МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
На правах рукописи
ИВАНОВ
Андрей Владимирович
СНИЖЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ОБЪЕКТОВ ОАО «КОВДОРСКИЙ ГОК»
Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук,
профессор
Пашкевич Мария Анатольевна
Санкт-Петербург – 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛИ ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ……………………………… 10
1.1 ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ПЫЛИ НА
ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ……………………………………………………………….. 10
1.2 ВЛИЯНИЕ ПЫЛИ НА КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ………... 24
1.3 КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА
РАСПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ…………………………………………... 31
1.4 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ КАК ИСТОЧНИКА
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ………………………………………………… 37
1.4.1 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ НА КАРЬЕРЕ «ЖЕЛЕЗНЫЙ». 39
1.4.2 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ НА ОТВАЛАХ И
ОТКРЫТЫХ СКЛАДАХ…………………………………………………….. 46
1.4.3 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ СКЛАДА
49
МАЛОЖЕЛЕЗИСТЫХ РУД И СКЛАДА АПАТИТШТАФФЕЛИТОВЫХ РУД..............................................................................
1.4.4 ОБЪЕКТЫ ЦИКЛИЧНО-ПОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ…………….. 50
1.4.5 ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ…. 53
1.5 РАНЖИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ
ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СЕЛИТЕБНУЮ ТЕРРИТОРИЮ……......................... 59
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1……………………………………………………………... 64
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ НА
ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ НА
ТОЧЕЧНЫХ И ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКАХ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ……. 66
2.1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕМ И
ПЫЛЕПЕРЕНОСОМ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ………………………. 66
2.2 УСТРОЙСТВА ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ
ЖИДКОСТЬЮ…………………………………………………………………… 69
2.3 АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ……………………………………………….….. 72
2.4 РАЗРАБОТКА НОВОГО УСТРОЙСТВА
ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПОТОКЕ
СЖАТОГО ВОЗДУХА…………………………………………………………... 94
2.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ
ЖИДКОСТИ В ФОРСУНКЕ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ…………………………. 98
2.6 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПНЕМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ…………………………………... 119
2.7 ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОТЫ СИСТЕМ
КРУГЛОГОДИЧНОГО ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ И
ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ……………………. 125
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2……………………………………………………………... 141
3
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
ПЛЯЖНЫХ ЗОН НАМЫВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ……………... 142
3.1 РЕЖИМ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ХВОСТОХРАНИЛИЩА ОАО «КОВДОРСКИЙ ГОК»………………………. 142
3.2 ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ХВОСТОХРАНИЛИЩА…… 152
3.3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ НА
НАМЫВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВАХ……………………………….. 156
3.4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ПУШЕК НА ПЛОЩАДНЫХ
ИСТОЧНИКАХ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ…………………………………………. 161
3.5 ПЕРЕДВИЖНОЙ КОМПЛЕКС АЭРОЗОЛЬНОГО
ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ………………………………………………………....... 167
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3……………………………………………………………... 180
ГЛАВА 4 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫХ
МЕРОПРИЯТИЙ…………………………………………………………………… 181
4.1 УКРУПНЕННАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДОТВРАЩЕННОГО
УЩЕРБА………………………………………………………………………….. 181
4.2 ОЦЕНКА КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА ПРЕДЛОЖЕННЫЕ
МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ИХ ВНЕДРЕНИИ……………………………………… 187
4.3 ОЦЕНКА ГОДОВЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАТРАТ ПРИ
РАБОТЕ УСТРОЙСТВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ……………………………….. 190
ВЫВОД К ГЛАВЕ 4…………………………………………………………........... 191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………….. 193
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….. 195
ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………………….. 205
ПРИЛОЖЕНИЕ Б…………………………………………………………………... 206
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В
настоящее
время
в
Российской
Федерации
ежегодно
только
предприятиями минерально-сырьевого комплекса в атмосферу выбрасывается
порядка 50 млн. т неорганической мелкодисперсной (с максимальным линейным
размером частиц от 10 мкм до 100 мкм) и тонкодисперсной пыли (с
максимальным линейным размером частиц от долей мкм до 10 мкм).
Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергается природная
среда в районах открытой разработки месторождений полезных ископаемых и
складирования отходов добычи и переработки сырья.
Так, на предприятии ОАО «Ковдорский ГОК», одном из крупных
производителей железорудного и апатитового концентрата и крупнейшим
производителем
бадделеитового
концентрата,
ежегодно
в
атмосферу
выбрасывается более 20 тыс. т неорганической пыли, что является причиной
повышенной заболеваемости и смертности населения и деградации почвеннорастительного покрова прилегающих территорий. Основными источниками
пыления
предприятия
являются
объекты
циклично-поточной
технологии
транспортирования пустой породы и хвостохранилище завода.
В
настоящее
время
на
наклонных
конвейерах
мероприятия
по
пылеподавлению не осуществляются в связи с тем, что применение известных
способов водяного пылеподавления сопровождается значительными расходами
воды и в зимний период приводит к возникновению наледи на конвейерной ленте
и
самопроизвольному
хвостохранилище
перемещения
снижение
пыления
транспортируемого
достигается
груза.
использованием
На
схемы
переключения действующих пульповыпусков.
Тем не менее, при неблагоприятных климатических условиях в воздухе
селитебной
превышение
территории
горнопромышленной
среднесуточной
агломерации
предельно-допустимой
наблюдается
концентрации
неорганической пыли, что обуславливает необходимость разработки более
эффективных способов и средств пылеподавления.
5
Различным аспектам борьбы с загрязнением окружающей среды пылью на
объектах
предприятий
исследования
ученых
минерально-сырьевого
П.В. Бересневича,
комплекса
М.Е. Берлянда,
посвящены
Н.З. Битколова,
С.В. Михейкина, В.С. Никитина, М.Т. Осодоева, К.З. Ушакова, П.Ч. Чулакова,
Ю.В. Шувалова и многих других.
Однако предшествующими исследованиями не исчерпан ряд проблем,
касающихся повышения эффективности устройств пылеподавления и разработки
схем их работы на объектах транспортирования и техногенных массивах,
основанных на данных о текущей интенсивности пылевыделения и пылепереноса
с этих объектов.
Цель работы: снижение техногенной нагрузки производственных объектов
ОАО «Ковдорский ГОК» на компоненты природной среды путем разработки и
внедрения комплекса мероприятий по борьбе с пылью.
Основная идея работы: управление системами пылеподавления должно
производиться путем оперативного выявления доминирующих источников
загрязнения атмосферного воздуха на основе данных о пылевыделении и
пылепереносе, устанавливаемых в режиме реального времени в зависимости от
климатических и производственных факторов.
Основные задачи исследований:
- моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в
атмосферном
воздухе
от
производственных
объектов
при
различных
климатических условиях;
- разработка новых способов борьбы с пылью на различных источниках
пылевыделения предприятий минерально-сырьевого комплекса с целью снижения
расхода воды и повышения эффективности пылеподавления;
- разработка схемы работы систем пылеподавления с целью снижения
воздействия на компоненты природной среды и сокращения затрат на
эксплуатацию оборудования;
- оценка эффективности работы разработанных устройств пылеподавления
и схем их размещения в местах интенсивного пылевыделения.
6
Научная новизна работы:
- На
основе
дискретно-траекторного
подхода
установлены
эксплуатационные характеристики (давление воды и сжатого воздуха) и
параметры взаимного расположения основных элементов пневмогидравлической
форсунки, позволяющие производить устойчивое диспергирование жидкости с
диаметром капель не более 100 мкм.
- Теоретически обоснована система управления пылеподавлением на
производственных объектах по добыче и переработке полезных ископаемых,
базирующаяся на данных производственного экологического мониторинга
атмосферного воздуха и характеристиках режимов работы оборудования,
получаемых и анализируемых в реальном времени, что обеспечивает возможность
ранжировать источники по степени их воздействия на селитебную территорию
для оперативного проведения мероприятий по пылеподавлению.
Основные защищаемые положения:
1. Снижение пылевыделения при конвейерной транспортировке груза на
скоростях до 12 м/с должно производиться с использованием автоматизированной
системы круглогодичного пылеподавления с коэффициентом 0,95 при установке
пневмогидравлической форсунки на расстоянии до 2 м от обрабатываемой
поверхности.
2. Снижение пылевыделения и пылепереноса с территории хвостового
хозяйства должно производиться с использованием расположенного вдоль пляжа
намыва со стороны селитебной зоны автоматически управляемого комплекса
пылеподавления
на
рельсовом
ходу
на
основе
аэрозольной
пушки-
туманообразователя с расходом воды до 10 л/с, длиной факела 150 м и диаметром
капель аэрозоля до 100 мкм.
3. Управление пылевой обстановкой горнопромышленной агломерации
г. Ковдор должно осуществляться на основе ранжирования источников по
интенсивности пылепереноса в селитебную зону, определяемой в реальном
времени в соответствии с метеопараметрами (скорость и направление ветра,
7
температура воздуха, количество осадков) и режимами работы оборудования
(режим работы пульповыпусков, загрузка ленты конвейера).
Методы исследований:
• системно-структурный анализ производственных объектов вкладчиков в
ухудшение пылевой обстановки;
• аналитические и экспериментальные работы в лабораторных и полевых
условиях;
• системный
анализ
известных
средств
и
способов
борьбы
с
пылевыделением и пылепереносом;
• методы математического моделирования процессов пылепереноса с
объектов предприятия.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
рекомендаций
обеспечена
материалов
применением
и
использованием
современных
большого
методик
объема
исходных
обработки
исходной
информации, сходимостью экспериментальных данных с теоретическими
исследованиями и исследованиями других авторов, экспериментальной проверкой
основных рекомендаций.
Практическая значимость работы:
- усовершенствовано
пневмогидравлического
устройство
распыления
для
жидкости
осуществления
для
круглогодичного
пылеподавления неорганической пыли фракции до 100 мкм;
- разработана система автоматизированного пылеподавления для объектов
конвейерного
транспортирования,
включение/отключение
и
которая
регулировку
позволяется
параметром
работы
производить
форсунок
в
зависимости от текущих метеопараметров и параметров работы конвейера.
- разработан передвижной комплекс автоматизированного пылеподавления
пляжных
зон
хвостохранилищ
туманообразователя,
с
предложена
использованием
схема
взаимосвязи
аэрозольной
пушки-
параметров
работы
комплекса с интенсивностью пылевыделения и пылепереноса, текущими
метеопараметрами, режимом намыва.
8
Личный вклад автора заключается в: постановке цели, формулировке
задач и разработке методики исследований; в проведении экологических
исследований в зоне функционирования предприятия; проведении анализа с
выявлением наиболее опасных крупных объектов пыления; в обосновании
автоматизированной
системы
круглогодичного
пылеподавления
с
использованием пневмогидравлических форсунок; в разработке комплекса
пылеподавления
на
основе
аэрозольных
пушек-туманообразователей,
установленных на рельсовом ходу, разработке схемы работы предложенных
систем.
Апробация работы.
Работа апробирована в ходе реализации Федеральной целевой программы
по направлению «Рациональное природопользование», ГК № 14.579.21.0023.
Основные и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на
международных, российских и иного уровня научных, научно-технических
конференциях и симпозиумах, в том числе: на Международном симпозиуме
имени академика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск,
2013г.),
на
Международной
научно-технической
конференции
«Наука,
Образование, производство в решении экологических проблем» (г. Уфа, 2010 г.),
на XVI Международной экологической конференции студентов и молодых
ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI
века» (г. Москва, 2012г.), на Международном форуме-конкурсе молодых ученых
«Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2010г, 2012г.).
Реализация работы.
• разработанные технические решения по борьбе с пылью на техногенных
массивах и производственных процессов предложены для использования на
ОАО «Ковдорский ГОК»;
• научные и практические результаты работы могут быть использованы в
учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологического профиля, в
частности, при проведении занятий по дисциплинам «Горное дело и окружающая
среда» и «Экология».
9
Публикации. По теме работы опубликовано 25 печатных трудов, в том
числе 7 статей в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования
и науки Российской Федерации , 1 статья, входящая в международную базу
цитирования Scopus и 3 патента на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения и библиографического списка. Содержит 206 страниц
машинописного текста, 76 рисунков, 51 таблицу, список литературы из
103 наименований и 2 приложения.
Автор благодарен профессору М.А. Пашкевич за научное руководство
работой, доценту Ю.Д. Смирнову за ценные научные консультации, а также
коллективу кафедры геоэкологии Горного университета за практические советы
при выполнении и обсуждении работы.
10
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛИ ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
1.1 ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ПЫЛИ НА
ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
В целом по России годовая добыча металлических руд составляет
259,9 млн. т (по данным Минэнерго России), минеральных удобрений –
230 млн. т. В недрах России заключен почти 101 млрд. т железных руд. Тем не
менее, качество руд российских месторождений ниже, чем в большинстве
ведущих сырьевых стран. Содержание железа в отечественных рудах в среднем
составляет 35%, тогда как в высокосортных рудах зарубежных месторождений
оно достигает, а в отдельных случаях и превышает 60%. Посредственное качество
руд, а также сложные горно-геологических условия отработки отдельных
месторождений
ограничивают
развитие
отечественного
производства
железорудного сырья. В итоге доля России в мировом выпуске железных руд не
превышает 5%.
В настоящее время только в России извлечено из недр и находится в
отвалах и хвостохранилищах около 500 млрд. м3 горных пород и отходов
переработки полезных ископаемых.
При этом следует иметь в виду, что в связи с истощением запасов богатого
минерального сырья, возрастают объемы добываемой горной массы и количество
отходов переработки минерального сырья. В результате происходит образование
техногенных
массивов,
представленных
горными
породами,
отходами
обогащения, золами, шлаками, шламами [1].
Одновременно
минерального
сырья
с
увеличением
наблюдается
масштабов
рост
добычи
мощности
и
переработки
единичного
горного
производства, под которым понимается концентрация добычи и переработки
сырья в отдельных горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях.
Общий рост добычи и мощности добывающих предприятий вызывают рост
отрицательного
воздействия
горнодобывающего
производства на окружающую среду.
и
перерабатывающего
11
Даже такие горные производства, как карьеры и дробильные фабрики
строительного камня (диабаз, гранит, песчаник, известняк) дают до 20 % отсева,
не используемого, а складируемого на поверхности. До 40-60 % этого материала
составляет пыль с размерами частиц не более 1 мм.
Материалы исследований [2] позволяют утверждать, что в районе
размещения горных предприятий, и особенно в районах размещения техногенных
массивов (отвалов), в результате массовых выбросов пыли в окружающую среду
складывается неблагоприятная экологическая обстановка, имеющая тенденцию к
дальнейшему
ухудшению,
вследствие
наращивания
производственных
мощностей, не подкрепленных эффективными мерами, направленными на
снижение пылевых выбросов.
Выход из сложившегося положения необходимо искать путем разработки
на горнодобывающем и перерабатывающем предприятии новых способов
управления пылевой обстановкой, так как по количеству выбрасываемых веществ
в окружающую среду пыль является основным загрязнителем, наряду с оксидами
азота и диоксидом серы (таблица 1.1).
Таблица 1.1 - Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу от
производственных объектов ОАО «Ковдорский ГОК»
Код
вещества
123
143
155
169
184
203
293
301
304
322
328
330
337
342
344
616
621
Загрязняющее вещество
наименование
Железа оксид
Марганец и его соединения
Карбонат натрия
Олово диоксид
Свинец и его соединения
Хрома (VI) оксид
Пыль циркония
Азот (IV) оксид (Азота диоксид)
Азот (II) оксид (Азота оксид)
Серная кислота
Углерод черный (Сажа)
Сера диоксид
Углерод оксид
Фториды газообразные
Фториды плохо
растворимые
Ксилол (смесь изомеров)
Толуол
Всего выброшено
в атмосферу, т/год
1,13
0,03
0,03
0,00002
0,00004
0,004
0,721
1433,94
189,12
0,00018
30,35
5278,68
939,89
0,019
0,0037
0,204
0,50
12
Продолжение таблицы 1.1
Окрасочный аэрозоль
Бутан- 1-ол (Спирт н-бугиловый»)
Этанол (Спирт этиловый)
2-Этоксиэтанол
Бутилацетат
Формальдегид
Пропан-2-он (Ацетон)
Бензин нефтяной
Керосин
Масло минеральное нефтяное
Уайт-спирит
Углеводороды предельные С12-С19
Зола
Пыль извести
Зола угольная
Мазутная зола
Пыль неорганическая: 70-20% SiO2
Пыль неорганическая: до 20%
SiO2
Пыль асбестсодержащая
Всего веществ
В том числе твердых:
Жидких/газообразных:
977
1042
1061
1119
1210
1325
1401
2704
2732
2735
2752
2754
2893
2900
2901
2904
2908
2909
0,0074
0,15
3,60
0,08
0,10
0,45
0,07
2,87
114,62
0,0004
0,204
3,046
0,048
1,01
0,428
11,535
0,017
1856,58
0,017
9869,52
1901,95
7967,57
Различным аспектам борьбы с загрязнением окружающей среды пылью при
добыче и переработке минерального сырья посвящены исследования ученых СНГ
и зарубежных стран. К наиболее значимым из них следует отнести работы
П.В. Бересневича [3], М.Е. Берлянда [4], Н.З. Битколова [5], В.Б. Комарова [6],
С.В. Михейкина [7], В.С. Никитина [8, 9], М.Т. Осодоева [10, 11, 12],
М.А. Пашкевич [13], К.З. Ушакова [14], П.Ч. Чулакова [15, 16], Ю.В. Шувалова
[10, 11, 17] и многих других.
Природные и антропогенные источники аэрозолей (рисунок 1.1) являются
одним из наиболее крупных и специфических загрязнителей практически всех
компонентов, составляющих биосферу, высокая концентрация которых наносит
вред здоровью людей, лесным массивам, сельскому хозяйству. Основные
источники загрязнения атмосферы при добыче и переработке минерального сырья
выбросами пыли [18, 19, 20, 21, 22, 23] показаны на рисунке 1.2.
13
ПЫЛЬ
1
Пылеобразование
Естественные
(природные)
источники
Поверхность океанов
Вулканы
Пустыни
Эрозионные почвы
Пляжи
Поверхности, лишенные
растительности
Поверхность карьера
Дробильные, обогатительные и агломерационные
фабрики
Металлургические заводы
Вентиляционные стволы шахт
Породные отвалы, склады руд, хвостохранилища
Автомобильные дороги
Поверхности транспортируемого материала
2
Пылевыделение
Искусственные
(антропогенные)
источники
Естественное
(природное)
Искусственное
(антропогенное)
Деформация пород
Сдувание пыли с поверхности, лишенной
растительности
Вулканические выбросы газов и пыли
Выбросы морской соли
Выветривание горных пород и рыхлых
поверхностных отложений
Сублимация влаги с поверхности массива
При работе бурового оборудования
При взрывных работах
При работе выемочно-погрузочного
транспорта
При работе транспортируемого
оборудования
При работе отвального оборудования
Сдувание пыли с пылящих
поверхностей, автомобильных дорог
При транспортировании горной массы
(поверхность материала)
3
Пылеперенос
4
Естественный
(природный)
Эоловые потоки
Водные потоки
Динамические (вулканизм)
Вентиляционные потоки
Эоловые потоки
Механические явления
Водные потоки
явления
Пылеотложение
Искусственный
(антропогенный)
Естественное
(природное)
Искусственное
(антропогенное)
Гравитационное осаждение
Конденсационное осаждение
Дождевание
Инерционное осаждение
Рисунок 1.1 – Классификация процессов загрязнения окружающей среды пылью
на поверхности Земли природными и техногенными (горное производство)
источниками
14
Основные
технологические
процессы и объекты
Подготовка горных
пород к выемке
Выемочно-погрузочные
работы
Транспортирование
карьерных грузов
Источники загрязнения
Пыль при бурении скважин и шпуров.
Пыль при производстве взрывных работ.
Пыль при выемке и погрузке горной массы в
транспортные средства и разгрузке в отвал
различными выемочными машинами.
Пыль при выемке горной массы экскавационными и
экскавационно-транспортирующими машинами с
двигателем внутреннего сгорания (экскаваторы с
дизельным приводом, погрузчики, скреперы,
бульдозеры).
Пыль на карьерных автодорогах.
Сдувание пыли из транспортных сосудов при
перемещении полезных ископаемых, пустых пород и
отходов обогащения.
Пыль на пунктах перегрузки.
Отвалообразование и складирование
пустых пород, отходов
обогащения и полезных
ископаемых
Пыль при укладке горной массы в отвалы и склады.
Пыление обнаженных поверхностей отвалов пустых
пород, складов полезных ископаемых, шламохранилищ.
Карьерные выемки
Сдувание пыли с поверхностей откосов и площадок.
Объекты
промплощадки: -дробильносортировочные,
агломерационные и
обогатительные
фабрики
-котельные установки
-базы производственных машин и автотранспортной техники
Пыль при разгрузке, дроблении и сортировки
полезных ископаемых.
Пыль при обжиге и обогащении полезных
ископаемых.
Пыль при работе котельных установок.
Пыль при эксплуатации баз производственной
техники
Рисунок 1.2 – Основные источники загрязнения атмосферы пылью на горных
предприятиях
15
Практически все производственные операции, выполняемые на карьерах:
взрывные
работы
(рисунок
1.3),
бурение,
экскавация
(рисунок
1.4),
транспортирование горной массы (рисунок 1.5), складирование (рисунок 1.6),
сопровождаются пылеобразованием (таблицы 1.1, 1.2). Процессы бурения в
карьерах относятся к непрерывным и интенсивным источникам пылевыделения.
Мощные выбросы пыли происходят при массовых взрывах (100-250 т фракции
менее 100 мкм). Пылевое облако при массовом взрыве выбрасывается на высоту
150-300 м, в своем развитии оно может достигать высоты 16 км и
распространяться по направлению ветра на значительные расстояния (10-50 км).
Рисунок 1.3 – Взрыв на карьере
Рисунок 1.4 – Пылеобразование при экскавации горной массы
16
Рисунок 1.5 – Пылеобразование при транспортировании горной массы
Рисунок 1.6 – Разгрузка на отвале
17
Значительным пылевыделением сопровождается транспортировка горной
массы в карьерах, особенно велико оно при использовании автомобилей (в
угольном карьере – 3000-4000 мг/с, в рудном – 600-12000 мг/с).
Таблица 1.2 –Параметры запыленности воздуха при проведении различных
технологических процессов
Технологический
процесс
Бурение скважин
Погрузка
массы
горной
Погрузка руды
Транспорт горной
массы
Расстояние от
источника
пылеобразования,
м
5
8
12
5
8
12
3
12
20
5
20
3
8
20
5
10
20
3
12
Скорость,
м/с
1,2
1,1
1,1
1,2
1,2
1,2
1,5
1,5
1,5
1,35
1,95
1,4
1,4
1,4
0,62
0,62
1,2
1,0
1,5
Метеопараметры
Темпер.
Относительная
0
С
влажность, %
-37
-36
-37
26
26
26
-34
-34
-34
16
16
-34
-34
-34
27
26
26
-52
31
27
27
27
75
75
75
51
63
75
75
75
29
32
31
20
46
Запыленность
воздуха, мг/м3
1027
421
298
224
123
104
342
161
96
2,7
4,0
886
801
501
50
40
21
52
200
Основными источниками загрязнения атмосферы пылью при переработке
минерального сырья являются агломерационное, обогатительное, доменное,
сталеплавильное производства [19]. При их отсутствии, основное значение
приобретают, как при ведении работ, так и после прекращения деятельности
горнодобывающего и перерабатывающего предприятия, такие источники, как
отвалы (рисунок 1.7) (не менее 30 % площади), пляжные зоны хвостохранилищ
(рисунок 1.8) (25 % площади) и эрозионные зоны.
Нередко объекты промышленной площадки, занимая немногим более 10 %
общей площади предприятия, выбрасывают в атмосферу более 60 % всей
пыли [3].
18
Рисунок 1.7 - Отвалы карьера
Рисунок 1.8 – Хвостохранилище
В зависимости от расположения, все источники пыли делятся на внешние и
внутренние (рисунок 1.9). От внешних источников пыль посредством ветра
проникает в выработанное пространство, ухудшая состояние его атмосферы. К
этим
источникам
относятся
дробильные
хвостохранилища, автомобильные дороги.
установки,
обогатительные
19
Источники пылевых
выбросов
внешние
транспортные
перерабатывающие
внутренние
стационарные
добычные
точечные
транспортные
нестационарные
перерабатывающие
стационарные
складирующие
вспомогательные
Эрозионные
природные
линейные
нестационарные
складирующие
вспомогательные
стационарные
объемные
эрозионные
природные
нестационарные
площадные
Рисунок 1.9 - Классификация источников пылевых выбросов на
горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях [17]
Внутренние источники (буровые станки, выемочно-погрузочные машины,
взрывные работы, дробилки и другие) вызывают как местное, так и общее
загрязнение атмосферы. При этом по характеру действия все внутренние
источники классифицируются как точечные, линейные, площадные и объемные
(рисунок 1.9).
Кроме того, источники пыли могут быть непрерывно действующими и
периодическими. Источники бывают стационарными и не стационарными, равно
как и по интенсивности поступления пыли в окружающую среду (постоянные и
20
периодические).
Выбросы пыли в атмосферу зачастую имеют локальный, региональный и
глобальный характер с необратимым влиянием на биосферу. Локальное и
региональное запыление атмосферы характерно для промышленных городов, где
в настоящее время среднее число пылевых частиц в 1 м3 атмосферного воздуха
составляет до 10000 единиц. Однако это не относится, например, к глобальному
распространению тонкодисперсных канцерогенных асбестовых волокон, число
которых вблизи мест добычи и переработки асбеста в среднем составляет 1200014000 в 1 м3, а на удалении 7-8 км от мест добычи - свыше 7000-8000 в 1 м3
воздуха.
Большое количество пыли в мире сдувается в атмосферу с породных
отвалов шахт, рудников, карьеров и с хвостохранилищ и составляет 8·106 т/год, в
том числе в России – около 1·106 т/год. В результате повышается запыленность
воздуха в десятки раз по сравнению с установленными нормами.
При добыче и переработке полезных ископаемых образуются большие
площади нарушенных земель. По приближенным расчетам общая площадь земель
России, нарушенных горными работами в результате добычи сырья минеральных
удобрений, составляет более 190 тыс. га, при добыче черных и цветных руд –
около 350 тыс. га. Основная доля нарушенных земель (до 90 %) приходится на
горные выработки, внешние породные отвалы, шлакоотвалы, хвосто- и
шламохранилища (рисунок 1.10).
В
контурных
горных
отводах,
например,
Лебединского ГОКа,
Стойленского ГОКа, Михайловского ГОКа железорудных карьеров в настоящее
время заскладировано порядка 2500 млн. м3 пород нарушенной структуры и около
900 млн. м3 отходов обогащения, в результате чего в зоне прямого нарушения
земель сформировался техногенный рельеф. Косвенные нарушения окружающей
среды под действием ветровой эрозии проявляются в радиусе до 40 км от центра
складирования техногенных образований [24].
При
соответствующих
метеорологических
условиях
эти
площади
подвергаются ветровой эрозии и становятся интенсивными источниками пыли,
21
так как в них практически не содержатся частицы крупнее 2 мм. К таким
площадям относятся техногенные массивы. Их классифицируют [13] как
техногенные массивы, то есть геологические тела техногенного происхождения,
представленные горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками,
шламами. Наиболее интенсивное образование техногенных массивов связано, в
первую очередь, с разработкой месторождений полезных ископаемых и
последующей
переработкой
извлекаемого
минерального
сырья.
Согласно
существующим технологиям переработки полезных ископаемых, от 30 до 70 %
исходного сырья уходит в отвалы [25].
В зависимости от вида образования различают техногенные массивы
(рисунок 1.11): насыпные (рисунок 1.12), намывные (рисунок 1.13) и техногенные
наносы [26].
Одно из наиболее опасных последствий воздействия техногенных массивов
– загрязнение воздушного бассейна и возможное изменение геохимического
баланса региона под действием пылевых выбросов.
Рисунок 1.10 - Пылящие поверхности техногенных массивов горных предприятий
22
Техногенные массивы
Горнодобывающие и перерабатывающие отрасли промышленности
Черная
металлургия
Угольная
промышленность
Насыпные массивы
Цветная
металлургия
Намывные массивы
отвалы
хвостохранилища
терриконики
золоотвалы
шламонакопители
Промышленность
по производству
минеральных
удобрений
Промышленность
строительных
материалов и
другие отрасли
Техногенные наносы
Запыленные
поверхности
Территории
сельскохозяйствен
ной рекультивации
гидроотвалы
Рисунок 1.11 - Классификация техногенных массивов
Рисунок 1.12 - Насыпные техногенные массивы горного производства
23
Рисунок 1.13 - Намывные массивы обогатительного производства
Активное образование техногенных массивов приводит к загрязнению
окружающей среды чуждыми для ее естественного состояния веществами,
воздействие которых наносит, в конечном счете, непоправимый вред живым
организмам. Например, известно, что заболеваемость населения в районах с
незащищенными пылящими поверхностями отвалов и хвостохранилищ в 1,5 раза
выше, чем в зонах, где они отсутствуют.
24
Суммарные массы атмосферных выбросов пыли от источников могут
достигать десятков тысяч тонн в год, а перенос пыли ветром может
осуществляться до десятков километров от источника.
В ряде городов средние концентрации взвешенных примесей превышают
300 мкг/м3. Предприятия горнорудной промышленности России и стран СНГ
(«Южуралникель»,
Ачинский
комбинат,
ОАО
«Ковдорский
ГОК»,
ООО «Михайловский ГОК» и другие) выбрасывают в атмосферу до 1416 тыс. т/год тонкодисперсной пыли [19, 27, 28], которая наиболее опасна с точки
зрения воздействия на органы дыхания.
1.2 ВЛИЯНИЕ ПЫЛИ НА КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Под промышленной пылью понимают дисперсные системы, состоящие из
воздуха и тонких твердых частиц витающих (аэрозоль), или осевших на
поверхности
(аэрогель).
Эти
частицы
классифицировать
химически
затруднительно, поскольку они могут быть представлены как неорганическими,
так и органическими материалами различного происхождения. В глобальном
масштабе
состав
атмосферной
пыли
в
основном
имеет
минеральное
происхождение, обычно это соединения щелочных и щелочноземельных
металлов, тяжелых металлов, оксиды кремния и другие.
В зависимости от условий выделения пыли, а также плотности, размеры ее
могут отличаться (рисунок 1.14).
В зависимости от размера частиц различают пыль:

крупная - от 100 до 500 мкм (0,1-0,5 мм), которая легко выпадает из потока
газа при небольшой скорости его и почти отсутствует в атмосфере;

мелкая - от 10 до 100 мкм (0,01-0,1 мм), которая удерживается в воздухе, хотя
в спокойной среде она оседает вначале с возрастающей, а потом с постоянной
скоростью;

тонкая, или туманы - 0,1-10 мкм, трудно оседающую в спокойной газовой
среде;
25

весьма тонкая, или дымы - менее 0,1 мкм, которые не оседают под действием
силы тяжести, находятся в броуновском движении.
диаметр частиц, мкм
0,001 0,01
0,1
1
10
тонкодисперсная пыль
100
1000
10000
пыль
угольная пыль
металлургическая пыль
цементная пыль
пыльца
мука
атмосферная пыль
поражающая легкие пыль
Рисунок 1.14 - Параметры частиц и дисперсных систем
По форме пылевые частицы делят на: сферические, изометрические
(правильные многогранники), пластинчатые (протяженность в двух измерениях
значительно больше, чем в третьем), игольчатые, волокнистые, призматические,
сложные агрегатные (длинные цепочки, звездочки).
Пыль, попадающая в атмосферу в ходе ведения горных работ, различна по
минеральному, химическому и дисперсному составу. Согласно [29] по
минеральному составу она близка к минеральному составу пород, особенно
непосредственно около источника пылеобразования. Однако состав пыли,
осаждающейся на значительном удалении от этого источника, отличается от
минерального состава разрабатываемых пород. Это зависит от прочности
породообразующих минералов, крупности частиц пыли, их плотности, скорости
витания в атмосфере и так далее. Поэтому на значительном удалении от
26
источника пылеобразования в осевшей пыли могут преобладать частицы более
легких породообразующих минералов.
Химический состав пыли также близок к химическому составу пород.
Химический и минеральный состав пыли определяют степень ее токсичности.
Пыль 1-го класса опасности содержит токсичные элементы и их соединения,
вдыхание которых вызывает специфические отравления людей. К ним относится
пыль асбеста, свинцовых руд, мышьяковая, ртутная, радиоактивная пыль урана,
тория, теллура. Ко второй группе относится пыль, содержащая свободную
двуокись кремния в ее кристаллической модификации (кварц, кристобалит,
тримид), угольная и другие виды пыли. Однако и нетоксичная пыль вредна, если
ее содержание в атмосфере превышает допустимый уровень запыленности
воздуха (таблица 1.3).
Таблица 1.3 - Предельно допустимые концентрации пыли, мг/м3
Наименование вредного вещества
Пыль асбестосодержащая (с
содержанием хризотиласбеста до 10%)
Пыль зерновая
Пыль каинита
Пыль калимагнезии
Пыль крахмала
Пыль неорганическая, содержащая
двуокись кремния в %:
- более 70 (динас и другие)
- 70-20 (шамот, цемент, пыль
цементного производства – глина,
глинистый сланец, доменный шлак,
песок, клинкер, зола кремнезем и
другие)
- менее 20 (доломит, пыль цементного
производства – известняк, мел, огарки,
сырьевая смесь, пыль вращающихся
печей, боксит и другие)
Пыль полиметаллическая свинцовоцинкового производства (с содержанием
свинца до 1 %)
Класс
опасности
Среднесуточная
предельно-допустимая
концентрация, мг/м3
1
0,06 волокон в мл воздуха
Характер
воздействия
на организм
человека
А,Ф
3
3
3
4
0,15
0,1
0,15
0,15
Ф
Ф
Ф
А,Ф
3
3
0,05
0,1
Ф
Ф
3
0,15
Ф
1
0,0001
К
Пыль хлопковая
3
0,05
А – аллергены; К – канцерогены; Ф – преимущественно фиброгенного действия.
Ф
Выбор способа пылеподавления определяется дисперсным составом пыли,
который зависит от ее вида, минерального состава исходного сырья и
27
технологических процессов, выделяющих пыль. По размеры частиц пыль
подразделяется на следующие классы: 0-5, 5-10, 10-20, 20-40, 40-60, 60-100 и
более 100 мкм; при этом выход классов более 60 мкм определяется с помощью
рассеивания на ситах, а выход классов менее 60 мкм – воздушной
классификацией или седиментацией. В некоторых случаях состав пыли
определяется по крупности при помощи микроскопов по шкале: 0-1, 1-2, 2-3, 3-5,
5-10, 10-25, 25-50, 50-100 и более 100 мкм.
В зависимости от крупности частиц пыль обладает различными свойствами.
Так, от крупности частиц зависит удельная поверхность пыли (таблица 1.4),
скорость падения (таблица 1.5) и другие ее свойства. Известно также, что
конечная скорость падения частиц по Стоксу пропорциональна квадрату размера
частиц.
Таблица 1.4 – Свойства тонкой пыли в зависимости от величины частиц
Показатели
>5
Характеристика
частиц
Удельная поверхность
SV*
Видимости при
наблюдениях
Способность к
проникновению через
растительные
перегородки (диализу)
Способность к
коагуляции
Участие в
броуновском
движении
Размер частиц, мкм
5-0,1
0,1-0,001
< 0,001
грубодисперсные
тонкодисперсные
коллоидные
молекулярные
>1,2·106
1,2-60·106
6-600·107
<600·107
видимы простым
глазом
видимы под
микроскопом
видимы под
ультрамикроскопом
не видимы под
ультрамикроскопом
не способны
не способны
не способны
способны
не способны
способны
способны
не способны
не участвуют
небольшое
участие
участвуют
*
SV – удельная поверхность частиц, приходящаяся на 1 м3 объема материала, м2/м3.
Наибольшая крупность пылинок обычно не превышает 10 мкм, доминируют
пылинки размером менее 5 мкм. В физиологическом отношении особое внимание
следует уделять частицам с размерами менее 2 мкм, так как с уменьшением
размера частиц их поведение становится все более характерным для поведения
газов, то есть они не вымываются из воздуха дождями, что увеличивает время их
пребывания в атмосфере. Крупные частицы обычно оседают в течение часов или
суток, но, тем не менее, они могут переноситься на сотни километров, если
28
вначале оказались на достаточной высоте.
Таблица 1.5 – Скорость осаждения пыли при 00С и 760 мм рт.ст.
Радиус частиц, мкм
Скорость осаждения, см/с
0,1
8·10-6
1,0
4·10-3
10,0
0,3
100,0
25,0
В неподвижной дисперсной среде частицы с размерами более 10 мкм
оседают с возрастающей скоростью, от 10 до 0,25 мкм – с постоянной скоростью,
а менее 0,25 мкм – практически не оседают.
Наличие ветра изменяет скорость осаждения частиц и срок их жизни в
атмосфере.
В процессе исследований гранулометрического состава отложений по
высоте
насыпных
техногенных
массивов
Ковдорского
месторождения
установлено, что более крупные обломки размером 2-5 мм и 1-2 мм скапливаются
в нижних частях отвала, где количество их в пробах составляет 78 и 11 %,
соответственно. В верхних частях отвала частичек размером 0,1-0,25 мм – 20 % от
веса проб, а более мелкой пылящей фракции с размером частиц менее 0,1 мм –
12 %.
Наибольший удельный вес в пробах занимает оксид кальция и диоксид
кремния, содержание их составляет около 40-45 % и 30-34 % соответственно.
Зафиксировано присутствие алюминия – 8-12 %, железа – 20-10 %, магния – 58 %, хрома – 0,5-1 % и некоторых других элементов.
Запыленность
атмосферного
воздуха,
обусловленная
процессами
транспортирования пород, отвалообразования, эрозии отвалов и хвостохранилищ,
пылевыми выбросами технологических производств приводит к загрязнению
почвы пылью, в результате ее осаждения. Ухудшение качества почвы, понижение
ее биологической ценности, способности к самоочищению.
Уровень воздействия пыли с техногенных массивов на состояние лесных
экосистем можно оценить по среднему приросту древесины на 1 га и сохранности
хвои в зависимости от удаленности техногенного массива (рисунки 1.24, 1.25).
29
Анализ литературных источников [28, 30] показал, что в радиусе до 10 км
наблюдается ежегодное снижение прироста древесины по сравнению с фоновым
на 75 % с низкой (10-20 %) сохранностью хвои; в радиусе до 20 км – на 50-20 % с
сохранностью хвои 50-90 %; в радиусе до 25-30 км – менее чем на 15 % с
сохранностью хвои более 90 %.
Из присутствующих в воздухе примесей только пыль обладает выраженным
кумулятивным воздействием на организм человека. Пыль обладает способностью
накапливаться
незначительных
в
организме
изменений.
с
постепенным
Пылевые
наложением
поражения
легких
первоначально
относятся
к
распространенной форме патологии и занимают значительное место в общей
структуре заболеваемости, что приводит к значительным социально-экономическим
потерям [31].
Вредное действие пыли на организм человека зависит от вида пыли (ядовитая и
неядовитая пыль), ее размеров и способов действия. Пыль, находящаяся в воздухе,
может оказывать негативное действие на глаза человека, кожу и внутренние органы,
попадая вместе с вдыхаемым воздухом. При действии на глаза она вызывает
раздражение, сопровождающееся слезоточивостью, ослаблением зрения. Наиболее
опасной является пыль негашеной извести, каменноугольного пека, карбида кальция,
цемента, действие которой подобно действию щелочи.
Частицы пыли оседают на коже и даже проникают в нее, закупоривая отверстия
сальных и потовых желез, вызывая этим воспаление кожи и нарушая процесс
выделения пота. Воспалительные процессы усиливаются, если с пылью заносятся
микробы и имеются места нарушений кожного покрова (царапины, порезы). При
вдыхании запыленного воздуха часть пыли задерживается слизистой оболочкой
дыхательных путей и вызывает воспалительные процессы носоглотки и бронхов.
