Совершенствование аспирационного обеспыливания воздуха при производстве нерудных строительных материалов

Таким образом, видно, что применение аварийных ситуаций в качестве расчетных позволяет использовать их для создания новых устройств защиты. Кроме того, это представляет интерес и для проектирования, так как одним из перспективных применений является возможность за счет устранения недопустимых режимов работы понизить коэффициенты запаса канатов и элементов механизмов.

Библиографический список

1. Патент РФ №2161118 Устройство для защиты от напуска канатов шахтной подъемной установки Чудогашев Е.В., Дмитриев ЕА, Жедтовский Е.Ю., Корняков М.В.

2. Перспективные изобретения, сборник рефератов, Информационно издательский центр (ИНИЦ) Роспатента, 1999,

3. Чудогашев Е.В., Корняков М.В. Проблемы защиты шахтных подъемных установок II Природные и интелектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2001: Материалы 4-й междунар, науч.- практ, конф,, ГУ Кузбас, гос. тех. ун-т. - Кемерово, 2001,

С.С.Тимофеева, Ю.В.Шешуков

Совершенствование аспирационного обеспыливания воздуха при производстве нерудных строительных материалов

Нерудные строительные материалы во многом определяют качество и стоимость сооружаемых объектов. Почти 100% строительных горных пород добывается открытым способом. Покрытие потребности в нерудных строительных материалах в настоящее время, в основном, происходит за счет интенсификации и увеличения мощности действующих предприятий. Одним из путей в этом направлении является внедрение циклично-поточных технологий. Вариантом такой технологии для притрассовых и приобъектных карьеров является применение автомобильно-конвейерного транспорта и передвижных дробильно-сортировочных установок с расположением их в карьере или на его борту.

Повышение производственных мощностей карьеров по добыче строительных горных пород на основе циклично-поточных технологий одновременно еще более обостряет и проблему защиты окружающей среды. Основная задача при этом - снижение загрязнения атмосферы как в карьере, так и на прилегающей к нему местности. Основными источниками загрязнения атмосферы карьера являются его внутренние источники пыле- и газообразования, Наибольший вклад в загрязнение вносят источники пылеобразования. Основными источниками пыли являются дробильно-сортировочные установки и перегрузочные узлы.

Технологический процесс переработки горной массы на щебень на передвижных дробильно-сортировочных установках включает процессы дробления, сортировки и транспортирования исходного материала и готовой продукции, Устойчивые очаги выделения пыли образуются над загрузочным отверстием дробилок, рабочей поверхностью сита грохота и в месте поступления материала на транспортеры. Наи-

более интенсивными очагами пылевыделений являются узлы загрузки транспортеров,

Результаты изучения состояния вопроса борьбы с пылью при эксплуатации передвижных дробильно-сортировочных установок показали, что комплекс технических мероприятий, применяемый для снижения уровня запыленности при процессах дробления, сортировки и перегрузок горной массы на передвижных дробильно-сортировочных установках, в основном, заимствуется из условий стационарных дробильно-сортировочных цехов различных производств. При этом в большинстве случаев не учитываются резко выраженная специфика реализации циклично-поточной технологии, связанная с размещением дробильно-сортировочных установок непосредственно в карьере, вне помещений и часто в условиях длительного действия отрицательных температур, а также технологические особенности производства щебня, обусловленные ограничением предельного содержания пылевых частиц в готовой продукции,

Наиболее приемлемым способом борьбы с пылью при таких ограничивающих условиях является аспирация, то есть устройство герметизированных укрытий в местах выделения пыли с отсосом из них запыленного воздуха и последующей его очисткой в пылеуловителях сухого типа. При этом аспирационное обеспыливание очагов пылевыделений снижает загрязнение рабочей и окружающей среды, способствует повышению качества продукции за счет отделения пылевых частиц, Эффективность применения аспирационного обеспыливания обеспечивается не только устройством аспираци-онных установок оптимальной производительности, но и эффективностью работы аспирационных укрытий и пылеуловителя.

