости вращения винта, кг/с; К - коэффициент тяги винта.

После преобразований с переходом к новой переменной и интегрирования общее решение исходного уравнения для коэффициента тяги кольца представится в виде:

. (11)

В результате расчетов по формуле 11 установлено, что относительная ширина кольца=0,5 () является оптимальной Кmax=0,25 (рис.2). Для определения оптимальной глубины расположения винта в насадке необходимо учесть, что при любых , графики функции имеют точку перегиба при к=120. Наличие этой точки свидетельствует о зоне максимальной степени эжекции на поверхности кольца.

Исходя из тригонометрических соотношений (рис.3), оптимальная глубина расположения винта в насадке может быть определена по формуле:

(12)

При

Суммарная тяга системы «винт_насадок» составит:

.

При , т.е. на 25% больше тяги изолированного винта.

Положительный опыт эксплуатации карьерных вентиляторов-оросителей АИ-20КВ позволил реализовать идею создания мощных модульных вентиляторов на их базе. При компактном расположении модулей входные коллекторы насадков симметрично расположенных 4_х модулей необходимо профилировать с отклонением плоскости входа воздуха в коллектор от плоскости вращения винта на угол 20°. Отклонение плоскости входа коллектора позволяет обеспечить, не только компактность модулей и создаваемого потока струй, но и предотвратить ухудшения условий подтекания воздуха к винтам.

Кроме этих параметров для модуля вентилятора ВОКМ_4-2500 (рис.4) дано обоснование следующим конструктивным элементам: величине относительного зазора между концами лопастей и кожухом (); относительного расширения насадка относительной длины кожуха спрямляющего аппарата - из 6-ти лопаток с относительной шириной относительной ширины хорды конца лопасти

При проектировании кольца-насадка НК_12КВ_1М были рекомендованы следующие параметры: зазор между стенкой насадка и концом лопасти =0,0213 (s=50 мм); относительный радиус кольца насадка =0,212; ширина кольца =0,35; длина насадка =3,6; расстояние от средней плоскости вращения винтов до передней кромки кольца =0,68 (C=1,900 м). Несущественные отличия и от оптимальных значений были обусловлены конструктивными и эксплуатационными причинами.

Результаты сравнительных промышленных испытаний вентиляторов НК_12КВ (без кожуха) и НК_12_КВ_1М (с кожухом) показали, что выбранные геометрические параметры кожуха позволили значительно улучшить аэродинамические характеристики струй в начальном сечении. Так средняя скорость в начальном сечении струи увеличилась с 48 до 61 м/с, расход с 1160 до 1690 м3/с, профиль скорости стал более равномерным. По сравнению с идеальным винтом применение профилированного кожуха позволило увеличить к.п.д. в 1,3 раза.

При температурных инверсиях в атмосфере карьеров дальнобойность газовоздушных струй карьерных вентиляторов уменьшается и может оказаться недостаточной для воздействия на слои воздуха у дна карьера. В связи с этим определение рационального размещения установок относительно дна карьера следует производить с учетом температурной стратификации.

Расчет параметров неизотермических струй вентилятора можно производить по формуле, полученной Г.Н. Абрамовичем и А.А. Вершининым на основе теоремы о количестве движения тела переменной массы. Траектория оси струи описывается уравнением:

(13)

где: - безразмерные координаты траектории струи в вертикальной плоскости; d0 - диаметр струи в начальном сечении, м; - угол наклона струи в вертикальной плоскости (от горизонтали вниз <0, вверх >0), град.; Ar - критерий Архимеда.

Характер температурной стратификации воздуха в атмосфере карьера можно учесть для струй критерием Архимеда:

(14)

где: Тс - избыточная температура струи, К; g - ускорение свободного падения, м/с2; U0 - средняя скорость струи в начальном сечении струи м/с; Тh - температура воздуха в карьере на уровне размещения установки, К.