Наиболее опасной является пыль с острыми режущими краями, которая легко
проникает в слизистую оболочку и травмирует ее. Пыль, попадая в легкие,
оседает там, превращая с течением времени ткань в фиброзную (пневмокониоз),
которая не участвует в процессе обмена кислорода и углекислого газа.
30
Наиболее вредными являются частицы крупностью менее 10 мкм, которые
задерживаются верхними дыхательными путями, и частицы крупностью 0,5-5
мкм, которые проникают в легкие и задерживаются там. Эти частицы составляют
обычно 40 – 70% взвешенных частиц. Частицы же крупностью менее 0,2-0,3 мкм
проникают в легкие и удаляются обратно вместе с выдыхаемым воздухом.
Характерной особенностью воздействия пыли на организм человека
является колебание ее концентрации и времени контакта, причем в значительных
пределах. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о
том, что в таких условиях для организма наиболее опасен длительный контакт,
например, с канцерогенной пылью при небольших концентрациях, по сравнению
с кратковременным воздействием высоких доз [30].
Пыль, присутствующая в атмосфере обладает однонаправленным и
комбинированным (в присутствии оксида углерода и оксидов азота) действием на
органы дыхания. Кроме того, отмечено увеличение повреждающего действия
пыли. Это объясняется тем, что в сочетании со свободной двуокисью кремния и
содержащимися в самой пыли ядовитыми примесями (в частности, свинца,
марганца и т.п.) газы, осаждающиеся на ее частицах, завершают формирование
газоаэрозольных
композиций
с
диаметром
частиц
5-8 мкм.
Величина
задерживания таких частиц в органах дыхания составляет 40-60 %, что может
приводить к раздражению и воспалению бронхиального эпителия.
Пыль оказывает влияние не только на легкие, но и проникает в кровь,
оказывая вредное влияние на другие органы. Так, работами С.М. Генкина и
П.П. Движкова установлено, что силикоз вызывает функциональные нарушения и
изменения нервной и сосудистой системы, кровообращения, структуры белков и
белкового обмена.
Предприятие
ОАО
«Ковдорский
ГОК»
является
градообразующим,
население 18 тысяч человек. Исходя из приведенной схемы расположения
основных объектов (рисунок 1.15) предприятия и среднегодовой розы ветров,
селитебная территория подвержена переносу загрязняющий веществ с отвала №1
при восточном и юго-восточном направлении ветра, с отвала №2 при восточном
31
направлении ветра, с отвала №3 при северо-восточном направлении ветра, с
карьера «Железный» при северо-восточном и восточном направлении ветра, с
техногенного месторождения при северном и северо-восточном направлении, с
промплощадки предприятий при северном и северо-восточном направлении
ветра, с хвостохранилища при северо-западном и северном направлении ветра.
Таким образом, в зоне воздействия техногенных массивов наблюдается
ухудшение показателей здоровья населения: снижение продолжительности
жизни, увеличение заболеваемости (особенно органов дыхания у детей),
врожденных патологий. В тоже время количественная оценка воздействия
техногенных массивов на здоровье населения, как правило, затруднена вследствие
их расположения на территориях промышленных предприятий, в свою очередь
влияющих на показатели здоровья населения.
1.3 КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАСПОЛОЖЕНИЯ
ПРЕДПРИЯТИЯ
Горно-обогатительный комбинат ОАО «Ковдорский ГОК» работает на
Ковдорском месторождении комплексных бадделеит-апатит-магнетитовых руд на
юго-западе Мурманской области.
Балансовые запасы категории В+С1 комплексных бадделеит-апатитмагнетитовых руд в Ковдорском месторождении – 346161 тыс. т, маложелезистых
апатитовых руд – 64490 тыс. т, категории С2 соответственно 66710 и 4101 тыс. т;
содержание Р205 – 4,7-7,0%. Основные показатели производства предприятия
представлены в таблице 1.6.
Район расположения производственных объектов ОАО «Ковдорский ГОК»
относится к зоне умеренно-холодного климата с продолжительной суровой зимой
(ноябрь-март) и коротким прохладным летом (июнь-август).
В отличие от многих северных городов, в Ковдоре наблюдаются высокие
для Севера зимние температуры воздуха.
32
Таблица 1.6 – Основные показатели производства ОАО «Ковдорский ГОК»
№ п/п
Наименование
Единица
измерения
2010 г.
2011 г.
2012 г.
2013 г.
1
Добыча и переработка
руды
млн. т
16,4
16,7
16,7
21,7
2
Переработка хвостов
млн. т
-
4,6
4,6
4,6
3
Выпуск железного
концентрата
млн. т
5,8
5,9
5,9
5,9
млн. т
1,96
2,6
2,6
2,6
тыс. т
6,89
9,9
9,9
9,9
Выпуск
апатитового
концентрата
Выпуск
бадделеитового
концентрата
4
5
Сильные морозы бывают редко, и периодически происходят оттепели. Из-за
близости
теплых
воздушных
масс,
приносимых
течением
Гольфстрим,
наступление холодной погоды в Ковдорском районе Мурманской области обычно
происходит примерно на один месяц позже, чем в других северных районах.
Среднемесячный минимум температур (-14,1 0С) приходится на январь и
февраль, максимум (+18,7 0С) наблюдается в июле.
Климат района расположения предприятия суровый с продолжительной
холодной зимой (250 дней в году с отрицательной температурой) и коротким
полярным летом. Средняя годовая температура воздуха минус 3,3 0С, наименьшая
среднесуточная температура в феврале – минус 34 0С, наибольшая в августе –
плюс 21,1 0С.
Средняя температура июля примерно +13…+14 0C, при этом две трети
месяца держится дождливая и пасмурная погода, а температура воздуха сильно
изменчива. Однако время от времени город достигают более теплые воздушные
массы, и тогда температура повышается до +25 °C, очень редко — выше +30 °C.
Абсолютный минимум температуры −37,3 °C был зафиксирован в Ковдоре
6 января 1985 года и 27 января 1999 года, абсолютный максимум температуры
+32,9 °C —
9
июля
1972
года.
При
анализе
климатических
условий
использовались данные Мурманского управления по гидрометеорологии и
мониторингу окружающей среды (таблица 1.7).
33
Таблица 1.7 – Температуры воздуха г.Ковдор за последние 10 лет (2004 – 2013 гг.)
Месяц
Абсолютный
максимум, °C
Средний
максимум,
°C
Средняя
температура,
°C
Средний
минимум,
°C
Абсолютный
минимум, °C
Норма
осадков,
мм
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Год
5,5
6,6
8,6
13,7
29,4
29,7
31
28,9
21,4
15
9,3
6,9
31
−7,4
−8,3
−2,3
3,4
8,8
13,6
17,4
15,4
10,9
3,9
−1,7
−4,3
4,1
−9,2
−10,5
−5,5
0,4
5,5
10,1
13,8
12,1
8,2
2,4
−3,1
−5,9
1,5
−10,9
−12,7
−8,6
−2,6
2,2
6,5
10,1
8,7
5,5
0,9
−4,5
−7,4
−1,1
−29,7
−31,9
−24,3
−16,1
−6,5
−0,3
3
1,3
−1,1
−14,3
−25,1
−27,5
−31,9
31
19
26
27
43
42
81
57
59
67
38
35
523
Метеорологические
характеристики
и
коэффициенты, определяющие
условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе города
Ковдор в соответствии с данными Мурманского УГМС приведены в таблице 1.8.
Таблица
1.8
–
Метеорологические
параметры
в
районе
размещения
производственных объектов ОАО «Ковдорский ГОК»
Наименование характеристик
Величина
Коэффициент, зависящий от стратификации атмосферы, А
160
Коэффициент рельефа местности в городе
1,3
Средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, Т °С
18,7
Средняя температура наиболее холодного месяца, Т °С
Температура наиболее холодной пятидневки (для
отопительному графику ), Т °С
-14,1
-34,0
котельных,
работающих
по
Температура наиболее холодной пятидневки (для котельных, работающих по
отопительному графику ), Т °С
Скорость ветра, повторяемость превышения которой по многолетним данным составляет
5% , м/с
21,1
8,0
Относительная влажность воздуха составляет в среднем за год 80-90 %.
Суммарная продолжительность дней с осадками около 260. Большая часть
осадков в Ковдоре из примерно 500 мм в год выпадает с июня по сентябрь, пик
пасмурных дней и дней с осадками приходится на август. Снег лежит в среднем
200 дней и полностью сходит к маю (в окрестностях города снег может лежать до
июня). Нередки снегопады в первой половине июня.
34
Ветер в Ковдорском районе имеет муссонный характер – зимой
преобладают южные ветра с материка, несущие сухую морозную погоду в город,
а летом – северные ветра с Баренцева моря, приносящие в Ковдор повышенную
влажность воздуха и прохладную летнюю погоду. Смена ветров происходит
примерно в июне и сентябре.
Основной
особенностью
атмосферной
циркуляции
являются
ветры,
возникающие в долинах, образованных естественный рельефом, а также,
искусственными выемками и техногенными массивами. В дневные часы
благодаря прогреву воздуха над склонами порождается циркуляция воздуха,
поднимающегося по склонам и оттекающего от возвышенности в обратном
компенсационном
потоке.
В
ночные
часы
циркуляция
приобретает
противоположное направление. На возможности развития горнодолинных ветров
влияют в основном радиационные, циркуляционные и топографические условия.
Одним из элементов горнодолинной циркуляции является движение воздушных
потоков по осям долины: днем ветер дует в долину, ночью – из долины.
Ветровой режим предприятия представлен розой ветров. В районе карьера
скорость ветра незначительно возрастает с высотой из-за близости склона. Выше
отметки 300 м резко увеличиваются, что связано с большей открытостью
горизонта [32]. Максимальные скорости над горами наблюдаются при ветрах
северной четверти. В районе техногенных массивов скорости ветра менее 3 м/с
составляют 63 % (5519 час). Средняя скорость ветра за годовой цикл – 2,3-2,6 м/с.
Скорости ветра возрастают до уровня 370 м и далее до уровня 410 м
незначительно колеблются, но при выходе из цирка резко возрастают.
Повторяемость направлений ветра и средние скорости ветра по румбам
приведены в таблице 1.9.
Таблица 1.9 – Повторяемость направлений ветра по румбам в районе
расположения предприятия
Параметр
Повторяемость
С
10
СВ
4
Повторяемость по румбам, %
В
ЮВ
Ю
ЮЗ
11
15
11
15
З
18
СЗ
16
35
По приведенным данным видно, что в районе расположения предприятия не
наблюдается ярко-выраженного преобладающего направления ветра, тем не
менее, наибольшая повторяемость наблюдается по западному ветру (18%),
наименьшая – по северо-восточному ветру (4%).
Рельеф района грядово-холмистый, леса смешанные.
Схема расположения основных объектов предприятия относительно розы
ветров представлена на рисунке 1.15.
Рисунок 1.15 – Схема расположения основных объектов предприятия
ОАО «Ковдорский ГОК»: 1 – карьер, 2 – насыпь циклично-поточной технологии
(ЦПТ), 3 – отвал №1, 4 – отвал №2, 5 – отвал №4, 6 – склад магнетитовых
железных руд (МЖР), 7 – склад апатит-штаффелитовых руд (АШР), 8 –
хвостохранилище (2-е поле хвостохранилища), 9 – техногенное месторождение (1
поле хвостохранилища), 10 – карьер песчано-гравийной смеси (ПГС), 11 –
территория ГОКа, 12 – зона жилой застройки
36
ОАО
«Ковдорский
ГОК»
разрабатывает
месторождение
открытым
способом в руднике «Железный» и производит переработку руды на магнитообогатительной фабрике (МОФ) и апатито-бадделеитовой обогатительной
фабрике (АБОФ).
Территория предприятия ОАО «Ковдорский ГОК» условно разделена на
несколько промплощадок (рисунок 1.13), каждая из которых включает в себя ряд
источников загрязнения атмосферы.
В
состав
промплощадки
комбината
входят
следующие
цеха
и
подразделения:
Основное производство:
- рудник «Железный», включая циклично-поточную технологию, отвалы,
склады пород, техногенное месторождение;
- дробильная фабрика;
- обогатительный комплекс, включающий в себя магнито-обогатительную
фабрику (МОФ), апатито-бадделеитовую фабрику (АБОФ), хвостовое хозяйство;
- цех технологического транспорта;
- цех горно-дорожных и строительных машин.
Вспомогательное производство:
- теплоэлектроцентраль, в том числе топливно-транспортный участок;
- ремонтно-механический цех;
- автотранспортный цех;
- энергоцех
(магистральные
инженерные
сети
и
сооружения
промплощадки, КНС № 1,4, кислородно-компрессорное хозяйство);
- цех электроснабжения и связи;
- электроремонтный цех;
- цех подготовки производства;
- цех автоматизации производства;
- цех инженерно-аналитических и опытно-промышленных работ;
- ремонтно-строительный цех;
- хозяйственный цех;
37
- карьер «ПГС».
Карьер «Железный» расположен западнее города Ковдор на расстоянии
500 м от границ города.
На восточном борту карьера, в 1 км от города размещается обогатительный
комплекс, включающий МОФ и АБОФ.
Обогатительное производство имеет два отвала хвостов обогащения,
расположенных южнее города на расстоянии 2,4 км (рисунок 1.15).
На территории рудника, в районе северного и западного бортов карьера,
расположены отвалы вскрышных пород и склады попутных руд, расстояние от
которых до города составляет 1,9-2,6 км (по прямой).
Предприятие имеет собственную дорожную сеть 25 км, в том числе, 7,1 км
с твердым покрытием, соединяющую все объекты предприятия между собой и с
городом и собственную железнодорожную ветку протяженностью 3 км,
соединенную со станцией Ковдор Октябрьской железной дороги.
Нормативная санитарно-защитная зона составляет 1000 м.
1.4 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ КАК ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРЫ
Добыча комплексных руд в карьере «Железный» осуществляется открытым
способом. В карьере производятся следующие работы: бурение скважин,
взрывные работы, выемочно-погрузочные работы, перевозка горной массы,
работы на отвалах пустых пород и в карьере.
Рыхление горной массы буровзрывное. Бурение скважин в карьере
производится станками СБШ-250. Для взрывных работ применяется взрывчатое
вещество (ВВ) – эмулит ВЭТ 700.
Процесс получения железного концентрата предусматривает дробление,
измельчение руды, мокрую магнитную сепарацию, фильтрацию и сушку.
Руда с карьера «Железный» поступает на дробильную фабрику, где
дробится, измельчается и далее направляется в корпус обогащения магнитообогатительной фабрики (МОФ). Полученный железорудный концентрат сушится
38
в сушильных барабанах, работающих на мазуте. Готовый концентрат отгружается
в железнодорожные вагоны или складируется на складе сухого концентрата.
Хвосты
магнитного
обогащения
поступают
на
АБОФ
для
последовательного получения апатитового (Р2О5) и бадделеитового (ZrO2)
концентратов. Апатито-бадделеитовая фабрика работает по флотационногравитационной схеме.
Апатитовое производство включает в себя:
- подготовку питания флотации;
- апатитовую флотацию;
- сгущение апатитового концентрата;
- сушку и погрузку апатитового концентрата
Сушка осуществляется в сушильных барабанах, работающих на мазуте.
Сухой
апатитовый
концентрат
поступает
в
силосный
склад
и
через
автоматизированные погрузочные устройства отгружается железнодорожным
транспортом потребителю.
Бадделеитовый концентрат получают из хвостов апатитовой флотации,
технология производства которого включает:
- гравитационное отделение;
- отделение сушки и доводки.
В результате получают бадделеитовый концентрат с содержанием двуокиси
циркония 92 %, который доводится по обжигмагнитной схеме до 98% содержания
двуокиси циркония.
Хвосты производства сбрасываются в хвостохранилище.
Выбросы загрязняющих веществ от организованных источников основного
производства предприятия поступают в атмосферу через трубы аспирационных
систем, от сушильных барабанов МОФ и АБОФ через дымовую трубу высотой
150 м. При выполнении планового ремонта дымовой трубы Н = 150 м выбросы от
сушильных барабанов МОФ поступают в атмосферу через 2 дымовые трубы Н =
40 м каждая, от сушильных барабанов АБОФ – через дымовую трубу
высотой 70 м.
39
Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу: пыль неорганическая
с содержанием SiO2 до 20%, пыль циркония, серы диоксид, азота диоксид,
углерода оксид.
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от карьеров, отвалов, складов
готовой продукции МЖР и АШР представлены неорганизованными площадными
источниками.
Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу: пыль неорганическая,
углерода оксид, углеводороды, азота диоксид, азота оксид, сажа.
Пыление хвостохранилища происходит только в летний период.
На
промплощадке
Ковдорского
ГОКа
производится
утилизация
собственных отходов. В сушильных барабанах МОФ и АБОФ сжигается ветошь
промасленная, образующаяся на предприятии. На специально обустроенной и
согласованной
с
контролирующими
органами
площадке
выжигаются
отработанные масляные фильтры, тара из-под лакокрасочных материалов.
Расчет выбросов пыли (таблица 12) от источников карьера и отвалов
производился с использованием программы «Горные работы» («Интеграл»),
реализующей «Методику расчета вредных выбросов (сбросов) для комплекса
оборудования открытых горных работ (на основе удельных показателей)»,
Люберцы, 1999, «Методическое пособие по расчету, нормирование и контролю
выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух», СПб, 2012. Программа
позволяет рассчитать выбросы при работе различного оборудования открытых
горных разработок, в том числе автотранспорта и тепловозов.
1.4.1 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ НА КАРЬЕРЕ «ЖЕЛЕЗНЫЙ»
При
разработке
месторождений
открытым
способом
источниками
пылевыделения являются технологические процессы добычных работ, связанные
с бурением, производством массовых взрывов и погрузочно-транспортными
работами. На долю взрывных работ и экскавацию горной массы в сумме
приходится 60-80% от общего количества частиц пыли, поступающих в
атмосферу карьеров [33].
40
Исследованиями установлено [34], что наиболее неблагоприятными по
признаку выхода пыли являются буровзрывные работы. Так, при бурении
выделяется в атмосферу 50-60% общего объема пыли, при взрывных работах – 3040% и лишь порядка 10% приходится на все остальные горные процессы
(погрузка, вторичное дробление и пр.).
Степень загрязнения атмосферного воздуха в карьере и прилегающей к
нему территории во многом определяется характеристиками пылевого облака,
формирующегося в результате взрыва, скоростью выпадения пылевых частиц при
заданной скорости сноса пылевого облака.
Исследования [3], показали, что при открытой добыче железных руд,
дробление скальных пород при помощи взрывов сопровождается образованием
пыли в количестве 45-110 граммов на тонну руды, а ее дальнейшая переработка в
карьере связана с дополнительным выделением пыли в количествах 50-150 г/т.
Однако
выделенная
пыль
при
технологических
процессах
погрузки
и
транспортировки горной массы являются источниками, более рассредоточенными
по площади в карьере и на протяжении времени между двумя массовыми
взрывами (период две – три недели).
При проведении массового взрыва практически то же количество пыли
вместе с пылегазовым облаком уносится из карьера в течение нескольких минут
полосой около полутора – двух сотен метров. Все это приводит к тому, что
вредные примеси в пылегазовых облаках после массовых взрывов акцентировано
проявляют себя в более короткий период времени, как при загрязнениях
воздушной среды, так и земельных ресурсов.
Характер рассеивания пылегазового облака под воздействием атмосферной
диффузии детально изучен многими авторами [18, 35, 36, 37, 38].
Экспериментально установлено [18], что в зависимости от количества
взрываемого ВВ и типа горных пород, поверхностная плотность осевшей пыли
(г/м2) изменяется в довольно широких пределах, однако по мере удаления от
блока ее значение убывает (таблица 1.10).
41
Таблица 1.10 – Значение поверхностной плотности осевшей пыли в следе
пылегазового облака в карьере и за его пределами
Масса ВВ (130 т)
Расстояние от
блока, м
Поверхностная
плотность, г/м2
50
100
250
500
800
1200
670
312
66
31,8
16,7
4,0
Масса ВВ (76 т)
Расстояние от
блока, м
Поверхностная
плотность, г/м2
50
100
200
300
400
600
310
160
41
30,6
28,0
26,4
На границе санитарно-защитных зон карьера поверхностная плотность
осевшей пыли в сотни раз меньше от ее первоначальной плотности и достигает в
зависимости от количества ВВ, типа и влажности пород значений 4-20 г/м2,
продолжая уменьшаться по мере удаления от места взрыва.
Качественная оценка дисперсного состава осевшей пыли, приведена в
таблице 1.11.
Таблица 1.11 – Дисперсный состав (в %) осевшей пыли: в числителе –
кониметрический, в знаменателе – массовый
Расстояние от
взорванного блока, м
100
Интервал размера диаметра частиц пыли, мкм
0-1,4
1,4-4
4-15
15-50
50-100
68,89
25,46
9,03
1,12
1,3
0,01
0,22
2,8
15,3
81,7
200
74,31
17,52
7,33
0,8
0,04
0,05
0,68
12,32
53,87
33,1
300
75,11
19,5
4,8
0,57
0,02
0,08
1,2
12,6
60,15
25,9
600
79,87
15,76
3,7
0,51
0,016
0,1
1,23
12,5
69,4
16,7
Среднее значение
71,3
20,85
6,84
0,97
0,04
0,1
1,2
9,68
49,67
39,35
Дисперсный состав витающей в карьере пыли, мкм
(в период между взрывами)
Среднее значение
84,94
10,75
3,5
0,758
0,052
(по высоте карьера)
0,04
0,32
44,18
50,7
4,4
Анализ дисперсного состава пыли показывает, что массовая доля крупной
фракции размером 50-100 мкм с ростом расстояния от места взрыва уменьшается
с 81,7% до 16,7% и в конечном итоге должна достигнуть своего предела 5%, то
есть приблизиться по составу к фракционному распределению витающей в
карьере пыли. Таким образом, около 95% пыли по массе за границами карьера
42
будет состоять из фракций крупностью 4-50 мкм, а в пределах карьера
преимущественно осаждаются фракции пыли 50 мкм и выше.
Современная общепринятая модель загрязнения окружающей территории,
выпадающими из пылегазового облака частицами пыли включает в себя
гравитационное осаждение частиц, турбулентную диффузию, взметывание и
перенос частиц ветровыми потоками.
Анализ исследований процесса турбулентного переноса и повторного
взметывания
осевшей
после
массового
взрыва
пыли,
показывает,
что
экспериментальное исследование этого явления в натуральных условиях
затруднительно из-за непостоянства направления и скорости ветровых потоков в
карьере и невозможности отличить пыль, осевшую из пылегазового облака, от
пыли, осевшей при ведении других технологических процессов в карьере.
Поэтому этот процесс изучен по большей части теоретически.
Результаты расчета скорости ветра, при которой происходит взметывание
частиц пыли, приведены в таблице 1.12.
Таблица 1.12 – Значения скорости ветра, обеспечивающей взметывание частиц
пыли диаметром D
Плотность
пыли, кг/м3
0,7
2500
3500
1,92
2,27
D·106 (м)
2,7
9,5
Скорость ветра U10 (м/с)
3,11
4,97
3,68
5,77
32,5
75
7,56
8,94
10,2
12,06
Ввиду того, что скорость ветровых потоков в карьере, по сравнению с
поверхностью, уменьшается в 1,5-2 раза; более крупные частицы пыли
взметываться практически не будут. Загрязнение воздушной среды будет
происходить только за счет взметывания частиц пыли размером до 32,5 мкм,
массовая доля которых значительно меньше (около 25%).
Скорость
витания
пылевых
частиц
горных
пород
плотностью
2500-3500 кг/м3 в зависимости от их размера приведена в таблица 1.13 и
колеблется в интервале от 0,4 мм/с до 0,43 м/с [39.
43
Таблица 1.13 – Скорость витания пылевых частиц
Плотность
горной
породы,
кг/м3
0,7
2500
3500
0,0004
0,0005
2,7
Диаметр частиц пыли, мкм
9,5
32,5
Скорость витания, м/с
0,0008
0,0045
0,0009
0,008
0,08
0,12
75
0,32
0,43
Изучение процесса взметывания осевшей пыли показало, что поток пыли
от подстилающей поверхности в воздушную среду происходит при скоростях
ветра свыше 3,0-3,5 м/с и ее интенсивность (в мг/м2с) описывается зависимостью
(1.1) [18:
3, 07
М n U10   0,011  U10
 e 0, 2 ,
(1.1)
где М n U10  - мощность площадного источника, мг/м2с; φ – влажность
почвы, %.
Расчеты, произведенные по формуле (1.1), показывают, что интенсивность
взметывания пыли при скорости ветра в 5,0 м/с составляет около 2 мг/м 2с, то есть
значительного загрязнения воздушной среды при такой мощности площадного
источника не произойдет, а каждый грамм осевшей на почву пыли будет унесен
ветром в течение 8-9 минут. Если учесть, что на границе санитарно-защитной
зоны максимальная поверхностная плотность осевшей пыли составляет 4-20 г/м2,
то ее поверхностное взметывание после прохождения пылегазового облака будет
наблюдаться в интервале от получаса до трех часов.
В то же время необходимо отметить, что установление границы
рассеивания пылегазового облака по поверхности земли вовсе не является
решением вопроса защиты окружающей среды от выбросов массовых взрывов в
карьерах. Важное значение имеют начальные параметры пылевого облака,
определяемые условиями протекания процесса его образования напрямую
зависящими как от физическо-технических свойств разрушаемого массива, так и
от параметров БВР.
Авторы работы [40] условно выделяют два механизма образования
пылегазовых облаков: первичный, связанный с выносом пыли из устья скважин
истекающими газообразными продуктами взрыва, и вторичный, возникающий в
44
результате дополнительного дробления при перемещении раздробленной породы
и формирования развала. Физика процесса до образования первичного облака
представлена следующим образом. При взрыве условия на контакте ВВ – массив
приближаются
к
гидродинамическим.
Граница
зоны
переизмельчения
определяется расстоянием, на котором напряжение на фронте волны сжатия
станет меньше предела прочности при всестороннем сжатии. Под действием
расширяющихся в момент взрыва продуктов детонации ВВ происходит выброс
забойки и истечение газов из устья скважины. После значительного ослабления
действия взрыва на стенки зарядной камеры в зоне, близкой к заряду, образуется
отраженная волна, которая приводит к отрыву частиц измельченной породы
стенок зарядной камеры. Истекающие из устья скважины газы выбрасывают
оторвавшиеся частицы пород в атмосферу, образуя первичное пылегазовое
облако.
Разрушенная взрывом порода, перемещаясь впоследствии по инерции,
проходит стадию дополнительного дробления и перемещения кусков породы,
которое сопровождается интенсивным их трением друг о друга и образованием
пыли.
Выбросы пыли проведении буровзрывных работ в карьере «Железный»
представлены в таблице 1.14.
Таблица 1.14 – Выбросы пыли при проведении буровзрывных работ в карьере
«Железный», г. Ковдор
Источник
Пыление при
бурении скважин
(марка станка СБШ250)
Выбросы пыли при
проведении
взрывных работ
Сумма
Валовый выброс, т/год
Максимально-разовый выброс, г/с
Для одной
единицы
техники
Для всех
работающих
единиц техники
Карьер «Железный»
Для одной
единицы
техники
Для всех
работающих
единиц техники
1,82
36,4
326,54
12,76
10,18 (для
одного
массового
взрыва)
549,83 (суммарно
для всех массовых
взрывов,
проводимых за год)
586,23
8485,01 (для одного массового взрыва)
45
Для погрузки горной массы используются экскаваторы ЭКГ-8И и ЭКГ-10.
Перевозка горной руды на дробильную фабрику и вскрышных пород в отвалы
производится
автосамосвалами
НД-1200
«Комацу»,
БелАЗ-75131,
75191,
Катерпиллар САТ-785В. Для работ в отвалах используются бульдозеры ДЭТ-250,
Д-355, ДЗ-98. Общая протяженность эксплуатируемого участка дороги в карьере
составляет 5,3 км, из которых 2,6 км имеют щебеночное покрытие, 2,7 км –
грунтовое.
Выбросы
пыли
при
выемочно-погрузочных
работах
и
транспортировании горной массы представлены в таблице 1.15.
Таблица 1.15 – Выбросы пыли при выемочно-погрузочных работах и
транспортировании горной массы в карьере «Железный».
Источник
Пыление при работе
экскаваторов
- ЭКГ-10
- ЭКГ-8И
Пыление при работе
бульдозеров:
- ДЭТ-250
- Д-355
- ДЗ-98
Пыление дороги во
время движения
автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ75131)
Пыление кузова во
время движения
автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ75131)
Сумма
Валовый выброс, т/год
Максимально-разовый выброс, г/с
Для одной
единицы
техники
Для всех
работающих
единиц техники
Для одной
единицы
техники
Для всех
работающих
единиц техники
12,8
9,5
64,2
37,9
5,12
3,78
25,62
15,14
3,2
3,4
0,8
19,1
10,2
0,8
0,95
1,02
0,25
5,71
3,05
0,25
21,1
211,3
266,84
2668,4
18,8
187,6
2,02
20,18
531,1
На техногенном месторождении и в карьере «ПГС» производятся только
выемочно-погрузочные и автотранспортные работы.
В настоящее время мероприятия по пылеподавлению на площадке карьера
применяются только при бурении скважин (сухое пылеулавливание) и при
проведении взрывных работ (гидрозабойка).
46
1.4.2 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ НА ОТВАЛАХ И ОТКРЫТЫХ
СКЛАДАХ
Анализ результатов исследований в различных областях науки показывает,
что в качестве критериев оценки степени воздействия пылевых выбросов
техногенных массивов на окружающую среду могут быть использованы:
- темпы пылевого загрязнения земель;
- изменение геохимического баланса почвы;
- ухудшение здоровья населения;
- состояние растительности.
Воздействие техногенных массивов на атмосферный воздух заключается в
пылесдувании с поверхности отвалов, терриконов и других хранилищ отходов.
Движение
воздушного
потока
представляет
собой
активный
процесс,
аналогичный ветровой эрозии песков в пустынях или при отсутствии
растительности, так как, в основном техногенные массивы образованы
тонкодисперсным материалом.
Отрицательным результатом экстенсивного развития горного производства
является увеличение пылевых выбросов по мере роста площади и высоты отвалов
(рисунок 1.16) [3] и как следствие, расширение зон прямого воздействия на
воздушный бассейн и прилегающую территорию.
Расчеты показывают [41], что при увеличении высоты отвала с 20 до 100 м
суммарная площадь его поверхности уменьшается в 4,0-4,8 раза (при одинаковой
емкости), а площадь запыления при этом возрастает в 2,5-3,0 раза.
Образование отвальных массивов на дневной поверхности создает
благоприятные условия для проявления более интенсивной ветровой эрозии и, как
следствие, ведет к значительному запылению прилегающих территорий и
угнетению растительности. С поверхности хвостохранилища площадью 1000 га,
порыв
ветра
может
снести
около
60 тыс. м3
песков
(по
данным
И.А. Турчанинова). Исследованиями [42] показано, что в сутки с 1 га
незащищенной поверхности отвала может быть унесено от 2 до 5 т пыли. При
этом установлено, что если привнесенное количество пыли превысит 58 кг в
47
месяц на 1 га, то наступит эффект угнетения всей жизнедеятельности растений и
животных этой местности. При мощности же слоя осевшей пыли в 4-5 см
отмечается полная гибель всходов сельскохозяйственных культур.
w, мг/(с·м2)
удельная сдуваемость
пыли
а
0,8
S=130 тыс.м2
0,6
0,4
0,2
S=1500 тыс.м2
0
1
3
скорость ветра, м/с
б
5
пылевыделение
N, мг/с
5·105
5 м/с
3 м/с
3·105
1·105
0
2 м/с
200 400 600 800 1000
1200
площадь отвала, тыс.м2
Рисунок 1.16 – Зависимость интенсивности пыления отвалов от: а – скорости
ветра υ; б – их площади S
Установлено, что пыль размером 100 мкм поднимается с места
пылеобразования и переносится на расстояние 500-2000 м при скорости ветра
около 5 м/с и на расстояние более 2000-4000 м при скорости ветра около 9 м/с.
При этом мелкодисперсная пыль загрязняет воздух в течение недель и даже
месяцев [43, 44, 45, 46].
Результаты расчетов пылевыделения основных источников на отвалах и
открытых складах представлены в таблице 1.16.
48
Таблица 1.16 – Выбросы пыли от источников на насыпных техногенных массивах
ОАО «Ковдорский ГОК»
Источник
Валовый выброс, т/год
Для одной
единицы
техники
Пыление поверхности
свежеотсыпанной части
отвала
Пыление поверхности,
использование которой
прекращено менее трех лет
назад
Пыление неиспользуемой
части отвала
Пыление при работе
бульдозера (бульдозер ДЭТ250)
Пыление дороги во время
движения автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ-75131)
Пыление кузова во время
движения автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ-75131)
Для всех
работающих
единиц
техники
Отвал №1
Максимально-разовый выброс, г/с
Для одной
единицы
техники
Для всех
работающих
единиц техники
50,5
143,00
494,7
1401,40
247,4
910
1,8
1,8
0,82
0,82
4,2
12,7
74,88
224,64
13,4
40,2
2,02
6,05
Отвал №2
Пыление поверхности,
использование которой
прекращено менее трех лет
назад
1286,6
32,45
Отвал №3
Пыление поверхности
свежеотсыпанной части
отвала
Пыление поверхности,
использование которой
прекращено менее трех лет
назад
Пыление неиспользуемой
части отвала
Пыление при работе
бульдозера (бульдозер Д-355)
Пыление дороги во время
движения автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ-75131)
Пыление кузова во время
движения автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ-75131)
Сумма
5564
1959,2
783,7
2225,60
7249,0
20586,8
2,4
2,4
1,02
1,02
18,6
335,7
329,64
5933,62
9,7
201,0
1,68
30,27
12486,9
49
1.4.3 ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ СКЛАДА МАЛОЖЕЛЕЗИСТЫХ РУД
И СКЛАДА АПАТИТ-ШТАФФЕЛИТОВЫХ РУД
Отходами горного производства являются вскрышные горные породы и
попутно добываемые руды: маложелезистые и апатит-штаффелитовые, которые
складируются в отдельные склады. Все руды и породы – нетоксичны. Объемы
вывозки соответствуют плановым коэффициентам вскрыши и составили на
2010 г.: вскрышные породы – 26,669 млн. т, маложелезистые руды (МЖР) –
2,563 млн.т, апатит-штаффелитовые руды (АШР) – 6,2 тыс. т.
Из этого объема МЖР и АШР из-за отсутствия потребителя и
нерентабельности переработки складируются полностью в специальные склады, а
породы вскрыши частично используются для общестроительных работ (щебень
для подсыпки автодорог в карьере, для балласта). В 2010 г. было использовано
1295 тыс. т пород.
Вскрыша представлена на 97% скальными горными породами ийолитпироксенит-фенитами и на 3% – моренными отложениями. Максимальный размер
куска – до 800-1000 мм. Среднее содержание железа составляет 5%, Р2О5 – 0,5%,
содержание SiO2 – до 65%, CaO – до 23%, Al2O3 – до 18%.
МЖР
представлены
апатит-силикатными
и
апатит-карбонатными
разновидностями. Содержание апатита – до 15%, магнетита – до 14%,
карбонатитов – до 75% (содержание P2O5 – до 6%, Fe – до 9%). АШР
представлены
апатитом,
магнетитом,
слюдами,
карбонатитами.
Среднее
содержание P2O5 – 14%, Fe – 8%, SiO2 – 20%.
МЖР и АШР могут быть использованы для получения апатитового и
железорудного концентратов, а также – извести и цементов из карбонатитов. На
месторождении
в
небольшом
количестве
присутствует
редкометалльная
разновидность бадделеит-апатит-магнетитовых руд, которая после извлечения
складируется в спецотвал.
Высота склада МЖР составляет 40 м. Склад МЖР примыкает с отвалу №3 к
юго-западной его части и располагается в зоне ветровой тени отвала. При северовосточном, восточном и юго-восточном направлении ветра миграция расстояние
50
пылепереноса ограничено площадью отвала №3. Фракционный состав сдуваемой
пыли соответствует составу породы в отвале №3.
По состоянию на 2014 год отсыпка породы в склад АШР не осуществляется.
Отсыпка прекращена с 2009 году в связи с отсутствием апатит-штафеллитовых в
отрабатываемых участках карьера. В соответствии с произведенным расчетом
пылевыделения можно отменить снижение ветровой эрозии склада.
Данные с выбросах пыли на складе МЖР и складе АШР представлены с
таблице 1.17.
Таблица 1.17 – Выбросы пыли при на складе МЖР и складе АШР
Источник
Валовый выброс, т/год
Для одной
единицы
техники
Пыление
поверхности
свежеотсыпанной
части склада
Пыление при работе
бульдозера
(бульдозер ДЗ-98)
Пыление дороги во
время движения
автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ75131)
Пыление кузова во
время движения
автосамосвалов
(самосвалы БелАЗ75131)
Максимально-разовый выброс, г/с
Для всех
работающих
единиц техники
Склад МЖР №4
Для одной
единицы
техники
783,7
Для всех
работающих
единиц техники
5564
0,6
0,6
0,25
0,25
23,2
69,7
410,64
1231,91
10,2
26,8
1,35
4,04
Склад АШР
Пыление
поверхности
свежеотсыпанной
части склада
Сумма
95,0
149,40
975,4
1.4.4 ОБЪЕКТЫ ЦИКЛИЧНО-ПОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Циклично-поточная
технология
(рисунок
1.17)
при
паспортизации
источников загрязнения предприятия выделяется в отдельную производственную
площадку.
Объекты
циклично-поточной
технологии
образуют
линию
конвейерного транспорта горной массы. Циклично-поточная технология включает
в себя дробильно-сортировочный комплекс, «пылящими» объектами которого
51
являются три щековые дробилки производительностью 1200 т/ч. Дробильносортировочный комплекс располагается в северной части карьера на отметке
-20 м. В дробильно-сортировочном комплексе осуществляется перегрузка
транспортируемой самосвалами горной массы и ее дробление до состояния
транспортируемой фракции. После прохождения этапа дробления горная масса
попадает через три перегрузочных пункта производительностью, также, 1200 т/ч
на конвейер. Ленточный конвейер располагается на наклонной насыпи ЦПТ и
осуществляет транспортировку горной массы из карьера на отвал №3. Общая
длина конвейера составляет 1450 метров. Конвейер состоит из пяти отдельных
участков. Перегрузка горной массы с одного участка на другой осуществляется в
пунктах перегрузки производительностью 2400 т/ч, располагающиеся на
наклонной насыпи на отметках -20 м, -15м, 10м, 90м, 95м. На верхней отметке
осуществляется разгрузка горной массы во временный склад ЦПТ. На складе
располагается экскаватор, который осуществляет загрузку породы в самосвалы
для ее дальнейшего распределение в отвале.
Рисунок 1.17 - Объекты циклично-поточной технологии
ОАО «Ковдорский ГОК»
В настоящее время мероприятия по пылеподавлению на объектах
циклично-поточной технологии не производятся. Для сокращения пылепереноса
объекты дробильно-сортировочного комплекса изолированы бункерами, частично
52
предотвращающими ветровую эрозию. Участки конвейера, также, частично
изолированы надконвейерными галереями.
Процесс пылевыделения на объектах ЦПТ интенсифицируется за счет
процессов дробления, что приводит к дополнительному образованию пылевидной
фракции с размером пылевых частиц менее 50 мкм. Увеличение объемов
пылепереноса достигается, также, за счет ветровой нагрузки на пылящие объекты.
ЦПТ располагается на верхней отметке отвала №3, что позволяет говорить о
фактической отсутствии естественной защищенности объектов.
