Исследование процессов формирования пылегазового облака (ПГО) в стратифицированной атмосфере и взаимодействия с ним многофазных струй Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

--© М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко,

2006

УДК 551.5:622:271:622.882

М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЫЛЕГАЗОВОГО ОБЛАКА (ПГО) В СТРАТИФИЦИРОВАННОЙ АТМОСФЕРЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С НИМ МНОГОФАЗНЫХ СТРУЙ

На основании теоретических исследований [1, 2] нами получены аналитические зависимости для определения основных параметров в процессе формирования облака в стратифицированной атмосфере. Изменение перегрева ПГО

Т = С ¡у—3 - В.у, (1)

— у) а г. а

^а г/ _ _ о -т , ■ о _ о —

где С1 = 8Т + = 8оГ, +—— ; а = уа —у; В = ,

4 4 4

80Т)- начальный перегрев ПГО, К; уа - сухоадиаба-тический градиент («0,01 К/м); у - температурный градиент в

атмосфере, К/м; г, = 5Я , м; у = 1 + — - новая переменная;

0 г.

Я- - начальный радиус ПГО, м.

Изменение скорости подъема ПГО (рис.1):

Щ =-—тл/[у4(2У04 — у4) — (2Уо — 1)] ар, (2)

4 у3 *

где р = д/Т - параметры плавучести, м/с2К;

С1 . 4 Л , 80Т -

у0 = 4 — = 41 +— ; Л = - максимальный подъем ПГО в \ В1 \ г* а

политропической атмосфере, м. Изменение радиуса ПГО:

108

ъ = к,0 у (3)

Уровень выравнивания температур (2Т) и конвекции _

Рис. 1. Изменение параметров ПГО от М 3: ъ - уровень конвекции, м; - уровень выравнивания температур, м.

2т = 2,

2„ = 2,

41 + т-1

и 8 М ,

Ф + т-1

=

Время подъема ПГО до этих уровней:

п

2л/ав'

(4)

(5)

(6)

109

тк =

п

Рис. 2. Изменение относительной концентрации примесей в ПГО во времени

(7)

Установлена необходимость Рис.. Зт Зависимость относи-

создания в атмосфере и ПГО тельной концентрации при-

инверсионной стратификации для месей в ПГО от его радиуса

Рис. 4. Изменение относительного радиуса ПГО во времени

предотвращения выхода его за пределы карьера. Разработана математическая модель процессов

диффузионного рассеяния и распада ПГО. Установлено, что после уровня конвекции изменение относительной концентрации вредных примесей в ПГО описывается гиперболической зависимостью (рис. 2, 3):

Ог

г \ Т

-3/

\Тк )

(8)

а относительного радиуса - параболической (рис. 4)

V2

(9)

При ветре облако дрейфует (рис. 5), однако при скорости большей кри-

Ог =

О

к

КТк )

к

110

Рис. 5. Изменение параметров ПГО под действием ветра (Уф=1 м/с, тк=100 с, Я к=100 м)

тической (> 2 м/с) происходит разрыв сплошности и распад ПГО. Следовательно, имеется реальная возможность активного подавления ПГО с помощью воздушно-газожидкостных струй (снеговых) струй (рис. 6). Процессы вымывания пыли и вредных газов из ПГО при взаимодействии с многофазными (воздушно-газожидкостными) струями или твердыми осадками аналогичны массообменным процессам, протекающим в противоточных скрубберах, эффективность определяется по формуле [3]:

в = 1 — ехр

3 тп№ г + м к) Л

2^к м к

,(10)

где т - удельный объемный расход жидкости, м3/м3; - скорость газа струи, м/с; м - скорость равновесного падения капель, м/с; Лс - высота падения капель, м;

Высокая эффективность подавления ПГО достигается за счет процессов хемосорбции, происходящих с вредными газами (ЫОх, СО и СО2), адсорбированными пылевыми частицами, содержащими полярные адсорбенты (Ре2О3, СаО, МдО и др.), при обработке водными растворами солей кремневой (К2вЮ3, Ыа28Ю3) и угольной кислот Ыа2СО3, (ЫН4)2СО3 [3, 4]:

111

В водном растворе солей кремневой кислоты происходит гидролиз:

Ка^Юз + 2Н20 ^ Н28Ю3 + 2Ка0Н. (11)

Химические реакции с нейтрализацией вредных газов

Рис. 6. Активное воздействие воздушно-газожидкостных струй на пылегазовое облако

2Ш + 02 = 2Ш2. (12)

4Ш2 + 02 + 2Н20 = 4НШ3.

(13)

Ка2С03 + 2НШ3 = 2№Ш3 + Н2С03.

