Разработка системы пылеподавления на основе аэрогидродинамического способа обеспыливания воздуха

А. А. Христофоров

ведущий конструктор ООО «Горный ЦОТ»

а. а. малахов

ведущий конструктор ООО «ВостЭКО»

П. Ю. филатов

старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.807.24^62.397

разработка системы пылеподавления на основе аэрогидродинамического способа обеспыливания воздуха

Составной частью системы пневмогидроорошения является конструкция форсунок эффективного пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа, разработанная инженерами ООО «ВостЭКО». Описана конструкция блока для установки форсунок, а также блока управления. Проведены испытания, по результатам которых доказана эффективность, определены рациональные параметры работы системы. Предложены рекомендации по ее установке на комбайне, количеству и расположению форсунок в пространстве.

Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, ПАРАМЕТРЫ, ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЕ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ОРОШЕНИЕ, ФОРСУНКА, ЭНЕРГИЯ ВОЗДУХА ИЛИ ГАЗА, ВОДОВОЗДУШНЫЙ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ, ТУМАН, ФАКЕЛ, АКТИВНАЯ ЧАСТЬ, ФРИКЦИОННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ВЫДУВАНИЕ МЕТАНА, ОХЛАЖДЕНИЕ РЕЗЦОВ, ПРОВЕТРИВАНИЕ

Состояние вопроса и задачи исследования

По итогам реализации «Долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года» предполагается обеспечить добычу угля объемом не мене 500 млн тонн в год [1].

Решение этой задачи будет осуществляться, прежде всего, за счет повышения производительности труда (в 5 раз к 2030 году) на базе последовательной модернизации и обновления производственных мощностей, внедрения более производительных механизированных и автоматизированных комплексов, повышения конкурентоспособности угольных компаний (не менее чем в 2-3 раза по основному кругу показателей), уровня промышленной и экологической безопасности в отрасли, разработки новых технологий, обеспечивающих добычу угля в сложных местах залегания пластов. К тому моменту в Кузнецком угольном бассейне будут построены новые шахты и разрезы общей мощностью более 50 млн тонн угля в год [1].

Согласно одному из пунктов программы

стратегической целью развития угольной промышленности является повышение уровня безопасности функционирования угледобывающих предприятий.

Основным способом борьбы с взвешенной пылью в угольных шахтах, применяемым на всех очистных и проходческих комбайнах, а так же при погрузочно-транспортных операциях, является орошение. Способ пылеподавления заключается в смачивании, улавливании и осаждении пыли жидкостью, диспергированной на мелкие капли. Эффективность орошения зависит от многих факторов, основными из которых являются: степень диспергирования капель, степень турбулизации потока, скорость капель жидкости в факеле орошения, способность жидкости к смачиванию пылинок. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при использовании низконапорного орошения до 2,5 МПа наибольший эффект может быть достигнут приоптимальнойдисперсности капель в факеле порядка 100 мкм и начальной скорости полета капель 30-80 м/с. Однако при этом эффективно улавливается крупная пыль, а тонкая (менее

3 мкм) остается витать в воздухе. Более высокого эффекта улавливания как крупной, так и мелкой пыли можно достигнуть при повышении давления воды до 10 МПа и оптимальном размере капель до 10 мкм [4].

В настоящее время современные выемочные и проходческие комбайны оснащены различными модификациями типовой оросительной системы с внутренней и внешней разводкой воды. Совершенствование системы проводится главным образом в направлении увеличения энерговооруженности и автоматизации с целью повышения производительности, возможности проведения выработок большого сечения, в том числе по породам повышенной крепости.

Однако проблема борьбы с пылью при работе проходческих комбайнов остается не решенной, несмотря на довольно высокую эффективность пылеподавления (85-95 %) при соблюдении оптимальных параметров орошения. Такая ситуация обусловливается недостатками существующих систем орошения.

К недостаткам системы орошения с подачей воды под резец можно отнести частое засорение форсунок снаружи и изнутри, отсутствие регулирования расхода воды в зависимости от положения исполнительного органа комбайна в забое и его производительности, недостаточно надежную герметизацию соединения водяных каналов, коронки и кулаков. Такое улучшение конструкции, как подача на резец только в момент его контакта с породой, не добавляет надежности. Для систем с внешней разводкой характерны низкая эффективность улавливания тонких фракций пыли, сильное обводнение забоев и зон выработок, переувлажнение угля в результате большого расхода и низкого коэффициента использования воды, ухудшающие санитарно-гигиенические условия труда шахтеров.

