Теория и практика аэрогидродинамической пылеочистки вентиляционных струй в факелах диспергированной жидкости Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97» МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 10 «АЭРОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

С.Ю. Ерохин, проф.

В.И. Дремов, доц.

В.А. Говша, инж.

Московский государственный горный университет

ТЕ СЭР 1/1Я И ПРАКТИКА АЭРОГ1/1Д РОД 1/1 НАМ 1/1 ЧЕСКОЙ ПЫЛЕ041/1СТК1/1 ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТРУЙ В ФАКЕЛАХ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ

Известно, что последствия взрывов пыли, инициируемых вспышками метана или другими источниками, очень тяжелы. В среднем за десятилетие в различных странах мира при подземной добыче угля происходящий более 50 крупных взрывов, при которых травмируются не менее 5000 горняков, из которых почти половина погибает. [1]

Вероятность возникновения взрывоопасной ситуации в лаве с учетом вероятности возникновения взрывоопасных концентраций и интенсивности пылеогложения может достигать 0.1; без учета взрывных работ как источника воспламенения в штрекообразных выработках- 0.006, [2]. При этом в штреках происходит более половины всех взрывов, [1].

В связи с этим, задача обеспыливания исходящих вентиляционных струй является актуальной.

В практике пылью называют не только собственно пылевой аэрозоль, но и осевшие полевые частицы (>0-^70*10 6м), которые при определенных условиях способны переходить во взвешенное состояние.

Одним из основных факторов, обусловливающих пылевзрывоопасность горных выработок, является пылеотложение, измеряемое в граммах отложившейся пыли в единицы объема выработки за сутки (г/(м3 *сутки).

На основе сравнительного анализа известных технических решений обеспыливания вентиляционных струй и статистики взрывов, можно утверждать, что данная проблема еще далека от решения. Как видно из таблицы 1, наиболее экономически целесообразным является применение водяных завес. Невысокое снижение пылеотложения не является ограничивающим фактором, т. к. возможна каскадная установка завес при незначительном увеличении затрат. Однако необходимость отвода и осветления воды требует больших вложений. Но самое главное, завесы значительно ухудшают комфортность труда горнорабочих.

В связи с этим было предложено, приняв за основу принцип водяной завесы, разработать технические решения, но обеспыливанию исходящих струй в штрекообразных выработках, лишенных вышеуказанных недостатков.

Такое решение было предложено, рис. 1. В сквозной штрекообразной выработке, имеющей бункеры и перегрузы или примыкающей к подготовительному или очистному забою, устанавливают легкую дощатую или пластиковую перемычку с вентиляционным окном и дверью. За вентиляционным окном над конвейером устанавливают шламоуловитель в виде металлической сетки. Перед окном на определенном расстоянии устанавливают одну или несколько форсунок 1, рис. 1.

ы № У' & =3 pfejr 1 nr

С —a VP ri cl •vr ]

сг V -г* —u J ¥ir' ,-r

Г i ■'2'g

А - А

I*11с. 1. Способ обеспыливания исходящих вентиляционных струй в шихтах

Работает способ следующим образом запыленная вентиляционная струя за счет эффекта эжекции, создаваемого форсункой 1, направляется в вентиляционное окно. Пыль струи в закрученном высокотурбулентном трехфазном потоке коагулируется с каплями и в виде шлама направляется на сетку- шламоуловитель с которого смывается диспергированной водой на конвейер.

При разработке способа поставлено 2 условия:

1. Исходящая вентиляционная струя должна в полном объеме эжектироваться и очищаться в факеле форсунки 1, рис. 1;

2. Потери статического давления вентиляционной струи при прохождении вентиляционного окна и шламоуловителя должны быть компенсированы напором, развиваемым свободно устанавливаемыми форсунками.

Для выполнения первого условия на основе сохранения импульса решена эжек-ционная задача, в результате чего получено соотношение для определения количества эжектируемого факелом свободно устанавливаемой форсунки воздуха.

При решении эжекционной задачи было получено соотношение (1), определяющее зависимость средней скорости аэрозоля от расстояния замерного сечения до сопла и давления на спрыске:

V 4 = 1.5 4У]р/(афс1с1), м/с, (1)

Где : а - коэффициент расхода форсунки; аф- осредненный коэффициент структуры струи; с!( - площадь сопла форсунки, мм;

/ - расстояние между замерным сечением и соплом форсунки, м.

