Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Анализ влияния источников пыли горных предприятий на окружающую среду и способов борьбы с пылевыделением 9
1.1 .Источники образования и выделения пыли на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях 9
1.2.Влияние пыли на окружающую среду 18
1.3.Влияние пыли на организм и здоровье человека 35
1.4. Роль пылящих поверхностей в загрязнении окружающей среды и влиянии на живую природу 45
Выводы к главе 1 56
ГЛАВА 2 . Методы прогноза и управления пылевыделением пылящих поверхностей
2.1.Анализ методик прогноза загрязнения атмосферного воздуха пылью 57
2.2.Анализ способов борьбы с пылевыделением и пылепереносом на горных предприятиях 54
2.3 .Влияние крупности дисперсных материалов на аэрационные свойства и эффективность способов связывания 83
Выводы к главе 2 96
ГЛАВА 3 . Исследование аэродинамических свойств аэрозолей и аэрогелей пылящих поверхностей при связывании биоактивными клеящими веществами 98
3.1 .Применение биопродуктивных клеящих веществ 98
3.2 Методика исследования аэродинамических свойств аэрозолей и аэрогелей пылящих поверхностей 102
3.3.Моделирование аэродинамических процессов пылепереноса 110
ЗАОценка эффективности методов управления процессами пылепереноса 122
3.5.Рекомендации по выбору параметров управления процессами пылеподавления 134
Выводы к главе 3 139
ГЛАВА 4. Разработка и оценка эффективности систем пылеподавления с биоактивными добавка 141
4.1.Выбор параметров и разработка конструкции системы пылеподавления 141
4.2.Исследования биопродуктивности и выбор рациональных параметров технологии биопродуктивного пылеподавления 151
4.3 .Экономическая оценка технологии 163
Выводы к главе 4 169
Заключение 171
Список литературы 174
Приложения 185
- .Источники образования и выделения пыли на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях
- Роль пылящих поверхностей в загрязнении окружающей среды и влиянии на живую природу
- .Влияние крупности дисперсных материалов на аэрационные свойства и эффективность способов связывания
- Методика исследования аэродинамических свойств аэрозолей и аэрогелей пылящих поверхностей
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсификация процессов добычи и переработки минерального сырья, характерная для современного развития горного производства, связана с весьма значительным загрязнением окружающей среды, в частности, атмосферного воздуха пылью.
Наибольший вклад в загрязнение атмосферы выбросами пыли вносят неорганизованные открытые источники пылевыделения, основными из которых являются пылящие поверхности техногенных массивов (80 %). В настоящее время только в России извлечено из недр и находится в отвалах и хвостохранилищах около 500 млрд. м3 горных пород и отходов переработки полезных ископаемых.
Техногенные массивы характеризуются большими площадями и нарушенной поверхностью, на которой под воздействием атмосферных условий происходят процессы пылеобразования (в сутки с 1 га — от 2 до 5 т пыли), способствующие распространению пыли на большие расстояния. По данным исследований установлено, что при привнесенном количестве пыли более 58 кг в месяц на 1 га, наблюдается эффект угнетения жизнедеятельности большинства растений и животных этого района.
Наиболее перспективным и актуальным решением проблемы снижения пылевой нагрузки на окружающую среду при добыче и переработке минерального сырья является совершенствование способов закрепления пылящих поверхностей техногенных массивов.
Ведущими центрами по проблеме борьбы с пылью и биологической рекультивации являются ИГД имени А.А. Скочинского, ИПКОН РАН, МГГУ (г. Москва), НИИОГР (г. Челябинск), Карагандинский ботсад, (г. Караганда), ВНИИОСуголь (г.Пермь), ЗабНИИ (г.Чита). Большой вклад в решении этих проблем внесли исследования многих ученых России, в том числе: Е.Т. Воронова, Е.Н. Браунер, А.Б. Зезина, СВ. Михейкина, В.П. Мязина, А.Н. Скопина, К.З. Ушакова, О.Н. Русака, В.Ф. Офицерова, Ю.В. Шувалова и
5 др. Существующие способы предотвращения пыления основаны либо на закреплении пылящих поверхностей с помощью экологически вредных химических веществ, либо на проведении биологической рекультивации. Тем не менее, несмотря на большой объем и достигнутые успехи исследований, до настоящего времени комплексного экологически безопасного и биологически продуктивного метода обеспыливания не существует.