Объемы пылевыделения на объектах ЦПТ представлены в таблице 1.18.
Таблица 1.18 - Выбросы пыли на объектах ЦПТ
Валовый выброс, т/год
Источник
Пыление
поверхности склада
ЦПТ
Приемные бункеры
дробилок
Узлы пересыпки
производительностью
1200 т/ч
Узлы пересыпки
производительностью
2400 т/ч
Пыление при работе
экскаватора ЭКГ-8И
Для одной
единицы
техники
Максимально-разовый выброс, г/с
Для всех
работающих
единиц техники
Для одной
единицы
техники
46,5
Для всех
работающих
единиц техники
42,88
152
114
8,66
25,99
86
65
4,95
14,85
173
130,25
9,90
29,70
47
11,75
3,78
3,78
Сумма
367,5
Для условий ОАО «Ковдорский ГОК» можно выделить следующие зоны
пылевого воздействия отвалов на окружающую среду:
- зону максимального воздействия, с высоким пылевым загрязнением
поверхности земли (1000-1500 кг/(га*год)) и расположенную, как правило, в
радиусе 3-10 км от техногенного массива;
- зону повышенного воздействия, с удельным пыленакоплением 100500 кг/(га год), распространяющуюся на расстояние 15-17 км;
-
зону косвенного
влияния,
100 кг/(га*год), радиусом до 50 км.
с
удельным
пыленакоплением
менее
53
1.4.5 ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ
Хвостохранилище Ковдорского горно-обогатительного комбината является
одним из крупнейших в России. Площадь его составляет 7 км 2. Хвостохранилище
сформировано естественными возвышенностями с юго-западной, южной и юговосточной стороны и насыпной дамбой с северной и северо-западной стороны
высотой 55 метров. С южной части в хвостохранилище впадает пять ручьев, что
способствует поддержанию значительной площади обводнения (порядка 2,1 км 2),
и приводит к сокращению площади возможного пылеобразования. Вдоль дамбы
располагается несколько выпусков пульпообразных отходов производства, что
дает возможность производить переключение между выпусками, тем самым,
увеличивая площадь увлажненной поверхности.
Измерения концентрации пыли в районе расположения хвостохранилищ,
показали, что запыленность воздуха при средней скорости ветра 7-8 м/с, на
расстоянии 100 м от хвостохранилища составила 30,1-137,0 г/м3, при скорости
ветра 2 м/с (с порывами до 5 м/с) и на расстоянии 1000 м – 1,1-6,1 мг/м3 (таблица
1.19). В таблицах 1.20-1.22 проведено сравнение гранулометрических составов
хвостов
АНОФ-2
ОАО
«Апатит»,
ОАО
«Михайловский
ГОК»
и
ОАО «Ковдорский ГОК».
Таблица 1.19 - Показатели сдувания пыли с пылящих поверхностей
Место пыления
Поверхностные открытые
склады
Поверхность
отвалов
Поверхность
хвостохранилищ
породных
Условия работы и характеристика
объекта
Умеренно пыльные
Пыльные
Весьма пыльные
Свеженасыпанный
Через 3 месяца после отсыпки
Хвосты влажностью 2-4 %
Хвосты влажностью 4-6 %
Хвосты влажностью 8-10 %
Удельное сдувание пыли при
скоростях ветра (м/с), мг/(м2·с)
до 4
6-8
10
0,4
18
100
0,6
25
200
1,0
50
350
1,0
9
15
0,6
5
8
2,8
400
1300
1,8
35
60
1,2
12
25
Твердая фаза хвостов содержит обычно частицы крупностью менее 0,25-0,1
мм (таблицы 1.20, 1.21, рисунок 1.18), а в пляжных зонах хвостохранилищ
образуются участки пылеватых шламов со средневзвешенной крупностью 0,08
мм, которые в результате ветровой эрозии легко уносятся с поверхностей на
большие расстояния (начальная скорость пылеподъема составляет для них
54
примерно 3-5 м/с). Взметывающаяся с поверхности пыль не только отрицательно
влияет на санитарно-гигиенические условия жилых массивов и промышленных
предприятий, но и на состояние окружающих сельскохозяйственных угодий,
Дальность переноса частиц, км
которые засоряются пылевидными материалами.
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,01
0,03
0,05
0,1
Диаметр частиц, мм
1
8
Рисунок 1.18 - Зависимость дальности переноса от диаметра частиц
Таблица 1.20 - Гранулометрические и аэродинамические характеристики
материала хвостов АНОФ-2 ОАО «Апатит»
Диаметр частиц,
мм
Фракционный
состав, %
Критическая
скорость ветра,
м/с
Дальность
переноса частиц
8-1
1-0,1
0,1-0,05
0,05-0,03
0,03-0,01
0,01
2,7
89,7
4,9
1,5
0,6
0,6
10-15
4,2-10
3,5-4,1
4,2-3,5
8,6-12,0
12-15
несколько
метров
100-150 м
1 км
до 8 км
до 15 км
более 15 км
Таблица 1.21 - Дисперсный состав отходов обогащения на хвостохранилище
ОАО «Михайловский ГОК», %
Место отбора проб
1000-250
2,56
-
Пляжная зона
0,3 км от плотины
0,6 км от плотины
1,0 км от плотины
Гранулометрический
Дисперсный состав пыли при фракциях, мкм
250-50
50-10
10-5
5-1
31,12
38,40
15,18
5,86
0,03
0,76
7,12
16,86
0,02
0,48
4,47
19,21
0,14
0,45
3,85
15,29
состав
пробы
1
5,02
75,72
75,62
80,32
хвостохранилища
ОАО «Ковдорский ГОК», определенный с использованием анализатора частиц
HORIBA LA-950
Отдела
аналитических
исследований
ЦКП
Горного
55
университета, представлен на рисунке 1.19. Распределение по крупности твердых
частиц в составе жидких отходов хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК»,
представлено в таблице 1.22.
Рисунок 1.19 - Гистограмма распределения крупности частиц отходов в
хвостохранилище ОАО «Ковдорский ГОК»
Таблица 1.22 - Дисперсный состав отходов обогащения на хвостохранилище
ОАО «Ковдорский ГОК», %
Место отбора проб
Пляжная зона
На
основании
1000-250
12,1
Дисперсный состав пыли при фракциях, мкм
250-50
50-10
10-5
5-1
55,4
19,9
8,8
3,6
сравнения
дисперсных
составов
1
0,2
хвостов
Михайловского ГОКа, Ковдорского ГОКа и хвостохранилища ОАО «Апатит»
можно сделать вывод о том, что в пляжной зоне хвостохранилища Ковдорского
комбината доля фракции пыли менее 50 мкм (переносимой на расстоянии более 8
км) составляет 32%, когда так в хвостах Михайловского ГОКа – 64% , АНОФ-2
ОАО «Апатит» - менее 3%, что позволяет говорить необходимости разработки
56
специальных
мероприятий
для
условий
Ковдорского
хвостохранилища,
отличающихся от условий Михайловского ГОКа и АНОФ-2 (таблица 1.23).
N, мг/(с·м2)
6
5
4
10
4
103
3
2
10
10
2
1
0,4
1
2
3 4
5 6 W, %
Рисунок 1.20 - Зависимость удельной сдуваемости пыли N от влажности хвостов
W и скорости воздушного потока v:1 – 2 м/с, 2 – 3,4 м/с, 3 – 5,1 м/с, 4 – 6,5 м/с, 5 –
7,7 м/с, 6 – 8,8 м/с
Количество пыли, взметываемой с поверхности техногенных массивов,
зависит от следующих основных факторов: скорости ветра, влажности верхнего
слоя и его фракционного состава. Зависимость удельной сдуваемости пыли от
влажности хвостов и движения воздушного потока представлены на рисунке 1.20.
Удельная сдуваемость пыли с поверхности хвостохранилищ определялась в
лабораторных условиях в аэродинамической трубе [47]. Исследования показали,
что при скорости потока до 5 м/с и влажности хвостов свыше 6 %, сдувание пыли
с поверхности образца незначительно, что соответствует данным таблицы 1.11.
57
Таблица 1.23 - Сравнительная характеристика параметров пылевыделения и
пылепереноса
с
хвостохранилищ
ОАО
«Ковдорский
ГОК»,
ОАО «Михайловский ГОК» и ОАО «Апатит»
Влажность, Среднее значение
%
удельная
сдуваемости пыли
с поверхности
хвостохранилища
мг/(с·м2)
Среднее расстояние
пылепереноса
Хвостохранилище
ОАО «Ковдорский
ГОК»
(площадь пыления
1500000 м2)
1
2
3
4
5
6
Дисперсный состав
пыли в воздухе
селитебной
территории
(расстояния 2,8 км)
Хвостохранилище
ОАО «Михайловкий
ГОК»
(площадь пыления
3000000 м2)
9000
2500
750
350
85
35
Удельный объем выделения фракций пыли,
мг/(с·м2)
1000250
мкм
250-50
мкм
50-10
мкм
10-5
мкм
5-1
мкм
100150 м
до 1 км
до 8 км
до 15
км
до 50
км
1089
302,5
90,75
42,35
10,29
4,24
4986
1385
415,50
193,90
47,09
19,39
1791
497,50
149,25
69,65
16,92
6,97
+
1
2
3
4
5
6
Дисперсный состав
пыли в воздухе
селитебной
территории
(расстояния 9,1 км)
Хвостохранилище
ОАО «Апатит»
(площадь пыления
4500000 м2)
9000
2500
750
350
85
35
230,4
64,00
19,20
8,96
2,18
0,90
2800,8
778,00
233,40
108,92
26,45
10,89
3456
960,00
288,00
134,40
32,64
13,44
792,00 324,00
220,00 90,00
66,00 27,00
30,80 12,60
7,48
3,06
3,08
1,26
+
1366,2 527,4
379,50 146,50
113,85 43,95
53,13 20,51
12,90
4,98
5,31
2,05
+
1
2
3
4
5
6
9000
2500
750
350
85
35
6282
1745
523,5
244,3
59,33
24,43
1791
497,5
149,25
69,65
16,915
6,965
189
52,5
15,75
7,35
1,785
0,735
Дисперсный состав
пыли в воздухе
селитебной
территории
(расстояния 7,5 км)
Исходя
+
+
1
мкм
боле
е 50
км
18,00
5,00
1,50
0,70
0,17
0,07
+
451,8
125,5
37,65
17,57
4,27
1,76
+
108
30
9
4,2
1,02
0,42
+
из
приведенной
сравнительной
характеристики
удельной
сдуваемости пыли и пылепереноса можно сделать вывод о том, что дисперсный
состав пыли переносимой в селитебную зону г.Ковдор преимущественно
представлен частицами крупностью до 50 мкм, что обусловлено близостью
расположения хвостохранилища (2,8 км), когда как, в селитебной территории
г.Железногорск (расстояние от хвостохранилища 9,1 км) и г.Апатиты (расстояние
58
от хвостохранилища 7,5 км) крупность наблюдаемой пыли не превышает 10 мкм.
Выбросы пыли с поверхности пляжных зон хвостохранилища Ковдорского
комбината
(таблица
1.24)
рассчитывались
с
использованием
методики
«РНВ-Эколог» версии 3.2.1.37, использующей «Методическое пособие по расчету
выбросов от неорганизованных источников в промышленности строительных
материалов», Новороссийск, 1989.
Таблица 1.24 - Выбросы пыли от источников с поверхности хвостохранилища
ОАО «Ковдорский ГОК»
Источник
Валовый выброс, т/год
Пыление поверхности
пляжных зон
хвостохранилища
Максимально-разовый выброс, г/с
205,7
54334
Также произведено сравнение химического состава отвалов горных
предприятий (таблица 1.25).
Таблица 1.25 - Химический состав отвалов горных предприятий
Горно-обогатительный
комбинат
Криворожский
Орско-Халиловский
Ковдорский
Центральный
Печорский ЦОФ
Песчано-гравийный
карьер г. Кировска
Песчано-гравийный
карьер г. Оленегорска
Содержание компонентов, %
SiO2
60,8
37,5
15,8
25,3
61,9
59,68
CaO
1,3
40,5
31,4
37,7
2,6
1,18
Al2O3
1,5
7,5
4,8
3,1
2,6
5,4
MgO
4,2
6,4
10,4
29,4
2,1
7,0
Fe2O3
26,7
32,6
2,8
27,9
12,86
MnO
0,2
5,8
4,0
0,1
0,3
-
TiO2
0,6
0,1
0,1
-
прочие
5,3
59,41
4,16
15,21
1,83
6,27
0,16
1,56
11,4
70,44
4,76
13,92
2,09
2,82
0,03
0,31
5,63
1,7
1,5
2,5
13,9
Определение концентраций элементов в образцах жидких отходов апатитмагнетит-бадделеитового производства ОАО «Ковдорский ГОК», произведенное
в Отделе аналитических исследований ЦКП Горного университета, выполнено
методом оптической эмиссионной спектроскопии с индукционно-связанной
плазмой на спектрометре ICPE-9000 (таблица 1.26).
Для определения валового содержания образцы растворяли в смеси
фтористоводородной, азотной и хлорной кислот в системе микроволнового
разложения Multiwave 3000. Для извлечения подвижных форм микроэлементов
образцы выдерживали в ацетатно-аммонийном буфере (рН=4,8) при соотношении
59
проба/раствор = 1/10 в течение 24 часов.
Таблица
1.26
-
Химический
состав
жидких
отходов
хвостохранилища
ОАО «Ковдорский ГОК»
Вещество
Проба №1
11,3
14,9
20,2
3,1
%
3,1
0,09
0,12
0,06
0,7
35
20
мг/кг
250
24
32
80
Са
Mg
Si
Fe
AI
Мn
Sr
Zr
Cd
Со
Сr
Сu
Ni
V
Zn
Концентрация
Проба №2
11,8
15,2
Подвижные
21,4
формы
2,9
2,8
0,015
0,09
0,07
0,12
0,00001
0,06
<0,1
0,7
1
35
<0,1
22
5,5
240
0,7
23
0,1
33
2,6
80
Подвижные
формы
0,008
0,04
0,00001
<0,1
1
0,1
4
0,5
<0,1
2
На основании проведенных химических анализов проб можно сделать
вывод о том, что преобладающим элементом, характеризующим характер
воздействия на организм человека является диоксид кремния (фиброгенное
воздействие), содержание которого в рассматриваемых отходах составляет менее
20%, что подтверждает нормативный показатель, по которому проводятся
последующие расчеты.
1.5 РАНЖИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПО
ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СЕЛИТЕБНУЮ ТЕРРИТОРИЮ
В
таблице
пылевыделения
1.27
представлена
общая
для
предприятия
ОАО
классификационными
признаками
приняты:
классификация
«Ковдорский
тип
ГОК».
источника
источников
Основными
по
площади
пылевыделения, организованность/неорганизованность выброса, зависимость
пылевыделения от осадков, зависимость пылевыделения от наличия стабильного
снежного
покрова,
стационарность/нестационарность
постоянность/цикличность
источника
относительно
пыления,
цикла
работ,
стационарность/нестационарность источника относительно фронта горных работ.
60
Все источники разделены по типу на точечные, линейные и площадные.
Зависимость пыления от осадков и от наличия стабильного снежного определяет,
происходит
ли
изменение пылевыделения
(не
пылепереноса)
во
время
прохождения осадков или при наличии стабильного снежного покрова на
неэксплуатируемых поверхностях. Классификация по постоянности/цикличности
определяется
источников
параметрами
пыления
вне
работы,
объект
зависимости
от
может
являться
текущих
постоянным
параметров
работы
предприятия или же пыление происходит периодически в соответствии с циклом
производственного
процесса.
Стационарность/нестационарность
источника
относительно времени цикла определяет, передвигается ли источник в
пространстве за период осуществления производственного цикла (например,
нестационарным будет являться автосамосвал).
Стационарность/нестационарность источника относительно фронта горных
работ будет определяться изменением положения источника в относительно
долгосрочной перспективе (нестационарным в данном случае может являться
участок используемой автодороги на отвале, конфигурация которого меняется в
зависимости от того, какая часть отвала отсыпается в настоящее время).
Согласно вышеприведенным данным можно выделить несколько наиболее
важных
дополнительных
параметров,
влияющих
на
изменения
пылевой
обстановки в границах селитебной территории.
Возможный максимально-разовый выброс пыли в большинстве методик
расчета является одним из основных параметров влияющих на концентрацию
загрязняющих веществ в точке достижения максимальной концентрации с
приземной зоне.
Дополнительными параметрами ранжирования рассеивания загрязняющих
веществ в воздухе предлагаются:
- близость объекта пыления к селитебной территории по розе ветров;
- площадь пылящей поверхности (объемный параметр);
- высота
источника
выброса
относительно
поверхности
характеризует степень открытости для селитебной территории.
земли
–
Таблица
1.27
-
Классификация
источников
пылевыделения,
располагающихся
в
земельном
отводе
ОАО «Ковдорский ГОК»
Характеристика
площадной
неорганизованный
зависит
Бурение скважин
площадной
неорганизованный
не зависит
не зависит
Взрывные работы
площадной
неорганизованный
не зависит
Погрузка разгрузка
экскаватора
площадной
неорганизованный
Работа бульдозера
площадной
Пыление кузова
самосвала
Источник
Пыление
поверхности
дороги во время
движения
автотранспорта
- капитальные
автодороги
- временные
автодороги
Тип
источника
Организованный/
неорганизованный
Стационарность/
Пыление
нестационарность Стационарность/
постоянное/ци
относительно
нестационарность
кличное
фронта горных
за время цикла
работ
постоянный
стационарный
цикличный
стационарный
(при расширении
площади карьера нестационарный)
нестационарный
не зависит
цикличный
нестационарный
стационарный
не зависит
не зависит
цикличный
нестационарный
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
нестационарный
нестационарный
(при
рассмотрении
экскаватора в
целом стационарный)
нестационарный
площадной
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
стационарный
нестационарный
площадной
неорганизованный
зависит
зависит
цикличный
стационарный
нестационарный
площадной
неорганизованный
зависит
зависит
цикличный
нестационарный
нестационарный
нестационарный
61
Пыление
поверхности
карьера
Зависимость
пылевыделе
ния от
наличия
стабильного
снежного
покрова
зависит
Снижение
пылевыделен
ия после
прохождения
осадков
Продолжение таблицы 1.27
линейный
неорганизованный
зависит
зависит
постоянный
стационарный
стационарный
площадной
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
стационарный
стационарный
линейный
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
стационарный
стационарный
площадной
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
стационарный
стационарный
площадной
неорганизованный
не зависит
не зависит
цикличный
нестационарный
нестационарный
площадной
неорганизованный
зависит
не зависит
цикличное
нестационарный
стационарный
площадной
неорганизованный
зависит
зависит
постоянный
стационарный
Пыление дамбы
хвостохранилища
площадной
неорганизованный
зависит
зависит
постоянный
стационарный
(при наращивании
площади отвала нестационарные)
стационарный
Пыление пляжных
зон
хвостохранилища
площадной
неорганизованный
зависит
зависит
постоянный
стационарный
Промежуточный
склад горной
массы
площадной
неорганизованный
зависит
не зависит
постоянный
стационарный
нестационарный
(при наличии
только одного
эксплуатируемого
выпуска стационарный)
стационарный
стационарный
62
Пыление
поверхности
дороги (за счет
естественного
пылесдувания)
Пыление при
разгрузке
самосвалов в
приемные бункеры
Пыление при
конвейерной
транспортировке
Пыление в
конвейерных
пунктах пересыпа
Пыление при
разгрузке
самосвала в отвал
Пыление
свежеотсыпанной
части отвала
Пыление
дефлирующей
части отвала
63
Исходя из приведенного анализа можно сделать вывод о том, что
эффективность рассеивания прямо пропорциональна ширине площади сдувания
пыли (за ширину площади сдувания следует принять максимальный линейный
размер, взятый перпендикулярно направлению движения ветра).
Расстояние от источника выброса до границы селитебной территории будет
определять параметры осаждения различных фракций пылевых частиц.
По
вышеприведенному
анализу
известных
исследований
[17]
распространения и осаждения пылевых частиц можно сделать вывод о том, что
селитебная территория города будет подвергаться пылевому загрязнения только
определенных фракций пыли. В условиях рассматриваемого предприятия
наиболее актуальными являются фракции пыли с линейным размером частиц до
50 мкм.
Параметры, определяющие интенсивность пылепереноса показаны в
таблице 1.28.
Таблица 1.28 - Основные параметры источников выброса, определяющие
интенсивность пылепереноса
Источник
загрязнения
Гранулометрический
состав пыли, мкм
Высота
источника,
м
Максимально Площадь
-разовый
пылевыдел
выброс пыли,
ения
г/с
8485,01
10000
Расстояние от
источника до
границы
селитебной
территории, м
750
118
50
2300
<10
10-50
>50
Карьер (взрывные
работы)
2%
15%
83%
Цикличнопоточная
технология
(приемные
бункеры, пункты
пересыпа,
конвейер)
Отвал №1
Отвал №2
Отвал№3
Склад МЖР
2%
5%
93%
20-50
(работы
внутри
карьерного
поля)
95
н.д.
-
н.д.
1%
1%
2%
н.д.
99%
99%
98%
30
35
70
60
2384
32
34338
6800
350000
700000
3800000
51000
2400
3500
1750
3550
Склад АШР
н.д.
н.д.
н.д.
25
149
120000
2600
Хвостохранилище
12%
20%
68%
55
54334
650000
2800
В соответствии с предложенным ранжированием наиболее интенсивными
пылеобразователями с последующим опасным переносом на селитебные зоны
64
являются хвостохранилище ГОКа и объекты циклично-поточной технологии,
расположенные в верхней части отвала № 3. Выбор источников с наибольшим
воздействием на селитебную территорию города, также, подтверждается расчетом
и
построениями
ореолов
загрязнения,
выполненными
с
использованием
программного комплекса УПРЗА «Эколог» версии 3.0 (приложения А и Б).
Способы пылеподавления и контроль запыленности выбранных наиболее
опасных объектов рассмотрен в следующей главе. Загрязнение от проведения
взрывных работ имеет вторичное влияние, так как работы ведутся внутри карьера
и при большом выбросе пыли ее пылеперенос не является опасным для
селитебной территории.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1
1. Практически
все
производственные
операции,
выполняемые
на
предприятиях открытой разработки месторождений полезных ископаемых,
сопровождаются пылеобразованием. Дополнительно к ним действуют, как при
ведении работ, так и после прекращения деятельности горного предприятия,
такие источники, как отвалы, пляжные зоны хвостохранилищ и эрозионные зоны.
Суммарные массы атмосферных выбросов пыли от источников достигают
десятков тысяч тонн в год, а перенос пыли ветром осуществляется до десятков
километров от источника. Наибольшая крупность переносимых пылинок обычно
не превышает 50 мкм, доминирует пыль с размером частиц менее 15 мкм.
2. Основные параметрами определяющими интенсивность пылепересноса
являются
гранулометрический
состав
пород
массива
или
материала,
участвующего в технологическом процессе, подверженного пылению, расстояние
от источника выброса до селитебной территории, площадь пылящей поверхности,
максимально-разовый выброс пыли и высота источника.
3. Основной вклад в ухудшение пылевой обстановки в воздухе селитебной
территории по предложенному ранжированию вносят:
- хвостохранилище ГОКа, обладающее площадью пыления более 600000 м2 с
потенциалом на увеличение площади пыления в результате прекращения
65
использования части текущей площади и перехода к эксплуатации новой карты,
высота поверхности хвостохранилища составляет 55 м.
- объекты циклично-поточной технологии, включающие приемные бункеры
дробилок, пункты перегрузки и пересыпа породы, располагающиеся на верхней
отметке отвала №3 95 метров, подверженные постоянной ветровой нагрузке.
66
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ
ПРИМЕНЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ НА ТОЧЕЧНЫХ И
ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКАХ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ
2.1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕМ И
ПЫЛЕПЕРЕНОСОМ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Борьба с пылью на предприятиях минерально-сырьевого комплекса может
производиться на разных стадиях ее формирования: при образовании твердых
частиц пылевой фракции в результате технологического процесса, при сдувании
(взметывании) пылевых частиц, непосредственно в запыленном воздухе.
При этом уменьшение концентрации пыли в воздухе может достигаться
различными путями: путем предотвращение образования пыли, путем осаждения
пыли за счет процессов коагуляции, путем фильтрования и запыленного воздуха,
путем вентиляции – разжижение и удаление пылевого облака из атмосферы.
Выделено четыре направления борьбы с пылью (рисунок 2.1) на горных
предприятиях: организационные, технологические, технические и биологические.
Каждый из них может быть реализован в комплексе с другими, а системность
решения конкретных задач обосновывается экономическими, энергетическими,
санитарно-гигиеническими или экологическими критериями [18].
Организационные способы направлены на оптимизацию производственных
процессов, связанных с режимом ведения горных работ, и имеющие в своем
составе технологическую и природную составляющие.
Технологические
способы
пылеподавления
представляют
собой
мероприятия по рационализации технологии и процессов, модернизации средств
труда и применению новой техники.
Способы борьбы с пылью
организационные
Оптимизация
производственных
процессов
технологические
Рационализация
технологий и
процессов
технические
антипылеобразование
биологические
мокрые
абиотические
увлажнение
технологическая
Модернизация
средств труда
антипылевыделение
орошение
природная
Внедрение новых
материалов и
веществ
пылеподавление
сухие
аэрационные
фильтрационные
изолирующие
Рисунок 2.1 - Классификация способов борьбы с пылью [18]
67
связывание
биотические
68
Технические
применением
способы
технических
пылеподавления,
средств,
прежде
снижающих
всего,
связаны
пылеобразование
с
и
пылевыделение, и подавляющих пылевыделение. Все они могут быть разделены
на два вида: мокрые и сухие.
Биологические
способы
пылеподавления
связаны
с
применением
материалов, имеющих органическую основу (биогенные способы), а также
использование живой природы (биоценотические способы).
Несмотря на значительные масштабы проведенных исследований в области
снижения пылевыделения и пылепереноса и предложенных конструктивных
решений, практические результат достаточно скромны в связи с тем, что
недостаточно
внимания
уделено
аспектам
повышения
эффективности
и
работоспособности предложенных устройств, а также, рационализации их работы.
В этой связи поиск рациональных средств и способов снижения
пылегазовых выбросов в атмосферу, как и прежде, актуальная задача. Здесь
наиболее перспективными и технологичными [49, 50] являются мокрые способы,
реализуемые в процессе увлажнения пылеобразующего сырья и пылящего
материала, орошения витающей пыли растворами и связывания жидкими
(гелеобразными) веществами.
Особый интерес представляют мокрые способы управления пылевыми
выбросами на всех стадиях процесса с использованием эффектов фазовых
переходов «пар – жидкость - лед».
Анализ научных исследований и технических решений, направленных на
снижение пылевыделения в условиях открытых горных работ показал, что
основным способом борьбы с пылью на точечных и протяженных источниках
пылеподавления является гидрообеспыливание (орошение), то есть улавливание и
осаждение твердых частиц пыли каплями жидкости [51].
Наряду с определенными успехами, достигнутыми в реализации этого
способа пылеподавления, сохраняется нерешенной важная научная задача,
заключающаяся в необходимости раскрытия механизмов и закономерностей,
позволяющих повысить его эффективность и снизить эксплуатационные затраты,
69
а также, повышение работоспособности устройства в условиях отрицательной
температуры воздуха.
Главным элементом подобных систем является распылитель (ороситель).
Распылители различных типов применяются для снижения пылевой
нагрузки на компоненты природной среды на точечных и протяженных
источниках
при
транспортировке
полезного
ископаемого
конвейерным,
автомобильным и железнодорожным транспортом, на автомобильных дорогах, в
пунктах перегрузки сырья, в приемных бункерах дробилок и так далее. На
площадных источниках пылевыделения этот способ пылеподавления применяется
значительно реже. Специфика использования водяного пылеподавления в
большинстве случаев определяется технологическим процессом, осуществляемым
в месте пыления.
Согласно анализу источников пылевыделения ОАО «Ковдорский ГОК»
одними из основных вкладчиков в ухудшение состояния воздуха селитебной
территории
является
объекты
циклично-поточной
технологии:
щековые
дробилки, перегрузочные пункты, участки ленточного конвейера, узел разгрузки,
экскаватор и временный склад.
Источники выброса для условий Ковдорского ГОКа можно разделить
(согласно классификации, приведенной в главе 1) на стационарные относительно
фронта
ведения
работ
(относительно
возможности
расширения
карьера,
увеличения площади отвала), стационарными относительно времени цикла
(дробилки, участки конвейера и перегрузочные пункты). Пыление на всех
источниках за исключением насыпи ЦПТ не зависит от наличия снежного
покрова.
2.2 УСТРОЙСТВА ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ
ЖИДКОСТЬЮ
На большинстве предприятий минерально-сырьевого комплекса для
пылеподавления
используется
распылитель
дренчерной
конструкции
(рисунок 2.2). Распыление жидкости осуществляется посредством столкновения
направленной струи жидкости с рассеивателем. Струя, ударяясь о рассеиватель,
70
расходится во множество мелких струек, распределенных по всему периметру
рассеивателя.
При
этом
осуществляется
распыление
с
недостаточной
дисперсностью для эффективного пылеподавления. Большинство наиболее часто
встречающиеся конструкции распылителей не имеют средств обеспечения
работоспособности в зимний период времени.
(а)
(б)
Рисунок 2.2 - Дренчерный распылитель:
а – общий вид дренчера, б – снимок факела распыления жидкости с
использованием дренчера
Увеличение степени диспергирования жидкости становится возможным при
увеличении давления жидкости в выходном патрубке распылителя и, таким
образом, повышения турбулизации потока жидкости, что приводит к уменьшению
размеров получаемых капель жидкости. Для осуществления такого процесса
распыления жидкости используются специальные гидравлические распылители.
Высокая
степень
диспергирования
позволяет
исключить
из
процесса
формирования аэрозоля дополнительный этап дробления струи жидкости с
помощью рассекателя. Особенностью гидравлических распылителей данного типа
(рисунок 2.3) является использование выходных отверстий малого диаметра
(порядка 0,05-0,15 мм), производимых способом лазерной прошивки. Требуемое
качество распыляемой воды для этих устройств не соответствует нормативному
качеству
водопроводной
воды
бытового
применения,
что
вызывает
71
необходимость использования дополнительных устройств подготовки жидкости.
Давление жидкости, при котором может быть достигнуто мелкодисперсное
распыление (размер капель менее 100 мкм), составляет 30-50 атмосфер, что
приводит к значительному увеличению энергозатрат, по сравнению с другими
способами распыления жидкости.
(а)
(б)
Рисунок 2.3 - Гидравлический распылитель высокого давления:
а – общий вид гидравлического распылителя, б – снимок факела распыления
жидкости с помощью гидравлического распылителя
Повышение
степени
диспергирования
может
быть
достигнуто
без
увеличения давления воды, за счет введения в процесс дополнительно газовой
фазы. Устройства такого типа называются пневмогидравлическими форсунками.
При использовании сжатого воздуха, распыление за счет турбулизации потока
дополняется эффектом дополнительного завихрения потока подаваемым сжатым
воздухом и смешивание с ним. При этом на один распылитель приходится
больший
объем
распыляемой
воды,
а
степень
диспергирования
в
пневмогидравлических форсунках сравнима с аналогичным параметром для
гидравлических форсунок высокого давления.
В таблице 2.1 отражены основные сравнительных характеристики трех
типов устройств распыления жидкости.
72
Таблица 2.1 - Классификация распылителей, используемых для пылеподавления
Тип распылителя
Расход
жидкости на
один
распылитель,
л/час
дренчер
150-1000
гидравлическая
15-30
форсунка
пневмогидравлическая 25-80
форсунка
Давление
Доля водного
жидкости в
аэрозоля с
подающем
размерностью
трубопроводе, капель менее
атм
100 мкм, %
Диаметр зоны
пылеподавления
одного
распылителя, м
3-4
30-50
10-15
85-99
1-6
0,4-0,7
Необходимость
доочистки
используемой
воды
(относительно
нормативов для
питьевой
водопроводной
воды)
не требуется
требуется
3-4
80-95
0,7-1
не требуется
Пневмогидравлические форсунки обладают наилучшим соответствием
давление жидкости/доля водного аэрозоля менее 100 мкм. Существенным
преимуществом устройств этого типа является отсутствие необходимости
применения промежуточной очистки используемой воды.
2.3 АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
В данном разделе рассмотрены конструкции наиболее распространенных
устройств распыления жидкости с использованием потока сжатого воздуха.
К наиболее распространенным типам устройств распыления жидкости с
использованием потока сжатого воздуха относятся:
1. распылители, использующие сопло Лаваля для подачи воздуха;
2. распылители с соосным расположением каналов подачи жидкости и
воздуха;
3. устройства импульсного распыления жидкости;
4. распылители с перпендикулярным расположением каналов подачи
жидкости и воздуха;
5. распылители, работающие на основе впрыска жидкости в поток сжатого
воздуха.
Примером первого типа устройств является распылитель [54], который
включает шарообразный корпус с диаметрально расположенным каналом,
распределитель
с
каналом
и
форсунку
с
завихрителем.
Повышение
73
эффективности пылеподавления достигается за счет регулирования угла
раскрытия факела и расхода жидкости, в корпусе выполнены глухие каналы,
расположенные параллельно диаметральному каналу со стороны канала
распределителя, при этом завихритель представляет собой жестко соединенный с
корпусом форсунки стакан, стенки которого имеют тангенциальные каналы,
соединяющие камеру завихрения с глухими каналами.
Устройство работает следующим образом (рисунок 2.4). Жидкость через
коллектор поступает в центральный канал 3 многосоплового блока 1 и в трубу 5,
сечение выходного отверстия которой выполнено в виде звездочки 6. Со среза
торца 8 трубы жидкость истекает в виде звездчатой струи. Газ через ресивер 4
поступает в дозвуковую часть сопл Лаваля 2 и истекает со среза сопл Лаваля 2 в
виде цилиндрических сверх звуковых струй. Эти струи распространяются в
стесненном пространстве, образованном боковыми поверхностями соседних
лучей звездчатой струи жидкости и внутренней поверхностью наружной трубы 7.
Эжекционный эффект газовой струи способствует прилипанию жидкости к
боковой поверхности струи газа. Лучи звездчатой струи жидкости, попадая между
двумя струями газа, размазываются в тончайшие пленки жидкости на боковых
поверхностях струй газа. Затем эти пленки дробятся струями газа, образуя
жидкую фазу струи.
При истечении газа из сопл Лаваля 2 во внутреннюю полость наружной
трубы 7 в результате эжекции газа из объема наружной трубы 7 давление у среза
сопл Лаваля 2 падает. При выступлении торца наружной трубы 7 за срез сопл
Лаваля 2 на 30—400 δ0, когда давление в ресивере 4 около 0,3 МПа, а число Маха
на срезе сопл Лаваля 2 Ма=2, газовые струи истекают безотрывно от стенок сопл
Лаваля 2, дорасширяясь за их срезом. Истекающая со среза трубы 5 струя
жидкости из-за эжекционного эффекта ускоряется, утоняется и присоединяется к
боковым поверхностям газовых струй. При этом она дробится. При увеличении
давления в ресивере 4 до 0,5 МПа возникает режим течения газовых струй с
автоколебанием волновой структуры с частотой около 120 Гц. Газовые струи
периодически замыкаются на внутренние стенки наружной трубы 7 и одна на
74
другую. В моменты размыкания газовых струй звездчатая струя жидкости
врывается в свободное пространство в полости наружной трубы 7. Жидкость
уплотняется и разгоняется из-за эжекции. При смыкании газовых струй попавшие
между их боковыми поверхностями пленки жидкости дробятся. С ростом
давления газа в ресивере 4 частота автоколебаний уменьшается и большая масса
жидкости успевает прорваться в межструйное пространство. Относительный
расход жидкости возрастает. При выдвижении наружной трубы 7 за срез сопл
Лаваля 2 более чем на 120 δ0 эжекционный эффект возрастает, что ведет к
снижению давления в ресивере 4, нужного для возникновения автоколебаний, до
0,3 МПа. При выдвижении наружной трубы 7 на 400 δ0 за срез сопл Лаваля 2
потребное давление немного возрастет (до 0,35 МПа). Дальнейшее выдвижение
наружной трубы 7 (более чем на 400 δ0) ведет к значительному росту потребного
давления.
При достижении давления в ресивере 4 около 0,6 МПа автоколебания
волновой структуры газовых струй прекращаются, течение газа стабилизируется.
Газовые струи смыкаются, и возникает газовый поток, движущийся по оси
форсунки в обратном направлении. Для преодоления этого потока требуется
значительное давление подачи диспергируемой жидкости либо выдвижение торца
8 трубы 5 за срезом сопл Лаваля 2. При выдвижении торца 8 трубы 5
относительно среза сопл Лаваля 2 струи газа истекают в зазор между наружной
поверхностью трубы 5 и внутренней поверхностью наружной трубы 7.
75
(а)
(б)
Рисунок 2.4 - Ороситель на основе сопел Лаваля, используемых для газовой
фазы и сопле в виде звездочки, используемом для жидкой фазы: а - вариант
конструкции без пересечения радиуса размещения воздушных сопел с
жидкостным, б – вариант конструкции с пересечением радиуса размещения
воздушных сопел с жидкостным
Из-за эжекции газовые струи дорасширяются, ускоряются и замыкаются на
стенки кольцевого канала, что деформирует их волновую структуру в
зависимости от величины давления газа в ресивере 4 и выдвижения торца 8 трубы
5 относительно среза сопл Лаваля 2 возникает режим течения без замыкания на
стенки кольцевого канала либо режим течения с автоколебаниями волновой
структуры газовых струй, аналогичные указанным, либо режим течения с
76
устойчивой волновой структурой. При небольших давлениях газа в ресивере 4,
порядка
0,3
МПа,
частота
автоколебаний
достигает
~
200
Гц.
В
автоколебательном режиме происходит периодическое замыкание газовых струй
на стенки кольцевого канала. При этом происходит ударное дробление жидкости,
которая в момент отсоединения газовых струй от стенок кольцевого канала
ворвалась в освободившееся пространство (зазор) в виде тонких пленок жидкости.
С ростом давления газа в ресивере 4 частота автоколебаний уменьшается и при
достижении величины порядка 0,6 МПа колебания прекращаются. Волновая
структура газовых струй стабилизируется, но возвратные токи за срезом трубы 5
не появляются.
Недостатками данного оросителя является невозможность регулировки
проходного сечения жидкости, необходимость применения нескольких сопел
Лаваля, что в случае неравномерного износа будет приводить к изменению
качества получаемого водного аэрозоля. Отсутствие замкнутой смесительной
камеры и формирование аэрозоля в открытом пространстве не позволяет
сократить размер формируемых водных частиц до размеров переносимой и
вредной фракции пыли. Ограничено использование устройства в зимний период
времени из-за возможности образования наледи на оборудовании. Также
возможно замерзание и выход из строя элементов самого оросителя.
Во втором случае для распыления жидкости используется специальная
установка для аэрозолирования [55]. Она включает в себя цилиндрическую
емкость, в которой установлены над поверхностью жидкости с возможностью их
поворота относительно горизонтальной плоскости эжекторные распылители,
содержащие камеру с соплом, в которую введены патрубки подвода жидкого
распыляемого материала и воздуха, причем патрубки подвода воздуха размещены
в камере тангенциально, а сами распылители установлены таким образом, чтобы
выходящий из него поток был направлен хордоидально относительно стенок
цилиндрической емкости, причем проекция центральной оси факела аэрозоля на
стенки цилиндра не пересекает верхнего края стенок, по крайней мере, в течение
одного витка.
77
Устройство для аэрозолирования (рисунок 2.5) состоит из генератора
аэрозолей 1, связанных с ним линии подачи распыляемого агента, состоящей из
емкости с распыляемым материалом 2, снабженной расходометром 3, и линии
обеспечения
распыляющего
агента,
в
которую
входят
последовательно
соединенные компрессор с двигателем 4, редуктор давления 6 с манометром 7 и
фильтр 5. В состав устройства может дополнительно входить камера для
размещения обрабатываемого материала 8, связанная трубопроводом для
транспортировки аэрозоля с генератором 1.
