CC BY
124
Экологические проблемы перевалки сыпучих грузов в морских портах
С.А ОГАЙ, АС. ОГАЙ, В.Г. НЕПЕЙВОДА
Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского
Предлагаем вниманию читателей обзор экологических проблем, вызванных перевалкой сыпучих грузов в морских портах. Речь прежде всего пойдет об угольных терминалах, «виновных», как показывает практика, в наиболее масштабных загрязнениях окружающей среды.
В качестве средств, снижающих распространение угольной пыли, служат ветрозащитные экраны с повышенными качествами ветрогашения. Они состоят из эластичных клапанов, закрепленных на вертикальных и горизонтальных тросах, через которые легко проникают потоки воздуха. Такого рода проницаемые барьеры обеспечивают эффективную защиту грузовых терминалов от ветра, благодаря формирующимся в них восходящим потокам воздуха.
Тем не менее, озабоченность экологов общим состоянием территории, окружающей угольные терминалы, остается.
Общая характеристика проблемы
По своему характеру выбросы в атмосферу разделяют на организованные, отводимые от мест выделения системой газоотводов, и неорганизованные — результат нарушения герметичности их отводов или сдува-ния пылевых частиц потоками воздуха с больших поверхностей груза [1].
В этой публикации предлагаем рассмотреть мероприятия по снижению неорганизованных технологических выбросов, вызванных, в частности, перевалкой угля на грузовых терминалах. Этот вид запыленности является наиболее масштабным. В силу разных причин, в том числе технологических и экономических, борьба с этим явлением в портах, непосредственно в местах перевалки грузов еще не привела к решению этой актуальной проблемы. Это подтвердили, например, заме-
ры загрязнений в порту Восточный, где практически повсюду отмечено превышение концентрации угольной пыли.
Выводы, сделанные исследователями здесь и в других местах, еще раз подтвердили необходимость установки на наветренной и подветренной сторонах терминалов ветрозащитных и пылезащитных экранов [2].
В Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского имеются апробированные наработки ветрозащитных устройств для плавучих доков, установка которых позволяет снизить ветровые потоки в их внутрибашенном пространстве. Современные мягкие материалы, стойкие к атмосферному воздействию и не поддерживающие горение, используемые для изготовления экранов, позволяют успешно эксплуатировать изделия в течение 10-15 лет.
Именно так было обустроено укрытие одного из причалов названного нами порта Восточный, где для решении проблемы устранения запыленности угольного терминала при погрузочных работах руководствовались рекоменда-
Рис. 1. Конструктивная схема и принцип действия проница емого композитного экрана
циями японской компании «Ниппон Конвейер Ко. ЛТД» [3] , в основе которых вывод: «нет ветра — нет запыленности».
Продувки композитного ветрозащитного экрана на специальной аэродинамической установке позволили получить визуализацию ветровых потоков за экраном и измерить скорости потоков. Результат подтвердил эффективность описанных выше барьеров, поставленных на пути ветровой эрозии [4].
Из чего они сделаны?
Конструкция проницаемого ветрозащитного экрана имеет небольшую массу, относительно дешева, проста и надежна в эксплуатации. Экран представляет собой композитное полотнище, состоящее из отдельных клапанов 1, имеющих трапециевидную форму в плане и изготовленных из эластичного материала (рис. 1). Клапаны закреплены на горизонтальных и вертикальных связях (канатах). Каждый прикреплен своей нижней кромкой к горизонтальной связи 2 и боковыми кромками — к вертикальным связям 3. Под воздействием ветрового напора свободная верхняя и более длинная кромка каждого клапана (по сравнению с закрепленной нижней кромкой) расправляется и образует отверстие в полотнище, через которое проникает ветровой поток. Здесь он поворачивает и направляется вверх.
Проницаемость композитного экрана позволяет частично разгрузить конструкцию от давления ветра. Материал его клапанов имеет покрытие, стойкое к атмосферному воздействию, что позволяет использовать устройство на протяжении всего года и даже в суровые зимы, когда температура воздуха достигает -30°С. Кроме того, материал клапанов не опасен при производстве сварочных и огневых работ, так как не поддерживает горение.
Рис. 2. Модель проницаемого композитного экрана: а) вид клапана сверху; б) общий вид экрана
Рис. 3. Расположение модели в установке
а) позиционирование анемометра по отношению к модели;
б) общий вид модели
Что показал эксперимент
Экспериментальные исследования ветрозащитных качеств проницаемого композитного экрана, изменяющего направление потока, проводились с целью получения зависимостей для границ ветровой тени за экраном от скорости набегающего потока и его геометрических параметров.
