Обоснование параметров портовых открытых складов для сыпучих грузов с учетом их потерь от пылеуноса

Сыпучие материалы широко применяются в промышленности для различных целей. Некоторые сыпучие материалы являются природными образованиями — песок, гравий, зерно, но основная масса сыпучих материалов — продукт деятельности человека: рудные и химические концентраты, каменный уголь, гранулированные материалы. Номенклатура сыпучих материалов, особенно сырьевых, неуклонно растет, это связано с их технологичностью в переместительных и перерабатывающих операциях.

Около 80% от всех перевозимых речным транспортом грузов составляют сыпучие грузы.

Порты, являясь крупными транспортными узлами по перегрузке и хранению различных грузов, в результате этой деятельности оказывают отрицательное воздействие на атмосферный воздух, водную среду, почву. Основной негативный вклад дают перегрузочные и складские операции с сыпучими грузами, которые сопровождаются интенсивным пылением, что приводит к безвозвратным потерям груза и отрицательному воздействию пыли на окружающую среду.

Исследованиям в области предотвращения загрязнения окружающей среды речными портами посвящены работы А. И. Телегина, A.JI. Степанова, Е. С. Суколенова, B.C. Наумова, В. И. Савинова и других / 47, 59, 60, 77, 92, 96, 103 /.

Основными очагами пылеобразования при наиболее распространенном открытом способе хранения сыпучих грузов являются:

— зоны работ перегрузочного оборудования при формировании и расформировании штабелей, загрузки и разгрузки емкостей;

— пылеунос частиц пыли (ветровая эррозия) с поверхности штабелей открытых складов.

Существенный «вклад» в величину запыленности воздуха и размера потерь груза от пылеуноса вносят склады открытого хранения сыпучих грузов.

Вопросы обоснования параметров портовых открытых складов t изложены в трудах Л. П. Казакова, А. Е. Суколенова, Э. В. Дженикса, B.C. Ващенко, Г. П. Гриневича, М. Е. Саломатникова, Н. С. Отделкина, Б. И. Шуликова и др / 17, 29, 33, 37, 38, 67, 68, 84, 92, 101 /. Обзор публикаций и исследований показал, что при обосновании параметров портовых открытых складов не учитываются экологические требования и размер потерь сыпучих грузов от пылеуноса.

В настоящее время существует ряд методик по определению объемов выбросов пыли, которые наиболее полно разработаны и апробированы для промышленных предприятий с организованными источниками загрязнений /65, 86/.

Портовые открытые склады с сыпучими грузами, склонными к пылению, относят к неорганизованным источникам, а величины пылевых выбросов с указанных складов определяют по методикам, разработанным бывшими Министерствами морского и речного флота и Ленморниипроектом / 54, 55, 56/.

Однако указанные методики не учитывают влияние геометрических размеров открытых складов и направление ветровых потоков на величину пылевыбросов и не позволяют определять с приемлемой точностью размер потерь грузов от пылеуноса.

Это, в свою очередь, определило необходимость обоснования параметров портовых складов для сыпучих пылящих грузов с учетом отрицательного воздействия пыли на окружающую среду и размером потерь груза от пылеуноса.

Объектом исследования в диссертационной работе являются портовые открытые склады для хранения сыпучих пылящих грузов.

При выполнении диссертационной работы использованы методы корреляционно-регрессионного анализа, математической статистики и планирования эксперимента, экономико-математического и физического моделирования, методы эксплуатационной науки.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

— разработан метод прогнозирования величины запыленности воздуха и размеров потерь грузов от пылеуноса, учитывающий скорость и направление ветрового потока при его воздействии на открытый склад;

— исследовано влияние характеристик ветровых потоков на величину запыленности воздуха и размер потерь грузов при их хранении на открытых складах с различными формами штабелей;

— предложен подход к обоснованию параметров открытых складов для пылящих грузов, обеспечивающий минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду;

— исследована эффективность снижения антропогенного воздействия на окружающую среду при применении сетчатых укрытий для открытых складов с пылящими грузами.

Практическая значимость исследования заключается в разработке:

— методики определения потерь пылящих грузов от пылеуноса при их хранении на открытых складах;

— методики обоснования параметров открытых складов для пылящих грузов с учетом их потерь от пылеуноса и экологических требований;

— конструкции и обоснования параметров сетчатых укрытий для открытых складов с пылящими грузами.

На основе предложенного метода прогнозирования разработана методика определения потерь пылящих грузов от пылеуноса при их хранении на открытых складах, которая была применена в ОАО «Нижегородский речной порт» и ОАО «Татфлот».

Кроме этого метод прогнозирования позволил разработать методику обоснования параметров открытых складов для пылящих грузов с учетом размера потерь груза от пылеуноса и экологических требований.

Разработана конструкция и обоснованы параметры сетчатых укрытий открытых складов для хранения сыпучих грузов, которые позволяют снижать запыленность воздуха в 1,7+2,7 раз, а следовательно, и размер потерь грузов от пылеуноса. Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплине «Перегрузочная техника и технология обработки грузов» специальности 280 202 «Инженерная защита окружающей среды».

