Введение к работе
Актуальность. Из карбонатных пород получают более 60 наименований продукции, необходимой для различных отраслей промышленности. Получение из карбонатных пород новых материалов, в том числе на уровне наноструктур , с использованием технологий глубокой переработки горных пород требует инновационных решений, включающих решения по минимизации затрат на добычу полезного ископаемого с учетом экологических ограничений.
Карбонатные породные массивы имеют сложную блочную структуру и характеризуются неоднородностью физико-механических свойств слагающих их пород. Вариации размерных величин природных отдельностей влияют на организацию выемочно-погрузочных работ, на обоснование параметров буровзрывных работ при подготовке карбонатного массива к экскавации и на выбор добычного и перерабатывающего оборудования.
Важнейшим технологическим звеном добычи и переработки карбонатных пород являются дробильно-сортировочные комплексы. Стационарные дробильно-сортировочные установки сооружают на карьерах, обеспечивающих работу установок не менее 20-25 лет при годовой производительности более 100 тыс. м . Дробильно-сортировочные установки располагаются на поверхности и могут иметь одну, две или три стадии дробления. Например, процесс дробления играет важную роль во всем технологическом процессе горного предприятия по добыче и переработке известняка. Для производства товарного щебня из горных пород преимущественно используются роторные дробилки, так как колосниковые решетки молотковых дробилок не позволяют обеспечить надежной работы с материалом средней и высокой прочности.
Процессы дробления горных пород сопровождаются весьма интенсивным пылеобразованием и выбросы пыли аспирационными системами дробильно-сортировочных комплексов составляют десятки тонн в год в расчете на одно горное предприятие. Например, выбросы по дробильно-сортировочным комплексам предприятий ООО «Хомяковский карьер» и щебеночный завод «Тур-дейский» составляют 13,8 т/год и 11,7 т/год , соответственно. На современном этапе для большинства горных предприятий очистка технологических и вентиляционных выбросов от мелкодисперсной пыли является одной из основных экологических проблем. Очевидно, что решение задачи снижения выбросов пыли в окружающую среду лежит в области усовершенствования существующего, а также разработки и внедрения нового пылеулавливающего оборудования.
Сейчас в атмосферу во всем мире выбрасывается около 150 млн. т в год твердых веществ. Валовые выбросы пыли одного только мирового цементного производства составляют около 4 млн.т в год. Поэтому тема диссертационной работы актуальна.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей процесса разделения пылевоздушных смесей, протекающего в сухом центробежно-инерционном пылеуловителе, совмещающем принципы центробежной и инерционной сепарации пыли, на основе адекватной экспериментальным исследованиям математической модели динамики аэрозоля для разработки конструкций пылеуловителей, обеспечивающих повышение эффективности очистки воздуха аспираци-онных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров от пыли и снижающих выбросы пыли в атмосферу.
Идея работы заключается в том, что разработка конструкций пылеуловителей для повышения эффективности очистки воздуха аспирационных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров от пыли и снижения выбросов пыли в атмосферу основывается на выявленных физических закономерностях процесса разделения пылевоздушных смесей, определяющего динамику сепарации твердых частиц из воздушного потока.
Основные научные положения, сформулированные в работе, заключаются в следующем:
совмещение процессов центробежной и инерционной сепарации пыли в одном аппарате повышает эффективность разделения пылевоздушных смесей, обеспечивая высокое качество защиты окружающей среды, особенно при наличии в газовом потоке мелкодисперсной пыли;
классификация пылевидных загрязнений воздуха основывается на совмещении процессов центробежной и инерционной сепарации пыли в одном аппарате, обеспечивающем разделение гетерогенного потока на фракции в классификаторе-сепараторе;
математическая модель протекающих газодинамических процессов в многофазной вращающейся среде сепаратора-классификатора включает нестационарные уравнения неразрывности, импульса, энергии и конденсированной фазы и позволяет определить основные проектные параметры установок очистки воздуха аспирационных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров от пыли.
Новизна научных и практических положений:
разработаны оригинальные конструкции новых пылеуловителей, совмещающих в отличие от известных принципы центробежной и инерционной сепарации пыли в одном аппарате и позволяющие получить одну, две или три фракции пыли в процессе очистки;
экспериментально изучено влияние скорости пылевоздушного потока на эффективность работы нового пылеуловителя и установлено значение скорости во входном патрубке и в рабочей части аппарата, которая обеспечивает режим работы аппарата и при котором может быть достигнута максимальная степень очистки воздушного потока от мелкодисперсной пыли;
экспериментально доказано влияние высоты экрана внутри пылеуловителя на эффективность пылеулавливания и установлено оптимальное соотношение высоты экрана к диаметру корпуса аппарата, при котором наблюдается наиболее высокая эффективность разделения пылевоздушной смеси;
разработаны математическая модель, алгоритм её численной реализации и комплекс программных средств процесса сепарации и разделения мелкодисперсных твердых частиц в аппарате, совмещающем центробежный и инерционный принципы;
определены основные эксплуатационные характеристики одноступенчатого пылеуловителя и разработаны пылеуловители, позволяющие с высокой
эффективностью выделить из пылевоздушного потока частицы мелкодисперсной пыли и разделить их на фракции.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается
корректной постановкой задач исследований, использованием методов математической статистики и планирования эксперимента, теории вероятностей, математического анализа и современных достижений вычислительной техники; достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований пылевоздушного потока; удовлетворительной сходимостью расчетных значений с фактическими данными; положительными решениями Государственной патентной экспертизы по заявленным техническим решениям; результатами опытно-промышленной апробации, промышленного внедрения и экологической эффективностью разработанных технических решений.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные конструкции пылеуловителей и варианты усовершенствования элементов конструкции и режима работы, исследуемых центробежно-инерционных пылеуловителей, способствуют повышению эффективности сепарации мелкодисперсной пыли и дают возможность разделения твердой фазы на фракции в процессе её сепарации при очистке воздуха аспирационных систем промышленности дробильно-сортировочных комплексов карьеров от пыли.
Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные научные и практические результаты диссертационной работы включены в учебный курс «Техника защиты окружающей среды» для студентов, обучающихся по специальности 320700 - «Охрана окружающей среды и рациональное использованию природных ресурсов». Рабочая техническая документация на промышленный центробежно-инерционный пылеуловитель производительностью 5000 м /час была передана для внедрения на ООО «Полихимпроект» (г.Тула), а после проведения опытно-промышленных испытаний на реальных средах при расходе газа 300 м /час передана ОАО «Ярославский пигмент» на пылеуловитель производительностью ЮОООмТчас , а на ОАО «Ферос» - производительностью 2000м3/час.
Апробация работы. Научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры охраны труда и природы ЯГТУ; на международной научной конференции «Энерго - ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004г. ; на VIII Российской научной конференции школьников «Открытие», Ярославль, 2005 г; на первой всероссийской научно-технической интернет- конференции «Современные проблемы экологии и безопасности», Тула, 2005 г.; на 10 и 11й международных научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии», Воронеж, 2007 -2008 г.г.; на 20-й международной научной конференции: «Математические методы в технике и в технологиях»,Ярославль, 2007г. , на научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» и кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ , Тула 2010 - 2011 г.г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 22 работы, в том числе 3 в рекомендованных ВАК журналах, получено 4 патента РФ.
Объём работы. Диссертация изложена на 196 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 8 таблиц, 49 иллюстраций, список литературы из 159 наименований и - приложений.
Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» Тульского государственного университета д.т.н., профессору Соколову Э.М. за методическую помощь и содействие, оказанные при выполнении работы.
