Авторефераты диссертаций >> Снижение пылевыделения от динамических источников на карьерах строительных материалов аэропенным способом
На правах рукописи
КАМЕНСКИЙ Александр Андреевич
СНИЖЕНИЕ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ НА КАРЬЕРАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ АЭРОПЕННЫМ СПОСОБОМ
Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в горной
промышленности)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет».
Научные руководители –
заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
доктор технических наук, профессор
Парамонов Геннадий Петрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Мазур Андрей Семенович
кандидат технических наук
Лигоцкий Дмитрий Николаевич
Ведущее предприятие – ФГУП «Национальный научный центр горного производства – Институт горного дела им. А.А. Скочинского»
Защита диссертации состоится 1 июля 2011 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, ауд. 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).
Автореферат разослан 31 мая 2011г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор Э. И. БОГУСЛАВСКИЙ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Основными источниками пылеобразования при открытой разработке месторождений строительных материалов являются: бурение; разрушение горных пород взрывом; погрузочно-доставочные и дробильно-сортировочные работы. По данным практики установлено, что удельное количество выделяемой при горных работах пыли на единицу объема добытой горной массы находится в пределах от 30 до 160 г/м3, при этом суммарная величина выделения пылевого аэрозоля (размеры частиц менее 20 мкм) открытыми горными составляет 0,46 млн. т в год.
Рост легочных и других профессиональных заболеваний горнорабочих является следствием загрязнения атмосферного воздуха пылью и газообразными продуктами, эффективное противодействие которому необходимо искать в разработке новых нетрадиционных способов пылеподавления.
Существующие способы борьбы с пылью от динамических источников основаны на их нейтрализации различными растворами, пенами, пылесвязывающими добавками.
Проблеме пылеподавления при ведении горных работ в карьере посвящены работы В. В. Адушкина, П.В. Бересневич, Н.З. Битколова, В.Б. Комарова, К.З. Ушакова, В.С. Никитина, Ю.В. Шувалова, С.В. Михейкина, и других. Труды этих ученых внесли значительный вклад в развитии теории и практического применения различных методов пылеподавления. Тем не менее, несмотря на достигнутые успехи, до настоящего времени эффективного способа пылеподавления не существует.
Цель диссертационной работы. Улучшение условий труда работающих на основе снижения содержания пыли в рабочей зоне карьеров при использовании аэропенного способа пылеподавления.
Идея работы: Снижение уровня загрязнения рабочей зоны пылевым аэрозолем горнорабочих и уменьшения вероятности профессиональных заболеваний может быть достигнуто за счет применения аэропенного способа пылеподавления на основе использования поверхностно-активных веществ.
Основные задачи исследований:
1) анализ и оценка мест выделения пыли от динамических источников на карьерах строительных материалов, их влияние на окружающую среду и здоровье человека;
2) разработка аэропенного способа пылеподавления от динамических источников;
3) разработка методики и лабораторной установки для исследования процессов взаимодействия пыли с водоэмульсионными и аэропенными составами;
4) исследование свойств и состава аэропены для снижения пылевыделения от различных источников на карьере;
5) разработка технологии и рекомендаций по пылеподавлению аэропенным способом при динамических источниках.
Методы исследований.
Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего системный анализ проблемы на основе разработок российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; лабораторные и натурные методы изучения процессов пылевыделения и пылеподавления: микроскопический, седиментационный, ситовой анализ дисперсности материала. Исследования проводились на базе кафедр безопасности производств и взрывного дела Санкт-Петербургского государственного горного университета. Для математической обработки данных использовались современные стандартные компьютерные программы пакета MS-Office.
Научная новизна работы:
1) Установлены зависимости массы коагулируемой пыли от состава и концентрации пен на основе пеновоздушных аэрозолей;
2) Определены рациональные области применения аэропенного способа пылеподавления для различных источников образования пыли;
Защищаемые научные положения:
- Для пылеподавления образующейся пыли в технологических процессах при разработке месторождений строительных материалов следует применять пеносодержащие растворы на водной основе с содержанием олеиновой кислоты (0,8 – 1,2 %), соды каустической (0,4 – 0,6 %) и глицерина (0,2 – 0,4 %).
- Аэропенный способ борьбы с пылью от динамических источников на карьерах строительных материалов, повышает уровень пылеподавления на 20 % по сравнению с используемыми водоэмульсионными способами.
- Применение аэропены в качестве забойки скважинных зарядов уменьшает на 30 % выбросы пыли при проведении взрывных работ на карьере.
Практическая значимость работы:
- предложена технология снижения пылевыделения от динамических источников аэропенным способом;
- предложен состав пылегасящей жидкости для аэропенного способа;
- предложены схемы создания системы пылеподавления на карьерах строительных материалов;
- определены оптимальные параметры пеногенерации в зависимости от характеристики пыли.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований аэропенного способа пылеподавления, сходимостью в пределах погрешности численных расчетов с данными инструментальных и опытно-промышленных исследований, результатами внедрения на карьерах строительных материалов ОАО «Гранит-Кузнечное».
