Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и обоснование выбранных направлений исследований 14
1.1. Характеристика узлов загрузки вагонов 14
1.2. Обзор данных литературы и практики локализации пылевыделений 21
1.3. Влияние пылевыделений на условия труда операторов погрузки 38
1.4. Выбор методов и постановка задач исследований 41
Выводы 43rj
2. Исследования динамики ветрового воздействия на погрузочные узлы 44
2.1. Аналитические исследования эффективности локализа ции" пылевыделений в вентилируемых тоннельных кана лах .44
2.2. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик тоннельных каналов корпусов погрузочных бункеров 67
2.3. Анализ и опытно-промышленная проверка расчетных зависимостей 88
Выводы 96
3. Разработка методики расчета производительностеи систем вытяжной вентиляции при загрузке вагонов из бункеров 98
3.1. Выбор расчетных скорости и направления ве -трового потока 98
3.2. Определение оптимальной производительности системы вентиляции 107
Выводы 115
4. Повышение экономичности процесса юкажзации пылевы-делений при загрузке вагонов с агломашин 117
4.1. Разработка схемы и расчет систем вентиляции с непосредственной утилизацией пыли 117
4.2. Определение необходимых размеров укрытия агло-машины 132
4.3. Эконоглическая эффективность применения систем вентиляции, с непосредственной утилизацией пыли 136
Выводы 142
5. Улучшение условий труда операторов погрузки 143
5.1. Разработка методики расчета воздушно-струйного ограждения зоны визуального контроля 143
5.2. Промышленные испытания устройства для обеспыливания зоны визуального контроля выводы 165
Заключение 166
Литература
- Влияние пылевыделений на условия труда операторов погрузки
- Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик тоннельных каналов корпусов погрузочных бункеров
- Определение оптимальной производительности системы вентиляции
- Определение необходимых размеров укрытия агло-машины
Введение к работе
Черная металлургия является одной из основных отраслей социалистического общественного производства и занимает ведущее положение в создании материально-технической базы коммунизма. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 г." поставлена задача обеспечить опережающее развитие сырьевой базы отрасли. При этом указано на необходимость "Широко использовать ... ресурсосберегающую технологию, всемерно ... утилизировать вторичные ресурсы. ... Совершенствовать технологические процессы и транспортные средства, с целью сокращения выброса вредных веществ в окружающую среду". Существенным фактором дальнейшего роста производства железорудного сырья является также оздоровление условий труда. В Программе Коммунистической Партии Советского Союза отмечено: "Всемерное оздоровление и облегчение условий труда - одна из важных задач подъема народного благосостояния. На всех предприятиях будут внедрены средства техники безопасности и обеспечены санитарно-гигиенические условия, устраняющие травматизм и профессиональные заболевания".
Современная технология производства железорудного сырья включает процессы измельчения, грохочения, смешивания, транспортировки и термической обработки исходных материалов: руды, кокса, известняка и агломерационной мелочи-возврата. Осуществление этих технологических процессов сопровождается выделением пыли, водяных паров, тепла и вредных газов. В настоящее время наиболее полно разработаны вопросы борьбы с пылью при транспортировке и переработке материалов, осуществляемых в закрытых производственных помещениях, где подвижность воздуха регламентирована санитарными нормами. Известны работы С.Е.Бугакова [і] , А.М.Гервась-ева [2-6] , О.Д.Нейкова [7-9] , И.Н.Логачева [10-12] , ряда зарубежных исследователей [13-Іб] и другие, посвященные пылеподав-лению при транспортировке и переработке сыпучего материала. Не решенным до настоящего времени оставался вопрос локализации пы-левыделений от технологических узлов, находящихся вне помещений и подверженных ветровому воздействию. На фабриках окускования железных руд к ним относятся узлы загрузки железнодорожных вагонов агломератом и окатышами.
