Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Теоретические основы оценки потерь сыпучих грузов и защиты окружающей среды от пылеобразования при перегрузке и хранении в портах

05.22.19 - «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

03.00.16 - «Экология» (технические науки)

доктора технических наук

Отделкин Николай Станиславович

Н. Новгород, 2009

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ, г. Н. Новгород)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Степанов Андрей Львович

доктор технических наук, профессор Фадеев Иван Павлович

доктор технических наук, профессор Решняк Валерий Иванович

Ведущая организация - ЗАО Проектно-изыскательский институт «Ленгипроречтранс»

Защита диссертации состоится «_07 »_апреля_2009 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.01 в Волжской государственной академии водного транспорта в ауд. 231 (603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТ.

Автореферат разослан «___»__________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. Ситнов А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Потери материальных ценностей в стране за время перевозки, перегрузки и хранения оцениваются учеными огромной суммой - в (3…4) млрд. руб. в год. Потери сыпучих грузов на водном транспорте вызывают убытки народного хозяйства, которые составляют сотни миллионов рублей в год.

Вопросам повышению эффективности перевозок грузов, работы портов и сохранности грузов посвящены научные труды Казакова А.П., Ирхина А.П., Суколенова А.В., Телегина А.И, Гаринова К.А., Гнояного А.А., Фадеева И.П., Ваганова Г.И., Харрола Д., Андерсона Д. и др. Однако при обосновании рациональных схем транспортирования и применения различных перегрузочных и перевозочных средств из-за отсутствия методических разработок и информации в этой области ими не учитываются факторы потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса и экологических последствий воздействия пыли на окружающую среду при перевозке и перегрузке сыпучих грузов с участием водного транспорта. Кроме этого, необходимо отметить отсутствие в указанной области комплексного подхода и учета экологических последствий при разработке технологических систем, недооценка экономических методов управления природопользованием.

Экологические вопросы природопользования и задачи инженерной экологии, как показал опыт последних десятилетий, стали еще более актуальны. Ужесточение экологических требований законодательными и нормативными актами как Российской Федерации, так и международными организациями предусматривают необходимость создания и быстрейшего внедрения в производство безотходных технологических процессов, разработку конструкций и оборудования, обеспечивающих сокращение выбросов вредных веществ в воздушный и водный бассейны.

Исследованиям в указанном направлении посвящены работы Суколенова А.Е., Степанова А.Л., Стойкова В.Ф., Василенко В.А., Арсенова В.В., Бешкето В.К., Бобровникова Н.А., Зильдмана В.Я., Слюсарева А.С., Калверта С., Орчарда Д., Хатча Т., Моррисона И. и т.п.

Однако данные работы не учитывают ряд особенностей портовых технологий перегрузки и хранения сыпучих грузов и их негативного воздействия на окружающую среду.

Несмотря на то, что водный транспорт по сравнению с другими видами транспорта оказывает не самое большое негативное воздействие на природную среду, его доля в загрязнении остается достаточно высокой.

Водный транспорт является сложной социальной технико-экономической системой, имеющей многосторонние связи с окружающей средой. При этом основными источниками загрязнения являются суда и береговые объекты (порты, судоремонтные и судостроительные заводы, базы технического обслуживания флота).

Анализ работ в области предотвращения загрязнения окружающей среды на водном транспорте показал, что основным направлением исследований до сих пор являлось обеспечение экологической безопасности судов, а береговым объектам и, в частности, портам уделялось мало внимания. Однако статистические данные об ежегодных объемах загрязнения со стороны водного транспорта показывают, что на долю береговых объектов приходится около 50% выбросов в атмосферу и около 85% объемов сточных вод.

