Управление Ростехнадзора по Калужской области

Предотвращение пылевыделения в атмосферу разрезов при ветровой эрозии


Технологические процессы ( выемка, транспортирование, хранение и др. ) при добыче угля открытым способом сопровождаются значительным пы левыделением в атмосферу разреза. Основные из них — экскавация и погрузка горной массы в железнодорожные вагоны и думпкары, бурение и взрывание скважин по углю и породе, работа бульдозеров при зачистке уступов и устройстве автомобильных дорог, движение автомобильного транспорта.

На разрезах существуют еще так называемые неорганизованные источники, загрязняющие пылью окружающую среду: породные отвалы, открытые угольные склады, площадки возле пунктов перегрузки и другие поверхности, где происходит взметывание пыли под действием энергии ветра.

Интенсивность процессов ветровой эрозии ( отрыв, перенос и отложение частиц почвы ) поверх ностей разрезов ( почвы ) зависит от скорости ветра. Ветровую эрозию почвы часто называют дефляцией, которая характеризуется интенсивностью сдувания ( т/га в год ) либо мощностью утраченного слоя почвы в единицу времени ( мм/год ).

Запыленность атмосферы угольных разрезов может превышать предельно допустимые концентрации в сотни раз и служит серьезным препятствием к интенсивному ведению горных работ. Суммарное время простоев на разрезе из - за загрязнения воздушной среды в течение года иногда достигает месяца и более, что приводит к значительному материальному ущербу. Кроме того, загрязнение производственной атмосферы пылью создает реальную опасность заболевания пневмокониозами и пылевыми бронхитами.

Специфические климатические условия восточных и северных угледобывающих районов способ ствуют интенсивному пылевыделению как летом, так и зимой. При отрицательных температурах удельное пылевыделение увеличивается, например для углей разреза «Нерюнгринский» с 85 до 300 г/т, что приводит к увеличению запыленности в 5 – 10 раз.

Пылевыделение на открытых горных работах зависит от технологии и вида оборудования и характеризуется следующей интенсивностью ( г/с ): от 730 до 11 000 — добыча угля ; от 500 до 6900 — вскрышные работы ; от 230 до 6000 — отвало - образование ; от 3600 до 22 000 — автомобильный транспорт ; до 25 800 — ветровая эрозия с открытых площадей уступов, складов.

Как видно из представленных данных, наибольшее загрязнение атмосферы возможно при ветровой эрозии, на которую значительное влияние оказывает климат: прежде всего, процессы высушивания породы горячими ветрами, низкая влажность воздуха и малое количество осадков. Наиболее значительно ветровая эрозия проявляется в районах, где среднее годовое количество осадков менее 300 мм и наблюдаются длительные засушливые периоды и сильные ветры, что характерно для районов с резко континентальным климатом.

Научный и практический опыт свидетельствует: борьба с ветровой эрозией ведется в основном путем снижения скорости ветра и увеличения шероховатости поверхности, а также поддержания оптимальной влажности породы и ее упрочнения.

Применять ветроломные и защитные полосы, траво - и лесонасаждения для обеспыливания поверхности отвалов, открытых угольных складов сложно, а порой и невозможно, поэтому при решении проблемы, как правило, используют самый простой способ — поливку ( орошение ) водой, увлажнение поверхностей.

Гранулометрический состав — один из главных факторов, определяющих структурное состояние почвы и ее противодефляционную стойкость. Пористость и трещиноватость пород обусловливает впитывание и удержание влаги, приносимой атмосферными осадками. Влага по капиллярам и порам в глубь почвы проникает крайне медленно. Водопроницаемость почвы обусловлена в основном некапиллярной скважинностью. Диаметр пор настолько велик, что влага не может в них удерживаться в подвешенном состоянии и беспрепятственно просачивается в глубь почвы.

При поступлении влаги на поверхность почвы сначала насыщаются верхние слои, а затем через них происходит фильтрация по капиллярам. Чем выше трещиноватость, тем больше водопроницаемость почвы.

Кроме вертикальной фильтрации, в почвах существует горизонтальное передвижение влаги, которая, встречая на своем пути слой с пониженной водопроницаемостью, передвигается внутри почвы над этим слоем в соответствии с его уклоном. Водный режим почв зависит не только от климатических условий, но и от свойств почвы ( ее водопроницаемости, влагоемкости, испаряющей способности и т. д. ).

