автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Научное обоснование и разработка комплекса средств механизации для обеспечения качества углепродукции

На правах рукописи

V.__

ДЕМЧЕНКО ИГОРЬ ИВАНОВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА УГЛЕПРОДУКЦИИ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины» 25.00.22 - «Геотехнология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иркутск - 2007

003052247

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Научный консультант

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Буткин Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Катанов Борис Александрович

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук Маттис Альфред Робертович

Доктор технических наук, профессор Щадов Иван Михайлович

Ведущая организация: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН

Защита диссертации состоится 16 мая 2007 г в Ю00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус К, Конференцзал

Автореферат разослан 16 марта 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экономическое положение России в значительной степени определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Одним из основных факторов повышения конкурентоспособности угля, по сравнению с другими энергоносителями, является улучшение качества и сертификация угольной продукции, соответствующей Международной системе обеспечения качества ИСО-9000.

Сложность проблемы заключается в том, что уголь представляет собой неоднородную, горючую горную породу, химический состав которой подвержен изменениям. Даже на одном разрезе при отработке одного пласта зачастую уголь обладает разными техническими показателями и минеральными примесями. Тем более при наиболее распространенной на открытых горных работах валовой выемке потребителю поставляется рядовой уголь, имеющий разные качественные характеристики, определяющие энергетическую, экологическую и экономическую эффективность его использования.

Качество угля и его изменение зависят от способа добычи, транспортирования, перегрузки и временного хранения. Открытая перевозка и хранение угля приводят к прямым потерям твердого топлива. При перевозке железнодорожным транспортом потери углей мелких классов от выдувания воздушным потоком при их транспортировании на 500 км составляют 0,5-0,6 т в расчете на один вагон. Это эквивалентно 1 % транспортируемых углей. В целом по стране на железнодорожных перевозках теряется 3-5 млн т угля в год.

При перевозках угля автомобильным транспортом, осуществляемых на котельные небольшой мощности в коммунально-бытовом секторе и индивидуальным потребителям, потери еще больше и составляют 5 % перевозимых углей. Открытый способ перевозки и хранения способствует увеличению влаги, что часто приводит к смерзанию и осложнениям при разгрузке, а также к окислению и возможному самовозгоранию угля, от чего теряется до 7 % добываемого топлива. Перечисленные негативные факторы обуславливают загрязнение окружающей среды, превращая прилегающую к транспортным коммуникациям и угольным складам территорию в малопривлекательную и вредную для проживания.

Потеря качества угля при открытом способе перевозки и хранения характеризуется уменьшением теплоты сгорания, изменением выхода летучих веществ, влажности и гранулометрического состава с превращением угольных кусков в мелочь и пыль, при этом увеличивается зольность, что приводит к несоответствию поставляемого топлива проектному. Особенно такое несоответствие наблюдается при поставках топлива на котельные малой и средней мощности в коммунально-бытовом секторе, составляющие большинство в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) страны.

Применение ресурсосберегающей и экологичной технологии получения и доставки углепродукции повышенного качества, особенно на котельные со слоевым сжиганием топлива, сдерживается отсутствием соответствующих машин и оборудования, что в свою очередь не обеспечено научно обоснованными методами проектирования.

Таким образом, получение, сохранение и стабилизация качества поставляемого угля могут быть достигнуты путем создания новых или совершенствования существующих видов машин и оборудования при ресурсосбережении и экологизации процессов добычи, транспортирования, хранения и подготовки к использованию. Решение этой проблемы позволит сократить непроизводительные расходы, повысить эффективность работы энергопроизводящих предприятий, имеющей важное хозяйственное значение для ТЭК, а следовательно, и всей экономики страны.

Диссертационная работа основана на результатах исследований, начатых автором в 1994 г. в институте КАТЭКНИИуголь по государственной программе 0-46 «Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля и средств углепроводного транспорта» и продолженных на кафедрах «Горные машины и комплексы» ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» по теме «Повешение эффективности работы выемочно-погрузочного и сортировочного оборудования» и грантам Красноярского краевого фонда науки.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка машин и оборудования, комплексно обеспечивающих высокое качество топлива, при ресурсосбережении и экологичности процессов производства, транспортирования, хранения полученных угле-продуктов и усреднения у потребителя.

Основная идея работы заключается в разработке и применении специализированных контейнеров на всех стадиях от получения угле-продукции повышенного качества в забое до использования у потребителя, которые в комплексе с другими средствами обеспечивают высокие потребительские свойства топлива.

Основные задачи исследований.

1. Экономико-математическое обоснование рационального месторасположения машин и оборудования для получения углепродуктов повышенного качества и изыскание способов и средств для реализации такого размещения.

2. Совершенствование процессов транспортирования и хранения углепродукции на основе теоретических и экспериментальных исследований существующих способов.

3. Обоснование и разработка конструкций специализированных контейнеров для различных групп потребителей, обеспечивающих со-

хранное перемещение полученного качественного углепродукта; построение математической модели перевозки угля в контейнерах по конкретному угольному потоку.

4. Изыскание и разработка устройств по механизации и экологич-ности работ на угольных складах и построение математической модели угольного склада при буртовом и контейнерном способе хранения.

5. Создание средств бункерного усреднения угля для потребителей со слоевым сжиганием топлива.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Экономичное формирование требуемого качества угля следует осуществлять прежде всего на разрезе, путем его переработки в блочно-модульных установках, располагаемых непосредственно на добычном оборудовании или на мобильном шасси, максимально приближенном к забою, причем в качестве добычного оборудования целесообразно использовать экскаваторы фрезерного или фрезерно-ковшового типа, имеющие лучшее соотношение производительности к массе машины и позволяющие отрабатывать пласты любой мощности.

2. Основным средством обеспечения качества, снижения потерь и экологической безопасности процессов транспортирования и хранения сортового угля и брикетов от момента переработки до использования является контейнерный способ его доставки.

3. Формирование транспортных потоков с углепродукцией требуемого качества необходимо осуществлять путем применения предложенных специализированных контейнеров, удовлетворяющих различным группам потребителей с учетом характера оборота контейнеров, обслуживающих конкретный угольный поток.

4. Экономичное поддержание требуемого качества угля должно продолжаться при хранении посредством размещения различных марок углей в одном многоярусном контейнерном штабеле, что позволит обеспечить эффективное использование площади склада, полную механизацию и снижение трудоемкости работ, соблюдение экологической безопасности.

5. Окончательное формирование требуемого качества топлива достигается усреднением в бункерных установках углей с разными характеристиками, с получением у смеси свойств, необходимых для данного котельно-топочного оборудования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сочетанием теоретических и лабораторных исследований с результатами анализа производственных и опытных данных; сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных; эффективностью промышленного применения найденных технических решений.

Научная новизна результатов исследований состоит в:

- установлении достижения минимума затрат на доставку угле-продукции повышенного качества при расположении перерабатывающих блочно-модульных установок непосредственно на добычном оборудовании либо на мобильном шасси, максимально приближенном к забою;

- выявлении (на экспериментальной установке с гравитационным способом перемешивания) зависимостей и основных факторов, влияющих на процесс бункерного усреднения сортовых углей с получением у смеси свойств, необходимых для данного котельно-топочного оборудования.

- построении математической модели оборота специализированных контейнеров, предназначенных для перевозки углепродуктов по конкретному грузопотоку;

- определении зависимости времени простоя контейнеров при перегрузке с одного вида транспорта на другой от грузоподъемности и времени оборота транспортных единиц;

- установлении функциональных зависимостей площадей буртового и контейнерного угольных складов от их объема, формы, высоты, грузоподъемности контейнеров и числа ярусов их установки;

- определении основных закономерностей потерь угля при традиционной технологии его перевозки железнодорожным и автомобильным транспортом;

- уточнении влияния угольных потерь от выдувания на загрязнение территории и воздушного бассейна при транспортировании и хранении угля по существующей технологии его доставки;

Практическое значение результатов работы заключается в разработке:

- схем размещения карьерного горного оборудования в забое (пат РФ № 2078928), обеспечивающих получение качественного углепродукта непосредственно в забойных условиях разреза или максимально приближенных к нему;

- основных требований к специализированным контейнерам, предназначенным для перевозки высококачественных углепродуктов разным потребителям и обеспечивающим сохранность и качество поставляемого топлива на этапах перевозки, перегрузки и хранения;

- типоразмерного ряда специализированных контейнеров (пат. РФ № 2153452, № 2178379, № 2243140, № 2271974, № 2254278), предназначенных для перевозки углепродуктов в разных условиях эксплуатации и обеспечивающих, в зависимости от необходимости, возможность их порционной или единовременной разгрузки;

- грузоподъемной траверсы (пат. РФ № 2248930) для захвата и опрокидывания контейнеров с сортовым углем при необходимости его единовременной разгрузки у потребителя;

- установок по усреднению углей с гравитационным (пат. РФ № 2268219) и принудительным (пат. РФ № 2271975) способами перемешивания углей и получением проектного топлива у потребителя;

- специализированных автотранспортных средств (а.с. СССР № 1637159, № 1719254), обеспечивающих повышение коэффициента использования грузоподъемности при перевозке грузов с различным объемным весом и удобство разгрузки (пат. РФ № 2273568);

- новой технологии хранения угля на складах с заменой существующего экологически вредного и затратного оборудования в виде бульдозеров и погрузчиков на экологически чистое грузоподъемное оборудование с электроприводом.

Реализация результатов работы. В промышленности:

- в создании карьерного мобильного сортировочного агрегата на базе прицепа тяжеловоза ЧМЗАП-5208 для Балахтинского разреза;

- в разработке конструкции кузовов карьерных автосамосвалов для перевозки угля на Черногорском разрезе;

- при проектировании оборудования в НПО «КРАСБРИК» для получения и доставки потребителю углепродукции повышенного качества.

В научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:

- «Разработать техническое задание на технологию сортировки угля на базе грохотов с канатным движущимся полем» НИР 2991067300, входящая в государственную программу 0^6 «Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля и средств углепроводного транспорта», 1994 г.;

- «Отработка маломощных пластов оборудованием, обеспечивающим получение высококачественного твердого топлива, экологически чистое его транспортирование и хранение» НИР 2901069001, входящая в государственную программу 0-46 «Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля и средств углепроводного транспорта», 1995 г.;

- НИР 29104606903 с научно-технической горной ассоциацией «Разработать техническое задание на сортировочное оборудование горного комплекса для извлечения угля из пластов-спутников и создание контейнеров для доставки и временного хранения угля потребителю» (проект «Разработка ресурсосберегающих технологий и оборудования по подготовке сортового топлива и извлечения угля из разубоженной горной массы на угольных разрезах России»), 1996 г.;

- грант Красноярского краевого фонда науки «Разработка ресурсосберегающих и экологически чистых технологий и создание оборудования для получения конкурентоспособных продуктов из угля», 1998 г.;

- программа «Повышение эффективности работы горно-металлургического оборудования» в госбюджетной НИОКР «Повышение эффективности работы выемочно-погрузочного и сортировочного оборудования» на 2006-2010 гг.