Цель работы - снижение нагрузки и влияния на окружающую среду пылящих поверхностей при добыче и переработке минерального сырья на основе разработки новых способов пылеподавления.
Основная идея работы: для закрепления пылящих поверхностей техногенных массивов целесообразно использовать органическое, экологически чистое биоактивное вещество на основе сапропеля с помощью разработанной модульной установки для связывания пыли.
Основные задачи работы:
- анализ и оценка источников образования и выделения пыли на территории
горных предприятий, их влияния на окружающую среду и здоровье человека;
установление основных факторов, влияющих на интенсивность пылеобразования и анализ способов борьбы с пылевыделением и пылепереносом на горных предприятиях;
исследование связующих и биопродуктивных свойств природного полимера - сапропеля по механической прочности получаемых на его основе образцов и показателям всхожести и роста растений;
анализ и оценка состояния окружающей среды после укрепления связующим веществом пылящих поверхностей и определение влияния клеящих добавок на физико-механические свойства рыхлых поверхностных отложений;
разработка схемы установки для связывания пыли и обоснование механической и биопродуктивной эффективности системы пылеподавления.
Научная новизна работы
- установлены закономерности интенсивности выделения и
распределения пыли в зависимости от скорости движения воздуха, площади пылящей поверхности и характера пылевых частиц;
- установлено, что органическое связующее на основе сапропеля обеспечивает снижение сноса пыли и повышение биопродуктивности укрепленной поверхности, зависящее от содержания сапропеля в растворе и толщины слоя.
Основные защищаемые положения:
Основными источниками пылевыделения, оказывающими негативное воздействие на окружающую среду при открытой разработке месторождений и складировании отходов, являются стационарные и техногенные нестационарные площадные массивы, интенсивность пылеобразования которых определяется объемами отбиваемых, транспортируемых и перемещаемых пород, площадью поверхности, скоростью ветра, гранулометрическим составом и плотностью пыли в виде степенно-показательных зависимостей.
Снижение пылевой нагрузки на окружающую среду обеспечивается связыванием частиц пыли в процессе пылеобразования путем добавления к мокрым средствам пылеподавления клеящего материала на основе органического, экологически чистого вещества — сапропеля, обладающего биоактивными свойствами и обеспечивающего образование упрочненного биопродуктивного слоя на больших территориях.
Для реализации разработанного способа пылеподавления целесообразно использовать усовершенствованную модель установки для связывания аэрозолей и аэрогелей пыли (на основе снегогенератора), режим эксплуатации которой определяется климатическими параметрами, а область эффективного применения находится в пределах ветровой нагрузки до 8-10 м/с.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего системный анализ проблемы на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; лабораторные и натурные методы изучения условий формирования
7 потоков пыли на пылящих поверхностях; микроскопический, седиментационный, ситовой анализы дисперсности материала; физико-механическую оценку свойств получаемого покрытия; промышленные испытания разработанных природоохранных мероприятий. Для математической обработки данных использовались современные стандартные пакеты компьютерных программ (MS-Excel, MS-Access, Statistica for Windows и др.)
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований состояния окружающей среды в районах пылящих поверхностей, высокой сходимостью численных расчетов с данными инструментальных и опытно-промышленных исследований, результатами внедрения на Афанасьевском карьере цементного сырья основных рекомендаций по закреплению пылящих поверхностей.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
установлены количественные зависимости для оценки содержания пыли в районе расположения техногенных массивов;
разработана методика и практические рекомендации по защите окружающей среды от воздействия пылящих массивов;
предложены способ и средства связывания пыли биопродуктивным природным материалом;
разработан комплексный метод борьбы с пылью, сдуваемой с поверхности техногенных массивов, для улучшения экологической обстановки на объектах горной промышленности.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13 международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2003 г., 2004 г.), Международном молодежном научном конгрессе «Молодежь. Наука.