После подстановки значений параметров, определяющих критерий Архимеда, уравнение 13 приобретает вид:

(15)

где:

Из уравнения 15 определим координаты точки перегиба струи:

Точка пересечения оси струи с осью ОХ определяется из исходного уравнения при

Из анализа коэффициента В, входящего в расчет основных параметров траектории струи, можно установить, что при больших отрицательных значениях целесообразно выводить часть газов реактивного выхлопа. Это будет способствовать увеличению глубины проникновения струи в атмосферу, а также уменьшит ее токсичность. К примеру, при = -0,01 К/м и = -20 за счет вывода 50% газов струи реактивного выхлопа (Тг=377К) глубину проникновения струи можно увеличить в 1,8 раза (yП= -150 м).

При работе карьерных вентиляторов в динамическом режиме происходит искривление траекторий осей струй, которое оказывает существенное влияние на дальнобойность. Исследования параметров струй, перемещающихся в пространстве, производились на специальном стенде с применением графометрической обработки фотографий задымленных струй. При этом для имитатора вентилятора типа НК-12КВ скорость истечения струй из насадка изменялась в диапазоне U0=(2050) м/с при скоростях поступательного перемещения W=(0,10,8) м/с; угол атаки струи - между вектором скорости истечения воздуха в начальном сечении U и скоростью поступательного перемещения W - изменялся в интервале с шагом Д0= /12 (15).

Степень искривления траекторий осей струй, вытекающих из насадков имитаторов, d0=(420)10-3 м определялась при 0= /2 (90°) при Q0=10-3 м3/с. Скорость поступательного перемещения изменялась в интервале W=(0,10,5) м/с с шагом W=0,1 м/с.

В результате анализа экспериментальных данных была получена обобщенная эмпирическая формула траектории оси при поступательном перемещении струи:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где: W- скорость поступательного перемещения, м/с;U0 - средняя скорость воздуха в начальном сечении струи, м/с;а - коэффициент структуры струи; 0 - угол атаки струи, рад; - безразмерные координаты траектории. Результаты расчетов по ф.16 приведены на рис.5.

При 0 < /2 из 16 можно определить глубину проникновения струи по направлению О перемещения при условии:

,

и ординату точки с максимальной глубиной проникновения в направлении :

Абсцисса точки определится при подстановке в уравнение 16. Точка пересечения траектории оси струи, перемещающейся под углом с осью , определится из уравнения 16 при :

Глубину проникновения струи по оси определяем, исходя из условия Um=3 м/с.

В зависимости от отношения W/U0 оптимальный угол атаки перемещающейся струи находится в интервале . При этом определение точек изотахи Um=3 м/с на траекториях осей перемещающихся струй можно производить по формуле:

(17)

где: - безразмерная длина траектории оси струи.

Ввиду того, что дальнобойность струи , в практических расчетах для заданного отношения W/Uo значение опт можно определить по формуле:

(18)

При исследовании параметров струй, создаваемых имитаторами вентилятора НК-12КВ (d0=5,610-3 м), скорость истечения изменялась в диапазоне 20U050 м/с, а скорость углового перемещения 16 рад/с.

Для имитаторов d0=(4,8,12,16,20)10-3 м скорость углового перемещения изменялась в интервале 15 рад/с при Q0=10-3 м3/с.

На основании анализа экспериментального материала по методике было получено обобщенное эмпирическое уравнение траектории оси струи при угловом перемещении имитаторов вентиляторных установок:

, (19)

где:- скорость истечения струи в начальном сечении, м/с; - скорость углового перемещения имитатора, рад/с; а - коэффициент структуры струи; d0 - диаметр имитатора, м; полярные координаты точек траектории.

Значение функции, при котором струя превращается в след, т.е. , определится из уравнения:

(20)

Откуда:

После подстановки i в 19 получим:

Анализ результатов исследований параметров струй при угловом перемещении свидетельствует о том, что в зависимости от места расположения установок целесообразно изменять режим работы авиадвигателей. Расчетами было установлено, что при =90 обеспечивается эффективный искусственный воздухообмен Центрального карьера комбината "Ураласбест" в интервале скорости углового перемещения 10-3 H 510-3 рад/с на режиме работы авиадвигателя HK-I2KB 0,7 номинала (Uо= 40 м/с). Для обеспечения условий формирования струй в этом интервале H необходимо, чтобы min 7/45 (рис. 6а). При работе двигателя вентилятора на режиме 0,85 номинала (Uo = 50 м/с) обеспечивается проветривание карьера с =108, 10-3 H 610-3 рад/с, min 5/36 (рис. 6б).

