Введение к работе
Актуальность работы. Экономическое положение России в значительной степени определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Одним из основных факторов повышения конкурентоспособности угля, по сравнению с другими энергоносителями, является улучшение качества и сертификация угольной продукции, соответствующей Международной системе обеспечения качества ИСО-9000.
Большое разнообразие угля и преобладание валовой выемки приводит к тому, что потребителю поставляется рядовой уголь, имеющий разные качественные характеристики, определяющие энергетическую, экологическую и экономическую эффективность его использования.
Качество угля и его изменение зависят от способа добычи, транспортирования, перегрузки и временного хранения. Открытая перевозка и хранение угля приводят к прямым потерям твердого топлива. При перевозке железнодорожным транспортом потери углей мелких классов от выдувания воздушным потоком при их транспортировании на 500 км составляют 0,5–0,6 т в расчете на один вагон. Это эквивалентно 1 % транспортируемых углей. В целом по стране на железнодорожных перевозках теряется 3–5 млн т угля в год.
При перевозках угля автомобильным транспортом, осуществляемых на котельные в коммунально-бытовом секторе и индивидуальным потребителям, потери еще больше и составляют 5 % перевозимых углей. Открытый способ перевозки и хранения угля способствует измельчению, увеличению влаги, что часто приводит к смерзанию и осложнениям при разгрузке, а также к окислению и возможному самовозгоранию, от чего теряется до 7 % добываемого топлива. Перевозка и хранение угля навалом уменьшают теплоту сгорания на 5–80 ккал/кг в месяц, при этом снижение содержания мелочи на 1 % обеспечивает экономию топлива в размере 0,54 %.
Применяемая технология перевозки угля загрязняет окружающую среду, превращая прилегающую к транспортным коммуникациям и угольным складам территорию в малопривлекательную и вредную для проживания.
Потеря качества угля при открытом способе перевозки и хранения, характеризующееся уменьшением теплоты сгорания, измельчением, увеличением зольности и влаги, приводит к несоответствию поставляемого топлива проектному. Особенно такое несоответствие наблюдается при поставках топлива в котельные малой и средней мощности в коммунально-бытовом секторе, которые составляют большинство в топливно-энергетическом комплексе страны (только в Красноярском крае их насчитывается более 2000).
Применение ресурсосберегающей и экологичной технологии получения и доставки углепродукции повышенного качества, особенно в котельные со слоевым сжиганием топлива, сдерживается отсутствием соответствующих машин и оборудования, создание которых недостаточно обеспечено научно обоснованными методами проектирования.
Таким образом, важнейшее хозяйственное значение для развития угольной промышленности имеет решение научной проблемы разработки теоретических основ совершенствования и создания новых эффективных средств механизации технологических процессов получения на разрезе углепродуктов повышенного качества и их транспортирования потребителям, исключающих изменение качественных и количественных характеристик угля и загрязнение окружающей среды.
Работа охватывает обширный комплекс горных машин и оборудования: экскаваторы, углеперерабатывающие агрегаты, транспортные системы, усреднительные установки, средства механизации на складах.
Диссертационная работа основана на результатах исследований, начатых автором в 1994 г. в институте КАТЭКНИИуголь по государственной программе 0-46 «Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля и средств углепроводного транспорта» и продолженных на кафедре «Горные машины и комплексы» ФГОУ ВПО «СФУ» по теме «Повешение эффективности работы выемочно-погрузочного и сортировочного оборудования» и грантам Красноярского краевого фонда науки.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка машин и оборудования, комплексно обеспечивающих высокое качество топлива, при ресурсосбережении и экологичности процессов производства, транспортирования, хранения полученных углепродуктов и усреднения у потребителя.
Основная идея работы заключается в разработке и применении специализированных контейнеров на всех стадиях от получения углепродукции повышенного качества в забое до использования у потребителя, которые в комплексе с другими средствами обеспечивают высокие потребительские свойства топлива.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Полученная математическая зависимость суммарных транспортных затрат от расположения углеперерабатывающих установок обусловливает целесообразность размещения их в блочно-модульном исполнении непосредственно на добывающем оборудовании или на сопряженном с ним мобильном шасси, причем в качестве добывающего оборудования следует использовать экскаваторы фрезерного типа, имеющие лучшее соотношение производительности и массы машины и позволяющие отрабатывать пласты любой мощности.