В учебном процессе:

- основные результаты диссертационной работы изложены в трех учебных пособиях и одной монографии, использующихся в учебном процессе в ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» и «КГТУ»;

- стенды по усреднению углей с гравитационным и принудительным способом перемешивания применяются в научно-исследовательских работах студентов и аспирантов ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» и «АФ ГУЦМиЗ».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации представлялись, докладывались и обсуждались: на IV Международном форуме «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ», симпозиуме «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» (г. Санкт-Петербург, 1996 г.); Proceedings of the 6 ТН international energy conference (Beijing, China, 1996 г.); Proceedings Fourth International Symposium on Mine Mechanization and Automation (Brisbane, Queensland, 1997 г.); Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (г. Чита, 1997 г.); научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию г. Красноярска» (г. Красноярск, 1997 г.); II Международной научно-практической конференции на секции «Уголь и углепродукты» (г. Кемерово, 1997 г.); научном симпозиуме «Неделя Горняка» (г. Москва, 1997 г.); I Научно-практической конференции по реализации Федеральной целевой программы освоения Нижнего Приангарья в Красноярском крае (г. Красноярск, 1997 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999 г.); научно-практической конференции «Минеральные ресурсы рудного и нерудного сырья Сибири в XXI веке» (г. Новосибирск, 1999 г.); во Всероссийском выставочном центре «Инновационный и научный потенциал Красноярского края» (г. Москва, 1999 г.); на конференции АО «Красноярскуголь» по маркетинговому исследованию и организации рынка КАУ (г. Красноярск, 1999 г.); научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (г. Красноярск, 2000 г.); Международной научно-практической конференции «Инвестиционный потенциал минерально-сырьевого комплекса Красноярского края» (г. Красноярск, 2000 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Транспортные средства Сибири» (г. Красноярск, 2004 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Кузбасский международный угольный форум - 2006» (Кемерово, 2006 г.).

Личный вклад автора состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы; разработке технологических схем размещения и взаимодействия добычного и перерабатывающего оборудования; создании ряда конструкций специализированных контейнеров и автотранспортных средств для перевозки твердого топлива, грузоподъемного оборудования (защищенных патентами) и их систематизации; научном

обосновании необходимого количества контейнеров, обслуживающих грузопоток; разработке установок по усреднению углей и определении основных факторов, влияющих на процесс смешивания; анализе влияния различных факторов на потери угля при перевозке железнодорожным и автомобильным транспортом; в проведении теоретических и производственных исследований, позволяющих создать методики расчета угольных потерь и площадей контейнерных складов с углем.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.

Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору В.Д. Бут-кину за научные консультации и неоценимую методологическую помощь при работе над диссертацией. Особая признательность С.Б. Васильеву, В.И. Зудину, A.B. Гилеву и всем сотрудникам кафедры «Горные машины и комплексы» за поддержку и содействие при выполнении работы.

Публикации. По теме диссертации опубликована 61 печатная работа, в том числе монография, 3 учебных пособия, 11 статей в центральных изданиях, представлено 11 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 2 авторских свидетельства и 13 патентов на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 27 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложений. Содержит 348 страниц машинописного текста, включая 121 рисунок, 52 таблицы и библиографический список литературы из 154 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются актуальность и структура работы, цели и задачи исследований, основные научные положения диссертации, ее научная и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены перспективы развития угольной промышленности, и в частности разрезов, работающих на месторождениях Красноярского края, дана оценка проблемы, определены задачи и методы исследований.

Во второй главе приведено обоснование размещения перерабатывающих устройств в забойных условиях разрезов. Даны подходы к получению углепродуктов повышенного качества (сорта).

В третьей главе рассмотрены свойства угля и факторы, влияющие на потерю его качества при доставке потребителю. Предложены конструкции специализированных контейнеров для различных групп потребителей. Приведена математическая модель оборота контейнеров, обслуживающих конкретный угольный поток.

В четвертой главе исследованы факторы, влияющие на потери качества угля при его перевозке в полувагонах железнодорожным транспортом и разгрузке, а также при хранении на временных складах. Получена математическая модель, позволяющая оценить площади угольных складов при хранении угля навалом с разной высотой бурта и предлагаемом контейнерном способе.

В пятой главе определены факторы, влияющие на потери угля при его перевозке автомобильным транспортом. Разработаны технические решения, позволяющие адаптировать кузов автосамосвала к перевозке сыпучих грузов с различным объемным весом. Представлены конструкции специализированных автотранспортных средств-контейнеровозов для перевозки контейнеров различной грузоподъемности.

Шестая глава посвящена перевозке угля речным транспортом. Показаны преимущества использования новой технологии с точки зрения оперативности и безопасности перевозок. Предложена математическая модель оценки степени загрязнений, происходящих при перевозке угля навалом и открытом способе хранения.

В седьмой главе изложены рекомендации по механизации работ на складах. Предложены варианты устройств по усреднению углей. Определены основные факторы, влияющие на процесс усреднения углей на установке гравитационного типа.

В восьмой главе отражена экономическая эффективность проекта на всех этапах предлагаемой технологии.

Заключение содержит выводы и рекомендации по результатам выполненной работы.

В приложении приведены материалы о реализации основных методологических и технических решений, предложенных в диссертации.

1. Значение и теоретические предпосылки создания горных машин для получения углепродукции улучшенного качества

Экономическое благосостояние России базируется на топливно-энергетическом потенциале страны, важнейшей составной частью которого является угольная промышленность. Обеспечение качества поставляемого твердого топлива, повышение стабильности его характеристик путем усреднения, поставок сортовых углей, а кое-где и брикетов, позволит увеличить эффективность работы котельных, надежность и срок службы оборудования и улучшить охрану окружающей среды.

В результате изучения состояния вопроса, обобщения теории и практики по теме диссертации не удалось выявить исследований по применению контейнерного способа доставки углепродукции, обеспечивающего неизменность ее качественных и количественных показателей при доставке потребителю.

Существенный вклад в разработку теоретических основ комплексного использования и обеспечения качества добываемого полезного ископаемого внесли A.A. Абрамов, С.П. Артюшин, З.Ш. Беринберг, И.С. Благов, В.Д. Буткин, В.Ф. Вызов, С.И. Гройсман, В.В. Кравцов, А.П. Красавин, Г.Г. Ломоносов, Н.В. Мельников, И.В. Пономарев, В.В. Ржевский, H.H. Страбыкин, К.Н. Трубецкой, П.И. Томаков, Т.Г. Фоменко, С.Э. Фридман, O.K. Щербаков.

Потери полезного ископаемого при его транспортировании и хранении изучались С.П. Амельчуговым, B.C. Веселовским, Е.И. Глузбер-гом, В.В. Жучковым, В.М. Ивановым, Я.С. Киселевым, С.И. Протасовым, И.В. Радовицким, В.И. Саранчуком, Ж.К. Текеновым, Л.П. Хитри-ным, А.И. Хрисанфовой, A.B. Швыдкиным.

Стабилизацией качества добытого угля занимались A.B. Баскин, Н.Г. Бедрань, Н.М. Белик, Ф.Г. Грачев, В.В. Демкин, В.А. Земляков, А.И. Ка-рякин, И.П. Крапчин, М.Ф. Кундым, А.Р. Молявко, В.П. Немчинов, H.A. Самылин, С.А. Саракисянц, Н.В. Федоров, P.P. Шаль, Л.П. Шупов.

Экономическим проблемам повышения качества угольной продукции посвящены работы И.С. Благова, Н.С. Буктукова, A.C. Горшкова, М.М. Гурен, Г.М. Золотарева, В.Н. Ивасенко, К.К. Коллодий, Ю.С. Лир, В.И. Никода, В.М. Никулина, Г.М. Потаренко, A.A. Сысоева, В.К. Турченко.

Перспективным направлением развития угольной промышленности являются ресурсосберегающие технологии, направленные на улучшение качества угля и повышение стабильности его характеристик. Они должны быть основаны на следующих принципах: малооперационность технологического процесса получения ценных и энергонасыщенных уг-лепродуктов, сохранное (без потерь качества и количества), экономичное и экологичное перемещение полученного углепродукта в места потребления высокомеханизированными системами транспортирования и временного хранения.

Одним из продуктов переработки рядового угля и самым простым по технологическому процессу получения является сортовой уголь, который рассматривается как начальный уровень ресурсосберегающей технологии. Однако при этом большое значение имеет оптимальное расположение перерабатывающего оборудования, которое может быть установлено в местах добычи, пунктах пересечения транспортных коммуникаций и у потребителя.

Пусть при сортировке угля производится К его сортов, которые поставляются п потребителям. Обозначим тч - массу угля г2 сорта, поставляемогопотребителю за определенный отрезок времени Т(тч > 0). к

Тогда m = £ т - масса сортового угля, поставляемого }ш потребите-

и

лю за время Г, а m - £ - масса всего сортового угля, производимого

7=1

за время Г. Принимаем, что сортировка угля - безотходное производство, т.к. подрешетный материал - это сырье для брикетирования или топливо для котлов с пылевидным сжиганием. Тогда масса доставляемого для сортировки рядового угля за время Г тоже равна т.

Пусть Sj - стоимость перевозки единицы массы угля (далее просто стоимость перевозки) от пункта сортировки до потребителя, j = 1, 2, ..., и, So - стоимость перевозки от разреза, поставляющего рядовой уголь, до пункта сортировки. Тогда затраты на перевозку сортового угля от пункта сортировки до jm потребителя равны т} ■ Sp а затраты на пере-

т

возку всего сортового угля от пункта сортировки равны £ м S . Учи-

7=1

тывая затраты на перевозку рядового угля от разреза до пункта сортировки, получаем целевую функцию

¿ = m-S0+XmyS, = Lm/So + Sj) , (1)

7=1 7=1

которую необходимо минимизировать для определения оптимального места расположения пункта сортировки угля.

Существует много способов транспортировки угля. Все способы перевозки угля из пункта А в пункт В обозначим GÄB. Стоимость S перевозки зависит от способа перевозки, поэтому стоимость перевозки по конкретному способу g е GAB обозначим Sg. Если же способ перевозки не оговаривается, то под стоимостью S перевозки понимается наименьшая ее стоимость среди всех возможных способов перевозки, т.е.

S = min 5„ .

geGAB 8

Упомянутые выше стоимости перевозок SQ,Sly ..., S„ определяются именно так. Способ перевозки, которому соответствует наименьшая стоимость, считается оптимальным.

Сортовой уголь суммарной массой тр поставляемый jm потребителю, перевозится сначала от места добычи А до пункта сортировки в составе рядового угля и затем от пункта сортировки до потребителя Bj некоторым способом g е GABj со стоимостью перевозки Sg = S0+Sj.

Следовательно,

S'j<S0+SJ, (2)

где наименьшая стоимость S'. = min S„ достигается на оптимальном

J g

способе перевозки g* из пункта А в Ву Если расположить пункт сортировки в места добычи А, то затраты на перевозку сортового угля потребителям составят

L^imj-S'j. (3)

j-i

Из формул (1 Ь(3) следует неравенство

L'<L,

которое доказывает, что минимум целевой функции (минимум затрат на перевозку угля потребителям) отмечается при расположении пункта сортировки в месте добычи (на разрезе). При этом расположение его непосредственно на добывающем оборудовании или на мобильном шасси в технологической цепочке с добывающим оборудованием выгоднее устройства отдельного сортировочного пункта. Это объясняется тем, что дополнительные затраты на перемещение сортировочного оборудования вместе с добывающим значительно меньше затрат на перегрузку, т.к. произведение массы сортировочного оборудования на его перемещение меньше произведения массы добытого угля на его перемещение только при выгрузке. Учет затрат на другие операции, связанные с выгрузкой, погрузкой и хранением угля в отдельном пункте сортировки, завершает доказательство.

Указанные решения могут быть реализованы при работе любого выемочно-погрузочного оборудования.

Рассмотрим машины непрерывного действия. Учитывая особенности карьерного фонда, изобилующего разрезами малой и средней мощности, а также то, что на разрезах с большой производственной мощностью имеются пласты-спутники, которые ввиду несовершенства технологии зачастую отрабатываются в отвал, весьма перспективным становится более широкое применение экскаваторов фрезерного и фрезерно-ковшового типов СМ, КСМ и др. Опыт эксплуатации экскаватора КСМ-2000РМ на разрезе Таллинский показал, что эти машины можно применять как на вскрышных, так и на добычных работах, а главное они обеспечивают полноту выемки полезного ископаемого. Поэтому предлагается использовать экскаватор типа КСМ вместе с другими горными машинами в составе горного карьерного комплекса (ГКК) по добыче и переработке угля.