Итак, типовая оросительная система горных комбайнов недостаточно надежна и не обеспечивает требуемых параметров орошения в течение длительного времени, а эффективность её работы в производственных условиях обычно ниже требуемой. Поэтому дальнейшее повышение эффективности пылеподавления невозможно за счет увеличения расхода воды -необходимо применение более эффективных, усовершенствованных способов орошения [4].

Выполненные в ООО «Горный ЦОТ» и ООО «ВостЭКО» изыскания возможности создания аэрогидродинамического способа обеспыливания воздуха при работе проходческого комбайна показали, что на его основе возможно создание адаптивной унифицированной систе-

мы, которая позволит упростить конструкцию исполнительного органа и резцов, значительно снизить расход воды.

С 2012 года по 2014 год авторами проведены исследования гидродинамических процессов, аналитические исследования и лабораторные эксперименты, а также компьютерное моделирование физических процессов.

На основании полученных результатов разработаны конструкции блока для форсунок и блока управления системой, определены параметры и оптимальные места расположения оросителей, обеспечивающие пневмогидравли-ческое обеспыливание зоны работы исполнительного органа горного комбайна. Проведены лабораторные испытания на стенде.

Технические решения форсунок для создания водовоздушного тумана с использованием воздуха и воды одновременно, что повышает эффект пылеподавления, использованы в составе системы пневмогидроорошения. Форсунки защищены патентами.

Основные конструкторские решения и принцип действия системы пневмогидроорошения

Результаты проведенных ранее исследований и выполненных разработок позволили определить составные части системы пневмоги-дроорошения (далее - ПГО), а также разработать технологическую схему её применения для проходческих комбайнов.

Система ПГО состоит из двух основных частей: блока с форсунками и блока управления.

Блок управления представляет собой металлический короб, в котором размещены редукционные, управляющий и обратные клапаны, устройства для регулирования расхода, контрольно-измерительная аппаратура, фильтры, а так же запорные вентили, на торцах расположены выходы для фитингового соединения с блоками форсунок. В зависимости от модификации в схему могут быть установлены электронные устройства контроля расхода и давления обоих сред, которые будут включены в электрическую сеть и позволят комбайну работать только при достижении требуемых параметров. С учетом особенностей области эксплуатации системы корпус блока управления изготавливается из толстого листового металла (рис. 1).

Блок форсунок состоит из двух изолированных камер для раздельной подачи воды и воздуха, каждая из которых соединена с отдельными входами распылительных форсунок. Корпус блока изготавливают из и-образного профи-

1 - кран шаровой запорный; 2 - грязеуловитель; 3 - манометр; 4 - редукционный клапан с манометром; 5 - расходомер; 6 - клапан управляющий с пневмоприводом; 7 - регулятор давления; 8 - обратный клапан; 9 - шланг пневмопривода

ля, а так же толстостенной трубы круглого или квадратного сечения. Существуют две модификации блока: с коллектором и без него (рис. 2, 3).

В блок установлены форсунки двух типов, имеющие конусный и плоскоструйный распылы.

Принцип действия системы ПГО следующий. Воздух от компрессора подается к фильтру по шлангу. Поток проходит по магистрали к блоку форсунок через редукционный клапан, понижающий давление воздуха до требуемого. Как только давление в системе выравнивается, за счет пневматического привода срабатыва-

ет управляющий клапан. В это время вода из противопожарного трубопровода под требуемым давлением, которое обеспечивает водяной редукционный клапан, через фильтр поступает в блок к форсункам, где происходит дозированная подача компонентов. Газовый канал особого профиля разгоняет проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. В этот момент подается вода в заданном соотношении. На выходе из сопла форсунки давление и скорость резко понижаются, газ расширяется, происходит разрывание жидкости и превращение в водовоздушную смесь высокой дисперсии.

Рисунок 4 - Общий вид системы с исполнительным органом: размер А - расстояние от форсунки

до оси режущего органа; размер В - межосевое расстояние между форсунками; угол А - угол раскрытия факела форсунки

Методика исследований

Исследования по определению рациональных схем и параметров аэрогидродинамического способа обеспыливания при работе проходческого комбайна проводились на стенде лабораторно-модельным способом (рис. 5), позволяющим выделить из всех совокупностей отдельные факторы и установить их влияние на данный процесс и регулировать в необходимых пределах те или иные параметры процесса, что значительно облегчает постановку экспериментов и сокращает время и затраты на их проведение.