8 Общество» (Москва, 2003 г.), IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО - Наука 2003» (Москва, 2003 г.), на научных конференциях МГГУ «Неделя горняка» (Москва, 2003 г., 2004 г., 2005 г.) и были отмечены сертификатами, дипломами, серебряными и бронзовыми медалями.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе: 8 научных статьях и 4 тезисах докладов на научно-практических конференциях. Получен патент на изобретение № 2230997 от 25.04.2003 г. «Установка для связывания пыли».
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 184 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 39 таблиц и список литературы из 138 наименований, 7 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, профессору, доктору технических наук Ю.В. Шувалову за идею, которая послужила основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку, оказываемые в процессе выполнения работы, директору Афанасьевского карьера к.т.н. А.П. Бульбашеву за помощь в проведении исследований и их реализации на карьере.
.Источники образования и выделения пыли на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях
По оценкам специалистов мировое потребление минерального сырья достигло около 12 млрд. т в год, а извлечение горных пород из недр ежегодно составляет около 100 млрд.т [39, 50]. В целом по России добыча угля составляет 259,9 млн.т (по данным Минэнерго России и «Росинформугля»), металлических руд — 230 млн.т, стройматериалов — 1,4 млрд.т. Одновременно с увеличением масштабов добычи и переработки минерального сырья наблюдается рост мощности единичного горного производства, под которым понимается концентрация добычи и переработки сырья в отдельных горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях. Общий рост добычи и мощности добывающих предприятий вызывают рост отрицательного воздействия горнодобывающего и перерабатывающего производства на окружающую среду. При этом следует иметь в виду, что в связи с истощением запасов богатого минерального сырья, возрастают объемы добываемой горной массы и количество отходов переработки минерального сырья. В результате происходит образование техногенных массивов, представленных горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами [88] (рис. 1.1). В настоящее время только в России извлечено из недр и находится в отвалах и хвостохранилищах около 500 млрд. м3 горных пород и отходов переработки полезных ископаемых.
Примером может служить производство чугуна и стали, при котором все технологические процессы сопровождаются большим количеством отходов в виде шлаков, которые становятся источником пыления в атмосферу, проникают в гидросферу и литосферу [64]. Для производства 1 т чугуна нужно извлекать из недр 100 т руды и практически те же 100 т складировать в виде отходов в шлакоотвалы. На сегодняшний день в них накоплено около 500 млн. т шлаков, к которым ежегодно добавляется около 80 млн, т [39], Ветры разносят образующуюся при их хранении пыль, усугубляя экологическую обстановку в городах и регионах.. Формирование техногенных массивов при производстве горных работ
В районах добычи угля наблюдается аналогичная картина. Только в Воркутинском промышленном районе от деятельности шахт и обогатительных фабрик образовано 28 отвалов и золоотстойников содержащих 24414,6 тыс. м3 породы и более 9 млн. т. золошлаков (3 класс опасности), соответственно, которые представлены кусковатой или мелкодисперсной массой. Даже такие горные производства, как карьеры и дробильные фабрики строительного камня (диабаз, гранит, песчаник, известняк и др.) дают до 20 % отсева, не используемого, а складируемого на поверхности. До 40-60 % этого материала составляет пыль с размерами частиц не более 1 мм. Материалы исследований [39] позволяют утверждать, что в районе размещения горных предприятий, и особенно в районах размещения техногенных массивов (отвалов), в результате массовых выбросов пыли в окружающую среду складывается неблагоприятная экологическая обстановка, имеющая тенденцию к дальнейшему ухудшению, вследствие наращивания производственных мощностей, не подкрепленных эффективными мерами, направленными на снижение пылевых выбросов. Выход из сложившегося положения необходимо искать путем разработки на горнодобывающем и перерабатывающем предприятии новых способов пылеподавления, так как по количеству выбрасываемых веществ в окружающую среду пыль является основным загрязнителем, наряду с оксидом углерода (рис. 1.2). Углеводороды Выбросы NO, Выбросы СО Выбросы SOa Выбросы ныли Прочие 30,4 Рис.1.2. Динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по России Различным аспектам борьбы с загрязнением окружающей среды пылью при добыче и переработке минерального сырья посвящены исследования ученых СНГ и зарубежных стран. К наиболее значимым из них следует отнести работы П.