Введение к работе
Актуальность работы вытекает из необходимости совершенствования технологии выпуска продукции и технологического перевооружения горных предприятий при строгом выполнении экологических требований. Современные горные предприятия имеют трубопроводный транспорт сыпучих рудных и нерудных материалов, являющихся насыпными грузами внутрифабричного транспорта. Трубопроводный транспорт сыпучих грузов по применяемым энергоносителям делится па гидротранспорт и пневмотранспорт; последний имеет разновидности — контейнерный, капсульный, штучный и аэро-смесегый. Аэросмесевый пневмотранспорт получил широкое распространение на горных предприятиях многих стран, так при закладке пустот шахт этот вид транспорта используется в СНГ —35%, США и Швеции —20%, Австралии — 30%, Японии — 47%, Финляндии — 85%- За последние 20 лет на ГОКах железорудных месторождений в технологическом процессе производства железорудных окатышей обязательно используются крупные пневмотранспортные комплексы с аэро-смесевыми пневмотранспортнымн системами для внутрифабричного транспортирования нерудных добавок к железорудному концентрату.
К. сыпучим грузам, транспортируемым на горных предприятиях аэросмесевым пневмотранспортом, относятся:
порошковые — известняк, бентонит, бентоглины, фосфаты, цементы;
кристаллические в смеси с пылевидными — бокснтныс руды, калийная н другие соли, апатитовый н другие концентраты;
гранулированная аммиачная селитра;
кусковые в смеси с кристаллическими и пылевидными — породы угольных, бокситовых и других шахт.
Осложняющими процесс транспортирования являются такие свойства частиц этих грузов, как широкий диапазон влажности, температуры, гранулометрического состава, аб-разивности, скоростей витания.
Вредными для здоровья человека и окружающей среды являются такие свойства частиц этих грузов, как токсичность, радиоактивность, способность вызывать тяжелые пеизлечи-
мые профессиональные заболевания, такие как силикоз, саркома, рак легких и другие, загрязнять и отравлять аэрозолями почву и водоемы на больших территориях. Поэтому одной из важнейших экологических задач горных предприятий является обеспечение надежной защиты окружающей среды от распыления частиц сыпучих грузов в атмосфере.
Решение этой задачи возможно только с помощью герметичных аэросмесевых пневмотранспортных комплексов (АПТК), поэтому, несмотря на высокую энергоемкость н сложность, этим комплексам проектировщики отдают предпочтение перед конвейерными и другими комплексами на современных горных предприятиях во всех высокоразвитых странах.
Важность экологической. безопасности технологического транспорта пылящих сыпучих грузов на крупных современных горных предприятиях отодвигает задачи снижения энергоемкости процесса транспортирования и повышения эксплуатационной эффективности на второе место.
АПТК имеют потенциальную возможность обеспечить экологическую безопасность технологического транспорта большого перечня пылящих сыпучих грузов за счет таких преимуществ, как герметичность, возможность полной автоматизации управления процессами, совмещение термоаэрокласси-фикации с транспортированием, совмещение операций транспортирования и образования самотвердеющих смесей для закладки пустот шахт и т. д.
Однако использование АПТК в проектах горных предприятий при игнорировании осложняющих особенностей свойств частиц сыпучих грузов горных предприятий и необходимости согласования (синхронизации) параметров одновременно происходящих процессов приводит к обратным результатам— экологическая опасность возрастает лрп увеличении энергоемкости транспортирования.
Необходимость в АПТК возникла на современных горных предприятиях при осуществлении перехода на высокоэффективные методы разработки месторождений полезных ископаемых при ужесточающихся требованиях экологической безопасности ведения горных работ. АПТК являются новым типом современных горных машин, без которых невозможнс экологически безопасное ведение горных работа
АПТК состоит из крупной турбокомпрессорной станции группы пневмотранспортных систем (ПТС), вентиляционно-утилизацнонной системы (ВУС), воздухопроводной сети, ас пирационной системы и автоматизированных систем коптро ля и управления режимами работы агрегатов и систем.
АПТК должен иметь специальное оборудование и сред ства автоматизации управления синхронизацией процессов которые обеспечат экологическую безопасность транспорті!
ровання пылящих- сыпучих грузов производительностью до 1500 т/ч и дальностью до 5000 м.
Однако при проектировании АПТК для ГОКов и шахт из-за отсутствия научных данных производится объединение отдельных разнотипных пневмотранспортных установок, типовой компрессорной станции, обычного вентиляционного оборудования.
Технология производства железорудных окатышей и другие факторы на ГОКах обусловливают колебание производительности пневмотранспортных систем ПТК в широких пределах от нуля до максимального при постоянном максимальном расходе энергоносителей в вакуумной, нагнетательной, вентиляционной и электрических системах, что приводит к значительному увеличению удельной энергоемкости транспортирования и осложнению выполнения экологических требований по выбросам загрязненного воздуха в атмосферу, предъявляемых к горным предприятиям.