Исследования проводились на моделях (рис. 2) в специально спроектированной и построенной установке. Выборочно полученные результаты проверялись сопоставлением с аналогичными параметрами на натурном образце в плавучем доке.
Установка для измерения скоростей ветровых потоков за проницаемым ветрозащитным экраном состояла из вентилятора, набора спрямляющих решеток и открытой в верхней части рабочей камеры. В процессе эксперимента изменялась скорость ветрового по-
тока и угол наклона экрана к горизонту. Скорость воздушного потока в выбранных точках фиксировалась с помощью цифрового переносного анемометра и термоанемометра. Эксперимент проводился при скоростях воздушного потока 3-8 м/с. Всякий раз они зависели от изменений площади проходного сечения вентилятора.
Была выполнена серия измерений за непроницаемой и проницаемой моделями при их вертикальной установке, а также при наклонах в 15о. Модели располагались между стенками камеры установки вплотную (рис. 3). Измерения производились в плоскости симметрии рабочей части камеры. Позиционирование датчиков для измерения скорости воздушного потока осуществлялось координатором. Вертикальное положение измерителей фиксировалось с помощью ползуна на специальной штанге.
Размеры и скорости обдувания моделей были определены исходя из динамического подобия по критерию Фруда (Бг) в предположении, что на картину воздушного потока за ветрозащитным экраном основное влияние оказывают массовые силы:
L= f да V», g).
Размеры клапанов модели выбраны из условия сохранения коэффициента проницаемости экрана, равного 0,65.
Максимальная относительная погрешность экспериментальных измерений составила 10,2%. Замеры поля скоростей в трубе без модели показали равномерность инициирующего потока. Среднее квадратичное отклонение скорости потока лежит в пределах трех сигм.
Для анализа и сравнения результатов эксперимента введены понятия ветровой тени и зоны комфортности. Предложено точку перегиба на эпюре экспериментально полученных скоростей принимать как границу ветровой тени, которая четко может быть зафиксирована (рис. 4). Под зоной комфортности понимается зона, в которой скорости ветрового потока не выходят за пределы, устанавливаемые специальными руководящими документами в зависимости от параметров окружающей среды и погодных условий. Предложенная методика использована для определения зоны комфортности за ветрозащитным экраном для зимнего периода в городе Владивостоке.
На основании полученных экспериментальных данных построены графики распределения скоростей воздушного потока в каждом сечении по высоте. На рис. 5а приведены графики скоростей для сечения, отстоящего от экрана на расстоянии, равном его двум высотам, при скорости набегающего потока на экран Ум=3,73 м/с. Пунктирная линия 2 соответствует распределению скоростей потока за непроницаемой моделью, сплошная линия 1 — эпюра скоростей за проницаемым вет-
'////////У///////
Рис. 4. К определению ветровой тени и зоны комфортности
Рис. 5. Эпюра распределения скоростей в сечении и зона комфортности за проницаемым композитным экраном
Рис. 6. Картина поля скоростей в пространстве, защищенном проницаемым экраном
за экраном (рис. 7) свидетельствуют о превышении размеров зоны комфортности по высоте (1,5-2 раза) за проницаемым экраном по сравнению с непроницаемым. Еще большего увеличения размеров ветровой тени удается получить за счет наклона экрана по направлению потока.
Согласно полученным экспериментальным зависимостям при высоте ветрозащитного экрана 10 м зона комфо-
замедлять скорость ветра и тем самым предотвращать распыление угольной пыли. Поэтому установкой ветрозащитного ограждения на наветренной стороне обеспечивается эффективное замедление скорости ветра в пределах угольного склада.
Однако ветрозащитное ограждение, в связи с его характеристикой, не может полностью устранить ветер и рассеивание пыли. Поэтому для получения более высокого эффекта необходимо улавливать ее специальным ограждением на подветренной стороне [2]. Замедляя скорость ветра, устройство вызывает оседание угольной пыли.
Японские специалисты [2] рекомендуют в качестве пылезащитных ограждений использовать специальные перфорированные защитные щиты с коэффициентом защиты близким к 70%.
Авторами выполнен проект мяг-кооболочечных конструкций пылезащитных экранов, способных улавливать частицы угольной пыли. Исследовались непроницаемые, проницаемые и комбиниро-ля; ванные конструкции. Непроницаемые экраны выполняются из тканей в виде сплошных полотнищ, закрепляемых на опорах. Проницаемые экраны имеют на поверхности экрана щелевые отверстия, пропускающие набегающий поток воздуха и изменяющие его направление. Комбинированные экраны состоят из двух видов полотнищ — проницаемых и непроницаемых. Необходимые соотношения площадей этих видов полотнищ в экране устанавливаются опытным путем или исходя из критериев эффективности ветрозащитных экранов.
