Управление пылевыделением на карьерах с использованием фазовых переходов влаги

© Ю.В. Шувалов, А.П. Бульбашев, Н.А. Гаспарьян, 2006

УДК 622.8.807.2

Ю.В. Шувалов, А.П. Бульбашев, Н.А. Гаспарьян

УПРАВЛЕНИЕ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕМ НА КАРЬЕРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЛАГИ

Открытые горные работы занимают ведущее место (более 70 %) в добыче полезных ископаемых. Их существенным недостатком являются значительные нарушения и загрязнения природной среды выбросами пыли. Источниками пылеобразования, как при ведении работ, так и после прекращения деятельности карьера, являются такие источники как отвалы, пляжные зоны хвостохранилищ и эрозионные зоны. Загрязнение отходами горного производства, представленными дисперсными и тонкодисперсными материалами (в основном 1,6-0,071 мм) происходит за счет эолового рассеивания складированного материала и попадания его в воздух, почву и т.д.

Несмотря на значительные масштабы проведенных исследований и предложенные конструктивные решения, практические результаты достаточны скромны. В этой связи поиск Ра-циональных средств и способов снижения пылевых выбросов в атмосферу по-прежнему актуальная задача, особенно для карьеров.

Новым способом комплексного воздействия на источники пылевыделения и отложения рыхлых техногенных массивов является круглогодичная система пылеподавления и биопродуктивной рекультивации, основанная на связывании диспергированными водными растворами аэрозолей и аэрогелей, образующихся в процессе добычи и транспортирования (перемещения) горных пород или полезного ископаемого. При этом для повышения эффективности процесса в условиях положительных и отрицательных температур атмосферного воздуха могут быть использованы фазовые переходы воды (пар ^ жидкость ^ твердое вещество), т.е.

127

конденсация и снегообразование. Для повышения продуктивности, образующихся в процессе перемещения горной массы техногенных массивов, и их защиты от ветровой эрозии рекомендуется использовать биопродуктивные добавки к воде, например, сапропель, обладающий клеящими и биопродуктивными свойствами.

Нанесение водных растворов осуществляется с помощь установки, работающей в зимний период как снегообразую-щая, а в летний - как туманообразующая.

Установка (рис. 1) включает в себя всасывающий вентилятор - 6, обеспечивающий в диффузоре - встречное движение потока холодного воздуха в зимний период года навстречу водовоздушному аэрозолю, выбрасываемому пневмогидравлической форсункой - 4 с подмешиваемой к нему струей биопродуктивного раствора, выбрасываемой гидравлической форсункой - 10. Этим же вентилятором нагретая до околонулевых температур исходящая струя воздуха выносит диспергируемый форсункой - 5 биопродуктивный раствор - 10 через конфузор - 2. Диффузор - 1 и конфузор - 2 с форсунками имеют гибкую связь с вентиляторным каналом - 3, что обеспечивает направленное движение струй водного раствора на один или два обрабатываемых объекта (источника пыли). Вентилятор может быть заменен парогенератором с двухсторонним выпуском пара и его струйной эжекцией через диффузор и конфузор (пневмогидравлическая форсунка - снегогенератор отключена), что обеспечивает конденсационное пылеподавление в теплый и холодный период года с сокращенным расходом воды, необходимой для клеящего биопродуктивного раствора и парообразования.

Условия применения конденсационного или снегогенери-рующего модулей с биопродуктивным раствором, или без него, определяются конкретной климатической ситуацией, технологическим процессом производства и требованиями безопасности. Конструкции парогенераторов для взрывоопасных рабочих мест и невзрывоопасных были разработаны Ю.В. Шуваловым и М.М. Сметаниным, а их испытания проведены в условиях шахт «Ленинградская» ООО «Ленинградс-

128

ланец», «Воркутинская» ООО «Воркутауголь» и соляных шахт ОАО «Беларуськалий».

В основе метода лежит подача в воздушный поток струи пара при атмосферном давлении. Пар, поступая в область сравнительно низких температур, постепенно конденсируется_

Рис. 1. Установка для связывания пыли (в летний и зимний периоды года): 1, 2 - конусообразные раструб, 3 - цилиндрический кожух, 4 - пнев-могидравлическая форсунка, 5 - пневмогидравлическая форсунка -туманообразователь, 6 - вентилятор, 7 - канал для подачи воды, 8 - канал для сжатого воздуха, 9 - емкость для хранения биоклеящего раствора, 10 - форсунки для биоклея

образуя капельки воды, которые, соединяясь с частицами пыли, обеспечивают их осаждение.

Динамика паровой струи и её характеристики (угол раскрытия, дальнобойность, расход пара) определяются конструктивными параметрами парогенератора и могут варьировать в широких пределах. Рациональным является применение таких устройств в шахтных условиях и закрытых вентилируемых объектах с стабильными по направлению воздушными потоками.