Процесс загрузки вагонов сыпучим материалом сопровождается интенсивным выделением пыли. Распространение пыли под действием ветра приводит к загрязнению приземного слоя атмосферы на территории промышленной площадки. Инфильтрация запыленного воздуха через неплотности в смотровых окнах помещения операторов погрузки вызывает недопустимое повышение концентрации пыли на рабочих местах. Ухудшение видимости при пылеобразовании повышает напряженность зрительной работы операторов и усложняет контроль за наполнением вагонов материалом.
Таким образом, эффективная локализация пылевыделений в узлах загрузки вагонов агломератом и окатышами диктуется необходимостью охраны атмосферы от загрязнения и улучшения условий труда операторов погрузки. Вместе с тем, неорганизованное распространение пыли приводит к безвозвратным потерям железосодержащего с сырья и преждевременному абразивному износу трущихся частей подвижного состава. Ослабление визуального контроля за погрузочным процессом влечет за собой недоиспользование грузоподъемности вагонов, либо присыпь материала на железнодорожное полотно и необходимость производства специальных работ по его расчистке. Поэтому предотвращение распространения пыли регламентируется не только санитарными требованиями [17], но и техническими условиями эксплуатации погрузочных узлов и железнодорожного транспорта [18].
Традиционным способом локализации пылевыделений при перегрузке сыпучих материалов является устройство максимально-уплотненного укрытия перегрузочного узла, из полости которого отсасывается запыленный воздух. Воздух, проходя промежуточную стадию очистки в пылеуловителях, выбрасывается вентиляционной системой в атмосферу. Выделенное в пылеуловителях технологическое сырье утилизируется через шламовое хозяйство.
Трудность решения вопроса о локализации пылевыделений при загрузке вагонов агломератом и окатышами обусловлена, с одной стороны, технической сложностью устройства и эксплуатации герметичного укрытия погрузочного узла, с другой - отсутствием в специальной литературе данных о взаимодействии ветрового потока с отсосом воздуха из негерметичного укрытия источника пылевы-деления. Поэтому настоящая работа посвящена исследованию эффективности защиты негерметичных (тоннельных) укрытий погрузочных узлов от сквозного проветривания средствами местной вытяжной вентиляции; разработке метода расчета производительноегей вентиляционных систем для условий ветрового климата местности; изысканию способов уменьшения затрат на локализацию пылевыделений, В работе исследован также способ улучшения условий труда операторов погрузки, заключающийся в обеспыливании воздушной среды в зоне визуального контроля, расположенной между смотровым окном оператора и загружаемым материалом.
Исследования выполнены в соответствии с целевой комплексной программой НИР MB и ССО РСФСР "Человек и окружающая среда".
Влияние пылевыделений на условия труда операторов погрузки
Обеспечение нормальных условий труда операторов, контролирующих процесс заполнения вагонов агломератом и окатышами и управляющих погрузочными желобами, предусматривает выполнение санитарно-гигиенических требований к состоянию воздушной среды рабочей зоны, установленных ГОСТ [51] , а так же выполнение требований к освещенности объекта, за которым осуществляется визуальный контроль, согласно СНиП [52]. Вполне очевидно, что выполнение указанных требований зависит от степени запыленности (оптической прозрачности) воздуха в зоне визуального контроля, расположенной между рабочим местом операторов и загружаемым материалом (объектом наблюдения).
В погрузочных узлах, оборудованных тоннельными каналами, наблюдение за заполнением вагонов материалом производится в большинстве случаев со стороны бокового борга вагона из отдельной кабины (фабрики окомкования ССГОКа и СевГОКа), либо из смежной с каналом галереи (аглофабрики № I и 2 (проектируемая) КГОКа и НКГОКа) через смотровые окна, расположенные напротив погрузочных желобов. Исключением являются рабочие места операторов в погрузочных узлах аглофабрики ЖМЗ и фабрики окомкования КЦТОКа, находящиеся вне отдельных помещений соответственно на перекры -тии тоннельного канала и в проходе между загружаемыми вагонами. Однако, в связи с значительной запыленностью воздушной среды в рабочей зоне операторов погрузки (по данным (33] до 300 500 мг/м3 для условий аглофабрики ЖМЗ) и невозможностью использования средств местной вентиляции для улучшения условий их груда, такой выбор рабочих мест не является правомерным.