Система испытывалась в широком диапа-

Рисунок 5 - Схема расположения оборудования при испытаниях

зоне параметров, проверялись уязвимые места, которые впоследствии модернизировались или исправлялись. Арматура выбиралась из расчета работы системы на параметрах, оптимальных для работы форсунок.

В ходе испытаний фиксировались следующие параметры: давление воды и воздуха на входе в систему, а также у оросителей, расход воды, скорость потока воздуха от оросителей, проверка времени достижения рабочих параметров, показатели надежности.

Анализ данных позволил прийти к неожиданному, но вполне логичному выводу: факелы форсунок при распылении жидкости эжектируют значительное количество воздуха. Так, при давлении в 0,4 МПа используемая форсунка эжек-тирует не менее 0,6 м3/мин. Учитывая, что при использовании внешнего орошения на комбайне должно применяться от 15 до 25 форсунок конусного распыла и от 2 до 4 плоскоструйного, не сложно посчитать количество воздуха, принимающего участие в процессе пылеподавления. Таким образом, система ПГО в зависимости от количества форсунок создает направленный водовоздушный поток интенсивностью 0,250,5 м3/с. Такое количество тумана с размерами капель от 10 до 200 мкм, имеющее постоянную скорость в зоне выброса под коронкой, превышающую 10 м/с, оказывает влияние на диффузионные свойства вентиляционных потоков по газовому фактору, способствуя вымыванию метана из зоны резания и удаления его из забоя.

Рекомендации по установке блока

относительно режущего органа

Существует единое мнение исследователей о том, что скорость движения капель жидкости в факеле определяет эффективность их соприкосновения с пылинками и имеет решающее значение для осаждения взвешенной пыли в воздухе, а с ее возрастанием увеличивается и длина активной зоны факела диспергированной жидкости. Относительно оптимальной скорости движения капель мнения расходятся: по данным одних авторов, она должна составлять не менее 15-20 м/с., других - 20-30 м/с [2].

Таким образом, на основании аналитических и экспериментальных исследований, нами определено необходимое расстояние, при котором рабочий орган должен находиться в зоне эффективного действия форсунок. Этот показатель напрямую зависит от рабочего давления системы.

Плоскость распыла форсунок, расположенных на торце блока, должна быть перпендикулярна оси симметрии режущего органа. Допу-

93

скается изменять угол, но в пределах ±10°.

Для зоны резания факел форсунок должен быть направлен на основание коронки, для орошения зоны погрузки - в зону падения угля.

С целью увеличения эффективности работы системы гидропневмоорошения, необходимо установить на торцевых поверхностях блоков форсунки с плоским факелом распыла. Водяная завеса, создаваемая форсунками, будет отсекать потоки пылевоздушной массы из места выемки, проходящие рядом с почвой.

Рекомендации по количеству и расположению форсунок Количество форсунок зависит от размеров исполнительного органа.

Межосевое расстояние между форсунками в плоскости выбирается исходя из расстояния до исполнительного органа, так как факелы форсунок должны перекрываться друг относительно друг друга непосредственно перед ним.

Выводы

В настоящей работе дано решение актуальной задачи разработки нового высокоэффективного метода борьбы с пылью при работе проходческих комбайнов.

Разработанная система показала высокую эффективность и надежность работы, что позволяет повысить эффективность работы системы орошения комбайна в целом. На основании многофакторного анализа полученных данных даны рекомендации по конструкции блока, количеству

форсунок, межосевому расстоянию между ними, а также по установке его на комбайне.

Определены рациональные параметры работы системы ПГО:

- давление воды Р = 0,3^1,5 МПа;

- давление воздуха Р = 0,3^0,7 МПа;

- расход воды О = не менее 0,8 л/мин. на одну форсунку;

- расход воздуха О = не менее 0,6 м3/мин. на одну форсунку при давлении Р = 0,4 МПа

Разработан блок управления системой. Установлено, что система позволяет повысить взрывобезопасность шахтной атмосферы при интенсивной выемке породы или угля за счет выдувания метана из режущей области.

К техническим преимуществам системы ПГО относятся:

- упрощенное исполнение конструкции исполнительного органа и резцов за счет использования внешней системы орошения;

- значительное снижение расхода воды;

- выдувание метана из режущей области;

- возможность проверки работоспособности системы способом визуального осмотра;

- простое обслуживание системы;

- удобное регулирование расхода и контроль за давлением и воды и воздуха;

- достаточное охлаждение резцов в зоне резания;

- уменьшение износа резцов;

- снижение затрат на обслуживание и ремонт.

