Введение к работе
Актуальность. Рудоподготовительные фабрики современных горнообогатительных комбинатов, перерабатывающие огромное количество сыпучих материалов, являются мощными источниками пылевых загрязнений атмосферы. Особенно высокий уровень пылевых выбросов характерен для агломерационных и окомковательных фабрик, на которых в результате термической обработки тонкоизмельченных материаловобразуются высококонцентрированные аэрозоли. Многочисленные перегрузки этих материалов сопровождаются формированием направленных потоков зжектируемого воздуха, определяющих структуру и объемы валовых выбросов пылевых частиц в атмосферу. Интенсивность пылевыделений при перегрузках окатышей и агломерата достигает сотые доли от их массового расхода, а годовые объемы пылевых выбросов - сотни тысяч тонн.
Аспирация, как наиболее распространенный и универсальный способ локализации пылевыделений и защиты окружающей среды от загрязнений, остается малоэффективным прежде всего из-за неудачного выбора производительности местных отсосов и конструктивного несовершенства укрытий. Используемые методы расчета объемов аспирации и выбора рациональных систем отсоса запыленного воздуха, как правило, основаны на эмпирических данных или весьма упрощенных теоретических моделях и. потому их применение ограничено узким диапазоном изменения технологических и конструктивных параметров, перегрузочных узлов. Оптимизация инженерных решений и создание энергосберегающих систем обеспыливания воздуха сдерживается отсутствием единой методологии изучения аэродинамических свойств гравитационных потоков сыпучего материала и раскрытия механизма эжекции воздуха этими потоками в различных его проявлениях: от процессов равномерного движения воздуха в закрытых желобах до формирования ускоренных воздушных течений в потоке свободно падающих частиц. Последние типичны для неорганизованных выбросов пыли при открытом складировании обожженных окатышей и погрузки их в вагоны.
Цель работу. Разработка научных основ расчета и выбора эффективных средств локализации и обеспыливания воздуха , обеспечивающих снижение пылевых выбросов в атмосферу при перегрузках сыпучих материалов.
Достижение поставленной цели связано с необходимостью:
' разработки, применительно к гравитационным потокам сыпучего материала, математической модели аэродинамического взаимодействия твердых частиц и воздуха;
- раскрытия/общего механизма и обобвения основных закономерностей эжекции воздуха потоками сыпучих материалов для хпрдктерннх
случаев движения твердых частиц в желобах и при их свободном падении;
- создания новых средств локализации пылевыделений и предвари
тельной очистки воздуха от пыли в аспирационных укрытиях перегру
зочных узлов.
Идея раОоеш заключается в исследовании закономерностей аэродинамических процессов эжекции воздуха падающими частицами на базе феноменологических моделей механики гетерогенных сред, рассматривая поток сыпучего материала как разновидность двухскоростного континуума "твердые частицы - воздух".-.
Научная новизна результатов работы и их значимость состоит в том, что:
разработан и предложен динамический подход к теоретической оценке эжектирующйх свойств потока твердых частиц, позволяющий рассматривать поток сыпучих материалов как эжекционный нагнетатель, обеспечивающий перетекание запыленного воздуха по желобам и обуславливающий неблагоприятную- экологическую обстановку у перегрузочного узла;
разработан метод экспериментального определения аэродинамического сопротивления частиц, позволяющий измерением статических давлений в герметичном желобе получить количественную, оценку аэродинамической характеристики твердых частиц в потоке и тем самым учесть сложный в теоретическом описании механизм сальтирующего движения частиц;
исследованы и описаны одномерные течения эжектируемого воздуха для изотермических и нагретых потоков сыпучего материала в призматических и бункерообразных желобах при различных распределениях частиц и режимах их движения, что позволило получить достоверные-расчетные соотношения для определения расхода воздуха, поступающего в аспирируемые укрытия вместе с материалом;
построена математическая модель струйного течения воздуха в свободном потоке падающих частиц и найдены решения автомодельного движения эжектируемого воздуха с учетом турбулентной вязкости для плоской и осесимметричной струи, что позволяет найти расход запыленного воздуха, выделяющегося из потока сыпучего материала при складировании и отгрузки их в .вагоны;
сформулирована и решена одномерная задача об эжекции воздуха в канале частично заполненного падающими частицами, описаны возникающие при этом циркуляционные течения, что дает возможность найти расход 'воздуха в потоке частиц и вне его в зависимости от расстояния между стенками канала и поверхностью потока и в конечном итоге разработать универсальные методики расчета систем локализации пылевыделений.