В. Бересневича [10], Н.З. Битколова [13], А.Б. Зезина [40, 68, 138], В.Б.Комарова [51], СВ. Михейкина [68], В.С.Никитина [74, 75], М.Т. Осодоева [1, 2, 78], К.З.Ушакова [120], П.Ч. Чулакова [125, 126], Ю.В. Шувалова [1,2, 128] и многих других. Природные и антропогенные источники аэрозолей (рис. 1.3) являются одним из наиболее крупных и специфических загрязнителей практически всех компонентов, составляющих биосферу, высокая концентрация которых наносит вред здоровью людей, лесным массивам, сельскому хозяйству и др. Основные источники загрязнения атмосферы при добыче и переработке минерального сырья выбросами пыли [20, 35, 45, 82, 117] показаны нарис.1.4. Практически все производственные операции, выполняемые на карьерах: взрывные работы (прил.1, рис.1), бурение, экскавация (прил.1, рис.2), транспортирование горной массы (прил.1, рис.3), складирование (прил. 1, рис.4), сопровождаются пылеобразованием (рис. 1.5) (табл. 1.1). Процессы бурения в карьерах относятся к практически непрерывным и
Основные источники загрязнения атмосферы пылью на горных предприятиях интенсивным источникам пыл евы деления. Мощные выбросы пыли происходят при массовых взрывах (100-250 т). Пылевое облако при массовом взрыве выбрасывается на высоту 150-300 м, в своем развитии оно может достигать высоты 16 км и распространяться по направлению ветра на значительные расстояния (10-14 км). Транспортирование горной массы 3 1,0 -52 20 52 1,5 31 46 200 Значительным пылевыделением сопровождается транспортировка горной массы в карьерах, особенно велико оно при использовании автомобилей (в угольном карьере - 3000-4000 мг/с, в рудном - 600-1200 мг/с). В угольных шахтах наибольшее количество пыли образуется при выемке угля и проведении выработок. Наиболее интенсивно пыль образуется при работе очистных и проходческих комбайнов, на долю которых приходится 90-95 % всей пыли, образующейся при проведении горных работ. Исследованиями установлено, что общее количество пыли, содержащееся в разрушенном угле, складывается из вновь образованных частиц и частиц, находящихся в пустотах и трещинах пласта.
Роль пылящих поверхностей в загрязнении окружающей среды и влиянии на живую природу
Работы по определению уровня воздействия техногенных массивов на здоровье проживающего в районах их расположения населения проводились в Оренбургской области г.Новотроицка, на территории шлаковых отвалов. В зоне техногенного воздействия отвалов располагается населенный пункт (3000 человек). Обследование населения показало, что среди жителей регистрируется патология органов дыхания аллергического происхождения: 65 случаев на 100 обследуемых, тогда как в фоновом районе, расположенном в 20 км от отвалов, всего 15 случаев.
Таким образом, в зоне воздействия техногенных массивов наблюдается ухудшение показателей здоровья населения: снижение продолжительности жизни, увеличение заболеваемости (особенно органов дыхания у детей), врожденных патологий. В тоже время количественная оценка воздействия техногенных массивов на здоровье населения, как правило, затруднена вследствие их расположения на территориях промышленных предприятий, в свою очередь влияющих на показатели здоровья населения. Роль пылящих поверхностей в загрязнении окружающей среды и влияние на живую природу
При добыче и переработке полезных ископаемых образуются большие площади нарушенных земель. По приближенным расчетам общая площадь земель России, нарушенных горными работами в результате добычи угля, составляет более 190 тыс. га, при добыче черных и цветных руд — около 350 тыс. га, при разработке строительных горных пород — более 290 тыс. га. Основная доля нарушенных земель (до 90 %) приходится на горные выработки, внешние породные отвалы, шлакоотвалы, хвосто- и шламохранилища (прил.1, рис.18).