библиографический список

1. Об утверждении долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года : распоряжение Правительства Рос. Федерации от 24.01.2012 № 14-р. - Режим доступа: http//www.rg.ru/pril/64/07/80/14_ghu.doc.

2. Гринюк, А. А. Разработка способа пылеподавления и предотвращения воспламенения метана при работе проходческих комбайнов : дис. ...канд. техн. наук : 05.26.01; защищена 10.10.1985 / Гринюк Алексей Алексеевич. - Кемерово, 1985. - 142 с.

3. Белоногов, И. П. Исследование пылевыделения и совершенствование способов и средств борьбы с пылью на основе водовоздушных эжекторов при работе проходческих комбайнов : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Белоногов Иван Петрович. - Кемерово, 1978. - 23 с.

4. Авраменко, С. М. Повышение эффективности пылеподавления при работе очистных комбайнов на основе аэрогидродинамического обеспыливания : дис. ... канд. техн. наук: 05.26.01 / Авраменко Сергей Михайлович. - Кемерово, 1989 - 165 с.

5. Создать и освоить аэрогидродинамическую систему обеспыливания при работе очистных комплексов для пластов мощностью до 4,5 м с углом падения до 35° : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С. М., Трубицын А. В., Медведев В. Т., Бугримова Э. С., Большаякова Т. В. - Кемерово, 988. - 31 с.

6. Провести исследования по созданию принципиально новых сред, обеспечивающих значительное (по ПДК) снижение запыленности воздуха : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С. М., Трубицын А. В., Удотов С. В., Пищалина Т. Н., Медведев В. Т., Донсков Ю. И., Чикунова Г. В., Большакова Т. В. - Кемерово, 1985. - 60 с.

DEVELOPMENT OF DUST SUPPRESSION SYSTEM BASED ON THE METHOD AEROHYDRODYNAMIC AIR DEDUSTING

A. A. Khristoforov, A. A. Malakhov, P. Yu. Filatov

The construction of nozzles for efficient dust controlusinggasorairenergy,developedbyengineers OOO "VostEKO." is the part of pneumohydraulic spraying system.The unit construction for nozzle installation and control unit are described. Test, the results of which proved the effectiveness, defined rational parameters of the system were carried out. installation Recommendations for combine machine, quantity and an arrangement of nozzles in space are offered.

Key words: DEVELOPMENT, ANALYSIS, PARAMETERS, DUST SUPPRESSION, SYSTEM OF AIR HYDRODYNAMIC DUST SUPPRESSION, SAFETY, CONTROL UNIT, IRRIGATION, NOZZLE, AIR OR GAS ENERGY, WATER-AIR, EFFICIENCY, INCREASE, DISPERSION, FINE DISPERSION, FOG, STRUCTURE, TORCH, LENGTH, ACTIVE PART, FRICTION IGNITION, BLADES COOLING, VENTILATION, PARTICLE SIZE

Христофоров Александр Александрович е-таН: knaz1984@gmail.com

Малахов Андрей Андреевич е-таН: uz.malahov@gmail.com

Филатов Павел Юрьевич е-mail: fillini-f@mail.ru

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМ ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ

КУЗБАССПРОЕКТ]

ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

ЗАО «НИПИ Кузбасспроект» - проектная и научно-исследовательская организация для осуществления деятельности по промышленному проектированию угледобывающих предприятий (угольных шахт и разрезов), углеобогатительных фабрик, предприятий горно-рудной промышленности, объектов энергетики (теплоэлектростанций и электроподстанций, сетей электроснабжения) и объектов общественного назначения, а также научного исследования передовых технологий в промышленности.

Мы готовы предложить Заказчику полный комплекс услуг, от подготовки и сбора исходных данных, проведения научных исследований и подготовке технико-экономических обоснований, бизнес-планирования, выполнения проектно-сметной документации до авторского надзора за строительством и технического аудита производственных процессов. В ЗАО «НИПИ Кузбасспроект» привлекаются лучшие специалисты в сфере проектирования и научные сотрудники КузГТУ, и мы понимаем, что сотрудники являются самым ценным активом организации, а формирование человеческого капитала, обучение персонала, построение эффективной команды позволит получить стратегическое преимущество в сегодня и в будущем.

Для нас важно помочь Заказчику решить имеющиеся проблемы и задачи с получением максимальной экономической и технологической эффективности предприятия.

ЗАО «НИПИ Кузбасспроект»

650025, г.Кемерово

Ул. Володарского, 16

Тел/факс (3842) 48-04-18, 48-04-17

office@nipikp.ru

www.nipikp.ru

95