автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Основы расчета технических средств локализации и обеспыливания воздуха для снижения мощности выброса пыли в атмосферу при перегрузке сыпучих материалов на рудоподготовительных фабриках

РГБ од

1 3 Шш •йэб

\

На правах рукописи

ЛОГАЧЕВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

' ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЫБРОСА ПЫЛИ В АТМОСФЕРУ ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА РУДООДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ФАБРИКАХ

05.14.16. Технические средства защиты окружающей среды (горная прошшеннооть)

Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 1996

Работа выполнена

в

Украинском государственной

научно-исследовательском институте безопасности труда, и экологии в горнорудной и металлургической промышленности (НИИБТГ) и в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (БелГТАСМ).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Саранчук В.И.

доктор технических наук, профессор Красовицкий Ю.В.

доктор технических наук; профессор Штокман Е.А.

Ведущая организация: институт "АО Центрогипроруда", г.Белгород

Защита состоится "ß "tC^&SCJ? igge года в 14 часов нг заседании диссертационного совета Д 064.40.01 в Северо-Кавказское научном центре высшей школы по адресу: 344700, г.Ростов-на-Дону, ул.Пушкинская. 140.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКЩ ВШ.

Автореферат разослан " -¿^^"f1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акяуальпосвь. Рудоподготовительные фабрики современных горнообогатительных комбинатов, перерабатывающие огромное количество сыпучих материалов, являются мощнши источниками пылевых загрязнений атмосферы. Особенно высокий уровень пылевых выбросов характерен для агломерационных и окомковательных фабрик, на которых в результате термической обработки тонкоизмельченных материалов•образуются высококонцентрированные аэрозоли. Многочисленные перегрузки этих материалов сопровождаются формированием направленных потоков эжектируемого воздуха, определяющих структуру и объемы валовых выбросов пылевых частиц в атмосферу. Интенсивность пылевыделений при перегрузках окатышей и агломерата достигает сотые доли от их массового расхода, а годовые объемы пылевых выбросов - сотни тысяч тонн.

Аспирация, как наиболее распространенный и универсальный способ локализации пылевыделений и защиты окружающей среды от загрязнений, остается малоэффективным прежде всего из-за неудачного выбора производительности местных отсосов и конструктивного несовершенства укрытий. Используемые методы расчета объемов аспирации и выбора рациональных систем отсоса запыленного воздуха, как правило, основаны на эмпирических данных или весьма упрощенных теоретических моделях и. потому их применение ограничено узким диапазоном изменения технологических и конструктивных параметров, перегрузочных уз- _ лов. Оптимизация инженерных решений и создание энергосберегающих' систем обеспыливания воздуха сдерживается отсутствием единой методологии изучения аэродинамических свойств гравитационных потоков сыпучего материала и раскрытия механизма эжекции воздуха этими потоками в различных его проявлениях: от процессов равномерного движения воздуха в закрытых желобах до формирования ускоренных воздушных течений в потоке свободно падающих частиц. Последние типичны для неорганизованных выбросов пыли при открытом складировании обожженных окатышей и погрузки их в вагоны.

Цель работу. Разработка научных основ расчета и выбора эффективных средств локализации и обеспыливания воздуха , обеспечивающих снижение пылевых выбросов в атмосферу при перегрузках сыпучих материалов.

Достижение поставленной цели связано с необходимостью:

- разработки, применительно к гравитационным потокам сыпучего материала, математической модели аэродинамического взаимодействия твердых частиц и воздуха;

- раскрытия/общего механизма и обобщения основных закономерностей эжекции воздуха потоками сыпучих материалов для хпрдктерннх

случаев движения твердых частиц в желобах и при их свободном падении;

- создания новых средств локализации пылевыделений и предварительной очистки воздуха от пыли в аспирационньи укрытиях перегрузочных узлов.

Идея работ заключается в исследовании закономерностей аэродинамических процессов эжекции воздуха падающими частицами на базе феноменологических моделей механики гетерогенных сред, рассматривая поток сыпучего материала как разновидность двухскоростного континуума "твердые частицы - воздух".-.

Научная иовиава результатов работы и их значимость состоит в том, что: ■

- разработан и предложен динамический подход к теоретической оценке эжектирующих свойств потока твердых частиц, позволяющий рассматривать поток сыпучих материалов как эжекционный нагнетатель, обеспечивающий перетекание запыленного воздуха по желобам и обуславливающий неблагоприятную- экологическую обстановку у перегрузочного узла;

- разработан метод экспериментального определения аэродинамического сопротивления частиц, позволяющий измерением статических давлений в герметичном желобе получить количественную оценку аэродинамической характеристики твердых частиц в потоке и тем самым учесть сложный в теоретическом описании механизм сальтирующего движения частиц;

- исследованы и описаны одномерные течения, эжектируемого воздуха для изотермических и нагретых потоков сыпучего материала в призматических и бункерообразных желобах при различных распределениях частиц и режимах их движения, что позволило получить достоверные • расчетные соотношения для определения расхода воздуха, поступающего в аспирируемые укрытия вместе с материалом;

- построена математическая модель струйного течения воздуха в свободном потоке падающих частиц и найдены решения автомодельного движения эжектируемого воздуха с учетом турбулентной вязкости для плоской и осесимметричной струи, что позволяет найти расход запыленного воздуха, выделяющегося из потока сыпучего материала при складировании и отгрузки их в .вагоны;

- сформулирована и решена одномерная задача об эжекции воздуха в канале частично заполненного падающими частицами, описаны возникающие при этом циркуляционные течения, что дает возможность найти расход ''воздуха в потоке частиц и вне его в зависимости от расстояния между стенками канала и поверхностью потока и в конечном итоге разработать универсальные методики расчета систем локализации пылевыделений.

Достоверность иаушых положений , выводов и рекомеядащш обоснована: выбором физичесгаи моделей, базирующихся на классических положениях фундаментальных теоретических исследований механики гетерогенных сред; объемом и современной методологией экспериментов' в лабораторных и промышленных условиях; учетом реальных условий йро-явления аэродинамических процессов в промышленных перегрузочных узлах; сопоставимостью результатов теоретических исследований с данными экспериментальных измерений соискателя и других авторов; данными промышленных испытаний местных отсосов и укрытий на предприятиях горнорудной и металлургической промышленности.

Практическое адапета раболя заключается в следующем:

- результаты исследований эжектирующих свойств потока сыпучего , материала позволили разработать серии научно-обоснованных методов расчета и рационального размещения местных отсосов для наиболее интенсивных источников пнлевыделения промышленных узлов переработки сыпучих материалов: для конвейерных перегрузок сыпучих материалов, прошедших термическую обработку ; для узлов дробления при обогащении и окусковании полезных ископаемых; для узлов грохочения при сортировке холодных и нагретых сыпучих, материалов; для узлов смешивания и охлаждения шихтовых материалов' агломерационного производства; для узлов загрузки и разгрузки обжиговых и агломерационных машин; для узлов складирования и отгрузки железорудных окатышей;

- результаты исследований закономерностей формирования пылеЕых потоков внутри желобов и в полости технологического оборудования позволили разработать высокоэффективные средства локализации и обеспыливания воздуха по пути движения сыпучего материала: центрирующие патрубки, винтовые спуски, затворы, двойные и телескопические желоба, обеспечивающие снижение интенсивности пылевыделений при загрузке сыпучих материалов, фильтрующие насадки и сепарирующие элементы в аепирационных укрытиях и пылеприемниках, обеспечивающих предварительную очистку аспирируемого воздуха от грубодислерсной пыли; систему аепирационных укрытий для узлов свободного ссыпания материала при складировании и загрузки вагонов, обеспечивающих значительное снижение мощности, неорганизованных выбросов пыли на фабриках окускования железных руд. "

Реализация работ. На основе результатов выполненных исследований разработаны нормативно-методические руководства и справочные пособия по проектированию обеспыливающих систем:

- Методические' указания по определению и расчету неорганизованных выбросов пыли при открытом складировании обожженных окатышей на фабриках горнообогатительных комбинатов (Минчермет СССР, ГГО им. Воейкова, Госкомгидромет СССР, 1982);

- Рекомендации по проектированию отопления и вентиляции агло-

мерационных фабрик червой металлургии (АЗ-500, ГПИ Сантехпроект Госстроя СССР, М.1071);

- Временные указания по расчету объемов аспирируемого воздуха от укрытий мест перегрузок при транспортировании пылящих материалов (АЗ-611, ГШ Саитехпроект Госстроя СССР, М.1973);

- Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности (М.Недра, 1982);

- Инструкция по комплексному улучшению условий труда на обогатительных фабриках металлургической промышленности (Механобр, Минц-ветмет СССР, Ленинград, 1984);

- ОСТ 14-17-98-83. ССБТ. Подготовка металлургического сырья. Аспирация. Метод .расчета производительности местных отсосов укрытий мест перегрузок сыпучих материалов (Ыинчерует СССР, М.1984);

- Руководство по проектированию систем отопления и вентиляции окомковательных фабрик предприятий черной металлургии (ГПИ Казсаи-техпроект Госстроя СССР, Алма-Ата, 1886);

- Местные отсосы и укрытия технологического оборудования рудо-годаотовительных фабрик (альбом, ГПИ Каэсантехпроект Госстроя СССР, Алма-Ата, 1986);

Разработанные автором методические материалы по расчету и конструктивному оформлению местных отсосов и укрытий нашли широкое применение при строительстве и реконструкции систем аспирации крупнейших предприятий металлургической промышленности Кривбасса (Сев-ГОК, ЮГОК, НКГОК, ЦГОК, КГОКОР); КМА (ЛебГОК, МГОК, ОЗМК); Кузбасса (Ьг <3); Казахстана (ССГОК) и Карелии (КГОК), обеспечивших снижение мощности выбросов пыли и запыленности воздуха, рабочей зоны до уровня ПДК.

Аа ваа&ву ышосяяся следующие основные положения и результаты исследований:

- гравитационный поток сыпучего материала характеризуется мак-ромасштабныы процессом поступательного движения эжектируемого ш воздуха, закономерности которого могут быть раскрыты на осноее классических законов механики многоскоростных взаимопроникаю®« континуумов:

- эжектирующие свойства потока сыпучего материала определяются аэродинамическим сопротивлением коллектива падающих частиц , которое может быть найдено методом измерения статических давлений в желобе и зависит не только от геометрической формы частиц и числа Рейнольдса, но и от изменения объемной концентрации частиц;

- аэродинамические процессы в желоб.ах определяются физико-механическими свойствами потока сыпучего материала (режимом движении частиц, распределением их в поперечном сечении потока, гранулометрическим составом), геометрическими параметрами келобов (длиной «.е-

лобов и изменением формы поперечного сечения), характером динамического взаимодействия частиц и воздуха (величиной эжекционного напора), межкомпонентным тепло- и массопереносом, формирующим дополнительные силовые параметры (тепловой напор и силы межфазового давления), а также источники и стоки водяного пара;

- для коротких желобов Ш<0,5) с псевдоравномерным распределением падающих частиц аэродинамические процессы межкомпонентного взаимодействия могут быть оценены одномерными уравнениями динамики равноускоренного потока частиц и равномерного движения зжектируемо-го воздуха; из-за тормозящего действия частиц в начале желоба изменение объемов эжектируемого воздуха носит асимптотический характер - коэффициент скольжения фаз при увеличении числа Бутакова-Нейкова в области Ви>3 практически не изменяется и асимптотически стремится к величине ^иах » (1+п)/2;

- закономерности воздушных течений в потоке свободно падающих частиц определяйся геометрическими параметрами потока частиц и характером распределения их объемной концентрации, объемными силами межкомпонентного взаимодействия и силами турбулентной вязкости; в отличие от свободных воздушных струй, течения, индуцируемые свободным потоком частиц,характеризуются увеличением количества движения за счет сил межкомпонентного взаимодействия, а осевая скорость воздуха увеличивается по пути движения частиц, асимптотически приближаясь к их .скорости;

- доминирующими факторами, определяющими особенности механизма' . эжекции воздуха в канале при частичном заполнении'его сечения потоком сыпучего материала, являются ускоренный характер движения падающих частиц и наличие стенок канала, создающих различные условия подтекания воздуха и усложняющих процесс эжекции; из-за стесненности потока стенками канала в области 1<г<2 возникают замкнутые циркуляции воздуха, при приближении стенок канала к поверхности потока частиц (при г-1) длина зоны вихря и амплитуда колебаний скорости во внешнем течении уменьшается до нуля, а при удалении стенок длина вихря возрастает и при г-*2 может существовать лишь возвратное внешнее течение, зона которой уменьшается с ростом г;

- применением на всех этапах формирования аэрозольных потоков технических средств, разработанных на основе анализа особенностей технологических и пылеаэродинамических процессов, можно на порядок уменьшить интенсивность пылевыделений и снизить валовые выбросы, а за счет управления аэродинамическими процессами в потоке частиц сократить более чем на 50Х энергопотребление обеспыливающих систем.

