CC BY
20
--© C.B. Ковшов, Е.П. Ютяев,
В.П. Ковшов, И.В. Курта, А.Х. Ерзин, 2013
C.B. Ковшов, Е.П. Ютяев, В.П. Ковшов, И.В. Курта, А.Х. Ерзин
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБИДА КАЛЬЦИЯ КАК КОМПОНЕНТА ПЫЛЕПОДАВЛЯЮЩЕГО СЛОЯ
Рассмотрена технология снижения пылевыделения в местах складирования каменного угля с помощью применения химически активного реагента — карбида кальция. Описывается дополнительный положительный эффект — снижение смерзаемости горных пород при отрицательных температурах.
Ключевые слова: карбид кальция, ветровая эрозия, пылевая техногенная нагрузка, аэродинамическое давление, пылеобразование.
Одним из самых ярких примеров динамичного развития северо-западного региона России является строительство портового терминал в г. Усть-Луга, начатое в 1993 г. с целью создания мощных, высокопроизводительных комплексов для перевалки массовых грузов (угля, минеральных удобрений) на крупнотоннажные суда грузоподъемностью свыше 30 тыс. тонн. Технологические процессы, связанные с таким строительством, сопровождаются формированием временных (а зачастую — долговременных) техногенных массивов — штабелей горных пород, которые становятся источниками пылевыделения.
Регулярные отгрузки на Усть-Лужском угольном терминале начались в 2002 году, после ввода в эксплуатацию первой очереди мощностью 4 млн т. Комплекс второй очереди принял первое судно в январе 2006 года. Полная мощность терминала составляет 12,4 млн т в год. Основной объем каменного угля идет из Кузбасса. Основными «пользователями» терминала являются ОАО «СУЭК», ОАО «Угольная компания Кузбассраз-резуголь», ОАО «Южкузбассуголь».
Пылевая техногенная нагрузка на окружающую природную среду весьма существенна как в местах временной отсыпки пород в самом портовом комплексе, так и на значительном расстоянии от него. Так, только от одного штабеля угля, располо-
женного на территории терминала, в атмосферу выделяется до 100000—150000 мг угольной пыли в секунду, т.е. концентрация пыли в районе г. Усть-Луга достигает 70-80 мг/м3,что превышает ПДК для данного вида пыли в 15-17 раз.
Проведенный анализ показал, что концентрация угольной пыли в Ломоносовском и Кронштадском районах г. Санкт-Петербурга в отдельных точках составляет 7-10 мг/м3, что 1,52 раза превышает ПДК. Это объясняется географическим положением терминала к западу от основной части г. Санкт-Петербурга на берегу Финского залива, что в сочетании с господством западных ветров приводит к существенному переносу пылевого потока в направлении указанных районов города.
В современной научной литературе и нормативной документации при оценке роли штабелей в формировании пылевой нагрузки на окружающую среду уделяется недостаточное внимание. Также существенной является проблема выбора способа снижения пылевыделения от таких источников, что обусловлено следующими обстоятельствами:
• горные породы (каменный уголь) не должны существенно менять своих физико-химических и энергетических свойств;
• существенная неопределенность со сроками формирования и нахождения штабелей (от нескольких дней и до нескольких лет);
• различная эффективность технологий пылеподавления на различных этапах технологической цепочки (когда уголь находится в штабеле — одна группа технологий, когда уголь перегружается по системе конвейеров — совсем иная группа технологий).
Применяющиеся в Усть-Лужском терминале способы и средства снижения пылевыделения или недостаточно эффективны, или сами являются источниками загрязнения рабочего пространства, что подтверждается данными о заболеваемости сотрудников терминала.
Угли подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение углей в процессе термического воздействия на них. Стоит отметить, что в удельном отношении 95 % всего угля, складируемом в исследуемом терминале, приходится на жирные, коксовые марки угля и антрациты.
С целью изучения пылящих свойств складируемого и перегружаемого угля были проанализированы образцы 3 самых распространенных марок угля.
Пробы взяты в зимний период, т.к. особый интерес представляет собой процесс пылеподавления именно в зимний период.
Наличие большого количества граней улучшает адгезионные свойства пылящего материала. Их отсутствие или малое количество требует более активных пылеподавляющих реагентов. Поэтому одной из задач исследования является подбор таких реагентов, адгезионные свойства которых дополняли бы адгезионные свойства пылящих частиц.
Помимо анализа адгезионных свойств, важным является анализ самого пылевыделения как процесса изменения физико-химических свойств пылящего материала.
Основной причиной пылевыделения при складировании и хранении угля в штабелях является ветровая эрозия, особенно сильно проявляющаяся на берегу Лужской губы Финского залива, где скорость ветра нередко достигает 10-12 м/с. Ветровая эрозия штабелей представляет собой разрушение сложившейся в процессе складирования и статического хранения структуры дисперсной слабосвязанной обезвоженной породы под воздействием ветровоздушного потока [2].
Для изучения процесса пылевыделения в угольном штабеле предложена следующая принципиальная схема лабораторной установки, которая трансформировалась в лабораторный стенд. Исследование процессов пылевыделения осуществлено в соответствии с методикой расчета ветровой эрозии РД 15334.0-02.106-98 [1].
При исследовании ветровой эрозии можно выделить три основных составляющих процесса:
• отрыв и взлет частицы с поверхности;
• перемещение ее в запыленном потоке над поверхностью штабеля;
• рассеивание эродированных частиц за пределами штабеля после схода с него пылевого облака.
Воздействие ветровоздушного потока на каждую отдельную частицу на поверхности слоя связано с несколькими одновре-
менно действующими механизмами — лобовое аэродинамическое давление, побуждающее к сдвигу по направлению ветра вдоль поверхности, перепад статического давления, возникающий при обтекании частицы и создающий подъемное усилие.
В табл. 1 представлены результаты анализа пылеобразова-ния и пылепереноса, полученные согласно РД 153-34.002.106-98.
Из табл. 1 видно, что непосредственно на территории угольного терминала концентрация угольной пыли достигает
з
250 мг/м , на расстоянии 5 км (т.е. фактически в самом городе Усть-Луга и близлежащей территории) — 10,15 мг/м3, а на расстоянии 100 км (т.е. в районе г. Ломоносова и г. Кронштадта) создается запыленность, примерно соответствующая 0,2 нормам ПДК.
В ходе исследований, проведенных в предыдущих годах, было установлено, что эффективной технологией защиты от пылевыделения является перекрывание пылящих поверхностей отработанных техногенных массивов (в т.ч. и штабелей горных пород) биогенной смесью, состоящей из биогумуса и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, находящихся в соотношении 125:1. Данная технология подтвердила свою эффективность при снижении пылевыделения от отвалов вскрышных пород Шуваловского, Каменского, Кузьмаловского карьеров, находящихся в черте г. Санкт-Петербурга и его пригородов. Однако в условиях Усть-Лужского терминала такой подход к решению проблемы будет неэффективным по следующим причинам:
1). На карьерах внешние отвалы вскрышных пород формируются, чаще всего, один раз. Штабели угля — техногенные массивы, постоянно меняющие свои размеры за счет изъятия и догрузки породы. Поэтому перекрывать пылящую поверхность каким-либо слоем является крайне неэффективным.
2). Ценность вскрышных пород, находящихся в отвалах, невелика. Поэтому изменение физико-химических свойств вскрышных пород при пылеподавлении, фактически, не изменяет их ценности. В случае с угольными штабелями крайне важным является сохранение всех основных свойств угля — особенно его влажности, содержания примесей и теплотворной способности.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований процесса пылевыделення
Содержание зольной части в пылящем материале, % <10
Агрегатная плотность рп , кг/м 3 2400
Предельный размер эродируемых частиц ётах , мкм 160
Граничный размер эродируемых частиц, разделяющий сальти- 31,0
рующие и витающие частицы ё, мкм
Пороговая динамическая скорость ветрового потока для сред- 0,135
невзвешенного размера эродируемых частиц в слое ¥1 , м/с
Доля витающих (а) и сальтирующих (б) частиц в общей массе б = 0,87
эродируемого пылящего материала а = 0,13
Скорость ветра на уровне флюгера ¥кр , соответствующая ¥( , 5,04
м/с
Среднегодовая скорость ветра на уровне флюгера в пылеопас- 6,2
ном ветровом режиме, ¥ср , м/с
Динамическая скорость потока ¥ё , соответствующая ¥ср , м/с 0,166
Удельная сдуваемость золовых частиц, Мо , соответствующая 0,0257
величине ¥ср , г/м 2 с
Скорость ветра ¥2 , м/с 6,2
Эффективная площадь пылящей поверхности Бэф , м 2 260000
Текущий вынос пылевых частиц тп , г/с 742,8
Ширина пылевого облака 1п , м 2460
Высота подъема эродированных частиц над пылевым полем Ь, м 1,196
3). Для климатических условий г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области важным является предотвращение смер-заемости породы, возникающей при высокой влажности в зимнее время года. Биогенный слой данную проблему фактически не решает.
