CC BY
17
- © Ю.М. Кайгородов, 2013
УДК 622.807.17 Ю.М. Кайгородов
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Рассмотрены научные и технические аспекты применения электронно-ионных технологий для борьбы с аэрозолями на открытых горных работах. Ключевые слова: открытые горные работы, борьба с пылью, электронно-ионные технологии, электрофильтры.
Большинство производственных процессов в горной промышленности сопровождается образованием пыли. При подземных горных работах проблема борьбы с пылью решается путем проветривания и подавления пыли увлажнением и орошением. На открытых горных работах ситуация более сложная. Проблема запыленности особенно обостряется с увеличением глубины разработки, когда ветровое воздействие на воздухообмен в забоях исчезает. В зимнее время в глубоких карьерах температурная инверсия приводит к длительным простоям забоев из-за образования плотных туманов (смогов) и из-за невозможности использовать орошение как средство подавления пыли. Искусственное проветривание глубоких карьеров требует установки вентиляторов колоссальной мощности и в целом мало оправдано [1].
Альтернативой применяемым способам борьбы с аэрозолями (пыль, выхлопы автомобильных двигателей) на открытых горных работах могут служить электронно-ионные технологии (ЭИТ), обеспечивающие, в отличие от проветривания, непосредственное воздействие на частицу аэрозоля при минимальных затратах.
В настоящее время электронно-ионные технологии применяются в электрофильтрах, устанавливаемых
на цементных заводах и тепловых электростанциях.
Электрофильтр представляет электрогазодинамическую установку, в которой в поле коронного разряда происходит ионизация частиц аэрозоля и осаждение их на осадительных электродах под воздействием сил электрического поля.
Технологическая схема типовых электрофильтров предназначена только для улавливания аэрозолей из потока газов, проходящих через электрофильтр.
Предложенная новая технологическая схема электрогазодинамической (ЭГД-установки) [2] позволяет создать устройство, осаждающее на грунт аэрозоли в открытом или закрытом пространстве.
Принцип работы ЭГД-установки заключается в следующим. Выбрасываемые установкой во внешнее пространство отрицательно заряженные молекулы и атомы кислорода (ионы) осаждаются на частицах аэрозоля (пыли). Создавшийся отрицательно заряженный объем индуцирует в поверхности земли положительный заряд, следствием чего является появление напряженности электрического поля Е (в/м), под действием которого заряженные частицы (ионы и аэрозоль) начинают двигаться к земле. Ионы, обладая большой скоростью и
VV¡0
сталкиваясь с нейтральными молекулами воздуха (молекулы азота), сообщают им скорость. Таким образом, создается трехфазная среда (ионы, заряженные частицы аэрозоля и нейтральная компонента), движущаяся к земле и образующая электрический ток I. Схема процесса осаждения показана на рис. 1.
Ток I, достигший земли, возвращается по кабелю к анодному электроду установки.
Ток, протекающий в заряженном объеме, можно выразить:
I = ер-¥г • 8а,
где е - единичный заряд, Кл,
pi - плотность объемного заряда,
1 м3 , Vi - средняя скорость заряженных частиц (ионов и частиц аэрозоля), м/с , 80 - площадь поперечного сечения заряженного объема, м2.
Исходная система уравнений для математического моделирования электрического поля объемного заряда имеет вид:
ЭГД-установка
ион
■цуг
VI
ЛЕ
ЛЕ
ЛЕ
I! Е
V*
* (е •Рi V • S0)
дх
* &Б0 ) = ^ р д (0-х ) ^
V = V + КЕ , где = 8,85 10
= 0
Рис. 1. Схема осаждения аэрозоля
Первое уравнение системы является уравнением неразрывности тока. Второе уравнение представляет собой уравнение Гаусса. Третье уравнение определяет скорость движения заряженных частиц.
В результате решения данной системы уравнений получено выражение напряженности электрического поля в заряженном объеме:
Е = №, (1)
\аК
где у - плотность тока, А/м2 , х -расстояние по вертикали от ЭГД -установки, м.
Получено также уравнение скорости движения нейтральной компоненты:
12
V =
2]И
рК
(2)
диэлектрическая
постоянная, Ф/ м, К - среднее значение коэффициента подвижности заряженных частиц (ионов и аэрозоля), м2/ (в •с), V - скорость нейтральной компоненты, м/с .