Следует отметить, что устройство изолированных помещений гак же является недостаточным для снижения запыленности воздуха на рабочих местах операторов до нормируемого уровня. Согласно [53], концентрация пыли у пульта управления в кабине оператора корпуса погрузочных бункеров № 2 фабрики окатышей ССГОКа достигала 80 мг/м3, что обусловлено инфильтрацией запыленного воздуха из полости тоннельного канала через неплотности смотрового окна. С целью снижения уровня запыленности, авторами разработаны и внедрены телескопические погрузочные желоба, уменьшающие интенсивность пылевыделения за счет предотвращения свободного падения материала при загрузке вагона. Основные конструктивные и технологические характеристики желобов представлены в работах [34,53,54]. По приведенным в работе [53] данным, устройство телескопических желобов позволило уменьшить концентрации пыли на рабочем месте оператора до 6 8 мг/м3 при суммарном расходе отсасываемого воздуха (от желобов и непосредственно из полости канала) 106,3 тыс.м3/ч. Вместе с тем, согласно [34], среднее время загрузки 61 т вагона-хоппера при использовании телескопических желобов составило 230 сек, что в четыре раза превышает тот же показатель для аналогичных погрузочных узлов фабрик окускования КГОКа, где применяются более простые по конструкции "ломающиеся" желоба. Значительный расход вентиляционного воздуха и снижение производительности погрузочного узла, вследствие усложнения технологии процесса заполнения вагонов материалом, являются существенными недостатками данного способа защиты от запыления рабочей зоны операторов погрузки.
Помимо отрицательного воздействия на органы дыхания, выделение пыли в полость тоннельного канала вызывает значительное повышение напряженности зрительной работы операторов. Это подтверждается опытно-промышленными исследованиями изменения оптической прозрачности воздушной среды в зоне визуального контроля и освещенности загружаемого материала в период заполнения вагона, проведенными в погрузочном узле аглофабрики КГОКа (методика и результаты исследований изложены в разделе 5). Следует отметить, что невозможность осуществления надежного визуального контроля за погрузочным процессом влечет за собой неточность дозировки вагонной тары: запаздывание (опережение) момента поднятия погрузочного желоба на 5 сек приводит, при 80 сек загрузке 61 т вагона-хоппера, к просипи (недогрузу) 3,8 г материала. Уборка просыпи требует дополнительных трудозатрат на обслуживание погрузочного узла. В производственной практике нашел применение механизированный способ уборки просыпи посредством перемещения её бульдозером в тупик железнодорожного полотна с последующей перегрузкой в вагон грейферным краном (аглофабрики ЖЗ и НКГОКа), а так же полностью автоматизированный способ уборки, заключающейся в удалении просыпи в расположенные под железнодорожным полотном приемные бункера с периодической выгрузкой ее на ленточные конвейеры (фабрика окомкования КЦГОКа). В то же время, в большинстве погрузочных узлов очистка от просыпи железнодорожного полотна производится ручным способом. Так в погрузочных узлах фабрик окускования КГОКа уборка просыпи осуществляется операторами погрузки в течение 30 40 мин в конце рабочей смены.
Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик тоннельных каналов корпусов погрузочных бункеров
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости экспериментального определения значений функций: для наиболее характерных величин у и f , с целью проведения практических вычислений коэффициента для удлиненных тон -нельных каналов одноточечных погрузочных узлов по (2.35).
Помимо коэффициента f , вычисление воздухообмена, соз -даваемого ветром в невентилируемом тоннельном канале одноточечного погрузочного узла, предполагает также, согласно (2.31), задание величин л E//7WX И &- . Установим параметры, от которых зависят названые величины. Выше отмечалось, что значения A и могут рассматриваться как коэффициенты линейного уравнения (2.30), связывающего коэффициент аэродинамического сопротивления канала внешнему (ветровому) потоку л F// с квадратом относительной скорости воздуха, создаваемой в проемах канала под действием-ветра 7? . В разделе 1.2. было показано, что определение величины А EL/ предполагает проведение специальных экспериментальных исследований по моделированию ветрового воздействия на негерметичные сооружения с объемно-планировочными решениями, характерными для погрузочных узлов. Поэтому вопрос о параметрах, от которых зависит названная величина, может быть решен на основании теории о механическом подобии потоков жидкости, являющейся основой проведения эксперимента на моделях [69 71 и др.] .