На рис. 1 изображен экскаватор типа СМ, работающий в технологической цепочке с перерабатывающим оборудованием. Исходя из специфики конкретных разрезов и требований рынка, возможно дополнительное включение или замена одного мобильного перерабатывающего оборудования на другое.

Показанная на рис. 1 технологическая цепочка лишь схема. Конечно, не на каждом разрезе горно-геологические условия дают возможность разместить вслед за экскаватором шлейф перерабатывающего оборудования. Однако, во-первых, перерабатывающее оборудование на мобильном шасси можно устанавливать вблизи добычного участка, связывая его с экскаватором, например межуступным перегружателем, и перемещать это мобильное оборудование по мере продвижения фронта работ.

Рис. 1. Комплекс карьерного горного оборудования в забое (пат. РФ № 2078928)-1 - экскаватор; 2 - сепарационно-сортировочный агрегат; 3 - упаковочно-брикетный участок; 4 - контейнеры

Во-вторых, компактность и относительно малая материалоемкость (рис. 2) экскаваторов фрезерного и фрезерно-ковшового типа могут послужить основой для создания ГКК по добыче и переработке угля на одном шасси.

На рис. 3 представлен вариант ГКК по добыче и переработке угля. Грузоподъемное оборудование обеспечивает перегрузку с ГКК на транспортные средства груженых и в обратном направлении порожних контейнеров, а также необходимых для работы ГКК расходных материалов, например связующего для брикетного участка. На ГКК предусмотрена также отгрузка рядового угля без переработки.

Принципиальной основой создания ГКК является блочно-модуль-ный способ его построения с возможностью установки дополнительных перерабатывающих блоков или замены отдельных модульных блоков на другие для оперативного реагирования на изменение конъюнктуры рынка, исходя из индивидуальных потребностей заказчика.

Приведенная схема размещения перерабатывающего оборудования вблизи добычного участка применима и для его взаимодействия с экскаватором цикличного действия.

il I

1 1

ill

Щ. ыШшИ Ш!

-1-1-1-1-1-1-1 ! I-1-1 I-1 I I-1-1-Г—1-1-1-1 I-

1 2 3 4 5 6 7 8 Э 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2* 25 Марки экскаваторов

Рис. 2. График соотношения производительности Q, м3/ч, к массе m, т, некоторых экскаваторов непрерывного действия: 1 - СМ 1900; 2 ~ СМ 2600; 3 - СМ 3000; 4 -СМ 3600; 5 - СМ 4200; 6 - КСМ 2000; 7 - КСМ 2000РМ; 8 - КСМ 4000; 9 -EASI-1224 «HURON»; 10 - 5Е «VOEST ALPINE»; 11 - ЭРГВ-630.9/05(Ц); 12 -ЭР-630.10,5/1(Г); 13 - ЭРП-1250.1б/1(Г); ¡4 - ЭРП-1250.16/1 (Г); ^ - ЭР-1250.17/ЮЦ; 16 - ЭРП-2500.21.4/1; 17 - ЭРШРД-5250.22/2; 18 - ЭРШРД-5000.50/3; 19 -ЭРШР-5000.40/7; 20 - SRs(K)-470; 21 - SRs(K)-2000; 22 - SRs-2400; 23 - KU-300;

24 - KU-800; 25 - SchRs-1500

Рис, 3. Горный карьерный комплекс для экскавации угля с получением высококачественных утлелродуктоа (пат. РФ № 2083839): 1 -экскавационное оборудование; 2 - сортировочный блок; 3 - блок брикетирования; 4 - грузоподъемное оборудование; 5 - контейнеры

Рис. 4. Карьерный мобильный сортировочный агрегат (пат. РФ № 2119015): I - ходовое оборудование; 2 - привод; 3 - поворотная платформа; 4 -кабина; 5 - приемный бункер; 6-10 - конвейеры; 11 - плуг-отделитель; 12 - грохот; 13 - лоток; 14-17 - бункеры-распределители; 18 - реверсивный конвейер; 19 - контейнеры; 20 - питатель; 21 - весы; 22 - кран, 23 - компрессор

ТХХНИЧКСКЛЯ ХЛГЛКТКПСТШСА

-СОГТ*

■сот

Рис. 5. Сортировочный модульный блок на низкорамном полуприцепе-тяжеловозе ЧМЗАП-9399: 1 - конвейер погрузки сортового угля одного класса крупности; 2 - конвейер подрешетного материала; 3 - конвейер погрузки сортового угля другого класса крупности; 4 - конвейер сброса негабаритов; 5 - сортировочный модульный блок; б - автомобиль-тягач

Для исключения потери качества сортового угля при его перевалке с одного вида транспорта на другой предлагается отгружать уголь в специализированные контейнеры. Возможно как минимум два варианта размещения контейнеров в момент погрузки. Первый вариант - контейнеры находятся на самом карьерном мобильном сортировочном агрегате, куда подаются с помощью его грузоподъемного оборудования либо другого мобильного грузоподъемного оборудования, например погрузчика. Второй вариант - контейнеры расположены на транспортном средстве.

По первому варианту предлагаемый карьерный мобильный сортировочный агрегат (КМСА), принципиальная схема которого представлена на рис. 4, работает в технологической цепочке с добычным экскаватором, передвигаясь вместе с ним по уступу. Блочно-модульное сортировочное оборудование можно установить на автомобиль, полуприцеп (рис. 5) или прицеп, тогда контейнеры не располагаются на КМСА. По варианту два контейнеры находятся на других транспортных средствах.

В процессе сортировки выделяется уголь двух классов крупности и отсев. Для удаления негабаритных кусков (не более 5 % добычи) с поля сортировочной установки используется ленточный конвейер 4 (рис. 5), расположенный в задней части сортировочной установки. С конвейера уголь сбрасывается на поверхность рабочей площадки, зачищается бульдозером и повторно экскавируется.

Концепция создания КМСА была реализована со шнековым грохотом ГШ-1000 на базе прицепа-тяжеловоза ЧМЗАП-5208 грузоподъемностью 40 т на Балахтинском разрезе.

Использование рассмотренных схем размещения сортировочного оборудования в забойных условиях разрезов или максимально приближенных к ним по технологии работ позволяет получать даже на малых разрезах сортовой уголь.

Таким образом, обосновано первое положение:

Экономичное формирование требуемого качества угля прежде всего определяется путем его переработки в блочно-модульных установках, располагаемых непосредственно на добычном оборудовании или на мобильном шасси, максимально приближенном к забою, причем в качестве добычного оборудования целесообразно использовать экскаваторы фрезерного или фрезерно-ковшового типа, имеющие лучшее соотношение производительности к массе машины и позволяющие отрабатывать пласты любой мощности.

2. Проблемы перевозки и хранения угля навалом

В настоящее время при транспортировке угля, перевалке с одного вида транспорта на другой и при его хранении происходят значительные потери. Хранение угля на открытых складах повышает зольность, происхо-

дат его выдувание, вымывание, самовозгорание, от которого ежегодно теряется до 7 % добываемого угля, а также сильное загрязнение прилегающей территории и воздушного бассейна. В работе выполнен анализ процессов, приводящих к потерям, и даны их качественные оценки.

Пожарная безопасность скоплений углей может быть обеспечена условиями стационарности потока тепла путем снижения объемов. Это может быть достигнуто перевозкой и временным хранением угля, например, в контейнерах.

В зимнее время возможно смерзание угля. В основе процессов, происходящих при примерзании угля к кузову, лежит теплообмен между кузовом и обтекающим его холодным воздухом. Из-за намерзания угля в полувагоне не удается полностью выгрузить его на вагоноопроки-дывателе. Замеры невыгруженного угля (рис. 6) показывают, что максимальная масса достигает 7,5 т, а среднее значение за отопительный сезон с октября 2002 г. по март 2003 г. составляет 1,64 т на один вагон.

Рис. 6. Средняя масса примерзшего угля, перевозимого в полувагонах на Назаровскую ГРЭС в отопительном сезоне 2002-2003 гг.

Разгрузка примерзшего угля из полувагона через нижние люки трудоемка и выдвигает другую проблему - это поломки полувагона. Вследствие механического воздействия разгрузочные люки и их торсионные устройства выходят из строя (рис. 7), что вынуждает работников угольных складов закрывать их ломами. На закрытие каждого люка (170 кг) задействуется 3 человека. Неисправные полувагоны являются одной из основных причин потерь угля при перевозках.

В перевозках угля задействованы различные виды автомобильного транспорта. Для оценки потерь были проведены наблюдения за перевозками угля автомобильным транспортом. Изучение перевозок угля позволило установить, что потери распределяются по длине маршрута не-

равномерно, большие отмечаются в начале транспортирования, когда происходит «утряска» угля в кузове и ссыпание кусков угля и мелочи, находящихся на бортах кузова и оказавшихся там при погрузке.

Рис. 7. Структура неисправностей полувагонов, перевозивших уголь: 1 - щели разгрузочных люков; 2 - зазоры в торцевой части вагона; 3 - пробоины кузова; 4 -трещины, зазоры в кузове; 5 - порыв, смятие верхней обвязки кузова

Наблюдения за перевозками позволили выявить факторы, от которых зависят потери угля (табл. 1), и оценить степень их влияния.

Таблица 1

Факторы, влияющие на потери угля при перевозках автомобильным транспортом

Факторы Характеристика Степень влияния"

Дорожные условия Тип дорожного покрытия: асфальто- и цементобетонное сборное железобетонное щебеночное, гравийное, шлаковое и грунтощебеночное + +

укатанное грунтовое +

Состояние дорожного покрытия (ухабы, рытвины, ж/д переезды) +

План трассы (повороты, виражи) +

Профиль трассы (подъемы, спуски) +

Тип подвижного состава:

бортовой автомобиль 0

прицеп 0

Под- полуприцеп самосвал (без заднего борта) 0 +

вижной Техническое состояние подвижного состава:

состав основных бортов и днища +

надставных бортов +

подвески +

Форма кузова -

Периметр кузова 0

Темпе- Сангвиник +

рамент Флегматик -

водите- Холерик +

ля Меланхолик 0

Продолжение табл. 1

Факторы Характеристика Степень влияния*

Груз и условия погрузки Марка угля -

Гранулометрический состав +

Загрузка кузова: с «шапкой» без «шапки» +

Погодные условия Температура воздуха -

Ветер +

Осадки (дождь, снег) 0

Влажность 0

* Знак «-» соответствует слабому влиянию, «О» - среднему, «+» - сильному.

При рассмотрении фактора дорожных условий было установлено, что потери зависят не только от типа дорожного покрытия, но и очень сильно от его состояния. Выявленные закономерности потерь угля от дорожных факторов на условном маршруте можно представить в виде графика интенсивности потерь (рис. 8).

Грунтовая Поворот Ж/д Движение на Остановка Неровности Ровнаа /, м

дорога маршрута переезд уклоне вверх на светофоре на дороге дорога

Рис. 8. График интенсивности потерь угля на условном маршруте перевозки автомобильным транспортом

Потери угля на маршруте зависят также от подвижного состава. Ввиду небольшой объемной массы угля его обычно грузят с «шапкой». При движении от тряски и вибрации угол естественного откоса уменьшается, и уголь, находящийся в кузове, сдвигается к бортам, откуда и происходит его падение. Особенно большие потери наблюдаются при отсутствии заднего борта у автомобиля-самосвала.

Для уменьшения потерь, повышения коэффициента использования грузоподъемности и оперативного реагирования на изменение объемного веса перевозимого груза была разработана конструкция кузова автосамосвала, которая позволяет менять высоту надставных бортов. Задний борт открывается автоматически при разгрузке с образованием увеличенного проходного сечения между днищем кузова и задним бортом, предотвращая тем самым возможные поломки заднего борта (рис. 9).

