Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров (стр. 7 )

Предотвращение срыва пыли с поверхности земли может быть достигнуто путем поддержания ее влажности в нужных пределах или укрепления связующими составами. Наиболее приемлемым закрепителем является битумная эмульсия 50-60%-ной концентрации с удельным расходом битума 0,5‑0,6 кг/м2. Обладая хорошей устойчивостью против ветровой эрозии (при скоростях ветра до 15 м/с) и способностью восстанавливать свои первоначальные свойства после увлажнения поверхности, эмульсия образует на поверхности устойчивую пленку. Результаты проведенных экспериментов на карьерах ССГОКа позволили сделать вывод о целесообразности использования мобильных установок типа АИ-20КВ для укрепления откосов отвалов из песчаных и глинистых грунтов с помощью различных химических реагентов, а также для гидропосева семян трав с одновременным внесением минеральных удобрений и связующих эмульсий.

4. Исследование эффективности средств и систем управления

процессами нормализации состава атмосферы карьеров

Гидравлические и диффузионные процессы, происходящие при искусственном проветривании карьеров, весьма сложны, и теоретический расчет их без проведения предварительных экспериментальных исследований практически невозможен. Однако качественную и количественную оценку этих процессов можно дать на основе метода объемного физического моделирования. Он позволяет произвести выбор комплекса средств пылегазоподавления и режимов их работы при восстановлении естественного воздухообмена путем разрушения температурных инверсий с минимальными затратами. Тем самым можно избежать нерационального расхода материальных ресурсов на создание комплекса средств пылегазоподавления.

Исследования эффективности методом объемного физического моделирования проводились для многих предприятий и предшествовали внедрению систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах ГБРУ НТМК, ЦГХК и ПГХК.

Объемному физическому моделированию предшествуют: энергетическая оценка атмосферы карьеров и экологическая – технологического комплекса. Первая производится по методике, изложенной в главе 1. При этом предварительно определяется состав комплекса для восстановления естественного воздухообмена путем разрушения температурных инверсий (формулы 1, 4, 5, 7).

При экологической оценке технологического комплекса определяется количество пылегазовых выбросов в атмосферу карьера и окружающую среду. На основе этого можно рассчитать расход воздуха (Qн) на выходе струй для поддержания концентрации примесей на оптимальном уровне, меньшем ПДК:

, (27)

где: – потребность карьера в свежем воздухе (по пылевому и газовому факторам) для разжижения вредных примесей до ПДК, м3/с; =0,15 – относительная концентрация вредных примесей в окружающем карьер воздушном бассейне; – оптимальный уровень снижения относительной концентрации примесей в цикле общеобменного проветривания, для ориентировочных расчетов =0,5; К – коэффициент эффективности проветривания, К=0,5¸0,7; – коэффициент обмена; tв – время проветривания, с; Vк – объем атмосферы карьера, м3; FS – суммарная интенсивность выделения вредных примесей кг/с; [c] – ПДК, кг/м3.

При исследованиях микроклимата в атмосфере карьеров используются данные многолетних метеонаблюдений по ветровым потокам, температуре и влажности воздуха. С учетом розы ветров и профиля сечения карьера определяется характер схем естественного воздухообмена – прямоточная, рециркуляционная и рециркуляционно‑прямоточная. Это позволяет предварительно определить место расположения средств общеобменного проветривания и пылегазоподавления при объемном физическом моделировании.

При большой глубине карьеров необходимо учитывать неравномерность распределения вредных примесей по высоте. В связи с этим в состав вентиляционного комплекса должны входить установки, создающие как наклонные и горизонтальные струи, так и вертикальные.

В работе приведены результаты исследований эффективности массообменных процессов при искусственной вентиляции методом физического моделирования на примере карьера ЦГХК. При моделировании соблюдались геометрическое, кинематическое и динамическое подобие модельных и натурных объектов. Вследствие нестационарности процесса диффузии определяющим частичное динамическое и диффузионное подобие является критерий гомохронности:

, (28)

где: U – скорость воздуха в сходственных точках модели и натуры, м/с; L – характерный линейный размер, м; t – время процесса, с; Fo=L2/Dt – диффузионный критерий Фурье; Pe=D/UL – диффузионный критерий Пекле; D – коэффициент турбулентной диффузии, м2/с.

С учетом того, что mt=tн/tм, из формулы 28 можно определить временной масштаб протекающих в карьере и его модели диффузионных процессов при искусственной вентиляции:

, при mu=1 mt=mL.

Для «динамических» схем искусственного воздухообмена карьеров – с поступательным или угловым перемещением струй внутри карьерного пространства – критерий гомохронности позволяет определить масштабы скоростей перемещения турбулентных струй.

В результате обработки лабораторных исследований получены значения функций изменения безразмерной концентрации примесей во времени – и рассчитывались скорости снижения концентрации (рис. 7, 8а), по значениям которых определялись наиболее эффективные схемы искусственного воздухообмена. Экспериментально установлено, что эффективность процессов искусственного воздухообмена с применением перемещающихся в карьерном пространстве турбулентных струй повышается на (25 – 30)%.

Для схем, обеспечивающих максимальную текущую среднюю скорость снижения концентрации, определялись рекомендуемые режимы работы системы пылегазоподавления (рис. 8б).

Время работы комплекса в режиме общего воздухообмена рассчитывается по формуле: , (29)

где: – продолжительность штилевых периодов продолжительностью 3, 6, 9, 12 ....., ч; mi – количество штилевых периодов одинаковой продолжительности; – время накопления вредных примесей от ф=0,2 до опт=0,4, ч; tнц – время накопления примесей в цикле, ч; tвц – время работы комплекса в цикле, ч.

Значение tнц определяется по формуле: (30)

где: tнк – время накопления примесей в карьере от ф=0,2 до к=1,0, ч; tнрз – время накопления примесей в рабочей зоне, ч; tмв – время работы средств местного проветривания при единичном включении в процессе накопления примесей, ч.

Время tнк рассчитывается по условию:

где: Vк – объем карьера, м3; [с] – ПДК примесей, кг/м3; FS – суммарная интенсивность выделения примесей, кг/с. При Vрз=(0.3¸0,4)Vк tнрз =(0.3¸0.4) tнк. Значение

Время tмв определяется из условия: что соответствует 3–5 включениям средств местной вентиляции в процессе накопления примесей от опт до =1. Суммарное время работы средств местного проветривания слагается из двух периодов работы – в режимах местного и общего воздухобмена: (31)

(32)

где  fц –количество циклов, которое определяется по формуле: .

Значения tшi и mi получены на основе метеорологических исследований.

Первые эксперименты по применению систем искусственного воздухообмена на базе авиационных ТВД были проведены на Центральном карьере Гороблагодатского рудоуправления (ГБРУ) НТМК. Объем карьера составлял 90×106 м3. При проведении экспериментов загрязнение атмосферы карьера имитировалось дымовыми шашками типа БДШ-15. Концентрация вредных примесей определялась как с помощью экспрессного метода приборами ИЗВ-3, так и химическим анализом проб воздуха в лаборатории ВГСЧ. В результате экспериментов установлено, что за 30 минут активного проветривания одним вентилятором НК‑12КВ концентрация вредных примесей снижалась в 12–15 раз и достигала ПДК при инверсии g=-0,02 К/м. Эксперименты по разрушению температурных инверсий с помощью двух АИ‑20 КВ и одного НК‑12КВ, работающих в «динамическом» режиме, показали реальную возможность восстановления естественного воздухообмена: температурный градиент изменился с g=-0,02К/м до g=-0,005 К/м, а концентрация примесей достигала ПДК через 40 минут работы системы.