Апробация рлбош. Основные положения диссертации обсуждены и получили положительную оценку на совещаниях Центральной комиссии по борьбе с силикозом (г.Аппатиты, 1007.; г.Дкепропетровок, 197? г.).

на XIX, XXI и XXII пленумах республиканской комиссии по борьбе о силикозом (г.Донецк, 1958 г.; г.Киев. 1972), на I и II Всесоюзной научной конференции по механике сыпучих материалов (г.Одесса, 1967, 1971 г.), на 9-ой Республиканской межвузовской конференции по вопросам горения и газовой динамики дисперсных систем (г.Одесса, 1969г.),- на П-ом координационном совещании по промышленной вентиляции (г.Москва, 19*69 г.), на научно-технических семинарах-конференциях по промышленной вентиляции (г.Волгоград, 1968,1976 г.), по борьбе с пылью на горнорудных предпрйтиях (г.Москва, 1972 г., 1980 г., * 1982 г., г.Кривой Рог, 1980 г., г.Челябинск,1983 г.), по охране труда на промышленных предприятиях (г.Свердловск, ' 1986 г.), . на международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов" (г.Белгород, 1995 г.),а также на научно* технических советах и секциях советов в институтах ГПИ Сантехп-роект (г.Москва, г.Ажа-Ата, Харьков), Неханобрчерыет, КГРИ и ВНИИБТГ (г.Кривой Рог), Центрогипроруда и БелГТАСМ (г.Белгород).

Публикащг. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, в том числе 4 монографии, и получено 22 авторских свидетельства на изобретения.

Сбъеы и сщг/юзурз.'дыесердадои. Работа состоит из введения, 12 глав, заключения и 2 приложений, изложенных на 688 страницах машинописного текста (361 е.- основной текст; 271 е.- рисунки (167) и таблицы (79), 19 с. - список литературы (213 наим.), 37 с. - приложения).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Перегрузка сыпучих материалов, как связующая многократно повторяющаяся операция в технологии рудоподготовки, вносит наибольший удельный вес на объёмы валовых выбросов пыля современного горнообогатительного комбината. Особенно высокая мощность выбросов характерна для перегрузки окатышей и агломерата - удельные пылевыделения составляют 0,8+2,4 кг/т, для сравнения при перегрузке железной руды эта величина не превышает 0,03 кг/т. Наиболее интенсивными неорганизованными выбросами пыли сопровождаются операции ссьтания окатышей в штабель открытых складов и погрузка в вагоны: удельные пылевыделения соответственно составляют 0,5+8,0 кг/т и 5,6+10,3 кг/т. Учитывая значительные объёмы производства этих материалов, суммарная мощность выбросов достигает сотни тысяч тонн пыли в год.

Рассматривая механизм пылевыделений при перегрузках сыпучих материалов, можно выделить следующие последовательно сменяемые друг друга процессы:

- аэрирование падающего потока, когда в момент сбрасывания сыпучего материала, разрываются аутогеэионные силы сцепления между

пылевыми частицами и формируется аэродисперсная система - пылевой аэрозоль;

. - аэродинамическое взаимодействие твердых частиц и воздуха в потоке сыпучего материала, в результате которого разрушаются конгломераты частиц, происходит формирование потоков эжектируемого воздуха и насыщение его пылевыми частицами;

- выделение в конце падения частиц запыленного потока эжектируемого воздуха и его растекание, что приводит к выносу пылевых частиц в окружающую атмосферу.

Основными факторам, определяющими интенсивность пылевыделе-ний, являются технологические и физико-механические свойства сыпучего материала, а также инструктивные параметры перегрузочных желобов и укрытий (рис.1). Большинство этих параметров оказывают влияние на объёмы эжектируемого воздуха, которые определяют вынос пыли из укрытий непосредственно при отсутствии аспирации, в случае т.н. неорганизованных источников пылевыделений, и через объёмы аспирации, когда эти источники переходят в класс организованных. В последнем случае процесс эжекции не только формирует объёмы аепирационных выбросов, но и оказывает существенное влияние- на концентрацию пыли в отсасываемом воздухе. Механизм выноса пыли из аспирационного укрытия подобен процессу гравитационного осаждения пылевых частиц в пылеосадителъной камере: чем больше размер укрытия и меньше объём эжектируемого воздуха, тем меньше максимальный размер частиц, удаляемых с отсасываемым воздухом, и, как следствие, меньше концентрация пыли в отсасываемом воздухе. Связь максимального диаметра пылевых частиц с их концентрацией в аспирируемом воздухе впервые убедительно было показана в работе проф. Мипко В.А.

Минимизация производительности местных отсосов за счет управления процесса).«;: экектиривания воздуха не только снижает объемы аепирационных выбросов, но и значительно уменьшает энергопотребление па локализацию и обеспыливание воздуха. Для осуществления эффективного управления процессом экектирования необходимо раскрыть механизм межкомпонентного взаимодействия и закономерности формирования направленное течений в потоке частиц при различных начальных условиях образования этого потока а при различном удалении ограждающих стенок (рис.2). На геометрические параметры потока-падающих,частиц оказывают влияние расход перегружаемого материала (ад, начальная скорость движения (у!1ач). крупность (с1), влажность (у») и аутогеэи -онные свойства (баут) частиц материала. Эти факторы определяют ди намику и структуру потока - скорость падения частиц (у), размер поперечного сечения потока (й) и распределение частиц (в).

На динамическое взаимодействие оказывают влияние индивидуальная особенность аэродинамического сопротивления падающих часчиц

Основные факторы, определяющее интенсивность пылевыделения

и~ х_~~

технологические плрАметры и физико-мехАнические свойств* материала

крепость.

К п

влажность,

\)с

) С

конструктивные ллрлметры перегрузочных желобов и местных отсосов

)

ГРАналсмгтри-ческий

СОСТАВ, ¿ер, а П

темяеРАтаРА,

Тм плотность

ФОРМА ЖеЛОБА,

тип йкрытия,

степень герметмАции,

Г*

0

1

Объемы эжектируемого воздихд,

Объемы воздуха, поступающего в укрытия через неплотности

зг

запылбнность воздуха Объемы ндАЛяемого воздихд ■х.

-• •'•' у-

ф

объемы выбросов

Рис.1. ■ Основные факторы, определяющие валовые выбросы пыли пси перегрузках сыпучих материалов

Начальные условия формирования потока

Внешние условия ПОЛТеКАНИЯ воздуха

желоо г0г5й канал го ж. СВ.СТРУЯ г«-*-®3

\ ■ьСР ■ 1

межком-

понентное

л^Г '^Т 1 ЬШШй-действне

А '

'кндмаил

/ДУАЛЬНАЯ 1ососенностьI а. с. п.ч. То

-асЛ. Качественная структура и основные факторы, спределявщие п^сивсс сжшси^и воздуха истоков п&д^вди,;. част;!*;

(а.с.п.ч.) - коэффициент сопротивления одиночной частицы (<ь), а также коллективная особенность аэродинамических свойств частиц при их совместном падении в потоке материала - приведенный коэффициент сопротивления частиц (V). При перегрузке нагретых материалов на эжекцию воздуха сказывается интенсивность межкомпонентного теплообмена (а). И, наконец, удаление непроницаемых стенок от оси потока (Го) создает разные условия подтекания воздуха и облегчает или усложняет процесс эжекции. При отсутствии ограждения (r0-* т) имеем случай свободного потока частиц. При этом в потоке формируется ускоренное струйное течение эжектируемого воздуха, при приближении стенок ограждения к потоку условия подтекания воздуха ухудшаются и помимо нисходящего потока воздуха может возникнуть восходящее течение (циркуляционное течение), а при г0 < R будем иметь случай желоба, в котором формируется равномерное движение эжектируемого воздуха.

В практике случай свободных струй может наблюдаться при ссыпа-ни;» частиц из надштабельной галереи, а самый распространенный случай перегрузки по желобам имеет в общем случае комбинированные условия подтекания. В начале потока , в приемной воронке, благоприятные условия подтекания воздуха - формируется струя эжектируемого воздуха (зона ускоренной эжекции), при поступлении частиц в прямолинейный участок желоба небольшого сечения (г0 < ■ R) формируется равномерный поток эжектируемого воздуха (зона постоянной эжекции). Соотношение этих зон в практике мажет быть различно. Чаще всего luco. желоба намного больше высоты падения в приемной воронки и эжекчированием ь начале потока частиц пренебрегают.*' Однако достаточно часто встречаются'перегрузки по Сункерообразным желобам (например, практически все желоба, примыкающие к грохотам, к разгрузочной части конусных дробилок), где начальный участок намного больше высоты прямолинейных участков. Как правило, в этом случае процесс эжектирования ошибочно рассматривают как процесс постоянного эжек-тирования в канале условного сечения (равного сечению струи частиц, либо сечению выходного отверстия бункера).

. Разнообразие факторов, определяющих процесс эжекции, и сложный механизм движения частиц и их взаимодействия с воздухом предопределили .долгую историю исследований эжектирувщих свойств потока твердых частиц (табл.1): от экспериментальной оценки этого эффекта при некоторых частных условиях его проявления до построения и разработки математических моделей, в начале простейших (энергетическая тео-

*) Практически все методические указания по проектированию игнорируют зону ускоренного эжектирования ,еа исключением ОСТ' 14-17-98-83.

Таблица 1

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЖЕКТИРУКВДХ СВОЙСТВ ПОТОКА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЛ

ЭХФЕКТЫ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ

МЕТОДЫ, ПОНЯТИЯ

АВТОРЫ

Движение воздуха в вертикальной трубе при пересыпке песка

(эжекция) Возвратное течение воздуха при движении песка в наклонном желобе

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ Учтена скорость частиц, полагая У2-0,48Уц<

Учтены скорость частиц, их расход и сечение желоба То же

То же

Альтмарк М.К. •1941

Серенко А.С.

1953 Камышенко М.Т.

1955 Шелекетин А.В.

1959 Бошняков Е.Н.

1965 Юеепег В. 1969

Учтены все основные факторы, кроме температуры То же

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ А. Энергетическая теория (основанная на уравнении закона кинетической энергии потока частиц) На основании анализа изменения кинетической энергии ускоренного потока частиц получено аналитическое соотношение для определения расхода зжектируемого воздуха Снижение объема То же, введено понятие коэффициента зжектируемого эжекции

воздуха • при То же, для порошкообразного матери-увеличении рас- ала, введены понятия "пакета" час-хода материала тиц и условного диаметра Б.Динамическая теория (основанная на уравнении закона изменения количества движения двухскоростного континуума "твердые частицы-воздух")

изменения

Бутаков С.Е.