Апробация диссертации. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: «Перспективные технологии XXI века» (II Международная выставка и конгресс, г. Москва, 2008,.); 57-й Всемирный Салон инноваций, научных исследований и новых технологий «Иннова-энерджи-2008» (Брюссель - Эврика 2008); VIII Международная конференция «Актуальные проблемы промышленной безопасности от проектирования до страхования» (Санкт-Петербург, 2010 г.); международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.). Научные разработки отмечены сертификатами, дипломами, медалями.
Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации по пылеподавлению на дробильно-сортировочных установках и при проведении взрывных работ предполагается внедрить на карьерах ОАО «Гранит-Кузнечное», а также возможно применение на других карьерах по добыче строительных материалов. Научные и практические результаты диссертационной работы можно использовать в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».
Личный вклад автора: заключается в постановке задач исследований, анализе отечественной и зарубежной горнотехнической литературы по теме диссертации, участии в проведении натурных исследований, обработке полученных данных, анализе натурных данных, создании лабораторной установки для исследования особенностей аэропенного способа пылеподавления от динамических источников, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 4 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований, включает 37 рисунков, 22 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научным руководителям – заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. Ю.В. Шувалову и д.т.н., проф. Г.П. Парамонову за идеи, которые послужили основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку, оказанные в процессе выполнения работы; техническим работникам ОАО «Гранит-Кузнечное» и ООО «Городской центр экспертиз» за помощь в сборе информации и проведении промышленных исследований; сотрудникам Центра коллективного пользования Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) за помощь в проведении химического анализа компонентов аэропены, сотрудникам кафедры безопасности производств и взрывного дела за полезные замечания и ценные советы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе диссертационной работы рассмотрен и проанализирован отечественный и зарубежный опыт борьбы с пылью от динамических источников на карьерах строительных материалов. Выполнен анализ и оценка интенсивности пылевыделения от динамических источников при ведении горных работ. Сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены и проанализированы результаты натурных исследований. Проанализировано состояние запыленности рабочих мест в карьерах строительных материалов, проведен анализ влияния пыли на здоровье горнорабочих карьеров строительных материалов и их заболеваемости горнорабочих от воздействия динамических источников пылевыделения; классифицированы известные методы борьбы с пылью на карьерах строительных материалов, из которых были выделены основные: сухие методы пылеподавления, методы борьбы с пылью водой и водными растворами, а также методы борьбы с пылью на основе фазовых изменений состояния воды. На основании выполненных исследований установлено, что наиболее эффективным является способ, связанный с применением водных растворов (аэропенный способ пылеподавления).
В третьей главе проведены натурные исследования эффективности применения аэропенного способа борьбы с пылью на карьерах строительных материалов по сравнению с водоэмульсионным. Определены параметры аэропены и рациональной области их применения.
В четвертой главе проведены промышленные испытания аэропенного способа пылеподавления на карьерах ОАО «Гранит-Кузнечное». На основании проведенных исследований разработаны технология и рекомендации по применению аэропены при производстве взрывных работ и на дробильно-сортировочной установке Представлена сравнительная оценка разработанного аэропенного способа с применяемыми способами пылеподавления на карьерах ОАО «Гранит-Кузнечное».
Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:
1. Для пылеподавления образующейся пыли в технологических процессах при разработке месторождений строительных материалов следует примененять пеносодержащие растворы на водной основе с содержанием олеиновой кислоты (0,8 – 1,2 %), соды каустической (0,4 – 0,6 %) и глицерина (0,2 – 0,4 %).
Известно, что пылеподавление в отраслях горной промышленности и народном хозяйстве осуществляется в основном водой или водоэмульсионными растворами. В тоже время использование данных способов не является достаточно эффективным методом борьбы с пылью от динамических источников.
В лаборатории кафедры «Безопасности производств и разрушения горных пород» Санкт-Петербургского государственного института (технического университета) имени Г.В. Плеханова под руководством проф. Ю.В. Шувалова разработан и запатентован аэропенный способ пылеподавления, основанный на действии высокократной пены из водного раствора с добавлением поверхностно-активного вещества (ПАВ), представленного олеиновой кислотой.
Аэропенный способ пылеподавления характеризуется тем, что связывание и коагуляция пыли осуществляется в воздушном потоке аэрозоля, включающего воздухонаполненные водные (98 %) пены высокой кратности, в состав которых входят поверхностно-активное вещество - олеиновая кислота (0,8-1,2 %), сода каустическая (0,4-0,6 %), и глицерин (0,2-0,4 %). Пылеподавление осуществляется путем выдувания раствора через сопла форсунки на запыленные поверхности.