Вышеизложенное показывает, что научное обоснование методов и средств ' повышения эффективности процессов в крупных пневмотранспортных аэросмесевых комплексах, позволяющее повысить эксплуатационную эффективность и экологическую безопасность внутрифабрнчиого транспорта ГОКоп, является актуальной научно-технической проблемой, ч имеющей важный экономический эффект и социальное значение.
Цель работы — разработка методов и новых технических решений для аэросмесевого пневмотранспортного комплекса, позволяющих повысить экологическую безопасность и экономическую эффективность технологического транспорта пылящих сыпучих грузов на железорудных горных предприятиях.
Идея работы заключается в согласовании (синхронизации) параметров процессов образования н движения аэросмеси, отделения- и движения горячего отработанного энергоносителя на основе использования, закономерностей гидроаэродн-памики, механики аэрозолей, механики сыпучих сред при движении потоков через круглые сечения трубопроводов пневмотранспортных, вептиляционно-утилизацнопных и воздухопроводных систем, обеспечивающих повышение эффективности процессов в аэросмесевом пневмотрапспортном комплексе.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Определение согласованных параметров потоков в вентиляционной и пневмотранспортной системах, выбор соответствующих сечений каналов переходных модулей между этими системами осуществлены на основе математической модели движения потока горячего отработавшего энергоносителя через переходные модули, учитывающей обнаруженное физико-техническое явление при деаэрировании пневмотранспор-
тированного груза. Деаэрирование сыпучего груза с высокой температурой сопровождается процессом образования угли естественного откоса насыпи, существенно отличающимся oi процесса его образования при обычной разгрузке сыпучей груза из транспортных средств.
-
Математическая модель образования аэроомеси и ее движения в предложенном переходном модуле пачальногс участка вертикального транспортного грузопровода нагнета тельной ПТС учитывает температуру, влажность и грануло метрический состав частиц сыпучего груза, обеспечивает оп ределение согласованных (синхронизированных) параметрог движения потоков энергоносителя и образования аэросмеа в каналах переходного модуля.
-
Математическая модель 3-мерного векторного пол; осевых скоростей энергоносителя под влиянием тангенциаль ных потоков в цилиндрических координатах через каналы і сыпучем грузе рассматриваемого проходного сечения цилин дра аэрокамеры позволила с учетом обнаруженного фнзиче ского эффекта увеличения миделевого сечения частиц сыпу чего груза получить зависимости для определения согласо ванных (синхронизированных) параметров образования транспортирования аэросмеси высокой концентрации и кон структивных параметров ПТС.
-
Методы согласования параметров движения аэросмес: в вакуумном и напорном грузопроводах с учетом выявление го физико-технического явления адсорбирования, напреесс вывания и спекания агрегатов частиц сыпучих грузов в раз деляющих вакуумную и напорную части ПТС механизма} обеспечивают близкие оптимальным величины концентрації аэросмеси, потерь давления, долговечности на истирание гр) зопроводов, исключают адгезионное зарастание их проходны сечений.
-
Методы согласования колебаний расхода энергоноситс ля и производительности в ПТС, повышения качества энег. гоносителя синхронно образованию аэросмеси в питателя ПТС с учетом физического явления движения мнкроаэрозс
ЛЄЙ СЫПуЧИХ ГРУЗОВ ПО ПрИСТеННОМу МІІКрОреЛЬефнОМу СЛ01
трубопроводов из грузопроводов с аэросмесыо в воздухопр( водящую сеть в обратном направлении относительно осної ного потока энергоносителя дают возможность вести очистк энергоносителя от конденсата и микроаэрозолей сыпучег груза одновременно, сократить энергоемкость транспортире вания и .массу загрязненного воздуха, выбрасываемого в а-мосферу.
Научная новизна результатов исследований заключается і
уточнении механизма процесса образования угла естес
венного откоса при деаэрировании сыпучего груза и научно
обосновании двух новых синхронизирующих устройств С КО!