27

в

На кафедре промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности ИрГТУ выполнен цикл исследований в направлении дальнейшего совершенствования аспирационного обеспыливания воздуха при работе дробильно-сортировочного оборудования различных производств, в том числе и при эксплуатации передвижных дробильно-сортировочных установок.

Анализ известных вариантов конструкций укрытий дробильно-сортировочного оборудования, узлов загрузки ленточных транспортеров показал, что они предназначены для условий, когда унос пыли из укрытия ограничен или вообще недопустим, Вышеуказанные признаки не отвечают технологическим особенностям производства щебня в части содержания в нем пылевидных частиц, а также в некоторых случаях их низкая эффективность, сложность конструкции и габариты исключают безоговорочное применение таких укрытий на передвижных дробильно-сортировочных установках.

На основании результатов выполненных исследований разработана и испытана в производственных условиях [1] конструкция укрытия с внутренними наклонными стенками для узлов загрузки транспортеров. Укрытие представляет собой П-образный металлический кожух с наружными вертикальными и внутренними наклонными стенками, с пылеприемным (аспирацион-ным) патрубком на верхней крышке укрытия. Наличие внутренних наклонных стенок, расположенных в зоне поступления материала в укрытие, обеспечивает удаление локальных зон повышенного давления от наружных стенок укрытия, исключает настилание пылевоз-душной струи на ленту транспортера и способствует ее отклонению к верхней крышке укрытия, что в свою очередь приводит к перераспределению пылевоздуш-ного потока в укрытии. Кроме того, сочетание наружных и внутренних наклонных стенок образует вентилируемые камеры и обеспечивает поддержание достаточной скорости воздуха в них, исключающей возможность выбивания пыли через неустранимые неплотности. Герметичность соединения наружных стенок с лентой транспортера достигается с помощью эластичных уплотняющих фартуков, внутренних стенок -транспортируемым материалом. Для предотвращения выноса пыли через неустранимые неплотности за пределы укрытия в нем создается разрежение за счет отсоса запыленного воздуха. Необходимая величина разрежения создается по условию устойчивого притока воздуха через неплотности внутрь укрытия,

Исследования динамики пылевоздушных потоков в укрытии показали, что режимно-геометрические параметры укрытия определяются характером распространения пылевоздушных потоков внутри его и условиями уноса пыли из укрытия. В основу оценки уноса пыли из укрытия положено утверждение о том, что пыль, поступающая с горной массой в укрытие, за счет отсоса из него воздуха делится в нем на две части. Одна часть пыли, содержащая преимущественно крупные

фракции, будет оседать в укрытии (улов), другая часть, основную массу которой составляют мелкие фракции, будет аспирироваться из укрытия (унос). При этом общая масса поступающих, осевших и уносимых частиц оценивается по интегральной функции весового распределения пылевых частиц в виде 1 >2 >2 \g{r)dr = \g(r)dr - \g(r)dr,

О О rt

где g(r) - функция, равная выраженному в процентах отношению массы всех частиц, размер которых меньше г, к общей массе пыли; ri - размер частиц наибольшей крупности, аспирируемых из укрытия; г2 -размер частиц наибольшей крупности, поступающих в укрытие.

Первый член уравнения представляет интегральную функцию распределения частиц пыли, аспирируемых из укрытия; второй - интегральную функцию распределения частиц пыли, поступающих в укрытие; третий -интегральную функцию пылевых частиц, осевших в укрытии. Разность второго и третьего членов уравнения -степень уноса пыли из укрытия,

Степень уноса пыли из укрытия может быть определена по интегральной кривой весового распределения частиц пыли под укрытием. Действительно, если на графике интегральной функции весового распределения частиц пыли из какой-либо точки на оси ординат, соответствующей степени уноса пыли из укрытия, провести прямую, параллельную оси абсцисс, то она разделит кривую на две части. Диаметр, по которому при этом разделится кривая, соответствует такому размеру частиц, по которому пыль разделится на две части. Если этот диаметр соответствует размеру частиц наибольшей крупности, которые аспирируются из укрытия, то доля массы частиц с диаметром меньше его будет соответствовать степени уноса пыли из укрытия.