1949 Нешеоп И.С.Ь. 1955

Нейков О.Д.

1965 Минко В.А. 1969

Тормозящее воз действие на объем зжектируемого воздуха потока частиц в начале желоба. Противоточное движение воздуха в желобе при перегрузке частиц с высокой температурой (опрокидывание эжекции). Всплеск давлений в начальный момент и в конце загрузки герметичного бункера сыпучим материалом

Использовано уравнение динамики равномерного потока воздуха в желобе с учетом объемных сил динамического и теплового взаимодействия компонентов. Введено понятие зжек-ционного напора.

Разработан экспериментальный метод определения аэродинамического сопротивления коллектива падающих частиц в желобе (метод измерения давлений)

Аналитические исседования переходных процессов для нестационарного потока нагретых твердых частиц Аналитические исследования уравнения пограничного слоя для струи воздуха, зжектируемого потоком свободно падающих частиц Аналитически доказана возможность циркуляции воздуха в канале при частичном заполнении его падающими частицами

Логачев И.Н. 1969 [73

1969 Г8)

1974 СЗ]

1981 (41

1667 (191

рия для равноускоренного потока монофракционных частиц в вертикальном келобе постоянного сечения), затем более сложных, предложенных автором, рассматривающих потоки твердых частиц сыпучего материала (первый компонент) и воздуха (второй компонент) как движение взаимопроникающее двухскоростных континуумов, динамика которых количественно описывалась классическими уравнениями механики гетерогенных сред [8,10,173.

Сила межкомпонентного взаимодействия представляет собой в общем случае объёмную силу, обусловленную аэродинамическим сопротивлением частиц из-за относительной скорости компонентов vi - vz и фазовым переходом при массообмене (при испарении):

Р12 - F12 + JBV12 - 01 Ri2'Pl/m4 + JV1, (1)

Она участвует в балансовых уравнениях сохранения импульса

о

01 pi dvi/dt - Pi pi Mi - F12, (2)

02 P2 dV2/dt - 02 P2 Мг + ЗП2к/ЗХк + Fl£. + J(V1-V2) (3) и кинетической анергии

01 Pi d(vi2/2)/dt - Bi pi Mi-vi - Fi2-vi, (4)

02 P2 d(V22/2)/dt - 02 P2 M2-V2+ V2•ЗПгк/ЗХк +

+F12-V2+ J(Vl-V2)-V2- (5)

Из последних уравнений видно, что только часть потерь кинетической энергии твердого компонента из-за аэродинамического сопротивления (Fi2-vi)jmeT. на увеличение энергии направленного потока воздуха (Fi2'Vi>Fi2*V2). Этот факт не был учтен моделью Бутако-ва-Хемеоиа, как и изменение направления вектора аэродинамического взаимодействия частиц в потоке сыпучего материала. Величина последнего нами определена в общем случае соотношением

Rl2 - Ф*ТО1эг/4 IV1-V2I (Vi-V2)P2/2 , (б)

Аэродинамическая характеристика частиц зависит от индивидуальной особенности (геометрической и динамической формы) и в значительной степени определяется изменением концентрации частиц в поперечном сечении потока.

Количественные параметры. характеризующие индивидуальные

свойства отдельных частиц, достаточно полно определяются геометрическим (кг) и динамическим формфакторами (к*), а также коэффициентом сопротивления в области автомодельности -

Оценивая крупность частиц величиной эквивалентного диаметра, а степень неизометричности коэффициентом вариации измеренных площадей проекции гг. нами было экспериментально установлено [2,63, что'коэффициент геометрической формы растет с увеличением коэффициента вариации гг. Острозернистые частицы'(железной руды, гранита, агломерата) по форме близки к геометрически правильным телам типа сжатого сфероида. Определяя экспериментально в конической трубе скорость витания частицы с данным геометрическим формфактором было установлено в области 0<гг<0.3 корреляционное соотношение

Фо - 2.44 & + 0.43, (7)

позволяющее рассчитать коэффициент сопротивления новых частиц, не прибегая к измерению скорости витания, а лишь найдя с помощью микроскопа типа МБС коэффициент гг для этих частиц.

Обобщение полученных результатов позволяет разделить твердые частицы на две группы: острозернистые частицы (с коэффициентами сопротивления в области автомодельности Фо - 1,2 - 2) и округлые частицы (окатыши ф0 - .1,0 - 1,2). Из-за макрошероховатости частиц область автомодельности наступает раньше чем у шара, и изменение коэффициента аэродинамического сопротивления удовлетворительно опи-: сызается двучленной формулой озееновского типа С63

4 - <к> (а/Г?е+1), (8)

которая дает возможность сравнительно просто интегрировать уравнение динамики. Последнее обстоятельство особенно важно для рассматриваемого Нами потока частиц,"пробегающих" в своем ускоренном падении все области обтекания. Выполненная нами оценка показала, что инерционные составляющие силы аэродинамического сопротивления как в области вязкого обтекания, так и в переходной области, в силу большой плотности частиц (р1>рг), имеют существенное значение лиаь в начальный момент падения частиц. Учитывая, что сама сила сопротивления в этом случае мала, при определении зжекции воздуха ускоренным потоком частиц влиянием сил присоединенной массы и наследственной силы Бассе можно пренебречь.

Коллективная особенность аэродинамического сопротивления падатих частиц определяется характером движения и распределения их в потоке. Наши исследования динамики частиц .в наклонном желобе [9,41 показали, что движение сыпучего материала характеризуется переходом связанного режима движения в несвязанное: равриво« потока на от-

дельные струйки и возникновением скачкообразного движения частиц (сальтацией). Изменение объёмной концентрации носит ярко выраженный экспоненциальный характер:

В - Во е"к'П, Во - вн

где Во - концентрация частиц у дншца желоба; Вн.ун - концентрация и скорость частиц в начале движения по желобу; V - скорость потока частиц на расстоянии х от начала, у - глубина потока, отнесенная к его ширине. Параметры распределения а и п зависят от модифицированного числа Фруда Гг* - ^/(У!3 Ь р*). При А^г" 106<40 имеем псевдоравномерное распределение частиц (п - 0,1 А0,5, а - 8,9 А0,2), при котором преобладает сальтирующее движение частиц при небольшом изменении концентрации в поперечном сечении потока. При А>40 возникает придонный слой, в котором движется большая часть постоянно сталкивающихся между собой частиц, а над слоем находится небольшое количество сальтирующих частиц (п-0,265А°'25; а-2,88А0'5). Поток частиц практически равноускорен, а коэффициент сопротивления стенок желоба этому потоку частиц зависит от режима движения.

При оценке аэродинамической характеристики коллектива частиц используют два метода. Первый, основанный на измерении установившейся скорости осаждения, применяется при исследовании гравитационных процессов обогащения полезных ископаемых. Второй, широко ис-по.' дуемый при исследовании аэродинамических сопротивлений различных .'ел в канале, основай на измерении сопротивления стационарных "решеток" из частлц.

Дл.' определения аэродинамического сопротивления ускоренного потока чостиц нами применен новый метод, основанный на измерении статических давлений в канале во время падения частиц. При этом использованы положительные качества известных методов, а именно "невмешательство" в естественный процесс падения частиц, характерное для первого метода и простоту измерений второго метода. Простыми средствами измерений удается оценить процесс динамического взаимодействия потока частиц воздуха, не нарушая сложный механизм движения отдельных частиц, и тем самым экспериментально учитывая ряд факторов, не поддающихся теоретическому описан™ (флуктуации концентраций, вращательное движение частиц, пульсации скоростей, соударение частиц и т.д.).

Апробация этого метода была осуществлена на потоке частиц о известными аэродинамическими характеристиками: поток капель воды и ;тальных шаров (опытные данные для шаров были любезно представлены З-Л-Олифером, выполнившим большое количество измерений давления в вертикальном желобе при пересыпке стальных иэроа диаметром 12,8

мм). Апробация дала положительные результаты. Значения коэффициента аэродинамического сопротивления, определенные расчетным путем по результатам измерения давления, например, в коротких вертикальных желобах

* - 4ЙарггРкЗж/СЙ1Р2(У1к3-У1н3)3 (9)

удовлетворительно согласуются с классическими результатами для шара. Этот метод был использован при оценке аэродинамического сопротивления коллектива частиц. Оказалось, что сопротивление частиц в потоке

Ф* - <Ь ехр[-1.84 /в 103 /<!э 103], 0.5<йв<20мм, 10~4<0<10~2 (10)

меньше, чем сопротивление одиночной частицы. Уменьшение усредненного (отнесенного ко всем частицам в потоке) коэффициента аэродинамического сопротивления с увеличением объёмной концентрации связано с неравномерным распределением частиц в канале. Подученный результат оказался верен для большинства сыпучих материалов, как монофракционного, так и полифракционного составов. Наиболее приемлемой является оценка средней крупности частиц полифракционного материала по формуле среднемассового диаметра.

Аэродинамика потока части в желобе (одномерная задача).

Одномерная задача сформулирована автором С8Л введением в урав-. нения динамики (2) и (3) вместо текущих значений скоростей, объёмных концентраций" и сил межкомпонентного взаимодействия, усредненных по сечению желоба величин:

бю^-в! (рг-р2)аг5кс1х:в1Р1Я125»с(х/тч. (11)

G2dV2-B2(P2-Po)exSжdx-SжCiB2P-W2P2SжV22dx/2D^•BlPlRl2SжClx/mч, (12) б1-81Р1У15*; б2-(1-в1)Р2У25ж. (13)

В физическом отношении сформулированная таким образом одномерная задача соответствует случаю равномерного распределения частиц по сечению. Однако, как показали сопоставления с экспериментом, одномерное уравнение (12) достаточно хорошо описывает процесс эжекции воздуха и для случая псевдоравномерного распределения частиц.

Усредненное значение силы сопротивления одномерного потока частиц характеризуется приведенным коэффициентом сопротивления частиц ф*. Интегрируя уравнение (12) в случае изотермического потока с небольшой концентрацией частиц (Рг-Ро; в2»1), имеем.

X У2г Г. , ^-УгМч-Уг) .

Р - Ро --Х--Ро + и 01кщ-Ройх. (14)

э 2 л г

о

где интеграл в правой части представляет собой перепад давления воздуха на участке желоба длиной х, обусловленный аэродинамическим сопротивлением падаюпщх частиц. Величина этого перепада была нами названа эжекционным давлением [83. При отсутствии направленного движения воздуха (У2-0) величина эжекционного давления равна статическому давлению в сечении, удаленном на расстоянии х от начала желоба. С учетом сопротивления воздуха движению частиц

Рэ-В+0,51п(1+В)/(1-В), В-/ 1-ехр(-2М , (15)

где - хах/су2; Рэ - РэхЗиЛбЮу); су- / 2аг/(+*ект). (16)

Анализ, соотношения (15) показывает, что изменение давления на участие И<0.5 удовлетворительно описывается уравнениями равноускоренного движения частиц

Рэ- ^ /3,

а на участке Ь2 -уравнением равномерного движения Рэ-Ь, т.е. эжек-ционное давление при витании частиц в вертикальном желобе достигает ма1. шального значения, равного весу частиц в желобе, отнесенного к плоииди поперечного сечения. В дальнейшем желоба длиной Ь<0..5 будем называть короткими. Решение уравнения (14) для коротких желобов дает след/лщее уравнение для определения коэффициента скольжения компонентов;

?к2 * 1 „ 231У1к

,-Ви. Ви——-г—, П-У1н/У1к, (17)

|1-Фк13 * |п-Фк13 '3 ' -5«ДоугР2'

•

Правая часть - комплекс величин, от которого зависит расход эжекти-руемого воздуха, названный нами в честь первых исследований этого явления числом Бутакова-Нейкова. Существенное отличие полученного нами результата заключается в том, что, в силу тормозящего действия потока частиц в начале желоба. • изменение коэффициента скольжения компонентов при увеличении числа Бутакова-Нейкова носит асимптотический характер. Область Ви>3 может быть.названа областью автомо-дельности. Здесь величина 9к практически не изменяется, оставаясь близкой к значению фПр=0.5(1+п). Завышенное значение коэффициента <Рк для энергетической теории по сравнению с полученными нами величинами объясняется уже отмеченной ранее некорректностью использоза-

ния уравнения сохранения кинетической энергии. Особенно наглядно это видно при сопоставлении с результатами Хемеона, который к тому же при учете сил аэродинамического сопротивления частиц считал воздух неподвижным. Полученные нами результаты находятся в хорошем качественном и количественном согласии с экспериментом.