Предложенная конструкция решает локальную задачу, однако в целом проблема, связанная с потерями и снижением качества топлива при перевозке угля навалом, остается нерешенной.

Рис. 9. Конструкция кузова автосамосвала с изменяемой высотой надставных бортов и автоматическим открыванием заднего борта (а.с. СССР № 1637159; а.с. СССР № 1719254): 1 -боковой борт кузова; 2 - надставной борт; 3 - ось вращения надставного борта; 4 - задний борт; 5 - днище кузова; 6 - трос; 7 - регулировочное устройства троса; 8 - ось вращения кузова

Более сильное влияние на потери оказывает герметичность кузова и состояние подвески автомобиля.

Для выявления количественных потерь угля при перевозке его автотранспортом были проведены экспериментальные исследования на грунтовой дороге, ведущей от угольного склада ст. Бугач до асфальтированной ул. Калинина г. Красноярска. Этот отрезок пути протяженностью около 500 м со сравнительно ровной для грунтовой дороги поверхностью имеет в двух местах явно выраженные неровности (ухабы). На ней было проведено более 300 наблюдений за перевозками угля автомобилями с замерами угольных потерь. Большая часть этих наблюдений носила вспомогательный характер. С их помощью было установлено следующее:

- сравнительно простому измерению поддаются потери кусков угля размером не менее 1 см, т.к. улавливание угольной мелочи и пыли требует более дорогих и трудно выполнимых приемов;

- основная часть кусковых потерь угля приходится на два упомянутых выше участка с неровностями, на которых в отдельных случаях потери доходили до 6 кг;

- главными факторами, влияющими на потери угля на неровностях дороги, являются наличие заднего борта, наращенных бортов и манера вождения (темперамент) водителя.

С целью уточнения влияния упомянутых факторов на потери кускового угля на неровностях дороги был проведен полный четырехфак-торный двухуровневый эксперимент 24, где л:, - наличие (отсутствие) заднего борта, х2 - наличие (отсутствие) наращенных бортов, х3 - темперамент водителя, х4 - номер неровности. Функцией отклика являлись угольные потери, г. Для х2 и х3 наличию фактора соответствовала (+1), отсутствию - (-1), для *4 (-1) соответствовала первой неровности, а (+1) -второй неровности, если их считать от угольного склада. Последний фактор был управляемым, а первые три фактора - условно управляе-

мые, т.к. приходилось дожидаться автомобиля с нужными значениями этих факторов.

При этом удалось обеспечить равномерное трехкратное дублирование опытов, т.е. в обработке участвовало 48 специально отобранных наблюдений за автомобилями. Рандомизация опытов по редким сочетаниям факторов носила естественный характер, по остальным - проводилась специально.

Обработка результатов эксперимента велась по стандартным формулам для полного факторного эксперимента 2*.

Интерес представляла не столько точность определения угольных потерь на конкретной дороге по найденной функции регрессии, сколько вывод о влиянии входных факторов на эти потери, поэтому при построении модели было решено ограничиться линейной частью и парными эффектами.

Проверка найденных коэффициентов на значимость по /-критерию Стьюдента подтвердила значимость всех коэффициентов линейной части и половины коэффициентов парных эффектов. Модель, в которой оставлены только значимые коэффициенты, имеет вид

у = 2 643 - 924х, + 345х2 + 1 472х3 + 260х4 + 111х,х2 + 172л2х4 - 84хз*4. (4)

Данная модель признана адекватной по ^-критерию Фишера.

Анализ модели показывает, что потери кусков угля на неровностях дороги зависят, во-первых, от темперамента водителя и, во-вторых, от отсутствия заднего борта. Наличие наращенных бортов влияет на потери заметно меньше. Порядковый номер неровности на дороге почти не влияет на потери, что вполне понятно, т.к. расстояние между ухабами невелико. При этом на втором ухабе потери несколько выше, что объясняется постепенным расползанием угольной «шапки» на начальном этапе транспортирования. Анализ парных эффектов требует большей осторожности из-за меньшей величины самих коэффициентов. Самый крупный из них #24 (перед дг^) показывает, что машины с наращенными бортами имеют большие потери на втором ухабе, т.е. эти борта сдерживают расползание «шапки». Отрицательный коэффициент в34 свидетельствует о том, что темпераментный водитель больше теряет на первой неровности, т.е. весь процесс потерь у него происходит быстрее. Положительный коэффициент в|2 обозначает, что отсутствие заднего борта, которое само по себе увеличивает потери, не позволяет насыпать при погрузке высокую «шапку», это уменьшает потери через наращенные борта.

Построенная модель, хотя и носит локальный характер и не включает многие факторы угольных потерь, однако дает возможность оценить влияние на потери задействованных в ней факторов и представить в динамике процесс потерь на начальном этапе транспортирования.

При перевозке угля речным транспортом разгрузка в портах осуществляется на береговую линию плавучими кранами. Затем бульдозе-

рами и погрузчиками уголь перемещают от реки вглубь берега, формируя угольный бурт. При этом большое количество топлива измельчается, увлажняется при осадках и теряется, попадая в воду. «Угольный след» образуется по длине перемещения угля от береговой линии и собственно в месте нахождения самого бурта. В то же время под воздействием ножа бульдозера часть грунта попадает в угольный бурт, разубоживая уголь и снижая его качество. С береговых угольных складов уголь грузится погрузчиками в автотранспорт и доставляется до места потребления.

Борьба с потерями угля и экологичность при транспортировании и хранении являются важной задачей. Несмотря на то, что угольным потерям от пыления при перевозках посвящено много работ, нет универсальных способов расчета таких потерь. Основываясь на экспериментально полученной В.Н. Мосинцом формуле удельной сдуваемости пыли в зависимости от скорости ветра V, критической скорости сдуваемости пыли V^ и ряда констант, характеризующих свойства пыли, была получена формула интенсивности пыления g, мг/с, угольного объема с площадью основания 50:

g = l,92-S0(V-VKp)(e^ -1)-е 750000 . (5)

В формуле учтено также экспоненциальное затухание пыления от времени, соответствующее нормам естественной убыли угля. При транспортировании величину V в формуле (5) следует вычислять по формуле

+ К , (6)

где Ут - скорость транспортирования; У, - скорость ветра.

Потери угольной пыли при перевозке угля от разреза Бородинский до г. Красноярска (расстояние 180 км) по железной дороге в полувагонах размером 12,068 на 2,878 м и грузоподъемностью 69 т со средней скоростью на перегонах 14 м/с, скоростью ветра 5,4 м/с и при правильной погрузке составляют согласно формулам (5), (6) около 276 кг на полувагон, или 0,4 % от перевозимой массы, и соответствуют норме (до 0,6 %) угольных потерь для таких расстояний. Это подтверждает работоспособность приведенных формул.

При транспортировании угля водным транспортом на барже РВ-1800 с площадкой, имеющей S0 = 1 050 м2, грузоподъемностью 1 800 т (около 1 ООО т угля), со скоростью Ут = 6,9 м/с (около 25 км/ч) при скорости ветра F„ = 8 м/с и критической скорости сдувания пыли VKр = 3 м/с (учитывая влажность) потери от пыления согласно тем же формулам составляют: за первые сутки - 936,8 кг (= 0,094 %), за двое суток - 1 040 кг (= 0,104 %), за трое суток - 1 051,2 кг (= 0,105 %), за любое число суток - не превосходят 1 052,6 кг.

Котельным в черте города уголь доставляется с угольного склада автотранспортом. При движении автомобиля в черте города потери угля от пыления невелики из-за малого времени движения и сравнительно невысоких скоростей. Однако угольная пыль наносит экологический вред.

Прямолинейный участок трассы, который автомобиль проходит со скоростью FT, можно рассматривать как линейный импульсный источник пыли мощностью g/Vr, мг/м. Пыль сносится ветром и рассеивается в результате турбулентной диффузии. Рассеивание происходит в плоскости ХОУ, перпендикулярной линии источника, где ОХ - горизонтальная ось, а ОУ- вертикальная полуось. На основе формулы рассеивания пыли от точечного источника, приведенной B.C. Никитиным, была получена формула применительно к рассматриваемому случаю:

Щх,у,0 =-£--е 40(,+'о) , (7)

2я/Жт(/+/0)

д2

где /0 = , И - эффективный коэффициент турбулентной диффузии,

а - высота груженого автомобиля; g - интенсивность пыления, вычисляется по формуле (5).

Формула (7) позволяет рассчитать рассеивание пыли за автомобилем, где началу пыления соответствует время г = 0. Пылевое облако сносится ветром, поэтому его центр движется со скоростью ветра. В любой момент времени наибольшая концентрация пыли достигается в центре пылевого облака и вычисляется по формуле

£/(,) =-1-. (8)

° 2яЯКт(/ + 0

В начальный момент времени она равна своему максимальному значению:

_= _б£

2яОКт/0 л К, а

которое уменьшается в соответствии с формулой (8).

Перевозящий уголь автомобиль (например, КамАЗ-5511) высотой 3,5 м до верха угольной «шапки», шириной 2,310 м и длиной 4,525 м, двигающийся со скоростью 8 м/с (29 км/ч) при скорости ветра 6 м/с, оставляет за собой шлейф пыли с концентрацией 22,1 мг/м3 в середине шлейфа. Это превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) угольной пыли 4 мг/м3 в 5,5 раза. Концентрация пыли в центре шлейфа падает ниже предельно допустимых концентраций через 73 с. Это подтверждает наличие экологического вреда от существующего способа перевозок.

U = —--= (91

max l^ni/, _г, Л ' К '

Математическая модель расчета угольных потерь при перевозках железнодорожным, водным и автомобильным транспортом дает возможность оценить потери на этапах транспортирования, сходимость которых подтверждается нормами естественной убыли, и определить экологический ущерб, наносимый такими потерями.

Перевозка углепродукции в контейнерах позволит не допустить или значительно уменьшить потери, а значит, и предотвратить экологический ущерб. Преимущества контейнерной доставки угля заключаются в следующем:

Во-первых, контейнерный способ доставки даст возможность перевозить на одном транспортном средстве и хранить на одном складе угли различных марок.

Во-вторых, требования пожарной безопасности при перевозках угля в контейнерах могут свестись к контролю температуры нагрева контейнера при погрузке. В случае обнаружения, например тепловизорами, наличия разницы температур у контейнеров нагретые контейнеры к погрузке не допускаются, а после их охлаждения подверженный окислению уголь реализовывается на местном рынке. Ввиду относительно небольшого периода времени нахождения контейнера с углем на транспортном средстве, без попадания влаги и исключения проветривания внутри контейнера, маловероятно, что окислительные процессы могут привести к нагреванию контейнера.

В-третьих, по предлагаемой технологии перевозок контейнеры с углем перегружаются с применением грузоподъемного оборудования с электроприводом. Это позволит значительно сократить время перегрузки, исключить из работы бульдозеры, избежать потерь угля и, как следствие, загрязнения территории, водного и воздушного бассейнов.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют обосновать второе положение:

Основным средством обеспечения качества, снижения потерь и экологической безопасности процессов транспортирования и хранения сортового угля и брикетов от момента переработки до использования является контейнерный способ его доставки.

3. Особенности контейнеров для доставки и временного хранения углепродуктов повышенного качества и определение их количества в конкретном грузопотоке

Применение контейнеров при перевозках, особенно смешанных (например, железная дорога - река (море) - автомобильная дорога), способствует повышению экономичности доставки грузов.

Известные конструкции универсальных и специализированных контейнеров в силу разных причин не пригодны для их использования в

перевозках сортового угля и брикетов. Разработанные в диссертации требования к специализированным контейнерам позволили предложить конструкции контейнеров (табл. 2), приспособленных для перевозки уг-лепродукции повышенного качества.