В контурных горных отводах ЛГОКа, СГОКа, МГОКа железорудных карьеров в настоящее время заскладировано порядка 2500 млн.м3 пород нарушенной структуры и около 900 млн.м отходов обогащения, в результате чего в зоне прямого нарушения земель сформировался техногенный рельеф. Косвенные нарушения окружающей среды под действием ветровой эрозии проявляются в радиусе до 40 км от центра складирования техногенных образований [26].
При соответствующих метеорологических условиях эти площади подвергаются ветровой эрозии и становятся интенсивными источниками пыли, так как в них практически не содержатся частицы крупнее 2 мм. К таким площадям относятся техногенные массивы. Их классифицируют [89] как техногенные массивы, т.е. геологические тела техногенного происхождения, представленные горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами. Наиболее интенсивное образование техногенных массивов связано, в первую очередь, с разработкой месторождений полезных ископаемых и последующей переработкой извлекаемого минерального сырья. Согласно существующим технологиям переработки полезных ископаемых, от 30 до 70 % исходного сырья уходит в отвалы [114].
В зависимости от вида образования различают техногенные массивы (рис. 1.22): насыпные (прил.1, рис.19), намывные (прил.1, рис.20) и техногенные наносы (прил.1, рис.21) [88]. Одно из наиболее опасных последствий воздействия техногенных массивов -загрязнение воздушного бассейна и возможное изменение геохимического баланса региона под действием пылевых выбросов. Академик В.И. Вернадский полагал, что между живой и неживой природой существует постоянное динамическое равновесие, нарушение которого может привести к непоправимым последствиям. Для нормального функционирования живых организмов (человека, животных, растений) необходимы, по крайней мере, 100 элементов, которые контролируют разнообразные биохимические реакции, оказывают влияние на ход и направленность физиологических процессов. Содержание большинства из этих элементов в организмах ничтожно (10" % и ниже). Однако, даже незначительное снижение или повышение их концентрации, по сравнению с физиологически необходимым уровнем, может способствовать развитию различных патологических процессов [91]. Кроме того, активное образование техногенных массивов приводит к загрязнению окружающей среды чуждыми для ее естественного состояния веществами, воздействие которых наносит, в конечном счете, непоправимый вред живым организмам. Например, известно, что заболеваемость населения в районах с незащищенными пылящими поверхностями отвалов и хвостохранилищ в 1,5 раза выше, чем в зонах, где они отсутствуют.
Анализ результатов исследований в различных областях науки показывает, что в качестве критериев оценки степени воздействия пылевых выбросов техногенных массивов на окружающую среду могут быть использованы: - темпы пылевого загрязнения земель; - изменение геохимического баланса почвы; - ухудшение здоровья населения; - состояние растительности. Воздействие техногенных массивов на атмосферный воздух заключается в пылесдувании с поверхности отвалов, терриконов и других хранилищ отходов. Движение воздушного потока представляет собой активный процесс, аналогичный ветровой эрозии песков в пустынях, или при отсутствии растительности, так как, в основном техногенные массивы образованы тонкодисперсным материалом. Измерения концентрации пыли в районе расположения хвостохранилищ, показали, что запыленность воздуха при средней скорости ветра 7-8 м/с, на расстоянии 100 м от хвостохранилища составила 30,1-137,0 г/м3, при скорости ветра 2 м/с (с порывами до 5 м/с) и на расстоянии 1000 м - 1,1-6,1 мг/м3 (табл. 1.11). Образование отвальных массивов на дневной поверхности создает благоприятные условия для проявления более интенсивной ветровой эрозии и, как следствие, ведет к значительному запылению прилегающих территорий и угнетению растительности (табл. 1.12, 1.13). С поверхности хвостохранилища Приморского края (Дальнегорский район) площадью 1000 га, порыв ветра может снести около 60 тыс.м3 песков (по данным И.А. Турчанинова) Исследованиями [51] показано, что в сутки с 1 га незащищенной поверхности отвала может быть унесено от 2 до 5 т пыли. При этом установлено, что если привнесенное количество пыли превысит 58 кг в месяц на 1 га, то наступит эффект угнетения всей жизнедеятельности растений и животных этой местности. При мощности же слоя осевшей пыли в 4-5 см отмечается полная гибель всходов сельскохозяйственных культур.