Генератор аэрозолей 1 (рисунок 2.6) состоит из вихревых эжекционных
распылителей 9, расположенных внутри цилиндрического корпуса емкости 10
таким образом, чтобы поток аэрозоля (факел) в емкости был направлен на ее
стенки хордоидально. Число распылителей 9 составляет от 1 до 6 в зависимости
от особенностей решаемой задачи. При необходимости часть распылителей 9
демонтируется, взамен устанавливаются заглушки 21.
Распылители 9 крепятся к отводам 11 разводки 12 с возможностью
фиксированного поворота внутри корпуса 10. Отводы 11 крепятся на резьбовой
шпильке разводки 12, нижний конец которой ввинчивается в подставку 13 и
соединяется со штуцером подвода распыливающего агента 14.
Распылители 9 соединены трубками 15 из полихлорвинила со штуцерами 16
распыляемого продукта. Трубки фиксируется с помощью кольца 17, прокладкой
18 и гайками 19 обеспечивается герметичность емкости корпуса 10. С помощью
вставки 20 можно изменить положение распылителей 9 по высоте корпуса 10.
На резьбовой шпильке разводки 12 горизонтально закреплена с помощью
гайки 19 горизонтальная пластина-отражатель 22, высота установки которого
может регулироваться передвижением по шпильке 12.
При необходимости в корпус емкости 10 монтируется диффузор, который
может быть разъемно связан трубопроводом с системой вентиляции при
проведении работ по обеззараживанию фильтров данной системы или камерой 8,
где размещен обрабатываемый аэрозолем материал.
78
Вихревые
эжекционные
распылители
9
(рисунок
2.7)
содержат
цилиндрическую камеру 23 с тангенциальными каналами 24 подачи сжатого газа
и с осевым выпускным соплом 25. Соосно с соплом 25 в камере 23 установлен
патрубок 26 подачи жидкости.
Особенностью данного устройства является конструкция вихревой камеры
23, в которую через тангенциальный канал 24 поступает сжатый газ,
закручивается и выходит через сопло 25, генерируя акустические колебания и
образуя зону разрежения по оси камеры 23. При этом жидкость поступает через
патрубок 25 и диспергируется при выходе через сопло 25.
Авторами конструкции данного распылителя [55] были проведены
исследования
процессов
диспергирования
и
определения
оптимальных
параметров конструкции с использованием прозрачные модели вихревой камеры
с диаметром D=15, 20 и 70 мм. Высота камеры находилась в пределах H/D=0,3-l.
В широком диапазоне изменяли соотношение входного канала Dk и выходного
сопла Dc. Давление распыляющего воздуха изменяли в пределах 0,05-0,5 МПа. В
качестве рабочей жидкости использовались 20% растворы глицерина в воде.
Экспериментальные данные показали зависимость качества распыления от
особенностей системы подвода жидкостей. При подаче жидкости в разных местах
установлено преимущество осевого подвода жидкости. Это объясняется тем, что
по оси вихревой камеры образуется обратный ток газа, эжектирующий и
подкручивающий жидкость в направлении, противоположном направлению
основного потока, что улучшает процесс диспергирования. При перемещении
патрубка жидкости вдоль оси вихревой камеры наблюдается три характерных
режима работы распылителя. С установкой патрубка ближе к торцевой стенке
жидкость захватывается и за счет центробежной силы отбрасывается на боковые
стенки вихревой камеры и в виде пленки поступает к выходному соплу, на выходе
из которого распадается на капли. При этом увеличивается сопротивление
вихревой камеры и гасится тангенциальная составляющая скорости. При
установке
патрубка
вблизи
выходного
сопла
наблюдается
интенсивное
перемешивание жидкости и газа в приосевой зоне, а осевая составляющая
79
скорости потока увлекает жидкость и не позволяет ей сепарироваться на стенки
вихревой
камеры. При
этом увеличивается интенсивность акустических
колебаний вихревой камеры.
С установкой патрубка на уровне среза сопла уменьшается угол факела и
увеличивается дальнобойность струи распыленной жидкости. При этом на выходе
из патрубка струя жидкости практически не перемешивается с потоком газа,
поскольку в области выходного сопла преобладает осевая составляющая скорости
потока.
В результате исследований установлено, что оптимальное положение
патрубка относительно входной кромки сопла и величина L должна составлять
0,5-2 его длины h.
Исследование влияния диаметров патрубков подвода газа и жидкости на
процесс диспергирования показало следующее. При выходе жидкости из патрубка
в зоне нулевого статического давления газа качество распыла улучшалось. Как
известно, в вихревой камере преобладает тангенциальная составляющая скорости,
которая в области оси потока возрастает обратно пропорционально радиусу
вращения с достижением максимального значения, а в приосевой зоне резко
снижается до нулевого значения. Максимальное значение тангенциальной
скорости достигается вблизи зоны нулевого статического давления, поэтому
улучшение работы распылителя в заявляемом интервале связано с повышением
результата взаимодействия струи жидкости, подкрученной в зоне обратного тока,
и потока газа, закрученного в противоположном направлении. Для определения
оптимального диаметра патрубка подачи жидкости были изготовлены отверстия
для отбора статического давления по радиусу вихревой камеры, сообщенные с
образцовыми манометрами.
Устройство для аэрозолирования работает следующим образом. В
зависимости от решаемой задачи устанавливают необходимое количество
распылителей 9 на отводах 11 разводки 12. При проведении работ с распылением
препаратов в помещении или в камере 8 подсоединяют штуцер 14 к компрессору
4 посредством гибкого шланга; из емкости 2 подают жидкость в корпус 10, после
80
чего подсоединяют компрессор 4 к электрической сети и включают его в работу.
С помощью редуктора 5 устанавливают давление в подводящем шланге к
генератору, которое регулируется манометром 6. Распыляющий воздух поступает
через фильтр 7 в генератор 1 по штуцеру 14 и далее по внутреннему каналу
подставки 13 через разводку 12 поступает к эжекторным распылителям 9.
Тангенциальный ввод воздуха через канал 24 в вихревой камере 23
распылителей 9 образует закрученный поток, после чего воздух выходит через
сопло 25. При этом максимальные окружные скорости газа достигаются вблизи
поверхности патрубка 26, а по оси камеры 23 создается разрежение до 0,03 МПа и
обратный поток газа. При попадании в камеру 23 воздуха из компрессора его
давление падает, что снижает содержание в нем воды до 15-20%.
Через трубки 15 и патрубок 26 из нижней части корпуса 10 в камеру 23
поступает с линейной скоростью подачи 0,15-0,6 м/с жидкость, которая
захватывается обратными потоками газа, вводится в зону максимальных
окружных скоростей газа и дробится центробежными силами. При этом,
диспергированная жидкость, распределяясь в сухом воздухе, подвергается
частичной дегидратации.
Образовавшийся аэрозоль в воздушном потоке поступает в емкость 10 через
сопло 25. При этом происходит снижение давления воздуха, что приводит к его
расширению и понижению относительной влажности, что в свою очередь
приводит к дальнейшей дегидратации и уменьшению размеров капель жидкости.
Хордальная установка распылителей обеспечивает закрутку двухфазного
потока внутри корпуса 10, при этом крупные капли осаждаются на стенки
емкости и отражатель 22, после чего стекают на дно емкости, а мелкие уносятся
тангенциальным потоком воздуха, который делает, по крайней мере, один оборот
внутри корпуса. Тангенциальный поток создает разрежение по оси емкости 10,
вызывая приток в емкость сухого воздуха из помещения, дальнейшую
дегидратацию и уменьшение размера капель, что приводит к обогащению
аэрозоля фракцией с размерами частиц около 1 мкм. Полученный аэрозоль
поступает в помещение или через патрубок 28 и трубопровод поступает в камеру
81
8, где осуществляется воздействие на обрабатываемый материал. При этом, так
как в помещение поступают капли аэрозоля, окруженные воздушной «подушкой»,
движущейся с той же скоростью, то «лобового столкновения» с воздухом
помещения не происходит, что исключает возможную деактивацию, в случае
использования
ПАВ.
В
результате
удается
получить
аэрозоль
ПАВа,
сохраняющий свою активность, обусловленную, в основном, наличием активного
хлора, перекиси водорода и свободных радикалов, на уровне жидкого раствора, и
обладающий повышенной проникающей способностью за счет наличия в его
составе значительного количества фракции с диаметром частиц около и менее 1
мкм. Полученный аэрозоль электроактивированных растворов (ЭАР) получил
условное наименование АЭАР.
Рисунок 2.5 - Общая схема установки для аэрозолирования
Рисунок 2.6 - Генератор аэрозолей установки для аэрозолирования
82
Рисунок 2.7 - Вихревые эжекционные распылители генератора аэрозолей
Недостатками устройства является слабая выраженность адиабатических
процессов при распылении жидкости, вследствие того, что конструкция не
предусматривает наличия диффузора на выходе, что осложняет использование
установки в зимний период времени, так как не создается условий для
снегообразования.
Третьим вариантом распыления является способ импульсного распыления
жидкости [56]. При осуществлении распыления в этом случае используются
форсунки с корпусом в виде крестовины с четырьмя попарно соосными
отверстиями с внутренней резьбой. Отверстие для подачи воды и отверстие для
подачи пара расположены также соосно и снабжены ввинчивающимися пробками,
имеющими
сегментный
срез
на
всю
толщину
пробки,
расположенный
параллельно имеющемуся в пробках шлицу под отвертку. В одно из
горизонтальных отверстий ввинчена торцевая пробка с ввинченным в нее осевым
стержнем. На противоположном конце стержня имеется гайка для регулирования
факела, выполненная в виде конуса с наружным периферийным круговым
бортиком, расположенным под углом к плоскости конуса гайки. Конусность этой
гайки
соответствует
конусности
выходного
отверстия
сопловой
гайки,
ввинченной в выходное горизонтальное отверстие. Необходимая степень очистки
достигается регулированием величины щелевого канала, образованного между
двумя конусами на выходе из форсунки.
83
Устройство работает следующим образом (рисунок 2.8). Камеру 1
заполняют газом, а емкость 2 - объемом жидкости. При открывании крана 8 газ
одновременно поступает в камеру 1 и цилиндр 10. Поршень 11 перемещается и
через шток 12 перекрывает запорным клапаном 4 сопло 3. При достижении в
камере 1 заданного давления закрывают кран 8 и устройство готово к работе.
Открывая клапан 15, сообщают пневмоцилиндр 10 с атмосферой и так как
давление в нем становится меньше чем в емкости, то поршень 11 перемещается и
через шток 12 тянет запорный клапан 4, открывающий сопло 3. Сжатый газ из
камеры 1 через сопло 3 поступает в емкость для жидкости 2. При прохождении
через сопло 3 газ ускоряется и воздействует на объем жидкости в направлении
выпускного отверстия 5, с большой кинетической энергией. В результате
получается высокодиспергированная смесь, выбрасываемая из выпускного
отверстия 5 с высокой скоростью.
(а)
(б)
Рисунок 2.8 - Устройство импульсного распыления жидкости:
а – вариант настенного (напольного) расположения устройства, б – вариант
потолочного расположения устройства
84
Импульсное распыление подразумевает цикличное воздействие газовой
струи высокого давления на статичный объем жидкости, следовательно,
дробление водяных капель происходит в атмосфере. Данное решение не
позволяет достичь размерности капель жидкости менее 100 мкм. Направление
аэрозольного факела может быть только вертикальным, для изменения
направления факела требуется изготовление корпусов сложной формы, что
негативно сказывается на процессах диспергирования жидкости. Также,
невозможно использование устройства импульсного распыления в зимний период
времени, так как жидкость находящаяся в емкости может быть подвержена
замерзанию, также, устройство не создает условий для снегообразования.
В четвертом случае [57] участок осевого канала подачи газа выполнен в
виде сопла Лаваля с резьбовой нарезкой по всей длине критического сечения.
Сжатый газ, периферийный поток которого приобретает закрученное
движение в резьбовой нарезке критического сечения, свободно истекая из сопла с
большой скоростью, создает зону разрежения под выходными каналами для
жидкости, увлекает в нее жидкость, вытягивает в кольцевую пленку и в тонкие
нити, разрывая затем их на капли, то есть устройство обеспечивает однородность
распыла, однако при этом необходимы дополнительные энергозатраты на
создание закрученного движения потока газа.
В рассматриваемой форсунке, при образовании капель из нити, размер
капли зависит от сил внутреннего натяжения жидкости, то есть разрыв капли
наступает при толщине нити 200 мкм, что и задает размеры капель.
Кроме того, закрученная пленка жидкости на выходе приобретает
дополнительный вектор скорости, расположенный по нормали к осевому вектору
скорости за счет центробежных сил, что приводит к раскрытию факела и
перераспределению капель в его периферийную зону и нарушению однородности
распыла.
Таким образом, технической задачей является повышение однородности
распыла и степени дисперсности образующихся капель.
85
Поставленная задача достигается тем, что в форсунке, содержащей корпус,
канал для подачи газа, расположенное с ним на одной оси сопло Лаваля и полость
с входным и выходным каналами для жидкости, в корпусе выполнены соосные
соплу Лаваля камера смешения и диффузор, полость с каналами выполнена в виде
цилиндрической резонаторной камеры, ось которой перпендикулярна оси сопла
Лаваля, торцы расположены симметрично его оси, а часть ее боковой
поверхности в области выходного канала для жидкости расположены касательно
к боковой поверхности цилиндрической резонаторной камеры по ходу движения
струи жидкости, а выходной канал для жидкости расположен между выходным
торцом сопла Лаваля и камерой смешения, расстояние между которыми выбрано
равным 2-5 мм. Отношение диаметра цилиндрической резонаторной камеры к ее
длине выбрано равным 0,5-1,2. Отношение диаметра критического сечения сопла
Лаваля к диаметру камеры смешения выбрано равным 0,1-0,4.
Рассматриваемый вариант позволяет создать сверхкритическую скорость за
счет перерасширения предварительной сжатой расширяющейся струи, при этом
потенциальная энергия давления газа переходит в кинетическую энергию
истечения из сопла Лаваля.
Струя воздуха при истечении создает в цилиндрической резонаторной
камере разрежение, которое обеспечивает подсос жидкости в цилиндрическую
резонаторную камеру. При раскрытии истекающей струи воздуха, на входе в
камеру смешения создается зона повышенного давления с колебательным
контуром.
Величина
колебаний
такого
контура
зависит
от
размеров
цилиндрической камеры. При подсосе струей воздуха жидкости резонирующие
колебания дробят пленку жидкости на капли, которые поступают в камеру
смешения, где формируется смешанный поток воздуха и жидкости.
Сверхкритическая
скорость
и
оптимальные
отношения
диаметра
цилиндрической резонаторной камеры к ее длине и критического диаметра сопла
Лаваля к диаметру камеры смешения позволяет подобрать оптимальный
резонансный фон в цилиндрической резонаторной камере, который обеспечивает
высокоэффективный процесс образования высокодисперсных капель.
86
Таким образом, в данной конструкции форсунки энергия тратится только на
доставку
капель,
дробление
пленки
жидкости
осуществляется
за
счет
резонансного фона в цилиндрической резонаторной камере, то есть специально
организованные колебания интенсифицируют процесс распыливания капли и
повышают степень ее дисперсности. Данная конструкция форсунки позволяет
получить размер капли 5-15 мкм и равномерно орошаемую рабочую поверхность.
Это
способствует
эффективному
теплообмену
при
охлаждении
рабочей
поверхности испарение жидкости происходит практически со всей рабочей
поверхности, то есть форсунка является оптимальной с точки зрения
формирования и доставки капель на рабочую поверхность.
Форсунка (рисунок 2.9) содержит корпус 1, канал 2 для подачи газа и
расположенное с ним на одной оси сопло 3 Лаваля, полость 4 с входным и
выходным каналами 5 и 6 для жидкости. В корпусе выполнены соосные соплу 3
Лаваля камера 7 смешения и диффузор 8. Полость 4 с каналами 5 и 6 выполнена в
виде цилиндрической резонаторной камеры, ось которой перпендикулярна оси
сопла 3 Лаваля, торцы расположены симметрично его оси, а часть ее боковой
поверхности в области выходного канала 6 для жидкости образована наружной
поверхностью сопла 3 Лаваля, при этом входной и выходной каналы 5 и 6 для
жидкости расположены касательно к боковой поверхности цилиндрической
резонаторной камеры по ходу движения струи жидкости.
Выходной канал 6 для жидкости расположен между выходным торцом
сопла 3 Лаваля и камерой 7 смешения, расстояние h между которыми выбрано от
2 до 5 мм.
Отношение диаметра D цилиндрической резонаторной камеры к ее длине L
выбрано равным 0,5-1,2.
Отношение диаметра dкр критического сечения сопла 3 Лаваля к диаметру d
камеры 7 смешения выбрано равным 0,1-0,4.
Форсунка работает следующим образом. Сжатый воздух подводится к
соплу 3 Лаваля с давлением 2,0*105 Па. При истечении воздуха через сопло 3
Лаваля устанавливается сверхкритическая скорость потока. Струя воздуха создает
87
в цилиндрической резонаторной камере (полость 4) разрежение, обеспечивающее
подсос жидкости. При раскрытии истекающей струи воздуха, на входе в камеру 7
смешения создается зона повышенного давления с колебательным контуром,
величина колебаний которого зависит от размеров цилиндрической резонаторной
камеры. При подсосе струей воздуха жидкости резонирующие колебания дробят
пленку и измельченные капли поступают в камеру 7 смешения, где формируется
смешанный поток жидкости и воздуха. Через диффузор 8 смешанный поток
попадает на рабочую поверхность.
(а)
(б)
Рисунок 2.9 - Конструкция форсунки с перпендикулярным расположением
каналов подачи воздуха и жидкости: а - поперечный разрез по оси сопла
Лаваля, б - вид в плане
Главным недостатком данного типа распылителя является неравномерность
распределения крупности аэрозольных частиц в факеле относительно оси
распыла, связано это с тем, что жидкость попадается в верхнюю часть сечения
струи сжатого воздуха и мгновенно срывается им, в свою очередь нижняя часть
сечения остается незадействованной
в распылении. Данная особенность
обусловлена несимметричностью конструкции проходных каналов газа и
жидкости относительно друг друга.
Пятым вариантом устройств распыления жидкости является устройство для
увлажнения воздуха в камерах с отрицательными температурами [58], целью
которого является снижение гидравлического сопротивления узла впрыска и
повышение дисперсности влаги.
88
Поставленная задача решается тем, что устройство для увлажнения воздуха
в камерах холодильника с отрицательными температурами, содержащее
воздушный нагнетатель, соединенное с ним установленное в холодильной камере
сопло Лаваля с узлом впрыска, выполненным в виде источника ультразвука со
стержневым концентратором продольных колебаний, и средство подачи воды к
его торцевой поверхности, соединенное с емкостью для воды через дозатор,
согласно изобретению, снабжено установленным на входе в сопло Лаваля
завихрителем, а средство подачи воды к торцевой поверхности концентратора
выполнено в виде осевого канала в концентраторе и сообщенного с ним штуцера,
размещенного на линии нулевых смещений последнего, предпочтительно под
углом 45o к его продольной оси.
Это позволяет снизить гидравлическое сопротивление узла впрыска за счет
уменьшения его габаритов и увеличить дисперсность воды за счет ее
дополнительного диспергирования в потоке воздуха закрученной бочкообразной
формы в зонах возникновения регулярных ударных волн.
На рисунке 2.10 изображена схема рассматриваемого устройства, на
рисунке 2.11 узел впрыска, общий вид.
Устройство
для
увлажнения
воздуха
в
камерах
холодильника
с
отрицательными температурами содержит воздушный нагнетатель 1, соединенное
с ним установленное в холодильной камере 2 сопло 3 Лаваля с завихрителем 4 на
входе и узлом 5 впрыска, соединенным с емкостью 6 для воды через дозатор 7.
Узел впрыска выполнен в виде источника 8 ультразвука со стержневым
концентратором 9 продольных колебаний, в котором выполнен осевой канал 10,
сообщенный со штуцером 11, размещенным на линии нулевых смещений
концентратора 9, предпочтительно под углом 45o к его продольной оси,
сообщенной с дозатором 7.
Устройство работает следующим образом. Воду из емкости 6 через дозатор
7 подают по штуцеру 11 в осевой канал 10 стержневого концентратора 9
продольных колебаний, по которому она поступает к торцевой поверхности
последнего.
Расположение
штуцера
под
углом
45o
к
продольной
оси
89
концентратора
9
продольных
колебаний
обеспечивает
минимальную
диссоциацию в воде энергии ультразвуковых колебаний и ее минимальный
разогрев. Расположение штуцера 11 на линии смещений нулевых концентратора 9
обеспечивает отсутствие диссипации ультразвуковых колебаний в дозаторе 7,
емкости 6 и соединительных магистралях. При достижении торцевой поверхности
концентратора 9, колеблемого от источника 8 ультразвука, вода диспергируется
аналогично устройству- прототипу до размера частиц 1,0-0,1 мкм.
Одновременно с водой воздушным нагнетателем 1 через завихритель 4 в
сопло Лаваля 3 подают воздух, который закручивается, разгоняется до
сверхзвуковой скорости, охлаждается за счет адиабатного расширения и
захватывает поток дисперсной влаги из узла 5 впрыска. Гидравлическое
сопротивление узла 5 впрыска снижено за счет отсутствия охватывающих
концентратор 9 элементов, что снижает габариты узла 5, диссипацию
механической энергии воздушного потока и вносимые в его структуру
возмущения.
На выходе из сопла 3 Лаваля в камере 2 холодильника воздушный поток
имеет бочкообразную форму. В узлах потока, то есть в наиболее узких местах его
бочкообразной формы, происходит скачкообразное увеличение давления, которое
дополнительно диспергирует воду до размера частиц 0,5-0,005 мкм. Далее
воздушный поток с дисперсной влагой распределяется по холодильной камере 2,
осуществляя
кондиционирование
в ней
за счет подачи
воды
в
виде
труднооседающего тумана. Отработанный воздух удаляется из камеры 2 в
атмосферу или на рециркуляцию. Повышенная в данном устройстве по
сравнению с прототипом дисперсность воды позволяет повысить устойчивость
водяного тумана к осаждению, способствующую повышению эффективности
увлажнения воздуха и улучшению условий хранения продуктов в камерах
холодильника при отрицательных температурах.
90
Рисунок 2.10 - Схема устройства для увлажнения воздуха
Рисунок 2.11 - Устройства впрыска жидкости
Недостатком данного устройства, аналогично предыдущей рассмотренной
конструкции, является несимметричность проходных каналов газа и жидкости
относительно
друг
друга,
что
также,
приводит
к
неравномерности
диспергирования жидкости.
Основные технические особенности рассмотренных устройств приведены в
таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Основные технические особенности устройств пневмогидравлического распыления
Тип распылителя
Возможность
регулирования
проходного
сечения
каналов
подачи
жидкости
Применения сопла
Лаваля для
Наличие
подачи воздуха
внутренней
(создание условий смесительно
для
й камеры
снегообразования)
Наличие средств
Соосность
обеспечения
расположения
Однородность
работоспособнос
проходных
водного
Возможность
ти при
каналов
аэрозоля в
постоянной
отрицательных
подачи
факеле
работы
температурах
жидкости и
воздуха
сжатого
воздуха
нет
да
да
нет
да
да
да
да
да
нет
да
нет
нет
да
нет
нет
да
да
нет
нет
91
Ороситель на основе
сопел Лаваля,
используемых для
газовой фазы и сопле
нет
да
нет
нет
в виде звездочки,
используемом для
жидкой фазы [54]
Установка
аэрозолирования
да
нет
да
нет
[55]
Устройство
импульсного
нет*
нет
да
нет
распыления жидкости
[56]
Форсунки
с
перпендикулярным
расположением
нет
да
да
нет
каналов
подачи
воздуха и жидкости
[57]
Устройства
для
увлажнения воздуха
нет
нет
да
нет
[58]
* - способ не требует возможности регулирования проходного сечения каналов подачи жидкости
Осевая
симметрия
проходных
каналов
подачи
жидкости и
сжатого
воздуха
92
В ходе анализа применяемых устройств пылеподавления на основе
пневмогидравлического распыления были выработаны основные требования к
разрабатываемой конструкции нового устройства распыления жидкости для
пылеподавления:
1. Необходимость получения мелкодиспергированного водного аэрозоля с
размерностью частиц преимущественно в диапазоне 1-100 мкм. По результатам
проведенных
исследований
[59]
было
установлено,
что
наибольшая
эффективность пылеподавления водным аэрозолем достигается при совпадении
размерности водяных капель и пылевых частиц. Согласно обоснованию,
приведенному в главе 1, в условиях рассматриваемого предприятия сдуваемая с
основных объектов загрязнения пыль представлена фракциями менее 100 мкм.
Данное
требование
вызывает
необходимость
применения
двухфазного
распыления, то есть применение сжатого воздуха для диспергирования жидкости.
2. Необходимость получения факела однородного по всему сечению на
рабочем расстоянии, что позволит использовать полный объем распыляемой
жидкость, а не только области наиболее мелкого распыления. Равномерность и
однородность
получаемого
с
помощью
распылителя
водного
аэрозоля
обусловлена конструктивным расположением каналов подачи воды и сжатого
воздуха. Установлено, что для получения постоянного по всему сечению факела
водного аэрозоля необходимо симметричное относительно оси расположение
каналов.
3. Возможность использования устройства в условиях отрицательной
температуры воздуха. На предприятиях минерально-сырьевого комплекса
устройства водяного пылеподавления в зимний период времени не используются,
связано это с образованием наледи и замерзанием распылителей и каналов подачи
жидкости. Как правило, системы пылеподавления не оборудованы техническими
средствами обеспечения работоспособности устройств при отрицательной
температуре.
4. Возможность использования устройств без потери работоспособности
оборудования, находящегося в зоне пылеподавления. В условиях отрицательных
93
температур на выходящем сопле форсунки образуется наледь, которая
препятствует выходу жидкости влияет на качество получаемого аэрозоля.
Остановка работы форсунки для очистки наледи, или при отсутствии пыления в
условиях отрицательных температур невозможна, так как будет происходить
замерзание трубопроводов для подачи воды. Кроме того, наледь образуется и на
ленте конвейера, что на наклонных конвейерах недопустимо, так как ухудшается
сцепление полезного ископаемого с поверхностью ленты конвейера и создается
эффект «ледяной горки». Выходом из сложившейся ситуации является
повышения
степени
диспергирования
воды
и
использование
процессов
снегообразования при пылеподавлении. Процесс снегообразования возможен при
использовании
адиабатического
расширения
выходящей
из
форсунки
водовоздушной смеси, что подразумевает собой использование внутренних
полостей и каналов специальных форм.
5. Необходимость снижение расхода жидкости по сравнению с расходом
используемых в настоящее время распылителей. Это условие может быть
достигнуто при увеличении полноты использования применяемой жидкости,
максимальное количество подаваемой воды должно быть превращено в аэрозоль с
необходимой размерностью капель. Данное условие достигается при выполнении
требования 1.
6. Возможность регулировки сечения проходных каналов форсунки. При
использовании воды с повышенным содержанием твердых примесей может
происходить ускоренный абразивный износ жидкостных каналов форсунки. В
случае выполнения осевой симметрии в конструкции распылителя износ, также,
будет носить симметричный характер. Следовательно, чтобы избежать нарушения
механизмов диспергирования, конструкция должна учитывать возможность
регулирования проходных сечений.
94
2.4 РАЗРАБОТКА НОВОГО УСТРОЙСТВА ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПОТОКЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА
С учетом выработанных в разделе 2.3 требований предложено новое
устройство распыления жидкости. Форсунка для пылеподавления [62, 63, 64]
(рисунок 2.12) содержит корпус, канал для подачи газа, расположенное с ним на
одной оси сопло Лаваля и полость с входным и выходным каналами для
жидкости, причем дополнительно содержит механические сопротивления,
расположенные на корпусе и штуцере подачи воздуха, позволяющие изменять
ширину кольцевой щели для подачи жидкости в интервале от 0,5 до 3 мм
вращением
штуцера
для
подачи
жидкости,
обеспечивая
эффективное
пылеподавление снегом при крайнем положении сопла Лаваля относительно
выходного отверстия форсунки при температуре ниже +3 0С и пылеподавление
диспергированной
жидкостью
при
крайнем
положении
сопла
Лаваля
относительно штуцера для подачи жидкости при температуре выше +3 0С. При
работе форсунки в условиях отрицательной температуры окружающей среды в
результате конусного сужения между внешней стенкой сопла Лаваля и
внутренней
стенкой
смесительной
камеры
возникают
аэродинамические
сопротивления, которые обеспечивают дополнительное пневмогидравлическое
дробление капель жидкости и предохраняют форсунку от возможного замерзания.
В качестве рабочей жидкости для повышения эффективности пылеподавления
может быть использована вода, ионизированная вода, смесь воды с различными
добавками.
Форсунка для пылеподавления, представленная на рисунке 11 работает
следующим образом. Жидкость под давлением по каналу 1 через радиальную
выточку 2 и кольцевую щель 3 шириной S поступает в смесительную камеру 4,
куда одновременно подается по каналу 5 адиабатически охлажденный в сопле
Лаваля 6 сжатый воздух. В смесительной камере жидкость подвергается
распылению и первичному охлаждению, а затем образовавшаяся водовоздушная
смесь, проходя через диффузор 7, охлаждается вторично. Сжатая смесь в виде
отдельных капель жидкости, проходя через кольцевую щель, ускоряется в ней до
95
сверхзвуковых скоростей и оказывается в конце расширения в состоянии
перенасыщения, обусловленного выделением скрытой теплоты парообразования при
конденсации. На штуцере подачи воздуха имеется ограничительный бурт 8, а на
корпусе
форсунке
выполнена
наружная
резьба,
предназначенная
для
закручивания регулировочной гайки с внутренним уступом 9 и кольцевым
резиновым уплотнением 10, позволяющая изменять ширину кольцевой щели для
подачи воды в интервале S = 0,5 – 3 мм вращением штуцера для подачи жидкости,
и обеспечивая эффективное пылеподавление снегом при крайнем левом
положении сопла Лаваля относительно выходного отверстия форсунки при
температуре ниже +3 0С и пылеподавление диспергированной жидкостью при
крайнем правом положении сопла Лаваля относительно штуцера для подачи
жидкости при температуре выше +3 0С.
Эффективность пылеподавления снегом обусловлена тем, что снежинки
действуют как фильтрующий и экранирующий элемент зоны пылеподавления.
Практически создается возможность изолировать очаг пылевыделения снежным
заслоном со всех сторон и тем самым снизить запыленность воздуха в зоне
негативного воздействия пылевого облака. Из витающих в воздухе пылевых
частиц образуются центры кристаллизации, сталкиваясь с которыми водяные
капли моментально замерзают, образуя искусственный снег.
Например, при работе предложенной форсунки в течение 10 мин, при
температуре окружающей среды -3 0С, расхода воздуха 0,25 м3/мин, расхода воды
1,2 м3/час коэффициент снегообразования достигает 0,85, масса полученного
снега равняется 4,25 кг. При аналогичных технических условиях при температуре
+3 0С коэффициент снегообразования достигает 0,55. Диаметр сопла Лаваля
изменялись в интервале 1-5 мм, что позволяет получать капли жидкости
диаметром от 10-150 мкм.
Форсунка для пылеподавления обеспечивает устойчивое образование
мелкодисперсных
жидкостных
завес
при
температуре
выше
+3 0C
и
снегообразование при температурах ниже +3 0C воздуха на расстоянии от 0,5 м до
сопла форсунки и направленное движение струи конусообразной формы с углом
96
раскрытия 10-15º на расстоянии до 7-10 м (стабильное формирование на
расстоянии 2-2.5 м). Вследствие возможности регулирования кольцевой щели
достигается варьирование толщины потока жидкости, и достигается эффективное
снегообразование при отрицательных температурах окружающей среды.
Рисунок 2.12 - Пневмогидравлическая форсунка [62]
1 – штуцер для подачи жидкости, 2 – радиальная выточка, 3 – кольцевая щель, 4 –
смесительная камера, 5 – штуцер для подачи воздуха, 6 – сопло Лаваля, 7 –
диффузор, 8 – ограничительный бурт, 9 – регулировочная гайка с внутренним
уступом, 10 - кольцевое резиновое уплотнение
Карта распределения термодинамических параметров в зоне работы
пневмогидравлической форсунки представлена на рисунке 2.13.
Использование данного устройства позволит проводить эффективное
экономичное пылеподавление во всем диапазоне температур окружающей среды,
в том числе, в зимний период времени, в условиях северных регионов при
отрицательной температуре окружающей среды.
97
Рисунок 2.13 - Карта распределения термодинамических параметров в зоне
работы пневмогидравлической форсунки [59]
Работа форсунки основана на пневмогидравлическом распылении воды в
потоке сжатого воздуха. Сжатый воздух проходит через конусообразное сопло
Лаваля,
адиабатически
расширяясь
и
снижая
свою
температуру,
далее
смешивается с водой и выходит через выходной диффузор. Таким образом,
образуется мелкодиспергированный водный аэрозоль, характерные размеры
которого совпадают с размерами мелкодисперсной пыли. Частицы аэрозоля,
сталкиваясь с пылинками загрязненного воздуха, за счет сил адгезии образуют
тяжелые соединения [59]. Вокруг этих соединений может происходить
дальнейшая коагуляция пыли с последующим осаждением. В условиях
околонулевой и отрицательной температуры воздуха частицы водного аэрозоля,
сталкиваясь с пылинками, образуют снежинки за счет скрытой энергии
адиабатического расширения и низкой температуры окружающей среды.
Использование снега в условиях околонулевой и отрицательной температуры
окружающей среды позволяет избежать обледенения, ухудшения работы и
98
дальнейшего
выхода
из
строя
оборудования,
находящегося
в
зоне
пылеподавления [59].
Важным
этапом
разработки
конструкции
является
построение
пространственной трехмерной модели устройства с целью моделирования
процессов течения жидкой и газовой фаз в проходных каналах форсунки,
процессов смешения фаз и фрагментации жидкости. Использования двухфазной
гидравлической
модели
позволяет
провести
предварительный
подбор
оптимальных геометрических параметров форсунки и оценить дисперсность
получаемого ввозного аэрозоля.
2.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ В
ФОРСУНКЕ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
В
ходе
работы
выполнен
аналитический
обзор
материалов
по
экспериментальным исследованиям и моделированию процессов распыления
воды в устройствах соосной подачи компонентов.
Целью данного обзора является анализ материалов, затрагивающих
конкретных тип распылительной форсунки, служащей для преобразования потока
жидкости в совокупность мельчайших капель, диспергированных в воздушной
среде. Рассматриваемый тип форсунок (рисунок 2.14), представляет собой
устройство с соосной подачей газа и жидкости, где газ подается через
центральный цилиндрический канал, а жидкость втекает через кольцевую щель,
образованную
внешней
стенкой
центрального
цилиндрической/конической поверхностью большего диаметра.
канала
и
99
Рисунок 2.14 - Схема распылительной форсунки рассматриваемого типа
Интерес
представляют
физика
процесса
фрагментации
струи
на
лигаментные структуры и их дальнейшее дробление на капли, современных
подходы
для
моделирования
процесса,
ключевые
физические
факторы,
определяющие процесс взаимодействия жидкой пленки и струи газа.
Процесс формирования капель определяется характером фрагментации
жидкой пленки, истекающей из кольцевого канала [67]. В устройствах
рассматриваемого типа ключевыми физическими факторами, влияющими на
параметры распыления жидкости, являются природа взаимодействия потока газа
(воздуха) с пленкой жидкости и роль, которую играет струя газа на процесс
фрагментации
пленки.
Подробные
экспериментальные
исследования
[68]
позволили выявить влияние параметров потока (скорость жидкой пленки, степень
турбулизации обеих фаз в выходных сечениях форсунки), а также геометрии
каналов подачи компонентов на распад жидкой пленки.
Силы аэродинамического трения, возникающие на границе раздела фаз
приводят к возникновению волн на поверхности жидкой пленки, которые,
нарастая, срывают порции жидкости в виде лигаментных структур (рисунок 2.15).
100
Рисунок 2.15 - Формирования лигаментных структур [69]
Лигаментные структуры - это промежуточная стадия между неустойчивой
жидкой пленкой и капельками, обычно существуют в виде круглых протяженных
порций жидкости, отделившихся от жидкой пленки. Эти образования в свою
очередь продолжают дробиться на мелкие капли. Выделяют два типа волн на
поверхности жидкой пленки, которые способствуют ее фрагментации. Первый
тип – синусные волны, формируются, когда обе поверхности жидкой пленки
совершают колебательные перемещения синфазно, рисунок 2.16 (фрагмент а).
Другой тип волн – продольные, возникают при колебаниях поверхностей жидкой
пленки в противофазе, рисунок 2.16 (фрагмент б). Многими исследователями, в
частности [70], было показано, что при невысоких скоростях течения потоков
жидкости и газа, а также при небольших отношениях плотностей газа и жидкости
синусные волны оказывают влияние на рост продольных волн. Также было
выявлено, что с ростом скорости обеих сред становится все сложнее различить
тот или иной тип волн, возмущающих жидкую пленку. В работе [71]
представлены
результаты
обобщения
выполненных
ранее
теоретических
101
исследований, связанных с распространением этих волн в жидких пленках и их
влиянии на устойчивость пленочной структуры.
(б)
(а)
Рисунок 2.16 - Типы волн, возмущающие жидкую пленку
При работе форсунки рассматриваемого типа, в определенных условиях, в
жидкой пленке формируются характерные ячеистые образования, которые
представляют собой тонкие жидкие мембраны, окруженные лигаментными
структурами значительно большей толщины, рисунок 2.17. В работе [72] сделано
предположение, что такой режим фрагментации потока жидкости реализуется при
высоких относительных скоростях жидкой пленки и струи газа.
(а)
(б)
Рисунок 2.17 - Режим фрагментации жидкой пленки с образованием ячеистых
структур: скорость жидкости Vl = 2,9 м/с (для а и б одинаково), скорость воздуха:
а) Vg = 23,7 м/с; б) Vg = 37,0 м/с [73]
Более качественные экспериментальные исследования, описанные в [73]
позволили сделать вывод о том, что режим распада жидкой пленки с ячеистыми
структурами
реализуется
при
наличии
неустойчивых
синусных
волн,
распространяющихся по жидкой пленке. Данный режим приводит к широкому
разбросу по размерам капель, поскольку тонкие жидкие мембраны, входящие в
состав ячеистых структур распадаются на капли существенно меньшего диаметра,
102
чем капли образованные при дроблении лигаментных колец. Классификация
режимов распада жидкой пленки при работе форсунок рассматриваемого типа для
невысоких скоростей воздушного потока выполнена в работе [74, 75]. Авторы
этого
исследования
выявили
три
основных
режима:
режим
Кельвина-
Гельмгольца, режим ячеистых структур и режим диспергирования.
В работах [74, 76] режимы фрагментации жидкой струи охарактеризованы
на
основе
экспериментальных
данных,
полученных
на
устройстве,
представленном на рисунке 2.18 (таблица 2.3).