Требование удобства загрузки связано с верхней погрузкой в контейнер и использованием сил гравитации загружаемого угля, а требование к соблюдению сохранности должно предусматривать крышки на загрузочный и разгрузочный (если такой имеется) люки.

Требование удобства разгрузки у разных потребителей может быть различным. Например, индивидуальным потребителям в коммунально-бытовом секторе необходимо разгружать по 5-10 кг/сут, в то время как на котельных небольшой мощности - по 100 кг/сут и более. Для котельных средней мощности должна бьггь предусмотрена быстрая выгрузка всего контейнера.

Таблица 2

Варианты конструкций специализированных контейнеров для перевозки углепродукции повышенного качества

Класс, брутто Назначение Конструктивный признак Особенности разгрузки Иллюстрация

Малотоннажные, до 3 т Индивидуальные потребители, котельные малой мощности Разгрузочный люк Порционная, с принудительным наклоном днища Рис. 10

С автоматическим наклоном днища в сторону разгрузки Рис. 11

Среднетон-нажные, отЗ до Ют Котельные малой и средней мощности Крышка из двух половин, закрывающаяся крюком Единовременная, опрокидыванием Рис. 12

Крупнотоннажные, свыше Ют Котельные средней мощности Сдвижная крышка из двух половин То же Рис. 13

Средне-и крупнотоннажные Для перевозки угле-продукции, склонной к смерзанию Мягкий контейнер в жестком каркасе —«- Рис. 14

Рассмотренные конструкции контейнеров позволяют решить задачу доставки углепродукции, однако при этом весьма важно знать, какое количество контейнеров понадобится потребителю, которому в течение определенного времени направляется грузопоток.

Под грузопотоком понимается поток угля, доставляемого в контейнерах одного вида по конкретному, постоянному пути, и поток порожних контейнеров, возвращаемых по тому же пути в обратном направлении.

а б

Рис. 10. Контейнер для перевозки, хранения и порционной разгрузки сортового угля или брикетов с принудительным наклоном днища в сторону разгрузки (пат. РФ № 2153452): а - транспортное положение; 6 - положение днища при разгрузке; 1 -крышка; 2 - ось; 3,4- пластины днища (3 - горизонтальная, 4 - вертикальная); 5 - шарнир; б - передняя стенка; 7 - дверца; 8 - шарнир; 9,10- фиксаторы открытого и закрытого положения; II - ролики; 12 - задняя стенка; 13 - гайка; 14 -шарнир гайки; 15-тяга; 16 - подшипник; 17- квадратные или шлицевые грани;

18 - желоб; 19 - опоры

а б в

Рис. 11. Контейнер с автоматическим наклоном днища в сторону разгрузки при уменьшении в нем топлива (пат. РФ № 2178379): а - транспортное положение; б - положение днища при разгрузке с пружиной кручения; в - то же с плоской ленточной пружиной; 1 - крышка; 2 - ось крышки; 3,4 - пластины днища (3 -горизонтальная, 4 - вертикальная); 5 - шарнир пластин; 6 - шарнир днища; 7 -передняя стенка; 8 - дверца; 9 - шарнир дверцы; 10,11 - фиксаторы открытого и закрытого положения дверцы; 12 - ролики; 13 - задняя стенка; 14 - пружина;

15 - пружина кручения; 16- ленточная пружина

Рис. 12. Среднетоннажный контейнер с массой брутто 5-10 т для перевозки угля (пат. РФ № 2243140): 1 - боковая стенка; 2 - крышка; 3 - шарнир; 4 - пружина; 5 - пластина; 6 -палец; 7-рычаг; 8 - ось рычага; 9 - крюк; 10 - фиксатор

Рис. 13. Крупнотоннажный контейнер для перевозки угля со сдвижными створками крыши (пат. РФ № 2271974): 1 -боковая стенка; 2 - торцевая стенка; 3 - сдвижная крыша, выполненная из шарнирно закрепленных пластин; 4 - верхний трос; 5 - зубчатая рейка; б -нижний трос; 7 - блоки; 8 -направляющие; 9 - шестерня, 10-упор; 11- ютокпневмоци-линдра; 12 - пневмоцилиндр

а б в

Рис. 14. Мягкий контейнер в жестком каркасе (пат. РФ № 2254278); 1 - угловая стойка; 2 - фитинги; 3 - промежуточная стойка; 4 - верхняя обвязка; 5 - опора; б - канаты поддержки; 7 - резинотросовая лента; 8 - элемент крепления

Число контейнеров, обслуживающих один грузопоток, обозначим где / - номер грузопотока. Численность всего контейнерного парка определяется суммой (суммирование ведется по всем грузопотокам).

I

Существующая практика расчетов показывает, что при определении численности контейнерного парка некоторого грузопотока без учета необходимого резерва контейнеров на неравномерность этого потока пользуются формулой (индекс / считается фиксированным и поэтому далее везде опущен)

"к=Т7%-> (Ю)

где (?г - годовой объем перевозок по данному грузопотоку, т; Му - масса угля в контейнере, т; Л^ - число оборотов контейнера в год.

Величина Му зависит от типа контейнера, обслуживающего грузопоток, и известна. Для потребителей со слоевым способом сжигания угля

£г = О,7-0гр, (11)

где <2гр - объем годового потребления рядового угля. Это обосновано тем, что доставляемый потребителю рядовой уголь содержит до 30 % мелочи и угольной пыли, которые не используются при слоевом способе сжигания топлива, т.к. либо проваливаются через колосниковую решетку, либо уносятся с дымом в трубу.

Согласно методическим указаниям по определению технико-экономической эффективности применения контейнеров,

02)

об

где р - коэффициент, характеризующий время пребывания контейнера в ремонте; Т,^ - время оборота контейнера, сут.

Формула (10) не учитывает сезонную неравномерность грузопотока, а для бесперебойного снабжения потребителей углем необходимо, чтобы контейнерный парк выдерживал самую высокую в году интенсивность потребления. Таким образом, в основе учета неравномерности лежит максимальная в году интенсивность потребления, которую можно оценить по имеющимся статистическим данным.

Подставим (12) в формулу (10):

N --!-. (13)

к 365 06 Л/у(1-Р)

Величина есть среднегодовая интенсивность потребления уг-365

ля, т/сут, но на интервалах меньше года интенсивность потребления за-

метно отличается от среднегодовой. В формуле (13) число контейнеров рассчитывается для временного отрезка поэтому вместо среднегодовой интенсивности следует использовать наибольшую в году интенсивен* (Т ) .

ность потребления за время Она равна ———, где Q'iT^) - наймов

большее в году потребление за время То6. Тогда с учетом сезонной неравномерности потребления число контейнеров вычисляется по формуле

^к=б'(7;б)---• (14)

к V _ß) v /

На практике в перевозке угля могут участвовать несколько видов транспорта. В пункте перегрузки угля с одного вида транспорта на другой неизбежно возникает угольный склад, объем которого зависит от всего комплекса возложенных на него задач. Часть этого объема будет связана с тем, что транспортные единицы этих двух видов транспорта заметно отличаются размерами. Пусть для определенности уголь перегружается с железнодорожного транспорта на автомобильный. Обозначим тс - массу угля в железнодорожном составе, а та - массу угля в автомобиле. Для простоты будем считать, что любой автомобиль перевозит тл угля. Обозначим тс - период времени между прибытием двух железнодорожных составов, а та - интервал времени между автомобилями. Тогда на склад поступил в течение времени тс угольный поток Q= тс! тс, а выходящий угольный поток равен тл / та. Поскольку параметры угольного потока не меняются после прохождения им склада, то

)

т т 'а Ч

откуда

Ta=^~V (15)

тс

Исходя из того, что поступивший на склад уголь будет вывозиться автомобилями с интервалами та в течение временного периода тс, неизбежен простой контейнеров с углем на промежуточном складе. Уголь, погруженный в первый автомобиль, простаивать не будет; уголь во втором автомобиле будет простаивать в течение та; в третьем - 2та и т.д. Число автомобилей К= mjmv Средний простой одной тонны угля составляет

Р ГПС tí Kii 2 2/иа

С учетом выражения (15)

— тя

•пр

2т,

с

Если перевозка угля осуществляется в контейнерах, то на перегрузочном угольном складе точно так же накапливаются порожние контейнеры и затем грузятся и вывозятся железнодорожным транспортом. Простой порожних контейнеров также может быть найден по формуле (17).

Если уголь проходит не один угольный склад, то время дополнительного простоя по этим складам суммируется. Суммарное время дополнительного простоя прибавляется к То5 в формуле (14) для расчета числа контейнеров, необходимого для функционирования данного грузопотока.

Расчеты, сделанные по разработанной математической модели, показали, что для снабжения сортовым углем котельной в Студенческом городке г. Красноярска со среднесуточным потреблением 32 т бородинского угля потребуется 22 10-тонных контейнера. Для перевода всех частных потребителей в г. Красноярске на снабжение сортовым углем в контейнерах типоразмера АУК-1,25 грузоподъемностью 2,8 т потребуется 295 ед., а для АУК-0,625 грузоподъемностью 1,3 т - 635 ед. При использовании контейнеров в качестве емкостей для хранения их количество возрастет, соответственно, до 3 428 и 3 768 ед.

Для обеспечения разовых потребностей в топливе предлагается паковать сортовой уголь и брикеты массой 5, 10, 50 кг в пакеты из крафт-бумаги и мешковины. Для снабжения населения в коммунально-бытовом секторе рекомендуются использовать мягкие контейнеры грузоподъемностью 0,1-2 т, а также малотоннажные специализированные контейнеры типоразмером АУК-0,625, АУК-1,25 массой брутто 1,3 и 2,8 т соответственно. Для котельных малой мощности - среднетоннажные специализированные контейнеры массой брутто 3-10 т. Для котельных средней и большой мощности - крупнотоннажные специализированные контейнеры массой брутто больше 10 т.

Таким образом, обосновывается третье положение:

Формирование транспортных потоков с углепродукцией требуемого качества необходимо осуществлять за счет применения предложенных специализированных контейнеров, удовлетворяющих различным группам потребителей, учитывая характер оборота контейнеров, обслуживающих конкретный угольный поток.

4. Механизация работ на угольных складах и математическая модель построения угольного склада при буртовом и контейнерном способах хранения

Угольные склады в той или иной мере присутствуют как в местах добычи угля, так и в местах перевалки его с одного вида транспорта на другой, а также на месте использования. Как уже отмечалось выше, для перевозки контейнеров с углем применяется грузоподъемное оборудование с электроприводом, что позволяет значительно сократить время на осуществление этой операции, исключить из работы бульдозеры, избежать потерь угля и, как следствие, загрязнения территории, водного и воздушного бассейнов. Правильное складирование и хранение твердого топлива, борьба с количественными и качественными потерями являются главными задачами угольных складов. При этом большое значение имеет площадь, занимаемая угольным складом, т.к. территория, прилегающая к пересечению транспортных коммуникаций, где происходит перевалка угля, городская черта, где размещаются производители тепловой и электрической энергии, предприятия, объекты коммунально-бытового сектора, - дорога. Территория, загрязняемая угольным складом в результате ветрового воздействия, на порядок превышает площадь самого угольного склада.

В работе выполнено сравнение площадей складов при буртовом и контейнерном способах хранения.

При буртовом хранении угля объем бурта и площадь, им занимаемая, зависят от формы и линейных размеров бурта. Форма бурта определяется несколькими факторами: видом техники, используемой для создания бурта, конфигурацией отведенной для него площадки. Если уголь подвозится по железной дороге с выгрузкой на повышенном пути, то бурт формируется вытянутой формы вдоль этого пути. Если уголь подвозится автотранспортом, то при создании бурта бульдозером его форма может быть приближена к усеченной пирамиде. При выгрузке угля грейфером бурт может иметь форму конуса, однако это относится к буртам недолгого хранения. При создании же буртов резервных складов (длительного хранения) рекомендуется выполнять их обтекаемыми и располагать вдоль преобладающего направления ветра для уменьшения пыления и загрязнения близлежащей территории.