Для предотвращения сдувания пыли необходимо поддерживать определенную влажность верхнего слоя пылящих поверхностей, при которой уровень пылевыделения будет не существенен.

Орошение водой оказывает кратковременное действие, поэтому для снижения запыленности атмосферы необходимо применять соответствующие составы. В промышленности для осаждения и связывания пыли используют растворы полимеров, по­верхностно - активных веществ ( ПАВ ) и солей, других химических реагентов. Однако химические добавки следует применять с учетом их природы и особенностей взаимодействия твердой и жидкой фаз.

Процесс взаимодействия угля с жидкостью — пример контактного смачивания и характеризуется величиной краевого угла смачивания cosθ, который зависит от поверхностного натяжения на границах раздела «твердое тело — газ» σт.г, «твердое тело — жидкость» σт.ж и «жидкость — газ» σж.г:

 

Из этого уравнения видно, что для повышения эффективности взаимодействия жидкости и угля, а следовательно, и снижения пылеобразования необходимо не только уменьшить поверхностное натяжение жидкости, но и снизить поверхностную энергию угля за счет адсорбции на нем молекул ПАВ.

Уменьшая поверхностное натяжение на границе с воздухом и твердым телом ( углем ) и вязкость, можно целенаправленно изменять свойства жидкости, вводя в жидкую фазу ПАВ, адсорбирующиеся на поверхности разделов «вода — твердое тело» и «вода — воздух».

Пылевзметывание с позиции физико-химических процессов целесообразно рассматривать как разрушение дисперсной системы или отрыв агломерированных частиц с открытых поверхностей с последующим их разрушением в воздушной среде. Аэродинамическим силам противостоят силы гравитации и аутогезии в пылевидном материале. Адгезия ( прилипание ) — образование связи вследствие действия молекулярных, электрических или химических сил между разнородными соприкасающимися телами или жидкостями.

Составляющие сил аутогезии могут быть использованы для расчета суммарной энергии взаимодействия дисперсных частиц. Однако такие расчеты не всегда можно применить для определения вклада каждой составляющей в общую величину аутогезионных сил. Если же рассматривать процесс пылевзметывания как термодинамический, то можно оценить реальные значения энергии вза­имодействия частиц и связанные с ней параметры из граничных условий, при которых происходит отрыв пылевых частиц.

Процесс структурообразования начинается со смачивания пылевидного материала жидкостями и зависит от состава растворов, природы смачивателей, соотношения сил адгезии ( твердое тело — жидкость ) и когезии ( жидкость — жидкость ). Согласно существующим представлениям, адгезия веществ определяется их полярностью в воздушной среде.

При значительном увлажнении поверхности пы - ление материала практически прекращается, так как наблюдается замена дисперсионной среды ( воздуха ) на воду, что меняет свойства системы. Прочность влажной структурированной системы ( гидрогель ) определяется не аутогезией W аут, а когезией жидкости W ког. При этом W аут будет стремиться к удвоенному поверхностному натяжению ( уравнение Дюпре ):

 

Из этого следует, что для отрыва смоченных частиц от массы требуется воздушный поток, скорость которого составляет 10 – 15 м/с, что в 2 – 3 раза больше, чем в случае аутогезионного взаимодействия в сухом пылевидном материале.

На основании анализа процесса пылесвязывания установлено следующее :

между жидкостью и твердым телом осуществляется либо межфазное, либо адсорбционное взаимодействие, которое в конечном счете формирует систему «пыль — связующее вещество» и определяет пылеобразование ;

характер взаимодействия в системе «пыль — связующее вещество» определяется природой пылесвязывающего вещества, пыли ; условиями пылевзметывания, связанными со скоростью ветровой эрозии и давлением разрушения поверхностной корки ; дисперсностью пылевых частиц.

Для предотвращения ветровой эрозии наиболее приемлемо закрепление поверхностного слоя путем создания на пылящей поверхности тонкой пленки или корки ( препятствует сдуванию пыли ) из различных пылесвязывающих составов, которые содержат неорганические и органические вещества в виде эмульсий или водных растворов. При нанесении полимерных пленок из органических и высокомолекулярных соединений на пылящие поверхности пылевзметывание становится практически невозможным до полного разрушения пленки или ее покрытия слоем пылевидного материала.