Рисунок 2.18 - Схема форсунки для определения режимов фрагментации жидкой
струи со смесительной камерой с 12 тангенциальными отверстиями
Таблица 2.3 - Режимы фрагментации жидкости
Режим
Условие скорости
движения воздуха
Описание характера фрагментации жидкости
Uвоздуха = 0 м/с
истечение жидкости без соосно подаваемого воздуха, распад потока
жидкости соответствует модели процессе, описанной Рэлеем:
жидкая пленка фрагментируется на лигаменты (в данном случае
тонкие колечки или фрагменты колечек) которым сопутствуют
капельки – сателлиты (спутники)
2
0 < Uвоздуха < 5 м/с
формирование воздушного пузыря, окружающего жидкую пленку,
которая смыкается вниз по потоку, поскольку скорость воздуха
слишком мала, чтобы предотвратить смыкание. Смыкание вызвано
действием сил поверхностного натяжения в жидкой пленке
3
5 < Uвоздуха < 40 м/с
значительное сокращение длины распада Lb , при увеличении
скорости воздуха в этом диапазоне. Появление ячеистых структур
1
103
Продолжение таблицы 2.3
4
5
40 < Uвоздуха < 120 м/с
в этом диапазоне скоростей воздуха длина распада уменьшается
менее выраженно
Uвоздуха > 120 м/с
режим скоротечного диспергирования. Длина распада уменьшается
слабо и теоретически может достигнуть нуля при определенном
значении Uвоздуха , то есть струя будет распадаться сразу же за
выходным сечением форсунки
Ее особенностью является наличие помимо центральной струи воздуха,
дополнительной кольцевой струи воздуха движущейся вокруг кольцевой струи
жидкости. То есть вода течет и распадается между двумя потоками воздуха. Но
определяющий вклад в процесс распыления вносит все же центральная струя
воздуха, ее скорость и приводится в таблице.
В другом систематическом исследовании влияния соосно подаваемого газа
на фрагментацию жидкой пленки [77] авторы включили в рассмотрение факторы
присутствия воздушного пограничного слоя и наличия вязкости у воздуха. В этой
работе было сделано заключение об определяющей роли скорости потока газа на
колебательные явления в пленке жидкости, а также заключение о необходимости
учета вязкости газа для повышения точности определения колебательных
характеристик пленки.
Охарактеризовать структуру и параметры распадающейся жидкой пленки
возможно с помощью ряда величин (рисунок 2.19).
Рисунок 2.19 – Параметры, характеризующие распадающуюся жидкую
пленку [78]
104
Угол θ представляет собой угол между касательной к наружной
поверхности жидкой пленки у выходного сечения и осью выпускного канала.
Параметр SW(z) характеризует удвоенное радиальное расстояние между осью
течения и жидкой пленкой в зависимости от осевой координаты z. Значение Lb
определяет осевое расстояние от выходного сечения устройства до границы
начала фрагментации жидкой пленки.
Представленные в работе [78] результаты экспериментальных исследований
демонстрируют влияние чисел
и
на картину распада жидкой пленки
истекающей соосно с потоком воздуха. На рисунке 2.20 приведены фотоснимки
выполненные авторами этой работы, которые проводили исследование с
использованием форсунки рассматриваемого типа.
Рисунок 2.20 – Фото изображения распыляемой жидкой пленки для различных
режимов истечения воды и воздуха [78]
На снимках можно наблюдать, как с ростом числа
, при неизменном
,
неустойчивость жидкой пленки при удалении от выходного сечения развивается
быстрее. При этом длина участка Lb, после которого происходит фрагментация
потока жидкости, сокращается. Рост числа
может быть обусловлен
105
увеличением плотности газа, большей скоростью газа, увеличением диаметра
выходного отверстия, а также снижением вязкости газовой среды. С другой
стороны повышение
Увеличение числа
при неизменном
увеличивает протяженность Lb.
в первую очередь связано с повышением скорости
жидкости, так как скорость входит в данный критерий в квадрате. Повышение
числа Вебера также связано с увеличением плотности жидкости, толщины
жидкой пленки
и уменьшением коэффициента поверхностного натяжения
жидкости.
Сложность построения математических моделей для описания течения газа
с примесью в виде капель заключается в том, что движение несущей фазы
представляет собой лишь фон, на котором перемещается большое количество
макроскопических частиц [79]. В связи с тем, что практически невозможно
решить уравнения движения каждой из этих частиц совместно с уравнениями
движения несущей фазы, а также в связи с присутствием ряда факторов,
хаотизирующих движение частиц (полидисперность примеси, нерегулярность
формы частиц, турбулентность) существует необходимость в разработке
специальных математических и численных моделей.
При вычислительном моделировании процессов, связанных с образованием
и
распространением
распыленной
жидкости
можно
выделить
аспекты,
представляющие наибольшую сложность:
1. Установление связи между параметрами течения в самом устройстве и
характеристиками газокапельного потока истекающего во внешнее
пространство;
2. Учет изменения размеров капель;
3. Особенности взаимодействия капель с окружающим газом;
4. Моделирование процесса дробления / агломерации капель;
5. Расчет фазовых превращений частиц (испарение / кристаллизация).
Подходы математического моделирования двухфазных течений можно
разделить на две основные группы: континуальные (эйлеровы) и дискретнотраекторные (лагранжевы). Помимо этих двух групп существуют кинетические
106
(статистические)
подходы.
Однако
при
решении
практических
задач
кинетические модели используются сравнительно редко в связи со сложностью
решения кинетических уравнений
В основе континуального подхода имеется представление о газовой фазе и
фазе частиц как о двух континуумах, то есть сплошных средах с непрерывно
распределенными в пространстве параметрами. В полной мере описать всю
совокупность явлений взаимодействия жидкой и газовой фазы, которые
протекают в распылительной форсунке в рамках континуального подхода
возможно с использованием модели, где граница раздела фаз подлежала бы
определению.
Другими
словами
два
континуума
должны
быть
не
взаимопроникающими. В настоящее время такая модель имеется во многих
программных
комплексах
ориентированных
на
моделирование
течений
жидкостей и газов. Она носит название Volume Of Fluid или VOF модель [80].
Использование
континуальных
моделей,
где
сплошные
среды
являются
взаимопроникающими возможно при рассмотрении двухфазного потока с уже
распыленной жидкостью. При этом вводиться понятие «газ частиц» или «газ
капель». Однако в случае использования моделей с взаимопроникающими
континуумами
моделирование
процессов
распада
жидкого
потока
с
сопутствующими физическими явлениями не представляется возможным.
светлый – вода
темный – воздух
(а)
(б)
Рисунок 2.21 – Использование VOF модели для моделирования течения внутри
распылительной форсунки (фрагмент а) и вблизи выходного отверстия
(фрагмент б) [81]
Недостатком VOF модели, является требование крайне подробной
дискретизации расчетного пространства до масштаба мельчайших капель. Это
107
ограничение позволяет моделировать течение газа и жидкой пленки только до
момента ее распада, то есть практически исследовать область пространства
только внутри и в непосредственной близости от выходного сечения форсунки.
Тем не менее, существует ряд работ, например [82, 83], где VOF модель успешно
используется для оптимизации рабочего процесса внутри форсунок, в частности
рассматриваемого типа, и позволяет выявлять тонкие аспекты начального
взаимодействия движущейся жидкой пленки и потока воздуха.
Дискретно-траекторный подход основан на расчете газовой фазы в
эйлеровых переменных, а движение капель описывается в лагранжевых
переменных как детерминированное движение достаточно представительного
дискретного набора пробных частиц [84]. Уравнения, описывающие перемещение
дисперсной фазы, интегрируются вдоль отдельных траекторий индивидуальных
частиц в вычисленном ранее газодинамическом поле. Траекторный подход
оказывается удобным при моделировании разреженных газодисперсных потоков,
позволяя с высокой степенью подробности выявить структуру течения (например,
положение огибающей траекторий частиц, разделяющей зоны течения на
свободную и занятую частицами). Использование траекторного подхода также
выгодно тем, что нет необходимости в использовании подробной сетки, как в
случае VOF модели.
Ограничением использования дискретно-траекторного подхода является
невозможность
напрямую
рассчитать
процессы
внутри
распылительного
устройства, а также на этапе формирования капель из жидкой пленки. В качестве
решения этой проблемы были построены специальные модели для каждого типа
распылительных устройств. В существующих пакетах моделирования течений
существует модель для рассматриваемого типа форсунок с сосной подачей
жидкости и газа (в зарубежной терминологии этот тип форсунок носит название
air-assist/air-blast atomizer) [85]. Также имеются модели для форсунок с подачей
незакрученного/закрученного потока жидкости под давлением без использования
газа (plain orifice / Pressure Swirl Atomizer), форсунок центробежного распыления
(rotary atomizers) и для ряда других устройств распыления.
108
При использовании такой дополнительной модели в рамках дискретнотраекторного подхода исследователь задает ряд параметров, которые, по сути,
характеризуют те процессы, которые протекают внутри распылителя и при
распаде жидкой пленки. Для форсунок рассматриваемого
типа модель
распыления строится на модели линеаризованной неустойчивости жидкой пленки
(Linearized Instability Sheet Atomization – LISA), а также на допущении, что распад
жидкой пленки реализуется в режиме Кельвина-Гельмгольца [86]. Для
выполнения расчетов необходимо задать: положение и ориентацию оси форсунки,
массовый расход, моменты времени начала и окончания впрыска, угол
полураскрытия конуса жидкой пленки θ, максимальное значение скорости
относительного движения жидкости и газа, постоянную жидкой пленки,
лигаментную постоянную, начальный и конечный азимутальные углы.
На основе имеющейся конструкторской документации была построена
твердотельная
модель
распылительной
форсунки.
Построение
модели
выполнялось в CAD-системе верхнего уровня Siemens NX 6. Геометрическая
модель представляет собой сборку, состоящую из двух деталей: корпус и
внутреннее сопло. Эти элементы конструкции
позволяют сформировать
расчетную область для исследования внутреннего течения воды и воздуха в
форсунке, формирования жидкой пленки и ее фрагментации на капли.
Построенная геометрическая модель приведена на рисунок 2.22.
Рисунок 2.22 – Геометрическая модель распылительной форсунки
109
Фрагмент конструкции, где рассматриваются процессы встречи жидкой и
газообразной фаз, формирования жидкой пленки и лигаментных структур
обладает осевой симметрией. Помимо этого само физическое явление можно
также считать осесимметричным. Для таких случаев целесообразно выполнять
моделирование на основе осесимметричной постановки. Таким образом,
пространственная трехмерная задача сводится к двухмерной, где будут иметь
место два направления: осевое и радиальное. На рисунке 2.23а приведена
расчетная область для решения осесимметричной задачи и определения
параметров ближнего газодинамического поля. Расчетная область формируется на
основе продольного сечения распылительной форсунки и включает часть
окружающего форсунку пространства.
На рисунке 2.23б приведена геометрия области для расчета течения внутри
форсунки и дальнего газодинамического поля. Отличие от предыдущей
конфигурации
заключается
в
том,
что
в
рассмотрение
включается
дополнительная, значительно более обширная, часть внешнего пространства
перед форсункой. Протяженность внешнего пространства должна определяться
длиной распространения газокапельного облака, формируемого форсункой.
а)
б)
Рисунок 2.23 – Расчетные области для осесимметричного расчета внутреннего
течения в форсунке совместно с ближним (фрагмент а) и дальним (фрагмент б)
газодинамическим полем
В свою очередь расстояние, на котором скорость течения капель и несущего
газа будет приближаться к нулю, может быть оценено в результате серии
110
последовательных расчетов. В каждом из этих расчетов необходимо будет
увеличивать или уменьшать по сравнению с предыдущим протяженность
расчетной области, в зависимости от значения скорости течения вблизи наиболее
отдаленного от форсунки фрагмента выходной границы (на рисунок 2.22б это
крайняя левая граница области). Соответственно, осевое расстояние между
выходным сечением форсунки и крайней левой границей будет задано, как
варьируемый геометрический параметр.
С
целью
исследования
влияния
геометрических
характеристик
распылительной форсунки на процесс формирования жидкой пленки и капель,
для
двух
построенных
геометрических
конфигураций
была
выполнена
параметризация. Под параметризацией понимается определение некоторых
характерных геометрических характеристик конструкции как варьируемых. На
рисунке 2.24 приведена схема определения варьируемых геометрических
параметров для первой расчетной области. В качестве параметризованных
геометрических характеристик, относящихся к конструкции форсунки, были
заданы диаметры критического (DS_Dcrit) и выходного (DS_Da) сечения
внутреннего сопла, ширина кольцевого зазора (DS_DeltaX) для подачи воды.
Были также параметризованы размеры, задающие протяженность окружающего
форсунку пространства: два осевых размера (DS_b1 и DS_b2) и высота (DS_h1)
расчетной области. Каждый геометрический параметр имеет префикс “DS” для
распознавания его как варьируемого параметра в расчетном проекте при передаче
геометрической модели из CAD-системы в программный комплекс, где
выполняется вычислительное моделирование (ANSYS FLUENT in Workbench).
Следует отметить, что для каждого из параметров имеется некоторый диапазон, в
котором он может меняться [87].
111
Рисунок 2.24 – Варьируемые геометрические параметры для первой расчетной
области
В частности комбинация геометрических параметров не должна входить в
противоречие со структурой фрагментов, которая получена в результате
декомпозиции расчетной области. Это противоречие может выражаться в
смыкании или пересечении границ фрагментов, если тот или иной размер вызовут
такие изменения геометрии.
Известное отношение диаметров критического (
) и выходного
сечения внутреннего сопла позволяет определить геометрическое число Маха
потока, которое будет реализовываться при достаточном перепаде давления в
ресивере (на входе во внутреннее сопло) и давления в окружающем пространстве.
В таблице 2.4 приведены расчетные значения отношения площадей критического
и выходного сечений
, а также геометрическое число Маха для
имеющихся конфигураций внутренних сопел.
Таблица 2.4 – Геометрические и газодинамические параметры сопел
№ сопла
1
2
, мм
, мм
3
4
5
5,82
1,1
1,6
2,2
2,7
3,2
0,0357
0,0755
0,1428
0,2151
0,3021
5,14
4,24
3,53
3,10
2,74
112
Для
построения
расчетной
сетки
с
упорядоченной
структурой
(структурированной сетки) необходимо выполнить разбиение исходной расчетной
области на фрагменты, имеющие четырехугольную или треугольную форму для
плоских расчетных областей. В случае трехмерных расчетных областей разбиение
выполняется на элементарные объемы кубической или призматической формы.
Структурированная сетка обладает рядом преимуществ, таких как высокая
скорость генерации сетки, экономичность (меньшее количество элементов на
единицу поверхности или объема), устойчивость расчетного процесса и быстрота
сходимости в сравнении с использованием неструктурированной сетки. Выгода
использования структурированных сеток проявляется особенно в тех случаях,
когда направление сеточных линий и упорядоченных слоев элементов совпадает с
направлением движения потока, а также при наличии больших градиентов
параметров течения. Недостатком этого подхода построения сеток является
высокая трудоемкость процесса декомпозиции (разбиения) расчетной области на
фрагменты, особенно в случаях, когда расчетная область имеет сложную
пространственную конфигурацию.
Построенные геометрические конфигурации расчетной области, рисунок
2.25а и рисунок 2.25б, допускают выполнить декомпозицию без значительных
временных затрат благодаря тому, что геометрия является плоской, а границы
являются преимущественно прямолинейными и не образуют острых углов.
На
рисунке
конфигураций
2.24
расчетных
приведены
областей
результаты
на
декомпозиции
четырехугольные
исходных
фрагменты.
Фрагментация в обоих случаях выполнена практически для всего расчетного
пространства, кроме зоны дозвукового течения в сужающейся части внутреннего
сопла. Существенной необходимости строить структурированную сетку в этой
зоне нет, в связи с ее относительной малостью, невысокими градиентами
параметров и присутствием в этом месте только одной фазы – воздуха. Схема
декомпозиции двух областей является практически идентичной. Для второй
конфигурации расширение внешнего пространства выполнено просто за счет
добавления Г-образного слоя фрагментов.
113
Выполненная
декомпозиция
допускает
изменение
геометрических
параметров форсунки и протяженности внешнего пространства, окружающего
форсунку. При этом будет меняться только соотношения и углы наклона сторон
фрагментов, а топологическая структура фрагментированной расчетной области
будет оставаться неизменной.
а)
б)
Рисунок 2.25 – Декомпозиция расчетных областей
Для каждого четырехугольного фрагмента использовалась экономичная
схема
построения
структурированной
сеточной
структуры.
В
нефрагментированной области сужающейся части внутреннего сопла сеточная
структура строилась с использованием универсального неструктурированного
алгоритма, который применяется для областей произвольной формы. На
рисунке 2.26 приведена сетка, построенная для первого варианта расчетной
области на основе выполненной декомпозиции.
Рисунок 2.26 – Сеточная структура, построенная для фрагментированной области
114
При проведении вычислительного моделирования на основе сеточных
методов всегда целесообразно проанализировать степень влияния плотности,
характера распределения и типа элементов сеточной структуры на ключевые
параметры задачи. В данном исследовании для нескольких сеточных структур
анализировалось изменение ряда локальных и интегральных характеристик при
полностью идентичных условиях моделирования. Для обеих расчетных областей
была проведена декомпозиция и сформирована определенная топологическая
структура фрагментов. В связи с этим алгоритм генерации сетки и тип элементов
оказались предопределенными. Для структурированного алгоритма, в случае
плоских областей, возможно использование только четырехугольных элементов.
Поэтому в качестве варьируемой характеристики для различных сеточных
структур рассматривался только размер ячеек.
Всего было построено 5 сеток, основные характеристики которых
приведены в таблице 2.5. На рисунке 2.27 приведен график зависимости общего
количества элементов N каждой сетки от размера элементов Δx, задаваемого при
генерации сеточной структуры.
Таблица 2.5 – Основные характеристики использованных сеток
1
размер элемента,
мм
0,30
количество
элементов
9188
2
0,25
12992
13647
3
0,20
20562
21383
4
0,15
35468
36558
5
0,10
79016
80646
номер п/п
количество узлов
9738
Условия проведения моделирования соответствуют постановке задачи
исследования внутреннего течения форсунки и ближнего газодинамического
поля.
115
Рисунок 2.27 – Зависимость количества элементов сетки от размера элементов
0,30 мм
0,25 мм
0,20 мм
0,15 мм
0,10 мм
Рисунок 2.28 – Фрагменты сеток
116
Рисунок 2.29 – Зависимости изменения во времени модуля скорости в точке A для
различных сеток
На основе выполненного обзора подходов вычислительного моделирования
течений газа с дисперсной жидкой фазой была сформулирована стратегия для
проведения расчетов. Рассмотрены две различные задачи, в одной из которых в
фокусе внимания было течение внутри распылительной форсунки и в ближней
области внешнего пространства. Исследование в рамках этой задачи проведено с
использованием континуальной модели VOF (Volume Of Fluid), на основе первой
построенной конфигурации расчетной области (рисунок 2.25а). Во второй задаче
рассматривался существенно более обширный участок внешнего пространства
перед форсункой для определения характеристик капельного факела. При этом
моделирование течения внутри форсунки не исключалось, однако выполнялось на
основе более экономичной сетки. Вторая задача решалась на основе дискретнотраекторного подхода, с использованием второй построенной конфигурации
расчетной
области
моделирование
(рисунок
выполнялось
2.23б).
в
В
обоих
среде
случаях
вычислительное
программного
гидрогазодинамических расчетов ANSYS FLUENT 12.1 [89].
комплекса
117
В данном разделе приведены развернутые описания постановок обоих
задач,
которые
поясняют
особенности
задаваемых
граничных
условий,
характеристики вычислительных алгоритмов и процедур, а также опции и
настройки
подключаемых
моделей.
Особое
внимание
было
уделено
рассмотрению применяемых моделей многофазности. Также рассмотрены
вопросы моделирования турбулентности в рассматриваемых режимах течения с
использованием дифференциальных моделей турбулентности.
Построенная VOF-модель устройства в континуальном варианте позволила
произвести оценку скорости распределения жидкой и газовой фазы внутри
форсунки, по результатам которого была сформирована расчетная область с
цветовым отображением скоростей проистечения фаз (рисунок 2.30).
Рисунок 2.30 – Цветовое отображение распределения скоростей фаз в
проходных каналах форсунки, полученное с использованием континуальной
VOF-модели.
Основной же целью построения VOF-модели является определение
размерности капель получаемого водного аэрозоля и их распределение в
расчетной области. VOF-модель может быть использована на основе дискретнотраекторного подхода. Такой подход позволяет проследить процесс дробления
жидкостной пленки, а также, определить размер формируемых капель.
118
Распределение частиц в ближней расчетной области, также отображается с
использованием цветовой шкалы скорости (рисунок 2.31).
Рисунок 2.31 – Распределение частиц формируемого водного аэрозоля в
ближней расчетной области, полученное с использованием дискретнотраекторной VOF-модели.
Определение
количества
размерности
пикселей
капель
рисунка,
происходит
занимаемых
этой
путем
каплей
определения
с
учетом
масштабирования пикселя. Таким образом, повышение точности определения
линейного размера может быть достигнуто уменьшением размера ячейки
расчетной сетки. Анализ размерности был произведен последовательно с
использованием последней расчетной сетки 0,1 мм (рисунок 2.28). Было
установлено, что 97% от общего количества формируемых капель представляют
собой капли с максимальным линейным размером менее 100 мкм.
В ходе работы с использованием пространственной гидравлической VOFмодели было произведено моделирование процессов течения жидкой и газовой
фазы. Подтверждена возможность получения с использованием предложенной
конструкции мелкодиспергированного водного аэрозоля с преобладающей
размерностью частиц менее 100 мкм.
119
2.6 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДНОГО
АЭРОЗОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПНЕМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ
Целью экспериментальных исследований была проверка результатов
моделирования в реальных условиях.
Лабораторные
испытания
проводились
на
базе
стенда
«Бункер
пылеподавления». Проведено несколько серий экспериментов в ходе «летнего»
этапа, при положительной температуре воздуха и в ходе «зимнего» этапа при
температуре менее 00С.
Одной из главных задач «летнего» этапа экспериментов являлось
определение параметров распыления воды с помощью форсунки пылеподавления
при разных исходных параметрах, а также, определение оптимальных параметров
форсунки для наиболее экономичного и эффективного распыления воды.
Эксперимент проводился при температуре окружающего воздуха 19 0С. Форсунка
была установлена горизонтально на высоте 0,7 м от уровня земли. К штуцеру
воздуха форсунки был подсоединен шланг от компрессора. В экспериментах
использовался поршневой компрессор Fini MK 113-200-5.5, c возможностью
варьирования давление воздуха в пределах 1-8 атм. К штуцеру воды был
подсоединен шланг от бытовой водопроводной сети давлением 3 атм.
В
ходе
экспериментов
изменялись
диаметр
сопла
Лаваля.
Для
экспериментов были изготовлены сопла с различными диаметрами проходного
отверстия: 1,1 мм; 1,6 мм; 2,2 мм; 2,7 мм. Также, изменялась ширина кольцевой
щели для подачи воды, которая регулирует объем подаваемой на распыление
воды. Конструкция форсунки предусматривает изменение ширины кольцевой
щели для подачи воды (0,75 мм: 1,5 мм; 2,25 мм) вращением штуцера для подачи
воздуха, как механически, так и в автоматическом режиме. Кроме того,
изменялось давление воды, подаваемой в форсунку на распыление, путем
изменение угла открытия водяного крана бытового трубопровода [90].
На шланг для подачи воды для измерений расхода воды был установлен
счетчик МЕТЕР СВ-15Х, поставленный в горизонтальное положение для
достижения максимальной точности измерений. Точность измерений данного
120
счетчика ±0,0001 м3 (±100 мл). Расчетные данные, полученные на основании
экспериментальных данных, представлены в таблице 2.6.
Экспериментальные исследования показали, что для данной конструкции
форсунки наиболее пригодный для пылеподавления мелкодисперсный водный
аэрозоль образовывается при использовании сопла Лаваля 1,1 мм, ширине
кольцевой щели 0,75 мм, расходе воды 30 мл/c. Полученный водяной факел
представляет собой мелкодиспергированный аэрозоль, с углом распыления на
расстоянии 2 метров до 400, длина факела достигает 2,5 м. Использование сопла
Лаваля с диаметром 1,1 мм позволяет говорить о малом расходе воздуха и работе
компрессора 10 % времени. Крупность капель аэрозоля определялась на
расстоянии 2 м от выхода форсунки (в рабочей зоне распылителя) с
использованием объект-микрометра ОМ и фотокамеры Nikon D300 в режиме
короткой выдержки (1/8000 с).
Таблица 2.6 – Полученные данные в ходе «летней» серии экспериментов
АС
S2
α
Δ
Q2
l
мм
мм2
град
м3*10-4
(м3*10-6)/с
м
D
мкм
Сопло с площадью отверстия S1=0,95 мм2
20
30
15
45
20
0,75
11,61
60
17
75
17
90
17
20
3
30
15
1,5
23,36
45
40
60
28
75
30
20
3
2,25
35,25
30
15
45
40
Сопло с площадью отверстия S1=2,01 мм2
20
3
30
10
0,75
11,61
45
22
60
27
20
4
1,5
23,36
30
23
45
47
20
4
2,25
35,25
30
18
45
47
25
33
56
56
56
3
50
133
186
200
10
50
133
2
3
4,5
4
2,5
2,5
4,5
4,5
5
6
4,5
4,5
5
50
100
200
400
600
1000
200
400
800
2000
400
800
2000
10
33
146
186
13
77
157
13
60
157
2,5-3
3
5
2-2,5
3-3,5
4,5
3-3,5
3,5-4
3,5-4
200
600
1000
200
400
1000
400
800
2000
121
Продолжение таблицы 2.6
Сопло с площадью отверстия S1=3,80 мм2
20
2
30
23
0,75
11,61
45
31
60
20
5
30
24
1,5
23,36
45
51
60
20
5
30
28
2,25
35,25
45
66
60
Сопло с площадью отверстия S1=5,72 мм2
7
77
103
17
80
170
17
93
220
-
4
5-6
5-5,5
6
3,5-4
3,5-4
5-5,5
6-6,5
4
4,5-6
4-4,5
5-5,5
200
400
800
1000
400
600
800
1000
400
800
2000
2000
Избыток
воздуха, 100
30
20
67
5-5,5
200
0,75
11,61
45
35
117
4,5
600
60
5-5,5
800
20
5
17
5,5-6
600
30
25
83
6-6,5
800
1,5
23,36
45
50
167
6-6,5
1000
60
7-7,5
2000
20
14
47
4,5-5
600
2,25
35,25
30
28
93
6
1000
45
60
200
5
2000
α - угол открытия крана попачи воды, град; Δ - разница между конечным и начальным показанием счетчика воды,
м3; l - длина водного факела (водной струи), м; AC – ширина кольцевой щели для подачи воды, мм; S2 - площадь
кольцевой щели, мм2; Q2 - расход воды, м3/с; D – средний размер капель аэрозоля.
20
4
13
4-4,5
Для пылеподавления на конвейерах обычно устанавливается специальный
бункер с целью нераспространения снега и пыли, сдуваемой за счет движения
конвейера.
Форсунка
устанавливается
на
бункер
таким
образом,
что
пылеподавление происходит внутри бункера на проходящей по конвейеру породе.
На
технической
экспериментальный
базе
бункер
Горного
университета
пылеподавления.
был
изготовлен
Отличительные
особенности
экспериментального бункера – это возможность изменения высоты бункера,
наличие нескольких точек крепления форсунки, наличие продувок в нижней
части для имитации работы конвейера или скорости ветра.
Бункер пылеподавления позволяет смоделировать практически любые
условия окружающей среды. Предусмотрена возможность моделирования любой
скорости движения конвейера. Снежный (водяной) факел форсунки может быть
направлен в любую точку бункера. Угол падения диспергированной воды может
быть отрегулирован с учетом скорости движения воздуха внутри бункера,
122
завихрений воздуха. Форсунка может быть установлена с расчетом на
направленный
поток
диспергированной
воды
или
с
расчетом
на
самопроизвольное оседание. Высота бункера изменяется путем установки
различных
комбинаций
съемных
стенок.
Высота
бункера
может
быть
отрегулирована с учетом расстояния снегообразования (мелкодисперсного
диспергирования воды).
«Зимняя» серия экспериментов проводилась с использованием бункера, как
при положительной, так и при отрицательной температуре воздуха. Бункер
пылеподавления представляет собой металлический кожух, являющийся аналогом
конструкции, располагаемой над конвейерной лентой в натуральную величину.
Размеры
бункера
пылеподавления
1200х1000х1500 мм.
Ширина
бункера
выбиралась с учетов ширина ленты конвейера. В бункере устанавливается
форсунка пылеподавления так, что водяной факел падает на проходящую по
конвейеру породу с различных точек на гранях бункера (сверху, сбоку, под
наклоном). Бункер изготовлен из оргстекла (для возможности наблюдения) и
листового железа. На крышке бункера имеется три точки крепления форсунки: на
боковой наклонной стенке, на боковой вертикальной стенке, на верхней стенке. Также
бункер имеет возможность регулирования высоты благодаря съемным стенкам. В
нижней части бункера имеет отверстие с размерами 200x900 мм. На это отверстие
были установлены три нагнетателя ВИХРЬ-800. Форсунка была размещена на
боковой части бункера пылеподавления под наклоном к потоку воздуха 45 0.
Навески цементной пыли разной массы распылялись в потоке воздуха
пылесоса, стоящего по центру. Поток запыленного воздуха проходил через поток
водного аэрозоля создаваемого форсункой, наблюдался процесс пылеподавление. На
выходе в десяти точках с помощью пылемера TSI DustTrak 8520 Aerosol Particulate
Monitor (США) замерялся уровень запыленности. Данная модель пылемера позволяет
проводить замеры запыленности по фракциям пыли трех размерностей 1 мкм, 2,5
мкм, 10 мкм. Замеры пылемером производились в реальном времени с изменением
показателя с интервалом в одну секунду. В таблицу полученных данных заносились
максимальные полученные значения запыленности. Расстояние точек замера
123
запыленности от бункера представлены на рисунке 2.32. Результаты замеров
представлены в таблице 2.7.
Рисунок 2.32. Схема установки, распространения пыли, расположения точек замера
запыленности от бункера пылеподавления, 1 – компрессор, 2 – подвод воды, 3 –
бункер пылеподавления, 4 – нагнетатели, имитирующего скорость движения
конвейера или скорость ветра, 5 – форсунка пылеподавления
Концентрация пыли в точках замера, мг/м3
Фракция пыли,
мкм
Точка установки
форсунки
Высота бункера,
м
Таблица 2.7 – Данные, полученные в ходе «зимней» серии экспериментов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
5,4
4,9
5,1
5,0
4,1
5,4
4,7
3,1
3,8
3,3
2,5
6,2
5,4
5,2
5,6
5,0
5,5
5,8
4,0
4,5
3,5
10
6,4
6,0
5,4
5,6
5,0
5,8
5,1
4,2
4,9
3,9
2
1
3,9
3,6
3,7
3,5
3,1
3,1
3,0
3,1
3,1
3,0
II
2,5
4,2
3,7
3,9
3,6
3,3
3,5
3,4
3,3
3,5
3,4
10
4,3
3,9
4,0
3,6
3,4
3,9
3,5
3,4
3,9
3,5
1
42,3 34,1 40,0 35,2 25,1 28,5 24,8 19,8 22,7 20,1
Без
пылеподавл
2,5
45,7 35,9 42,1 35,8 25,7 29,1 24,9 20,5 24,1 20,4
ения*
10
50,2 37,0 44,2 38,4 26,3 30,9 25,9 20,9 25,1 21,2
* - величина запыленности без подавления не зависит от высоты бункера и точки крепления форсунки
I
124
Анализ полученных данных запыленности воздуха позволяется сделать
вывод о том, что среднее значения запыленности воздуха по фракции пыли с
размерностью частиц менее 10 мкм при использовании форсунки пылеподавления
снижается
на
85-95 %
по
сравнению
со
значением
запыленности
без
использования средств пылеподавления. Возможно повышение эффективности
использования
способа
используемых
форсунок.
расположение
форсунки
пылеподавления
Оптимальным
относительно
путем
увеличения
является
поверхности
строго
количества
вертикальное
пылящего
материала.
Аэрозольный факел форсунки должен обеспечивать 100% перекрытие выходного
отверстия бункера. В случае невозможности выполнения данного условия с
использованием одной форсунки
(например, для конвейеров шириной
превышающей ширину факела) рекомендуется увеличение количества форсунок в
установке. Допускается взаимное перекрывание факелов нескольких форсунок, но
такое расположение может приводить к укрупнению капель распыленной
жидкости за счет столкновения друг с другом. Подтверждена возможность
снегообразования при температуре воздуха ниже 3
0
С. Установлено, что
наибольшая эффективность пылеподавления достигается при интенсивности
поступления пыли 2,5 г/c.
Кроме того, с использованием бункера проведена серия экспериментов,
целью
которой
являлось
определение
эффективности
предотвращения
пылеобразования на поверхности пылящего материала. Установленные на
входном отверстии нагнетатели имитировали скорость движения конвейера 12 м/c. В
бункер был заложен объем породы, прошедшей дробление до транспортируемой
фракции. Масса породы соответствовала средней массе, приходящейся на единицу
длины конвейера и толщины слоя распределялись вручную соответственную
распределению
кратковременное
в
сечении
(1
секунда)
ленты.
В
сдувание
ходе
экспериментов
пыли
с поверхности
производилось
породы
без
пылеподавления и измерение концентраций пыли в точках соответственно рисунку
2.32. Далее производилось, также, кратковременное пылеподавление в течение
1 секунды с использованием пневмогидравлической форсунки, после чего, также,
125
измерялась концентрация пыли. Результаты экспериментов по определению
эффективности предотвращения пылеобразования представлены в таблице 2.8.
Таблица 2.8 – Данные, полученные в ходе серии экспериментов по определению
Фракция
пыли, мкм
Точка
установки
форсунки
Высота
бункера, м
эффективности предотвращения пылеобразования
I
2
II
Без
пылеподавления
Таким
1
2,5
10
1
2,5
10
1
2,5
10
образом,
Концентрация пыли в точках замера, мг/м3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2,3
2,5
2,6
1,6
1,7
1,9
26,2
29
34
2,1
2,2
2,5
1,4
1,5
1,8
21,2
22,8
24,5
2
2,2
2,2
1,5
1,6
1,9
23,4
27,7
28,1
2
2,3
2,2
1,4
1,5
1,5
22,4
22,7
27,4
1,6
2
2,3
1,2
1,3
1,8
14,9
16,3
15,7
2,2
2,3
2,3
1,3
1,4
1,7
18,1
19,5
19,6
1,9
2,3
2,5
1
1,4
1,5
14,7
14,8
16,9
1,2
1,6
1,7
1,2
1,6
1,8
12,6
13
13,9
1,5
1,8
2,1
1,1
1,4
1,6
15,4
16,3
17,1
1,3
1,4
1,9
1,2
1,8
1,8
12,5
13,1
13,5
подтверждена
возможность
использования
пневмогидравлических форсунок на объектах конвейерного транспортирования, в
условиях, когда пылеподавление производится путем предварительного увлажнения
поверхности транспортируемого материала. Использование форсунки в этом режиме
позволяет достичь снижения запыленности выходящего из бункера воздуха на уровне
87-96%.
2.7 ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОТЫ СИСТЕМ
КРУГЛОГОДИЧНОГО ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ И ПРОТЯЖЕННЫХ
ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ
Повышение общего уровня автоматизации производства, централизации
управления технологическими процессами и постепенный перенос функций
текущего мониторинга с персонала на системы автоматического наблюдения, тем
не менее, слабо отражен в реализации систем пылеподавления на современных
производствах.
Управления процессами пылеподавления, как правило, не привязано к
пункту диспетчеризации предприятия или централизованному пульту управления
на производственной площадке, а осуществляется работниками непосредственно
в месте расположения пылящего объекта.
126
На ряде технологических процессов, как правило, реализована «жесткая»
привязка работы систем обеспыливания к работе оборудования. Тем не менее, как
было установлено в главе 1, в условиях предотвращения пылевого загрязнения
атмосферы селитебных территорий на состояние воздуха оказывается влияние
значительно большее количество, как внешних, так и внутренних параметров.
Учет этих параметров позволяет, как повысить эффективность работы известных
устройств пылеподавления, так сделать целесообразный применение новых
устройств при обеспечении нормативного качества воздуха.
В настоящий момент одной из приоритетных задач является повышение
экономической эффективности использования устройств пылеподавления [91, 92].
Совершенствование конструкций распылителей с целью уменьшение расхода
воды, сжатого воздуха, снижение требований к качеству используемой воды,
повышения эффективности распыления является одним из аспектов сокращении
затрат при использовании устройств. Другими аспектами являются [93]:
- обеспечение работоспособности устройств в широком диапазоне
температур, в том числе в условиях околонулевой и отрицательной температуре
воздуха без снижения показателей работы распылителей;
- уменьшение негативного воздействия на эффективность пылеподавления
внешней
ветровой нагрузки
и
ветровой нагрузки, создаваемой
самими
устройствами распыления жидкости;
- возможность регулировки параметров работы устройства распыления при
его износе без замены самого устройства;
- возможность отключения системы пылеподавления при остановке работы
пылящего объекта;
- возможность регулирования количества используемых распылителей в
зависимости от интенсивности пыления.
Стоит отметить, что все вышеперечисленные факторы подразумевают
возможность
управления
в
автоматическом
режиме
с
возможностью
переключения в ручной режим управления при нештатных ситуациях.
127
В ходе разработки мероприятий по обеспечению вышеперечисленных
требований предлагаемые решения для их обеспечения решено свести в единую
автоматизированную систему.
Применительно к объектам предприятия ОАО «Ковдорский ГОК»
предложена система автоматизированного пылеподавления. В качестве примера
рассмотрен наиболее сложный для борьбы с пылью объект – участок конвейера
ЦПТ [94].
Автоматизированная
система
круглогодичного
пылеподавления,
представленная на рисунке 2.33, состоит из четырех подсистем [95]:
1. система подачи вода;
2. система подачи сжатого воздуха;
3. система кабельного обогрева;
4. система управления.
Основными
элементами
системы
пылеподавления
являются
пневмогидравлические форсунки Ф1-Фn, расположенные над лентой конвейера в
специальном бункере пылеподавления. Бункер пылеподавления представляет
собой закрытый корпус, в передней и задней части которого имеются отверстия,
через которые проходит лента конвейера, высота отверстий определяется высотой
насыпи транспортируемого материала на ленте. Дополнительно бункер может
быть оснащен специальными шторами, закрывающими отверстия при отсутствии
транспортируемого материала на ленте. Высота бункера выбирается по типу
используемых форсунок, на основе учета расстояния от форсунки до зоны
формирования оптимального водного аэрозоля. Для пневмогидравлических
форсунок, предложенных в разделе 2.2 необходимая высота бункера будет
составлять 2 м.
Количество используемых форсунок определяется шириной ленты и
диаметров получаемого аэрозольного факела. Для предлагаемого типа форсунок
при диаметре факела 1 м и ширине ленты конвейера 1 м минимальное число
количество распылителей составит одну штуку. В зависимости от количества
128
транспортируемого материала и его пылевыделения количество форсунок может
быть увеличено путем добавления форсунок.
Процесс пылеподавления при данной схеме будет происходить на
поверхности пылящего материала проходящего на ленте конвейера через бункер,
таким образом, осуществляется смачивание материала и предотвращение его
пыления в течение оставшегося пути. Бункер в свою очередь обеспечивает
предотвращение распространения водного аэрозоля и пыли за пределы зоны
пылеподавления, повышая общую эффективность работы системы.
Располагать бункер рекомендуется в начале участка конвейера, при
возможности бункер пылеподавления может быть объединен с изолирующим
бункером узла пересыпа на конвейер.
Система подачи воды к форсункам состоит из емкости с жидкостью,
магистралей подачи воды, запорного и регулировочного электромагнитных
клапанов. Запорный клапан используется для отключения подачи воды в случае
отсутствия транспортируемого материала на ленте конвейера или остановке
самого конвейера. Регулировочный клапан используется для регулирования
давления воды в системе с целью корректировки работы форсунок при изменении
температуры воздуха и возникновении износа проходных каналов форсунок.
Система подачи сжатого воздуха состоит из компрессора, магистралей
подачи воздуха, запорного и регулировочного электромагнитных клапанов.
Запорный клапан, аналогично, используется для отключения подачи воздуха,
регулировочный - для регулирования давления воздуха.