Для установления оптимального компонентного состава аэропены и ее эффективности при пылеподавлении были проведены лабораторные исследования на специально разработанной опытной установке (рис.1).
Рис. 1 Конструкция опытной установки: генератор воздуха (1), стеклянная трубка (2), деревянный каркас (3), кольца мыльных пузырей (4), воронки для подачи пыли (6), ванны для слива отработанной жидкости (8), (9) (погашенная пена с осевшей в нее пылью).
Рис. 2. Общий вид опытной установки.
Для исследования процесса оседания пыли использовались 10 съемных квадратный поверхностей из наждачной бумаги, размером 25х25 см., размещенных в нижней части модели по ходу воздуха.
Результаты экспериментального исследования состава аэропены, обеспечивающего эффективное пылеподавление, показали, что основным связующим компонентом является олеиновая кислота и представляющая поверхностно-активное вещество (ПАВ). Глицерин и каустическая сода добавляются для стабилизации пузырьков аэропены. Опытным путем установлено, что наибольшую стабилизацию глицерин дает при 0,2-0,4 % компонента, а сода каустическая – при 0,4-0,6 %. Экспериментально установлено, что процентное содержание олеиновой кислоты (как основного компонента) должно составлять от 0,8 % до 1,2 %. На рис. 3 представлена зависимость влияния олеиновой кислоты в составе аэропены на массу осевшей пыли (Мос) от расстояния ее оседания (R).
Рис.3. Зависимость массы осевшей пыли от содержания олеиновой кислоты в составе аэропены: 1 – 0,6 %, 2 – 0,8 %, 3 – 1,2 %, 4 – 1,4 %.
Для установления эффективности аэропенного способа пылеподавления по сравнению с применяемым водоэмульсионным способом были проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях. На рис.4. представлен результат сравнительной эффективности пылеподавления при использовании аэропенного и водоэмульсионного способов.
Для исследований были выбраны короткоживущие высокократные пены со скоростями ее формирования воздушным потоком в пределах от 0,2 м/с до 0,6 м/с.
Рис.4. Зависимость массы осевшей пыли (Мос) от расстояния ее оседания (R) при использовании аэропенного (кривая 1) и водоэмульсионного способов (кривая 2).
В результате выполненных исследований установлено, что данный аэропенный способ при заданных параметрах смеси более эффективный, чем водоэиульсионный и может быть использован для подавления пыли, образующейся в технологических процессах на карьерах, что доказывает данное положение.
2. Аэропенный способ борьбы с пылью от динамических источников на карьерах строительных материалов, повышает уровень пылеподавления на 20 % по сравнению с используемыми водоэмульсионными способами.
Динамическими источниками пылевыделения при разработке месторождений строительных материалов являются взрывные работы, транспортирование полезного ископаемого и дробление. Анализ существующих в литературе данных подтверждает, что данные источники обуславливают во многом фоновую концентрацию пыли на рабочих местах. При этом концентрация пыли от динамических источников суммируется с фоновой концентрацией, что формирует суммарную пылевую нагрузку на горнорабочих.
Подробный анализ аэротехногенного воздействия динамических источников представлен для условий карьеров строительных материалов ОАО «Гранит-Кузнечное» представлен в таблице 1.
Одним из основных источников пылеобразования является процесс дробления горной массы на фракции поставляемой продукции. Промышленные испытания аэропенного способа пылеподавления проводились на конвейере №5-С5 мобильного дробильно-сортировочного завода New Telsmith в карьерном поле «Кузнечное» ОАО «Гранит-Кузнечное». Действующая система пылеподавления при дроблении горной массы осуществляется путем диспергирования водной эмульсии с применением форсунок на транспортируемую переработанную горную массу. Для оценки эффективности пылеподавления произведены замеры осевшей пыли в точке сбора при применении водной эмульсии и при применении аэропенного способа. Критерием оценки эффективности является масса пыли, осевшей в точке замера в течение рабочей смены.
На рисунке 5 представлена схема пылеподавления на узле №5 транспортирования готовой продукции, а на рисунке 6 показаны пылевые отвалы, образующиеся после пылеподавления водной эмульсией.
Таблица 1 – Оценка интенсивности пылевыделения в зависимости от динамических источников
| Динамический источник | Оценка интенсивности пылевыделения | Запыленность воздух, мг/м3 | |
| в единицу времени, мг/с | На единицу добычи, мг/м3 | ||
| Взрывные работы | 17-1900 (с пылеподавлением) 34-60000 (без пылеподавления) | (0.24-3.4)103 (0.32-148)103 | 5-10 200 |
| Транспортирование горной массы: - автомобили - конвейеры - транспорт | 6000 400 100 | 0.7 103 - - | - 2-11 - |
| Сортировка и складирование Дробление | 115-150 100-11000 | - - | 15-150 60-250 |