При движении в желобах нагретого материала, в результате межкомпонентного теплообмена, интенсивность которого падает с увеличением объемной концентрации (гак же как и силы аэродинамического сопротивления)

N11-2,95 10-в Яе В-0,8; №1- —;

(18)

Яе--с1 ; У1ср«(У1в+У1К)/2,

v

в наклонном желобе возникает дополнительная сила - тепловой напор. Направление движения воздуха в желобе и его расход определяются соотношением медду зжекционным и тепловым напорами. В случае, когда теплообмен осложнен массообменом (при перегрузках нагретых влажных материалов), количество эжектируемого воздуха увеличивается не только за счет испарения водяных паров, но и ва счет дополнительных сил, обусловленных межкомпонентным переносом импульса за счет мас-сообмена и условно названных нами силами межфазового давления (последний член правой части уравнения (3)). Уравнение динамики в этом случае . будет отличаться от уравнения (12) наличием в правой части дополнительного слагаемого J(v 1-У2). Интегрированием этого уравнения для аспирируемого короткого желоба найдем

Ф2 - 1/3 Ви С|1-Ч»|3 - |п-<р|э] -Еит+Еи1 (— - 9 1;

3 1-пг '

(19)

Рт + Р1 - ?г <3в(тк - тИ)У1к

Ей, - 2—-г- ; Ей! - 2 ——-=- • (20)

ЕоЧк рг Бж аущ^рг

При пуске оборудования или при кратковременной загрузке сипу--чего материала возникают переходные процессы. Оценка силового воздействия потока частиц на воздух при мгновенном и при плавном изменении расхода материала в желобе показала, что при мгновенном пуске нагретого материала увеличение эжекционного давления "жестко" связано с изменением расхода материала,■а рост величины теплового давления из-за "инертности" межкомпонентного теплообмена намного отстает от этого изменения. Поэтому периодически работающие перегрузочные узлы характерны в аэродинамическом отношении режимом "холодных" пересылок в момент пуска (при этом движение воздуха а желобах определяется только величиной эжекционного давления) и режимом ос-

тывающей пересыпки, когда после Прекращения подачи материала в желобе действует только тепловое давление.

Учитывая жесткую связь между расходом материала и величиной эжекционного давления, уравнение динамики воздуха в желобах при плавных изменениях, количества падающих частиц может быть получено из уравнения для стационарных потоков. Так для давления в конце закрытого короткого желоба (при Уг-О) имеем

Vlk2 1-п3

Ра-Ф (ß)kmßl - Р2 —-, (21)

2 3(1-п)

откуда видно, что в силу экспоненциального изменения усредненного коэффициента <|>*(В) эжекционное давление имеет экстремум npji объем- ■ ной концентрации ß9=1235d2. Обычно при пуске технологического оборудования расход частиц возрастает от нуля до некоторой установившейся величины Gi». Если окажется, что'объемная концентрация частиц в установившемся режиме будет больше вэ, то возниктут всплески давлений. Это нашло опытное подтверждение: при больших расходах частиц наблюдались всплески давлений как при пуске, так и при остановке питателя. Величина этих всплесков, определяемая очевидным соотношением .

г d8 103\г vir2 1-п3'

Рэ тах" Ш--- -Р2 —- , (22)

. Л 0.0 е ' 2 3(1-п)

должна учитываться при выборе производительности аспирационных систем.

Рассмотрим некоторые характерные частные случаи одномерного потока в вертикальных желобах. Случай бункерообразных желобов характерен для перегрузочных узлов подгрохотного материала, когда мелкие частицы, проходя через решетку грохота, занимают все сечение желобов. Величина эжекционного напора и коэффициент скольжения компонентов будет определяться ускоренным потоком частиц и ростом скорости эжектируемого воздуха за счет изменения поперечного сечения желоба. Так для коротких желобов пирамидальной формы

Фк/2(а,п,Фк)-Ви, a-/Sc/Sk _ (2з)

где функция z определяется соотношением

г Фк / Фк л dx х2-п2

2 " J,x " ТТН* ' ' ~ГТ Гг • Fz " а+С1-а)— J . Fzz л . Fz ' Fz 1-n2

n

(24)

т.е. как и для призматических желобов, изменение коэффициента носит асимптотический характер. Корни уравнения 2(а,п.фк)-0 представляют

собой предельное значение ч>к для бункерообразных желобов. Кроме того, в случае а>1,6 могут существовать две зоны торможения: в начале и в конце желоба.

Скорость эжектируемого воздуха может изменяться и в призматическом желобе, когда при больших расходах материала часть живого сечения перекрывается потоком частиц. Для случая равномерного распределения частиц усредненный коэффициент аэродинамического сопротивления описывается дробно-линейной функцией

, 1+Ьв1 \2

Ф^Фо -1 (25)

1+Э01 '

охватывающей с достаточной для практики точностью широкий диапазон объемной концентрации - от сильно разреженного потока до потока плотно упакованных частиц (в частности для острозернистых частиц Фо=1.8; а-1/3; Ь=10/3). Интегрируя уравнение динамики (12) с учетом (25), получим для равноускоренного потока частиц при отсутствии теплообмена:

„ А |1-<р|3 - |П-Ф|3

<? - — »к - К(ч>,п,0к) + И; (26)

Се 3

А-Фо кш ч1к2/ат; Н-(Р2-Р1)/(Е4Угк2р2/2); Ф-и/. (27)

Здесь К(Ф,п,Вк) - Функция, учитывающая стесненность:

3 I , г+Ь0к \2/ 2 .

-3-;-Гз - - |2-0К-ф1(2-вк-ф) (28)

- (п-п!-3 <) ч г+авъ > ^ г-Лъ >

И-ФГ - 1п-<?|^ * К г+аИк > ^ 2-0к П

Анализ изменения коэффициента ч» при ристе объемной концентрации позволяет выделить две характерные области: при 0к<О,005+0,05 наблйдается резкое возрастание коэффициента с увеличением объемной концентрации, стесненность практически не сказывается; при 0к>О,О5 влияние стесненности заметно и коэффициент ф уменьшается.

При слоистом движении твердых частиц в наклонном желобе, характерном для порошковых материалов (например, для измельченного бентонита и известняка), аэродинамически активен не весь поток, а лишь его поверхность. Коэффициент скольжения компонентов может быть определен по формуле

<йк2 - А С11-<Рк13(3+Фк.)- IП-ФкIЭ(3п+Фк)]+Еит, (29) А-с Ьу1к2/(12агЕ43ж).

полученной интегрированием уравнения С12) о учетом взаимодействия шероховатой "поверхности" потока материала шириной b и его частиц, летящих над этой поверхностью. Как и для случая псевдоравномерного распределения частиц, из-за наличия участка торможения, коэффициент Фк имеет, предельное значение.

Аэродинамика свободной струи падащих частиц (двумерная задача). Вторым по значимости и распространению в технологии переработки полезных ископаемых является класс свободных потоков сыпучего материала. Это прежде всего потоки ссыпаемого материала при различных схемах складирования его. При загрузке открытых вагонов рудой, концентратом, окатышами также имеем дело со свободными потоками. По динамическому взаимодействию к свободным потоком близки потоки материала при загрузке в бункеры, приемные воронки дробилок. Уравнение динамики таких потоков можем получить из общих уравнений меха-нкчи многокомпонентных потоков, пренебрегая пульсационными моментами. Оценивая порядок величин и пренебрегая малыми членами, подобно тому, как строятся уравнения пограничного слоя, из общего уравнения Навье-Стокса получим следующее уравнение для плоской струи

3ux Эих fii п, ' azux Эй* 3uv __

Ux----— Iv-Uxl (v-Ux) + Nt —j-; — + — - 0,(30)

Зх oy e Эу* ax ay

Ni- vr/(cl») -0,5knbnV

и для осесимметрччной

9ux 3ux Pi rt 1 3 r 9uXn 9rur 3rux

Ux— + ur— — |v-Uxl (v-ux)+Nt — — r— ; — + —— - 0,(31) Эх Эг e г Эг^ Эг ' Зг Эх

отличающихся от известных уравнений Прандтля для изотермического струйного течения наличием объемных сил межкомпонентного взаимодействия.

. Кажущаяся незначительность этого отличия с математической точки зрения становится кардинальным в физичес;юм отношении: струйное течение воздуха в рассматриваемом классе двухкомпонентных потоков формируется именно благодаря этим объемным силач, а не начальному импульсу, что имеет место, например, в большинстве задач со свободными струями воздуха. В физическом отношении рассматриваемая нами двухкомпонентная струя характеризуется тем, что твердый компонент оказывает существенное влияние на аэродинамику пограничного слоя и является основной причиной формирования этого слоя, а в силу большой массы частиц, динамика твердого компонента не изменяется от

действия индуцируемых воздушных течений. Иначе говоря, мы имеем поток. твердый компонент которого имеет независимую от структуры воздушных течений поле концентрации частиц и их скоростей.

Для определения поля скоростей в плоской струе эжектируемого воздуха воспользуемся методом аффинных преобразований, сводящим систему дифференциальных уравнений в частных производных к одному обыкновенному дифференциальному уравнению автомодельного течения. Возможность сведения рассматриваемой задачи к автомодельной "облегчается" эмпирическим характером зависимости для 01, допускащим некоторый произвол в выборе конкретной функциональной связи. Например, при экспоненциальном распределении твердых частиц

01 - 0О ехр(-ахуу*), (32)

вводя функцию тока равной

4 - ш х5 4(г), 2 - а1/ь у, (33)

уравнение (30) можно преобразовать в обычное уравнение автомодельного движения

(4')2 - - (1-К4')п+1 + ЛС" , (34)

где ev-s/(s+v/t); аЛ.Б.т^-нетоторые константы; N - параметр, характеризующий отношение сил турбулентной вязкости к силам аэродинамического сопротивления

/(1+Г)0 5 •

К - величина. учитывающая отношение скоростей компонентов

К- /—у?'*. / 1+т

Для решения уравнения (34) при однородных граничных условиях:

4*0; 4"=0 при г-0; С~0 при 2-х» (35)

воспользуемся методом Блазиуса: найдем решение в области , малых и 6'1ЬШ1И значений независимой "переменной г (в области "нуля" и на "бесконечности") и осуществим "сраши'вание" этих решений в некоторой особым образом .выбранной точке 2о. Вначале рассмотрим простейший, но наиболее характерный случай равномерного распредедешп частиц в струе (при 1-«°). Так как

^ | 1 при г<1 е"г - { (36)

I 0 при г>1

для плоскопараллельного потока (ev-l. п-1), имеем следующие уравнения. описывающие структуру воздушных течений в области "нуля" (при 2<1)

(4')2 - 44" ■ (i-KC)2 + МС" ,

4(0)-Ot 4'(0)-а; 4"(0)-0 (37)

и на "бесконечности"

(С)2 - 44" - N4'" . 4(»)-В; 4'И-О; 4"(»)-0, ' (38)

решение которых имеет вид

Co-az-ez3/6; -e-Ca2-(l-Ka)2]/N.