4). Технология биогенного пылеподавления полностью неэффективна при снижении пылевыделения при транспортировке и перегрузке на конвейере.
Поэтому в рамках данного проекта встала задача подбора технологических решений по снижению пылевыделения, удовлетворяющих условиям Усть-Лужского угольного терминала [3].
На базе Горного университета проведены опыты по применению хлористого кальция в целях пылеподавления и борьбы со смерзанием угля.
Синтетический хлористый кальций с точки зрения результата и экономии затрат является эффективным средством защиты от промерзания материала, способствующим процессу таяния. В сравнении с механическими средства, СаС12:
• помогает существенно уменьшить время загрузки-выгрузки транспортных средств, размеры штрафных неустоек за простой транспорта;
• устраняется необходимость разбивать и вторично дробить смерзшийся в штабелях уголь;
• снижается вероятность возникновения неполадок в работе конвейеров и систем загрузки;
• не изменяются горючие свойства угля.
Для борьбы со смерзанием СаС12 разбрызгивают на породу для обеспечения ее способности сыпаться, а также при слоевой закладке штабеля — между слоями — для предотвращения адгезии или слипания. Количество хлористого кальция, необходимое для обеспечения защиты от замерзания, зависит от следующих факторов:
• от количества влаги на поверхности (т.е. влаги между частицами материала);
• от гранулометрического состава (учитывается процентное содержание мелких фракций);
• от времени между засыпкой и экскавацией угля в штабеле;
• от температуры воздуха и количества выпадающих осадков;
• от доли уже смерзшегося материала;
• от эффективности обработки.
В лабораторных условиях проанализированы нормы расхода раствора хлористого кальция в целях борьбы со смерзае-мостью угля в характерных для Усть-Лужского терминала микроклиматических условиях. Установлено, что для данных целей рациональной концентрацией СаС12 в водном растворе является 32 %.
Хлористый кальций характеризуется более низким уровнем давления пара в растворе, чем у воды при той же самой температуре. Поскольку испарение прямо пропорционально давлению пара, раствор CaCl2 испаряется со значительно более низкой скоростью, чем чистая вода, оставляя поверхность горной породы увлажненной длительное время и предотвращая пылеобразование. Раствор хлористого кальция наносится методом распыления на породу [4].
В экспериментальных условиях установлена рациональная норма расхода раствора CaCl2 с целью уменьшения пылеобра-зования. Таким образом, установлено, что рациональной концентрацией раствора CaCl2 является 32 % при норме расхода 2-2,2 л на 1 м2 поверхности штабеля.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 153-34.0-02.106-98. Методика расчетной оценки ветровой эрозии и пыления отвала. — Уфа, 2000. — 15 с.
2. Ковшов C.B. Определение параметров аэротехногенного влияния площадных источников на рабочее пространство карьеров при применении различных способов пылеподавления / С.В. Ковшов, B.C. Кузнецов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — Т. 3. — С. 132—139.
3. Ковшов C.B. Оценка пылеотложений и пылевзрываемости горных выработок / C.B. Ковшов, А.Н. Никулин // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012». Выпуск 3, Том 12. Одесса, 2012. С.54-56
4. Ковшов C.B. Способ закрепление пылящих поверхностей / C.B. Ковшов, Ю.В. Шувалов, В.П. Ковшов, М.А. Пашкевич, Ю.Д. Смирнов, М.М. Малышкин, А.С. Щербо // Патент на изобретение № 2407891 от 27.12.2010. S5H3
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ютяев Е.П. — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУ-ЭК-Кузбасс», [email protected]
Ковшов В.П. — кандидат географических наук, доцент, Ковшов C.B. — кандидат технических наук, ассистент, Ерзин А.Х. — аспирант, Курта È.B. — ассистент кафедры,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», [email protected].