Пылесвязывающие вещества для закрепления поверхности угольных уступов, отвалов, открытых складов должны быть экологически чистыми, технологичными, недефицитными и недорогими, не выщелачиваться и не смываться водой. Анализ литературных источников и практического опыта по закреплению пылящих поверхностей показывает, что в качестве веществ могут использоваться отходы производства органических веществ, полимерные материалы и т.п. Наиболее часто применяются отходы лесохимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности: например, лигносульфонат, сульфитоспиртовая бражка, латексы, реагенты в твердом виде или в виде концентрированных вязких жидкостей ( хлористый натрий и кальций, полиакриламид, жидкое стекло и др. ).

При подборе пылесвязывающих составов прежде всего исследуют способы нанесения органических и высокомолекулярных соединений на пылящие поверхности, срок службы пленок, их адгезионную прочность.

В качестве объектов были исследованы пылесвязующие составы на основе воды с добавками латекса СКМС -30- РП, лигносульфонатов, жидкого стекла, пенообразователей ПО -1 и ПО -6 К, хлористого кальция.

Для предотвращения вторичного взметывания и распространения в атмосфере карьера уже осевшей пыли предлагается использовать латекс дегазированный СКМС -30- РП и составы на его основе.

Латекс дегазированный СКМС-30 РП — это коллоидный раствор каучука в воде молочного цвета, массовая доля сухого остатка равна 25 – 33%. Частицы латексов, представляющие собой агрегаты макромолекул, находящиеся в состоянии непрерывного броуновского движения и защищенные от флокуляции при соударениях адсорбционными слоями эмульгатора, образуют при высыхании про зрачную эластичную пленку, которая будет экранировать процесс пылевзметывания.

В ходе исследований установлено, что увлажненная поверхность угольной пыли теряет практически всю влагу за 2 сут, а обработанная 0,5 – 2%- ными растворами латекса — за 5 – 7 сут ( табл. 1).

 

Очевидно, на предварительно увлажненной гидрофобной от природы поверхности угольного порошка раствор латекса распределяется более равномерно, что способствует образованию и более равномерной сплошной пленки.

В целях ускорения процесса пленкообразования из латекса рекомендуется использовать в качестве добавки 1% пенообразователя ПО -6 К. Полимерная пленка, обладающая высокой внутренней структурной прочностью, не разрушается в течение 14 сут.

Процесс сдувания исследовался при скоростях воздушного потока 5 – 35 м/с на полиэтиленовых подложках. Добавление латекса пластифицирует обработанную поверхность, при этом образуется эластичная пленка. С добавлением в систему 0, 5% латекса СКМС -30 РП устойчивость пленки немного увеличивается. Она хорошо связывает угольные частицы и существует в течение 5 сут при критической скорости ветровой эрозии 31 – 33, 5 м/с.

Проведенные эксперименты свидетельствуют о том, что полученная в системе «угольная пыль — жидкое стекло — латекс» пленка ( корка ) позволяет снизить запыленность воздуха. Оптимальные результаты получены при массовой доли латекса 0,5%, жидкого стекла — 3%.

Исследованы также растворы латекса с лигносульфонатом, которые обладают большой липкостью и хорошей смачивающей способностью. С увеличением концентрации растворов образуются более сложные коллоидные агрегаты. Свойства растворов лигносульфоната в большой степени влияют на такие показатели, как оптическая плотность, вязкость, смачивающая способность.

В экспериментах по определению критических скоростей сдувания пыли прочность образующейся корки возрастает с увеличением концентрации пылесвязывающих веществ. С повышением массовой доли лигносульфоната с 2 до 12% критическая скорость сдувания изменяется от 17 до 31 м/с. Угольная пыль, обработанная 1%-ным раствором ПО-1 характеризуется меньшей устойчивостью к ветровой эрозии, чем 0,5%-ным. Здесь проявляется диспергирующее действие ПАВ. Латексные пленки дают хорошие результаты, но они неустойчивы во времени.

Соединение компонентов повышает прочностные характеристики образующегося покрытия и его устойчивость к ветровой эрозии. Присутствие ПО -1 в системе снижает хрупкость пленки, т. е. пенообразователь выступает в роли пластификатора. С возрастанием концентрации ПО -1 усиливаются прочностные характеристики покрытия.