где р - плотность воздуха, кг/м3 ,
И - расстояние от установки до земли, м .
В качестве примера определим величины Е и V при следующих реальных значениях входящих параметров:
х = 4 м
К = 1,5 10-4 м 2/ е • с
] = 1 • 10-7 А/м2
Подставив эти данные в уравнения (1) и (2), получим: Е = 250в/см , V = 0,07 м/с = 7 см/с .
На основе предложенного способа определения средних значений коэффициента подвижности заряженных частиц (ионов и аэрозолей) [3] создан прибор для определения значений К в конкретных условиях.
Средняя скорость движения заряженных частиц аэрозоля при осаждении на почву будет
V* = V + Ка • Е ,
где К а - среднее значение коэффициента подвижности частиц аэрозоля,
Ca =
Cao Ча „Via -t
T+ 4 a
Q
(3)
где Ca - текущее значение концентрации аэрозоля, t - текущее время после включения установки, с, Cao -начальное значение концентрации аэрозоля при t = 0, qa - интенсивность поступления аэрозоля в рабочее пространство от работающего оборудования, мг/c , Q - объем рабочего пространства, м3, т = ^^ -
Via
интенсивность процесса осаждения аэрозоля на грунт, c .
Физический смысл т - это время прохождения частицей 1 м пути.
Из уравнения (3) видно, что после включения ЭГД - установки концентрация аэрозоля будет снижаться до величины
м2 ¡в - с .
При Ka = 1 -10-6 м2 ¡в - с средняя скорость осаждения частиц аэрозоля при E = 250в/м составит:
Va = V + Ka - E = 0,095м/с = 9,5см/с .
Величина напряженности
E = 250 в см не является чрезмерно высокой или опасной. Согласно [4] напряженность атмосферного электрического поля достигает 300 в/см , а в горных выработках за счет естественной электризации пыли создается напряженность электрического поля свыше 50 в/см [5].
После определения величины V ia стало возможной разработка математической модели осаждения аэрозоля, которая имеет вид:
C=
4 a Т
Q
Интенсивность осаждения т определяется величиной выходного тока I . Таким образом, регулируя величину I, можно поддерживать в рабочем пространстве установившуюся концентрацию аэрозоля на допустимом уровне.
На рис. 2 показана динамика пы-леподавления на участке возврата агломерата Мундыбашской аглофабри-ки при работе ЭГД - установки мощностью 0,4 квт и объемом 0,6 м3.
ЭГД - установки прошли экспериментальные и промышленные испытания, показали свою эффективность при работе на многих предприятиях. Характерной чертой этих установок является низкое энергопотребление и малые габариты.
Выводы
Предложена технологическая схема электрогазодинамической установки, обеспечивающая ионизацию рабочего пространства.
т
Рис. 2. Динамика пылеподавления
Разработана математическая модель электрогазодинамического течения, создаваемого установкой во внешнем пространстве.
Разработана математическая модель снижения концентрации аэрозо-
ля в рабочем пространстве до необходимого уровня при работе установки.
Установки прошли промышленные испытания и показали высокую эффективность.
1. Ивашкин В. С. Борьба с пылью и газами на угольных разрезах. - М.: Недра, 1980, с. 45-47
2. A.C. №588883 СССР Кл2 Н 05 FI/00 Устройство для создания ионизированной струи воздуха/П. Т. Пономарев, Ю. М. Кайгородов и И. П. Рябчун.Заявл. 14.06.76. Не публикуется.
3. A.C. №1605181 СССР G01 N 27/62 Способ определения коэффициента подвижности заряженных частиц газо-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
вой среды / Ю.М. Кайгородов, Ё. А. Фукс, П.Т. Пономарев и Н Н. Петров. Заявл. 13.05.87. Опубл. 07.11.90. Бюл. №41.
4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнде М. Фейнмановские лекции по физике, том. 5.-М.: Мир, 1977, с. 189.
5. Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности / Под ред. Д.т.н. Кузмича А. С. - М.: Недра, 1982, с. 10.. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Кайгородов Юрий Миронович - кандидат технических наук, доцент, Кузбасский государственный технический университет, kuzstu@kuzstu.ru
А