Аналогичные расчёты можно произвести для других средств искусственного воздухообмена, создающих изотермические струи.

С учетом экономико-экологического фактора и многообразия параметров карьеров к средствам общеобменной искусственной вентиляции должны предъявляться следующие основные требования: максимальная начальная производительность и дальнобойность струй; высокая надежность и экономичность; соответствие гигиенических характеристик санитарным нормам; оснащённость устройствами для активного подавления вредных примесей в атмосфере карьера; широкий диапазон изменения ориентации струй в процессе пылегазоподавления.

На основании выполненных исследований и опыта промышленных испытаний различных средств вентиляции и пылегазоподавления предложен типажный ряд карьерных вентиляторов, адаптированный к условиям открытых горных работ: мобильные вентиляторы - оросители многоцелевого назначения с дизельным и дизель-электрическим приводом; мобильные вентиляторы с дизель-электрическим приводом на базе вертолетных винтов со складывающимися лопастями ( вертолеты серии "Ка" ) для проветривания воронкообразных карьеров и застойных зон восходящими вертикальными и наклонными струями; передвижные вентиляторы большой производительности (Qc = 10000-12000 м3/с) на базе несущих вертолетных винтов с электрическим и газотурбинным приводом; передвижные вентиляторы-оросители на базе ТВД. Вентиляторы на базе несущих винтов вертолетов должны комплектоваться воздухоочистительными экранами, устанавливаемыми со стороны подсоса воздуха под винт.

Технические характеристики карьерных вентиляторов, входящих в рекомендуемый типажный ряд, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики карьерных вентиляторов

Показатель	УМП- -1А (Б)	ВОКМ -1(2) -300	УМП-14	УМП- 21	АВК- -35/Э	ВК -2000	АИ-20КВ	НК-12KB	ВОКМ -4-2500
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Движитель воздуха	Авиационные винты	Несущие вертолетные винты серии «Ми» и «Ка»	Турбовинтовые двигатели
Диаметр винта, м	3,6	3,6 (2х2,5)	14,5	21	35	15,74	4,5	5,6	9
Тип привода	Дизельный	Дизель- электр.	Электрический	Газотурбин. электр.	Дизель- электр.	Газотурбинный
Мощность привода, кВт	368	600	320	1000	2х4050 /8000	600	2550-3000	9400-11000	10200-12050
Средняя скорость воздуха в начальном сечении струи, м/с	24	24	7,2	8,15	12,6	10,3	40	61	40
Начальный расход воздуха, м3/с	240	300	1050	2520	11000-12000	2000	640	1680	2500
Дальнобойность струи в равновесной атмосфере до сечения со средней скоростью 0.6 м/с	180	250	200	250	640	230	320	520	600
Высота подъема вертикальной струи в устойчивой атмосфере при температурном градиенте = +0,5 -5	-	-	290-150	374-200	600-329	300-170	270-170	450-265	600-300
Базовое транспортное основание	БелАЗ- 548	БелАЗ -7519	Ходовая тележка бурового станка	Ходовая тележка ЭКГ-8И	БелАЗ-7519	Шасси авт. КрАЗ спец. Изгот	Ходовая тележка ЭКГ-4,6	Ходовая тележка ЭКГ-8И
Назначение	Универсальные установки местного проветривания	Вентиляторы для создания вертикальных и наклонных струй	Вентиляторы -воздухоочистители для создания вертикальных и наклонных струй	Вентиляторы -оросители - генераторы осадков
Состояние работ	Серийное производ-ство	Рабочие чертежи	Опытные образцы	Рабочие чертежи	Эскизный проект	Промышленные образцы	Рабочие чертежи

3. Теоретические и экспериментальные исследования процессов генерирования и переноса осадков воздушно_газовыми струями карьерных вентиляторов

Значительные объемы выработанного пространства карьеров (>108 м3) потребовали разработки мощных средств подавления вредных примесей, выделяющихся в атмосферу при работе технологического комплекса.