В летнее время проводили гидрообработку штабелей и площадок складов 5%-ным раствором хлористого кальция и 0,3%-ным раствором смачивателя неонол 10. Расход жидкости составил 2–5 л / м3. Состав наносился дождеванием через пожарный ствол с использованием машины ПМ -130. Влажность угля определяли в обработанном и необработанном участках штабеля на глубине 200 мм. Через 5 сут влажность обработанного участка составила 6,3 %, а необработанного — 1%, а соответствующая средняя запыленность воздуха при работе погрузочной машины — 710 и 1300 мг/м3.

В производственных условиях испытаны противопылевые составы, включающие :

а ) 1% латекса СКМС-30 РП ; 1% ПАВ ПО -1;
остальное — вода ;

б ) 1% латекса СКМС -30 РП ; 2% жидкого стекла ;
0,5% ПАВ ПО -1; остальное — вода ;

в ) 5% лигносульфоната ; 0, % латекса СКМС -30 РП ;
остальное — вода.

Составами обработали штабели угольного склада и площадку у их основания. Общая площадь обработанной поверхности около 14тыс. м2. Расход жидкости 3 л/м2. Состав наносился дождеванием через распылительную форсунку с использованием поливомоечной машины ПМ -130. Запыленность после обработки замеряли пылезамером «АЭРА». Пробы отбирали на площадке и у штабеля, отступив от его основания на 30 м. Максимальная скорость ветра за период испытания 23 м/с, средняя 9,3 м/с. На обработанной поверхности визуально отмечалось образование поверхностной корки, связывающей пыль и удерживающей влагу.

Влагосодержание обработанных поверхностей в 1,4 – 2,3 раза больше, чем не обработанных. При скоростях ветра до 4 м/с количество пыли, сдуваемой с обработанной и необработанной поверхностей, несущественно. Различия проявляются при средней скорости воздушного потока более 5 м/с.

Лучшие результаты отмечены при использовании латексного состава, содержащего лигносульфонат. Состав может быть рекомендован для борьбы с пылью на открытых пылящих поверхностях угольных складов, уступов при максимальной скорости ветра до 23 м/с.

При отрицательных температурах испытаны следующие составы :

•  лигносульфонат (1%); хлористый кальций (2%); остальное — вода ;

•  хлористый кальций (3%); остальное — вода ;

•  хлористый кальций (10%); лигносульфонат (1%); остальное — вода.

Составы наносили дождеванием через распылительную форсунку с использованием поливомоечной машины ПМ -130. Площадь обработанной поверхности около 20 тыс.м . Расход жидкости 3 – 5 л/м2. Скорость ветра за период измерений изменялась от 3 до 20 м/с.

Влагосодержание обработанного угольного штыба в несколько раз больше необработанного. Различия в запыленности обработанной и необработанной поверхностей появляются при порывах ветра более 4,5 м/с. При меньших скоростях воздушного потока запыленность практически одина­кова и срывы пылевых частиц штабеля не наблюдались.

Результаты испытаний составов, содержащих лигносульфонат и хлористый кальций, даны в табл. 2.

 

Нижеприведенные составы рекомендуются для связывания пыли ( табл.3) и создания влагоудерживающей пленки на открытых складах, отвалах, для предотвращения выдувания сырья из вагонов при транспортировании и т.п.

 

Готовят рекомендуемые смеси на водной основе из товарных продуктов. Для этого в рабочий расходный бак поочередно добавляют и перемешивают растворы исходных компонентов в следующем порядке: реагент ПО-1, высокомолекулярные добавки, соли. Емкость расходных баков подбирается в зависимости от объемов обработки. Готовый рабочий раствор через подводящие трубопроводы подают к местам пылевыделения для орошения поверхности через распылительные форсунки.

При приготовлении составов жидкие товарные продукты небольшой вязкостью ( ПО-1, латекс ) дозируют непосредственно из складских емкостей через дозирующие устройства в емкость для ра­бочего раствора смеси ( состава ). Вязкие жидкие и твердые продукты ( лигносульфонат, хлористый кальций ), требующие времени для приготовления растворов, предварительно растворяют и перемешивают с водой и только затем через дозаторы непрерывного или периодического действия подают в расходную емкость и смешивают с остальными компонентами.