Форсунки и магистрали подвода воды оснащены системой кабельного
обогрева, обеспечивающей предотвращение их обледенения и замерзания при
отрицательной температуре окружающей среды. Система кабельного обогрева,
также, включает реостат, обеспечивающий регулировку температурной мощности
кабеля системы кабельного обогрева в зависимости от температуры окружающей
среды, выключатель для включения/отключения системы.
Система управления включает в себя приемно-контрольный прибор,
осуществляющий управление системой в автоматическом режиме, релейный
129
блок, осуществляющий управления электромагнитными клапанами, реостатом и
выключателем
обогрева.
Система
дополнительно
оснащена
сетевым
контроллером, который подключен к приемно-контрольному прибору, за счет
подключенных средств ввода и вывода информации обеспечивает контроль и
управление системой в полуавтоматическом и ручном режиме с участка, где
производится пылеподавление.
Сетевой контроллер, также, обеспечивает обмен информацией приемноконтрольного прибора с пунктов диспетчеризации.
Система
оснащена
линейным
извещателем
1,
датчики
которого
установлены выше уровня ленты конвейера, извещатель позволяет определить
наличие/отсутствие транспортируемого материала на ленте конвейера, на
основании чего производится включение/отключение подачи жидкости и сжатого
воздуха к форсункам. Датчики линейного извещателя подключены к приемноконтрольному прибору.
ЭВМ пункта диспетчеризации оснащены специальным программным
обеспечением. Пункт диспетчеризации за счет подключенных средств ввода и
вывода
информации
обеспечивает
контроль
параметров
и
управление
включением/отключением и регулировкой температурной мощности кабеля
системы кабельного обогрева форсунок, регулировку расхода жидкости и
давления сжатого воздуха в форсунках, включение/отключение подачи жидкости
и сжатого воздуха к форсункам, включение/отключение электропитания
компрессорной
установки
и
насосной
станции
в
автоматическом,
полуавтоматическом и ручном режиме из пункта диспетчеризации предприятия.
Система оснащена, также, стационарным метеометром, располагающимся
на участке, где производится пылеподавления, подключенным к ЭВМ пункта
диспетчеризации. Данные о температуре и влажности окружающего воздуха с
метеометра принимаются и обрабатываются ЭВМ и используются при общей
регулировке расхода жидкости и давления сжатого воздуха в форсунках,
включения/отключения и регулировки температурной мощности кабеля системы
кабельного обогрева форсунок.
130
Стационарный анализатор пыли 1 располагается в зоне транспортирования
уже обеспыленного материала, подключен к ЭВМ. Данные с анализатора пыли
принимаются и обрабатываются ЭВМ, с учетом этих данным осуществляется
включение/отключение
отдельных
форсунок
или
ряда
форсунок,
общая
регулировка расхода жидкости и давления сжатого воздуха в форсунках.
Таким образом, за счет учета данных о параметрах окружающей среды,
загруженности конвейера, за счет возможности индивидуальной настройки
каждой форсунки система обеспечивает высокий уровень эффективности
круглогодичного пылеподавления и сокращение расхода жидкости и энергии на
работу системы пылеподавления.
Автоматизированная система круглогодичного пылеподавления может быть
применена для пылеподавления мест пересыпа пылящего материала, также, за
счет установки бункера и форсунок.
Пылеподавление
окружающего
при
воздуха
с
околонулевой
использование
и
отрицательной
температуре
пневмогидравлических
форсунок
сопровождается снегообразованием, что позволяет минимизировать образование
наледи на ленте конвейера.
Также,
с
учетом
параметров
используемых
компонентов
системы
управления автоматизированного круглогодичного пылеподавления может быть
расширена, что позволит использовать ее сразу для нескольких конвейеров и мест
пересыпа.
В качестве жидкости для повышения эффективности пылеподавления
может быть использована вода, ионизированная вода, смесь воды с различными
добавками, например, ПАВ.
Вместо насосной станции для подачи жидкости может быть использована
водопроводная сеть предприятия, при необходимости, с применением систем
ионизации воды и/или систем дозирования различных добавок.
Вместо компрессорной станции для подачи сжатого воздуха может быть
использована пневматическая сеть предприятия.
131
Каждая форсунка может быть дополнительно оснащена индивидуальными
запорными электромагнитными клапанами воды и воздуха, которые позволяют
производить включение/отключение каждой форсунки или ряда форсунок и
индивидуальными
регулировочными
электромагнитными
клапанами,
обеспечивающими корректировку расхода жидкости и давления сжатого воздуха
в каждой форсунке или ряде общими регулировочными электромагнитными
клапанами обеспечивается регулировка расхода жидкости и давления сжатого
воздуха в форсунках в зависимости от количества включенных форсунок.
Расширенная схема управления форсунками представлена на рисунке 2.34.
С целью безопасности использования системы, общие и индивидуальные
запорные электромагнитные клапаны рекомендуется выполнять нормальнозакрытыми, что позволит автоматически останавливать работу системы в случае
прекращения подачи электроэнергии на участок.
Индивидуальные
регулировочные
и
запорные
клапаны
могут
устанавливаться, как на каждую форсунку, так и на ряд форсунок, что позволит
включать/отключать и регулировать работу сразу нескольких форсунок.
Индивидуальные регулировочные клапана могут выполняться, как с
электромагнитным управлением, так и с ручным управлением, что позволит
выполнять настройку каждой форсунки вручную, визуально отслеживая
параметры распыления жидкости.
Количество установленных форсунок, их расположение и направление
аэрозольного факела, а также, геометрических размеры и форма бункера могут
меняться в зависимости от индивидуальных характеристик используемой марки
форсунок, от динамических и геометрических параметров конвейера.
В системе кабельного обогрева вместо традиционного кабеля может быть
использован саморегулирующийся резистивный кабель, который обеспечивает
изменение температурной мощности в зависимости от температуры окружающей
среды. В этом случае из системы кабельного обогрева исключается реостат.
132
Рисунок 2.33 - общая схема автоматизированной системы пылеподавления на конвейере
133
Рисунок 2.34 - Расширенная схема управления форсунками в системах автоматического пылеподавления
134
В целях энергосбережения система кабельного обогрева использует
теплоизолирующий кожух.
Релейный блок выбирается по количеству выходов питания с учетом
необходимого для эффективного пылеподавления количества форсунок.
Приемно-контрольный прибор может иметь возможность подключения
более одного линейного извещателя. Это позволит использовать систему сразу на
нескольких участках конвейера или нескольких конвейерах и местах пересыпа.
Также, дополнительный линейный извещатель может быть использован, как
дублирующий элемент в системе.
Линейный извещатель имеет два инфракрасных датчика (приемник и
передатчик), расположенных по обе стороны ленты конвейера на 2 сантиметра
выше уровня ленты, в результате чего сигнал между извещателями прерывает при
прохождении транспортируемого материала по конвейеру и соответствующий
сигнал передается на приемно-контрольный прибор. Линейный извещатель
выдает четыре типа сигнала: «Конвейер пуст», «Конвейер загружен», «Запылен»,
«Неисправность». При первом типе сигнала приемно-контрольный прибор
формирует команды на отключение пылеподавления, при остальных типах
сигнала – на включение.
При
обрыве
связи
с
ЭВМ
приемно-контрольный
прибор
может
осуществлять управление в автоматическом, полуавтоматическом и ручном
режиме без учета данных о состоянии окружающего воздуха, посредством
устройств ввода и вывода информации сетевого контроллера.
Приемно-контрольный имеет встроенный блок обработки информации. Это
позволяет выставлять такие параметры, как задержка включения/отключения
пылеподавления. Приемно-контрольный прибор может обеспечивать работу
системы в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме без учета
данных, принимаемых с пункта диспетчеризации, что может быть использовано,
например, при обрыве связи с ЭВМ пункта диспетчеризации, или при его
отсутствии, в случае установки системы на небольшом предприятии. В этом
случае устройством управления контроля системы выступает сетевой контроллер.
135
Приемно-контрольный прибор имеет возможности настройки задержки времени
срабатывания клапанов, что позволяет расположить линейный извещатель и
форсунки пылеподавления на любом расстоянии друг от друга.
При использовании системы сразу для нескольких участков конвейера или
нескольких конвейеров и мест пересыпа к ЭВМ могут быть подключены
несколько
метеометров
и
анализаторов
пыли,
соответственно
участкам
пылеподавления.
Анализатор пыли определяет запыленность воздуха в диапазоне от 0 до 150
мг/м3, в соответствии со значением запыленности ЭВМ пункта диспетчеризации
выдает команду на включение дополнительных форсунок в количестве 25-150%
от общего числа постоянно работающих форсунок. Соответственно общему
количеству дополнительно включенных форсунок ЭВМ также формирует
команды на пропорциональное увеличение расхода жидкости и сжатого воздуха
общими регулировочными клапанами. Метеометр определяет температуру
окружающего воздуха в диапазоне от -50 до +40 0С. При температуре ниже 0 0С
ЭВМ формирует команду на включение системы кабельного обогрева. В
диапазоне температур от 0 до -50 0С формируется команда о регулировке
температурной мощности кабеля обогрева от 10 Вт/м до 40 Вт/м при частоте
наматывания кабеля 20 витков на метр длины трубопровода при внутреннем
диаметре трубы 50 мм. Метеометр, также, определяет влажность окружающего
воздуха в диапазоне от 0 до 100%. При этом ЭВМ подает сигнал на регулировку
общего расхода воды в диапазоне от 45 до 37 л/час. Вся информация о параметрах
окружающего воздуха и командах вырабатываемых ЭВМ выводится на монитор
диспетчера и, при необходимости, команды могут быть скорректированы
вручную. Далее сигнал от ЭВМ передается на сетевой контроллер. Вся
информации, также, дублируется на мониторе сетевого контроллера и команды,
при необходимости, также, могут быть скорректированы вручную работником
участка. Далее от сетевого контроллера сигнал передается на приемноконтрольный прибор. Приемно-контрольный прибор, корректирует поступившие
команды от ЭВМ с учетом данных от линейного извещателя и передает сигнал на
136
релейный блок, который, в соответствии с этим сигналом, осуществляет
управление всеми компонентами системы. При этом каждая форсунка позволяет
подавлять до 2,5 г пыли в секунду при эффективности пылеподавления до 95%
при использовании бункера пылеподавления. Например, при заполнении 50%
длины ленты конвейера достигается снижение расхода жидкость не менее чем в 5
раз по сравнению с традиционными системами жидкостного пылеподавления.
При этом система может использоваться круглогодично.
Стоит отметить, что разработанная система не предполагает разработку
новых
устройств,
элементами
системы
выступают
серийно-выпускаемых
компоненты. В качестве элементов системы управления, могут быть применены,
например, компоненты фирмы Bolid (Россия).
Применение предложенной системы на приемных бункерах дробилок
может
быть
осуществлено
с
использованием
специального
бункера-
пылеподавителя.
Установка бункер-пылеподавитель, представленная на рисунке 2.35,
представляет собой несущую раму 1 выполненную в виде кронштейнов,
консольно неподвижно закрепленную на кронштейнах над бункером крышу 2,
входной отсекатель выполненный с использованием эластичных штор 3
максимально приближенных друг другу, при этом длина каждой последующей
шторы по мере удаления от входного портала равномерно увеличена по
отношению к длине предыдущей. В бункере-пылеподавления дополнительно
установлена система орошения жидкостью 5 с расположением оросителей 8 на
верхней и боковых стенках для подавления пыли, образованной вследствие
пересыпа материала 6 и закрепления пыли, образованной при дальнейшем
движении конвейера или вагона 7, причем орошение может осуществляться с
использованием дренчерных оросителей с получением мелкодисперсных каплей
жидкости диаметром от 100 до 2000 мкм или пневмогидравлических форсунок
для получения тонкораспыленных завес с диаметром каплей жидкостей от 30200 мкм, подводящие трубопроводы 9, снабженны клапаном регулировки
давления сжатого воздуха 10 и клапаном регулировки расхода жидкости 11,
137
причем, для дополнительного связывания пылящего материала используется
жидкость с клеящими добавками, хранящаяся в специальном резервуаре 12,
также, для снижения расхода жидкости возможна генерация в бункерепылеподавителе избыточного количества пылеподавляющей морозоустойчивой
пены с последующим покрытием ею транспортируемого материала после вывода
из бункера-пылеподавителя. Генерация сжатого воздуха осуществляется с
использованием компрессорного оборудованием 13.
Рисунок 2.35 - Бункер-пылеподавитель
Входной отсекатель является подвижным и выполнен из резины или
эластичного пластика, предотвращает пыление не только из бункера, но и
закрывая пересыпаемый материал при продвижении ковша или кузова погрузчика
(самосвала) к порталу бункера. При работе кузова самосвала «а» осуществляется
равномерное послойное покрытие «б» оставшегося материала в кузове
эластичными пластинами, процесс пересыпания материала «в» в вагоны или на
конвейер осуществляется с эффективностью обеспыливания окружающий бункер
территории с эффективностью 98 % [96].
Система дополнительного орошения предполагает работу в ручном,
полуавтоматическом и автоматических режимах. Для пылеподавления в
автоматическом режиме предусматривается дополнительная установка датчиков
138
запыленности за пределами бункера в рабочей зоне пункта пересыпа. Применение
подобранных
мелкодисперсных
распылителей
или
пневмогидравлических
форсунок не должно создавать избыточного увлажнения на погрузочных
площадках. Заполнение резервуара водой и работа компрессорного оборудования
осуществляется автоматически. Для приготовления пылеподавляющей жидкости
может
быть
близлежащего
использована
водоема
вода
или
производственной
специальной
водопроводной
скважины
(с
сети,
применением
предварительной механической фильтрации).
Использование бункера-пылеподавителя предотвращает пыление сыпучих
пород пре пересыпе и погрузке/выгрузке, осуществляется защита пылящей
поверхности от повторного пыления, предотвращение пыления уже в самом
начале цикла пересыпа, причем, вне зависимости от размеров ковша, вагона или
кузова, а также, достигается минимизация порчи оборудования от вредного
воздействия на него пыли и жидкости за счет использования эластичных
разноразмерных штор.
Обеспыливание транспортируемого полезного ископаемого обеспечивает
необходимое снижение пылевыделения только на текущем участке конвейера.
Системы обеспечивают только подавление взвешенной пыли и смачивание
поверхности, но значительно количество пыли может сохраняться в толще
транспортируемой породы, что вызывает необходимость установки систем
пылеподавлении на каждом последующем участке конвейера.
При этом на каждом последующем участке конвейера количество форсунок
может быть уменьшено, по сравнению с предыдущим. Количество форсунок на
первом участке конвейера подбирается исходя из параметров максимальноразового выброса пыли. На последующих участках выбор количества форсунок
обуславливается скоростью движения ленты, ширины ленты, количества
полезного ископаемого на ленте и так далее, что на практике делает наиболее
удобным метод подбора количества форсунок исходя их реальной обстановки. В
среднем число форсунок на последующем участке относительно предыдущего
составляет 65%.
139
Повешенным пылевыделением в атмосферу характеризуется процесс
пересыпа полезного ископаемого с конвейера в склад ЦПТ. Пересыпка
осуществляется с использованием подвижного участка ленточного конвейера,
поворачивающегося относительно одной точки (узла пересыпа с предыдущего
участка), что позволяется производить отсыпку равномерно по проектной
площади. Высота падения полезного ископаемого колеблется от 1,5 м до 6 м. В
силу особенностей процесса узел не позволяет произвести его изоляцию.
Для снижения пылевыделения предложен вариант установки форсунок на
раме
в
виде
окружности
огибающей
поток
высыпаемого
материала
(рисунок 2.36). Таким образом, создаваемый водный аэрозоль обеспечивает
фильтрование и экранирование создаваемого пылевого потока, а также,
производит смачивание поверхности склада в месте отсыпки нового слоя, что
сокращает пылевыделение с поверхности.
Рисунок 2.36 - Система установки форсунок в узле разгрузки породы в склад: 1 –
лента конвейера, 2 – пересыпаемая порода, 3 – рама, 4 – форсунки
пылеподавления, 5 – факел распыления жидкости.
Склад не может быть заизолирован полностью в связи с тем, что занимает
значительную площадь на отвале и может менять свои границы и отметки высот в
зависимости
от
интенсивности
производства.
Предложенный
способ
140
пылеподавления
позволяет
сократить
пыления
склада.
Так
подавление
переносимой фракции пыли будет осуществляться еще на стадии разгрузки,
причем, системой перемещения форсунок по площади склада выступает
подвижный участок конвейера.
Количество форсунок, установленных на кольцевой раме определяется с
учетом интенсивности пылевыделения. Возможно подключение установки к
системе управления с введением дополнительных элементов ввода информации.
Например,
в
системе
может
быть
применен
лазерный
дальномер,
с
использованием которого может быть установлена высота падения породы, в
соответствии с чем будет произведена регулировка количества задействованных
форсунок.
Исходя из рассчитанных параметров максимально-разового выброса пыли и
интенсивности пылеподавления одной форсункой рассчитано общее количество
форсунок (таблица 2.9)
Таблица
2.9
-
Необходимое
количество
форсунок
пылеподавления
на
объектах ЦПТ
Источник
Приемные бункеры дробилок
Узлы пересыпки
производительностью 1200 т/ч
(участки конвейера)*
Узлы пересыпки
производительностью 2400 т/ч
(участки конвейера)**
Узел пересыпа породы с
конвейера в склад
(пыление поверхности склада
ЦПТ)***
Пыление при работе
экскаватора ЭКГ-8И
Сумма
Максимально-разовый
выброс, г/с
Для всех
Для одной
работающих
единицы
единиц
техники
техники
8,66
25,99
4,95
14,85
9,90
29,70
42,88
3,78
Необходимое количество
форсунок*
Для всех
Для одной
работающих
единицы
единиц
техники
техники
4
12
3 (для 1го узла)
2 (для 2го узла)
2 (для 3го узла)
5 (для 1го узла)
4 (для 2го узла)
3 (для 3го узла)
7
12
17
3,78
Снижение пылевыделения
достигается за счет ранее
произведенного пылеподавления
48
*- общее количество форсунок рассчитывается исходя из максимально-разового выброса пыли, количество
непосредственно работающих из них форсунок определяется системой управления;
** - бункеры узлов пересыпа совмещены с бункерами пылеподавления на ленте конвейера на каждом участке;
*** - пылеподавление пересыпаемого материала совмещено с пылеподавлением свежеотсыпанной поверхности
склада.
141
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
1. Разработано и апробировано устройство мелкодисперсного распыления
жидкости в потоке сжатого воздуха. Проведена серия экспериментов с
использованием твердотельной модели распылителя, определены оптимальные
параметры устройства для работы в условия положительных и отрицательных
температур. В ходе работы на модели форсунки пылеподавления было достигнуто
оптимальное распыление воды с преобладанием капель размерностью менее 100
мкм (порядка 90% от общего объема жидкости) при расходе воды 37-45 л/час и
давлении сжатого воздуха 3 атм.
2. По итогам серии экспериментов по определению эффективности
пылеподавления
с
применением
устройства
предложенной
конструкции
установлено, что при 100% перекрытии факелом водного аэрозоля потока
загрязненного
воздуха
достигается
эффективность
пылеподавления
95%.
Оптимальная масса подавляемой пыли в единицу времени составляет 2,5 г/с.
Использование устройства с заданными параметрами при температуре воздуха
менее 3
0
С сопровождается снегообразованием из порядка 90% объема
подаваемой воды.
3. Предложена
система
автоматизированного
управления
пылеподавлением, позволяющая учитывать ряд внешних параметров, таких как
температура и влажность воздуха, наличии пылящего материала в зоне
пылеподавления, состояние воздуха по пылевому фактору, и обеспечивающая
регулирование расходов воды и сжатого воздуха, количество работающих
форсунок, защиту устройств от замерзания.
142
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ПЛЯЖНЫХ
ЗОН НАМЫВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ
3.1 РЕЖИМ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХВОСТОХРАНИЛИЩА
ОАО «КОВДОРСКИЙ ГОК»
Одним из крупнейших источников пылевыделения на предприятии ОАО
«Ковдорский ГОК» является хвостохранилище завода (глава 1, таблица 1.28).
Хвостохранилище расположено в долине ручья Можель, сток которого
зарегулирован в 1 поле (глава 1, рисунок 1.15), откуда вода откачивается
непосредственно в водооборот фабрики. С южного склона в хвостохранилище
впадают ручьи Песчаный, Черный, Каменный. По месту расположения
хвостохранилище классифицируется как балочное.
В геоморфологическом строении долина ручья Можель, занятая под
хвостохранилище, имеет корытообразную форму, где четко выделено несколько
элементов рельефа: пойма, 1 и 2 надпойменные террасы и склоны долины.
Поверхность поймы слабонаклоненная к руслу ручья Можель и слабо заболочена.
Склоны долины пологие.
В геолого-литологическом строении створа дамбы и чаши хвостохранилища
принимают участие болотные, делювиальные, озерно-ледниковые и ледниковые
отложения, и подстилающие их выветрелые и трещиноватые скальные породы.
Болотные отложения представлены плохо разложившимися торфами,
мощность которых составляет до 1 м (преимущественно в пойме ручья Можель).
Делювиальные отложения представлены супесями со щебнем, дресвой, мелкими
глыбами кристаллических пород до 25-40%. В створе дамбы они залегают слоем
мощностью 1,5-1,8 м; на 2-й надпойменной террасе, в чаше хвостохранилища
прикрывают левый крутой склон долины.
Озерно-ледниковые
и
ледниковые
отложения
слагают
пойму
и
надпойменные террасы ручья Можель в виде замещающих друг друга в
вертикальном и горизонтальном направлениях прослоек песков мелких, средних с
гравием, галькой до 25% и гравийно-галечниковых отложений с валунами
143
кристаллических пород до 20%, с песчаным и супесчаным заполнителем.
Суммарная мощность их на участке дамбы достигает 1,5-6,3 м, к бортам долины
они выклиниваются.
Кристаллические породы залегают с глубины 1,8-6,5 м (на участке дамбы) и
3,5-13,4 м - в чаше хвостохранилища. Они представлены гнейсами и фенитами.
После
ввода
хвостохранилища
в
эксплуатацию
исследования
физико-
механических характеристик грунтов под дамбой не проводились.
Гидрогеологические условия участка характеризуются наличием двух
водоносных горизонтов, распространенных в четвертичных и коренных архейпалеозойских породах. Эти водоносные горизонты вследствие отсутствия между
ними водоупора связаны между собой и представляют собой единый водоносный
горизонт со свободной поверхностью. Подземные воды безнапорные.
Уровень подземных вод залегает от 0,1 до 5,0 м от дневной поверхности.
Питание подземных вод осуществляется за счет атмосферных осадков. Движение
грунтовых
вод
водоносных
горизонтов
определяется
общим
строением
гидрографической сети района и направлено от водораздела в сторону долины
реки Ковдоры, то есть с юго-запада на северо-восток.
Весеннее половодье выражено очень слабо, так как таяние снега в
рассматриваемом районе, как правило, затягивается на продолжительное время.
Этому благоприятствуют рыхлые структурные лесные почвы, задерживающие
поверхностный сток и способствующие образованию подземных вод под лесом.
Таким
образом,
происходит
постепенная
отдача
воды,
достигающая
максимальной величины после полного оттаивания земли.
Гидрологическая характеристика ручьев, впадающих в хвостохранилище с
южной стороны. Все рассматриваемые водотоки (ручьи Черный, Каменный,
Песчаный), впадающие в хвостохранилище, относятся к постоянным водотокам.
Ширина русла ручьев от 1 до 3 м, русла ручьев извилистые, берега высокие
пологие, дно сложено валунами, отмытым гравием и галькой в равном
соотношении.
144
Объем наибольшего стока на пике весеннего половодья (3 суток); ручей
Песчаный - 380 тыс. м3, ручей Черный - 360 тыс. м3, ручей Каменный –
410 тыс. м3. Продолжительность половодья - 49 дней. Наибольший расход воды
приходится обычно на 22 мая. Объем стока за половодье составляет 41 % общего
годового стока.
Технологические данные эксплуатации хвостохранилища приведены в
таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Технологические данные эксплуатации хвостохранилища
Наименование показателей
Единица измерения
Режим работы комплекса
суток
смен
Выход хвостов (среднее значение за период с 2012 тыс. м3/год
г. по 2016 г.)
м3/час
Выход пульпы (среднее значение за 2012-2016 гг.) тыс. м3/год
м3/час
Консистенция пульпы
Т:Ж
Коэффициент использования емкости
Объемы оборотной воды
тыс. м3/год
Объем дренажной воды
тыс. м3/год
Значение
352
3 по 8 час
7481,8
885,8
120742,7
15380,0
1:10
0,85
125557,4
10912,4
Эксплуатацию хвостохранилища обеспечивают следующие системы и
сооружения:
- ограждающие дамбы, образующие емкость второго поля;
- система
гидротранспорта
(магистральные
и
распределительные
пульповоды, подающая пульпу во второе поле хвостохранилища и равномерно
распределяющая хвосты по площади);
- система оборотного водоснабжения (пруд-отстойник, колодец, насосная
оборотной воды), обеспечивающая забор воды из отстойного пруда и подачу ее на
обогатительную фабрику);
- системы: дренажная и водоотведения (дренажные канавы, водоотводные
каналы,
вторичный
отстойник
и
другие),
собирающие
и
отводящие
профильтровавшуюся и избыточную воду от хвостохранилища.
Ограждающая дамба №1 ограничивает поле с северо-западной стороны.
Дамба №1 была сформирована намывным способом при заполнении первого поля
хвостохранилища.
На
сегодняшний
день
она
является
бортом
карьера
техногенного месторождения (поле старого хвостохранилища), из которого
145
производится выемка хвостов. Со стороны второго поля верхового откоса дамбы
№ 1 отмыт пляж длиной до 2,2 км, поэтому фактически она представляет собой
напорного сооружения для второго поля, Установленная на дамбе № 1 КИА
(поверхностные марки и пьезометры) предназначена для контроля устойчивости
борта карьера. Любые деформации низового откоса дамбы №1 (борта карьера) не
приведут к прорыву воды из второго поля в первое. Ограждающая дамба № 4
ограничивает поле с северной и восточной сторон, образована первичной дамбой
из моренных грунтов и намывной отметки 230,00 м, является по факту упорной
призмой поля. Максимальная высота дамбы - 62,5 м (таблица 3.2).
Таблица 3.2 - Характеристика ограждающей дамбы
Характеристика
Отметка гребня, м
Ширина гребня, м
Отметка уровня воды, м
Общее заложение низового откоса
Минимальное превышение отметки пляжа у верхового
откоса дамб обвалования над уровнем воды, м
Величина
62,5
10,0
60,5
1:4
3,5/1,5
Хвостохранилище намывное по способу возведения ограждающей дамбы,
балочного типа - по месту расположения на рельефе. Наращивание дамбы
производилось поярусным возведением дамб обвалования из хвостов высотой 3-4
м. Намыв хвостов в упорную призму в летний период осуществляется
рассредоточенным способом от дамбы № 4. В зимний период пульпа
сбрасывается сосредоточенно от дамбы № 1.
На начало 2012 г во второе поле заскладировано около 154,80 млн. м3
хвостов, в прудке-отстойнике объем воды составлял 14,4 млн. м3, площадь
зеркала воды - 2,831 млн. м2 (около 1/3 от общей площади хвостохранилища).
Применяемый
способ
рассредоточенного
сброса
пульпы
позволяет
получить достаточно крутой откос пляжной зоны. При таком намыве превышение
гребня намытого пляжа у верхового откоса дамбы над уровнем воды в отстойном
пруду на протяжении всего периода эксплуатации составляло не менее 4 м,
максимум - 6,2 м.
Расстояние от верхового откоса дамбы до уреза воды находится в пределах
100-150 м. Иногда наблюдается некоторое уменьшение длины пляжа, не
146
влияющее на устойчивое состояние дамбы. При такой ситуации происходит
увеличение
фильтрационного
расхода
из
хвостохранилища.
Средняя
интенсивность намыва упорной призмы - 1,0 м/год. Уровень воды в отстойном
пруду поднимался в среднем также ~ на 1 м в год.
За счет использования в зимний период сосредоточенного сброса пульпы от
дамбы № 1 с продвижением точки сброса пульпы вглубь хвостохранилища для
получения равномерной поверхности с отметкой 55 м, произошло увеличение
длины пляжа от дамбы № 1 до 2200 м и сокращение площади отстойного прудка,
акватория которого смещена на юго-западный участок хвостохранилища. В то же
время использование этой схемы заполнения хвостохранилища позволило
уложить больший объем хвостов по сравнению с проектными данными.
Сократилось расстояние от уреза воды с пляжной зоной вдоль дамбы №4 до
водоприемного
колодца.
Дальнейшее
сокращение
этого
расстояния
при
наращивании дамбы выше 55 м может стать неблагоприятным фактором для
осветления воды.
Учитывая сложившуюся на хвостохранилище ситуацию, предлагается новая
схема складирования хвостов выше отметки 55 м, которая заложена в проектную
документацию
по
расширению
второго
поля
хвостохранилища
ОАО «Ковдорский ГОК».
Летнее складирование хвостов (намыв упорной призмы дамбы № 4)
производится в течение 5 месяцев, с июня по октябрь включительно. Место
начала летнего намыва определяется графиком работ, составляемым в начале
года, и уточняется в зависимости от обстановки на хвостохранилище, а также на
основании контрольного шурфования пляжа на предмет наличия или отсутствия
льда в толще хвостов.
Намыв хвостов производится из пульповыпусков диаметром 200 мм,
врезанных
в
нижнюю
часть
распределительного
пульповода.
Длина
пульповыпусков - 6-8 м. Равномерность намыва хвостов вдоль дамбы
регулируется расходом пульпы, подаваемой на пляж. Расход пульпы регулируется
шланговыми
затворами,
установленными
на
выпусках,
и
количеством
147
работающих выпусков. Ширина участка по фронту намыва - 320-350 м. В работе
находятся одновременно 12-16 выпусков при работе комплекса по переработке
руды и 10-14 выпусков - при переработке хвостов. Оставшаяся в пульповоде часть
пульпы сбрасывается через торцевые выпуски длиной 60 м и 125 м за пределы
ширины упорной призмы. Эта технология используется до строительства первого
яруса экспериментальной карты и в период, когда происходит наращивание
следующего яруса. При этом отметка хвостов у верхового откоса дамбы № 4 не
должна превышать 54,5 м.
В зимний период пульпа сбрасывается сосредоточенно из торцевых
выпусков в районе дамбы № 1 для выравнивания намытой поверхности хвостов
под экспериментальной картой, а после организации экспериментальной карты - в
нее.
При складировании хвостов выше отметки 55 м предусматривается перейти
к картовой схеме заполнения, что потребует изменения технологии как в
строительстве дамб, так и в системе гидротранспорта. По результатам
предварительной
проработки
ОАО «Ковдорский ГОК»
принял
вариант
заполнения хвостохранилища выше отметки 55 м по картовой схеме (рисунок 3.1)
Рисунок 3.1 - Вид второго поля хвостохранилища при 4-х картовой схеме
заполнения: 1-3 - карты для складирования хвостов, 4 - карта под отстойный пруд
Особенность этой технологии заключается в следующем:
- существующее второе поле разбивается на 4 части: 3 карты - под
складирование хвостов, 1 карта - под отстойный пруд;
148
- одновременно могут находиться в эксплуатации только две карты - одна
для складирования хвостов, другая - отстойного пруда;
- каждая из карт, за исключением карты с отстойным прудом, заполняется
на предельную проектную отметку (предварительно - 83 м);
- организация нового водозабора из сформированного в процессе
покартового заполнения отстойного пруда в западной части хвостохранилища,
предполагается через 15 лет после начала эксплуатации по предлагаемой
технологии, а до этого отметки уровня воды в отстойном пруду будут
соответствовать значениям, установленным в условиях эксплуатации при отметке
гребня дамбы 55 м;
-
постепенно по мере заполнения карт строится южная дамба, которая
замкнет хвостохранилище по контуру.
По проекту расширения хвостохранилища предусмотрено:
- наращивание дамбы №1 (с переменной отметкой гребня 80-83 м);
- наращивание дамбы № 4 (с отметкой гребня 83 м);
- строительство южной дамбы (с отметкой гребня 77 м);
-
строительство разделительных дамб (с переменной отметкой гребня
77-83 м).
Для отладки этой технологии в производственных условиях решено
организовать в контуре 1-й проектной карты (рисунок 3.1) экспериментальную
карту, на которой за 2012-2015 годы будут отработаны все элементы новой схемы
эксплуатации хвостохранилища выше отметки 55 м.
Экспериментальная карта имеет следующие параметры:
- площадь - 2,45 млн. м3;
- отметка заполнения - 63,5 м;
- полезный объем - 28,4 млн. м3.
Этот объем включает около 7 млн. м3 свободного объема хвостохранилища,
определенного по топосъемке 2011 г., то есть тот объем хвостов, который можно
уложить при выравнивании намытой поверхности от дамбы № 1 до отметки 55 м
по схеме действующей схемы складирования хвостов в зимний период. К
149
сооружениям экспериментальной карты отнесены пять дамб, образующих
емкость этой карты.
Камень для отсыпки временных дорог должен иметь фракцию 200-300 мм.
По возможности, более крупные фракции камня необходимо укладывать с
внутренней стороны карты для защиты дороги - дамбы от размыва.
Экспериментальная карта создается и заполняется поэтапно.
Летнее складирование хвостов производится в течение 5 месяцев, с июня по
октябрь
включительно.
В
летний
период
сброс
пульпы
производится
одновременно из трех распределительных пульповодов (рисунок 3.2), комбинация
включения которых зависит от уклона намытой поверхности.
Распределительные пульповоды укладываются на скользящие опоры
(деревянные шпалы), устанавливаемые через 20 м. Расстояния между выпусками
пульповодов №№ 4, 1, 2, 5 - 45 м. Все распределительные пульповоды
укладываются на строящейся дороге на отметке 54 мм.
150
Рисунок 3.2 - Схема намыва в летний период: 1 - распределительный пульповод
№ 1; 2 - распределительный пульповод № 2; 3.1 - распределительный пульповод
№ 3 (работают два насоса ГРТ4000/71); 3.2 - распределительный пульповод № 3
(работает пара насосов Варман 20/18); 4 - распределительный пульповод № 4; 5 распределительный пульповод № 5; 6 - прудок; 7 - переливная насыпь прорана; 8 место врезки распределительных пульповодов в магистральные пульповоды № 1
и № 2; 9 - место врезки распределительных пульповодов в магистральные
пульповоды №№3-5; 10 - существующий распределительный пульповод по
дамбе № 4
Существующий распределительный пульповод вдоль ограждающей дамбы
№
4
остается
хвостохранилища
без
до
изменений,
конечных
используется
проектных
для
заполнения
отметок.
Для
II
поля
сброса
в
151
экспериментальной карте в существующем распределительном пульповоде
устанавливается
фланцевая
задвижка
ДУ1200
(с
ручным
управлением).
Пульповод также может использоваться в зимний и летний период для сброса
пульпы в экспериментальную карту.
Зимний период складирования хвостов продолжается с ноября по май
включительно при среднесуточных температурах воздуха ниже -5 °С и
производится из трех распределительных пульповодов диаметром 920 и 1020 мм.
Пульповоды укладываются на дороге вдоль дамбы (рисунок 3.3). В зимний
период задействованы три распределительных пульповода (№ 1, № 2, № 5) из
которых производится сброс пульпы торцевым способом. Расстояния между
торцевыми выпусками - 115 м. Для сброса пульпы в зимний период торцевые
выпуски удлиняются вглубь карты.
Рисунок 3.3 - Схема расположения распределительных пульповодов в зимний
период: 1 - распределительный пульповод № 1, 2 - распределительный пульповод
№ 2, 3 - распределительный пульповод № 5
152
3.2 ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ХВОСТОХРАНИЛИЩА
В настоящий момент хвостохранилище представляет собой поле, которое
условно можно разделить на несколько площадок и различными параметрами
пылевыделения (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 - Структура хвостохранилища: 1 – экспериметальная карта, 2 – зона
намыва 2-го поля, 3 – пруд отстойник, 4 – пляжная зона 2-го поля, 5 – дамба
хвостохранилища
На рисунке 3.5 можно видеть, что в настоящий момент площадь намыва и
пляжная
зона
поля
перекрывается
насыпью,
ограничивающей
первую
экспериментальную карту. До проведения картирования основные объемы
пылевыделения приходились на пляжную зону 4, в меньшей степени на площадь
намыва 2. В связи с реорганизацией объекта прогнозируется и перераспределение
зон пыления внутри поля.
153
Рисунок 3.5 - Структура хвостохранилища после сооружения первой
экспериментальной карты: 1 – дамба хвостохранилища, 2 – пляжная зона карты, 3
– зона намыва карты, 4 – пруд-отстойник карты, 5 – дамба карты, 6 – зона стока
пруда-отстойника карты и ручьев, 7 – пляжная зона незадействованного поля, 8 –
пруд-отстойник, 9 – ручьи
В настоящее время начата отсыпка первой экспериментальной карты.
Снимок хвостохранилища по состоянию на август 2014 года представлен на
рисунке 3.6.
154
Рисунок 3.6 - Хвостохранилище ОАО «Ковдорский ГОК». Отсыпка первой
экспериментальной карты поля (июль, 2014 г.)
С целью выделения зон различной интенсивности пыления вся площадь
хвостохранилища может быть разбита на отдельные зоны. Площадь зон
пылевыделения (таблица 3.3) определяется местами расположения выпусков,
режимом их использования, наличием впадающих в чашу массива водотоков.
Следует отметить, что зонирование площади актуально только при отсутствии
атмосферных осадков и постоянного снежного покрова.
Таблица 3.3 - Параметры площадей пыления хвостохранилища
Наименование показателя
Значения при текущем
состоянии карты
Значения после начала эксплуатации первой
карты
Для первой карты
Для остальных
участков поля
Общая площадь, м2
7000000
2300000*
5000000
Площадь пляжей, м2
950000
450000
1800000
Ширина пляжей, м
50-200
50-200
100-900
Площадь обводнения, м2
1700000
75000
1700000
Площадь зоны намыва, м2
4350000
375000
1500000
*границы первой карты выходят за пределы границ поля, таким образом за счет картирования увеличивается и
общая площадь хвостохранилища
155
При выпадении атмосферных осадков при положительной температуре
воздуха происходит увлажнение верхнего поверхности пылящего компонента, ее
впитывание и накопление, при этом глубина увлажнения зависит от объема
выпавшей влаги, и значением скорости испарения осадков во время их выпадения
для рассматриваемого региона можно пренебречь в связи с относительно
невысокой величиной удельной энергетической освещенности и температурой
воздуха в пасмурные дни (согласно климатической характеристике района,
представленной в главе 1).
Даже в случае прохождения осадков минимальной интенсивности, когда
подверженная увлажнению каплями поверхность имеет сухие участки, пыление
не фиксируется. Обусловлено это тем, что перенос некоторого количества пыли,
выделившегося с этих участков, компенсируется естественным пылеподавлением
(повышенной влажностью воздуха).
Стоит отметить, что при отсутствии осадков интенсивность пылевыделения
будет зависеть от объема ранее выпавших осадков и времени, прошедшем с
момента их прекращения.
Режим намыва, используемый на предприятии в зимний период времени,
характерен тем, что используется только один выпуск, переключение между
выпусками не производится, следовательно, и зона намыва сокращается.
В периоды с отрицательной температурой воздуха, ранее увлажненная
осадками поверхность затвердевает за счет замерзания воды. В случае выпадения
снега и образования снегостава покрывается большая часть площади массива.
Непокрытыми снегом остается только зона намыва в связи с тем, что в этой зоне
происходит постоянное движение намываемой пульпы, которая смывает и
смешивается с выпадающим на поверхность снегом.