Первым условием такого подобия является геометрическое, которое выполняется при равенстве соотношений размеров сходственных элементов натуры и модели, а так же если сходственные элементы одинаково ориентированы к направлению набегающего потока. Поскольку сходственные габаритные размеры корпусов погрузочных бункеров рассматриваемого объемно-планировочного решения не имеют сущест 64 венного расхождения, геометрическая форма таких сооружений может быть описана безразмерным параметром, характеризующим степень удлинения тоннельного канала. В качестве такого параметра удобно принять отношение длины дополнительного тоннельного укрытия к корню квадратному из площади его проходного сечения А? . Ориентацию корпуса к набегающему потоку опишем углом с/, между вектором скорости потока и осью тоннельного канала (см.рис.2.2).
Второе условие - кинематическое подобие потоков жидкости -выполняется при равенстве отношений составляющих векторов скорости жидкости в сходственных точках окрестности модели и натуры и в невозмущенном потоке. Вполне очевидно, что применительно к настоящей задаче, существенным для выполнения кинематического подобия является условие: 1? idem .
Третьим условием является динамические подобие потоков жидкости, т.е. подобие сил давления, тяжести, трения и инерции, действующих в сходственных точках потоков. Поскольку искомая величина л/те/ представляет собой оношение разности сил давления, осредненных по площади торцевых проемов тоннельного канала к силе инерции невозмущенного ветрового потока, она может быть определена из условиялодобия указанных сил. При моделировании установившегося турбулентного течения несжимаемой вязкой среды подобие данных сил выполняется при равенстве чисел Фруда {Рг ), Рейнольдса ( &е ) и степени турбулентности , характеризующих потоки жидкости в натурных условиях и на модели.
Из вышеизложенного следует, что коэффициент внешнего аэродинамического сопротивления тоннельного канала погрузочного узла в общем случае может быть представлен как функция следующих па -раметров: Выделим теперь параметры, которые являются определяющими применительно к задаче о ветровом воздействии на здания и сооружения. Поскольку течение воздуха в приземном слое атмосферы характеризуется безразличной температурной стратификацией и незначительным изменением гидростатического давления, роль гравитационных сил при обтекании относительно невысоких преград пренебрежимо мала. Поэтому соблюдение условия / = іс/вл? в данной задаче необязательно. Анализ литературных данных по изучению влияния масштаба моделей зданий на распределение сил давления по их поверхностям позволяет сделать вывод о том, что при турбулентном режиме точения воздуха процесс обтекания зданий может рассматриваться как автомодельный по отношению к числу &е. . Это отмечено, например, в работах [4I,49,72j. Автомодельность обусловлена наличием у зданий острых кромок, строго фиксирующих точки срыва потока и определяющих кинематическую схему обтекания.
Определение оптимальной производительности системы вентиляции
Из вышеизложенного следует, что отличительной особенностью схемы вентиляции, предусматривающей непосредственную утилизацию агломерационной пыли, является транспортировка воздуха от пыле -приемников тоннельного канала погрузочного узла к спекательному оборудованию (в укрытие агломашины) без промежуточной стадии очистки. Поэтому, при разработке схемы вентиляция должно быть учтено основное требование - нагнетатели вентиляционной сети не должны подвергаться преждевременному износу вследствие высокой абразивности железосодержащей пыли. Указанное требование позволяет сделать вывод о рациональности применения эжекционного побуждения для транспортировки запыленного воздуха. Принципиальная схема местной вытяжной вентиляции тоннельного канала многоточечного погрузочного узла с эжекционным отсосом воздуха показана на рис.4.1. Локализация пылевыделений, по приведенной схеме, достигается следующим образом. Воздух в количестве У в удаляется вентилятором из полости тоннельного канала через дополнительную пылеприемную воронку расположенную между укрытиями погрузочных желобов и, проходя грубую очистку в простейшем пылеуловителе, нагнетается в эжектор. Эжектор отсасывает воздух из полости канала в количестве Уэ через основную пылеприемную воронку, установленную на укрытии погрузочного желоба. Смешанный воздух в количестве Ус = У& + Уз транспортируется по напорной сети эжектора в укрытие агломерационной машины.