Один из вариантов конструкции непроницаемого ветрозащитного экрана с пылеуловителем приведен на рис. 8. Экран предназначен, одновременно с ветрозащитой, обеспечивать улавливание и накопление пыли. Он содержит опоры 1, которые соединены между собой несущим тросом 2. К тросу 2 крепится кромка экрана — мягкая оболочка 3, при помощи вертикальных синтетических тросов 4, вплетенных в оболочку экрана 3. Тросы 4 закрепляются на грунте. Линия закрепления тросов 4 смещена от опор 1 в наветренную сторону на расстоянии, обеспечивающем оптимальный угол наклона экрана 3. В нижней части оболочка 3 имеет избыточную длину 5 и кромкой закрепляется на грунте по линии, совпадающей с линией крепления тросов 4. В результате при
розащитным экраном. Крестик показывает верхнюю границу зоны ветровой тени, а точка отображает границу зоны комфортности.
Замеры поля скоростей и сформулированное понятие зоны комфортности позволяют построить границу этой зоны. На рис. 5б показаны границы зон комфортности для проницаемых (сплошные линии) и непроницаемых (пунктирные линии) экранов для Fr=1,35 (точки обозначены кругом), для Fr=1,88 (точки обозначены ромбом) и Fr =3,51 (точки обозначены квадратом).
Полученные картины визуализации (рис. 6) подтверждают резкий поворот потока вверх и формирование ветровой тени со значительно увеличенными вертикальным и горизонтальным размерами по сравнению с тенью от сплошной преграды. При моделировании картин визуализации скорости за моделями соответствовали натурным скоростям от 4 до 20 м/с. Ветровая тень в горизонтальном и вертикальном направлении за проницаемым ветрозащитным экраном имеет большую протяженность, чем за сплошным экраном. В вертикальном направлении зона комфортности за проницаемым экраном значительно превышает размеры соответствующей зоны за непроницаемым экраном. Зафиксированные с помощью шелковинок ветровые потоки
Рис. 8. Непроницаемый пыле-ветрозащитный экран: 1 — опора; 2 — соединительный трос; 3 — оболочка экрана; 4 — трос; 5 — оболочка накопителя пыли; 6 — пылеуловитель; 7 — распорки; 8 — лента ускорите 9, 10 — распорки
ртности, в которой скорость ветра не превышает 3,5 м/с, должна наблюдаться на протяжении 60 м по длине за укрытием и от 10 до 18 м по высоте при условии совпадения направления ветра с диаметральной плоскостью дока.
Конструкции пыле-ветрозащитных экранов
Наибольший эффект ветрогашения при закрытии угольного терминала обеспечивается установкой проницаемых укрытий как с наветренной, так и с подветренной стороны [2]. При этом экраны, устанавливаемые с подветренной стороны, должны выполнять роль пылезащитного ограждения. Как было показано выше, ветрозащитное ограждение обладает большой способностью
Г I
Рис. 7. Картина линий тока за вертикально стоящим проницаемым экраном при скорости набегающего потока 3,73 м/с
ветровом напоре на нижней части экрана образуется накопительная ниша, где будет скапливаться пыль, принесенная ветром и ссыпающаяся с поверхности оболочки 3. Для повышения пылеулавливающего эффекта в верхней части экрана на оболочке 3 по всей длине закреплён мягкий козырёк — пылеуловитель 6, верхняя кромка которого удерживается в расправленном состоянии при помощи полужёстких распорок 7. Распорки выполнены из резинокордных трубок и равномерно раскрепляются по всей длине экрана. Выше пылеуловителя 6 по краю оболочки 3 установлен конусный воздухозаборник, который образуется при помощи ленты 8, закреплённой по всей длине экрана при помощи резинокордных трубок 9, 10, имеющих разную длину.
Ветровой поток набегает на экран и скользит по его поверхности. Вместе с потоком на экран попадают частицы пыли, которые задерживаются пылеуловителем 6, и в моменты безветрия ссыпаются по шторе 3, попадая в накопительную нишу 5. При обтекании экрана ветровой поток поступает в воздухозаборник, где его скорость на выходе увеличивается, и в результате над верхней кромкой экрана образуется струйная завеса — дополнительная преграда воздушному потоку и принесённой им пыли.