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 1-й Всероссийской научно-производственной конференции «Морские и речные порты России» (Москва, 2002 г.) — международных научно-технических конференциях Нижегородского государственного технического университета (Н. Новгород, 2002 г., 2004 г.) — VIII Международной конференции «Образование, Экология, Экономика, Информатика» (г. Астрахань, 2003 г.) — научно-технической конференции «Транспорт — XXI век» (Н. Новгород, 2003 г.) — 7-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие реки — 2005» (Н. Новгород, 2005 г.) — научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2002. .2005г.г.).

По теме диссертации опубликовано девять работ автора, из них две работы в журнале «Экологические системы и приборы», который входит в перечень реферируемых ВАКом изданий.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 133 страниц основного текста, включая 28 рисунков и 25 таблиц, списка литературы (106 наименований) и трех приложений.

Результаты исследования на моделях влияния скоростей ветровых потоков на пылеунос и запыленность воздуха для угля.

Поперечное сечение штабеля Скорость ветрового потока, м/с Пылеунос с 1 м², мг/с Запыленность воздуха в т. 1, мг/м3.

Призма 2 0,2 2.

5 3,4 80.

10 131 308.

Обелиск 2 7 18.

5 38 95.

10 412 1960.

Из табл. 4.5 следует, что:

— при увеличении скорости ветрового потока размер пылеуноса и величина запыленности воздуха резко возрастают, как для штабеля с поперечным сечением в форме призмы, так и для обелискового штабеля;

— при скорости ветрового потока 2, 5 и 10м/с пылеунос с поверхности штабеля с поперечным сечением в форме призмы по сравнению с обелисковым штабелем меньше соответственно в 35, 11 и 3 раза, а запыленность воздуха в — 9, 1,2 и 6 раз.

Таким образом, по результатам данных исследований можно сделать следующие выводы:

1) линейный масштабный коэффициент ке для модельных исследований пылеуноса и запыленности воздуха должен лежать в пределах ке <100;

2) на величину пылеуноса и запыленность воздуха существенное влияние оказывают направление и скорость ветрового потока, вид поперечного сечения штабеля и его геометрические параметры;

3) необходимо провести исследования взаимного влияния скорости и направления ветрового потока на процесс пылеуноса и запыленность воздуха.

Данные исследования представлены в п. 4.2 настоящей работы.

4.2. Исследования на моделях взаимного влияния скоростей и направлений ветровых потоков на пылеунос груза и запыленность воздуха.

Целью и задачей исследования является получение математических моделей процесса пылеуноса груза с поверхности открытого склада и запыленности воздуха.

Для получения математической модели процесса взаимодействия ветрового потока и поверхности открытого штабеля применяется полный факторный эксперимент (ПФЭ), который обладает ортогональной матрицей планирования и реализует все возможные неповторяющиеся комбинации независимых управляемых факторов, каждый из которых варьировали на двух уровнях.

Число N этих комбинаций определяет тип ПФЭ. Его значение по /45, 49 / равно.

N = 2″ (4.1) где п — число независимых управляемых факторов (скорость и направление ветровых потоков).

В табл. 4.6 представлены независимые факторы, их уровни и интервал варьирования.

Факторы, их уровни и интервалы варьирования.

Факторы Обозначение факторов Интервал варьирования нижний уровень базовый уровень верхний уровень.

Направление ветрового потока,^max, А (р X, -1 0 1.

Относительная скорость ветрового потока,^шах ~~ Цтпп Аи -1 0 1.

Обозначения, применяемые в табл. 4.6:

Dmax, L>min — максимальная и минимальная скорость ветрового потока, воздействующего на штабель склада, м/с. При эксперименте значения скоростей составляли L>max =10 м/сL>min = 1 м/с- (ртах, сртin — максимальный и минимальный угол между продольной осью штабеля склада и направлением ветрового потока. При эксперименте значения направлений ветрового потока составили <ртах =90°- (рт1п =0°. На рис. 4.4 представлена схема к определению направления ветрового потока относительно штабеля склада.

По данным таблицы 4.6 и выражению (4.1) получаем тип матрицы о планирования N = 2, которая представлена в табл.4.7.

Исследования процесса пылеуноса груза и запыленности воздуха проводились по методике приведенной в п. 4.1. Схема точек отбора проб воздуха на запыленность см. рис. 4.2.

IV' i x продольное исправление и.

Рис. 4.4. Схема к определению направления ветрового потока относительно штабеля склада.

Матрица планирования эксперимента.

Комбинация X] ХХ2.

1 +1 -1 -1 + 1.

2 +1 +1 -1 -1.

3 +1 -1 + 1 -1.

4 +1 +1 + 1 + 1.

При эксперименте использовались модели штабелей с поперечным сечением в виде призмы и обелиска с величиной = 100. Длина обоих штабелей — 800 мм (остальные размеры см. в табл. 4.1).