4°°-B-A(N/B)2exp(-Bz/N). / (39)

Приравнивая соответственно 4о и 4», 4о' и (»', 4о " и 4°°" в точке z«i (на границе струи частиц), найдем константы а, А и В. Сопоставление полученных результатов с численным решением уравнений (37) показало, что метод Блазиуса дает удовлетворительный результат в области N>1, когда силы турбулентной вязкости сопоставимы или бо.»>ше аэродинамических. Относительная погрешность в расчете про-дольлмх составляющих скорости в поперечном сечении струи при N>1 и К<1 не превышает 57., а расхода эжектируемого воздуха - 3%. По мере увеличения сил вязкости- происходит все большее сглаживание эпюры скоростей. В области малых сил вязкости (N<1) заметен градиент скорости возду/а на границе потока, частиц. Ширина потока эжектируемого воздуха уменьшается. Если в качестве полуширины этого потока принять расстояние zc до точки, в которой продольная составляющая скорости составляет 10% от осевой, то при N-l; zc=3,5, а при N-0,1; zc-1,? и при N<0,01 граница воздушной струи практически совпадает с границей плоскопараллельного потока частиц. Движение воздуха вне струи частиц"практически не наблюдается.

Таким образом, при малых силах вязкости зжекция воздуха происходит только в потоке частиц, а поток эжектируемого воздуха можем считать безградиентным, т.е. характер изменения скорости в попереч-' ном сечении аналогичен изменению концентрации. Если рассмотреть осесимметричную струю радиусом b с равномерным распределением частиц

F0 f 1, 0<r<b

ß - -5- y(r), т(г)- < * (40)

bzv ' I 0, ■ r>b

и со скоростью эжектируемого воздуха в поперечном сечении струи частиц

ux-w(x) г(г), (41)

то, используя закон сохранения количества движения в интегральной форме, можем сформулировать одномерную задачу

---5— (У-*)п+1. (42)

<1х Ьгеу

или в безразмерном виде для равноускоренного.потока в автомодельной области обтекания частиц (п«1):

„ аи" . _ р0 „ Во

(v -ц )2; и".« -5-; -5- • (43)

<1у 2Ьге 2Ь е

Анализ численных и приближенных решений уравнения (43) показал, что интегральные кривые имеют тенденцию быстро "забывать" свои начальные значения, устремляясь к "нулевой" интегральной кривой, которая с хорошей для практики точностью может быть описана уравнением точек перегиба интегральных кривых

2 Ф2

(1- ф)( 1-

ф-и/у. (44)

Сопоставление аналитически полученных результатов с многочисленными экспериментальными данными автора, его учеников и коллег показало, "что измеренный коэффициент скольжения компонентов удовлетворительно согласуется с расчетом по формуле (44) при небольших высотах падения №<0,5).

При обобщенно-экспоненциальном распределении частиц в осесим-метричной струе уравнение (31) может быть сведено к уравнению автомодельного движения, введением функции тока

*-тх3с(г); г-г/'Ь; Ъ-аГ1П x~v/t, (45)

е«и'2 - и'Чи+Н/г-О-Н и"'+ е"2' (1-Ки')п+\

г

и-ь/г+е.; е.'1/г |и(2)с1л

(46)

О

где

к- ■/— х"2; т-2уЛ+п/2; N. — а1/й х^-ч-г/г . Л /2 3 * &

т 26 -

Проекции скорости зжектируемого воздуха для плоскопараллельного потока (у/Ь.-0) при квадратичном законе сопротивления (г-1/2; б-з/4):

их- /£5/5$ хэ/4 и' , (47)

иг—3/4 Ьх"1/4 (и-О. (48)

На основании решения уравнения (46)- при граничных условиях Эих

их-ш0; иг-0; - - О при г-0

от Эих

их-0; иг-0; -- О при г*°>

Зг

и(0)»С; и'(0)-й; и"(0)-0;

(49)

и(«)-В; и'Н-0; и"(»)-0,

(50)

имеем

о

и» 11-бгг при 2<1 ,

^ " |(1-6)/2 е"В(г_1)/м при ¿>1 ,

где и,,, - скорость воздуха по оси струи, равная

Чт- х3/4 а,) б-е/4сс; е-С(1-Ка)2-а2)/М. (51)

'Полученные результаты качественно и количественно хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований эжектируклцих свойств капель воды, выполненных в разное время самим автором и под его руководством В.П.Гайдуком и А.М.Голышевым.

Расход зжектируемого воздуха определяется очевидным равенством

00 со

Ча-г |ихгс1г-2Ь2 [их2<1г О О

или, с учетом (50),

Ча" 1/4ШЗ Х3/4 Ь2 « е.. (52)

где I®2 о); 5,-1-5/2+(1-5)2/5 .

Анализ полученных результатов показал, что расчет объемов зжектируемого воздуха в осесимметричной струе может быть выполнен по формуле (44) при небольших высотах падения (Ы0,5; N<0,1). При значительных перепадах материала должны учитываться силы вязкости, и расчет объемов зжектируемого воздуха следует выполнять по формуле (52). ' '

Рассмотренные нами поток твердых частиц в желобе и свободная

струя сыпучего материала представляют собой крайние случаи более общей задачи движения твердых частиц в канале. Не нарушая общности задачи, рассмотрим плоскую струю, ограниченную вертикальными стенками, удаленными-от оси струи на расстоянии Ьо. Полуширина струи -Ьп<Ьо. Построение автомодельных течений в рассматриваемом случае не возможно, 'а из класса плоскопараллельных потоков можно лишь сконструировать равномерное движение частиц, не представляющее особого интереса для практики. Сформулируем поэтому одномерную задачу, решение которой,как мы уже убедились, дает довольно часто удовлетворительные результаты.

При равномерном распределении падающих частиц в поперечном^ сечении потока сыпучего материала, уравнение динамики осредненйых воздушных течений соответственно для внутреннего- (в потоке частиц) и внеш|него потоков будут иметь вид иметь вид

с1и2 0 (у-и)2

<±х " 21/2 v

<1и2 сЙ5

<1х с1х

и+ы(г-1) - ио+«о(г-или для потока эжект

I (г-1)

легко преобразуемое для равноускоренного потока частиц в уравнение вида (43). Нетрудно заменить, что при г*» это уравнение описывает случай свободной, одномерной струи, а при г-1 и-сопБЬ, т.е. случай эжекции воздуха в желобе. Анализ решений уравнения (55) показывает, что в области 1<г<2 из-за стесненности,внешнего потока, его расхода недостаточно для питания внутреннего потока. Поэтому на определенном расстоянии от начала струи возникают замкнутые циркуляции воздуха (вихри), длина которых уменьшается и теоретически стремится к

нулю при г-»1. С удалением стенок канала от струи вначале длина вихрей растет, а их количество сокращается, потом наблюдается лишь возвратное течение в конце канала и. наконец, по всей длине канала устанавливается прямоточное движение воздуха с увеличением скорости во внутреннем потоке и ее падением во внешнем течении.

Обобщая результаты исследования эжекции воздуха падающими частицами, существующие потоки сыпучих материалов на рудоподготови-

тельных фабриках можно классифицировать (табл.2) по аэродинамическим свойствам, - определяющим стратегию выбора технических средств

¿Г

при 0<У<Ьп,

при Ьп<У<Ьо,

1) н Цщ-сопзЬ; г - Ьо/Ьп; Р-Р/(р2с2) ируемого воздуха в плоской струе

2)

2

и +

2Цщ (г-1)!

\ с1и

1 с!х

(У-и)

2

г>1/2

(63)

(54)

(55)

снижения пылевых выбросов в атмосферу.

Таблица 2

Классификация гравитационных потоков сыпучих материалов.

Признаки классификации

Количественные критерии

Наименование материалов, потоков

Примеры

Сопротивление частиц

Крупность материала

Температура частиц

Геометрия потоков

Кинематика потоков

Фо-0,8Н,0 d>SMM;

m<j>50X

d<3MM;

пу>50Х d<0,5MM; вд>502 Ti^To T^-To<30+

Ti-To>60 R/r0-l

R/ro-l+0,2 R/ro<0,2

h>0,5; v/coast h<0,5; ❖-const h*10,v*0

Острозернистые

Округлые

Кусковые

Зернистые

Порошки

Холодные Умеренной т-ры

Нагретые Потоки в желобах

в каналах Свободные потоки

Ускоренные

Равноуско-

Ренные

авномерные

Железная руда,гранит, известняк, некондиционные окатыши. Железорудные окатыши

Руда,окатыши,агломерат

Аглоруда, дробл.изв., возврат агломерата Суш.концентрат,измельч. известняк и бентонит Руда, изв..концентрат Суш.концент., аглошихта

Аглом.окат..обож.руда Загрузка и разгрузка технологического обо-

§удования

агрузка складов,вагонов, приемных бункеров

Перегрузка зернистых и

кусковых материалов

перегрузка порошков

Технические средства. Анализ современных тенденций в создании и эксплуатации обширного класса методов и средств локализации и обеспыливания воздуха на рудоподготовительных фабриках позволяет выделить три основные направления снижения выбросов пыли при перегрузках сыпучих материалов (рис.3):

- снижение объемов воздуха, удаляемого из аспирационных укрытий C15J;

- уменьшение концентрации пыли в аспирируемом воздухе С14];

- высокоэффективная очистка пыли аспирационных выбросов..

Успешное решение задач конструктивного оформления технических

средств зависит от полноты учета конкретных условий ведения технологии переработки сыпучих материалов и особенностей эксплуатации технологического оборудования. Оптимизация этих решений требует детального изучения аэродинамических процессов формирования запыленных потоков воздуха, закономерностей образования пылевых частиц и выделение их из воздуха во всех элементах локализующих устройств -в желобах, в укрытиях и в пылеприемных воронках. Снижение начальной концентрации пыли при этом не только облегчает и удешевляет процесс

Оснобные НАпрдбления снижения бьшрособ пыли при перегрузкАХ

авлАЖнение |пе(>егруасАеиого | МАТерИАЛА

снижение выноса пыли из укрытия

/$ильтрук>|ЦИЕ\ ; и^скши \ & укрытии >

К 1

Формиробдниг КОМПАКТНОГО

ПОТОКА МАТЕРИАЛА

- — 4- —

снижение скорости

ПОТОКА МАТЕРИАЛА

увеличение

АЗРОДИНАМИ-

ческого сопротивления

ОРГАНИЗАЦИЯ ре цикл А ВОЗДУХА в желобе

гсрметизАоия укрытия

снижение рАзрежения в ыкрыгии

/®ильтри«щие\ . i пыаеприемкихй 1

/СЕПАРИРУЮЩИЕ } /ЧЕКТРЙРИЮЩИЕ ) [ ВИНТОВЫЕ \ [ СУЖЕННЫЕ \ ( ДВОЙНЫЕ ) (ФОРСУНОЧНЫЕ \ [ УКРЫТИЯ С | \ЛЫЛЕПРИЕМНККИу I ПАТРУБКИ ] I СПУСКИ У \>КЕА0БА У V ЖЕЛОБА У V ЭЖЕКТОРЫ У \П£РЕГОРОДКАМИ/

РисЗ.