В выражении (1) величина осреднен-ного коэффициента структуры факела аф, численно равная отношению видимого радиуса факела форсунки (Ауг-Ау) на рис. 2 к расстоянию /.

©

Рис.2. С 'хема рабочего процесса свободно расположенной форсунки

Изменение коэффициента аф в зависимости от / представлено на рис. 3.

Влияние давления р на значение аф в пределах расстояний / < 1.5м незначительно и не превышает погрешностей измерения поджатия факела &у.

График зависимости vA-f(l) представлен на рис. 4. Теоретические значения

VА на графике рис. 4. хорошо совпадают с опытными данными ВостНИИ (г. Кемерово).

Рис.З. Изменение осредпенного коэффициента структуры струи а .в зависимости от

расстояния I и угла раскрытия факела а

Рис.4. Изменение средней скорости аэрозоля в факеле конусной форсунки уа в зависимости от расстояния I

В опытах и расчетах были использованы форсунки типажного ряда КФ- 2.2- 75 (кривая и значения по линии 1, рис. 4.); КФ-2.2- 40 (кривая 2); КФ- 2.2- 1.5 (кривая 3). Форсунки рассчитывались и работали при давлении 10 МПа с диаметром сопла 1.9 мм.

Зная площадь поперечного сечения факела орошения по осредненному коэффициенту структуры струй, рис. 3, и ско-

рость аэрозоля по формуле (1), после преобразований получим:

дэ = ау/р (П4п .1^-- 2.55), (2).

V ис

Где: цэ - объем эжектируемого форсунками

воздуха, м7мин;

N - число параллельно установленных форсунок, шт.

Зависимость эжектирующей способности цэ свободно установленной форсунки КФ- 2.2- 40 от давления р и расстояния / представлена на рис. 5.

Рис.5. Изменение эжектирующей способности форсунки Q, в завимости от расстояния I

Выполнение второго условия обеспечили следующим образом. Первоначально выбираем площадь окна 5ОЛГ такой, чтобы его депрессия Нок компенсировалась

бы напором, создаваемым свободно установленными форсунками. Как известно, площадь окна и его депрессия Нок

связаны соотношением [3]:

С — /-2\

^ОК I----- ’ ' (-,)-

0.65</ + 0.84лй ^ Н()К Где - количество проходящего по выработке воздуха, м3/с; s/j - сечение выработки, м .

В свою очередь, динамический напор форсунок Нф, развиваемый или при эжектировании всего проходящего по выработке воздуха в направлении вентиляционного окна составит:

Нф=Р ~г~ = Р

Па.

(4).

Где: р- плотность воздуха, кг/м3.

Подставив (3) в (4), для диапазона измене-2

ния 7<лй<30м , получим:

л»

0.65(1

)

•1.3-5-1.5м (5).

Обустроить над конвейером окно для пропуска эжектируемого воздуха площадью^.4м можно, придав ему яйцевидную форму, рис. 1, со средним радиусом г =0.65м или горизонтальной и вертикальной полуосями 0.9 и 1.7м соответственно.

Далее рассчитываем шламоулови-тель, выполненный в виде части боковой поверхности усеченного конуса, изготовленного из металлической сетки с опреде-

ленным

живым сечением к

ЖС ’

мым соотношением:

определяе-

(6).

1 де - суммарная площадь отверстии на

одном квадратном метре сетки, м2/м2.

Для цели беспрепятственного прохода воздуха через сеточный шламоуловитель без аэродинамических потерь необходимо, чтобы суммарная площадь его отверстий равнялась бы площади вентиляционного окна, т. е.

или

\н' -ЧцпкЖС = яОК

(7).

Где: яЕП- площадь боковой поверх-

/)/7

носги шламоуловигеля, м

Пч

/, м‘

(8).

Из выражения (8) с учетом (7) и (6) можно определить длину шламоуловите-ля/:

35,

/=•

ок

м

(Ч).

Например, при использовании сетки с живым сечением кжс =0.5 длина шламо-

уловителя составит:

Зх 1.4

/ =

=4м.

3.14 х 0.65 х 0.5

В заключении расчета подбираем формулу 1, рис. 1, устанавливаемую на расстоянии 0.5-Им от входного сечения шла-моуловителя, рассчитываем ее рабочее давление с тем условием, чтобы она могла эжектировагь весь проходящий по выработке воздух.