В качестве груза использовался уголь марки АШ с влажностью 0,5.1,0%.

Результаты эксперимента по пылеуносу, проведенного согласно матрицы планирования, представлены в табл. 4.8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами проведенных в диссертации исследований являются следующие положения:

1. Выполнен анализ способов хранения и существующих методик определения параметров складов открытого хранения сыпучих грузов, на основании которого установлено, что данные методики требуют корректировки и уточнения.

2. Выполнен анализ влияния на окружающую среду открытых складов и методов определения пылевыбросов при открытом хранении сыпучих грузов.

3. Предложен метод прогнозирования на моделях величины запыленности воздуха и размеров потерь грузов от пылеуноса, теоретически обоснованный с применением методов подобия и анализа размерностей.

4. Разработана методика экспериментального определения потерь сыпучих грузов и запыленности воздуха в результате их пылеуноса с поверхности штабеля открытого склада с учетом размеров склада, формы штабеля, скоростей и направлений ветровых потоков.

5. Получены регрессионные модели процессов пылеуноса и пылеобразования при хранении на открытых складах угля, которые позволяют определить величины запыленности воздуха и потерь от пылеуноса при различных значениях скоростей и направлений ветровых потоков, воздействующих на склад.

6. Разработана методика обоснования параметров открытых складов для сыпучих грузов с учетом экологических требований и размера потерь в результате пылеуноса.

7. Выполнен анализ современных методов и технических средств защиты окружающей среды от пылеуноса сыпучих грузов с поверхности штабеля открытого склада.

8. Разработаны специальные сетчатые укрытия для открытых складов и проведены исследования их эффективности на моделях, в результате которых установлены:

— оптимальные значения расположения сетчатых укрытий относительно штабеля склада;

— эффективность снижения запыленности воздуха и пылеуноса при оптимальном расположении сетчатых укрытий в зависимости от скорости ветрового потока составляет 1,7-^-2,7 раз.

9. Выполнены расчеты по определению экономической эффективности предлагаемых сетчатых укрытий для открытого оперативного склада с углем вместимостью 6,7 тыс. т. Ожидаемый экономический эффект составит 1,37 млн. руб за навигационный период.

10. Методика экспериментального определения потерь сыпучих грузов в результате их пылеуноса с поверхности штабеля открытого склада была использована ОАО «Нижегородский речной порт» при определении потерь от пылеуноса для угольного склада вместимостью 6,7 тыс. т. Размер потерь угля от пылеуноса за навигационный период составил 3,2%.

Также данная методика опробована в ОАО «Татфлот» при оценке потерь сыпучих грузов и запыленности воздуха и определении затрат по потерям груза и компенсации ущерба окружающей среде.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. К вопросу определения потерь пылящих грузов от распыления и пылеуноса : — Материалы 1-ой Всероссийской научно-практической конференции «Морские и речные порты России». — Москва, 2002, С. 12 — 14 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

2. Определение затрат по потерям пылящих грузов при их хранении на открытых складах: — Материалы Международной научно-технической конференции «Транспортные и технологические машины». — НГТУ, Н. Новгород, 2002, С. 44 — 48 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

3. Прогнозирование потерь пылящих грузов при их хранении на открытых складах. / Тез. докладов VIII Международной конференции «Образование, Экология, Экономика, Информатика». — Астрахань, 2003, С. 165.

4. Анализ современных методов нормирования потерь пылящих грузов при их перегрузке и хранении. / Тез. докладов научно-технической конференции «Транспорт — XXI век». Н. Новгород, 2003, С. 90 -91 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

5. Определение потерь и отрицательного воздействия на окружающую среду в результате пылеуноса при хранении навалочных грузов на открытых складах: — Материалы Международной научно-технической конференции «Транспортные и технологические машины». — НГТУ, Н. Новгород, 2004, С. 128 — 132 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

6. Определение воздействия на окружающую среду портовых открытых складов для хранения сыпучих грузов. / Тез. докладов VII Международного научно-промышленного форума «Великие реки — 2005». Н. Новгород, 2005, С. 242 — 244 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

7. Эколого-экономическое обоснование параметров открытых складов навалочных грузов путем прогнозирования процесса пылеуноса. -Журнал «Экологические системы и приборы», № 1, 2005, С. 30 — 33 (в соавторстве с Отделкиным Н.С.).

8. К вопросу о тенденциях в области охраны окружающей среды при перегрузке и хранении навалочных грузов в морских и речных портах. /Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Юбилейный выпуск. ЧастьЗ — ВГАВТ Н. Новгород, С. 85 — 88 (в соавторстве с Отделкиным Н. С. и Сергеевым А.В.).

9. Эколого-экономическое обоснование параметров портовых открытых складов для сыпучих грузов. — Журнал «Экологические системы и приборы», № 6, 2008, С. 60 — 62 (в соавторстве с Отделкиным Н. С. и Сикаревым С.Н.).