структнвными параметрами, зависимыми от параметров процесса движения горячего энергоносителя из бункеров ПТС через переходные модули вентиляционной системы;
совершенствовании математической модели процесса образования аэросмесн высокой концентрации в предложеннолі высокоэффективном переходном модуле аэрокамеры для определения зависимостей конструктивных параметров модуля от параметров этого процесса;
обнаружении физико-технического эффекта увеличения миделевого сечения частиц сыпучего груза в предложенном переходном модуле и разработке .математической модели пространственных векторных полей осевых скоростей энергоносителя при воздействии тангенциальных потоков с целью получения зависимостей .между конструктивными параметрами предложенной тангенциальной аэрокамеры и параметрами процесса образования аэросмеси;
обнаружении физико-технического явления адсорбирования'частиц сыпучих грузов с компрессионными свойствами поверхностями деталей механизмов, напрессовывания на эти иоверхыости частиц и спекания их между собой и с поверхно-:тямн деталей, разделяющих вакуумную и нагнетательную іастп механизмов в вакуумно-нагнетательных системах, и разработке схемы конструкции, исключающей заклинивание этих механизмов, а также получении зависимостей потерь давления энергоносителя, величин адгезии сечений и истира-1ия поверхностей грузопроводов вакуумно-нагнетательных :истем от различных факторов;
установлении физико-технического явления движения ми-<роаэрозолей в направлении, обратном движению энергоно-:ителя из грузопроводов в воздухопроводящую сеть, разра-Зотке метода и конструкции, исключающих вредное воздей-:твие этого явления;
разработке принципиальных схем новых технических ре-иений и средств согласования изменения производительности ; изменением расхода энергоносителя в ПТС. . Обоснованность и достоверность научных положений, методов, выводов и рекомендаций подтверждаются:
принятыми предпосылками, базирующимися на современ-1ых фундаментальных положениях и законах теплообмена азовых смесей, теплофизическими характеристиками частиц :ыпучих грузов и удовлетворительной сходимостью резуль-атов аналитических исследований с данными эксплуатации [невмотранспортных систем пневмоко-мплексов горных пред-ірпятий. В воздухопроводных, аспирационных и ВУС АПТК. (ля изучения процессов применен комплексный подход, вклю-ающий феноменологический и статико-феноменологический іетодьі исследований с использованием ЭВМ. Адекватность іатематических моделей и физических процессов подтверж-
дена экспериментальными исследованиями, обработка которых выполнялась в основном методами теории подобия и корреляционными методами с допустимой погрешностью результатов, не превышающей 10—15%,;
результатами опытно-промышленной эксплуатации АСУ синхронизацией процессов в АПТК ГОКа;
результатами многолетней промышленной эксплуатации новых специальных агрегатов и средств синхронизации режимов работы пневмотранспортных систем АПТК ГОКов.
Научное значение работы состоит в научном обосновании, разработке методов и средств синхронизации процессов в АПТК горных предприятий, что является дальнейшим развитием теории аэроомесевого пневмотранспорта горячих влажных пылящих сыпучих грузов, исключающего распыливание частиц в атмосфере, представляющих значительную экологическую опасность для окружающей среды.
Практическое значение работы состоит в разработке для горных предприятий:
новых технических решений для синхронизации процессов в группах пневмотранспортных, вентиляционпо-утилизацион-ных и воздухопроводных систем АПТК фабрики окомкования ГОКа железорудного месторождения;
методики расчета АПТК фабрики окомкования ГОКа железорудного месторождения;
пакетов программ ЭВМ для расчета новых устройств, синхронизирующих процессы в АПТК;
устройств для интенсификации процесса транспортирования мелкозернистых материалов (А. с. № 695918, СССР) при синхронизации горизонтальных осевых скоростей частиц сыпучего груза и воздуха;
винтового пневматического питателя для транспортирования сыпучих материалов (А. с. № 783156, СССР) для синхронного повышения качества энергоносителя процессу образования аэросмеси в АПТК;
пневматического винтового насоса (А. с. № 901205, СССР) для синхронизации колебаний количества твердой фазы адекватно колебаниям истечения газообразного энергоносителя — сжатого воздуха в пневмотранспортных системах АПТК; пневматической установки для транспортирования сыпучих материалов (А. с. № 1625791, СССР) для синхронизации колебаний истечения газообразного энергоносителя — сжатого воздуха адекватно колебаниям количества твердой фазы в пневмотранспортных системах АПТК;
самоуплотняющегося шлюзового питателя (А. с. № 586053, СССР) для синхронизации процесса удаления влажного сыпучего груза из циклонов 'процессу разделения твердой и газообразной фаз в термоаэроклассификаторах, пневмотранспортных, вентиляционно-утилизацнонных и аспирационных системах АПТК; 6
пневматического шнекового питателя пневмотранопортной установки (А. с. JSfb 829523, СССР) для синхронизации величин вертикальных осевых скоростей энергоносителя и частиц сыпучего груза в аэрокамере вертикальной пневмотранспорт-пой системы, АПТК;
пневматического винтового питателя сыпучих материалов (А. с. № 831692, СССР) для 'синхронизации процессов образования аэросмеси в пневмогранспортных системах АНТ К.
Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации работы внедрены на ГОКах железорудных месторождений КМА, приняты к использованию научно-исследовательскими, проектными и учебными институтами.