Основные способы и средства снижения выбросов пыли г?и перегрузках сыпучих материалов

очистки воздуха в центральных пылеулавливающих установках. Предварительная очистка воздуха в укрытиях от грубодисперсной пыли повышает надежность эксплуатации системы воздуховодов, снижая вероятность закупорки горизонтальных участков сети крупными частицами и образивного износа стенок воздуховодов, что повышает в целом эффективность аспирационных систем.

При разработке технических средств необходимо:

- на основе анализа работы пылящего оборудования, его технологических и конструктивных параметров выбрать тип и основные конструктивные элементы аспирационных укрытии;

- на основе учета аэродинамической связи и процессов эжектиро-вания воздуха в желобах определить оптимальную производительность местных отсосов и рациональную схему размещения пылеприемников;

- на основе анализа пылеаэродинамических процессов выбрать тип и компановку устройств для умейьшения интенсивности пылевьщелений и предварительного осаждения пыли в укрытиях и телеприемниках.

Жесткие требования снижения энергоемкости аспирационных установок вынуждают" применять более точные методы расчета необходимой производительности местных отсосов, применять специальные меры снижения объемов аспирации.

Основы расчета производительности местных отсосов и выбора .рациональных схем размещения пылеприемников базируются на полученных результатах количественной оценки расхода эжектируемого воздуха при различных технологических и конструктивных параметрах перегрузочных узлов.

Объем аспирации определяется уравнением воздушного балланса: количество удаляемого из укрытия воздуха (Ьа) равно количеству, поступающего в это укрытие по желобам (1л) и через открытые рабочие проемы и неплотности (1л)..При этом в укрытии должно поддерживаться определенное разрежение, обеспечивающее в неплотностях и проемах встречный поток воздуха, препятствующий истечению пыли в помещение. Оптимальная величина разрежения зависит от типа укрытия и определяется условиями натекания струи эжектируемого воздуха на стенки укрытия.

Расход воздуха, перетекающего по желобу, в общем случае определяется равенством

и-/лр*/я*; р-и-рга/чгз*2), (56)

ДРх-Рв-Рт+Р2-Р1- (57)

им 1*-фкзкуцо (58)

Для локализации пылевыделений классического узла перегрузи ненагретого иатериала с юэнвейера на конвейер предусматривается устройство аспирируемого укрытия нижнего конвейера с отсосом возду-

ха в объеме

В приемной воронке желоба возникает прямоточное движение воздуха в потоке частиц с расходом

Ьс-ФсЭсУю. (60)

и вне потока- восходящее (-) или нисходящее (+) течение с расходом ±1<,. Сумма этих расходов

Ьх^Ьо ' (61)

определяется по формуле (56). В случае, когда перегрузочный желоб состоит из ш прямолинейных участков," располагаемые давления суммируются

ДРж- 1РЭ1 + Рг. ■ (62)

1-1

где РЭ1 - эжекционное давление в 1-ом прямолинейном участке желоба при расходе

При расчете объемов аспирации более сложных "многоэтажных" перегрузочных узлов типа "питатель-дробилка (грохот, сепаратор, смеситель и т.д.) - конвейер" или каскад грохотов и дробилок используется метод последовательных приближений. Вначале предполагается, что все укрытия оборудованы местными отсосами. В укрытиях поддерживаются заданные оптимальные разрежения. Определяются расходы воздуха в желобах, для каждого узла слияния (укрытия) составляется воздушный баланс, определяются расходы воздуха в местных отсосах. Если окажется расчетный объем аспирации отрицательным,• то это значит, что отсос от этого узла не требуется: за счет перетекания воздуха по желобам разрежение в укрытии будет не ниже оптимального и без этого отсоса. Уточняется схема аспирации (оставляются лишь местные отсосы с положительными расходами), и выполняется повторный расчет. В уравнении воздушного балланса для неаспирируемого укрытия объем аспирации онуляется, а в качестве неизвестной выступает величина разрежения. Таким образом определяется не только оптимальная производительность местных отсосов, но и рациональная схема размещения аспирационных воронок (пылеприемников). Многочисленные, натурные испытания аспирационных систем различных перегрузочных узлов (на разных ГОКах детально проанализированы состояния 35 конвейерных перегрузок, 11 узлов дробления, 7 узлов грохочения, 4 узлов сухой магнитной сепарации, 4 каскада дробилок и грохотов) показали, что изложенная методология расчетного определения оптимальной производительности местных отсосов дает удовлетворительный результат - отклонение расчетных объемов аспирации от измеренных не превышает точности опытов б пра/ышленных условиях. . Промышленная апробация методик позволила в конечном итоге разработать ряд нормативных материалов, получивших широкое применение в практике проектирования сиот*м

аспирации.

Концентрация пыли в аспирируемом воздухе зависит от вида материала, его физико-механических свойств, технологических и конструктивных параметров узла переработки сыпучего материала, от аэродинамических параметров аспирационных укрытий.

Выполненные исследования показали, что удельный вынос пыли из бункера при загрузке порошкообразным материалом сокращается с ростом расхода материала, что связано с увеличением объемной концентрации частиц и снижением удельного расхода эжектируемого ' воздуха. Так, при загрузке порошков бентонита и известняка в шихтовые бункеры имеем

да-ВЙ!-® Не1* ехр(-оал), где <3а -удельный расход пыли в аспирируемой воронке,X; - расход перегружаемого порошка, кг/с; Нд - высота падения материала, м; и -влажность материала,2; В,а,Ь,л - параметры, равные соответственно для бентонита: В-0,35; а-0,8; Ь-0,1; а-0,18; для известняка: В-0,037; а-0,4; Ь-1.1; а-4,5.

Запыленность воздуха в зоне падения материала (с.г/м3) резко возрастает с увеличением высоты падения частиц (Н,м) и угла наклона желоба (а, рад):

. с/Со-аап(Н/Но)ь, п*0.4; Ь*0,6, где с0-1 г/м3 характерная концентрация, Н0-3 м - характерная высота падения. Это связано с ростом расхода эжектируемого воздуха при увеличении скорости движения частиц и уменьшении градиента концентрации Частиц в поперечном сечении желоба. По этой причине запыленность воздуха в укрытии на порядок ниже при загрузке порошкообразного материала по спиральному спуску в сравнении с вертикальным желобом той же высоты. Концентрация пыли в воздухе при входе в телеприемник аспирационной системы возрастает с ростом скорости воздуха (расхода эжектируемого воздуха) за счет увеличения выноса из укрытия грубодисперсной пыли.

Таким образом, кардинальным направлением снижения мощности пылевых выбросов при перегрузке следует считать уменьшение объемов эжектируемого воздуха и начальной концентрации пыли в аспирируемом воздухе. Это можно осуществить размещением специальных устройств по пути движения материала и эжектируемого воздуха - в желобах, в укрытиях и в аспирационных воронках. Экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях показали:

1. Для сыпучих материалов с заметными ферромагнитными свойствами (например, для окатышей) может быть использован магнитный затвор С25], обеспечивающий снижение объемов эжектируемого воздуха почти в пять раз и уменьшение выноса пыли из желоба за счет фильтрации аэрозоля через слой материала в 10 раз .

2. Для интенсификации процессов осаждения пыли в укрытиях могут Сыть использованы:

- намагниченные решетки [21], обеспечивающие снижение концентрации пыли в эжектируемом потоке воздуха на 50Z;

- направляющие элементы [231, способствующие отрыву настилающегося потока эжектируемого воздуха и сепарации пылевых частиц, что сокращает вынос пыли из укрытия на 50-60Z;

- формирующий элемент [26] для укладки порошков бентонита и известняка в слой влажного концентрата, что исключает срыв частиц с поверхности транспортируемого материала и, как следствие, увеличивает степень очистки воздуха в укрытии на 10Z.

3. Для снижения концентрации пыли в местных отсосах- телеприемниках могут быть использованы:

- сепараторы с переменным радиусом вращения пылевых частиц в вертикальной плоскости, обеспечивающие при сравнительно невысоком сопротивлении (4=3) степень очистки отсасываемого воздуха от грубо-дисперсной пыли до 50%;

- пылеотделители циклонного типа с зоной сепарации в горизонтальной плоскости, обеспечивающие снижение концентрации пыли в отсасываемом воздухе на 60Z (при 4-4,6) при использовании закручива-теля С28] и на 60-70Z с использованием для вращения потока направляющих лопаток [30] (при 4*5,5);

- фильтрующие элементы из ткани [27], обеспечивающие снижение выноса пыли из бункера при загрузке их порошками бентонита и известняка в 10 раз (при сопротивлении порядка 500 Па).

Неорганизованные выбросы гши при перегрузках сыпучих материалов характерны для технологических процессов открытого складирования обожженных окатышей и загрузки их в вагоны.

Процесс пылевыделений при складировании окатышей обусловлен динамических взаимодействием потока материала и воздуха, вызывающим формирование запыленных потоков эжектируемого воздуха в желобах и в струе свободно падающих частиц. Основными источниками пылевыделений являются перегрузки окатышей при работе штабелеукладчиков, роторных заборщиков и конвейеров надштабельных галерей. Для определения мощности пылевыделений может быть попользована модель рассеивания тяжелых примесей от точечного источника, расположенного по середине потока свободно падающих частиц при загрузке окатышей в штабель и на оси роторного колеса при отгрузке окатышей роторным азборщиком. Как показали.исследования, формирование пылевого факела завершается на расстоянии пяти высот'хребтового штабеля. Скорость движения аэрозольного потока достигает скорости ветра при загрузке штабеля на расстоянии одной высоты ссыпания, а при отгрузке - на расстоянии трех диаметров колеса роторного зайорщика. Раскод пыли в факеле

возрастает с увеличением вдсоты ссыпания, что объясняется ростом расхода эжектируемого воздуха и благоприятными условиями продувания потока окатышей ветром. По мере распространения аэрозоля из-за выпадения крупных частиц удельный расход пьиш уменьшается, особенно в начале факела. Наиболее эффективным способом борьбы с пылевыделени-ями при перегрузках огатышей на открытых складах является локализация и обеспыливание воздуха. Для предотвращения выноса пыли при свободном осыпании окатышей из надштабельной галереи может быть использована аспирируемая шахта С243 с минимальными объёмами удаляемого воздуха. Дня этого шахта оборудована специальными конструктивными элементами: двойными стенками, образующими внешнюю аспирируе-мую камеру, с помощью которой осуществляется более экономичная прямоточная схема удаления запыленного воздуха; центрирующим патрубком, снижающим объемы аспирации благодаря возникающей рециркуляции воздуха во внутренней камере; угловыми выступали, обеспечивающая: герметизацию грузовых люков и незадуваемость внешней камеры при изменении направления ветра. Как показали промышленные испытания, валовые выбросы пыли при оптимальной работе шахты могут быть уменьшены более чем в шесть раз.

Для снижения выбросов пыли от складского оборудования непрерывного действия могут быть использованы встроенные местные отсосы с очисткой от пыли аспирационного воздуха: для штабелеукладчшив местные отсосы следует предусматривать в месте загрузки консольного конвейера, обеспечив герметизацию укрытия при изменении наклона короли, и в месте ссыпачия окатышей в штабель, предусмотрев центрирующий патрубок и качающийся желоб с гибгаши герметизирующими китами . л нижней части и обеспечив равномерное удаление запыленного воздуха из полости этого желоба; для роторного заборщика местными отсосами должны быть оборудованы узел загрузки стрелового конвейера, обеспечив герметизацию узла выгрузга! и загрузки ковшей роторного колеса, и узел разгрузки стрелового конвейера, предусмотрев работу разгрузочного бункера под "завалом". Внедрение разработанного 1с0мплекса встроенных местных отсосов и очистки аспирационного воздуха на штабелеу|аадчик У1К 600 фабрики окомкования Костомугааского ГОКа позволило уменьшить выброс пыли при складировании огатышей более чем в 10 раз.

