Состояние исследований и перспективы применения систем вентиляции и пылегазоподавления в атмосфере карьеров

© М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко, 2008

М.М. Конорев, Г. Ф. Нестеренко

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ КАРЬЕРОВ

Лроблема нормализации атмосферы карьеров возникла в конце 50-х - начале 60-х годов прошлого века при глубине свыше 100-150 м и появлением на них первых отечественных большегрузных экологически несовершенных карьерных автосамосвалов МАЗ-525, которые явились основной причиной начавшихся простоев карьеров из-за сверхнормативного загрязнения их атмосферы вредными примесями в периоды штилей и температурных инверсий. К решению данной проблемы подключился ряд НИИ, ВУЗов, и возникла новая область науки «Аэрология карьеров», которая комплексно рассматривает создание способов и средств нормализации условий труда на открытых горных работах.

В период с конца 50-х и до конца 70-х годов прошлого столетия шли интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на улучшение естественного проветривания и разработку средств и способов искусственной вентиляции карьеров.

В этот период был создан ряд экспериментальных установок на базе реактивных двигателей ВК-1, РД-3М-500, промышленных вентиляторов, разработан специальный карьерный вентилятор ПВУ-6, тепловые установки - «метеотроны», на базе вертолетных винтов (МИ-2, Ми-4) и винтомоторных групп самолетов, начиная с АН-2 и кончая Т-114 (ТУ-95), рассматривались способы проветривания карьеров через подземные выработки и специальные трубы. По всему этому перечню библиографические данные приведены в работе [1].

Одной из главных стратегических ошибок исследователей в области искусственной вентиляции карьеров было то, что делались

9

попытки проветрить карьер с помощью одной установки без учета того, что дефицит энергии неустойчивости атмосферы карьера при инверсии температуры во много раз превышает величину энергии струи единичного вентилятора, т.е. АЕу>>Еву.

Наиболее ярким примером этого являются исследования, выполненные на карьере трубки «Мир» АК «АЛРОСА» в период его эксплуатации, где был выполнен основной объем испытаний единичных тепловых установок (УТСМ и др.), установок местного проветривания на базе вертолетного (УМП-21) и самолетного (УМП-1) винтов, с помощью которых делались безуспешные попытки нормализовать атмосферу этого карьера.

Исследователями школы карьерных аэрологов, созданной профессорами К.В.Кочневым и С.С.Филатовым в ИГД МЧМ СССР, разработан, теоретически и экспериментально обоснован типажный ряд карьерных вентиляторов различного назначения и доказана необходимость создания систем искусственного воздухообмена и пылегазоподавления в атмосфере карьеров.

Эта идея была успешно реализована в конце 70-х начале 80-х на уранодобывающих карьерах Целинного и Приаргунского горнохимических комбинатов с использованием турбовентиляторов НК-12КВ [2, 3]. Главным результатом этих исследований является то, что была доказана возможность нормализации атмосферы за счет разрушения температурных инверсий, кондиционирования воздуха и пылегазоподавления с применением газовоздушных и многофазных турбулентных струй. Пылегазоподавление в атмосфере карьеров при отрицательных температурах производится с помощью искусственно генерируемых твердых осадков (снега, рис. 1).В связи с ужесточением экологических требований в ИГД УрО РАН была разработана с использованием системы вентиляции и пылегазоподавле-ния технология активного подавления пылегазового облака (НТО) в момент массового взрыва ВВ в карьере (рис. 2) [4].

Сущность ее заключается в искусственном формировании инверсии над зоной взрыва путем предварительной обработки ее воз-душно-газо-жидкостными (многофазными) струями. В результате последующего активного воздействия многофазных струй в атмосфере происходит углубление температурной инверсии. Наряду с возникновением инверсии в ПГО это обстоятельство способствует уменьшению уровня конвекции (высоты

10

Рис. 1. Работа турбовентилятора НК-12 в режиме генератора снежных осадков

подъема) и предотвращает его выход за пределы атмосферы карьера.

Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов. Применяемые организационно-технические и технологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов загрязняющих веществ(ЗВ) в окружающую среду. Однако при отсутствии осадков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического комплекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют прилегающие к карьерам территории - почву, воздушную и водную среды. При мороси и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота, бензапирен, сажа и др.), выделяющихся с отработавшими газами автотранспорта. Поскольку ПДК ЗВ для окружающей природной среды, в частности для «селитебных зон», значительно (~ на порядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок,

11

то в данном случае следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсирован в виде платы за выбросы ЗВ. Кроме того, даже при благоприятных условиях происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при выносе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхности выработанного карьерного пространства. Следовательно на всех технологических процессах необходимо применять адсорбенты, в качестве которых можно использовать силикагель (раствор «жидкого стекла») или природные цеолиты (фожазит, шабазит и др.). Процесс адсорбции у этих экологически безвредных адсорбентов необратимый и происходит на молекулярном уровне. С экологической точки зрения производство массовых взрывов при высокой ветровой активности не допустимо без применения средств активного подавления ЗВ и экологического мониторинга.

При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства горных работ. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ приводят к экономическому ущербу предприятий и свидетельствуют о низкой эффективности организационно-технических мероприятий и средств по регулированию пыле-газового режима в атмосфере карьеров. В связи с этим необходимость применения технических средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусственного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воздушный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер-окружающая среда», в т.ч. и при нормальном (естественном) воздухообмене.

Регулирование и управление аэрогазодинамическими и теп-ломассобменными процессами можно обеспечить при включении в состав технологического комплекса карьеров средств и систем экологического мониторинга и управляемых по полученной от них информации по радио-телеканалам связи средств всесезонного пы-легазоподавления. При этом может быть использована система спутниковой навигации GPS - «ГЛАНАС».

Рис. 2. Активное воздействие воздушно-газожидкостныш струй на пытегазо-вое облако: 1 - орошение зоны блока перед взрывом; 2, 3, 4 - динамика воздействия воздушно-водяной струи на пылегазовое облако.

Государственной программой РФ в ближайшее время предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа», на юге Якутии. В связи с этим проблема обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда» потребует кардинального решения при открытой разработке месторождений полезных ископаемых в сложных горно-геологических и суровых природно-климатических условиях (продолжительность штилевых периодов в сочетании с приземными инверсиями достигает 3500 час/год).

Накопленный положительный опыт промышленной эксплуатации средств и систем всесезонного пылегазоподавления, состояние теоретических исследований и НИОКР дают основания для перехода от «чистой вентиляции» карьеров к технологиям создания нормальных условий труда (совместно с комплексом организационно-технических мероприятий) и защиты окружающей среды путем подавления вредных примесей в рабочей зоне карьера.

Определенную реальность имеет перспектива использования генераторов осадков на базе турбовинтовых и двухконтурных дви-

13

гателей (ТВД и ДТРД) при решении проблемы утилизации (уничтожения) ракетных твердотопливных двигателей (РДТТ).

В соответствии с договором о сокращении наступательных вооружений (СНВ-2) РФ приняла на себя перед международным сообществом обязательство об уничтожении (утилизации) ракетных твердотопливных двигателей (РДТТ): СС-25 «Тополь» - 253 ракеты; СС-24 - 66 ракет; СС-Н-20 морского базирования - 91 шт. Корпуса РДТТ сделаны из прочного стеклопластика, внутри их залито в жидком состоянии ракетное топливо, которое после отвердевания образует с корпусом двигателя монолитную конструкцию. Топливо представляет собой механическую смесь неорганического окислителя с полимерным горючим-связкой. В состав топлива входят - углерод, водород, азот, хлор, алюминий, железо.

Способ гидроразмыва РДТТ и утилизации измельченного топлива в качестве компонентов промышленных ВВ (фирмы «Тиокол Кемикал», «Юнайтед Технолоджи»), апробированный в США, и на Украине (г.Павлоград), положительных результатов не дал вследствие низкого качества образующихся продуктов [5-7].

Исходя из своих государственных интересов США воспрепятствовали внедрению этого способа в РФ. В связи с этим было принято решение о ликвидации РДТТ способом открытого сжигания. На полигонах Капустин Яр и Сыроозерска таким способом с 1987 по 1991 г. было ликвидировано около двух тысяч ракет средней дальности РСД-10, ОТР-22 и ОТР-23.