.Влияние крупности дисперсных материалов на аэрационные свойства и эффективность способов связывания
Изучение свойств дисперсных материалов позволило выявить среди них те, которые влияют на аэрацию пылевых частиц. Основными из них являются: дисперсность, плотность частиц и форма пылинок. Закономерности распространения пыли могут быть выяснены только с учетом особенностей движения атмосферных потоков. Частицы пыли находятся под действием динамического давления воздушного потока и силы тяжести, действующих во взаимно противоположных направлениях. При равенстве этих сил частицы пыли данного диаметра не выпадают и не выносятся из потока, а продолжают парить или витать в воздухе. Скорость потока, при которой частицы витают в воздухе, называется скоростью витания. При падении частицы под действием силы тяжести воздушная среда оказывает сопротивление ее движению. Было установлено, что начальная скорость движения частиц самых крупных фракций ( 400 мкм) составляет 4,5 м/с, а для мелких (0-400 мкм) - 3,0 м/с. В большинстве случаев порывы ветра превышают указанные скорости, в связи, с чем на пылящих поверхностях техногенных массивов аккумуляция частиц крупных фракций не происходит и процесс сдувания пыли не прекращается.
Дисперсность пыли во многом определяет характер ее распространения. Наблюдается закономерное изменение дисперсного состава по направлению движения пылевого облака. При этом содержание пыли размером 75 мкм и более с удалением от источника уменьшается. На рис.2.6 показана зависимость средневзвешенного диаметра осажденной пыли от расстояния до источника пылевыделения. Значение средневзвешенного диаметра частиц с удалением от источника пылевыделения уменьшается, то есть более мелкая пыль (менее 2 мкм) переносится на довольно значительные расстояния. Помимо этого установлено наличие коагуляции мелких частиц в более крупные.
Эффективность образования эрозионного аэрозоля зависит от скорости ветра в приповерхностном слое (прил.5, рис.б, 7). Пороговая скорость связана с массой и размером изначально покоящихся частиц материала: Зависимость средневзвешенного диаметра осажденной пыли от расстояния до источника пылевыделения До последнего времени считалось, что нижним пределом частиц эрозионного происхождения является диаметр 0,5 мкм. Но лабораторные исследования последних лет показали, что предел размеров частиц, образованных при механических процессах, может быть значительно ниже и изменяется от 10 нм до 0,4 мкм. Так, например, при пересыпании песка в атмосферу могут попадать частицы размером 0,4 мкм и больше. Анализ песчинок с помощью сканирующего электронного микроскопа показал, что на их поверхности в адсорбированном состоянии находятся частицы 0,4 мкм, удерживаемые на ней силами Ван-дер-Ваальса. В свою очередь, эти частицы имеют атмосферное происхождение.
Большой интерес представляет форма пылинок и степень их твердости. Пылинки даже однородного состава имеют крайне разнообразные формы. Форма пылинок существенно влияет на скорость осаждения их из воздуха. При прочих равных условиях плоские частицы неправильной формы удерживаются во взвешенном состоянии значительно дольше, чем шарообразные. Частицы кубообразной формы в большей степени способны к агрегированию, чем частицы пластинчатой формы, так как скорость агрегации пылевых частиц быстро возрастает с уменьшением их среднего диаметра и с увеличением полидисперсности.