Проницаемые пыле-ветрозащитные экраны позволяют снижать ветровые нагрузки на опоры экрана, снижать вихреобразование потока при обтека-
Рис. 10. Место привязки ветрозащитного устройства
нии экрана. Пример такой конструкции представлен на рис. 9. В состав экрана входит оболочка 3 со щелевыми отверстиями 4 по всей ширине экрана, пылеуловитель 5 и накопитель пыли 6. Каждое отверстие 4 закрыто мягкой лентой 7, удерживаемой под углом к оболочке 3 при помощи резинокорд-ных стоек 8.
При обтекании экрана частицы пыли, попадающие на оболочку, проваливаются в отверстия 4 и падают в накопитель 6.
Проект ветрозащитного экрана причала порта Восточный
Результаты экспериментальных исследований и конструктивных проработок были использованы при проектировании ветрозащитного экрана в порту Восточный для защиты экологического причала Морской администрации порта от техногенного воздействия угольной пыли. Проектные работы были выполнены по заказу Морской администрации порта Восточный. Цель проекта — отработать конструк-
Рис. 9. Проницаемый пыле-ветроза-щитный экран.
1 — опора; 2 — соединительный трос; 3 — оболочка экрана; 4 — щелевые отверстия; 5 — пылеуловитель; 6 — пылена-копитель; 7 — ленты; 8 — стойки.
тивные решения, основанные на ветрогашении и пылеулавливании, для их последующего применения на угольном терминале.
Конструктивное решение основано на принципах снижения ветровой эрозии и пылеулавливании, так как известно, что величина частиц рассеивающейся угольной пыли пропорциональна скорости ветра, возведенной во вторую степень, а количество рассеивания пропорционально скорости ветра, возведенной приблизительно в четвертую степень. Поэтому путем подавления скорости ветра можно ограничить пылеобразование и значительно уменьшить количество рассеивания.
Основой конструктивных решений стали композитные мягкооболочные устройства. Ориентация экрана относительно сторон света выбрана в соответствии со среднегодовой розой ветров данной местности (рис. 10).
В предполагаемом месте установки ветрозащиты были взяты пробы грунта и произведен выбор и расчет вантовых и ферменных конструкций, необходимых для установки экрана в рабочее положение.
Проект выполнен для двух вариантов закрытий. Первый включает в себя полное укрытие причала на всем его протяжении, второй обеспечивает частичное закрытие экологического причала Администрации морского порта Восточный.
Разработан конструктивный ряд устройств, которые одновременно являются ветрозащитными экранами и уловителями угольной пыли.
Спроектировано закрытие для причала МАП Восточный, состоящее из металлических стоек и проницаемого композитного полотнища длиной 60 м и высотой 15 м (рис. 11).
Рис. 11. Общий вид ветрозащитного закрытия причала
Для отработки конструктивных элементов полномасштабного укрытия спроектирован натурный макет экрана, устанавливаемый на двух железобетонных опорах. Длина макета 15 м, высота 6 м (рис. 12).
Выводы
Таким образом, накопленный опыт эксплуатации и проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1. Проницаемые композитные ветрозащитные экраны являются эффективными устройствами для защиты открытых угольных терминалов от ветра.
2. Полученные в результате экспериментальных исследований зависимости для границ ветровой тени и зон комфортности проницаемых ветрозащитных экранов позволяют осуществлять выбор конструктивных параметров экранов.
3. Универсальность мягкооболочеч-ных конструкций позволяет построить эффективные ветро- и пылезащитные экраны для защиты открытых угольных терминалов портов.
Литература
1. Снижение вредного воздействия процессов перегрузки навалочных грузов на
окружающую среду. Отчет по НИР (заключит.) / Южный научно-исследовательский проектно-конструкторский институт морского флота. — Инв. № 627429. — Одесса, 1990. - 155 с.
2. Техническое предложение № 02-9-020 на поставку защитного ограждения для открытых складов угольного комплекса порта Вос-
точный. Марубени Корпорейшн, Ниппон Конвейер Ко. ЛТД, 1989.
3. А.с. 1595739 (СССР). Ветрозащитное закрытие торца дока/ Огай С.А., Малышкин В.В. — Опубл. 1990.
4. Огай С.А. Ветрозащитные экраны плавучих доков и грузовых терминалов / Огай А.С. — М.: Транспортное дело России, 2005.
ПОДПИСКА НА 2007 ГОД
Стоимость подписки на год 1200руб.
Название компании
ФИО директора
ФИО и должность контактного лица Адрес доставки (фактический)
Тел./факс Юридический адрес
Заполните купон и отправьте его в отдел подписки
по тел./факсу (812) 572-6314
E-mail: [email protected]; [email protected]