Отсасывание эжектирующего воздуха из полости тоннельного канала позволяет предотвратить падение температуры смешанного воздушного потока, а также установить производительность эжектора по смешанному потоку в пределах требуемой для локализации пылевыде-лений. При этом производительность вентилятора составляет лишь часть производительности вентиляционной системы: и определяется эффективностью работы эжектора. Давление, развиваемое вентилятором, связано с параметрами работы эжектора и пылеуловителя соотношением: где ct - коэффициент запаса на потери давления в сети воздуховодов. Отметим, что требуемая для локализации пылевыделений производительность системы вентиляции (при неравномерном распределении ее между точечными местными отсосами) может быть определена путем последовательных вычислений по зависимостям (2.31),(2.16) и (2.14). Вместе с тем, для возможности указанного расчета необходимо экспериментальное исследование внешней и внутренней аэродинамичес -ких характеристик тоннельных каналов узлов загрузки вагонов с агломашин, аналогичное выполненному в настоящей работе примени -гельно к узлам загрузки вагонов из бункеров (см.раздел 2.2).
Необходимые энергозатраты на очистку эжектирующего воздуха, зависящие от аэродинамического сопротивления пылеуловителя, а так же затраты на утилизацию уловленной пыли через шламовое хозяйство аглоцеха, могут быть оценены как сравнительно незначительные, ввиду заниженных требований к эффективности пылеочистки и сокращения объема очищаемого воздуха. Таким образом, разработанная схема вентиляции тоннельного канала многоточечного погрузочного узла,является экономичной и удовлетворяет требованию пред -отвращения абразивного износа нагнетателей. Устройство для бес -пылевой загрузки материалов в вагоны, работающее по данной схеме, защищено авторским свидетельством [89J.
О целью получения расчетных зависимостей для определения экономически-выгодных эксплуатационных параметров систем вентиляции тоннельных каналов многоточечных погрузочных узлов, работающих по схеме (рис.4.1), рассмотрим схему нагнетания отсасываемого из тоннельного канала воздуха на спекание агломерата, приведенную на рис.4.2. Нагнетание осуществляется с помощью эжектора низкого давления с соосным подводом эжектируемого воздуха. Для преобразования кинетической энергии смешанного воздушного потока в избы -точное статическое давление, необходимое для преодоления сопротивления напорной сети эжектора, между смесительным участком и сетью установлен диффузор. Напорная сеть эжектора соединена переходником с укрытием агломерационной машины. Укрытие представляет собой короб прямоугольного поперечного сечения, установленный на ограждении спекательной ленты. Для обеспечения равномерного разрежения в полости укрытия, оно выполнено с переменной высотой по длине агломашины. Согласно приведенной на рис.4.2 схеме, воздух нагнетается в укрытие по напорной сети эжектора со стороны разгрузочного узла агломашины и расходуется на спекание агломерата. Ввиду того, что необходимый для спекания расход воздуха превышает воздухообмен в тоннельных каналах многоточечных погрузо -чных узлов (см.л.1.2), дефицит расхода компенсируется за счет воз -духозабора из помещения аглоцеха, осуществляемого через монтаж -ные неплотности укрытия агломашины. Отвод газа от слоя аглоспека производится эксгаустером через вакуум-камеры и сборный коллектор. Отметим, что при обеспечении равномерного разрешения в полости укрытия расход воздуха через слой аглоспека и неплотности укры -тия может быть принят равномерно распределенным по его длине.