В 1992 г. Министерство обороны РФ объявило конкурс на наиболее экономичную и экологически чистую установку по утилизации ракетных твердотопливных двигателей. В результате предпочтение было отдано фирме «Локхид Мартин». Установка включает камеру сжигания - герметический цилиндр Ь = 50 м и d = 7 м, изнутри облицованный огнестойким и коррозионно-стойким материалом. В зависимости от типа РД ТТ процесс сжигания продолжается (3-6) мин. при 1 = 3000 оС и давлении 1,24 атм.

Сравнительный состав продуктов сжигания по обоим способам приведен в таблице.

Сравнительные данные по составу газовой смеси при сжигании двигателя первой ступени ракеты СС-25

Продукты До очистки (открытый способ После очистки по тех-

сгорания) нологии фирмы «Лок-

14

сгорания кг % хид Мартин», кг

Водород 719 3,0 803

Пары воды 433 2 42134

Оксид углерода 6918 27,2 5742

Азот 3478 13,7 3478

Хлористый водород 3508 13,8 70

Двуокись углерода 333 1,3 2181

Летучие

органические со- 0,2 0,22

единения

Растворимые

органические со- 0,4 -

единения

Оксид алюминия 10028 39 148,3

Применение технологии «Локхид-Мартин» планировалось на заводе - изготовителе РДТТ в г. Воткинске. Однако из-за протестов населения и экологов строительство объекта утилизации ракетных двигателей не состоялось.

Основным недостатком технологии «Локхид-Мартин» является высокое требование к состоянию корпусов ракетных двигателей, в связи с чем производится отбраковка большого количества РДТТ на открытое сжигание.

Кроме того, эффективность по нейтрализации оксида углерода не превышает 17 %, количество парникового газа (С02) увеличивается ~ в 7 раз, возрастает и количество летучих органических соединений (таблица).

Существенным недостатком технологии «Локхид-Мартин» является применение только одного реагента (КаОИ) для частичной нейтрализации хлористого водорода.

В настоящее время способом открытого сжигания РДТТ производится ликвидация их на полигонах Оренбургской области, г. Бийске и г. Перми, что вызывает справедливое возмущение населения этих регионов.

В качестве альтернативного технического решения может быть предложена технология ликвидации РДТТ в газовом эжекторе или подземных горных выработках с обработкой выходящих газов многофазными струями карьерных вентиляторов (рис. 3, 4) [8].

15

Для нейтрализации вредных примесей в продуктах сгорания в горных выработках размещаются перфорированные контуры, через которые вводятся водные растворы КаОН, солей кремниевой и угольной кислот (Ка28Ю3, Ка2СО3). В результате химических реакций образуются:

А1С13 (после сушки) можно использовать в качестве катализатора в процессах органического синтеза, гидроокись алюминия -для получения алюминия электролитическим способом с применением криолита [9].

Образующаяся в результате химических реакций кремниевая кислота (Н28Ю3) превращается в хороший адсорбент силикагель. Удельная поверхность его составляет (200-600) м2/г, объемная удельная поверхность - 0,4 см3/г, размер «входных окон» - (5 -20)-10-10 м (5 - 20 ангстрем). Это позволяет адсорбировать отрицательные ионы хлора и молекулы - СО, КОх, СО2, КО2, размер которых составляет соответственно 1,8-10"10м, 2,8-10"10м, 3-10"10м, 4,4-10"10м, 4,8-10"10м. Ионы хлора являются источником образования диоксинов, концентрация которых более одного пикограмма (10-12) вызывает мутации на генном уровне.

Указанный состав химических регентов вводится также в гидравлические сопла генераторов осадков 6 (рис. 3, 4) для окончательного обезвреживания выходящих из газового эжектора и горных выработок продуктов сжигания.

Для повышения эффективности процессов подавления вредных примесей можно использовать природные цеолиты мелких фракций (10 - 100) мк.