(14)

(КН4)2С03 + 2НШ3 = 2КН4К03 + Н2С03.

(15)

Ка0Н + НШ3 = КаШ3 + Н20.

(16)

112

№2С03 + Н20 + С02 = 2КаНС03. (17)

Ре203 + 3С0 = 2Бе + 3С02. (188)

Са0 + С02 = СаС03.

(19)

+ 2НШ3 = 2№Ш3 + Н28Ю3.

(20)

Следует отметить, что реакция гидролиза солей кремневой кислоты (ф. 11) смещается вправо с образованием геля кремневой кислоты Н2ЗЮ3 за счет нейтрализации образующейся из оксидов азота кислоты щелочью (ф. 15). Гель кремневой кислоты образуется и непосредственно (ф.17). При концентрации в водном растворе (3-6) % Н2ЗЮ3 представляет вязкую студенистую массу, при (8-10) % твердеет и режется ножом [5]. В процессе воздействия на облако происходит необратимая коагуляция Н2ЗЮ3, в результате которой пылевые частицы, сажа с адсорбированными вредными газами связываются в крупные агрегаты и осаждаются. В процессе оседания гель Н2ЗЮ3 высыхает и превращается в пористый хороший адсорбент - силикагель. Удельная поверхность си-ликагеля (200-600) м2/г, объемная удельная пористость - 0,4 см3/г (0,4 г воды/г), размер «входных окон» - (5-20)-10-10 м (520 ангстрем). Это позволяет адсорбировать молекулы СО, N0, СО2, ЫО2, диаметр которых составляет соответственно 2,8-10-10 м, 3-10-10 м, 4,4-10-10 м, 4,8-10-10 м. Процесс адсорбции у силикагеля необратимый в обычных условиях.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. Теоретические аспекты процессов формирования и подъема пылегазового облака при массовых взрывах в карьерах //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 9. - С.88-91.

2. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. Теоретические исследования процессов взаимодействия пылегазового облака (ПГО) и воздушно-газожидкостных струй при массовых взрывах в карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 8. - С.76-79.

113

3. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. Вентиляция и пылегазоподавле-ние в атмосфере карьеров. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН. - 2000. - 312 с.

4. Нестеренко Г.Ф. О возможности повышенной эффективности процессов пылегазоподавления в карьерах // Проблемы предотвращения загрязнения воздушного бассейна при открытой разработке железных руд: всесоюз. науч.- техн. семинар (Кривой Рог, 16-18 октября 1990): тез. докл .М.: Черметинформация, 1990.- С. 17-18.

5. Глинка Л.М. Общая химия. - М.: Госхимиздат, 1958.-732 с.

|— Коротко об авторах-

Конорев Михаил Максимович — доктор технических наук, заведующий лабораторией «Экология горного производства», Нестеренко Геннадий Филиппович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Экология горного производства»,

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.

114

Таблица 1

Расчетные характеристики установок системы искусственной вентиляции карьеров при адиабатическом распределении температуры в атмосферы карьера

Марка Тип, мощность Начальный Начальный Начальная Параметры активного участка Стадии

установок привода, кВт диаметр струи, м расход воздуха, м3/с скорость, м/с струи разработки

УМП-21 Электродвигатель (1000 кВт) 21 220 9,6 1030 78500 140-106 Опытное производство

НК-12КВ Газотурбинный двигатель (11000 кВт) 5,6 1680 61 1300 174500 287-106 * Опытно- промышленная эксплуатация

АВК-35* Газотурбинный двигатель (8000 кВт) 35 12000 12,5 1980 136104 950106 Рабочий проект

* Разработан институтом Уралгипроруда по исходным требованиям и техническому заданию ИГД Минметаллур-гии СССР и ВНИПИпромтехнологии.

Таблица 2

Основные показатели систем искусственного проветривания карьеров ПО «Апатит»

Карьер пу Л/У\КВТ У о , о и- Штаты и зарплата П$С, тыс.руб/год Средняя производительность , млн.т, и себестоимость системы, руб/т

Тип установки на существующую глубину на предельную глубину на существующую глубину на предельную глубину суммарная Среднее ожидаем время работы в го Стоимость электроэнергии тыс.руб/год

Центральный УМП-21 УМП-1* 4 4 8 4800 860 4800 3340 8140 1600 260,5 72,0 21.6 0,02

Саамский УМП-14 УМП-1 2 1 2 1 1000 430 430 1430 - - - -

Коашвинский УМП-21 УМП-1 1 8 4 4800 430 9600 3440 12940 3400 880,0 22 84,0 6 0,16

Ньоркпахкский УМП-21 УМП-1 2 2 - 2400 860 3260 2700 176,0 8 34,0 4,6 0,05