Определение необходимых размеров укрытия агло-машины
Ожидаемый экономический эффект от внедрения систем вентиляции тоннельных каналов многоточечных погрузочных узлов, работающих по схеме (рис.4.1), складывается из следующих основных элементов: - сокращения капитальных затрат на оборудование вентиляционной системы; - сокращения затрат на эксплуатацию пылеочистного оборудования и шламового хозяйства аглоцеха; - сокращения эксплуатационных затрат на обработку и нагнетание приточного воздуха, требуемого для компенсации технологического воздухозабора из помещения спекания; - увеличения количества железосодержащего сырья,возвращаемого в процесс производства агломерата (предотвращения потерь сырья с вентиляционными выбросами).
Произведем расчет экономического эффекта путем сравнения технико-экономических показателей сйсгеглы вентиляции тоннельного канала погрузочного узла, работающей по схеме (рис.4.1),и существующей в настоящее время для условий аглофабрики ЖМЗ. Основное технологическое оборудование (шесть агломашин типа АМ-85Д60) и вентиляционная система узла загрузки вагонов данной аглофабрики имеют наибольшую производительность из числа аглофабрик с многоточечными погрузочными узлами (см.прилЛ). С целью получения, исходных данных для расчета, осуществим подбор вентиляторов и пылеуловителей для предлагаемой системы вентиляции и определим основные параметры ее работы.
Для нахождения экономически выгодного коэффициента эжекции, найдем величину обобщенного параметра // по зависимости (4.28),приняв следующие значения входящих в нее величин: - ориентировочные коэффициенты потерь и запаса мощности электро двигателей вентиляторов, согласно [91] ,: /? =0,96; V = = 0,9; К =1,15; - ориентировочная стоимость 1000 кВт час электроэнергии, согласно [95], /4,=Юруб; - средняя стоимость переработки 1000 т железосодержащего продукта в шламовом хозяйстве аглофабрик, по данным института . "Урал-механобр", Црп - 950 1000 руб; - ориентировочный коэффициент запаса на потери давления в сетях вентиляторов и коэффициент полезного действия вентиляторов: Асб = ІД; f = 0,65; - средняя концентрация пыли в отсасываемом из тоннельного канала воздухе для условий аглофабрики ЖМЗ, согласно [33], с - 0,0219 кг/м3.
В качестве пылеуловителей, предназначенных для защиты вентиляторов от абразивного износа, примем групповые циклоны НИИОГАЗа ВД-І5 и определим их характеристики лР0і/ и следующим образом. Потери давления в пылеуловителях типа ЦН-І5 рассчитываются, согласно [8б], по зависимости: % = г - (" и « +"J, (4 где vT0„ - оптимальная скорость воздуха в аппарате, 2 =3,5 м/с; с f - коэффициент сопротивления одиночного циклона диа метром 0 = 500 мм, установленного в сети с ог-водом отходящего воздуха, =160; /Ґ/ / // - соответственно коэффициенты, учитывающие диаметр циклона, начальную запыленность воздуха и групповую компановку циклонных элементов :/ -=1 ( 500 ш), / = 0,92 ( с = 0,020 кг/м3), И5 =28. Принимая в расчет максимальную плотность отсасываемого вентиля -ционной системой воздуха у = 1,185 кг/м3 (см.п.4.1), по (4.33 ) определяем: лр = 1,185x315 (1x0,92x16028) = 1272 Па. 2 Коэффициент очистки воздуха в пылеуловителе определим по общепринятой методике [86, 95] , исходя из дисперсного состава пыли и осредненных фракционных коэффициентов очистки циклонов ЦН-І5. Формула для расчета имеет вид: р =/ ? j[ f. р. (4.34) где /?. - фракционный коэффициент очистки в %; $& - весовое содержание / -той фракции пыли в %; Пр - количество выделенных фракций. Принимая значения - и " в соответствии с данными работ \Ъ2\ и. [29], по (4.34) находим: f = I0 4(35xl+80x3,5+93,5x15,5+98,8хЗС+99,7хІОь99,9x40) = 0,972. Вычисляя обобщенный параметр Л по (4.28)