Зона намыва характерная также тем, что движение пульпы происходит
неравномерно на поверхности, скорость движения на разных участках может
меняться в зависимости от относительного перепада высот намыва на том или
ином участке. Направление и «русла» потоков пульпы также изменяются в
пределах зоны намыва. Таким образом, зачастую в зимний период в связи с
156
частым выпадением снега открытыми остаются только «русла» намыва,
пылевыделение с которых не происходит в связи с высокой влажностью хвостов в
них.
Намытая пульпа не достигает критической влажности 10%, характерной для
начала пылевыделения, и под воздействие отрицательной температуры, также,
затвердевает.
Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что пылевыделение в
поверхности хвостохранилища в зимний период времени не происходит,
следовательно, и применения мероприятий по борьбе с пылью в этот период не
требуется.
Далее все параметры пылевыделения и пылепереноса с хвостохранилища
будут рассматриваться только для условий отсутствия осадков и снегостава, и
положительной температуре атмосферного воздуха.
Согласно данным по продолжительности постоянного снежного покрова и
суммарному
количеству дней с осадками, представленным в главе 1, можно
говорить о том, что среднее количество дней в году, когда возможно
пылевыделение и пылеперенос, составит 45.
3.3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ НА НАМЫВНЫХ
ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВАХ
Использование способов изолирования пылящей поверхности, таких как
посев трав и нанесение полимерных покрытий, носит трудоемкий и затратный
характер. Высаживание растений на поверхности массива, как правило,
сопровождается
длительным
процессом
подготовки
поверхности
для
высаживания. В отдельных случаях подбирается вид, рост и развитие которого
возможно на массиве без предварительной подготовки. В климатических условия
места расположения предприятия использование этого способа невозможно в
связи с тем, что необходимая всхожесть может быть достигнута только по
прошествии сезона.
Нанесение полимерных покрытий может производиться путем обработки
поверхности расплавленным компонентом, впоследствии чего происходить его
157
затвердевание, или же путем покрытия поверхности листовым материалом.
Использование полимеров позволяет снизить пылевыделение на 98% [97].
При последующем намыве нанесенный в расплавленном состоянии полимер
не может быть использовано повторно в связи с тем, что при его удалении
возникают разрывы, может происходить слипание с поверхностью и покрытие
неоднородно по толщине. Листовой полимер может быть использован повторно,
но его многократное использование может привести, также, к образованию
многочисленных нарушений целостности.
Общим
недостатком
для
вышеперечисленных
способов
является
возможность их применения только на заключительной стадии эксплуатации
хвостохранилища и невозможность их использования в системе оперативного
реагирования при опасности резкого ухудшения пылевой обстановки.
В условиях, когда намыв или отгрузка складируемого материала
происходит с такой интенсивностью, что применение способов изолирования
поверхности становится нерациональными, как правило, используются способы
временного закрепления поверхности. Одним из них является обработка
поверхности массива битумной эмульсией.
Этот способ осуществляется путем нанесения слоя битума толщиной
0,5-1 мм на сухую поверхность. Одним из недостатков способа является то, что
для нанесения используется специальная установка, представляющая собой
тележку и закрепленной на ней протяженной рамы. Рама установлена на тележке
перпендикулярно движению установки. На раме закреплены устройства
разбрызгивания битума.
Высота расположения устройств разбрызгивания
относительно обрабатываемой поверхности составляет от 5 до 100 см в
зависимости от типа используемых устройств. Установка протаскивается по
поверхности высохшего участка массива гусеничным (реже колесным) трактором.
Можно говорить о том, что ширина рамы определяет ширину обрабатываемой
полосы. Наращивание рамы в ширину может производиться в пределах,
определенных условиями эксплуатации установки. Поверхность массива может
иметь неровности, может быть неоднородной по плотности, прочности верхнего
158
слоя после высыхания, влажности невысохших участков. Все приводит к тому,
что движение установки будет происходить с кренами, в результате чего
расстояния между распылителя и поверхностью будет постоянно меняться, а,
следовательно, меняться будет и качество обработки. В случае использования
длинных рам на установках обработки битумной эмульсией крены могут
приводить к тому, что некоторые участки рамы будут соприкасаться с
поверхностью в местах неровностей и препятствовать
дальнейшему ее
продвижению. Как правило, ширина рамы установки составляет не более 6
метров, в масштабах рассматриваемого массива при такой ширине обработки об
оперативном нанесении покрытия данный способ мы не может считать
оперативным.
Использование тракторной техники и тележки самой установки для
обработки в случае осуществлении этого способа представляется невозможным в
зонах намыва хвостохранилища. Движение не представляется возможным по
поверхности, не достигшей достаточной прочности после намыва. При
подсыхании верхнего слоя намыва, требуется его обработка, но нижние слои
намыва, толщина которых в отдельных случаях достигает 300-400 мм, остаются
влажными.
С учетом вышеизложенных недостатков можно отметить, что в ряде
случаев этот способ может быть неосуществим в связи с особенностями самого
объекта и схем намыва применяемых на нем.
В
условиях
постоянно
обновляемой
поверхности
пыления
более
рациональным способом предотвращения пылевыделения является орошение.
Орошение
поверхности
производится
установками
высокого
давления
брандспойтного (реактивного) типа. Струя воды направляется вверх под углом к
поверхности, подвергается частичному распылению в воздухе за счет срыва
струек, находятся в зоне соприкосновения с окружающим воздухом. Степень
распыления струи в воздухе зависит, главным образом, от типа используемого
выходного сопла брандспойта и скорости струи относительно окружающего
воздуха [98]. Распыление струи в воздухе происходит не полностью и
159
нераспыленная часть струи подается на поверхность. Характер распыления воды
при помощи установок орошения можно видеть на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 - Работа систем орошения на угольных складах
Сечение струи выпадающей на поверхность отличается от сечения на
выходе из сопла, за счет этого достигается увеличение площади обработки. Таким
образом, обработка поверхности происходит за счет струек сорванных в процессе
движения струи и за счет остатков жидкости попадающих на массив. За счет
действия ветра реализуется эффект дополнительного естественно распыления
подаваемой воды, что увеличивает площадь обработки. При отсутствии ветровой
нагрузки при использовании таких установок радиус обработки может достигать
100 метров. Для увеличения радиуса обработки установки орошения часто
располагают на вышке. Стоит отметить, что работа установок орошения
сопровождается значительными расходами воды, достигающими 30 л/c. При
использовании подобных установок на небольших хвостохранилищах может
наблюдаться значительное увеличение площади прудов отстойников. Кроме того
возникает необходимость модернизации существующих водозаборов, а в
условиях невысокого водопритока в используемых водоемах может наблюдаться
понижение уровня воды.
Площадь сечения факела установок орошения составляет от 2 до 10 м 2,
поэтому в случае обработки площадных источников пылевыделения обработка
160
должна производиться по определенной схеме. В условия порывистого ветра с
изменяющимся
направлением
с
учетом
небольшой
площади
обработки
использование специальных алгоритмов управления становится неэффективным.
В
рассматриваемых
условиях
наиболее
эффективным
способом
пылеподавления на хвостохранилище будет являться применение аэрозольных
пушек (таблица 3.4).
Таблица 3.4 - Сравнительная характеристика способов борьбы с пылью,
используемых на намывных техногенных массивах
Способ
пылеподавления
Посев трав
Максимальное
удаление зоны
обработки от
места установки
оборудования для
осуществления
мероприятия, м
40
Удельный
расход
используемого
вещества, л/м2
Возможность
использования
для
пылеулавливани
я в воздухе
7-20
(смесь воды,
мульчирующего
вещества и
семян)
нет
Полимерные покрытия
(нанесение
покрытия не
может
производиться
дистанционно)
0,1-1
(в случае
использования
жидкого
компонента для
формирования
покрытия)
нет
Обработка битумной
эмульсией
0,05-1
1,5-1,75
нет
Недостатки
Необходимость
длительной и
затратной
подготовки
поверхности под
высадку, низкая
всхожесть и
длительный рост
в условиях севера,
невозможность
оперативного
осуществления,
Невозможность
оперативного
осуществления,
необходимость
постоянного
обновления или
перестилания
покрытия в
условиях
регулярного
намыва
Необходимость
постоянного
обновления
покрытия в
условиях
регулярного
намыва
161
Продолжение таблицы 3.4
Полив
100
30-200
Аэрозольные пушки
130
1-5
нет
(возможно
возникновение
эффекта
пылеулавливания
в воздухе при
достижении
эффекта
распыления струи
под действием
ветра.)
да
Необходимость
наличия крупного
источника воды в
связи с высоким
расходом воды
Необходимость
применения
систем очистки
воды (в случае
использования
гидравлических
форсунок)
3.4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ПУШЕК НА ПЛОЩАДНЫХ
ИСТОЧНИКАХ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ
Аэрозольная пушка (рисунок 3.8) представляет собой цилиндрический
корпус, внутри которого установлен вентилятор осевого типа. В аэрозольных
пушках,
как
обеспечения
правило,
местного
производственных
используются
вентиляторы,
проветривания
шахт
помещений
в
и
предназначенные
рудников
совокупности
с
или
для
крупных
вентиляционным
трубопроводом. В виду конструкции вентилятора скорость течения воздуха в нем
не равномерна по сечению. С целью решения этой проблемы на выходе пушки
обычно устанавливается диффузор в виде усеченного конуса, который
обеспечивает частичное смещение потоков воздуха от стенок корпуса к центру.
Для
повышения
давления
выходного
потока
и
увеличения
дальности
распространения струи используются двухступенчатые вентиляторы или же два
вентилятора, подключенные последовательно.
162
Рисунок 3.8 - Аэрозольная пушка: 1 – форсунки пылеподавления, 2, 12 – рама
крепления форсунок, 3 – диффузор, 4 – корпус, 5 – электродвигатель первой
ступени вентилятора, 6 – корпус привода первой ступени, 7 – рабочее колесо
первой ступени, 8 – рабочее колесо второй ступени, 9 – корпус привода второй
ступени, 10 – электродвигатель второй ступени, 11 – входной диффузор, 13 –
подвод воды, 14 – подвод сжатого воздуха
На выходе из корпуса установлена рама, обычно выполненная с условием
минимизации ее сечения по отношению к направлению движения нагнетаемого
воздуха. На раме устанавливается сеть форсунок распыления жидкости.
Количество форсунок подбирается в зависимости от необходимой насыщенности
получаемого водного аэрозоля.
Дальность распыления в отсутствии ветровой нагрузки получаемого
аэрозоля зависит от производительности и скорости выхода воздуха из
вентилятора. Стоит отметить, что для некоторых установок такого типа дальность
распыления составляет 130-180 метров.
Распределение аэрозоля, как и в случае применения оросителей, происходит
за счет сопротивления воздуха, возникающего на границе раздела между
потоками воздуха, поступающими от вентилятора, и воздухом атмосферы. В
случае использования оросителей двумя взаимодействующими средами являются
жидкая (подаваемая струя воды) и газообразная (воздух), а этом случае обе
163
взаимодействующие среды можно считать газообразными (аэрозоль нагнетаемый
вентилятором и окружающий атмосферный воздуха), поэтому замедление и
осаждение потока в данном случае выражено сильнее (рисунок 3.9)
Рисунок 3.9 - Работа аэрозольной пушки
Расход вод при использовании этих устройств значительно ниже по
сравнению с аэрозольными пушками за счет высокой эффективности распыления.
Выпадение капель из нагнетаемого потока под действием силы тяжести не
наблюдается в виду их малого размера, что дает возможность производить
распыление на значительные расстояния. При распространении аэрозоля
параллельно поверхности возможен «стелющий» эффект (рисунок 3.10), когда
осаждение капель происходит только за счет их замедления у поверхности, капли
находящиеся над поверхностью продолжают движение не осаждаясь, в то время,
как на установках орошения этот эффект невозможен из-за действия на струю сил
тяжести. Таким образом, может производиться обеспыливание не только
отдельных участков массива, но и целой полосы.
164
Рисунок 3.10 - Распространение водного аэрозоля по поверхности
Использование аэрозольных пушек сопряжено с влиянием ветровой
нагрузки на распространение факела. Совпадения направления скорости ветра
(или его проекции) с направлением распыления способствует
увеличению
расстояния распространения аэрозоля и использование «стелющего» эффекта
будет наиболее эффективным.
Если
проекции
противоположны
по
векторов
скорости
направлению,
ветра
и
распространение
скорости
аэрозоля
распыления
в
воздухе
блокируется ветром, в этом случае зачастую капли воды не достигают
поверхности, а сдуваются по направлению ветра. Но в данном случае борьба с
пылью может производиться не только за счет эффекта «антипылевыделения», но
и за счет захвата и осаждения пыли в воздухе. Пушка используется как
туманообразователь, распыленная над массивом вода в виде тумана за счет сил
адгезии взаимодействует с частицами пыли в воздухе, что приводит к их
осаждению. Использование этого эффекта практикуется на разрезах Рурского
месторождения в Германии (рисунок 3.11).
165
Рисунок 3.11 - Использование аэрозольных пушек-туманообразователей на
разрезе Рурского месторождения, Германия, 2011 г
Запыленный воздух, поступающий с массива, попадает в поток водного
аэрозоля и сдувает его в противоположном распылению направлении, в это же
время происходит смешение аэрозоля с загрязненным воздухом (рисунок 3.12), и
впоследствии происходит выпадение коагулированных пылинок.
Рисунок 3.12 - Характер распространения аэрозольного факела под воздействием
ветра, противоположного по направлению (пунктирные стрелки – направление
движения запыленного воздуха, сплошные стрелки – направление движения
водного аэрозоля)
166
На представленной системе на Рурском месторождении реализована схема,
при
которой
по
границе
нарушенной
территории
разреза
проведена
водопроводная и электрическая сети, к которым подключены аэрозольные пушки,
установленные с периодичностью 50 метров. В системе реализован только способ
пылеподавления за счет увлажнения воздуха. В алгоритме работы реализована
жесткая привязка к направлению и скорости ветра. При направлении ветра
перпендикулярном границе массива (с отклонением ± 4 румба) и скорости свыше
8 м/с, включаются в работу сразу все пушки пылеподавления. В снижения
эксплуатационных затрат режим включения выбран исходя из максимальной
вероятности возникновения превышения ПДК по неорганической пыли в воздухе
близлежащего населенного пункта. Тем не менее, использование существующих
систем мониторинга и прогнозирования не позволяет обеспечивать адекватную
оценку концентрации пыли в воздухе селитебной территории. Связано это с тем,
что при реализации решения не рассматривается ряд других климатических
факторов. Также, на этих месторождениях не принимается во внимание
вероятность деградации почвенно-растительного покрова в районе расположения
предприятия.
Существенным недостатком применяемых в настоящее время пушектуманообразователей
является
то,
что
в
их
конструкции
применяются
гидравлические форсунки высокого давления, особенности которых описаны в
главе 2.
При
реализации
пылеподавления
на
хвостохранилище
ОАО «Ковдорский ГОК» в пушках пылеподавления предлагается применить
пневмогидравлические форсунки конструкции Горного университета. Это
позволит снизить давление воды в системе подачи с 30 атм. до 3 атм., исключить
систему очистки воды. При этом необходимо обеспечение питания системы
сжатым воздухом.
В настоящий момент использование аэрозольных пушек пылеподавления
ограничено стоимостью приобретения, установки и обслуживания оборудования.
Практически возможно производство и установка аэрозольных пушек любой
167
конфигурацию в широком диапазоне выбора насыщенности подаваемого аэрозоля
и дальности его распыления.
3.5 ПЕРЕДВИЖНОЙ КОМПЛЕКС АЭРОЗОЛЬНОГО ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
Стоит отметить, что известны примеры установки аэрозольных пушек на
колесное шасси в виде прицепа, или на кузов грузового автомобиля для
возможности ее перемещения к тем участкам, где требуется обеспыливание в
текущий момент времени. Одним из примеров реализации такого решения
является установка российской компании Амур-МТК DS60 (рисунок 3.14) [99].
Рисунок 3.14 - Установка пылеподавления DS60 (Россия)
Недостатками использования системы такого типа являются:
1. необходимость дополнительного использования автоцитерны в качестве
источника воды или использования близлежащего водоема.
2. время подготовки системы к работе составляет не менее 15 минут (не
считая время транспортирования), что делает невозможным использование
установки для оперативного реагирования.
3. необходимость задействования персонала для работы на установке:
оператора установки и водителя автоцистерны.
С целью снижения затрат на обслуживание и эксплуатацию в условиях
хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК» предложен вариант улучшения
системы аэрозольного пылеподавления.
168
Согласно данным о состоянии массива, представленным в разделе 1,
участками с наибольшей интенсивностью пыления являются пляжные зоны
хвостохранилища, ширина пляжей меняется в диапазоне от 50 до 200 метров,
намыв
осуществляется
попеременно
посредством
16
пульповыпусков,
расположенных вдоль дамбы хвостохранилища.
В связи с этим предложено произвести оптимизацию работы аэрозольных
пушек путем их установки на рельсовую платформу. Рельсовый путь будет
проходить вдоль кромки пляжа и его общая длина составит 4,6 км (рисунок 3.15).
Как описано ранее, дамба хвостохранилища наращивается в среднем на 1 метр в
год. В связи с введением в эксплуатацию нового устройства пылеподавления
дамбу хвостохранилища в месте прохождения рельсового пути, предлагается
нарастить единовременно на 4 метра, что позволит сократить время перекладки
рельс до четырех лет.
Рисунок 3.15 - Схема расположения рельсового пути на дамбе хвостохранилища с
зонированием пути согласно расположению участков намыва каждым
пульповыпуском
В
условиях
рассматриваемого
объекта
предлагается
использовать
стандартную колею рельсового пути 1520 мм, предприятие имеет внутреннюю
сеть железных дорог, также, работает бригада обслуживания рельсовых дорог,
состоящая
из
4-х
человек.
Использование
узкоколейного
пути
на
169
рассматриваемом объекте невозможно в связи с отсутствием дорог такого типа в
регионе.
Предложенный комплекс пылеподавления (рисунок 3.16) состоит из двух
железнодорожных платформ: платформа с водяной цистерной и платформа с
аэрозольной пушкой и системами питания и управления. Обе платформы
рекомендуется выполнить на двуосных шасси старого образца с целью снижения
их массы, уменьшения сопротивления движению. Использование «старых»
платформ снижает требования к калибровке межрельсового расстояния, что
является актуальным в условиях периодической прокладки нового пути. В
качестве первой платформы может быть использована железнодорожная цистерна
старого образца. На платформе располагается аэрозольная пушка пылеподавления
с устройством наведения; компрессорная станция; водяной насос, устройство
электрического привода на одну ось платформы; блок системы управления,
приема и обработки информации; дизель-электрическая силовая установка для
питания комплекса.
Рисунок 3.16 - Схема передвижного комплекса пылеподавления:
1 – цистерна, 2 – устройство электрического привода, 3 – дизель-электрическая
силовая установка, 4 – насосная станция, 5 – компрессорная станция, 6 – блок
управления, приема и обработки информации, 7 – аэрозольная пушка, 8 –
устройство наведения
Максимальная скорость движения комплекса составляет 10 м/с, при такой
скорости комплекс может быть заблаговременно зрительно замечен работниками,
находящимися в зоне его работы. Дополнительно комплекс может быть оснащен
170
системой звуковой сигнализации, включающейся перед началом движения, и
светодинамическим оповещателем.
Координация перемещения комплекса ведется посредством использования
системы интервального движения составов бесконтактного действия. Контроль
местоположения
осуществляется
посредством
регистрации
приемником,
расположенным на раме корпуса, неэлектрических датчиков, расположенных
вдоль пути в точках разграничения зон воздействия согласно рисунку 3.15. Связь
между комплексом и диспетчерским пунктом осуществляется посредством
GSM/GPRS-канала, который представлен в районе расположения объекта тремя
операторами связи.
Таким
образом,
реализация
этого
комплекса
на
хвостохранилище
предприятия позволит сократить количество используемых аэрозольных пушек,
автоматизировать процесс, оперативно производить обеспыливание участков
пляжной зоны в соответствии с данными о пылевыделении. Основой работы этого
комплекса являются алгоритмы работы, подбираемые исходя их прогнозных
данных о пылении.
Вследствие того, что высота хвостохранилища относительно высотной
отметки места расположения города составляет 55 метров, а расстояние до
селитебной территории города составляет 2,8 км, использование стационарных
постов мониторинга для выявления объемов пылевыделения и пылепереноса
является нецелесообразным. Связано это с тем, что пыление поверхности массива
может уже происходить некоторое время, прежде чем переносимая пыль
достигнет поста. Кроме того, приземное расположение постов позволяет
регистрировать
только
осевшую
пыль.
Посты
мониторинга
на
дамбе
хвостохранилища позволят фиксировать переносимую пыль, но использование
данных о пылении поступающих только от постов не позволит эффективно
производить превентивное пылеподавления, поэтому посты в управлении
пылевой обстановкой могут использоваться лишь как дополнительный элемент
системы. Для оперативного проведения мероприятий по пылеподавлению
необходимо производить прогноз пылевыделения.
171
Для прогноза пылевыделения и выработке алгоритма работы используются
данные систем мониторинга производственного процесса:
- действующие пульповыпуски;
- время, прошедшее с момента отключения каждого пульповыпуска;
- время прошедшее с момента последней обработки участка.
и метеопараметры:
- температура воздуха;
- влажность воздуха;
- скорость ветра;
- направление ветра;
- количество выпавших осадков;
- время, прошедшее с момента выпадения осадков;
- температура поверхности.
С учетом исходных данных формируются данные по управлению системой:
1. количество включенных форсунок;
2. направление пушки;
3. точки начала обработки и завершения обработки;
4. скорость продвижения комплекса во время обработки.
Схема взаимодействия между производственными и метеопараметрами и
эксплуатационными параметрами комплекса пылеподавления представлены на
рисунке 3.17. Каждая ячейка схемы содержит наименование параметра.
Стрелками обозначена взаимосвязь между параметрами. В отдельных ячейках
указано, чем определяется значение параметра, обозначены критические значения
параметров, знаком «-» обозначены условия, при которых работа системы не
осуществляется, знаком «+» - условия, при которых система работа системы
возможна.
Установленные
критические
значения
хвостового хозяйства ОАО «Ковдорский ГОК».
выбраны
для
условий
Температура воздуха (определяется на
метеостанции)
менее 0 0С «-», более 0 0С «+»
Объем атмосферных осадков
(определяется на метеостанции)
выпадают «-», не выпадают «+»
Время, прошедшее с момента
прекращения осадков (определяется на
метеостанции)
Объем вода, поступающая с пульпой
(определяется объемом намыва)
намывается «-», не намывается «+»
Объем воды, поступающей в процессе
пылеподавления (определяется
эксплуатационными характеристиками
устройств пылеподавления)
Время, прошедшее с момента
выключения пылеподавления
(определяется режимом пылеподавления)
Скорость ветра
(фиксируется на
метеостанции)
менее 2 м/c «-», более
2 м/с «+»
Масса привнесенной
воды на поверхность
массива (принимается
по тому объему,
которые был
привнесен
последним)
Время, прошедшее
после последней
обработки
(принимается
соответственно тому
увлажнению, которое
осуществлено позже)
Объем пылевыделения
(определяется по рис.
1.20):
менее 5 мг/(с·м2) «-»
более 5 мг/(с·м2) «+»
Влажность
поверхности
массива
(рассчитывается по
формуле 3.2)
менее 10% «+»
более 10% «-»
1я зона пылевыделения
Направление ветра
(определяется на
метеостанции):
ЮВ-ЮЗ – режим
увлажнения воздуха
ЗЮЗ-ВЮЗ режим
увлажнения массива
Расстояние пылепереноса
(принимается в
завивимости от зоны
пылевыделения)
Количество используемых форсунок в
пушке
в режиме увлажнения массива - 200 шт.
в режиме увлажнения воздуха – 20-200 шт.
2я зона пылевыделения
16я зона пылевыделения
Влажность воздуха
(определяется на
метеостанции)
более 95% - «-»
менее 95% - «+»
Точки начала работы и завершения работы
(принимается в завивимости от зоны
пылевыделения)
Скорость перемещения комплекса
во время работы
1-10 м/с
Дисперсный состав
пыли
(остается неизменным,
рис. 1.19, табл. 1.22)
Объем пылепереноса
(определяется по рис.
1.18)
Направление аэрозольной
пушки вертикальной
плоскости
при
35-60 град. – в режиме
увлажнения воздуха
5 град. – в режиме
увлажнения массива)
Направление аэрозольной
пушки в горизонтальной
плоскости
в режиме увлажнения
воздуха –
противоположно
направлению ветра,
в режиме увлажнения
массива – по направлению
ветра
Рисунок 3.17 - Схема взаимосвязи факторов, определяющих условия работы системы
172
Время, прошедшее с момента
выключения выпуска (определяется
режимом намыва)
Скорость высыхания
поверхности
(определяется по
рисунку 3.18 с
поправкой на
скорость ветра по
рисунку 3.20)
173
Работа
комплекса
пылеподавления
по
предложенной
схеме
будет
осуществляться в режиме реального времени с непрерывным контролем основных
производственным и метеорологических параметров и выбором оптимальных
эксплуатационных характеристик на диспетчерском посту. Для работы по
предложенной
схеме
необходимо
установление
зависимостей
между
ее
элементами.
Одним из ключевых параметров, определяющих условия работы комплекса
является объем пылепереноса в сторону города, который определяется объемом
пылевыделения с поверхности массива, направлением ветра, влажностью воздуха
и скоростью ветра. При этом расстояние до селитебной территории и дисперсный
состав пыли в рассматриваемом случае остаются неизменными. Особенность
процесса пылепереноса состоит в том, что пыль определенной фракции (согласно
данным
таблицы
1.12,
глава
1)
будет
взметываться
с
поверхности
хвостохранилища, но ее перемещение при этом будет осуществляться на
ограниченной расстояние (согласно рисунку 1.18, глава 1), после чего пыль будет
осаждаться на поверхности. Повышенная влажность воздуха является фактором
естественного пылеподавления. Установлено, что образование тумана становится
возможным при влажности воздуха более 95%, в условиях туманности
пылеперенос в воздух селитебной территории не наблюдается.
Важным фактором, определяющим необходимость включения системы
является направление ветра. Для рассматриваемого объекта опасные направления
ветра заданы диапазоном по румбам юговосток-югозапад. При этих направлениях
установка будет работать в режиме увлажнения воздуха. В условиях безветрия
или других направлениях ветра, при вероятности изменения направления ветра,
установка может быть включена в режим распространения аэрозоля по
поверхности.
Объем пылевыделения с поверхности хвостохранилищ зависит от скорости
ветра и влажности воздуха и может быть определен по номограмме на
рисунке 1.20 (глава 1).
174
Влажность поверхности массива может быть определена исходя из объема
воды, поступившей в поверхностный пылящий слой, времени, прошедшей после
увлажнения и скорости испарения воды с поверхности.
Объем воды в слое массива может быть определен по формуле 3.1:
mводы  10      S  h ,
(3.1)
где φ – влажность массива, %, ρ – плотность хвостов, кг/м3, S - площадь
испарения, м2, h – толщина просушиваемого слоя, мм.
Намытая пульпа имеет влажность φ=45%, это значение может быть принято
за начальное в случае оценки влажности после намыва. Исходя из дисперсного
состава пыли хвостов в хвостохранилище ОАО «Ковдорский ГОК» (рисунок 1.19,
глава 1) можно сделать вывод о том, что «пылящим» можно считать слой
поверхности
толщиной
h=0,5 мм.
Исходя
из
плотности
хвостов
в
хвостохранилище ρ=3500 кг/м3 можно найти массу воды на 1 м2 поверхности:
mводы = 0,39 кг.
Объем выпавшей во время осадков воды может превосходить объем воды
поглощаемой за счет влагоемкости хвостов, причем толщина рыхлого слоя
складируемых жидких отходов и для рассматриваемого объекта равна 35 см. Не
поглощенный излишек воды, скапливающейся на поверхности и стекающий в
пруд-отстойник, для рассматриваемой ширины и уклона пляжной зоны этот
процесс занимает 25 минут, после чего влажность пульпы можно принимать
равной 45%.
Удельный объем привнесенной во время обеспыливания воды может быть
посчитан, как отношение общего объема израсходованной воды к площади
обработанной поверхности.
Скорость испарения воды с поверхности без учета ветровой нагрузки и
величины солнечной радиации может быть определена по графику на
рисунке 3.18.
175
Рисунок 3.18 - График зависимости скорости испарения воды от температуры
воздуха при отсутствии ветровой нагрузки при различных значениях влажности
воздуха
Безусловно, найденная по графику на рисунке 3.19, скорость испарения с
поверхности требует поправки на скорость ветра и величину солнечной радиации.
Величина солнечной радиации будет выражаться повышением температуры
поверхности за счет воздействия на ее прямых солнечных лучей, что будет
приводить к ускорению испарения. Например, нагревание от 20 до 40
0
С
увеличивает скорость испарения воды в 3 раза, от 20 до 60 0С — в 9 раз.
Увеличения температуры поверхности в зависимости от величины
солнечной радиации может быть установлено по графику на рисунке 3.19.
176
Рисунок 3.19 - Зависимость суточного изменения температуры поверхности
и температуры воздуха от изменения величины солнечной радиации
Увеличение скорости испарения под воздействием ветровой нагрузки
может быть представлено зависимостью на рисунке 3.20. [47]
Рисунок 3.20 - Зависимость величины испарения от влажности воздуха и скорости
ветра (при среднесуточной температуре воздуха около 10°С) [100]
Для предотвращения пылевыделения с поверхности важным условием
является сохранение влажности поверхности массива более 10%. Прогнозные
данные по скорости и направлению ветра представляют собой лишь усредненные
значения, для скорости ветра могут быть спрогнозированы критические
максимальные значения, но для эффективного использование системы необходим
177
прогноз критических значений заблаговременно с высокой временной точностью,
что не является возможным. Эти
факты подтверждают необходимость
использования влажности массива, как основного фактора, определяющего
вероятность опасного пылевыделения.
Влажность массива в определенный момент времени может быть
определена по формуле (3.2):
t   
mводы  1000  S W  t
,
10    S  h
(3.2)
где φ – начальная влажность массива, %, ρ – плотность хвостов, кг/м3, S площадь испарения, м2, h – толщина просушиваемого слоя, мм, W – скорость
испарения воды с площади 1 м2 в верхнем слоя массива, г/(ч·м2), mводы - масса
привнесенной воды, кг, t – время, прошедшее с момента завершения осадков, ч.
При положительной температуре воздуха и отсутствии стабильного
снежного покрова намыв осуществляется попеременно из 16 выпусков.
Одновременно выпуск производится из 2 выпусков, в этот момент остальные 14
выпусков не работают, следовательно, происходит высыхание поверхности зон
намыва этих выпусков. Согласно предложенным зависимостям в режиме
реального времени может прогнозироваться влажность поверхности каждой из
этих зон и при достижении значения влажности менее 10% создается вероятность
пылевыделения. Но пылевыделение невозможно при отсутствии ветра.
В условиях безветрия или направления ветра противоположных опасным
предложенная установка может работать в режиме распространения водного
аэрозоля вдоль поверхности, что позволит производить увлажнение. Расчетные
эксплуатационные параметры установки с максимальным расходом воды 10 л/с,
шириной обрабатываемого пляжа 150 м и шириной зоны обработки 7 м в режиме
увлажнения поверхности массива представлены в таблице 3.5.
178
Таблица
3.5
-
Расчетные
параметры
работы
комплекса
аэрозольного
пылеподавления в режиме распространения водного аэрозоля вдоль поверхности
при различных значениях влажности пылящего слоя (жирным выделены значения
параметров, на которые приходится основное время работы)
Начальная
влажность
хвостов, %
Количество
привнесенной
воды на 1 м2
поверхности для
поддержания
влажности
пылящего слоя
10%, л
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,081
0,072
0,063
0,054
0,045
0,036
0,027
0,018
0,009
Общее
количество
необходимой
для
привнесения
воды для
площади зоны
обработки 1000
м2, л
81
72
63
54
45
36
27
18
9
Время обработки
зоны площадью
1000 м2 (средняя
ширина зоны
обработки 7 м, длина
– 150 м), с
Скорость
движения
комплекса для
обеспечения
достаточной
обработки, м/c
8,1
7,2
6,3
5,4
4,5
3,6
2,7
1,8
0,9
0,9
1,0
1,1
1,3
1,6
1,9
2,6
3,9
7,8
Работа комплекса в условиях опасных направлений ветра осуществляется в
условиях, когда влажность «пылящих» зон пляжа составляет более 10% за счет,
либо предшествующего естественного увлажнения поверхности осадками, либо
заблаговременно
произведенной
обработки.
Необходимость
проведение
обработки в этот момент обусловлена тем, что скорость испарения воды с
поверхности увеличивается под действием ветра, из-за чего интенсивность
пылевыделения будет расти. Использование комплекса в режиме увлажнения
воздуха сопровождается значительно меньшим расходом воды, но в силу
постоянного сдувания пыли с поверхности увлажнение не может быть
произведено единожды, а должно производиться постоянно. Для уменьшения
расхода воды в комплексе предложено реализовать систему отключения ряда
форсунок. В случае использования постоянного числа форсунок воздух будет
пересыщаться влагой и это пресыщение не может быть компенсировано
скоростью
движения
комплекса
в
виду
ее
ограничения.
Согласно
экспериментальным данным, приведенным в главе 2, удельный расход воды на
пылеподавление составит 4 мл/(г·с) (10 мл воды на 2,5 г пыли за 1 секунду).
179
Расчетные эксплуатационные параметры работы комплекса в режиме увлажнение
воздуха представлены в таблице 3.6.
Таблица
3.6
-
Расчетные
параметры
работы
комплекса
аэрозольного
пылеподавления в режиме увлажнения воздуха при различных значениях
влажности пылящего слоя (жирным выделена область рабочих значения
параметры в области оптимальных значений)
Скорость
ветра
(согласно
графику
на
рисунке
1.20), м/c
Угол
направления
пушки
относительно
поверхности,
град.
Расход воды
в
аэрозольной
пушке, л/c
В числителе - расчетное время обработки
запыленного воздуха, с
В знаменателе - расчетная скорость обработки
запыленного воздуха, м/с
при различных значениях влажности поверхности
(обработка воздуха, поступившего с участка
площадью 1000 м2)
<1%
3,4 и
менее
-
60
0,05
140
0,5
14
5
1,4
0,6
11,67
6
1,17
60
0,12
3,6
1,94
36
0,19
360
0,02
7
1
70
0,1
700
0,01
1
0,1
10
6,5
52
1
0,1
10
7,7
44
1
0,1
10
8,8 и
более
35
1
0,1
Таким
образом,
3%
4%
5%
>6%
обработка не осуществляется
10
5,1
2%
работа
0,012
583
0,12
58
1,2
5,83
0,14
50
1,4
5
14
0,5
1
7
10
0,7
100
0,07
1,8
3,89
18
0,39
180
0,04
0,009
777
0,09
77
0,9
7,78
0,04
175
0,4
17,5
4
1,75
0,3
23,33
3
2,33
30
0,23
0,6
11,67
6
1,17
60
0,12
обработка не осуществляется
0,02
350
0,2
35
2
3,5
0,14
50
1,4
5
14
0,5
0,28
25
2,8
2,5
28
0,25
передвижного
0,008
875
0,08
87,5
0,8
8,75
0,034
205,88
0,34
20,59
3,4
2,06
0,076
92,11
0,76
9,21
7,6
0,92
комплекса
обработка не
осуществляется
0,016
437,5
0,16
43,75
1,6
4,38
0,036
194
0,36
19,44
3,6
1,94
аэрозольного
пылеподавления может производиться в двух режимах: режиме предварительного
увлажнения
(предупреждения
пылевыделения)
и
режиме
обеспыливания
поступающего с массива загрязненного воздуха. Предложенные зависимости
между элементами схемы и предложенные режимы работы обоснованы
180
теоретически, носят рекомендательный характер и требуют экспериментального
подтверждения в случае реализации комплекса.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
1. Расширение и картирование поля хвостохранилища приведет к
увеличению высотной отметки источника пылевыделения с 55 м до 83 м
относительно уровня района расположения территории города; сокращение
количества
действующих
пульповыпусков
приведет
к
снижению
технологического увлажнения 75% площади пляжных зон, увеличению площади
участков пляжей, примыкающих к дамбе первой экспериментальной карты, что
приведет к ухудшению пылевой обстановки в воздухе селитебной территории.
2. Наиболее рациональной технологией пылеподавления в пляжных зонах
хвостохранилищ в условиях переключения пульповыпусков и постоянного
обновления поверхностного слоя массива являются аэрозольные пушкитуманообразователи.
3.
Предложен
пылеподавления,
туманообразователь,
улучшенный
который
системы
передвижной
включает
в
себя
комплекс
аэрозольного
аэрозольную
пушку-
управления и питания, расположенные на
рельсовой платформе, перемещение и управление которым осуществляется в
соответствии с предложенной схемой определения текущего пылевыделения.
181
ГЛАВА 4 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫХ
МЕРОПРИЯТИЙ
4.1 УКРУПНЕННАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДОТВРАЩЕННОГО УЩЕРБА
При укрупненной оценке прогнозируемой величины предотвращенного
ущерба для территории, подвергающейся техногенному воздействию, в целом в
качестве оцениваемой группы источников рассмотрены два основных источника
пылевыделения на предприятии: объектов циклично-поточной технологии и
хвостохранилище.
Расчет проведен с использованием методики В.И. Данилова-Данильяна
Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба,
Москва, 1999 [101].
Для определения величины предотвращенного ущерба предлагается
использовать усредненные расчетные значения экономического ущерба на
единицу приведенной массы атмосферных загрязнений (удельные ущербы) для
основных экономических районов РФ (формула 4.1)
а
а
У прr
 У удr
 (М 1а  М 2а )  К эа  J д ,
(4.1)
где
а
У удr
- величина экономической оценки удельного ущерба от выбросов
загрязняющих веществ в атмосферный воздух (показатель удельного ущерба) для
рассматриваемого экономического района РФ, руб/усл.т.
M 1a , M 2a
-
приведенная
масса
выбросов
загрязняющих
веществ,
соответственно на начало и конец расчетного периода в рассматриваемом
регионе, усл. т.
К эa - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости
состояния атмосферного воздуха территорий экономических районов России.
J д - индекс дефлятор по отраслям промышленности, устанавливаемый
Минэкономики
России
на
рассматриваемый
территориальных природоохранных органов.
период
и
доводимый
до
182
Приведенная масса для конкретного объекта загрязняющих веществ
рассчитывается по формуле 4.2
N
М ка   miа  К эiа ,
(4.2)
i 1
где
miа - масса выброса в атмосферный воздух i-го загрязняющего вещества или
группы
веществ
с
одинаковым
коэффициентом
относительной
эколого-
экономической опасности, т/год.
К эiа - коэффициент относительной эколого-экономической опасности i-го
загрязняющего вещества или группы веществ.
i - индекс загрязняющего вещества или группы загрязняющих веществ.
N - количество учитываемых групп загрязняющих веществ.
Работа систем пылеподавления на объектах циклично-поточной технологии
и хвостохранилище, обеспечивает стабильное пылеподавления с эффективностью
95%. Пылеподавление объектов конвейерного транспортирования производится
круглогодично. Пыление хвостохранинилища наблюдается только в отсутствии
постоянного
снежного
покрова,
когда
намыв
осуществляется
тремя
совмещенными пульповыпусками, поэтому система работает 6 месяцев в году.
Результаты расчета приведенной массы выбросов пыли представлены в
таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Результаты расчета приведенной массы выбросов загрязняющих
веществ, соответственно на начало и конец расчетного периода
K ЭiВ
Рассматриваемый
объект
Объекты
цикличнопоточной
технологии
Хвостохранилище
Пыль
неорганическая
с содержанием
SiO2 менее 20%
2,7
N
1
М 2а ,
m1а , т/год
m2а , т/год
М 1а , усл.т/год
367,5 т/год
18,4 т/год
992,3 усл.т/год
49,7 усл.т/год
205,7 т/год
10,3 т/год
555,39 усл.т/год
27,8 усл.т/год
усл.т/год
Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба
представлены в таблице 4.2.