Рассмотрим распространенную форму бурта, имеющего в основании прямоугольник (рис. 15) шириной А6 и длиной

В расчетах все откосы бурта имеют один и тот же угол а = 45°, что соответствует его максимально возможному значению, а следовательно, и максимальному значению объема бурта при фиксированном основании.

По данным анализа существующих буртов, отношение длины и ширины бурта

Лб

укладывается в ограничения

2 < Р < 10.

(18)

А,

Рис. 15. Форма угольного бурта, принятого в расчетах

Опуская промежуточные рассуждения, ширину бурта можно найти по формуле

(-;-ГЛ

^ 2р

р+1+1(р+1)2+4р

Н1

а площадь бурта - по формуле

(19)

(20)

где У6 - объем бурта; Я6 - высота бурта.

Подставляя в формулы (19), (20) минимальное и максимальное значения р, определяем 5бтт и 5бтах соответственно. При расчетах необходимо следить за тем, чтобы при максимальном Р величина А6, найденная по формуле (19), удовлетворяла условию А6 > 2Нб. В противном случае наибольшее значение р требуется уменьшить до соблюдения этого условия.

При контейнерном способе доставки угля площадь, занимаемая контейнерами, имеет прямоугольную форму шириной А„„ и длиной Вш:

•^ПЛ = Лпл ' ^ПЛ- (21)

Она разделена на сектора проходами шириной а„. Каждый сектор заполнен контейнерами, которые устанавливаются рядом друг с другом с зазором, равным 0,1 м. В секторе по длине площадки располагают ц контейнеров, а по ширине - то количество, которое позволяет ширина площадки.

Все контейнеры в секторе принадлежат одному типу, имеют одинаковые размеры: внутренние - ак, вк, йк; внешние - Вк, где ак и Ак -размеры по ширине площадки, в, и - по длине площадки, А, и Я, -высоты контейнеров.

Предположим, что на рассматриваемой площадке контейнеры установлены в Р ярусов. Поскольку уголь, содержащийся в контейнерах одного яруса, заполняет не весь объем, т.к. есть стенки контейнеров, зазоры между контейнерами и проходы между секторами, то он занимает долю данного объема:

«к вк Л/(Л+0,1)

Л л

' . , а„ -0,1 вк + 0,1+———

Нк. (22)

Считая объем угля Уу фиксированным, определяем площадь, занимаемую контейнером:

К

(4,+0,1)[ Д, + 0,1+0,1

Дш

РК аквк (Лл+О.1)

Для практических расчетов параметры, мало влияющие на результат, зафиксируем в некоторых средних значениях: ап = 0,9 м, ц = 4, А^ = 20 м. Чаще наилучшей ориентацией контейнеров на площадке является такая, когда наибольшая сторона контейнера (иногда это его ширина) параллельна длине площадки. Поэтому в расчетах Ак будет наименьшим, а Вк -наибольшим размером контейнера в плане. С учетом этих допущений используемая для построения графиков формула примет вид

^¿.ММд«,,, т

* внутк

где КвнуТ1( - внутренний (полезный) объем контейнера.

Результаты расчетов по контейнерам 1С и УУК-5 представлены в виде графиков (рис. 16, 17).

Выбранные для расчетов типы контейнеров применимы для поставок угля ТЭС и котельным средней мощности, как наиболее массовым производителям тепловой и электрической энергии. Площадь, занимаемая углем при буртовом способе хранения, имеет выраженную линейную зависимость. Полоса при подсчете площади бурта высотой 3 м показывает диапазон изменения этой площади при различном р. Для других высот бурта приведено среднее значение диапазона. В графиках начальные значения V приняты равными 1 000 м3 для й = 3 м, й = 6 м и 5 000 м3 для й = 8м,й=10мв связи с тем, что при меньших объемах хранения бурт не может достигать данных высот. На практике угольный бурт никогда не принимает правильные геометрические формы, реальная площадь, занимаемая буртом, будет всегда больше представленной на графиках.

Рис. 16. График зависимости площади склада от объ- »» ема хранящегося угля, высоты бурта и числа ярусов 1И0 контейнеров при буртовом и контейнерном способе хранения до 10 тыс. т угля: 1И»

-- бурт высотой к,

......- контейнеры 1С, да

Г = 30 м3; —...... - контейнеры УУК-5, У= 10,4 м3

Рис. 17, График зависимости площади склада от объема хранящегося угля, высоты бурта и числа ярусов контейнеров при буртовом я контейнерном способе хранения до 60 тыс. т угля:

-- бурт высотой Л;

.......- контейнеры 1С,

V - 30 м3; ........... - контейнеры УУК-5, V" ¡0,4 м3

Очень слабая нелинейность графиков определения площади, занимаемой контейнерами с углем, связана с количеством проходов между секторами контейнерного парка.

Площадь угольного бурта высотой 1,5-2,5 м котельной в Студенческом городке г. Красноярска составляет 300-400 м2. При переходе на контейнерный способ хранения угля потребуется 22 10-тонных контейнера, половина из которых будет находиться в движении, а вторая - на угольном складе. При установке в 2 яруса они займут площадь 34 м2. Для хранения неснижаемого 15-суточного запаса потребуется еще 48 контейнеров, которые займут площадь 140 м2, а вместе с обслуживающим этот склад грузоподъемным оборудованием - 200-250 м2.

Разработанная математическая модель позволяет оценить площади складов при хранении угля в буртах (с разными их высотами) или в контейнерах (с разными ярусами установки и типами контейнеров). Выполненные расчеты свидетельствуют о перспективности контейнерного способа хранения угля с точки зрения экономии площади склада, которая значительно возрастает при увеличении грузоподъемности контейнеров и числа ярусов их установки.

ванных контейнеров с углем (пат. РФ № 2248930): I - несущая балка; 2 - прицепное устройство; 3 - роликовые каретки; 4 - полка роликовых кареток; 5 - боковины, б - стойки; 7 - ось; 8 - крестовины; 9 - кулачки; 10 - угловые фитинги; 11 - контейнер; 12 ~ ведомая звездочка; 13 - цепь; 14 — ведущая звездочка; 15- привод

С целью экологизации и механизации работ на угольных складах потребителей предлагается использовать кран, оборудованный траверсой для разгрузки контейнеров опрокидыванием (рис. 18).

Принципиальное отличие разработанной траверсы от применяющегося на перегрузочных работах спредера заключается в том, что спредер осуществляет захват контейнера за фитинги, расположенные в горизонтальной плоскости его верхней части, а грузоподъемная траверса разгрузки контейнеров опрокидыванием производит захват за фитинги с двух сторон в вертикальных торцевых плоскостях контейнера. Ось вращения при опрокидывании проходит через центр контейнера, и поэтому усилие, необходимое для придания крутящего момента, минимально.

Контейнеры с углем, имеющим различные характеристики и полученным с разных месторождений, можно хранить в одном штабеле. Это дает возможность предприятиям теплоэнергетики самим готовить шихту с заданными свойствами топлива.

Контейнерная перевалка безопасна, не ухудшает качества топлива, позволяет быстро и эффективно вести погрузо-разгрузочные работы, не загрязняя окружающую среду.

Таким образом, обосновывается четвертое положение:

Экономичное поддержание требуемого качества угля должно продолжаться при хранении посредством размещения различных марок углей в одном многоярусном контейнерном штабеле, что позволит обеспечить эффективное использование площади склада, полную механизацию и снижение трудоемкости работ, соблюдение экологической безопасности.

5. Получение проектного топлива в установках по смешиванию углей

Существующие технологии разгрузки, временного хранения, подачи угля в котельно-топочное оборудование со слоевым сжиганием топлива уже не отвечают современным требованиям по энерго- и ресурсосбережению. Применяемое котельно-топочное оборудование разработано под конкретную марку угля, что привязывает производителей тепловой и электрической энергии к конкретному месторождению, затрудняя при этом рыночные отношения между продавцом (разрезом) и покупателем (ТЭС, котельная).

Доставка угля в контейнерах позволит готовить, усреднять топливо, полученное с разных месторождений, перед сжиганием, обеспечивая этим высокий КПД котельно-топочного оборудования.

Мероприятия по подготовке углей к сжиганию включают входной контроль в соответствии с требованиями действующих стандартов. Для усреднения применяем бункерный способ перемешивания. Исследования по шихтованию канско-ачинских углей были проведены Н.В. Федоровым.

Для усреднения углей разработаны установки, использующие принудительный (рис. 19) и гравитационный (рис. 20) способы смешивания углей.

Рис. 19. Установка для усреднения углей принудительным способом (пат. РФ № 2271975): 1 - прямоугольные емкости; 2 - перегородки; 3 - боковые стенки; 4 - прямоугольная воронка; 5 - затвор; б - ось затвора; 7- цилиндрическая воронка; 8 - асимметричный выход; 9 - верхний подшипник; 10- труба; И -винтообразные реборды; 12 - зубчатый обод; 13 - привод; 14 - крышка; 15 -нижний подшипник; 16 - выходная воронка; 17-конвейер

родка; б - воронка; 7,8 - затворы; 9, 10 - оси; 11 - ось конуса; 12 - конус-рассекатель; УЗ - реборды конуса-рассекателя; -цилиндр; 15 - реборды цилиндра; 16 - выходной конус; 17 - выпускное отверстие; 18 - конвейер

Применение предлагаемых установок позволит разным потребителям получать необходимую смесь с характеристикой, близкой к проектному топливу.

Смешивание углей у мелких потребителей может происходить непосредственно в топке. Для этого в зону работы кочегара ставят два контейнера с углем, имеющим разные характеристики. Смешивание производит сам кочегар, подавая в топку, например, две лопаты нз одного контейнера и одну - из другого.

Установки гравитационного типа не требуют привода. Для их использования в технологическом процессе топливоподготовки необходимо учитывать факторы, влияющие на процесс смешивания. Для проведения экспериментов была изготовлена модель установки по смешиванию сыпучих материалов (рис. 21),

Целью экспериментов являлось определение работоспособности модели по усреднению углей гравитационным способом и основных технологических факторов, влияющих на процесс смешивания. Полученные рекомендации могут быть учтены в опытно-промышленной установке по усреднению углей.

Входными параметрами (управляемыми факторами) эксперимента были выбраны следующие:

гранулометрический состав рабочего тела (смешиваемого материала);

угол открытия шиберных затворов; высота падения рабочего тела -расстояние от шиберных затворов до конуса-рассекателя.

Кроме этого была проведена и обработана отдельно серия экспериментов при отсутствии конуса-рассекателя.

Сравнение качества смешивания, обеспечиваемого установкой с конусом-рассекателем и без него, позволяет оценить влияние конуса-рассекателя на качество смешивания.

Выходным параметром был выбран коэффициент усреднения. Значения управляемых факторов и число экспериментов были выбраны так, чтобы факторы встречались в различных сочетаниях. Коэффициент усреднения вычислялся по формуле

Рис. 2!. Экспериментальная модель установки по смешиванию различных магериаюв гравитационным способом

K = uJW{al-a)2l(n~\) ,

(26)

где

од =7ä( 100-а),

(28)

здесь Од - среднее квадратнческое отклонение до смешивания; п - число проб; а, (/' = 1,..., п) - содержание интересующего нас материала в смеси, %.

В каждом эксперименте из смеси отбиралось 4 пробы, т.е. во всех экспериментах п = 4.