Достоверность вауштх повожений , шіводов и реяомевдацші обоснована: выбором физических моделей, базирующихся на классических положениях фундаментальных теоретических исследований механики гетерогенных сред; объемом и современной методологией экспериментов" в лабораторных и промышленных условиях; учетом реальных условий проявления аэродинамических процессов в промышленных перегрузочных узлах; сопоставимостью результатов теоретических исследований с данными экспериментальных измерений соискателя и других авторов; данными промышленных испытаний местных отсосов и укрытий на предприятиях горнорудной и мет&тлургической промышленности.
Ярашжкеское зпачшшэ рзбозгл заключается в следующем:
результаты исследований эжектирующих свойств потока сыпучего , материала позволили разработать серии научно-обоснованных методов расчета и рационального размещения местных отсосов для наиболее интенсивных источников пнлевыделения промышленных узлов переработки сыпучих материалов: для конвейерных перегрузок сыпучих материалов, прошедших термическую обработку ; для узлов дробления при обогащении и окусковании полезных ископаемых; для узлов грохочения при сортировке холодных и нагретых сыпучих,материалов; для узлов смешивания и охлаждения шихтовых материалов' агломерационного производства; для узлов загрузки и разгрузки обжиговых и агломерационных машин; для узлов складирования и отгрузки железорудных окатышей;
результаты исследований закономерностей формирования пылеЕых потоков внутри желобов и в полости технологического оборудования позволили разработать высокоэффективные средства локализации и обеспыливания воздуха по пути движения сыпучего материала: центрирующие патрубки, винтовые спуски, затворы, двойные и телескопические желоба, обеспечивающие снижение интенсивности пылевыделений при загрузке сыпучих материалов, фильтрующие насадки и сепарирующие элементы в аспирационных укрытиях и пылеприемниках, обеспечивающих предварительную очистку аспирируемого воздуха от грубодисперснои пыли; систему аспирационных укрытий для узлов свободного ссыпания материала при складировании и загрузки вагонов, обеспечивающих значительное снижение мощности, неорганизованных выбросов пыли на фабриках окускования железных руд. "
Реализация работы. На основе результатов выполненных исследований разработаны нормативно-методические руководства и справочные пособия по проектированию обеспыливающих систем:
Методические' указания по определению и расчету неорганизованных выбросов пыли при открытом складировании обожженных окатышей на фабриках горнообогатительных комбинатов (Минчермет СССР, ГГО им. Воейкова, Госкомгидромет СССР, 1982);
Рекомендации по проектированию отопления и вентиляции агло-
мерационных фабрик черной металлургии (АЗ-500, ГШ Сантехпроект Госстроя СССР, М.1971);
Временные указания по расчету объемов аспирируемого воздуха от укрытий мест перегрузок при транспортировании пылящих материалов (АЗ-611, ГПИ Сантехпроект Госстроя СССР, М.1973);
Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности (М.Недра, 1982);
Инструкция по комплексному улучшению условий труда на обогатительных фабриках металлургической промышленности (Механобр, Мииц-ветмет СССР, Ленинград, 1984);
ОСТ 14-17-98-83. ССБТ. Подготовка металлургического сырья. Аспирация. Метод .расчета производительности местных отсосов укрытий мест перегрузок сыпучих материалов (Ыинчермет СССР, М.1984);
Руководство по проектированию систем отопления и вентиляции окомковательных фабрик предприятий черной металлургии (ГПИ Казсан-техпроект Госстроя СССР, Алма-Ата, 1986);
Местные отсосы и укрытия технологического оборудования рудо-подютовительных фабрик (альбом, ГПИ Каэсантехпроект Госстроя СССР, Алма-Ата, 1986);
Разработанные автором методические материалы по расчету и конструктивному оформлению местных отсосов и укрытий нашли широкое применение при строительстве и реконструкции систем аспирации крупнейших предприятий металлургической промышленности Кривбасса (Сев-ГОК, ЮГОК, НКГОК, ЦГОК, КГОКОР); КМА (ЛебГОК. МГОК. ОЗМК); Кузбасса (Ьг <3); Казахстана (ССГОК) и Карелии (КГОК), обеспечивших снижение мощности выбросов пыли и запыленности воздуха, рабочей зоны до уровня ПДК.
