Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров (стр. 11 )

Из анализа формул 59 и 60 следует, что при изотермии (g=0) и положительных температурах (Т0>273 K) за счет интенсивной обработки (b1<0) ПГО можно обеспечить одинаковый инверсионный градиент в атмосфере карьера и ПГО ( В результате расчетов по формулам 62 и 64 установлено, что при g=0, b1= –0,0001 м-1, z*=100м, Т0=290 К уровни выравнивания температур (zT) и конвекции (zк) обработанного ПГО уменьшаются на 40%. Время подъема увлажненного ПГО до одинакового уровня (z=145 м) увеличивается в 1,6 раза.

Предварительную обработку зоны взрыва и ПГО можно производить мобильными вентиляторами‑пеногенераторами ВОКМ‑2‑300П, а последующее активное подавление облака с помощью мощных дальноструйных установок на основе ТВД и двухконтурных турбореактивных двигателей, которые располагаются над зоной взрыва на расстоянии 200-300 м. При этом целесообразно использовать водные растворы безвредных солей кремниевой (Na2SiO3) и угольной (Na2CO3) кислот или цеолиты.

Время предварительной обработки можно определить по формуле:

(65)

где: – плотность воздуха, кг/м3; V3 – объем обрабатываемой зоны, м3; mж – cуммарный массовый расход жидкости у средств местного пылегазоподавления, кг/с, q0 – удельная влажность воздуха после предварительной обработки, кг/кг. Углубление температурных инверсий в ПГО и атмосфере в результате обработки многофазными струями создает реальные предпосылки для предотвращения выхода облака за пределы карьера и активного его подавления.

На основе этих исследований разработан способ пылегазоподавления при массовых взрывах в карьерах.

Процессы вымывания пыли и вредных газов из ПГО при их взаимодействии с каплями жидкости или твердыми осадками можно считать аналогичными скрубберным процессам очистки.

На основании расчетов установлено, что эффективность многофазных струй при воздействии на ПГО составляет 65–90%.

Промышленные эксперименты на карьере ЦГХК показали реальную возможность подавления ПГО с помощью воздушно‑газожидкостных струй. Повысить эффективность процессов подавления ПГО можно за счет введения в гидравлические сопла водных растворов солей угольной (Na2CO3) и кремниевой (Na2SiO3, K2SiO3) кислот. При этом с вредными газами (NOx, CO, СО2), адсорбированными пылевыми частицами, содержащими полярные адсорбенты, происходят химические реакции нейтрализации с образованием геля кремниевой кислоты, который связывает пылевые частицы в крупные агрегаты и быстро осаждается. В процессе оседания гель H2SiO3 высыхает и превращается в пористый хороший адсорбент – силикагель. Удельная поверхность силикагеля 200-600 м2/г, объемная удельная пористость – 0,4 см3/г (0,4 г воды/г), размер «входных окон» – (5-20)×10-10 м (5-20 ангстрем). Это позволяет адсорбировать молекулы СО, NO, CO2, NO2, диаметр которых составляет соответственно 2,8×10-10 м, 3×10-10 м, 4,4×10‑10 м, 4,8×10-10 м. Процесс адсорбции у силикагеля необратимый.

Водные растворы солей кремниевой и угольной кислот (2‑3)-х процентной концентрации необходимо использовать для пылегазоподавления при работе технологического комплекса – для нейтрализации взорванной горной массы при экскавации и транспортировании.

Более высокими адсорбционными свойствами, чем силикагель, обладают природные цеолиты – фожазит, шабазит и др.

Природные цеолиты мелких фракций £100 мк целесообразно использовать в горном деле – для обработки автодорог, перевозимой горной массы, подготовленных к взрыву блоков, рекультивации отвалов и хвостохранилищ, подавления ПГО.

6. Эколого‑экономическая оценка средств нормализации

атмосферы карьеров

Исследования санитарно‑гигиенических характеристик карьерных вентиляторов на основе турбовинтовых двигателей включали: оценку состава отработавших газов (ОГ) и сравнение токсических показателей карьерных вентиляторов с различными видами привода; анализ источников шума, возникающего при работе ТВД; разработку рекомендаций и мероприятий по улучшению санитарно‑гигиенических характеристик.

Для оценки токсических показателей ОГ производился отбор проб, химический анализ которых производился в лабораториях ВГСЧ. Результаты химического анализа и расчеты по теории показали, что уже на расстоянии 5-ти калибров (5-ти диаметров винта) концентрация всех токсичных компонентов не превышает ПДК.