Было проведено 57 опытов и получены значения коэффициента усреднения К. Довольно большое среднее значение этого коэффициента связано не только с хорошими усреднительными свойствами модели, но и с тем, что перед экспериментом смешиваемые вещества были разделены. В каждом эксперименте 30 < од < 50. Однако именно для смешивания изначально разделенных веществ и предназначена установка, модель которой изучается, поэтому данное среднее значение К объективно. По i-критерию Стьюдента были отброшены как ошибки эксперимента 4 из найденных 57 значений коэффициента усреднения. Эти отброшенные значения существенно больше оставленных для расчетов и свидетельствуют об очень хороших результатах смешивания в этих четырех экспериментах. Их статистически обоснованное отбрасывание занижает показатели модели установки, но наличие таких значений указывает на возможность получения высоких результатов по смешиванию, хотя и не гарантирует их.

Для выяснения влияния конуса-рассекателя на качество смешивания величины К, (/- номер эксперимента) были разделены на три группы:

I - высота падения смешиваемого материала 100 мм,

II - высота падения смешиваемого материала 200 мм,

III - конус-рассекатель отсутствует.

В каждой группе были найдены выборочные средние К{, Ки ,

АГ|П и выборочные средние квадратические отклонения 5Ь 5ц, 5Ш по формулам

где и, - число оставленных значений коэффициента усреднения в группе j,

У = 1,11, III. _

В результате расчетов были получены следующие значения: К1 = 9,62, = 13,18, =4,79,5, = 3,33,5ц =6,56,5Ш =2,27.

(29)

Величины К}, Ки , заметно отличаются друг от друга. Чтобы определить масштабность этих отличий, были рассчитаны доверительные интервалы по оценке неизвестных математических ожиданий Ki, /Гц, АГш, или истинных коэффициентов смешивания, для каждого из случаев I, И и III по формуле

K-t ••LüaZK + t (30)

Ы» V«

где п - объем выборки; /г„ - величина, определяемая по таблице критерия Стьюдента; у - доверительная вероятность, равная 0,95, как это принято в инженерных расчетах. Были получены следующие доверии-тельные интервалы:

8,02 < ^ <11,22; 9,05 < Кп < 17,31; 3,70 <#,„< 5,88. (31)

Интервалы величин К{ и Ка перекрываются, интервал же величины Л"ш лежит отдельно. Это свидетельствует о том, что К и Кп значимо отличаются от отличие между К\ и Ац не столь существенно, хотя и заметно.

Для изучения влияния углов открытия шиберных затворов на качество перемешивания величины К„ входящие в группы I, II, были заново разбиты на три группы:

1 - оба затвора открыты на 22,5°;

2 - первый затвор открыт на 45°, второй - на 22,5°;

3 - первый затвор открыт на 22,5°, второй - на 45°.

Значения К, из группы III в расчетах не участвовали, т.к. нас интересует влияние данных факторов на качество работы полноценной установки. В результате вычислений по формуле, аналогичной (27),

были найдены выборочные средние в группах: К, =12,01, Кг =10,47 и Къ = 10,59. Эти факторы слабо влияют на качество перемешивания,

хотя некоторое превышение АГ, над К2 и Кг заметно.

При изучении влияния размеров гранул смешиваемых веществ на качество смешивания величины К, из групп I и П были разделены на 5 групп. Обработка этих данных позволила сделать вывод о том, что для изучаемой модели наилучшее перемешивание достигается при размерах гранул 3-6 мм.

Обработка результатов экспериментов методами математической статистики дала возможность сделать следующие выводы.

Во-первых, наличие в установке конуса-рассекателя значимо повышает коэффициент смешивания (по данным проведенных экспериментов -в 2-3 раза).

Во-вторых, качество перемешивания заметно улучшается с ростом высоты падения - расстояния от шиберных затворов до конуса-

рассекателя, об этом свидетельствует превышение Ки над К1. Более детально это следует изучать на опытно-промышленной установке по смешиванию углей.

В-третьих, малые углы открытия шиберных затворов, т.е. медленное поступление веществ в бункер перемешивания, способствуют более качественному перемешиванию.

В-четвертых, существует оптимальный размер гранул, т.е. такой, при котором качество перемешивания достигает максимума. Для изучаемой модели это З-б мм.

На основе сделанных выводов о влиянии изучаемых факторов на качество перемешивания модели установки можно дать несколько общих рекомендаций по изготовлению и эксплуатации опытно-промышленной установки гравитационного типа для усреднения углей:

- использовать конус-рассекатель;

- располагать его достаточно далеко от шиберных затворов, оптимальное расстояние найти экспериментально;

- при регулировании шиберными затворами нужной концентрации смешиваемых веществ предпочтение отдавать малым углам открытия затворов;

- предусмотреть систему защиты от шума и пыли.

Наличие оптимального гранулометрического состава смешиваемых углей, который следует определить опытным путем, свидетельствует о возможности более качественного перемешивания сортового угля по сравнению с рядовым.

Таким образом, обосновывается пятое положение:

Окончательное формирование требуемого качества топлива достигается усреднением в бункерных установках углей с разными характеристиками, с получением у смеси свойств, необходимых для данного котельно-топочного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе обоснованы теоретические положения и разработан комплекс оборудования, совокупность которых можно квалифицировать как решение крупной научно-технической проблемы по созданию средств обеспечения качества углепродукции при ресурсосбережении и экологичности процессов, имеющей важное хозяйственное значение для развития топливно-энергетической отрасли страны.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Обосновано, что экономичное формирование требуемого качества углепродукции следует закладывать на разрезе, путем переработки угля в блочно-модульных установках, располагаемых непосредственно на добычном оборудовании или на мобильном шасси, максимально приближенном к забою, причем в качестве добычного оборудования целесообразно использовать экскаваторы фрезерного или фрезерно-ков-шового типа, имеющие лучшее соотношение производительности к массе машины и позволяющие отрабатывать пласты любой мощности.

2. Установлено, что применяемые на железнодорожном транспорте в перевозках угля полувагоны с донной разгрузкой не отвечают современным требованиям по сохранности перевозимого груза, экологич-ности, трудоемкости и характеризуются опасностью разгрузки и низкой надежностью конструкции.

3. Выявлены факторы, влияющие на потери угля при его перевозке и, соответственно, на загрязнение окружающей среды. Созданные основы расчета угольных потерь при перевозках железнодорожным, водным и автомобильным транспортом позволяют не только оценить потери на этапах транспортирования, сходимость которых подтверждается нормами естественной убыли, но и определить экологический ущерб от таких потерь.

4. В результате изучения физической природы явлений примерзания и самовозгорания угля определено, что для борьбы с этими явлениями необходимо уменьшить содержание влаги и обеспечить условие стационарности потока тепла путем снижения объемов. Применение закрывающихся контейнеров даст возможность предотвратить возникновение этих явлений.

5. Обоснованы и разработаны конструкции специализированных контейнеров, удовлетворяющие требованиям различных групп потребителей и позволяющие реализовать контейнерный способ перевозки, обеспечить поддержание качества и сохранность полученной на разрезе углепродукции.

6. Решена задача перевода угольного потока на контейнерный способ доставки угля на основе построенной математической модели оборота контейнеров, обслуживающих конкретный угольный поток.

7. Доказано, что экономичное поддержание требуемого качества угля должно продолжиться при хранении посредством размещения различных марок углей в одном многоярусном контейнерном штабеле, что обеспечит эффективное использование площади склада, полную механизацию и снижение трудоемкости работ, соблюдение экологической безопасности.

8. Разработана конструкция кузова автосамосвала, позволяющая снизить потери, оптимизировать коэффициент использования грузоподъемности путем изменения объема кузова с автоматическим открыванием заднего борта, образующим увеличенное проходное сечение, а также автомобиля контейнеровоза-самопогрузчика для перевозки спе-

анализированных контейнеров с углем, обеспечивающего минимальные затраты и время на осуществление погрузо-разгрузочных операций.

9. Разработаны бункерные установки по смешиванию (усреднению) углей из разных месторождений, окончательно формирующие требуемое качество топлива, а именно получение у смеси свойств, наиболее подходящих для данного котельно-топочного оборудования, что способствует повышению КПД котлов и развитию рыночных отношений между поставщиком (производителем угля) и потребителем (производителем тепловой и электрической энергии). Определены основные факторы, влияющие на процесс усреднения углей на установке гравитационного типа.

10. Практическая значимость научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их внедрением в ООО «Красноярскуглеавтоматика», ООО «Черногорская угольная компания», НПО «Красбрик». Разработанные конструктивные схемы размещения перерабатывающего оборудования, предлагаемые методы расчета определения количества контейнеров, стенды по усреднению углей с гравитационным и принудительным способом перемешивания используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ», «АФ ГУЦМиЗ» и «КГТУ». Опубликованная по результатам выполненных исследований монография отмечена золотой медалью и дипломом I степени на Кузбасском международном угольном форуме «ЭКСПО-УГОЛЬ» - 2006 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Демченко, И. И. Ресурсосберегающие и экологичные технологии обеспечения качества углепродукции: монография / И. И. Демченко, В. Д. Буткин, А. И. Косолапов. - М.: МАКС Пресс, 2006. 344 с.

2. Буткин, В. Д. Проблемы переработки и комплексного использования канско-ачинских углей / В. Д. Буткин, И. И. Демченко // Горн, пром-ть. 2001. № 1. С. 3-8.

3. Буткин, В. Д. Ресурсосберегающие технологии в угольной промышленности / В. Д. Буткин, И. И. Демченко // Уголь. 1996. № 11. С. 26-29.

4. Демченко, И. И. Концепция технологического и технического перевооружения малых разрезов / И. И. Демченко // Перспективные технологии и техника для горно-металлургического комплекса: сб. науч. ст.: в 2 ч. / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1999. Ч. II. С. 439-448.

5. Демченко, И. И. Новые подходы к ресурсосбережению в угольной промышленности / И. И. Демченко // Горн, информ.-аналит. бюл. М1ТУ. Вып. 5. М., 1997. С. 120-122.

6. Демченко, И. И. Ресурсосберегающая технология и горные комплексы -угольным разрезам / И. И. Демченко // Реализация научно-технических разработок - ключ к успеху: сб. / сост. к.т.н. И. Е. Никонова, Г. А. Худякова; ГАЦМиЗ. Красноярск, 1998. С. 13,14.

7. Углям КАТЭКа - расширение рынка сбыта и повышение конкурентоспособности / И. И. Демченко, В. Д. Буткин, В. И. Зудин, С. В. Ивкин // Тр. Рубцов. индустр. ин-та. Рубцовск, 2000. Вып. 6. С. 184-192.

8. Ивкин, С. В. Ресурсосберегающее сортовое и брикетное топливо для котельных и коммунально-бьповых нужд / С. В. Ивкин, И. П. Иванов, И. И. Демченко // Проблемы экологии и развития городов: матер, науч.-практ. конф. / КГТУ. Красноярск, 2000. С. 13-17.

9. Демченко, И. И. Вопросы развития переработки угля на основе мобильных перерабатывающих средств и контейнеризации / И. И. Демченко,

B. А. Мурысин, Ю. В. Усольцев // Минеральные ресурсы рудного и нерудного сырья Сибири в XXI веке: проблемы освоения и конкурентоспособности: тез. науч.-практ. конф. Новосибирск: Сибпринт, 1999. С. 119-121.

10. Демченко, И. И. Новую ресурсосберегающую технологию и технику формируемым горно-промышленным предприятиям Нижнего Приангарья / И. И. Демченко // Сырьевые ресурсы Нижнего Приангарья: тр. I науч.-практ. конф. по реализации Федеральной целевой программы освоения Нижнего Приангарья в Красноярском крае. Красноярск, 1997. С. 113-116.

11. Пат. 2078928 РФ, МПК Е21С 41/26. Способ открытой разработки угольных месторождений / Демченко И. И., Зудин В. И. № 94039244/03; заявл. 18.10.94; опубл. 10.05.97, Бюл.№ 13.