В& вац&ву евюсяяся следующие основные положения и результат исследований:
гравитационный поток сыпучего материала характеризуется мак-ромасштабным процессом поступательного движения эжектируеыого км воздуха, закономерности которого могут быть раскрыты на осноес классических законов механики многоскоростных взаимопроникавших континуумов:
эжектирующие свойства потока сыпучего материала определяются аэродинамическим сопротивлением коллектива падающих частиц , которое может быть найдено методом измерения статических давлений в желобе и зависит не только от геометрической формы частиц и числа Рейнольдса, но и от изменения объемной концентрации частиц;
аэродинамические процессы в желоб.ах определяются физико-ме-ханическими свойствами потока сыпучего материала (режимом движении частиц, распределением их в поперечном сечении потока, гранулометрическим составом), геометрическими параметрами келобов (длиной «.е-
лобов и изменением формы поперечного сечения), характером динамического взаимодействия частиц и воздуха (величиной эжекционного напора), межкомпонентным тепло- и массопереносом, формирующим дополнительные силовые параметры (тепловой напор и силы межфазового давления), а также источники и стоки водяного пара;
для коротких желобов (h<0,5) с псевдоравномерным распределением падающих частиц аэродинамические процессы межкомпонентного взаимодействия могут быть оценены одномерными уравнениями динамики равноускоренного потока частиц и равномерного движения эжектируемо-го воздуха; из-за тормозящего действия частиц в начале желоба изменение объемов эжектируемого воздуха носит асимптотический характер - коэффициент скольжения фаз при увеличении числа Бутакова-Нейкова в области Ви>3 практически не изменяется и асимптотически стремится к величине Ртах » (1+п)/2;
закономерности воздушных течений в потоке свободно падающих частиц определяютя геометрическими параметрами потока частиц и характером распределения их объемной концентрации, объемными силами межкомпонентного взаимодействия и силами турбулентной вязкости; в отличие от свободных воздушных струй, течения, индуцируемые свободным потоком частшьхарактериауются увеличением количества движения за счет сил межкомпонентного взаимодействия, а осевая скорость воздуха увеличивается по пути движения частиц, асимптотически приближаясь к их .скорости;
доминирующими факторами, определяющими особенности механизма' эжекции воздуха в канале при частичном заполнении'его сечения потоком сыпучего материала, являются ускоренный характер движения падающих частиц и наличие стенок канала, создающих различные условия подтекания воздуха и усложняющих процесс эжекции; из-за стесненности потока стенками канала в области 1<г<2 возникают замкнутые циркуляции воздуха, при приближении стенок канала к поверхности потока частиц (при г-*1) длина зоны вихря и амплитуда колебаний скорости во внешнем течении уменьшается до нуля, а при удалении стенок длина вихря возрастает и при г-»2 может существовать лишь возвратное внешнее течение, зона которой уменьшается с ростом г;
применением на всех этапах формирования аэрозольных потоков технических средств, разработанных на основе анализа особенностей технологических и пылеаэродинамических процессов, можно на порядок уменьшить интенсивность пылевыделений и снизить валовые выбросы, а за счет управления аэродинамическими процессами в потоке частиц сократить более чем на 50Z энергопотребление обеспыливающих систем.
Апробация рабояи. Основные положения диссертации обсуждены и получили положительную оценку на совещаниях Центральной комиссии по борьбе с силикозом (г.Аппатиты, 10С7,\ г.Днепропетровок, 197? г.).
на XIX, XXI и XXII пленумах республиканской комиссии по борьбе о силикозом (г.Донецк, 1958 г.; г.Киев. 1972), на I и II Всесоюзной научной конференции по механике сыпучих материалов (г.Одесса, 1967, 1971 г.), на 9-ой Республиканской межвузовской конференции по вопросам горения и газовой динамики дисперсных систем (г.Одесса, 1969г.),- на П-ом координационном совещании по промышленной вентиляции (г.Москва, 19*69 г.), нанаучно-технических семинарах-конференциях по промышленной вентиляции (г.Волгоград, 1968,1976 г.), по борьбе с пылью на горнорудных предпрйгиях (г.Москва, 1972 г., 1980 г., *1982 г., г.Кривой Рог, 1980 г., г.Челябинск,1983 г.), по охране труда на промышленных предприятиях (г.Свердловск, ' 1986 г.), на международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов" (г.Белгород, 1995 г.),а также на научно-технических советах и секциях советов в институтах ГПИ Сантехп-роект (г.Москва, г .Алма-Ата, г.Харьков), МеханоОрчерыет, КГРИ и ВНИИБТГ (г.Кривой Рог), Центрогипроруда и ВелГТАСМ (г.Белгород).
Публикащі- По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, в том числе 4 монографии, и получено 22 авторских свидетельства на изобретения.
Сбъеи и огфутура'диссертации. Работа состоит из введения, 12 глав, заключения и 2 приложений, изложенных на 688 страницах машинописного текста (361 с- основной текст; 271 с- рисунка (167) и таблицы (79), 19 с. - список литературы (213 наим.), 37 с. - приложения).