183
Таблица 4.2 - Результаты расчета предотвращенного ущерба от воздействия на
атмосферный воздух
Рассматриваемый
объект
Объекты цикличнопоточной
технологии
а
У удr
К эа
Северный
экономический
регион
Северный
экономический регион
35,6 руб/усл.т
1,4
а
У прr
Jд
107,2
5036
тыс. руб/год
2818
тыс. руб/год
7854
тыс. руб/год
Хвостохранилище
Сумма
Оценка величины предотвращенного в результате природоохранной
деятельности ущерба от деградации почв и земель производится по следующей
формуле 4.3
п
У прд
 Нс  S  Кэ  Кп ,
(4.3)
где
п
У прд
-
величина
предотвращенного
в
результате
природоохранной
деятельности ущерба от деградации почв и земель на рассматриваемой
территории за отчетный период времени, тыс. руб/год;
Нс - нормативная стоимость земель, тыс. руб/га;
S - площадь почв и земель, сохраненная от деградации за отчетный период
времени в результате проведенных природоохранных мероприятий, га;
Кэ - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости
территории;
Кп - коэффициент для особо охраняемых территорий.
Оценка предотвращенного ущерба от деградации почв и земель учитывает
площадь территорий дачных поселков и садоводств, расположенных в пределах
зоны воздействия объектов.
184
Таблица 4.3 - Результаты расчета предотвращенного ущерба от деградации почв и
земель
Рассматриваемый
объект
Объекты цикличнопоточной
технологии
Хвостохранилище
Нс
S
Кэ
Кп
п
У прд
127
тыс.руб./га
91 га
1,4
1
16170
тыс.руб./год
Повышенный уровень заболеваемости и смертности населения загрязненного
города приводит, помимо социального, к значительному экономическому ущербу,
складывающемуся из:
- расходов на лечение, включая амбулаторное и стационарное;
- снижения дохода в бюджет из-за повышенного уровня смертности
населения в дотрудоспособном и трудоспособном возрастах.
Сумма составляющих экономического ущерба в целом оценивалась по
формуле 4.4
У = Уз + Усм ,
(4.4)
где
Уз
-
экономический
ущерб,
связанный
с
повышенным
уровнем
заболеваемости, руб.;
Усм - экономический ущерб, связанный с повышенным уровнем смертности,
руб.
При определении экономического ущерба учитывался временный или
стойкий характер нарушений здоровья, в связи с чем он рассчитывался на весь
ожидаемый период проявления неблагоприятного эффекта, а для необратимых
изменений - на всю ожидаемую продолжительность жизни.
Экономический ущерб, причиняемый группам граждан в связи с каждым
видом заболевания (Уз), представляет собой сумму расходов и потерь по
следующим статьям:
- расходы на все виды лечения, в том числе амбулаторное и стационарное;
185
- расходы на оплату листков нетрудоспособности из средств социального
страхования
заболевшим
или
лицам, отвлеченным от производственной
деятельности по уходу за больными членами семьи;
- расходы на пенсионное обеспечение в случаях назначения пенсии по
болезни;
- потеря доли налоговых поступлений в территориальные бюджеты и
отчислений
во
внебюджетные
фонды
из-за
временной
или
стойкой
нетрудоспособности работающих.
Из данного перечня статей расходы на лечение оценивались для двух
возрастных
групп
населения,
поскольку
три
других
статьи
ущерба
рассчитываются в основном на работающее население. Ниже представлены
результаты оценки финансовых потерь только по расходам на лечение.
Дополнительные расходы на лечение (Ул), связанные с более высоким
уровнем
заболеваемости
для
всех
групп
граждан,
рассчитывались
по
формуле 4.5 [102]
Ул = (Зп · Чп + Зс · Дс) · (П1 – П2) · Ч / 1000,
(4.5)
где
Зи
-
средняя
стоимость
посещения
амбулаторно-поликлинического
отделения, руб.;
Зс - средняя стоимость одного дня лечения и содержания в стационаре, руб.;
П1 и П2 – среднегодовые стандартизованные показатели заболеваемости
исследуемой и контрольной групп граждан, соответственно в случаях на 1000
человек;
Чп - число посещений амбулаторно-поликлинического отделения;
Дс - число дней лечения в стационаре;
Ч - численность оцениваемой группы населения.
Результаты расчета дополнительных расходов на лечение представлены в
таблице 4.9.
186
Таблица 4.9 – Результаты расчета предотвращенного ущерба на лечение
Для детей
Для взрослого
населения
Сумма
Наиболее
Зи
Зс
125 руб.
900 руб.
П1
П2
Чп
Дс
Ч
Ул
62
11
3,76
14
2000
1333 тыс.руб
70
21
3,72
21
15000
14233 тыс.руб
15566 тыс.руб
неблагоприятным
последствием
вредного
влияния
промышленности на здоровье населения, естественно, является повышенный
уровень смертности. Расчет потерь вследствие преждевременной смерти в
дотрудовом и трудовом периоде жизни (Усм) производился по следующим
формулам 4.6 - для случаев детской смертности и 4.7 - для случаев смертности
взрослого населения [102]
[40 · (H + V b / B ) ] (С1 – С2) · Ч / 1000,
(4.6)
{40 H – [ (H + V ) a – 40V a/B]} (С1 – С2) · Ч / 1000,
(4.7)
где
Н – часть дохода, создаваемого в среднем одним работником, которая
поступает в виде налога в территориальный бюджет (руб/год);
V – доля необходимого продукта, приходящегося в среднем на одного члена
общества в год, в руб.;
b – средний возраст умерших (лет);
а – среднее число проработанных лет умершими членами общества;
В – средняя продолжительность предстоящей жизни населения;
С1 и С2 – показатели смертности граждан в соответствующих возрастных
группах в исследуемом (загрязненном) и контрольном районах (в случаях на
1000 человек);
40 – средняя продолжительность трудоспособного периода.
187
Таблица 4.9 – Результаты расчета предотвращенного ущерба от преждевременной
смерти
Н
V
4,5
1800
тыс.руб
руб/год
Для детей
Для взрослого
населения
b
а
В
С1
С2
Ч
Усм
10
-
60
6
5
2000
62
37
8
18
13
15000
384
тыс.руб
20992
тыс.руб
21376
тыс.руб
Сумма
Общие потери от заболеваемости и смертности населения составят
36942 тыс. руб.
4.2 ОЦЕНКА КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА ПРЕДЛОЖЕННЫЕ
МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ИХ ВНЕДРЕНИИ
Расчет капитальных затрат на предложенную систему автоматизированного
пылеподавления на объектах циклично-поточной технологии включает в себя
затраты на приобретение компрессорной станции, магистралей подвода воды и
сжатого воздуха, электромагнитных клапанов, пневмогидравлических форсунок,
блока управления, модуля связи с пунктом диспетчеризации предприятия, блоков
бесперебойного питания, пылемера, линейных активных извещателей, пылемера и
метеометра.
Также,
рассчитаны
затраты
на
изготовление
бункеров
пылеподавления и монтаж системы на пунктах пересыпа, приемных бункерах
дробилок и в точке разгрузки конвейера во временный склад. Расчет суммы
капитальных затрат на изготовление и установку комплекса приведен в
таблице 4.7.
Таблица
4.7
–
автоматизированного
Капитальные
затраты
пылеподавления
на
на
оборудование
объектах
циклично-поточной
технологии
Наименование
Пневмогидравлические форсунки
Компрессор 2000 л/мин (например,
Comprag AirStation A-15)
Магистрали подвода жидкости и
сжатого воздуха
Бункер пылеподавления
Количество
Сумма, тыс.руб
48
48
1
300
400
3
системы
45
188
Продолжение таблицы 4.7
Электромагнитные клапана
14
28
Блок управления
1
150
Рамы крепления форсунок
7
14
GSM-модуль связи
Бок бесперебойного питания БРП 12-528 а/ч
Пылемер DustTrak 8520
1
10
4
10
1
150
Метеометр МЭС-200
1
15
Линейные активные извещатели
4
10
Монтаж системы
100
Сумма
1280
Движение предложенного комплекса аэрозольного пылеподавления на
хвостохранилище осуществляется по рельсовому пути общей длиной 4,6 км. В
качестве подсыпки предлагается использовать породу, используемую при
строительстве автодорог на предприятии. Путь не предусматривает оснащение
упорными
устройствами.
Результаты
расчета
капитальных
вложений
на
материалы для укладки рельсового пути представлены в таблице 4.4.
В перспективе последующего увеличения высоты хвостохранилища и
изменения границ полей намыва (что вызовет необходимость перекладки пути)
затраты на рельсовый материал будут исключены в связи с тем, что проектная
скорость и частота перемещения комплекса по пути не вызовет сверхнормативной
степени износа и рельсовое полотно может быть использовано повторно [103].
Таблица 4.4 – Результаты расчета капитальных вложений на материалы для
укладки рельсового пути
Наименование
Р 65, старогодные,
12,5м, 2 группа
износа
Шпала деревянная
старогодная
Подкладка Д-65
б\у
Костыль 165
старогодный
Масса, т
Масса,
т
Цена
одного
элемента
руб/т
Сумма,
тыс.руб.
на 4,6 км
пути
на 1км
пути
на 4,6
км пути
с НДС
за 4,6 км
пути
160
736
129,28
594,688
11000
6541
1800
8280
144
662,4
200
132
3680
16928
28,189
129,6694
10000
1297
22080
101568
8,346
38,3916
15000
576
Количество
деталей
Количество
деталей
на 1км пути
189
Продолжение таблицы 4.4
Накладка 1Р-65
б/у
Упоры
Болт+гайка+шайба
М 27х160, для
накладки 1Р-65 и
рельс длиной 25 м
(гайка ГОСТ
11532-93)
Подсыпка
Сумма
320
1472
16316
43,424
15000
651
-
-
-
-
-
-
480
2208
0,544
2,5024
50000
125
-
-
-
-
-
9323
При реализации комплекса частично или полностью может быть
использован имеющийся на предприятии невостребованный рельсовый материал,
что приведет к снижению общей стоимости необходимого материала.
Работы по строительству рельсового пути включают в себя: сооружение
насыпи, сборку рельсового полотна и его укладку (таблица 4.5).
Таблица 4.5 – Результаты расчета затрат на строительство рельсового пути с
учетом типа используемых материалов
Наименование работ
Сооружение насыпи
Сборка рельсового полотна
Укладка рельсового полотна
Сумма
Стоимость работ,
тыс.руб.
на 1 км пути
200
650
400
Стоимость работ,
тыс.руб.
на 4,6 км пути
920
2990
1840
5750
Работы по сооружению насыпи не учитываются в расчете общей суммы, так
как насыпью выступает возводимая на дамбе автодорога, которая формируется
путем отсыпки и разравнивания используемой пустой породы. Весовые нагрузки
и крупность кусков используемой породы позволяют использовать при
строительстве рельсового пути комплекса.
Оборудование используемой в комплексе включает в себя: 2-осную
железнодорожную цистерну на 25 тонн воды, дизель-мотовоз, используемый в
качестве локомотива и дизель-генератора для питания оборудования, воздушный
компрессор, вентилятор, используемый в аэрозольной пушке, устройство
наведения
пушки,
форсунки
пылеподавления,
насосная
станция,
электромагнитные клапана, блок управления и модуль связи. Также, учтена
стоимость монтажа всех элементов на комплексе Результаты расчета капитальных
190
затрат
на
оборудование
комплекса
аэрозольного
пылеподавления
на
хвостохранилище представлены в таблице 4.6.
Таблица 4.6 – Результаты расчета капитальных затрат на оборудование комплекса
Количество единиц
оборудования
Сумма, тыс.руб.
1
300
1
1500
1
300
1
100
500
100
Устройство наведения
Магистрали подвода жидкости
и сжатого воздуха
Насосная станция
1
15
1
20
Электромагнитные клапана
6
12
GSM-модуль связи
1
10
Блок управления
1
150
Наименование оборудования
2-осная цистерна старого
образца (25 т) б/у
Дизель-мотовоз МПТ4 с
генераторов 380в б/у
Компрессор 2000 л/мин
(например, Comprag AirStation
A-15)
Вентилятор ВМЭ-10
Форсунки пылеподавления
15
Монтаж системы
50
Сумма
2972
4.3 ОЦЕНКА ГОДОВЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАТРАТ ПРИ РАБОТЕ
УСТРОЙСТВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
В ходе работы оценивались годовые затраты на эксплуатацию системы
автоматизированного
пылеподавления
на
объектах
конвейерного
транспортирования, которые включают в себя плановую замену форсунок,
текущий ремонт и замену расходных материалов компрессора, энергопотребление
компрессора (таблица 4.8).
Таблица
4.8
–
Годовые
эксплуатационные
затраты
автоматизированного пылеподавления на конвейере
Наименование
Текущий ремонт
компрессора
Электропотребление
компрессора*:
Единица
измерения
кВт·ч
Количество
единиц
Стоимость
работ,
тыс.руб.
1
20
21600
43*
для
системы
191
Продолжение таблицы 4.8
Замена форсунок
10
10
пылеподавления
Сумма
73
* соответственно стоимости электроэнергии для промышленных предприятий в Мурманской области по
состоянию на 2015 год.
Эксплуатация
комплекса
аэрозольного
пылеподавления
на
хвостохранилище включает в себя подвоз воды и дизельного топлива, текущий
ремонт и замену расходных материалов компрессора, плановую замену форсунок.
Проверка работы системы и устранение мелких неисправностей основных
элементов в расчете не учитываются, так как могут производиться бригадой
обслуживания пульпопроводов, совершающие плановые выезды на верхнюю
отметку дамбы хвостохранилища четыре раза в сутки.
Годовые затраты на эксплуатацию передвижного комплекса аэрозольного
пылеподавления представлены в таблице 4.8.
Таблица 4.8 – Годовые эксплуатационные затраты для передвижного комплекса
пылеподавления на хвостохранилище.
Единица
измерения
Наименование
Текущий ремонт
компрессора
Дизельное топливо
Замена форсунок
пылеподавления
Подвоз дизельного
топлива
Подвоз воды
Сумма
л
Количество
Цена,
тыс.руб.
1
20
2800
98
10
10
4
8
25
50
186
ВЫВОД К ГЛАВЕ 4
Эколого-экономическими
расчетами
определен
суммарный
годовой
предотвращенный ущерб от воздействия на атмосферный воздух при внедрении
предложенных мероприятий на объектах циклично-поточной технологии и
хвостохранилище - 7854 тыс. руб. Величина годового предотвращенного ущерба
от деградации почв и земель составила 16170 тыс. руб. Величина годового
предотвращенного ущерба от потери здоровья и смертности населения составит
36942 тыс. руб. Рассчитаны
капитальные затраты
на внедрение системы
192
автоматизированного пылеподавления на объектах транспортирования, которые
составят 1280 тыс. руб., и годовые эксплуатационные затраты – 81 тыс. руб.
Рассчитаны капитальные затраты при внедрении комплекса аэрозольного
пылеподавления на хвостохранилище, которые составят при использовании
невостребованного рельсового материала предприятия 8722 тыс. руб, при его
приобретении – 18045 тыс. руб, годовые затраты на эксплуатацию комплекса
составят – 186 тыс. руб.
193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную
работу, в которой предлагается решение актуальной научно-производственной
проблемы: снижение аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха от объектов
конвейерного транспортирования и пляжных зон намывных техногенных
массивов.
1. На основе многолетних натурных наблюдений за состоянием природной
среды в зоне воздействия Ковдорского ГОКа установлены закономерности
формирования техногенных атмохимических ореолов пылевого загрязнения в
зонах воздействия объектов циклично-поточной технологии (приемных бункеров
дробилок, пунктов перегрузки и пересыпа породы, участков конвейера) и
хвостохранилища предприятия со средней шириной пляжной зоны 150 м и
длиной
4600 м,
определяющиеся
экспоненциальным
распределением
концентраций неорганической пыли с содержанием SiO2 менее 20%.
2. По
предложена
условиям
эксплуатации
конструкция
форсунки
объектов
конвейерного
пневмогидравлического
транспорта
распыления,
использование которой позволит снизить удельный расход жидкости за счет
повышения степени ее диспергирования и исключить образование наледи на
ленте в условиях отрицательных температур воздуха за счет снегообразования
при пылеподавлении.
3. Обосновано применение системы автоматизированного пылеподавления
с использованием пневмогидравлических форсунок, позволяющей производить
включение/отключения и регулировку параметров форсунок с учетом текущих
метеопараметров, запыленности воздуха, загруженности ленты и режимов работы
конвейера.
4. Разработан передвижной комплекс пылеподавления пляжных зон
хвостохранилища с использованием аэрозольных пушек-туманообразователей,
установленных на рельсовом ходу, работа которого должна производиться в
194
режиме увлажнения поверхности массива или режиме увлажнения запыленного
воздуха.
5. Предложена
блок-схема
взаимосвязи
производственных
и
метеопараметров с параметрами работы комплекса пылеподавления пляжных зон
хвостохранилища,
в
основу
которой
заложен
расчет
пылевыделения
и
пылепереноса в реальном времени, в соответствии с которыми формулируется
последовательность принятия решений по снижению негативного воздействия на
атмосферный воздух.
6. Проведено экономическое обоснование предложенных мероприятий по
пылеподавлению, величина предотвращенного эколого-экономического ущерба
от загрязнения компонентов природной среды составила 24 млн. руб., величина
предотвращенного эколого-экономического ущерба здоровью населения 36 млн. руб., капитальные затраты на реализацию природоохранного мероприятия
составят 10 млн. руб. при сумме годовых эксплуатационных затрат 267 тыс. руб.
6. Эколого-экономическими расчетами определен эффект применения
предложенной системы автоматизированного пылеподавления на объектах
конвейерного
транспорта
и
передвижного
комплекса
аэрозольного
пылеподавления на хвостохранилище на основе определения суммарной
величины снижения предотвращенных ущербов от воздействия на компоненты
природной среды, составляющей более 60 млн.руб.
195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рогалев В.А. Нормализация атмосферы горнорудных предприятий. - М.:
Недра, 1993. – 240 с.
2. Скопин А.Н. Связывание пыли экологически безопасными составами
веществ на открытых пылящих поверхностях угледобывающих предприятий:
Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. / Российская
академия наук, институт проблем комплексного освоения недр. - М., 1993. – 40 с.
3. Бересневич П.В., Михайлов В.А., Филатов С.С. Аэрология карьеров:
Справочник. - М.: Недра, 1990. – 280 с.
4. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.:
Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.
5. Битколов Н.З., Иванов И.И., Лиханов К.С. Пылеподавление на разрезах
при отрицательных температурах воздуха // Уголь. - М., 1982, № 4. - с. 29-30.
6. Комаров В.Б. Взрывы угольной пыли в шахтах и борьба с ними.
Учебное пособие. – Л.: ЛГИ, 1966. – 96 с.
7. Михейкин С.В., Смирнов А.Ю., Алексеев А.Н., Пронина Л.В. и др.
Интерполиэлектролитные
комплексы
для
закрепления
поверхности
и
предотвращения пылепереноса, ветровой и водной эрозии хвостохранилищ,
золоотвалов
и
других
дисперсных
систем
//
Горный
информационно-
аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2004, № 3. – с. 278-282.
8. Никитин В.С. Обеспыливание атмосферы карьеров. - Ташкент: Фан,
1974. - 160 с.
9. Никитин В.С., Чесноков М.М. Борьба с пылью и газами на открытых
горных разработках. - М.: Госгортехиздат, 1961. – 108 с.
10. Авторское свидетельство СССР № 1132124, МПК F25С3/04, 30.12.1984.
11. Авторское свидетельство СССР № 1174693 СССР, МПК F25С3/04,
23.08.1985.
12. Осодоев М.Т. Борьба с пылью на угольных разрезах Якутии. – Якутск:
ЯФ СО АН СССР, 1987. – 113 с.
13. Пашкевич М.А.
Техногенные
массивы
и
их
воздействие
на
196
окружающую среду. - СПб.: СПГГИ, 2000. – 230 с.
14. Ушаков К.З.,
Бургаков А.С.,
Пучков Л.А.
Аэрология
горных
предприятий. - М.: Недра, 1987. – 421 с.
15. Чулаков П.Ч.
Охрана
окружающей
среды
при
эксплуатации
месторождений. - Алма-Ата: КАЗПТИ, 1986. – 117 с.
16. Чулаков П.Ч. Теория и практика обеспыливания атмосферы карьеров. М.: Недра, 1973. – 159 с.
17. Шувалов Ю.В., Асад Мохаммад, Бульбашев А.П. Предотвращение
пылегазовых выбросов и снижение запыленности атмосферы в карьерах /
Экология и развитие Северо-запада России. Научные доклады четвертой
международной конференции.- СПб.: МАНЭБ, 1999. - с. 78-85.
18. Бульбашев А.П., Шувалов Ю.В. Рациональные технологии освоения
месторождений строительных материалов. - СПб.: МАНЭБ, 2000. - 234 с.
19. Дикарев В.И., Рогалев В.А., Денисов Г.А., Доронин А.П. Методы и
средства защиты человека и окружающей среды. - СПб.: МАНЭБ, 1999. – 186 с.
20. Косинова И.И., Крутских Н.В. Классификация источников техногенного
воздействия на природную среду в пределах Новолипецкого экогеорайона //
Геология ХХI века. – Саратов, 2000. - с. 47-48.
21. Охрана окружающей среды при проектировании и эксплуатации
рудников / Под ред. В.И. Мосинца - М.: Недра, 1981. - 309 с.
22. Томаков П.И., Коваленко В.С., Михайлов А.М. и др. Экология и охрана
природы при открытых горных работах. - М.: МГГУ, 1994. - 418 с.
23. Иванов А.В. Воздействие пыли на организм работника и рациональный
метод пылеподавления. Сборник по итогам третьей международной научнопрактической конференции «Управление отходами – основа восстановления
экологического равновесия в Кузбассе» - Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – с. 184189.
24. Гальперин А.М., Ферстер В., Шеф Х.Ю. Техногенные массивы и охрана
окружающей среды: Учебник для вузов. Издание 2-е. - М.: МГГУ, 2001. - 534 с.
25. Татасов В.И., Лапшин В.М. Исследования пылезащитных покровов в
197
шламохранилищах. – М., 1993. - 64 с.
26. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства - М.:
Недра, 1990. - 235 с.
27. Воробьев А.Е.
Человек
и
биосфера.
Основные
взаимодействия,
эволюции и самоорганизации / Под ред. Л.А. Пучкова. - М.: МГГУ, 2000. - 216 с.
28. Малышев Ю.Н.,
Айруни А.Т.,
Куликова Е.Ю.
Физико-химические
процессы при добыче полезных ископаемых и их влияние на состояние
окружающей среды. - М.: Академия горных наук, 2002. - 270 с.
29. Маныкин А.Н., Булыга И.Ф. Прогрессивные методы орошения в
сельском хозяйстве. - М.: Россельхозиздат, 1985. – 160 с.
30. Пылев Л.Н., Стадникова Н.М., Клейменова Е.В. Интермиттирующее
действие асбестовой пыли и плевральный канцерогенез у крыс // Медицина труда
и промышленная экология. - М., 1993, № 1. - с. 15-17.
31. Измеров Н.Ф. Медицина труда в третьем тысячелетии // Медицина
труда и промышленная экология. - М., 1998, № 6. - с. 4-9.
32. Гендлер С.Г., Домпальм Е.И., Киселев В.А., Кузнецов В.С. Принципы
оценки аэротехногенного воздействия предприятий на окружающую среду с
учетом случайных факторов (на примере открытых горных работ) // Безопасность
жизнедеятельности - СПб., 2004, № 6. - с. 28-32.
33. Горлов В.Д., Горлов Ю.В. Оценка социально-экологических издержек
от запыленных сельхозугодий, прилегающих к отвальному массиву // Горный
журнал. - М., 1999, №7. - с. 99-101.
34. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием
ЭВМ / Перевод с англ. И.С. Енюкова, И.Д. Новикова под ред. Г.П. Башарина. - М.:
Мир, 1982. - 488 с.
35. Бабец А.М., Терентьев М.В., Черкащенко Н.А. Горные работы и
экологические
проблемы
в
регионе
КМА
//
Горный
информационно-
аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2000, № 9. - с. 118-122.
36. Защита окружающей среды от техногенных воздействий. Учебное
пособие / Под ред. Г.В. Невской. - М., 1993. - 216 с.
198
37. Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспылевания
горных предприятий. Справочник. - М.: Недра, 1991. - 253 с.
38. Лебедев Г.П., Филиппов В.Л. Методические подходы к комплексной
оценке ущерба здоровью, наступившего под влиянием неблагоприятных факторов
среды обитания // Медицина труда и промышленная экология. - М., 1993, № 7-8. с. 9-14.
39. Балдаев Н.С.
Лабораторный
практикум
по
общей
химической
технологии для студентов специальности 070100 «Биотехнология» - Улан-Уде:
ВСГТУ, 2001. - 54 с.
40. Лисин В.С., Юсфин Ю.С. Ресурсо-экологические проблемы ХХI в. и
металлургия. - М: Высшая школа, 1998. - 447 с.
41. Горелов В.Д. Расчет величины запыления земель, прилегающих к
отвальному массиву // Горный журнал. - М., 1990, № 7. - с. 52-54.
42. Коваленко А.И. и др. Прогнозная оценка воздействия пылевого фактора
на окружающую среду // Горный журнал. - М., 1990, № 5. - с. 58-60.
43. Зосин А.П., Приймак Т.И. и др. Адсорбционно-активные материалы для
промышленной экологии. - Апатиты, 1991. - 115 с.
44. Капелькина Л.П. Экологические аспекты оптимизации техногенных
ландшафтов. - СПб.: Наука, ПРОПО, 1993. - 190 с.
45. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 2.
Загрязнения воды и воздуха: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. – 296 с.
46. Сидаков А.Г. Природоохранные технологии управления состоянием
хвстохранилищ: Автореф. дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. / Северо-Кавказского
горно-металлургического института. – Владикавказ, 2004. – 20 с.
47. Михайлов В.А., Бересневия П.В., Борисов В.Г., Лобода А.И. Борьба с
пылью в рудных карьерах. - М.: Недра, 1981. - 262 с.
48. Иванов А.В. Оценка влияния работы карьера на окружающую среду и
способы предупреждения распространения основных загрязнений / А.В. Иванов,
Ю.Д. Смирнов // «Антропогенная трансформация природной среды: Научные
чтения памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка». Материалы международной
199
школы-семинара молодых ученых: ПГНИУ, Пермь, 2012 - с. 207-210.
49. Качурин Н.М., Рябов Р.Г. Комплексное использование отходов –
эффективный способ охраны окружающей среды // Ресурсосберегающие
технологии. - М., 1997, № 6. - с. 18.
50. Коробова Н.Л. Экология и горное производство. - Магнитогорск:
МГТУ, 2001. - 456 с.
51. Иванов А.В.
Использование
пароконденсационного
способа
пылоподавления при различных технологических операциях добычи полезных
ископаемых / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов, А.А. Каменский // Записки Горного
института, т. 186. – СПб.: Горный университет, 2009. – с.82-85.
52. Иванов
А.В.
Проблема
пылевого
загрязнения
атмосферы
на
предприятиях минерально-сырьевого комплекса и рациональный путь ее решения
/ Ю.Д. Смирнов, А.В. Иванов // Сборник по итогам 6-й Международной
конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики
«Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности,
строительства и энергетики» - Тула: ТулГУ, 2010. – Т.2. - с. 269-275.
53. Иванов А.В. Проблема воздействия промышленной пыли на работников
предприятий минерально-сырьевого комплекса и рациональный путь ее решения /
А.В.Иванов, Ю.Д.Смирнов // Сборник статей по итогам VII-й Международной
научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении
экологических проблем» (Экология – 2010), Уфа: УГАТУ, 2010. – Т.1. – с. 100106.
54. Авторское свидетельство СССР № 1195728, МПК E21F5/04, 20.04.2000.
55. Патент РФ № 87626, МПК A61L2/00, 20.10.2009.
56. Патент РФ № 2011426, МПК B05B1/08, 30.04.1994.
57. Авторское свидетельство СССР № 2015740, МПК B05B17/04, B05B7/10,
15.07.1994.
58. Патент РФ № 2098721, МПК F24F3/14, 10.12.1997.
59. Бульбашев А.П., Гаспарьян Н.А., Ковшов СВ., Никулин А.Н., Смирнов
Ю.Д., Шувалов Ю.В. Рациональная организация добычи полезных ископаемых в
200
карьерах со сложными условиями труда горнорабочих. - СПб. Международная
академия наук экологии, безопасности человека и природы. - 2009, 464 с.
60. Иванов А.В. Недостатки современных систем пылеподавления и
рациональный
метод
круглогодичного
пылеподавления
/
А.В. Иванов,
Ю.Д. Смирнов // Материалы V Всероссийской молодежной научно-практической
конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования»,
Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2011. – с. 352-359.
61. Иванов А.В.. Опыт создания надежной системы пылеподавления для
различных температурных условий / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов // Materialy VIII
Mezinarodni vedecko – prakticka conference «Dny vedy – 2012», 27 brezen - 05 dubna
2012 roku, Dil 94 Technicke vedy, Praha: Publishing House «Education and Science»
s.r.o, 2012. – pp. 31-32.
62. Патент РФ № 2446021, МПК B05B7/12, 27.03.2012.
63. Иванов А.В.
Разработка
инновационного
пылеподавляющего
устройства для условий северных регионов / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов,
С.В. Ковшов // Записки Горного института, т. 195. – СПб.: Горный университет,
2012. – с.133-137.
64. Иванов А.В. Инновационные возможности пылеподавления локальных
и площадных источников в горной промышленности / М.А. Пашкевич,
Ю.Д. Смирнов, А.В. Иванов // Научный вестник МГГУ. - 2012. - № 7 (28). с.26-37.
65. Иванов А.В. Экономичный и эффективный метод круглогодичного
пылеподавления для предприятий / А.В.Иванов, Ю.Д. Смирнов, С.В. Ковшов //
Трансфер технологiй: вiд iдеi до прибутку: Матерiали I мiжнар. наук.-практ. конф.
студ., асп. и мол. ученых. в 2 Т. – Д.: Нацiональный гiрничий унiверситет, 2010. –
Т.1. – с. 40-42.
66. Иванов А.В.,
эффективности
форсунок
/
Смирнов Ю.Д.
пылеподавления
А.В. Иванов,
с
Теоретические
использованием
Ю.Д. Смирнов
//
аспекты
определения
пневмогидравлических
Проблемы
недропользования:
материалы VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции, 8-
201
10 февраля 2012 г. / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург: УрО РАН, 2012. - с. 375-381.
67. Lefebvre, A. H., 1989, Atomization and Sprays, Hemisphere, New York,
434 p.
68. Dombrowski, N., and Fraser, R. P., 1954, “A Photographic Investigation Into
the Disintegration of Liquid Sheets,” Philos. Trans. R. Soc. London, 247, pp. 101–130.
69. Иванов А.В. Исследование процессов фрагментации жидкости при
работе систем орошения / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов // Известия вузов. Горный
журнал, т. 3. – Екатеринбург: УГГУ, 2013. – с.32-39.
70. Senecal, P.K., D.P. Schmidt, I. Nouar, C.J. Rutland, R.D. Reitz and M.L.
Corradini (1999). Modeling high-speed viscous liquid sheet atomization. Int. J.
Multiphase Flow 25, pp. 1073-1097.
71. Lin, S. P., 2003, Breakup of Liquid Sheets and Jets, Cambridge University
Press, London, 98 p.
72. Stapper, B. E., Sowa, W. A., and Samuelsen, G. S., 1992, “An Experimental
Study of the Effects of Liquid Properties on the Breakup of a Two-Dimensional Liquid
Sheet,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 114, pp. 39–45.
73. Park, J., Huh, K. Y., Li, X., and Renksizbulut, M., 2004, “Experimental
Investigations on Cellular Breakup of a Planar Liquid Sheet From an Air-Blast Nozzle,”
Phys. Fluids, 16, pp. 625–632.
74. Adzic, M., Carvalho, I. S., and Heitor, M. V., 2001, “Visualization of the
Disintegration of an Annular Liquid Sheet in a Coaxial Air Blast Injector at Low
Atomizing Air Velocities,” Optical Diagnostics in Engineering, 5, pp. 27–38.
75. Иванов А.В. Исследование процессов диспергирования жидкости при
работе форсунок пылеподавления / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов, И.Е. Капранов //
Ученые
записки
Российского
государственного
гидрометеорологического
университета, т. 25. – СПб: РГГМУ, 2012. – с.26-35.
76. I. S. Carvalho, M. V. Heitor (1998). Liquid film break-up in a model of a
prefilming airblast nozzle. Experiments in Fluids, 24, pp. 408-415.
77. Lozano, A., Barreras, F., Hauke, G., and Dopazo, C., 2001, “Longitudinal
Instabilities in an Air-Blasted Liquid Sheet,” J. Fluid Mech., 437, pp.143–173.
202
78. V. Kulkarni, D. Sivakumar, C. Oommen, and T. J. Tharakan, 2010, «Liquid
Sheet Breakup in Gas-Centered Swirl Coaxial Atomizers», ASME J. Fluids Eng., 132,
pp. 62-68.
79. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения газа с частицами. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 600 с.
80. Hirt, C. W., Nichols, B. D., «Volume of Fluid Method for the Dynamics of
Free Boundaries» Journal of Computational Physics, Vol. 39, 1981, pp.201–225.
81. J. Madsen «Computational and Experimental Study of Sprays from the
Breakup of Water Sheets» Ph.D. thesis, Aalborg University, Denmark, 2006, 58 p.
82. Buelow P., Mao C., Smith S., Bretz D. «Two-Phase Computational Fluid
Dynamics Analysis Applied to Prefilming Pure-Airblast Atomizer» AIAA Journal of
Propulsion and Power, Vol. 19, No. 2, March–April 2003, pp.235-241.
83. Steinthorsson, E., and Lee, D., “Numerical Simulations of Internal Flow in a
Simplex Atomizer” Proceedings of the Eighth International Conference on Liquid
Atomization and Spray Systems, Pasadena, California, July 2000, pp.132-153.
84. Rüger, M., S. Hohmann, M. Sommerfeld and G. Kohnen, 2000,
«Euler/Lagrange calculations of turbulent sprays: The effect of droplet collisions and
coalescence» Atomization and Sprays 10, pp.47-81.
85. «ANSYS Fluent 12.0 User’s Guide», April 2009, p. 98.
86. D. P. Schmidt, I. Nouar, P. K. Senecal, C. J. Rutland, J. K. Martin, and R. D.
Reitz. Pressure-Swirl Atomization in the Near Field. SAE Paper 01-0496, SAE, 1999,
pp.1073-1097.
87. Иванов А.В. Исследование процессов фрагментации жидкости при
работе систем орошения / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов // Известия вузов. Горный
журнал, т. 3. – Екатеринбург: УГГУ, 2013. – с.32-39.
88. Ivanov A.V. Simulation of the Crushing/Agglomeration Drops For Approach
and Development of Dust Control Systems Devices / A.V. Ivanov, Y.D. Smirnov,
D.S. Korelskiy // International Journal of Ecology & Development Year 2014; Volume
28, Issue No. 2; Int. J. Ecol. Dev. ISSN 0972-9984 ( Print); ISSN 0973-7308 (Online)
Copyright ©2014 IJED (CESER Publications), India, 2014 – pp. 9-17 (Scopus).
203
89. Иванов А.В.
Оптимизация
работы
форсунки
пылеподавления
с
использованием вычислительного моделирования / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов //
Записки Горного института, т. 206. – СПб.: Горный университет, 2013. –
с.150-154.
90. Иванов А.В.
Определение
оптимальных
параметров
пневмогидравлической форсунки для наиболее экономичного и эффективного
пылеподавления / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов // Записки Горного института,
т. 203. – СПб.: Горный университет, 2013. – с.94-103.
91. Иванов А.В. Разработка системы автоматизированного управления
пылеподавлением для предприятий минерально-сырьевого комплекса / А.В.
Иванов, Ю.Д. Смирнов // Известия ТулГУ. Науки о Земле., т. 2. – Тула: ТулГУ,
2012. – с. 68-72.
92. Иванов
А.В.
Автоматизация
процессов
пылеподавления
на
предприятиях минерально-сырьевого комплекса. «Социально-экономические и
экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» 8-я Международная Конференция по проблемам горной промышленности,
строительства и энергетики. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2012, Т2 - с.
353-357.
93. Иванов
А.В.
Методика
определения
оптимальных
параметров
пневмогидравлических распылителей систем пылеподавления с использованием
математического моделирования. Материали за 8-а международна научна
практична конференция, «Образованието и науката на XXI век», - 2012. Том 40.
Екология. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД – с. 31-33.
94. Иванов А.В. Управление процессами пылеподавления на предприятиях
минерально-сырьевого комплекса / А.В. Иванов, Ю.Д. Смирнов // Проблемы
геологии и освоения недр: Труды XVII Международного симпозиума имени
академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 150-летию со
дня рождения академика В. А. Обручева и 130-летию академика М. А. Усова,
основателей
Сибирской
горно-геологической
школы.
Том
II;
Томский
политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического
204
университета, 2013. – с. 547-548.
95. Иванов А.В. Снижение аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха
от производственных объектов ОАО «Ковдорский ГОК» / А.В. Иванов, Ю.Д.
Смирнов // Студенты и молодые ученые инновационной России : материалы
работ молодежной научной конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. с. 179-180.
96. Патент РФ № 2536573, МПК B65G69/18, 27.12.2014.
97. Патент РФ № 2444628, МПК Е21С41/32, 10.03.2012.
98. Иванов А.В.
Разработка
природоохранных
мероприятий
по
предотвращению пылевыделения промышленных предприятий, расположенных в
северных регионах. Сборник шестнадцатой ассамблеи молодых ученых и
специалистов. Санкт-Петербург, 2011. – с. 100..
99. Интернет-ресурс http://amur-mtk.all.biz/
100. Бирюков Н.С., Казарновский В.Д., Мотылев Ю.Л. Методическое
пособие по определению физико-механических свойств грунтов. М., «Недра»,
1975. - 176 с.
101. Данилов-Данильян
В.И.
Временная
методика
определения
предотвращенного экологического ущерба – М., 1999. – 60 с.
102. Дмитриев
Б.А.
Ревич,
В.Н.
Сидоренко.
Методика
оценки
экономического ущерба здоровью населения от загрязнения атмосферного
воздуха. Пособие по региональной экологической политике. - М.: Акрополь,
ЦЭПР, 2006. - 42 с.
103. СНиП 4.02-91, 4.05-91. Сборники сметных норм и расценок на
строительные работы. Сборник 28 «Железные дороги» Москва: Госстрой СССР 1990. - № 115.
205
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Отчет УПРЗА «Эколог» версии 3.0 о состоянии атмосферного воздуха района
расположения ОАО «Ковдорский ГОК» при воздействии объектов цикличнопоточной технологии при неблагоприятных условиях (скорость ветра 8 м/c,
отсутствие осадков)
Рисунок А – Ореолы загрязнения, построенные по коэффициенту контрастности
неорганической пыли с содержанием SiO2 менее 20%, при оценке воздействия
объектов циклично-поточной технологии ОАО «Ковдорский ГОК»
206
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Отчет УПРЗА «Эколог» версии 3.0 о состоянии атмосферного воздуха района
расположения ОАО «Ковдорский ГОК» при воздействии хвостохранилища
предприятия при неблагоприятных условиях (скорость ветра 8 м/c, отсутствие
осадков, влажность поверхности массива 10%)
Рисунок Б - Ореолы загрязнения, построенные по коэффициенту контрастности
неорганической пыли с содержанием SiO2 менее 20%, при оценке воздействия
хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК»