CC BY
80
УДК 622.2.023.65:658.562.2:622.33 © Д.Е. Секачев, М.Г. Рахутин, 2019
Проблемы восстановления сыпучести угольного топлива в осенне-весенний и зимний периоды в угольных терминалах
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-11-54-57
СЕКАЧЕВ Д.Е.
Аспирант НИТУ«МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: mr.dsekachev@yandex.ru
РАХУТИН М.Г.
Доктор техн. наук, профессор НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: rahutin.mg@misis.ru
В статье раскрыты основные причины смерзания угольного топлива в осенне-весенний и зимний периоды при его транспортировке. Областью исследования являются мероприятия по восстановлению сыпучести грузов в угольных терминалах и определение их эффективности. Целью работы является исследование технологий восстановления сыпучести смерзшихся грузов в угольных терминалах страны. Проанализирована технологическая схема восстановления сыпучести смерзшегося материала в портовых терминалах Дальнего Востока и определено время цикла по разгрузке состава с углем в зимний период. В результате анализа определено время цикла восстановления сыпучести смерзшегося материала, а также рассчитана удельная мощность на разрушение одной тонны угля. Обоснован вывод о необходимости дальнейшего совершенствования процесса резания угля в условиях его перевалки. Ключевые слова: угольное топливо, железнодорожный полувагон, смерзаемость угля, углеприемочный комплекс, тепляк-размораживатель, бурорыхлительная установка, надбункерная решетка, дробильно-фрезерная машина, восстановление сыпучести.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время Россия уверенно входит в тройку ведущих стран по экспортированию угля. В конце 2010 года Правительством Российской Федерации была утверждена «Энергетическая стратегия России до 2030 года». Одним из основных показателей, которого необходимо достичь в данной стратегии, является повышение уровня добычи угля до 430 млн т, в том числе и повышение экспорта со 153 до 206 млн т [1].
Более половины добытых запасов экспортируется через морские порты России. При этом основные районы добычи находятся на большом расстоянии от морских портов (рис. 1), и поэтому перевозка угля в большей степени осуществляется железнодорожным транспортом [2].
ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
УГЛЯ В ПОРТЫ
В нашей стране распределение зон добычи угля крайне неравномерно - 95% запасов приходится на азиатскую часть России, из них более 60% - на Сибирь [3, 4]. Основная часть промышленных запасов угля сосредоточена в Тунгусском и Ленском бассейнах (см. рис. 1). По промышленным запасам угля выделяются Канско-Ачинский и Кузнецкий бассейны [5, 6].
Доставка полезного ископаемого таким способом имеет две особенности по сравнению с другими типами транспортирования:
Удаленность перевалочных пунктов угля от основных месторождений. Так, например, Ванинский балкерный терминал, расположенный на Дальнем Востоке России, находится на удалении около 3500 км от разрезов «Тугнуй-ский» и «Никольский» (Республика Бурятия, подразделения АО «СУЭК»), время транспортировки из которых составляет более 10 дней.
Возникновение перепадов температур в различных районах при перемещении груза. Уголь до того, как попасть в Ванинский балкерный терминал из разреза «Тугнуйский», проходит климатические зоны с перепадами температур (рис. 2). Несмотря на то, что во Владивостоке температура в зимний период редко опускается ниже отметки -20°С, уголь в вагонах по приходу из удаленных месторождений может иметь температуру -30°С. В осенне-весенний период можно наблюдать другой процесс изменения температуры угля в полувагоне. В процессе перевозки происходит частичное оттаивание угольного топлива благодаря остановкам железнодорожного состава в населенных пунктах, где температура воздуха может составлять более 0°С. Затем происходит его смерзание при прохождении климатических зон с более низкой температурой. В результате этого слой угля, расположенный около стенок вагона, подвергается периодическому оттаиванию и замерзанию, что приводит к появлению монолитной структуры исследуемого материала и его примерзанию к стенкам вагона [7, 8].
Интенсивность смерзания сыпучих увлажненных грузов зависит от уровня отрицательных температур наружного воздуха, тепловых свойств груза и подвижного состава и времени перевозки. Характер промерзания в первую очередь зависит от теплопроводности и теплоемкости груза [9, 10].
Несмотря на ряд разработанных химических способов предотвращения смерзания угольного топлива, предполагающих введение добавок и веществ, снижающих температуру замерзания влаги, связывающих влагу, образу-
Рис. 1. Угольные порты России Fig. 1. Coal seaports of Russia
к^линмыгэдп
(^J) MypuiKH
ПИКШ» ПОРТЫ
(пли
Финский залив
I«*™» rffch
.JM.1H1. raiTM 111 Дриу
ОбЬ^ч ntpcMJIilh S J011 Г. млн Т
I J 1« 4
ДаЬмиэ угля ['.pawr tyfldf 01 м РСГЩН1И ИЦ ;р1?г. млн г
* ip 34 in __
Ж-
Сзхэпин и окрестности
I V. . V
ж.
\ \ / (Сшшвдрт
Влншга ГР^ СМ.ГаШми"
ЙЯШОЧ №ипкл
ег,
Л Приморский край у\ ^■и ГС-
v>
L.J.
СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА НА ПУТИ СЛЕДОВАНИЯ УГЛЯ В ПОРТ ВАНИНО
10
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-22,
-10,1
Рис. 2. Средняя температура воздуха в зимний и весенний периоды на пути следования угля из разреза «Тугнуйский» до Ванинского балкерного терминала
Fig. 2. The average air temperature in winter and spring on the way of the coal from the "Tugnuyskiy" Open-pit mine to the Vanino bulk terminal
-27,5
Название станции/ Температура воздуха, °С Сага-Нур (Разрез «Тугнуйский») Петровск-Забайкальский ст. Антипиха (Чита) Могоча ст. Сковородино Свободный Биробиджан Комсомольск-на-Амуре Ванино
Январь -22,9 -22,8 -10,5 -20,4 -21,7 -22,4 -22,7 -23 -10,1
Апрель 2,4 2,5 5 -2 -3,8 4,2 4,3 1,8 5
ющих защитную пленку от атмосферных осадков, а также предотвращающих примерзание угольной массы к стенкам вагонов, положительные результаты их применения в широких промышленных масштабах пока не достигнуты. Это объясняется как необходимостью обеспечения пунктов погрузки топлива в железнодорожный транспорт дополнительным оборудованием, так и существенным расходом химических добавок при перевозках десятков миллионов тонн угля [11].
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПЕРЕВАЛКИ
УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
Чтобы проанализировать прибытие и перевалку угольного топлива в портовом терминале, был изучен годовой отчет, который ведется на предприятии ежедневно и ото-
бражает реальную ситуацию по объемам перевалки данных грузов. На основе данных, полученных за 2017 г., сформирована диаграмма прибытия и выгрузки угля (рис. 3).
Из диаграммы следует, что перевалка энергетического угля, независимо от времени года или степени смерзае-мости в зимний период, осуществляется равномерно, то есть идет потребление рассматриваемых грузов постоянно в течение всего календарного года.
Так как уголь является смерзающимся грузом и прибывает массово на рассматриваемое предприятие независимо от времени года, то рассмотрим одну из наиболее актуальных проблем - восстановление сыпучести смерзающихся грузов.
Как известно, в целях предупреждения смерзания этих грузов грузоотправителем принимаются меры профи-
5
5
0
1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
лактики в соответствии с Правилами перевозок смерзающихся грузов железнодорожным транспортом (утверждены приказом МПС России от 5 апреля 1999 г., № 20Ц), которые обуславливаются договорами поставки [12].
При отгрузке смерзающихся грузов в адрес железнодорожного пути необщего пользования грузоотправители должны принять меры к уменьшению их влажности до безопасных в отношении смерзания пределов, установленных ГОСТ и техническими условиями на продукцию. В случае отсутствия такой возможности должны быть приняты меры по предотвращению их смерзания и примерзания к стенам и полу вагона путем применения соответствующих профилактических средств.
В летний период разгрузка состава полувагонов с углем составляет от 50 мин до 1 ч и включает в себя лишь разгрузку вагонов с помощью роторного вагоноопрокидывателя.
В зимний период цикл по восстановлению сыпучести смерзшегося угля в портовом терминале состоит из следующих основных операций:
- отогревание железнодорожного состава в тепляках-размораживателях. Состав с углем располагается в помещении от 20 до 40 мин при температуре от 40 до 80°С [13, 14];
- обработка каждого вагона с помощью бурорыхлитель-ного комплекса. Установка состоит из 9 шнеков и в среднем обрабатывает до 10 вагонов в час;
- разгрузка вагонов с помощью роторного вагоноопрокидывателя. Установка позволяет разгрузить 2 вагона с углем в течение 55 с [11, 15];
- дробление негабаритных кусков угля с помощью дробильно-фрезерных или дробильно-молотковых машин. Время цикла составляет до 5 мин.
Далее раздробленный материал попадает на конвейер и отправляется туда, где он необходим, либо сразу на склад, откуда его погрузят на судно, либо на дополнительные этапы обработки. Организация процесса зависит от того, каким товар хочет видеть конечный заказчик [16].
С учетом основных и вспомогательных операций время на разгрузку одного состава с грузоподъемностью полувагона в 70 т составляет в среднем 1 ч 30 мин в зависимости от сортности угля. При этом удельная мощность на разрушение одной тонны угля составляет от 0,9 до 1,5 кВт, что примерно соответствует затратам энергии на его разрушение в забое при добыче.
Это свидетельствует о значительных резервах для уменьшения затрат времени и энергии на разрушение смерзшейся массы угольного топлива в зимний период.
На основании вышеизложенного материала можно сделать вывод, что задача дальнейшего совершенствования процесса резания угля в условиях перевалки является весьма актуальной. Ее решение позволит уменьшить затраты времени и энергии на восстановление сыпучести угля, тем самым повысить эффективность и надежность его перевалки в осенне-весенний и зимний периоды.
ВЫВОДЫ
1. В ближайшие 5-10 лет предполагается увеличение объема перевалки угля в портовых терминалах.
ПЕРЕВАЛКАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УГЛЯ ПО МЕСЯЦАМ
Энергетический уголь, млн т Февраль Март Апрель Май
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь
Июль ■ -Август ..Сентябрь Октябрь _ Ноябрь ..Декабрь
Рис. 3. Диаграмма прибытия энергетического угля на экспорт в портовый терминал в 2017 г.
Fig. 3. Diagram of the arrival of thermal coal for export to the seaport in 2017
2. Проведенный анализ показал, что в осенне-весенний и зимний периоды увеличиваются затраты средств при перевалке угля. Продолжительность разгрузки состава возрастает более чем на 50%.
3. Совершенствование процесса резания угля дробильно-фрезерной машиной позволит повысить эффективность перевалки в портовых угольных терминалах.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия России до 2030 года [Электронный ресурс]. URL: https://energystrategy.ru.html. (дата обращения: 15.10.2019).
2. Подвицкий М.Г. Нечеткая система управления выгрузкой смерзшегося угля // Сб. науч. тр. SWORLD. 2012. № 3. С. 87-89.
3. Новоселов С.В., Мельник В.В., Агафонов В.В. Экспортно ориентированная стратегия развития угольных компаний России - основной фактор обеспечения их финансовой устойчивости // Уголь. 2017. № 11. С. 54-56. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-11-54-56 URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/112017.pdf (дата обращения 15.10.2019).
4. Zhironkin S.A., Khoreshok A.A. Economic and Technological Role of Kuzbass Industry in the Implementation of National Energy Strategy of Russian Federation. Innovative Technologies in Engineering. VII International Scientific Practical Conference. Conference Proceedings. National Research Tomsk Polytechnic University, 2016. Р. 12127.
5. Коваленко М.В., Соловьев В.А. Разработка нового способа борьбы со смерзанием угля в полувагонах в зимний период времени / Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: научн.-тех. конференция студентов и аспирантов, 1-15 апреля 2016 г. Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2016. С. 259-260.
6. Учитель А.Д., Кормер М.В., Лялюк В.П. Проблемы транспортировки угольных концентратов в период отрицательных температур окружающей среды // Кокс и химия. 2013. № 5. С. 13-19.
7. Гончаров Ю.Б. Повышение эффективности работы радиационно-конвективных устройств угольных терминалов: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток: ДВФУ, 2017. 139 с.
8. Повышение эффективности выпуска смерзшегося угля из полувагонов / С.Я. Левенсон, Л.И. Гендлина, Ю.И. Еременко, Е.Г. Куликова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 2. С. 358-362.
9. Prikhodko А.А., Alekseenko S.V. Numerical simulation of non-stationary processes of freezing and defrosting of porous mediums // Modern Science: Researches, Ideas, Results, Technologies. 2012. Vol. 2012. N 2. P. 57-63.
10. Shmeltser E.O. Prevention of coal freezing by means of acetates // Coke and Chemistry. 2016. Vol. 59. N 4. Р. 132-136.
11. Технологические процессы и машины для измельчения смерзшегося и крупногабаритного угольного топлива / Л.А. Пучков, Л.И. Кантович, В.Н. Гетопанов, Г.П. Берляв-ский. М.: МГГУ, 2003. 144 с.
12. Коровяковский Е.К. Проблемы развития системы логистических центров на железнодорожном транспорте // Логи-
стические системы в глобальной экономике. 2011. С. 121-125.
13. Кузнецов П.Я. Размораживающее устройство проходного типа // Промышленный транспорт. 1986. № 2. С. 20-22.
14. Liu D., Zhao F.Y., Tang G.F. Numerical Analysis of Two Contaminants Removal from a Three - Dimensional Cavity // Int. Journal Heat Mass Transfer. 2008. Vol. 51. 378 p.
15. Hmiel J., Szyszko M. The Identification of Selected Issues of Port Facilities Wear in Dusty Environments of Bulk Cargoes. Solid State Phenomena. Germany: Trans Tech Publications Ltd, 2016. Vol. 252. Р. 31-40.
16. House D.J. Cargo Work for Maritime Operations. New York: Routledge, 2016. 399 p.
COAL QUALITY
ORIGINAL PAPER
UDC 622.2.023.65:658.562.2:622.33 © D.E. Sekachev, M.G. Rahutin, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 11, pp. 54-57 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-11-54-57
Title
improving the efficiency of crushing frozen coal at port terminals in the autumn, winter and spring periods
Authors
Sekachev D.E.', Rahutin M.G.'
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
Authors' Information
Sekachev D.E., Postgraduate student, e-mail: mr.dsekachev@yandex.ru. Rahutin M.G., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: rahutin. mg@misis.ru
Abstract
At present, Russia is the third largest exporter of coal. At the same time, the main areas of coal fuel production are located at considerable distances from the deposits - 95% of the reserves are in the Asian part of Russia, of which more than 60% are in Siberia. The article reveals the main causes of coal frozen in the autumn-spring and winter period. The field of research includes measures to restore the flowability of cargoes and determine their effectiveness at the present time. The object of study is the existing technology to restore the flowability of frozen goods. The subject of the study we chose to restore the flowability of coal arrived in the winter in the coal receiving complex. The aim of the study is the study of technologies for restoring frozen materials, which are implemented at one of the largest coal terminals in the country. The analysis of the current situation in the field of processing of cargo of goods at coal-receiving points has been carried out. The flowchart for restoring the flowability of frozen material in the port terminals of the Dalniy Vostok is analyzed and the cycle time for unloading the composition with coal in the winter period is determined.
Keywords
Coal fuel, Railway wagon, Coal-receiving complex, Greenhouse-thawing machine, Drilling installation, Hopper grid, Crushing and milling machine, Restoration of flowability of frozen materials.
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossii do 2030 goda [Energy strategy of Russia until 2030]. [Electronic resource]. Available at: https://energystrategy.ru.html (accessed 15.10.2019). (In Russ.).
2. Podvickiy M.G. Nechetkaya sistema upravleniya vygruzkoj smerzshegosya uglya [Incorrect management system for unloading frozen coal]. Sbornik nauchnyh trudovSWORLD, 2012, No. 3, pp. 87-89. (In Russ).
3. Novoselov S.V., Melnik V.V. & Agafonov V.V. Eksportno-orientirovannaya strategiya razvitiya ugol'nyh kompaniy Rossii - osnovnoy faktor obespech-eniya ih finansovoy ustoychivosti [Export-oriented development strategy of the coal companies of Russia - the main factor ensuring their financial stability]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 11, pp. 54-56. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2017-11 -54-56. Available at: http://www.ugolinfo. ru/Free/112017.pdf (accessed 15.10.2019).
4. Zhironkin S.A. & Khoreshok A.A. Economic and Technological Role of Kuzbass Industry in the Implementation of National Energy Strategy of Russian Federation. Innovative Technologies in Engineering VII International Scientific Practical Conference. Conference Proceedings. National Research Tomsk Polytechnic University, 2016, pp. 12127.
5. Kovalenko M.V. Razrabotka novogo sposoba borby so smerzaniyem uglya v poluvagonakh v zimniy period vremen. Nauchn. tech. konf., tez. dokl. [Development of a new method of combating the freezing of coal in railway cars in the winter time. Scientific Conference, Abstracts of Papers]. Komsomolskon-Amur, Sputnik, KnASTU Publ., 2016, pp. 259-260. (In Russ).
6. Uchitel A.D., Kormer M.V. & Lyalyuk B.P. Problemy transportirovki ugolnykh kontsentratov v period otritsatelnykh temperatur okruzhayushchey sredy [Problems of transportation of coal in the period of negative ambient temperatures]. Koks i Himiya - Coke and Chemistry, 2013, No. 5, pp. 13-19. (In Russ).
7. Goncharov Yu.B. Povysheniye effektivnosti raboty radiatsionno-konvektivnykh konvektivnykh ustroystv ugolnykh terminalov: Diss. kand. techn. nauk [Improving the efficiency of radiation-convection devices at coal terminals. PhD (eng.) diss.]. Vladivostok, DVFU, 2017, 139 p. (In Russ.).
8. Levenson S.Ya. & Gendlina L.I. Povyshenie ehffektivnosti vypuska smerzshegosya uglya iz poluvagonov [Improving the efficiency of unloading frozen coal from railway cars]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2010, No. 2, pp. 358-362. (In Russ).
9. Prikhodko A.A. & Alekseenko S.V. Numerical simulation of non-stationary processes of freezing and defrosting of porous mediums. Modern Science: Researches, Ideas, Results, Technologies, 2012, Vol. 2012, No. 2, pp. 57-63.
10. Shmeltser E.O. Prevention of coal freezing by means of acetates. Coke and Chemistry, 2016, Vol. 59, No. 4, pp. 132-136.
11. Puchkov L.A., Kantovich L.I., Getopanov V.N. & Berlyavsky G.P. Tekhno-logicheskiye protsessy i mashiny dlya izmelcheniya smerzshegosya i krupno-gabaritnogo ugol'nogo topliva [Technological processes and machines for grinding frozen coal]. Moscow, MSMU Publ., 2003, 144 p. (In Russ).
12. Korovyakovskiy E.K. Problemy razvitiya sistemy logisticheskih centrov na zheleznodorozhnom transporte [Some problems of development of the system of logistics centers in railway transport]. Logisticheskie sistemy v glo-balnoy ehkonomike, 2011, pp. 121-125. (In Russ).
13. Kuznetsov P.Ya. Razmorazhivayushcheye ustroystvo prokhodnogo tipa [Pass-through defrosting device for wagon]. Promyshlennyy transport - Industrial transport, 1986, No. 2, pp. 20-22. (In Russ).
14. Liu D., Zhao F.Y. & Tang G.F. Numerical Analysis of Two Contaminants Removal from a Three - Dimensional Cavity. Int. Journal Heat Mass Transfer, 2008, Vol. 51, 378 p.
15. Hmiel J. & Szyszko M. The Identification of Selected Issues of Port Facilities Wear in Dusty Environments of Bulk Cargoes. Solid State Phenomena. Germany, Trans Tech Publications Ltd, 2016, Vol. 252, pp. 31-40.
16. House D.J. Cargo Work for Maritime Operations. New York, Routledge, 2016, 399 p.
Paper info
Received August 14,2019 Reviewed September 16,2019 Accepted October 8,2019