Исходя из условия, что из укрытия аспирируются витающие частицы, достигшие всасывающего отверстия пылеприемного патрубка и имеющие скорость витания меньше или равную скорости воздуха зо всасывающем отверстии его, получена зависимость для определения размера аспирируемых частиц наибольшей крупности в виде

d = Redv/up,

где Red - число Рейнольдса; v - вязкость воздуха; ир -расчетная скорость уноса частиц пыли (м/с), определяемая соотношением скоростей воздушного потока в укрытии и всасывающем отверстии патрубка,

Скорость воздуха в укрытии (оу) соответствует условию kyUy>u8 (где ку - коэффициент пропорциональности вертикальной и горизонтальной составляющих скорости потока; ов - скорость витания частицы), при котором обеспечивается движение частицы во взвешенном состоянии. Скорость воздуха во всасывающем отверстии патрубка (и), отвечающая условию уноса частиц: ко>о0 (где к - коэффициент, учитывающий

и о

В1 Науки о Земле_

неравномерность распределения скорости воздуха во всасывающем отверстии),

Значения скорости воздушного потока в укрытии и всасывающем отверстии патрубка определяют соотношение размеров укрытия и патрубка в виде

# = +1)0'5 -1],

где Н - высота укрытия, м; И - высота пылеприемного патрубка, м; $ - площадь всасывающего отверстия патрубка, м2; О - объем аспирируемого воздуха, м3/с;

- скорость воздуха в укрытии, м/с; а - коэффициент, учитывающий соотношение геометрических параметров пылеприемного патрубка.

Зависимость соотношений И и Н получена на основе взаимодействия двух потоков воздуха, действующих на частицу в укрытии. Один поток совпадает с направлением движения ленты транспортера, другой -создается за счет отсоса воздуха из укрытия и направлен к всасывающему отверстию патрубка. В результате взаимодействия этих потоков частица движется по траектории, касательная к которой совпадает с равнодействующей скорости всасывания и скорости потока, движущегося вдоль укрытия. При этом возможность уноса частицы пыли в патрубок реализуется при замыкании траектории движения частицы на кромку всасывающего отверстия патрубка.

В соответствии с вышеприведенным утверждением о том, что разделение пыли в укрытии за счет отсоса из него запыленного воздуха на две фракции

га=£-гн /юо,

где 2Н - начальная концентрация пыли в укрытии, мг/м3; е - степень уноса пыли из укрытия.

Степень уноса пыли из укрытия определяется по интегральной кривой весового распределения взвешенных частиц пыли под укрытием и значению диаметра частиц максимальной крупности, аспирируемых из укрытия.

Полученные зависимости режимно-геометрических параметров и параметров отсасывания укрытия позволяют при заданном объеме аспирируемого воздуха определить параметры укрытия и степень уноса пыли из укрытия, отвечающие условию максимально возможного удаления из него пыли.

С целью разработки пылеуловителя, приемлемого для условий эксплуатации передвижных дробильно-сортировочных установок, были выполнены необходимые исследования по установлению возможности применения электромагнитного пылеосадителя для очистки аспирационного воздуха от пыли, не обладающей ферромагнитными свойствами. Основными конструктивными элементами этого устройства являются коль-

цевой электромагнит переменного тока и фильтрующий элемент, Фильтрующий элемент представляет собой слой зерен ферромагнитного материала, который размещается внутри электромагнита, Подача запыленного воздуха осуществляется снизу вверх.