129

Процесс парообразования требует больших затрат энергии (около 2500 кДж/кг), хотя его плотность весьма невелика (0,8 кг/м3), а эффективность пылеподавления значительно выше, чем у воды и снега (плотность снега 300-400 кг/м3). При этом легкость пара является препятствием для направленного воздействия на обрабатываемую поверхность или объем, так как требует близкого расположения к нему паропровода для предотвращения ветрового уноса. Аналогичный недостаток имеют и современные снегогенераторы, как отечественные (фирма «Росинжиниринг», Санкт-Петербург) так и зарубежные (фирмы Рольбах и Джемини, Австрия; Кашия-ма, Япония). В них используется принцип замерзания тонкодисперсных капель (тумана) в потоке холодного воздуха, что требует значительной высоты подъема подающей мачты (от 3-х до 10 м) или разноса капель потоком ветра (до 30-40 м). В результате их относительно низкие значения расходов электроэнергии на единицу массы образуемого снега (0,001 кВт-ч/кг) и сжатого воздуха (0,02-0,002 м3/кг) оказываются не столь эффективными и требуют высоконапорных насосов (23 МПа) для преодоления сопротивления форсунок, обеспечивающих при малых диаметрах выходного отверстия (1-6 мм) значительные расходы воды (0,6-4,5 м3/ч).

Их применение в условиях горных предприятий оказывается нерациональным, равно как и гидроаэропультов с даль-ноструйным (30-350 м) выбросом диспергированной в форсунках воды, переносимой воздушным потоком, создаваемым вентиляторами-оросителями НК-12-КВ-1М на базе турбовинтовых двигателей с расходом энергии 22000 кВт-ч (расход воды 600-1200 м3/ч). Удельный расход энергии 22 кВт-ч на килограмм снега.

Более перспективным для горных предприятий (карьеров) является использование пневмогидравлических форсунок (рис. 2), в которых диспергирование воды, образование её аэрозоля и ядер кристаллизации происходит в камере смешивания, куда подается через сопло Лаваля сжатый воздух и вода, а аэрозоль выбрасывается через второе сопло Лаваля в атмосферу. Диаметр сопла в испытанных устройствах варьировал от 3 до 15 мм. При диаметре 3-5 мм расход

130

сжатого воздуха составлял 0,5 м3/мин (давление 0,5-1,0 МПа), расход воды 0,3 м3/ч, выход снега 85-90 % с размерами кристаллов 50-250 мкм и плотностью снега 350 кг/м3. Удельный расход элетроэнергии при работе системы составляет 0,001-0,005 кВт-ч на 1 кг снега.

Испытания снегообразователя с вентилятором, пневмо-гидравлической форсункой и противоточным движением струй аэрозоля и холодного воздуха (температура -9 оС) в диффузоре_

Рис. 2. Схема пневмо-гидравлической форсунки: 1 - корпус; 2 - кожух; 3 - канал для подвода воды; 4 - радиальная выточка; 5 - кольцевая щель; 6 - смесительная камера; 7 - диффузор; 8, 10 - каналы для подачи холодного и горячего воздуха; 9, 12 - сопла Лаваля; 11 - кольцевая полость

Результаты испытаний снегообразователя с пневмогидравлической форсункой

Режим испытаний

Температура струи (оС) на расстоянии от вентиля-

3 2 1 форсунка 0

Температура воды 0 оС, вентилятор работает -8 -7 -6 -1

Температура воды 20 оС, вентилятор -7,8 -5 -1 -0,5

131

работает

Температура воды 0 оС, вентилятор -3,0 -0,5 -0,2 ~0

включен

длиной 3 м, проведенные в натурных условиях, позволили установить зависимость изменения температуры струи от температуры воды (0 оС и 20 оС) при работе вентилятора и без него (таблица). Максимальный эффект охлаждения и стабильного снегообразования достигался при работе вентилятора и минимальной температуре воды.

Проведенные исследования подтвердили теоретические оценки эффективности работы системы и доказали возможность её применения для пылеподавления и повышения биопродуктивности техногенных массивов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шувалов Ю.В., Бульбашев А.П., Ильченкова С.А., Гаспарьян Н.А. Установка для связывания пыли. Патент 2230997. Бюл. изобр. № 17, 2004.

2. Шувалов Ю.В., Ильченкова С.А., Гаспарьян Н.А., Бульбашев А.П. Снижение пылеобразования и переноса пыли при разрушении горных пород. Горный информационный бюллетень. - М.: МГГу, 2004, № 10.

3. Шувалов Ю.В. Шахтный парогенератор. Патент 2039294. Бюл. изобр. № 19, 1995.

4. Сметанин М.М., Озерной И.П., Агашков А.И. Очистка воздуха от пыли с помощью паровых завес и влияние пара на устойчивость горных выработок калийных рудников. Крепление и подержание горных выработок в сложных горногеологических условиях. Межвузовский сборник трудов. СПб, 1994, с.131-134.

5. Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н. Конденсационное увлажение аэрозолей и аэрогелей угольной пыли. Записки СПГГИ, 1994, т.139.

6. Конорев М.М., Росляков С.М., Странников О.Г., Зайцев В.Д. Система вентиляции и всесезонного пылегазоподавления. Горный журнал. № 7, 1990.

7. Шувалов Ю.В., Осодоев М.Т. и др. Устройство для получения искусственного снега. Авт.свид. 1132124. Бюл.изобр. № 48, 1984.

8. Шувалов Ю.В., Осодоев М.Т. и др. Устройство для получения искусственного снега. Авт.свид. 1174693. Бюл.изобр. № 31, 1985.

|— Коротко об авторах-

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, Гаспарьян Н.А. - аспирант,

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).

Бульбашев А.П. - кандидат технических наук, ООО «Афанасьевский карьер»