Повышение крупности сыпучих материалов возможно в результате процесса слипания или слияния аэрозольных частиц при соприкосновении друг с другом, то есть коагуляции аэрозолей. При движении частиц в воздухе происходит их столкновение, при этом отдельные частицы высокодисперсной пыли соединяются (коагулируют) в более крупные частицы. Сближение частиц, приводящее к их столкновению, может быть самопроизвольным (самопроизвольная коагуляция) и вынужденным (вынужденная коагуляция). Самопроизвольная коагуляция может быть обусловлена одним лишь тепловым (броуновским) движением частиц (тепловая или броуновская коагуляция) или одними лишь электрическими силами, действующими между заряженными частицами при отсутствии внешнего электрического поля (самопроизвольная электрическая коагуляция). В некоторых случаях упорядоченное движение частиц может быть настолько сильным, что оно будет определять скорость коагуляции. Поэтому тепловую коагуляцию можно назвать самопроизвольной, а в остальных случаях вынужденной, за исключением коагуляции заряженных частиц, которые всегда присутствуют в атмосфере. В теории коагуляции частиц принято считать, что частицы слипаются (сливаются) при каждом соприкосновении. Это предположение справедливо для большинства не очень крупных частиц. Теория тепловой (броуновской) коагуляции была разработана Смолуховским. Вынужденная коагуляция обусловлена внешними силами, действующими на частицы высокодисперсной пыли. К ней относится ультразвуковая, аэродинамическая, турбулентная и вынужденная электростатическая коагуляции, обусловленные действием внешнего электрического ПОЛЯ. При пылеподавлении пылевого облака водой возможна кинематическая, гравитационная и броуновская коагуляция мелкодисперсных частиц пыли с помощью диспергирования жидкости форсунками. При пылеподавлении насыщенным паром, которое может осуществляться туманообразователями, происходит его конденсация на частицах пыли, что приводит к их утяжелению и выпадению из воздушного потока, а также препятствует взметыванию пылевых аэрогелей. Эффективность смачивания и коагуляция мелкодисперсных частиц пыли может быть повышена путем применения гидроакустических оросителей и добавления к воде поверхностно-активных веществ.
Методика исследования аэродинамических свойств аэрозолей и аэрогелей пылящих поверхностей
На территории ОАО «Афанасьевский карьер» были проведены исследования по изучению аэродинамической обстановки вблизи источников пылеобразования и при перемещении пылевого потока. Отвал представляет собой единый площадной источник пылеобразования высотой 32 м, шириной 560 м и длиной 1550 м. Пылевой поток от такого источника представляет собой (рис.3.6) подобие треугольной призмы с вершинами АВ, лежащей на ближайшей границе поверхности техногенного массива по наветренной стороне. Боковые стороны пылевого потока CAN и BDM могут быть выделены условно, так как границы размыты турбулентностью воздушных потоков. Угол раскрытия потока р составляет примерно 10-15 и прослеживается на 50-80 м от вершины призмы, затем верхняя граница пылевого потока движется горизонтально поверхности земли на протяжении 300-500 м, далее пылевое облако размывается и не имеет определенной формы. Ширина пылевого потока (рис.3.7) зависит от направления ветра и может изменяться от 600 до 1550 м. Среднюю ширину потока принимают в зависимости от преобладающих в течение года ветров. Основным параметром пылевого потока является концентрация пыли, величина которой изменяется по мере перемещения пыли. На ее значение будут в значительной степени влиять влажность пыли, дисперсный состав, изменение ее химического и вещественного состава, физические свойства. Изучение гранулометрического состава материала производилось методом ситового анализа. Разделение пыли при рассеве производилось по геометрическим размерам частиц. Ситовой анализ применяется для определения дисперсности сыпучего материала путем разделения его на фракции с зернами определенного размера. Определение гранулометрического (зернового) состава песчаных грунтов ситовым методом производится с использованием: - набора сит (с поддоном и размером отверстий 1,6; 0,4; 0,2; 0,14; 0,071 мм; общая масса 5,5 кг, диаметр 162 мм, высота набора сит 268 мм; - весов лабораторных (ГОСТ 24104-80) с гирями (ГОСТ 7328-82); - ножа; - чашки фарфоровой (ГОСТ 9147-80); - стаканчиков стеклянных (ГОСТ 25336-82); - шкафа сушильного. Подготовка к испытанию включает сборку сит в колонну в порядке увеличения размера отверстий (от поддона), на верхнее сито надевается крышка. Рис.3.8. Установка для просеивания сит. ТУ 34-72-10849-84 При просеивании пыли через набор сит (рис.3.8) с убывающим размером отверстий получают условно разделенные фракции, так как при изготовлении 105 сит допускаются отклонения от стандартных размеров отверстий (ГОСТ 3584-53) (табл.3.1), в связи с неправильной формой зерен материала в большинстве случаев. Мелкие частицы пыли при просеивании проходят через соответствующие отверстия сита, а крупные остаются на нем. Процесс просеивания пыли на ситах включат приготовление навески и ее рассев вручную. Размер отверстий сита (или номер сита) обозначается R5W) (#05), что соответствует остатку на сите с отверстиями размером 500 мкм или на сите № 05. Средняя проба для анализа отбирается методом квартования, для чего грунт распределяется тонким слоем по листу плотной бумаги или фанеры ножом, в продольном и поперечном направлениях проводятся борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, из которых и отбирается навеска грунта.