При гидрообеспыливании загрязненной атмосферы карьеров необходимо применение эффективных способов распыления воды или водных растворов для обеспечения достаточной дальности переноса осадков.

Большая кинетическая энергия газов реактивной струи ТВД позволила отказаться от существующих способов распыления жидкости (дисковые, электростатические, акустические, центробежно_форсуночные), отличающиеся конструктивной сложностью и низкой производительностью.

В основу устройств для генерирования и переноса осадков карьерными вентиляторами был положен пневматический способ распыления воды и водных растворов. При этом распыление (дробление) жидкости производится за счет энергии газов высокоскоростной реактивной струи, а перенос спутной воздушногазовой струей.

Процесс пневматического распыления жидкости достаточно сложен, и его механизм еще полностью не исследован. Ряд исследователей, занимавшихся изучением этого процесса, отмечает, что в ходе дробления жидкой струи под действием газового потока можно выделить три стадии.

В первый момент на поверхности жидкости возникают небольшие возмущения в виде местных пульсаций. Под действием аэродинамических сил эти поверхности возмущения развиваются далее, и из жидкости начинают вытягиваться отдельные нити, которые распадаются затем под действием поверхностного натяжения.

Исследования производились путем измерения отпечатков при осаждении на пластинку, покрытую сажей по методике Стокера.

Промышленные испытания карьерных вентиляторов выявили несовершенство конструкций гидравличеких устройств, в связи с этим были разработаны новые водораспылительные гидравлические сопла. При относительных массовых расходах жидкости следует учитывать силы гравитационного оседания. В связи с этим при переносе струями карьерных вентиляторов жидких или твердых осадков, можно использовать законы баллистики. В частности, траекторию оси струи можно описать системой параметрических уравнений:

(21)

где: х - абсцисса траектории оси, м; у - ордината траектории оси, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; б - угол наклона струи, в вертикальной плоскости, град.; t - время, с; hУ - высота расположения генератора осадков от дна карьера, м; Vo - скорость в начальном сечении струи, м/с.

После исключения параметра получим уравнение траектории оси струи:

(22)

Абсцисса оси струи, при которой высота подъема (ордината) максимальна, определяется после дифференцирования уравнения 22:

аэрогазодинамический тепломассообменный карьер загрязнение

(23)

После подстановки 23 в 22 получим максимальную высоту подъема струи относительно дна карьера: . (24)

Максимальная дальность переноса осадков из уравнения 22 при у = 0:

Площадь карьера, обрабатываемая одним генератором осадков, определится по условию:

.

В результате расчетов установлено, что при б=20о, = 45о, hy = 100 м, Vo= 60 м/с максимальная высота подъема осадков от уровня дна карьера составляет 120 м, Хmax = 370 м, объем обрабатываемой зоны V3 = 15106 м3, площадь обрабатываемой зоны 107000 м2. При тех же условиях, но при угле наклона генератора осадков б = 45о дальность переноса возрастает на 20 %, высота подъема осадков и площадь обрабатываемой зоны увеличиваются на 60 %, а объем обрабатываемой зоны достигает 32106 м3.

Анализ экспериментальных и теоретических данных о процессах естественного образования осадков, а также выполненных ранее экспериментов и визуальных наблюдений по искусственному генерированию и переносу осадков с помощью газовоздушных струй карьерных вентиляторов НК_12КВ и АИ_20КВ, позволяет предложить следующую теоретическую модель процессов искусственного образования и переноса осадков.

