Обоснование выбора схем проветривания и режимов работы систем вентиляции карьеров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко, 2002

УДК 622.458

М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМ ПРОВЕТРИВАНИЯ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ КАРЬЕРОВ

еобходимость применения средств искусственной вентиляции и пылегазоподавления на карьерах определяется на основе анализа условий естественного воздухообмена и экологической оценки технологического комплекса.

Анализ условий естественного воздухообмена включает исследование влияния климатических и горногеологических

факторов на загрязнение атмосферы карьера.

Исследования микроклимата железорудных карьеров СНГ [1] показали, что продолжительность неблагоприятных метеоусловий (сочетание штилей с инверсиями) для районов Северо-Запада и Сибири достигает 20-30 % календарного времени, а для карьера «Удачный» (Якутия) - 40 %.

Анализ расчетов по методике, изложенной в работе [1], показал, что для предотвращения простоев горнотранспортного оборудования необходимо применение комплекса средств пылегазоподавления и требуются большие энергетические затраты (таблица).

Время разрушения температурной инверсии можно рассчитать по формуле:

ная способность топлива, Дж/кг; ^ -КПД процессов сгорания в ТВД (^ = 0,97-0,98); АЕУ - дефицит энергии неустойчивости атмосферы, Дж.

При исследованиях микроклимата в атмосфере карьеров используются данные многолетних метеонаблюдений по ветровым потокам, температуре и влажности воздуха. С учетом розы ветров и профиля сечения карьера определяется характер схем естественного воздухообмена - прямоточная, рециркуляционная и рециркуляционно-прямоточная. Это позволяет предварительно определить место расположения средств общеобменного проветривания и пылегазоподавления и используется при объемном физическом моделировании.

При большой глубине карьеров необходимо учитывать неравномерность распределения вредных примесей по вы-

соте. В связи с этим в состав вентиляционного комплекса должны входить установки, создающие как наклонные и горизонтальные струи, так и вертикальные.

При экологической оценке технологического комплекса определяется количество пылегазовых выбросов в атмосферу карьера и окружающую среду. На основе этого можно рассчитать расход воздуха (2н) на выходе струй для поддержания концентрации примесей на оптимальном уровне, меньшем ПДК:

ДЕ,.

Н"

И

где п - количество установок; От - часовой расход топлива ТВД одной установки, кг/ч; НИ - теплотвор-

Наименование Параметры карьер!

карьера Vк,, м3108 Нк, м Lп, м Вп, м

Михайловский 11,46 200 6000 2500

Лебединский 4,91 280 4500 2350

Стойленский 5,66 325 2500 2300

Карьер «Мир» 1,51 450 1073 1073

Центральный комбинат «Ураласбест» 5,50 260 3800 1500

где Qz - потребность карьера в свежем воздухе (по пылевому и газовому факторам) для разжижения вредных примеру

сей до ПДК, м/с; Qу = —- ;

[с ]

Сн- относительная концентрация вредных примесей в окружающем карьер воздушном бассейне, Сн= 0.15; Сопт -

оптимальный уровень снижения относительной концентрации примесей в цикле общеобменного проветривания, для

ориентировочных расчетов Сопт =0,5; К- коэффициент эф-

Q т

фективности проветривания, К = 0.5-0.7; ф = —- коэффициент обмена; тв - время проветривания, с; Ук - объем атмосферы карьера, м ; Fу - суммарная интенсивность выделения вредных примесей, кг/с; [с] - ПДК, кг/м3.

Рис. 1. Эффективность параллельных схем проветривания карьеров

Рис. 2. Эффективность схем проветривания «двойной веер»

При исследовании эффективности схем искусственной вентиляции методом физического моделирования соблюдались следующие условия подобия: геометрическое, кинематическое, динамическое и диффузионное [1]. В результате обработки экспериментальных данных получаются графики функции изменения безразмерной концентрации примеси в процессе проветривания С к = f (тв ).

На первом этапе производится исследование «статических» схем, без перемещения струй в карьерном пространстве:

- с параллельным расположением струй;

- перекрещивающихся;

- наклонных;

- каскадных;

- комбинированных.

При этом определяются такие параметры - расстояние между вентиляторами (I ), угол наклона струй в вертикальной плоскости (Р), генеральное направление проветривания (ф) по величине средней скорости изменения концентрации (dCк/ dтв)т.ср. , вычисленной из графиков функции

Ск = f (Тв).

Оптимальным параметрам Р, I , ф соответствуют максимальные значения (dCк/ dтв)тср (рис. 1).

На основании экспериментальных исследований [2] установлена более высокая эффективность «динамических» схем - с использованием струй, перемещающихся в карьерном пространстве. С точки зрения теории явления турбулентности при перемещении струй происходит увеличение объемов воздуха, вовлекаемого в турбулентный обмен, за счет наложения вихревых потоков («перемежае-мость»). Однако, как показали наши исследования [1], при больших скоростях перемещения происходит искривление траекторий осей струй, вследствие чего их дальнобойность может оказаться недостаточной и приведет к снижению эффективности процесса проветривания. Поэтому на втором этапе определялись оптимальные параметры скорости углового перемещения (ю) и угол поворота струй (ф) в «динамических» схемах «параллельный веер», «встречный веер», «каскадный веер» и др. Этим параметрам соответствуют максимальные значения скорости изменения концентрации (рис. 2).