Пылящие поверхности на разрезах закрепляют путем орошения. Поверхности пылящих площадей обрабатываются поливочными машинами ПМ -130 М, УПМ -1 А и др., оборудованными специальными разбрызгивателями.

Для предупреждения пылевыделения на открытых горных работах широко используют различные стволы-оросители для создания экранирующе-смачивающих покрытий на пылящих поверхностях.

При приготовлении связующих составов можно использовать два способа. Первый применим для легкорастворимых реагентов неонола, хлористого кальция, жидкого стекла c использованием машины ПМ -130 с встроенным насосом. Расчетное количество реагента засыпают в цистерну машины и с помощью насоса и пожарного рукава вода циркулирует до полного растворения реагента. Для приготовления закре­пляющих составов по второ­му способу в НИИОГР и ИГД им. А. А. Скочинского создан пункт приготовления рабочих растворов ( ППР ) из твердых и вязких реагентов, который включает емкость для рабочего раствора (22 м3 ), два смесительных бака (2 м3 ) с подогревом, электронасосы для подачи раствора и его смешивания, фильтры для очистки раствора от механических частиц. Пункт оборудован автоматической системой управления и световой и звуковой сигнализацией, мобилен, так как вся аппаратура и оборудование смонтированы на общей раме, что позволяет его транспортировать. Применение ППР упрощает технологию приготовления рабочих растворов и повышает эффективность проведения противопылевых мероприятий на разрезах.

На рис. 1,2 представлена технологическая схема обработки поверхности штабеля пылесвязывающими растворами с применением поливочной машины как при положительных, так и отрицательных температурах воздуха. Она прошла экспериментальную проверку, результаты — положительные. Технология обработки заключается в следующем. На стреле штабелеукладчика прокладывается трубопровод диаметром 50 мм, в нижней его части крепится гайка Богданова для подключения пожарного рукава поливочной машины, а в верхней — два малогабаритных пожарных ствола под углом 45°. По мере синхронного движения поливочной машины и штабелеукладчика насосом из бака машины по трубопроводу подается пылесвязывающий пленкообразующий раствор, который распыляется пожарными стволами, равномерно покрывая поверхность штабеля. Срок действия образующейся на поверхности штабеля пленки — месяц и более.

Зимой поверхности штабеля можно обрабатывать холодной водой в целях замораживания пыли в его верхнем слое, закрепления кусков угля и предотвращения пыления при ветровых нагрузках.

Разработанную технологию обработки пылящих поверхностей связующими веществами рекомендуется применять при скорости ветра более 4 м/с, как при положительной, так и отрицательной температуре воздуха.

Выводы

Использование составов, содержащих жидкое стекло, лигносульфонат и латекс, показало их высокую эффективность для предупреждения ветровой эрозии на разрезах. Оптимальными смачивающими и пылесвязывающими свойствами обладают составы, содержащие 2 – 4% жидкого натриевого стекла, 0,3% латекса и 0,5% ПО -1. Увеличение массовой доли жидкого стекла более чем на 4% ведет к повышению вязкости и ухудшению смачивающих характеристик состава. Добавление пенообразователя ПО -1 дополнительно пластифицирует пылесвя - зывающую пленку, которая выдерживает ветровые нагрузки свыше 30 м/с.

Высокий пылесвязывающий эффект дает использование составов, содержащих 2 – 5% лигносульфоната и 0,5 – 1% латекса. Применение латексов с водой и солевыми растворами, содержащими более 0,5 кг/м3 солей, приводит к коагуляции латексных частиц. Это необходимо учитывать при использовании сильно минерализованных карьерных вод.

 

Растворы хлорида кальция, применяемые зимой как антифризы, не совместимы с латексными эмульсиями, но хорошо совместимы с лигносульфонатом и могут использоваться для борьбы с пылью в этот период.

Результаты проведенных промышленных испытаний показали целесообразность применения исследованных составов на уступах и угольных складах. Однако существуют большие трудности при пылевых съемках над обработанными участками и фоновой запыленности, что связано с работой технологического оборудования и значительной рельефностью пылящих поверхностей уступов, угольных складов.