На начальном участке струи вентилятора перенос образующейся в процессе распыления капельной смеси осуществляется за счет кинетической энергии реактивной составляющей струи, при этом смесь движется в четко локализованном конусе реактивных газов. Для этого участка струи характерны очень большие, недостижимые в обычных природных условиях скорости тепло_ и массообмена. Граница начального участка зависит от секундного массового расхода и температуры нагнетаемой жидкости. Для вентиляторов на базе ТВД размеры активной, начальной части струи составляют примерно 5_6 калибров. При движении капель жидкости в струе реактивных газов интенсивность теплообмена , в частности процесса испарения и насыщения смеси паром, на один-два порядка больше, чем на основном участке. Связано это с тем, что взаимодействие жидкости с высокотемпературной (tR 320C) высокоскоростной струей газов вызывает весьма интенсивное нагревание и испарение образовавшихся капель жидкости. Если расход жидкости достаточно велик, то смесь жидких капель и пара уже в конце начального участка оказывается в состоянии перенасыщения водяным паром. Температура перенасыщенной смеси определяется секундным расходом и температурой подаваемой жидкости. При этом температура капельной смеси будет всегда выше температуры жидкости, но меньше температуры кипения воды при данном давлении.

Из уравнения тепломассообмена между нагнетаемой жидкостью и водо_газовоздушными компонентами струи на основном участке переноса определится температура жидкости, обеспечивающая работу вентилятора в режиме генерирования твердых осадков:

. (26)

где: - соответственно секундный массовый расход реактивных газов, жидкости, образующегося водяного пара, вовлекаемого в водяной конус струи воздуха, (кг/с); - соответственно удельные теплоемкости газа, жидкости пара и воздуха (Дж/кг К); - удельная теплота парообразования воды (Дж/К); - температура газов, жидкости, воздуха и равновесной насыщенной паром капельной смеси (С); - зависимость упругости насыщения пара от температуры и атмосферного давления.

Экспериментальные наблюдения показали, что угол раскрытия газо-водяного конуса зависит в основном от массового расхода и температуры вводимой в струю жидкости. Угол раскрытия конуса в спутном воздушном потоке составляет 10-12, а масса вовлекаемого в него воздуха - 35-40% от массового расхода воздуха в начальном сечении струи.

Таким образом

.

Из условия, что максимальный секундный расход воды составляет 100 кг/с, , а , по формуле 26 находим: . Это соотношение определяет предельно допустимую температуру жидкости при ее максимальном расходе и заданной температуре окружающего воздуха, когда вентилятор может эффективно работать в режиме генерирования твердых осадков: температура капельной смеси в конусе струи вентилятора . В этом случае подавляющая часть капель, выпадающая из струи, будет охлаждена до 0С, а мелкие капли будут выпадать в виде ледяных частиц. Для того, чтобы процессы кристаллизации, формирования и роста снежинок полностью завершились, необходимо, чтобы время свободного падения переохлажденных капель превышало время их кристаллизации. На основании расчетов установлено, что повышение температуры воздуха на 1,5-2oC в объеме интенсивного выпадения твердых осадков порождает восходящий поток, выносящий связанные и нейтрализованные вредные примеси из атмосферы карьера. Кроме того, встречный восходящий поток уменьшает среднюю скорость падения осадков, т.е. увеличивает время контакта, а значит и вероятность захвата вредностей.

Из общего выражения 26 получаем:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Это соотношение определяет секундный массовый расход жидкости для заданной температуры воздуха (tw) и жидкости (tg), обеспечивающий работу вентиляторов в режиме генерирования твердых осадков. Подставляя численные значения постоянных параметров системы, находим условия:

.

Наблюдения показали, что в ряде случаев даже при неработающем оборудовании происходит загрязнение атмосферы карьеров пылью, которое увеличивается по мере возрастания скорости ветра.

Предотвращение срыва пыли с поверхности земли может быть достигнуто путем поддержания ее влажности в нужных пределах или укрепления связующими составами. Наиболее приемлемым закрепителем является битумная эмульсия 50-60%-ной концентрации с удельным расходом битума 0,5_0,6 кг/м2. Обладая хорошей устойчивостью против ветровой эрозии (при скоростях ветра до 15 м/с) и способностью восстанавливать свои первоначальные свойства после увлажнения поверхности, эмульсия образует на поверхности устойчивую пленку. Результаты проведенных экспериментов на карьерах ССГОКа позволили сделать вывод о целесообразности использования мобильных установок типа АИ-20КВ для укрепления откосов отвалов из песчаных и глинистых грунтов с помощью различных химических реагентов, а также для гидропосева семян трав с одновременным внесением минеральных удобрений и связующих эмульсий.