Вследствие неравномерного распределения вредных примесей по высоте в глубоких карьерах происходит интенсивное накопление их в рабочей зоне, где концентрация технологического оборудования максимальна. Поэтому при комбинированных схемах вентиляции целесообразно производить усреднение концентрации путем перемешивания струями установок на базе вертолетных винтов, что позволяет использовать полностью аккумулирующую способность атмосферы карьера. Вследствие отличия процессов накопления вредных примесей в рабочей зоне и атмосфере карьера необходимо рассмотреть следующие способы обеспечения бесперебойной работы технологического комплекса пу-

Рис. 3. Возможные режимы работы вентиляционных комплексов

тем поддержания нормальных санитарно-гигиенических условий (рис. 3):

1. накопление концентрации примесей на уровне ПДК в рабочей зоне по линии bd и поддержание уровня С к =1 средствами местного проветривания по линии df при равен-

стве скоростей накопления и снижения

4СК dС к

4тв 4тн

к в ^ ‘'н

2. накопление по линии bd до уровня С к =1 и снижение концентрации по линии de средствами местного проветривания при скорости снижения, превышающей существенно скорость накопления

dCк dС

>-

к

4тв ^н

3. накопление по линии bd до уровня С к =1 в рабочей зоне и проветривание средствами общеобменной вентиля-4Ск 4Ск

ции по линии dc, при этом

атв атн

4. ступенчатое накопление вредных примесей от уровня С Чтт до уровня С к =1 за счет периодического включения

средств местного проветривания и общеобменное проветривание по линии fd. Процесс постепенного накопления можно обеспечить следующим образом (рис. 3):

л - - 4Ск dСк

а) по ломаной линии -•- при

dтв dт

I по ломаной линии -А- при

в) по ломаной линии -X- при

в

4С

4тв

40,.-

н

4Ск . 4тн г

аск

вн

Для первых трех способов характерным является общий недостаток - не исключается возможность загрязнения атмосферы нижних горизонтов рабочей зоны карьера, поскольку в момент включения средств вентиляции средняя концентрация в рабочей зоне С к =1, а распределение вредных примесей по высоте не является равномерным. Вследствие неравномерного распределения при первом способе

Рис. 4. Рекомендуемые режимы работы системы вентиляции карьера

не гарантируется обеспечение уровня ПДК на всех горизонтах рабочей зоны. Второй и третий способы отличаются высокой энергоемкостью.

Четвертый способ имеет следующие преимущества:

а) предотвращается загрязнение нижних горизонтов рабочей зоны, т.к. средства местной вентиляции включаются на уровнях С к <1;

б) используется аккумулирующая способность атмосферы всего карьера (линия ас/), а не только рабочей зоны

(линия аЬ4).

Таким образом, вентиляционный комплекс карьера должен включать как средства местного проветривания на базе вертолетных винтов, обеспечивающими усреднение концентрации примесей в рабочей зоне, так и установки для общеобменной вентиляции.

Для схем, имеющих оптимальные параметры, разрабатывается циклограмма работы вентиляционного комплекса (рис. 4).

Время работы комплекса в режиме общеобменного проветривания рассчитывается по формуле:

п (т —т' )

1н/

= Х Гпг

I=1

1+

твц

(3)

где тШ|. - продолжительность штилевого периода 3, 6, 9, 12..,

ч; п1 - количество штилевых периодов одинаковой продолжительности; тн - время накопления вредных примесей от С ф=

0,2 до С опг = 0,4, ч; хнц - время накопления примесей в цикле, ч; хвц - время работы комплекса в цикле, ч.

Значение Хнц определяется по формуле:

тнц тнк тнрз тмв,

(4)

Ск

Ц75

050

0,20

а

О

/

\ ч/ "К / \

Ы чтш Г~

У /' 7

г, час

>

где хнк - время накопления примесей в карьере от С ф = 0,2 до

С к = 1,0, ч; хнрз - время накопления примесей в рабочей зоне, ч; хмв - время работы средств местного проветривания при единичном включении в процессе накопления примесей, ч. Время Хнк рассчитывается по формуле:

(1 - сф)

(5)

где ¥к - объем карьера, м3; [с] - ПДК примесей, кг/м3; FZ-суммарная интенсивность выделения примесей, кг/с.

При Крз=(0,3-0,4)Кк Хнрз =(0,3-0,4) Хнк .

, ^[С](Сопт -Сф)

Значение тн —------------------—.

Н Р

Время Тми определяется из условия:

(6)

•'нрз

(4 6) ' (7)

что соответствует 3-5 включениям средств местной вентиляции в процессе накопления примесей от С опт до С = 1. Суммарное время работы средств местного проветривания слагается из двух периодов работы - в режимах местного и общеобменного проветривания:

тмвЕ= (твк +тнц) (8)

где /ц - количество циклов, которое определяется по форму-

твц + тнц

(9)

Значения Тш| и получены на основе метеорологических исследований.

----------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конорев ММ., Нестеренко Г.Ф.

Вентиляция и пылегазоподавление в атмо-

сфере карьеров. - Екатеринбург: 2000. -312 с.

2. Конорев ММ., Макаров В., Нестеренко Г.Ф. К вопросу об исследовании динамических схем искусственного проветривания карьеров вентиляторами на базе тур-

бовинтовых двигателей//Труды/ВИМИ. М. 1975. - Вып.№1. - С.126-132.

Г***. -т

ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Конорев Михаил Максимович — доктор технических наук, зав. лабораторией экологии горного производства (ЭГП), Институт горного дела УрО РАН, г.Екатеринбург.

Нестеренко Геннадий Филиппович — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник лаборатории ЭГП,

Институт горного дела УрО РАН, г.Екатеринбург.