Наиболее мощными источниками неорганизованна выбросов пыли на промышленных площадках фабрик окомкования являются узлы аагрувки вагонов обожженными окатышами. Интенсивность выделения пыли определяется содержанием мелочи (класс - 5 мм)', прочностными свойствами окатышей, их температурой и высотой осыпания. Для снижения высоты падения окатышей, учитывая их хорошую "текучесть", можно использовать телескопические желоба. Для локализации пылевзделевкй при злт' -

рузке окатышей в вагоны следует использовать либо аспирируемый тоннель £223. внутри которого размещаются загружаемые вагоны, либо аспирируемый вагон, оборудованный герметизирующей крышкой с телескопическими патрубками отсоса воздуха С29]. Для исключения выброса пыли из погрузочного тоннеля необходимо предусмотреть противоточную схему аспирации телескопических желобов и отсос воздуха из верхней части тоннеля. При расчете необходимого объёма воздуха, удаляемого из телескопических желобов, должны быть учтены эжекционные свойства потока окатышей, а при удалении Еоздуха из тоннеля следует учитывать тепловыделения от нагретых окатышей и воздействие ветра. Для снижения производительности аспирационных установок следует герметизировать торцевые проемы тоннеля подвижными щитами, а длину тоннеля выбирать так, чтобы в этих проемах находились вагоны. Внедрение на фабрике окомкования Соколовско-Сарбайского ГОКа разработанной системы обеспыливания позволило снизить неорганизованные выбросы пыли от погрузочных бункеров более чем в 10 раз. а запыленность воздуха на рабочих площадках уменьшить с 80 мг/м3 до 2,8 мг/м3.

Таким образом, применением комплекса технологических приемов формирования потока сыпучих материалов и специальных технических средств снижения интенсивности пышевыделения , предварительной очистки воздуха в аспирационных укрытиях и в отсосах-пылеприемниках можно значительно уменьшить вынос пыли из потока сыпучего материала, что упрощает процесс очистки воздуха в центральных пылеочистных аппаратах, повышает надежность работы аспирационных систем, и в конечном итоге улучшает экологическую обстановку в цехах и на промп-лощадках горнообогатительных предприятий. Об этом свидетельствует опыт реконструкции существующих и строительство новых систем аспирации на фабриках окомкования Соколовско-Сарбайского, Лебединского и Костомукшского ГОКов. Модернизация обеспыливающих систем, выполненная по рекомендациям автора позволила сьизить запыленность воздуха на рабочих местах до уровня ПДК, а модность неорганизованных выбросов уменьшить на порядок. .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования направлены на совершенствование тео ретических основ расчета и выбора эффективных местных отсосов пе ■ регрузочных узлов сыпучих материалов - наиболее характерных и распространенных источников пылевыделения при переработке минерального сырья. В диссертации изложены научно обоснованные технические решения локализации и обеспыливания воздуха, базирующихся на целостной совокупности теоретических положений и. практических рекомендаций, обеспечивающих .при реализации, снижение запыленности воздуха рабочей зоны и мощности пылевых выбросов в атмосферу промплошадок до

уровня ЩК и ВДВ, что имеет важное народнохозяйственное и социальное значение для рудоподготовительного производства.

Основные результаты исследований и вытекающие из них виводь таковы:

1. Доминирующим фактором формирования пылевых потоков при перегрузке- сыпучих материалов является эжектирующее свойство падающих частиц, определяющее не только валовые выбросы пыли, но и стратега поиска технических решений локализации пылевыделений при различных технологических операциях переработки сыпучих материалов. Источники пылевыделений по мощности и сложности локализации разделяются на три категории: источники одновременного выделения пыли, влаги и тепла, характеризующиеся образованием трудноудаяяемой паропылевой смеси; узлы переработки нагретых сухих материалов, сопровождающиеся выделением высококонцентрированных пылевых аэрозолей; узлы переработки ненагретых отсортированных минералов с невысокой интенсивностью пылевыделений.

2. Потоки сыпучего материала в аэродинамическом отношении относятся к классу двухкомпопентных потоков, характеризующихся тем, что ьэсущей средой является дискретная среда из твердых частиц, а Несомой - псевдосплошная среда эжектируемого воздуха. По физико-механическим свойствам поток частиц в наклонных желобах характеризуется несвязанным режимом ускоренного движения ' с экспоненциальным распределением частиц по высоте поперечного сечения канала, что в значительной степени изменяет условия динамического межкомпонентьо-го взаимодействия, тепло- и массообмена по сравнению с физически одномзрными моделями. •

3. Обоснован и разработан новый способ экспериментального определения аэродинамического сопротивления падающих частиц в потоке без физического вмешательства в структуру последнего. Основанный на измерении статических давлений на стенках закрытого желоба в момент пересыпки твердых частиц, этот метод позволил получить основную ха-ракте{шстику зжектируюшда свойств потока сыпучего материала - усредненный коэффициент аэродинамического сопротивления частиц.

. 4. Для коротких желобов №<0.5) аэродинамические процессы с достаточной для практики точностью описываются уравнениями динамшси равноускоренного потока частиц и равномерного движения эжектируемо-го воздуха. При отсутствии аспирации основным параметром, определяющим количество эжектируемого воздуха, является эжекционное давление, представляющее собой сумму аэродинамических сил частиц, отнесенную к площади поперечного сечения желоба. Относительная старость эжектируемого воздуха из-за тормозящего действия потека частиц в начале желоба с ростом числа Бутаков-Нейкова стремится асимптотически к ф№*(1+п)/2.

б. Установлено, что интенсивность межкомпонентного теплообмена. 13-за неравномерного распределения частиц в наклонном желобе на по->ядок меньше интенсивности теплообмена в одномерном потоке верти-ально падающих частиц. Противодействие возникающих в результате теплообмена архимедовых сил способствует уменьшению эжектируюЩих :войств потока сыпучего материала. Направление и величина скорости юздуха в желобе при перегрузке нагретого материала определяется' :оотношением между тепловым и эжекционным давлениями. При перегруз-сах нагретых влажных материалов количество эжектируемого воздуха гвеличивается за счет объема водяных паров, образующихся при испа->ении, и дополнительных сил межфазового давления.

6. Показано,® что основными силами, вызывающими формирование ¡труйных течений' воздуха в потоке свободно падающих частиц, являют-:я объемные силы межкомпонентного взаимодействия и силы турбулент-юй вязкости. Из-за действия сил межкомпонентного взаимодействия соличество движения зжектируемой струи увеличивается, • что отличает )ти струи от свободных газовых струй. Закономерности/воздушных те-1ений в осесимметричной струе падающих частиц могут быть описаны сравнением автомодельного движения. При небольшой длине струи :Ь<0,5) силы турбулентной вязкости незначительны.и для определения Лъема эжектируемого воздуха можно использовать расчетные соотноше-шя одномерной задачи. • *

7. Впервые показано, что для потока частиц частично заполняю-иего поперечное сечение канала, можно на основании осредненных инт гегральных уравнений для пограничного слоя построить одномерные ' сравнения, описывающие движение двухкомпонентного потока (внутрен-¡ев течение) и течение воздуха в полости, ограниченной поверхностью тотока частиц и стенками канала (внешнее течение). Из общих решений этих уравнений, как частные случаи, можно получить решения одномер-шх задач для желоба л для струи свободно падающих частиц. Теорети-1ески показано, что ограждение.свободной струи частиц непроницаемыми стенками затрудняет подтекание воздуха и, как следствие, а об-насти 1<г<2 образуются замкнутые циркуляционные течения (естествен-тй рецикл эжектируемого воздуха).

8. При определении оптимальной производительности систем локализации пылевыделений и рациональных схем размещения местных этсосов необходимо:

- для конвейерных перегрузок использовать комбинированную модель эжектирования воздуха - в приемной воронке желоба учитывать эжекцию воздуха свободным потоком материала, а в прямолинейных участках желоба - действие последовательно расположенных эжекцион-ных нагнетателей; • .

- для сложных узлов, например, при каскадном расположении тех-

нодогичёского оборудования, учитывать аэродинамическую связь укрытий, а при переработке нагретых влажных материалов - величину теплового напора, интенсивность паровыделений и величину межфазового давления;

- для быстроходного оборудования, типа молотковых дробилок, учитывать вентилирующую способность рабочих органов и предусматривать байпасирование зон с экстремальными значениями избыточных давлений.

9. Апробация разработанных методов расчета на промышленных предприятиях по переработке широкого класса сыпучих материалов (железная и полиметаллическая руды, гранит, известняк, магнезит, кокс, шихта, агломерат, окатыши) показала, что расчетные производительности местных отсосов "удовлетворительно согласуются с данными натурных испытаний. На этой основе разработаны и получили широкое применение в практике проектирования нормативные материалы по расчету и устройству систем аспирации для обогатительных, агломерационных и окомковательных фабрик. Опыт эксплуатации разработанных на базе этих рекомендаций систем обеспыливания на новых (Михайловский и Костомукшский ГОКи) и реконструированных фабрик окускования (Со-коловско-Сарбайский, Лебединский и Южный ГОКи) показали, что при оптимальных режимах работы местных отсосов возможно снижение запыленности воздуха до уровня предельно-допустимых концентраций.

10. Для сокращения валовых выбросов пыли разработан и апробирован ряд технических средств снижения мощности пылевых загрязнений на всех этапах пылеобрааования:

- в желобах, путем организации компактной массы медленно перегружаемого материала, укладки высушенных порошков в слой влажного концентрата (степень снижения запыленности 10-80Х, объемов аспирации на 40-602);

- в укрытиях, 8а счет фильтрации эдектируемого воздуха через зернистый слой, решетку намагниченных пластин, пенный слой (степень снижения запыленности 60-90%, объемов аспирации на 50-70%);

- в телеприемниках, за счет интенсификации инерционного осаждения в пылеотделителях циклонного типа или за счет фильтрации через тканевые насадки (степень очистки аспирационного воздуха Б0-95Х), что позволяет на 1-2 порядка уменьшить начальные концентрации пыли, на порядок - объем очищаемого воздуха и осуществляет доочистку аспирационных выбросов по ПДВ в более компактных и высокоэффективных центральных пылеочистных аппаратах.

11. Для снижения самых мощных неорганизованных выбросов пыли были разработаны и апробированы:

- для открытых складов окатышей аспирируемые шахты при свободном ссыпании материала из надштабельной галереи (на ССГОКе, достиг-

нутый уровень снижения валовых выбросов 802), встроенные местные отсосы и системы аспирации для штабелеукладчиков (на КостГОКе. достигнутый уровень снижения валовых выбросов 90Z);

- для узлов загрузки обожженных окатышей в вагоны аспирируемый тоннель с системой телескопических желобов (на ССГОКе, достигнутый уровень снижения выбросов 907.), что позволило нормализовать экологическую обстановку на промплощадках этих ГОКов.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 80 работах, основные из них следующие:

1. Афанасьев И.И., Ващенко В.С......Логачев И.Н. и др. Обеспыливание воздуха на фабриках горнообогатительных комбинатов. - М., Недра, 1972, 184с.

2. Нейков О.Д., Логачев И.Н. Аспирация при производстве порош ковых материалов.- М., Металлургия, 1973, 224с.