Методика расчета АПТК. фабрик окомкованпя ГОКов железорудных месторождений используется проектными институтами «Уралэнергочермет» и «Центрогипроруда» при проектировании АПТК горных предприятий. НИИСТРОЙДОР-МАШ, «Гипроцемент», НИИКМА и другие организации используют результаты исследований в своих работах.
Системы синхронизации, пакеты программ ЭВМ, новые средства синхронизации по авторским свидетельствам на изобретения, перечисленные выше, внедрены, прошли опытно-промышленные испытания и находятся в эксплуатации на Михайловском ГОКе железорудного месторождения КМА, приняты к использованию на Лебединском ГОКе железорудного месторождения КМА и на Криворожском ГОКе железорудного месторождения.
'Методики расчета, рекомендации, изобретения приняты к внедрению Красногорским объединением «Промоборудова-нне».
Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в учебных пособиях автора, курсовом и дипломном проектировании, при проведении практических и лабораторных работ КГТУ.
Экономический эффект от внедрения разработанных методов и средств синхронизации процессов в АПТК фабрики окомкованпя Михайловского ГОКа железорудного месторождения КМА в основном необходимо рассчитывать по показателям экологической безопасности транспортирования пылящих сыпучих грузов. Однако инфляция и отсутствие законодательной базы оценок экологической безопасности не позволяют в полной мере рассчитать экономический эффект, поэтому 'при разработке методики расчета экономической эффективности внедренных мероприятий приняты эксплуатационные показатели экономии сыпучего груза от распыливания и сокращения энергоемкости транспортирования. Вред от распыленной тонны токсичного сыпучего груза в атмосфере для окружающей средьг во много раз превышает стоимость тонны этого груза, поэтому этот показатель в расчете экономической
эффективности внедрения новых разработок дает очень заниженные результаты, «о, 'несмотря на это, только Михайловский ТОК -получил экономию энергии и сыпучих грузов на сумму около 2,3 млн. руб. в ценах 1989 г.
Связь темы диссертации с государственными программами и планами работы института была обусловлена развитием горных 'предприятий КМА.
Автор 'Принимал участие 'в качестве исполнителя тем НИР в решении проблемы создания экспериментального АПТК фабрики оком'кования Михайловского ГОКа совместно с учеными Московското гордого института докт. техн. наук, проф. Андреевым А. В., докт. техн. наук, проф. Ушаковым В. Н., канд. техн. <наук Белозеровым А. С. и др.
iB соавторстве с Андреевым А. В. и Белозеровым А. С. разработан пневматический винтовой насос (А. С. № 901205, СССР), для синхронизации колебаний количества твердой фазы в аэросмеси адекватно колебаниям количества сжатого воздуха в пневмотранспортных системах АПТК горного предприятия.
'В качестве научного руководителя НИР и ОКР, выполняемых в 'Курском политехническом институте, члена головного совета -по координации НИР для горных предприятий КМА при Воронежском государственном университете автор принимал участие в решении 'проблем повышения эффективности и качества использования недр КМА в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой, утвержденной постановлением ГКНТ и Госплана СССР «Программа КМА».
Диссертационная работа является составной частью вышеуказанных исследований.
Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и были одобрены:
на ежегодных отчетных заседаниях 'головного совета по координации НИР для горных предприятий 'КМА при Воронежском государственном университете с 1976 по '1992 гг.; ежегодных отчетных заседаниях научных советов Железно-горского и Губкинского'филиалов НИИКМА с 1975 по 1990 гг.; ежегодных внутривузовских иаучных конференциях в Курском политехническом институте с 1975 по 1994 гг.; всесоюзных научных конференциях и семинарах то 'пневмотранспорту сыпучих грузов в Москве, С.-(Петербурге, Севастополе ежегодно с 1975 по 1991 гг.; научных семинарах по 'Пневмотранспорту с международным участием в ЛДНТП. С.-Петербург 1989 и 1991 гг.; на II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной техники» в 1990 г.; Международных 'научно-технических конференциях в Болгарии в 1982 г. и в Венгрии л 1985 г.; заседании кафедры горной механики и транспорта МГГУ в 1994 г.; семинаре МГГУ «Состояние и перспективы
развития горной техники и технологии природоохранительных' работ» в 1994 г.; заседании комиссии Академии естественных наук РФ б Москве в 1994 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 научных работ, получено семь авторских свидетельств на изобретения, подготовлено двадцать восемь отчетов по научно-исследовательской работе, зарегистрированных во ВЦНТИ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 294 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 27 таб. лиц, список литературы из 317 наименований и 'приложения
Автор выражает глубокую . 'Признательность проф. Н Г. Картавому за консультации, внимание и поддержку при подготовке и завершении диссертации.