Масса средней пробы должна составлять: для грунтов, не содержащих частиц размером более 2 мм - 100 г; для грунтов, содержащих до 10% (по весу) частиц размером более 2 мм - не менее 500 г; для грунтов, содержащих от 10 до 30% частиц размером более 2 мм - 1000 г; для грунтов, содержащих свыше 30% частиц размером более 2 мм - не менее 2000 г. Отобранная на анализ проба пыли предварительно высушивается при температуре 50 С до воздушно-сухого состояния. Воздушно-сухое состояние пыли определяется постоянством ее сушки и охлаждения в течение 6 ч при комнатной температуре. Проведение испытания включает в себя: - разделение грунта на фракции; - отбор средней пробы грунта в воздушно-сухом состоянии методом квартования и взвешиванием на технических весах; - просеивание взвешенной пробы через набор сит с поддоном ручным способом. При ручном рассеве навеска пыли высыпается на сетку, а сито закрывается поддоном и крышкой. Операция рассева начинается с крупных сит. При просеивании пробы массой более 1000 г следует высыпать грунт в верхнее сито в два приема. В процессе рассева соблюдается некоторое подобие механического просеивания путем двойного возвратно-поступательного движения сит в горизонтальной плоскости с поворотом на некоторый угол и двойным легким ударом края поддона о стол. Полнота просеивания фракций грунта проверяется встряхиванием каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито; просев продолжается до тех пор, пока на бумагу не перестанут выпадать частицы. Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и прошедшие в поддон, переносят в заранее взвешенные стаканчики или фарфоровые чашечки и взвешивают. Потерю грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их массе. По окончании рассеивания взвешивают остатки материала на соответствующих ситах и рассчитывают гранулометрический состав. Если полученная сумма массы всех фракций грунта превышает более чем на 1% массу взятой для анализа пробы, то анализ повторяют снова. Обработка результатов включает: - определение содержания в грунте каждой фракции А в % по формуле: 107 Л = -.і00, (18) Si где g(j - масса данной фракции грунта, г; gx - масса средней пробы грунта, взятой для анализа, г. - регистрацию результатов анализа в журнале (табл.3.2), с указанием процентного содержания в грунте фракций. Определение дальности пылеуноса производится в результате продувания дисперсного материала воздушным потоком. Таблица 3.2 Журнал наблюдений Номер сита Средний размер частиц, мм Остаток на сите, г Доля в общем объеме, масс.% Перед анализом дисперсный материал укладывается в виде натурного макета-отвала (насыпи), открытого с четырех сторон. Дисперсный материал испытывается на устойчивость к воздействию воздушного потока со значениями скоростей ветра от 2 до 10 м/с. Для проведения исследований в лаборатории кафедры БП и РГП был собран экспериментальный стенд - модельная установка (рис.3.9) в виде аэродинамического корпуса для продувания воздушным потоком, принципиальная схема которой показана на рис.3.10. В каждой боковой стенке корпуса выполнено по одному отверстию круглого сечения, через одно из которых производится подача воздуха при помощи воздуходувки 2. Скорость движения воздушного потока регулируется резистором 3. В верхней стенке находится отверстие круглого сечения для подачи диспергированной воды. Передняя стенка представляет собой смотровое окно, изготовленное из органического стекла.