3. Нейков О.Д., Логачев И.Н., Шумилов Р.Н. Аспирация паропыле-вых смесей при обеспыливании технологического оборудования.- Киев, Наукова думка, 1974, 1£7с.

4. Нейков О.Д., Логачев И.Н. Аспирация и обеспыливание воздуха при производстве порошков.- М., Металлургия, 1981, 192с.

5. Логачев И.Н., Стуканов В.И. Борьба с пылью при обогащении и окусковании полезных ископаемых.- Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности. Под редакцией А.С.Кузьмича- М., Недра, 1982, 181-203с.

6. Логачев И.Н. Межкомпонентный теплообмен в потоке сыпучего материала при перегрузках в закрытых наклонных желобах. Материалы IX республиканской межвузовской конференции по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем.- Одесса,ОГУ,1969,30с.

7. Логачев И.Н. Аа.лрация перегрузок сыпучих материалов агломерационных фабрик.- Местная вытяжная венг.:;ляция. М., 1969 (Московский дом научно-технической пропаганды), 93-99с.

8. Логачев И.Н. Одномерный поток сыпучего материала.- Вентиля ция и очистка воздуха, N6, М., Недра, 1969 (сб.тр./НИИрудвентиля-цил), 121-128с.

9. Логачев И.Н., Шумилов Р.Н. Движение насыпных материалов ь ¡^ионных желобах.- Вентиляция и очистка воздуха, N4, М., Недра, 1970 (сб.тр./НИИметаллургвентиляция), 124-129с.

10. Логачев И.Н. Гидродинамическое уравнение потока сыпучего материала в желобах.- Вентиляция и очистка воздуха, N6, М., Недра, 1970 . (сб.тр./НИИрудвентиляция), 169-161С.

П. Логачев И.Н., Афанасьев И.И. Теоретические основы расчета объемов аспирации технологического оборудования,- Борьба с силикозом, т.IX. М., Наука, 1974, 136-139е.

12. Логачев И.Н., Голышев A.M., Колесник А.П. Аналитический метод определения производительности местных отсосов при обеспыливании узлов грохочения сыпучих материалов на современных фабриках окомкования железной руды.- Борьба с силикозом, т.Х, М., Наука,

.1977, 114-118С.

13. Логачев И.Н., Качалов В.В., Мальцев Г.Н. Динамическое вэа-имодействиё гравитационного потока материала и воздуха в телескопических желобах.- Охрана труда и техника безопасности в горнорудной промышленности, М., Недра, W78, вш.З (сб.тр./ВНИИВТГ), с.86-88.

14. Логачев И.Н., Голышев A.M., Черненко Л.М. Снижение потерь пылевидного материала при аспирации в условиях фабрик окомкования железных руд/Горный журнал - 1985, N3, 57-Б9с.

15. Логачев И.Н., Голышев A.M. и др. Эффективные способы локализации пыдевыделений при перегрузке сыпучих материалов' на горнорудных предприятиях.- М., 1986 (Обзорная инфор./ИН-т "иерыетинфор-нация), вып.2, 15с.

16. Логачев И.Н., Задорожний С.И. и др. Снижение запыленности воздуха, отсасываемого из укрытий перегрузочных узлов.- Защита рабочих горнорудной промышленности о.т производственных опасностей и вредностей, М., Недра, 1983, с.63-66.

17. Логачев И.Н. Феноменологический метод построения уравнений динамики и энергии потока твердых частиц и воздуха в условиях тепло и массообмена. - Повышение безопасности при добыче и переработке я.е-ло. чых руд, М., Недра, 1985, с.65-73.

18. Логачев И.Н. Зжекция воздуха в свободной струе падающих частиц.- Снижения уровня вредных производственных факторов на гср-норуднш предприятиях, М., Недра, 1985, с.56-63.

18. Логачев И.Н. О циркуляции воздуха в желобах при перегрузках ненагретых сыпучих материалов.- Безопасность труда в горнорудной промышленности, М., Недра, 1987, с.38-45.

20. Логачев-И.Н. Деформация потока воздуха в проемах аспираци-онных укрытий и ее влияние на объемы аспирации,- Борьба с опасными и вредными производственными факторами на горнорудных предприятиях, М., Недра. 1988, с.65-71.

21. А.с.530100 (СССР). Аспирационное укрытие пункта перегрузки сыпучих материалов/Логачев И.Н., Завертайло И.А,- Б.И.М 36, 1976.

22. A.c. 544595 (СССР). Устройство для укрытия полувагонов при погрузке сыпучих материалов/Ващенко B.C., Качалов В.В., Логачев И.Н. И др.- B.H.N 4, 1977.

23. A.c. 749751 (СССР). Укрытие места загрузки конвейера/Логачев И.Н. и Др.- B.H.N 27,1980.

24. A.c. 901213 (СССР). Аспирируемая шахта для погрузки сыпучих грузов в штабель/Логачев И.Н,.Качалов В.В.и др.- Б.И.Н 4, 1982.

25. A.c. 1105406 (СССР). Укрытие места загрузки ленточного конвейера/Логачев И.Н., Голышев A.M. и др.- Б,И.Н 28, 1984.

26. A.c. 1105419 (СССР). Устройство для формирования потока сыпучего материала на ленте конвейера/Логачев И.Н., Черненко Л.М. и др.- B.H.N 28, 1984.

27. A.c. 1449495 (СССР). Устройство для перегрузки сыпучего материала/Логачев И.Н. и др.- B.H.N 1, 1989.

28. A.c. 1458297 (СССР). Аспирационное укрытие места загрузки ленточного конвейера/Логачев И.Н., Качалов В.В., Задорожний С.И.-Б.И.Н 6, 1989.

29. A.c. 1504188 (СССР). Устройство для перегрузки сыпучих ма-териалов/Качанов В.Д..Данченко Ф.И..Логачев И.Н. и др.- Б.И.Н 32, 1989.

30. A.c. 1686185 (СССР). Аспирационное укрытие места загрузки ленточного конвейера/Логачев И.Н..Задорожний С.И.и др.-B.H.N 39, 1991.

Условные обозначения:

а - эмпирический коэффициент (ф.8); э^ - ускорение потока сыпучего материала в наклонном желобе, м/с2; Ви - критерий Бутако-ва-Нейкова; b - ширина желоба, м; bn - полуширина плоской

струи, б/р; Ь0 полуширина канала, б/р; b - безразмерный радиус струи ;с - скорость витания частиц, м/с; су - условная скорость витания частиц в наклонном желобе, м/с; сприведенный коэффициент сопротивления частиц при слоистом движении их в наклонном желобе; d3.d - диаметр частицы (диаметр шара, эквивалентного частице по объему), м ; Д - гидравлический диаметр желоба, м; Ей - критерий Эйлера; "¡Fi 2 - вектор объемных сил воздействия движущихся частиц на воздух, н/м3; G.Gi - расход частиц, кг/с; G2 - расход воздуха в желобе, кг/с; Gi» - установившийся расход частиц, кг/с; Ga - расход сухой части воздуха, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; gx - проекция ускорения свободного падения на продольную ось желоба, м/с2; h- х/1» - безразмерная длина желоба (канала); JB.J - интенсивность испарения влаги в единице объема среды, кг/Сс-м3); km -отношение площади миделева сечения частицы к ее объему, м2/«3 ; kn - коэффициент пропорциональности в формуле для случая свободной турбулентности; La - расход эжектируемого воздуха, м3/с; L* - расход воздуха в желобе. v?/o\ Lc - расход воздуха, эжектируемого в струе частиц, м3/с; 1» - et» - характерная длина, м; 1 - длина желоба, м; Mi - массовая сила, действующая на частицы. Н/кг; U?. -массовая сила, действующая на воздух, Н/кг ; пк, - масса одной частицы, кг; тн - влагосодержанке воздуха в начале желоба, кг/кг с.в.; »и - влагосодержание воздуха в конце желоба, кг/кг с.в.: пц - мае-

совое содержание частиц крупностью с1. X; На - критерий Нуссельта; п

- Ущ/У1К - отношение скорости потока частиц в начале желоба к скорости частиц в конце желоба; п - коэффициент в формулах для объемных сил межкомпонентного взаимодействия в уравнениях пограничного слоя (п-1 при квадратичном законе сопротивления, п-0 при вязком обтекании); Р - давление, Па; Т12 - вектор объемных сил, обусловленных аэродинамическим сопротивлением частиц и испарением с их поверхности влаги, Н/м3; Р0»Рк - давление в начале (в конце) желоба, Па; Рэх - эжекшганное давление в желобе на расстоянии х от его начала, Па; Рэ - эжекционное давление в желобе. Па; Рт - тепловое давление в желобе. Па; Р1 - разрежение в верхнем укрытии, Па; Рг -разрежение-в нижнем укрытии, Па; Я.Ео - сила сопротивления воздуха движению одиночкой частицы, м; К12 - вектор силы воздействия движущейся частицы на воздух, Н; г-Ь/Ьп - отношение полуширины канала к полуширине плоской струи частиц,» г - безразмерный радиус в осесим-метричной струе воздуха; -Ие - число Рейнольдса; Б.Зж - площадь поперечного сечения желоба, м2; - площадь поперечного сечения в начаяе бункерообразного желоба, м2; £>к - площадь поперечного сечения в конце бункерообразного желоба, м2; 3С,3П - площадь поперечного сечения струи, м2; Ь - время, с; Ь» -с/(^(1-е)) - время релаксации, с; Т - абсолютная температура (Т1 -частиц, Тг -воздуха. То -окружающего воздуха), °К; и - безразмерная скорость воздуха; их.иу

- проекции безразмерной скорости воздуха на оси координат; иг - радиальная составляющая вектора безразмерной скорости осесимметричной струи воздуха; и - скорость воздуха в струе частиц; VI - скорость частиц, м/с; VIс - скорость частиц в конце струи, м/с; Уг - скорость воздуха/ м/с; '/12 - начальная скорость испаряющегося пара, м/с; VlB - скорость частиц в начале желоба, м/с; VI« - скорость частиц в конце желоба, м/с; х - длина желоба (канала), м; хк (к-1,2,3) - к-ая ось декартовой системы координат; « - коэффициент межкомпонентного теплообмена, кВт/(м£ град); 81,8 - объемная концентрация частиц, м^м3; Вг - объемная концентрация воздуха, м3/м3; 8к - объемная концентрация частиц в конце желоба, м3/м3; Во - объемная концентрация частиц на оси струи; Во - характерная объемная концентрация частиц на оси струи; е - отношение плотности воздуха к плотности частиц; Ее - сумма к.м.с. желоба; X - коэффициент аэродинамического сопротивления желоба; - коэффициент теплопроводности воздуха, кВт/(и-град); V - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; V - коэффициент кажущейся кинематической вязкости турбулентного потока воздуха, м2/с; Пгк - вектор поверхностной силы, действующей на единичную площадку с внешней нормалью, направленной в сторону положительного направления оси хк, Н/м2; р ,Р2 - плотность воздуха, кг/м3; pu.pi - плотность частиц, кг/мэ; р0 - плот-

ность окружающего воздуха, кг/м3; - безразмерное время;

<Рк - отношение скорости воздуха в желобе к скорости потока частиц в конце желоба (фс - то же для струи частиц); ф - коэффициент сопротивления частицы (Ф0- в автомодельной области); ф* - коэффициент сопротивления одной частицы в потоке этих частиц; и - безразмерная скорость воздуха вне струи чаотиц.

Подписано в печать 28.03,06 Печать офсетная Заказ 141

Формат 60x84 1/16 Объём - 2 печ.л. Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на ротапринте БелГТАСМ, 308012, г.Белгород, ул. Костюкова, 46