Л1203 + 6НС1 = 2 А!С!3 + 3Н20

Ыа2 &03 + 2 НС1 = Н2$03 + 2 ЫаС1

Ыа2$03 + 2Н20 ^ Н2$03 + 2Ыа0Н

3Ыа2С03 + 2Л/С/3 + 3Н20 2А1 (0Н)3 + 6ЫаС1 + 3С02

Ыа2 $03 + 2НЫ0Ъ = 2 ЫаЫ03 + Н2 $03

16

Рис. 3. Схема ликвидации РДТТ с применением газового эжектора: 1 - генератор осадков; 2 - емкость для нейтрализующих растворов; 3 - ракетный двигатель; 4 - газовый эжектор; 5 - перфорированный контур; 6 - многофазная струя генератора; 7 -неизотермическая газовая струя

Рис. 4. Схема ликвидации РДТТ в тоннеле: 1 - тоннель; 2 - ракетный двигатель; 3 - автоматические герметичные перекрытия; 4 - вентилятор; 5 - емкость для нейтрализующих растворов; 6 - генератор осадков; 7 - многофазная струя генератора; 8 -газовая струя; 9 - шламоотстойник; 10 - перфорированные контуры для введения нейтрализующих растворов; 11 - каналы подвода нейтрализующих растворов; 12 - вентиляционный канал

Природные цеолиты - группа минералов вулканическо-осадочного происхождения, каркасные алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов. Структура цеолитов напоминает пчелиные соты, в которых содержатся молекулы воды и катионы щелочных и щелочно-земельных металлов (Ыа, К, Са, Ва, Бг и др.). Размер сот у различных цеолитов колеблется в пределах (3-10)-10~ 10м (3-10 ангстрем). Катионы А13 и 81+4 находящиеся в сотах цеолитов, могут переходить в раствор, уступая место эквивалентному количеству ионов другого типа (В, Оа, Ое, Р и др.), без изменения строения кристаллической решетки. При нагревании цеолиты выделяют воду и вспучиваются, а после дегидратации способны вновь поглощать воду и адсорбировать молекулы других веществ -КН3, КО2, Н28, углеводородов, спиртов, металлорганических и других соединений. Они названы «молекулярными ситами» из-за их способности просеивать молекулы и сортировать их по размерам [10-12]. Эта структура определяет уникальные адсорбционные, ка-тионообменные и каталитические свойства минералов, которые одновременно обладают высокой кислоустойчивостью и термостабильностью.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конорев М.М. Искусственная вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьеров. - Дисс. на соис. уч. степени докт.техн.наук. - М.: МГГУ, 1999. -363 с.

2. Конструктивные особенности и технико-экономические показатели карьерного вентилятора-оросителя НК-12КВ-1М /С.С.Филатов, М.М.Конорев, Г.Ф.Нестеренко и др. //Горн.журн. - 1981. - № 6. - С. 43-46.

3. Система вентиляции и всесезонного пылегазоподавления /Конорев М.М., Росляков С.М. и др.//Горн.журн.- 1990. - № 7. - С. 47-49.

4. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. К вопросу снижения негативного воздействия на окружающую среду массовых взрывов в карьерах //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - № 1. - С. 109-113.

5. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую природную среду. Справочное пособие. Под общей редакцией Адушкина В.В., Козлова С.И., Петрова А.В. Издательство «Анкил», М., С 512 - 514.

6. Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых твердых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники. Сборник, ФГУП «ФНПЦ «Алтай», г.Бийск, 2003 г., С.7 - 10.

7. http://intd.uniudm.ru/proi/votk2.ru/buk1et.teacher.HTMJ.htm

8. Конорев М.М. К вопросу разработки экологически безопасной технологии ликвидации крупногабаритных твердотопливных ракетных двигателей

19

РДТТ с использованием горных выработок. / Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. и др.// Материалы 1-го Уральского международного экологического конгресса «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов: Том 1. Геоэкология. Инженерная экология. - 2007. - с.320. - 322.

9. Глинка Л.М. Общая химия. - М.: Госхимиздат, 1958. - 732 с.

10. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. - М.: Мир, 1976. - 781 с.

11. Кубасов А. А. Цеолиты - кипящие камни // Соросовский Образоваель-ный журнал. - 1998. - №7. - С.70 - 76.

12. Белицкий И.А. Практическое освоение природных цеолитов и перспектива использования нетрадиционного цеолитового сырья /И.А. Белицкий, Б.А. Фурсенко// Природные цеолиты России: тез.докл./ Тамбов. НИХИ. - Новосибирск: Наука СО, 1992. - С. 5-10. ЕЕН

— Коротко об авторах -

Конорев М.М. — доктор технических наук, зав. лабораторией экологии горного производства (ЭГП), Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург,

Нестеренко Г.Ф. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории ЭГП, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.

© П.В. Бересневич, А.В. Веснин, Ю.А. Монастырский, 2008

20