Допустим, по выработке проходящий </=300м7мин. Рабочее давление воды, которое может обеспечить пожарооросительный трубопровод, составляет, например, 1.5 лт Примем форсунку КФ-5.0- 75. Скорость V4 в соответствии с рис. 3 определим из соотношения:

V =-----------------,м/с, (10).

П(Па<*/2-Ау)2

Где а- угол раскрытия факела. а=75°

1.6 ,

, м/с.

А (0.77/- д,.)2 Поджатие факела Ду , рис. 2, вычисляем, используя рис. 3. По определению

- А,

аф =----, откуда

е

Аг=аф1, м (11).

В свою очередь, средняя по сечению скорость эжектируемого запыленного воздуха ув в вентиляционном окне площадью

ь'ОК составит:

_ Ч

300

’<ж

60 х 1.4

=3.6м/с.

построив совмещенный график кри-

- 1-6 „ ,

вон \А — ~----------- и прямой Уд=3.6м/с

(0.77/ -аг)'

в координатах « V - е », рис. 6, получим значение / —1.0 м, форсунку 1 от входного сечения шламоуловителя, чтобы она могла

Таблица І

Характеристики основных способов обеспыливания исходящих вентиляционных струй н

предупреждения пылевой опасности

№ п/п Название способа обеспыливания Основные характеристики

Пыле- отложение г/(м’сут) Расход воды л/м’ Давлен и е Мпа Снижение пылеотло- жения % Затраты руб/м’ (на 1997г) Периодич- ность 1/сут Примечания

1 Водяная завеса <200 0.12 0.5 60 = 10 Постоянно Наличие шламоуло- вителя, влажность

Мокрая уборка (обмывка) >50 2.4 0.4 50 за сутки 100 1 Персонал, ус гановка

з Сухая мылеубор-ка <40 Пылесо с 2м3/мин 0.12 Воды в шламо-улов іі-теле 0.12 90 500 з Персонал. установка

4 Осланцевание >200 10кг/ми н инергно и пыли 0 100 1 Персонал, установка

5 Связывание пыли >50 Зкг/м пасгы 90 100 0.1 Персонал, установка

0 Побелка <0.4 0.3 кг/м" побелки + 10 л 0.5 0 100 0.1 Персонал, Установка

7 Туманообразова- ние >200 Воздух 2м’/мин 5 Воздух 0.3 ’ 40 50 Постоянно Персонал, установка, высокая влажность

Проверку выполним по формуле (2): 9=570(114*1

2.25)~300м3/мин.

В предложенном устройстве форсунки, расположенные вокруг оросителя 1, рис.

1, выполняют роль конфузора и их напор и эжектирующая способность не рассчитываться. В данном случае они компенсируют неучтенные аэродинамические потери в устройстве.

эжектировать в свой факел д~300м"/мин запыленного воздуха.

Рис.6. График к расчету оросителя

Для этой цели можно принять форсунки КФ- 1.6- 15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя параметры работы устройств пылеподавления аналогичного типа можно предположить, что разработанное техническое решение при эксплуатации позволяет:

• снизить запыленность в выработке по общей массе не менее, чем на 90%;

• снизить запыленность в выработке по респирабильным фракциям пыли не менее, чем на 60%;

• снизить пылеотложение в выработке не менее, чем на 95% (20 раз). Удельный расход воды на 1м3 очищаемого воздуха порядка 0.03л, давление 1-П.5 мпл.

Затраты порядка 20 руб. На 1м3 очищаемого воздуха.

Таким образом, предложено техническое решение, позволяющее с целью ры-левзрывозащиты эффективно как с технической, так и с экономической точек зрения очищать от пыли исходящие по штрекообразным выработкам вентиляционные струи, исключая аэродинамические потери и вла-гоизнос.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.В. Трубицын, А.Н. Прозоров. Предупреждение взрывов угольной пыли. Обзорная информация, вып. 4. М., ЦНИЭуголь, 1988.

2. А.А. Мясников, С.П. Старков, В.И. Чику-нов. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. М., Недра, 1985.

Справочник по рудничной вентиляции. Под ред. К.З. Ушакова, М., Недра, 1986.

©С.Ю. Ерохин, В.И. Дремов, В.А. Говша