Электромагнитный пылеосадитель представляет собой, в определенной степени, один из возможных вариантов зернистого фильтра, пылеосадительное действие и очистка зернистого слоя которого интенсифицированы вращающимся магнитным полем. Фильтрующее действие слоя зерен основано на осаждении и удержании пылевых частиц на поверхности ферромагнитных зерен при соприкосновении их с этими поверхностями. Очистка слоя от уловленной пыли осуществляется за счет постоянной вибрации ферромагнитных зерен, гравитационных и аэродинамических сил,

Установлено, что максимальная эффективность улавливания пыли фильтрующим элементом и его самоочистка достигаются при условии, что его зерна имеют между собой контакт и совершают непрерывные колебательные движения (вибрируют), Такое состояние слоя возможно при условии, когда сумма сил и моментов, удерживающих зерна элемента, больше сил и моментов, вызывающих поступательное движение. Колебательное движение ферромагнитных зерен при этом обеспечивается за счет ударов соседних зерен, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия (механические колебания), а также за счет неподвижности зерен относительно вращающегося магнитного поля (магнитострикционные колебания), Соответствующие расчеты показали, что для вышеприведенного процесса определяющими являются электромагнитные силы, действующие на ферромагнитные зерна фильтрующего слоя. Максимальное значение сил имеет место у поверхности кольцевого электромагнита, минимальное - в центре,

На основании выполненных теоретических предпосылок и соответствующей экспериментальной проработки создана конструкция центробежно-электромагнитного пылеуловителя [2]. Центробежно-электромагнитный пылеуловитель состоит из электромагнитного пылеосадителя, циклонообразной насадки и бункера для сбора уловленной пыли. Электромагнитный пылеосадитель представляет собой кольцевой электромагнит переменного тока, внутри которого находится фильтрующий элемент из ферромагнитных зерен дугообразного сечения.

Фильтрующий элемент имеет форму полого цилиндра, который нижней частью примыкает к стенке электромагнита. Применение фильтрующего элемента такой формы повышает эффективность пылеосаждения и самоочистки за счет приближения слоя ферромагнитных зерен к периферийной зоне электромагнита, имеющей максимальную напряженность электромагнитного поля. Внутри циклонообразной насадки распо-

дагается воздухоподводящий патрубок, который состоит из цилиндрической и конической частей, образующих кольцевую камеру с разгрузочной щелью, наличие ее полностью исключает аэродинамическое воздействие восходящего воздушного потока на оседающий из фильтрующего элемента поток пылевых частиц.

Пылеуловитель работает следующим образом, Запыленный воздух поступает в циклонообразную насадку. Крупные фракции пыли улавливаются в насадке. Неуловленные мелкие фракции пыли с восходящим потоком воздуха поступают в фильтрующий элемент электромагнитного пылеуловителя. Уловленные в элементе частицы выпадают в кольцевую камеру, а затем через разгрузочную щель - в зону вращающегося потока воздуха в насадке и далее - в бункер, Непрерывная самоочистка фильтрующего элемента от уловленной пыли осуществляется за счет постоянной вибрации ферромагнитных зерен под действием вращающегося магнитного поля, гравитационных и аэродинамических сил, обусловленных разнонаправленным движением воздушного потока в порах зернистого слоя.

Теоретическими исследованиями процесса пылео-саждения в пылеуловителе установлена взаимосвязь факторов пылевоздушного потока и режимно-геометрических параметров основных элементов пылеуловителя, влияющих на эффективность пылеулавливания в наиболее неблагоприятном режиме работы в виде

с0 = (/ - ^ / ) ехР(-л^;с / б>; )с„,

где С0 - количество выходящей из пылеуловителя пыли; Сн - количество поступающей в пылеуловитель пыли; 5 - площадь поверхности пылеосаждения в циклооб-разной насадке; Б,, - площадь поперечного сечения для прохода запыленного воздуха; иос - скорость движения частиц пыли к поверхности осаждения; г>с - средняя скорость пылевоздушного потока в циклонообразной насадке; Э' - площадь поверхности пылеосаждения в фильтрующем элементе; - площадь поперечного сечения для прохода запыленного воздуха; и'ос - скорость движения частиц пыли к поверхности осаждения; и'с - средняя скорость пылевоздушного потока в фильтрующем элементе.