Сравнительный анализ токсических показателей ТВД и дизельного привода показал, что НК‑12КВ‑1М по валовому (приведенному к СО) выбросу эквивалентен двум автосамосвалам БелАЗ‑7519, а по удельной токсичности меньше в 5 раз. Однако, в связи с тем, что основные режимы работы вентиляторов предусматривают введение воды и растворов в гидравлические сопла струи реактивных газов, обеспечивается очистка ОГ от токсичных компонентов за счет абсорбции их жидкостью, адсорбции на поверхности твердого вещества (пыль, сажа) или химической нейтрализации в безвредный газ при использовании водных растворов солей угольной (Na2CO3) и кремниевой (Na2SiO3) кислот. Химические реакции протекают с образованием адсорбента‑силикагеля.

Основными источниками шума, возникающего при работе наземных установок на базе авиационных ТВД, являются: воздушный винт, внутренние агрегаты двигателя и струя выхлопных газов.

Вследствие того, что уровень громкости шума этих источников превышает предельно допустимые значения, возникает необходимость в соблюдении пауз после определенного периода работы установок, что снижает эффективность их использования.

Исследования акустических характеристик производились на карьере ЦГХК у карьерных вентиляторов НК‑12КВ (без кожуха) и НК‑12КВ‑1М (в кожухе, насадке). При этом было установлено, что с изменением режима работы двигателя от малого газа до номинального приращение уровня громкости на 11 Дб дает воздушный винт, поскольку обороты двигателя остаются постоянными, а скорость истечения газов реактивного выхлопа изменяется незначительно.

На основании исследований была разработана система снижения уровня громкости шума вентиляторов на базе ТВД. Основными элементами системы являются: размещение ТВД в профилированном кожухе с двойными стенками, пространство между которыми заполнено вспененным пенополиуретаном; обработка внутренней поверхности кожуха вибродемпфирующей мастикой; установка специальных глушителей шума реактивной струи; введение водных растворов на вход компрессора и реактивную струю; применение индивидуальных средств защиты для машинистов‑операторов. Разработанная система снижения уровня громкости шума обеспечила уменьшение интенсивности звука на 3-11 Дб, а звуковой мощности в 2-5 раз, что позволило уменьшить радиус дискомфортной зоны до 120 м. Результаты интегральной оценки уровней интенсивности звука, замеренных в карьере Целинного горно-химического комбината (ЦГХК), позволили определить рациональные режимы эксплуатации вентиляторов. Установлено, что за счет размещения винтомоторной группы в звукоизолирующем кожухе допустимое время непрерывной работы увеличивается в 2,4 раза, интегральный уровень интенсивности звука (Вт/м2) снижается в 3 раза.

Важнейшими показателями систем пылегазоподавления являются экономические. Из выполненного нами анализа на примере карьера «Мурунтау» при использовании для привода карьерных вентиляторов энергии природного газа, авиационного керосина или электроэнергии установлено, что предпочтение следует отдать природному газу. Разработкой энергетических газоперекачивающих станций на базе авиадвигателей занимается НПО «Энергия». В связи с этим перевод ТВД на природный газ проблемой не является.

На основе сравнения систем с применением пылегазоочистки (СПГО) на рабочих местах и всесезонного пылегазоподавления для карьера «Мурунтау» установлено, что по капитальным и эксплуатационным затратам, они сопоставимы, однако первые не решают экологическую проблему – сокращение ущерба, наносимого окружающей среде деятельностью технологического комплекса карьеров: СПГО предназначены только для кабин горного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная цель выполненной диссертационной работы – формирование рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспечения экологической безопасности окружающей среды.

Результаты теоретических, лабораторных исследований и промышленных испытаний средств и систем всесезонного пылегазоподавления на базе ТВД в условиях карьеров Урала, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья, разработанные теоретические основы аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров при воздействии газовоздушных и многофазных турбулентных струй и при массовых взрывах вносят существенный научный и практический вклад в решение проблем обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер-окружающая среда» и развитие аэрологии карьеров, рудничной аэрогазодинамики и горной теплофизики.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. На основании теоретических исследований, лабораторных и промышленных экспериментов установлено, что искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализацию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылегазоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй.

2. Установлено, что регулирование и управление искусственно создаваемыми процессами и их интенсивностью при нормализации пылегазового и климатического режимов в атмосфере карьеров и в воздухе прилегающих к ним территорий достигается при включении в состав технологического комплекса средств и систем экологического мониторинга и управляемых по полученной от них информации (по радио-телеканалам связи средств и систем экологического мониторинга. Предложена кардинальная модернизация системы экологического мониторинга «Диспетчер–2», прошедшей промышленные испытания на карьерах НГМК (Узбекистан) и комбинате «Магнезит»».