2. Установленные закономерности изменения потерь угля при перевозках и их влияния на загрязнение окружающей среды позволяют утверждать, что основным средством сохранения качественных и количественных характеристик сортового угля и брикетов и экологической безопасности является тарное перемещение их от момента переработки до использования.
3. Разработанная математическая модель формирования транспортных потоков углепродукции требуемого качества позволяет учесть особенности различных групп потребителей с помощью предложенных специализированных контейнеров.
4. Выявленные зависимости площадей буртового и контейнерного угольных складов от их объема, формы, высоты, грузоподъемности специализированных контейнеров и числа ярусов их установки определяют целесообразность размещения различных марок углей в одном многоярусном контейнерном штабеле, что обеспечивает неизменное качество углепродукции, полную механизацию складских операций с соблюдением экологической безопасности.
5. Установленные зависимости и факторы, влияющие на процесс бункерного усреднения углей с разными характеристиками, а также разработанные установки новых конструкций являются основой окончательного формирования требуемого качества топлива для конкретного потребителя.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сочетанием теоретических и лабораторных исследований с результатами анализа производственных и опытных данных; сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных; эффективностью промышленного применения найденных технических решений.
Научная новизна результатов исследований состоит в:
– установлении зависимости, позволившей определить целесообразность максимального приближения углеперерабатывающего оборудования к добычному забою и возможность размещения перерабатывающего оборудования на экскаваторах фрезерного типа;
– выявлении (на экспериментальной установке с гравитационным способом перемешивания) зависимости и основных факторов, влияющих на процесс бункерного усреднения сортовых углей с получением у смеси свойств, эффективных для конкретного котельно-топочного оборудования;
– разработке математической модели формирования транспортных потоков углепродукции требуемого качества, предназначенных для перевозки углепродуктов конкретным потребителям;
– определении зависимости времени вынужденного простоя специализированных контейнеров при перегрузке с одного вида транспорта на другой от грузоподъемности и времени оборота транспортных единиц;
– установлении зависимости площадей буртового и контейнерного угольных складов от их объема, формы, высоты, грузоподъемности специализированных контейнеров и числа ярусов их установки;
– определении основных закономерностей изменения потерь угля при традиционной технологии его перевозки железнодорожным и автомобильным транспортом;
– уточнении степени влияния угольных потерь от выдувания на загрязнение территории и воздушного бассейна при существующей технологии транспортирования и хранения.
Практическое значение результатов работы заключается в разработке:
– схем размещения и структуры комплексов карьерного горного оборудования в забое (пат. РФ № 2078928), обеспечивающих получение качественного углепродукта непосредственно в забойных условиях разреза или максимально приближенных к нему;
– стрелового фрезерного экскаватора (пат. РФ № 2315866), обеспечивающего эффективный гранулометрический состав добываемого угля;
– основных требований к специализированным контейнерам, предназначенным для перевозки высококачественных углепродуктов разным потребителям и обеспечивающим сохранность и качество поставляемого топлива на этапах перевозки, перегрузки и хранения;
– типоразмерного ряда специализированных контейнеров (пат. РФ № 2153452, № 2178379, № 2243140, № 2271974, № 2254278), предназначенных для перевозки углепродуктов в разных условиях эксплуатации и обеспечивающих, в зависимости от необходимости, возможность их порционной или единовременной разгрузки;
– грузоподъемной траверсы (пат. РФ № 2248930) для захвата и опрокидывания контейнеров с сортовым углем при необходимости его единовременной разгрузки у потребителя;
– установок по усреднению углей с гравитационным (пат. РФ № 2268219) и принудительным (пат. РФ № 2271975) способами перемешивания углей и получением проектного топлива у потребителя;
– специализированных автотранспортных средств (а.с. СССР № 1637159, № 1719254), обеспечивающих повышение коэффициента использования грузоподъемности при перевозке грузов с различным объемным весом и удобство разгрузки (пат. РФ № 2273568);
– новой технологии хранения угля на складах с заменой существующего экологически вредного и затратного оборудования в виде бульдозеров и погрузчиков на экологически чистое грузоподъемное оборудование с электроприводом.
Реализация результатов работы. В промышленности:
– в создании карьерного мобильного сортировочного агрегата на базе прицепа тяжеловоза ЧМЗАП-5208 для Балахтинского разреза;
– в разработке конструкции кузовов карьерных автосамосвалов для перевозки угля на Черногорском разрезе;
– при проектировании оборудования в НПО «КРАСБРИК» для получения и доставки потребителю углепродукции повышенного качества.
В научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:
– «Разработать техническое задание на технологию сортировки угля на базе грохотов с канатным движущимся полем» НИР 2991067300 и «Отработка маломощных пластов оборудованием, обеспечивающим получение высококачественного твердого топлива, экологически чистое его транспортирование и хранение» НИР 2901069001, входящих в государственную программу 0-46 «Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля и средств углепроводного транспорта», 1994–1995 гг.;
– НИР 29104606903 с научно-технической горной ассоциацией «Разработать техническое задание на сортировочное оборудование горного комплекса для извлечения угля из пластов-спутников и создание контейнеров для доставки и временного хранения угля потребителю» (проект «Разработка ресурсосберегающих технологий и оборудования по подготовке сортового топлива и извлечения угля из разубоженной горной массы на угольных разрезах России»), 1996 г.;
– грант Красноярского краевого фонда науки «Разработка ресурсосберегающих и экологически чистых технологий и создание оборудования для получения конкурентоспособных продуктов из угля», 1998 г.;
– программа «Повышение эффективности работы горно-металлур-гического оборудования» в госбюджетной НИОКР «Повышение эффективности работы выемочно-погрузочного и сортировочного оборудования» на 2006–2010 гг.
В учебном процессе:
– основные результаты диссертационной работы изложены в трех учебных пособиях и двух монографиях, использующихся в учебном процессе в ФГОУ ВПО «СФУ»;
– стенды по усреднению углей с гравитационным и принудительным способом перемешивания применяются в научно-исследовательских работах студентов и аспирантов ФГОУ ВПО «СФУ».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации представлялись, докладывались и обсуждались: на IV Международном форуме «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ», симпозиуме «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» (г. Санкт-Петербург, 1996 г.); Proceedings of the 6 TH international energy conference (Beijing, China, 1996 г.); Proceedings Fourth International Symposium on Mine Mechanization and Automation (Brisbane, Queensland, 1997 г.); Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (г. Чита, 1997 г.); научно-практической конференции «Достижения науки и техники – развитию г. Красноярска» (г. Красноярск, 1997 г.); II Международной научно-практической конференции на секции «Уголь и углепродукты» (г. Кемерово, 1997 г.); научном симпозиуме «Неделя Горняка» (г. Москва, 1997 и 2009 гг.); I научно-практической конференции по реализации Федеральной целевой программы освоения Нижнего Приангарья в Красноярском крае (г. Красноярск, 1997 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999 г.); научно-практической конференции «Минеральные ресурсы рудного и нерудного сырья Сибири в XXI веке» (г. Новосибирск, 1999 г.); во Всероссийском выставочном центре «Инновационный и научный потенциал Красноярского края» (г. Москва, 1999 г.); на конференции АО «Красноярскуголь» по маркетинговому исследованию и организации рынка КАУ (г. Красноярск, 1999 г.); научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (г. Красноярск, 2000 г.); Международной научно-практической конференции «Инвестиционный потенциал минерально-сырьевого комплекса Красноярского края» (г. Красноярск, 2000 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Транспортные средства Сибири» (г. Красноярск, 2004 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Кузбасский международный угольный форум – 2006» (Кемерово, 2006 г.).
Личный вклад автора состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы; разработке технологических схем размещения и взаимодействия добычного и перерабатывающего оборудования; создании ряда конструкций специализированных контейнеров и автотранспортных средств для перевозки твердого топлива, грузоподъемного оборудования (защищенных патентами) и их систематизации; научном обосновании необходимого количества контейнеров, обслуживающих грузопоток; разработке установок по усреднению углей и определении основных факторов, влияющих на процесс смешивания; анализе влияния различных факторов на потери угля при перевозке железнодорожным и автомобильным транспортом; в проведении теоретических и производственных исследований, позволяющих создать методики расчета угольных потерь и площадей контейнерных складов с углем.
Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.
Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору В.Д. Буткину за научные консультации и неоценимую методологическую помощь при работе над диссертацией. Особая признательность С.Б. Васильеву, В.И. Зудину, А.В. Гилеву и всем сотрудникам кафедры «Горные машины и комплексы» за поддержку и содействие при выполнении работы.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 62 печатные работы, в том числе 2 монографии, 3 учебных пособия, представлено 11 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 2 авторских свидетельства и 14 патентов на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложений. Содержит 350 страниц машинописного текста, включая 122 рисунка, 52 таблицы и библиографический список литературы из 155 наименований.