12. Демченко, И. И. Развитие технологии и техническое перевооружение малых разрезов / И. И. Демченко, В. Д. Буткин, В. И. Зудин // Уголь. 2000. № 3.

C. 49-53.

13. Демченко, И. И. Новые ресурсосберегающие технологии для угольной промышленности / И. И. Демченко // Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых: сб. науч. тр. / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1996. Ч. 1.С. 71-74.

14. Буткин, В. Д. Проблемы переработки и комплексного использования канско-ачинских углей / В. Д. Буткин, И. И. Демченко // Инвестиционный потенциал минерально-сырьевого комплекса Красноярского края: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Красноярск: КНИИГиМС, 2000. С. 121-126.

15. Пат. 2083839 РФ, МПК Е21С 47/00. Ресурсосберегающий горный комплекс / Демченко И. И., Буткин В. Д., Кравцов В. В. № 95106175; заявл. 19.04.95; опубл. 10.17.97, Бюл. № 19.

16. Kravtsov, V. V. Resource-saving and ecologically clear technology for production of competitive products from coal / V. V. Kravtsov, V. D. Butkin, 1.1. Dem-tchenko // Proceedings of the 6 TH international energy conference, 3-7 June 1996, Beijing. China, 1996. S. 244-246.

17. Butkin, V. D. Resource-saving and ecologically clean technology and complexes for production of competitive products from coal / V. D. Butkin, V. V. Kravtsov, 1.1. Demtchenko // Proceedings Fourth International Symposium on Mine Mechanization and Automation. Volume 2 Brisbane, Queensland 6-9 July, 1997. S. A8-45 - A8-48.

18. Пат. 2119015 РФ, МПК Е02Р 7/02. Карьерный мобильный сортировочный агрегат / Зудин В. И., Демченко И. И., Концевой А. А. № 97103477; заявл. 07.03.97; опубл. 20.09.98, Бюл. № 26.

19. Демченко, И. И. Изыскание способов и средств борьбы с налипанием и намерзанием горной массы на технологическом автомобильном транспорте в условиях разрезов КАТЭКа: дис. ... канд. техн. наук / Демченко Игорь Иванович. Иркутск, 1991.304 с.

20. Пат. 2125960 РФ, МПК В65Д 88/54. Контейнер для сыпучих грузов / Демченко И. И., Зудин В. И., Демидов Ю. В., Демченко А. И. № 96110835; заявл. 29.05.96; опубл. 10.02.99, Бюл. №4.

21. Паг. 2153452 РФ, МПК В650 88/54. Контейнер для сыпучих грузов / Демченко И. И., Зудин В. И., Буткин В. Д., Ивкин С. В., Демченко А. И. № 99104638; заявл. 09.03.99; опубл. 27.07.00, Бюл. № 21.

22. Пат. 2178379 РФ, МПК В650 88/54, 88/00. Контейнер для сыпучих грузов / Демченко И. И., Буткин В. Д., Ивкин С. В., Васильев С. Б., Демченко А. И. № 200015074; заявл. 09.06.00; опубл. 20.01.02, Бюл. № 2.

23. Паг. 2243140 РФ, МПК В65Э 88/54. Контейнер для сыпучих грузов / Демченко И. И., Буткин В. Д., Ивкин С. В., Васильев С. Б., Демченко А. И. № 2003101500; заявл. 20.01.03; опубл. 27.12.04, Бюл. № 36.

24. Пат. 2271974 РФ, МПК В650 88/54. Контейнер для перевозки, хранения и выгрузки опрокидыванием сыпучих грузов / Демченко И. И., Плютов Ю. А., Ковалев В. А., Тарских А. А., Демченко А. И„ Мурашева О. М. № 2004125311; заявл. 18.08.04; опубл. 20.03.06, Бюл. № 8.

25. Пат. 2254278 РФ, МПК В650 88/54. Контейнер для сыпучих грузов / Демченко И. И., Васильев С. Б., Тарских А. А., Нехорошее Д. Б., Демченко А. И., Мурашева О. М. № 2003112766; заявл. 29.04.03; опубл. 20.06.05, Бюл. № 17.

26. Зудин, В. И. Об использовании сортового топлива на железных дорогах России / В. И. Зудин, И. И. Демченко // Железнодорожный транспорт. 1995. № 3. С. 47.

27. Демченко, И. И. Расчет количества специализированных контейнеров при доставке сортового угля потребителю / И. И. Демченко, С. Б. Васильев А. А. Тарских // Веста. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 39: Транспорт. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 426-433.

28. Пат. 2248930 РФ, МПК В66С 1/28. Траверса для перемещения и кантования специализированных контейнеров / Демченко И. И., Ковалев В. А., Васильев С. Б., Нехорошева Л. В., Тарских А. А., Демченко А. И. № 2003109099; заявл. 31.03.03; опубл. 27.03.05, Бюл. № 9.

29. Пат. 2271975 РФ, МПК В65в 3/04. Бункер усреднения и загрузки углей / Демченко И. И., Буткин В. Д., Чесноков В. Т., Васильев С. Б., Тарских А. А., Демченко А. И., Мурашева О. М. № 2004119993; заявл 30.06.04; опубл 20.03.06, Бюл. № 8.

30. Пат. 2268219 РФ, МПК В650 3/04. Бункер загрузки и усреднения углей / Демченко И. И., Тарских А. А., Васильев С. Б., Нехорошее Д. Б., Демченко А. И., Мурашева О. М. № 2004114945; заявл. 17.05.04; опубл. 20.01.06, Бюл. № 2.

31. Тарских, А. А. Исследование влияния грузоподъемности и геометрических параметров кузовов автомобилей-самосвалов на их потребительские свойства (на примере перевозки угля) / А. А. Тарских, И. И. Демченко // Вестн.

Краснояр. гос. техн. ун-та Вып. 35: Технология и организация перевозок, управление и безопасность на транспорте. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. С. 121-131.

32. A.c. 1637159 СССР, МПК В60Р1/28. Самосвальный кузов транспортного средства / И. И. Демченко, Ю. А. Смирнов, С. Г. Осколков. № 4455603; заявл. 05.07.88; опубл. 22.11.90. ДСП.

33. A.c. 1719254 СССР, МПК В60Р1/267. Транспортное средство / И. И. Демченко, Д. В. Овчинников, Н. В. Браман. № 4733567; заявл. 01.09.89; опубл. 15.11.91, Бюл.Х» 10.

34 Демченко, И. И. Совершенствование доставки угля населению на примере г. Красноярска / И. И. Демченко, В. А. Ковалев // Вести. Краснояр. гос. техн. ун-та / КГТУ. Вып. 7, Сер. Машиностроение, Транспорт. Красноярск, 1997. С. 128-134.

35. Демченко, И. И. Современную технологию доставки угля индивидуальным потребителям г. Красноярска / И. И. Демченко, В. А. Ковалев, М. Г. Омышев // Транспортные средства Сибири: межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием / КГТУ. Красноярск, 1998. С. 116-126.

36. Демченко, И. И. Автопоезд самопогрузчик для перевозки контейнеров с сортовым углем / И. И. Демченко, В. А. Ковалев, М. Г. Омышев // Наука производству. 2000. № 3. С. 56-58.

37. Пат. 2273568 РФ, МПК В60Р1/48. Погрузо-разгрузочное устройство / Ковалев В. А., Тарских А. А., Демченко И. И. № 2004125019; заявл. 16.08.04; опубл. 10.04.06, Бюл. № 10.

38. Демченко, И. И. Проблемы перевозки угля навалом и возможное решение задачи / И. И. Демченко, С. Б. Васильев II Горное оборудование и электромеханика. 2005. № 3. С. 50-54.

39. Ковалев, В. А. Экологические проблемы доставки угля в городе Красноярске / В. А. Ковалев, М. Г. Омышев, И. И. Демченко // Проблемы экологии и развития городов: матер, науч.-практ. конф./КГТУ. Красноярск, 2000. С. 17-18.

40. Васильев, С. Б. Сохранность угля при перевозке его автомобилями и экологичность процесса транспортирования / С. Б. Васильев, И. И. Демченко, А. А. Тарских // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 39: Транспорт. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 371-378.

41. Демченко, И. И. Экологические проблемы в решении вопросов доставки твердого топлива автомобильным транспортом / И. И Демченко, В. А. Ковалев, М. Г. Омышев // Достижения науки и техники - развитию города Красноярска: тез. докл. на науч -практ. конф. (22-24 окт. 1997 г.) / КГТУ. Красноярск, 1997. С. 111, 112.

42. Кравцов, В. В. Ресурсосберегающая технология и горные комплексы -угольным разрезам / В. В. Кравцов, В. Д. Буткин, И. И. Демченко // Красноярскому краю 65 лет: каталог выставки «Инновационный и научный потенциал Красноярского края» (10-14 нояб. 1999 г.) / Всерос. выставочный центр. М., 1999. С. 28.

43. Демченко, И. И. Экономические аспекты перевозки угля в контейнерах на примере г. Красноярска / И. И. Демченко, В. А. Ковалев, М. Г. Омышев // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. И: Машиностроение, транспорт / КГТУ. Красноярск, 1998. С. 48-62.

44. Тарских, А. А. Экономическая оценка вариантов перевозки угля автомобильным транспортом навалом и в контейнерах на примере г. Красноярска / А. А. Тарских, И. И. Демченко, С. Б. Васильев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. / под общ. ред. В. Е. Кислякова; ГУЦМиЗ. Красноярск, 2005. С. 351-365.

45. Демченко, И. И. Для улучшения обогрева грузов в автомобиле-самосвале БелАЗ-7522 / И. И. Демченко И Автомобильный транспорт. 1990. № 1. С. 12,13.

46. Демченко, И. И. О классификации способов и средств борьбы с налипанием и намерзанием горной массы на карьерном автотранспорте / И. И. Демченко //Уголь. 1991. № 1. С. 46-48.

47. Демченко, И. И. Процессы налипания и намерзания горной массы к внутренней поверхности кузова карьерного автосамосвала / И. И. Демченко // Изв. вузов. Горн. журн. 1991. № 5. С. 89-91.

48. Демченко, И. И. Совершенствование доставки угля населению / И. И. Демченко, В. А. Ковалев // Информ. листок Краснояр. ЦНТИ № 224-97. Сер. Р.55.43.35. Красноярск, 1997.

49. Ковалев, В. А. Современные проблемы развития специализированного автомобильного парка Сибири / В. А. Ковалев, М. Г. Омышев, И. И. Демченко // Транспортные средства Сибири: межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием / КГТУ. Красноярск, 199. Вып. 5. С. 19-27.

50. Демченко, И. И. Проблемы перевозки угля навалом / ИИ. Демченко И Инновационные процессы в современном образовании России как важнейшая предпосылка социально-экономического развития общества: материалы межвузовской науч.-практ. конф. / под общ ред. A.B. Гилева, ГОУ ВПО «Гос. ун-т цвет, металлов и золота». Красноярск, 2006. С. 171-178.

51. Демченко, И. И. Теоретическое обоснование создания горных комплексов для получения качественных углепродуктов / И. И. Демченко // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: тр. Междунар. науч.-практ. конф. Кемерово- ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2006. С. 29-31.

52. Демченко, И. И. Рациональные конструкции и размещение сортировочного оборудования на угольных разрезах / И. И. Демченко // Горное оборудование и электромеханика 2006. № 9. С. 7-10.

53. Демченко, И. И. Усреднение углей в установке гравитационного типа / И. И. Демченко // Изв. вузов. Горн. журн. 2006. № 6. С. 89-91.

Подписано в печать 07.02.07. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 110 экз.

Отпечатано на участке множительной техники Ин-та цвет, металлов и золота ФГОУ ВПО «Сиб. федер. ун-т» 660025, г. Красноярск, ул Вавилова, 66 а