Анализ вышеприведенной зависимости с учетом возможных значений составляющих показал, что эффективность пылеулавливания зависит от соотношения геометрических параметров основных элементов пылеуловителя, размера пылевых частиц, действующих на частицу сил, и аэродинамических характеристик воздушного потока. Приведенное общее соотношение получено при допущениях, что все частицы одного размера и имеют одинаковую скорость осаждения, распределение скоростей газа в пылеуловителе является равномерным.

Необходимые экспериментальные исследования выполнялись в направлении проверки результатов тео-

ретических исследований, получения эмпирических зависимостей для оценки эффективности пылеулавливания и оптимизации параметров пылеуловителя, отвечающих условиям максимальной эффективности и минимальным потерям давления в пылеуловителе.

На основании результатов экспериментальных исследований получены зависимости остаточной концентрации пыли в воздухе после его очистки и потерь давления в пылеуловителе в виде:

для определения остаточной концентрации {10, мг/м3)

= 0,0074 . (ш'5>61----О-----,

0,034 + 0,86  О

для определения потерь давления (Н, н/м2) Я = 1Шд2е~21с1{\6,6* + 0,35), где 1Н - начальная концентрация пыли в очищаемом воздухе, мг/м3; О - расход очищаемого воздуха, м3/с; \ - расчетная толщина слоя зерен фильтрующего элемента, м; с1 - расчетный размер (крупность) ферромагнитных зерен элемента, м.

Вышеприведенные зависимости позволяют обосновать параметры пылеуловителя, обеспечивающие требуемую степень пылеочистки применительно к режиму работы дробильно-сортировочной установки. Для упрощения необходимых вычислений по приведенным выше формулам составлены номограммы. Формулы и номограммы для расчета конструктивных параметров аспирационных укрытий и пылеуловителя позволяют также определить конструктивные и технологические параметры системы пылеулавливания в целом, обеспечивающие требуемую эффективность ее применения.

Лабораторные исследования и производственные испытания, практика эксплуатации укрытий и пылеуловителя и системы сухого пылеулавливания в целом на передвижной дробильно-сортировочной установке средней производительности типа СМ-739/740 показали удовлетворительную сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также возможность обеспечения требуемого состояния воздушной среды в зоне ее работы по пылевому фактору [3, 4, 5]. Установлено снижение содержания пылевидных частиц в очагах пылевыделений и перерабатываемой горной массы по стадиям последовательного передела и технологического процесса в целом дробиль-но-сортировочной установки.

Библиографический список

1. Шешуков Ю.В. Обеспыливание перегрузочных узлов дро-бильно-сортировочных установок II Результаты внедрения средств борьбы с пылью на угольных и горнорудных предприятиях Сибири и Дальнего Востока; Сб. научн, тр,-Кемерово, 1979, - 195с,

2. А.с. 1212489 СССР. Пылеуловитель / Ю.В. Шешуков, В.А. Петрищев, - Опубл, 30,05.86, Бюл. №20.

3. Тимофеева С,С., Шешуков Ю.В, Обоснование основных параметров центробежно-электромагнитного пылеулови-

n

j Науки о Земле _

теля II Человек, Среда, Вселенная: Материалы международной научно-практической конференции, - Иркутск, 1997. - 198 с. 5,

4, Шешуков Ю.В. Защита окружающей среды от загрязнения пылью при эксплуатации передвижных дробильно-сортировочных установок II Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окру-

жающей среды: Материалы международной конференции. - Иркутск, 1996, - 93 с,

Тимофеева С,С,, Шешуков Ю.В. Аспирация и обеспыле-вание узлов пересыпки щебня II Человек. Среда, Вселенная: Материалы международной научно-практической конференции, - Иркутск, 1997, - 198 с.