Морские и речные порты, являясь крупными транспортными узлами по перегрузке различных грузов с одного вида транспорта на другой, своей эксплуатационной деятельностью оказывают негативное воздействие на атмосферный воздух, почву и акваторию порта. Наиболее ощутимо это влияние проявляется вследствие пыления при хранении и перегрузочных операциях с сыпучими грузами, которые составляют около 70 % объема перевозимых водным транспортом грузов.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является обоснование методов оценки пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов в портах на основе моделирования этих процессов и применение созданных методов для разработки новых технических средств, обеспечивающих уменьшение потерь груза и защиту окружающей среды от пыли.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены следующие задачи:

- выполнить анализ применяемых в морских и речных портах способов перегрузки и хранения сыпучих грузов и существующих методов определения их потерь, а также способов и инженерных средств защиты окружающей среды от пылеобразования и пылеуноса;

- разработать метод оценки на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса при различных способах перегрузки и хранения сыпучих грузов в портах;

- разработать методики определения потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса при их перегрузке и хранении;

- разработать способ определения норм пожаро-взрывоопасности пылей сыпучих грузов;

- разработать инженерные средства защиты окружающей среды от пыли при перегрузке и хранении сыпучих грузов на причалах портов и методику исследования их эффективности;

- разработать методики обоснования грузооборота, способа перегрузки, параметров открытого склада и размеров санитарно-защитной зоны при соблюдении установленных норм для сыпучих грузов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются морские и речные порты, а предметом - технологические процессы перегрузки и хранения сыпучих грузов.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: системный анализ состояния потерь сыпучих грузов от пылеобразования и исследований в рассматриваемой области; теоретические и экспериментальные модели процессов образования потерь сыпучих грузов и их определения; экономико-математические модели для определения эффективности перегрузочного оборудования и инженерных средств защиты окружающей среды от пыли.

Экспериментальные исследования проводились в натурных и лабораторных условиях с использованием специально разработанных установок и методов исследования на натурных образцах перегрузочного оборудования и транспортных средств и на их моделях. Использовались методы физического моделирования, планирование эксперимента, статистическая обработка результатов.

Научная новизна работы:

1. Впервые осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы оценки потерь и защиты окружающей среды от пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов в портах, имеющей важное теоретическое и практическое значения.

2. Разработаны принципиально новые научно-методические положения:

2.1. Метод оценки на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов, обоснованного с применением методов подобия и анализа размерностей и механики сыпучих сред;

2.2. Количественная оценка потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса и величин запыленности воздуха еще на проектной стадии разработки портовых перегрузочных процессов;

2.3. Метод определения нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) сыпучих грузов с учетом реальных скоростей пылевых выбросов;

2.4. Обоснование основных технико-экономических показателей работы порта с учетом установленных норм для сыпучих грузов.

3. Получены математические модели процессов пылеобразования и пылеуноса для некоторых сыпучих грузов, учитывающие направление и скорость ветровых потоков месторасположения грузового причала.

Новизна технических решений и методов исследования защищена 4 авторскими свидетельствами на изобретение и 2 патентами РФ.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанные автором методические положения используются в работе или приняты к внедрению в Нижегородском, Астраханском, Пермском, Красноярском и Казанском речных портах. Кроме этого, основные положения работы применялись проектными организациями Ленгипроречтранс, Гипроречтранс и ЦПКБ МРФ РСФСР.

Указанные внедрения подтверждаются приведенными в приложениях к диссертации актами, справками и протоколами.

За разработку и внедрение инженерных средств защиты окружающей среды от пыли при перегрузке сыпучих грузов автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на технических советах Ленинградского государственного института проектирования на речном транспорте «Ленгипроречтранс», Енисейского речного пароходства, региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности водного транспорта» (Горький, 1983 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях «Новое в подъемно-транспортной технике» (Москва, 1985 г.) и «Судовые и береговые ПТМ и устройства» (Санкт- Петербург, 1993 г.), научно-практической конференции, посвященной 150-летию Волжского пароходства (Н. Новгород, 1994 г.), Международных научно-практических конференциях «Транспортно-технологические машины» (Н. Новгород, 1997, 2004 г.г.), 1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Морские и речные порты России» (Москва, 2002 г.), Международном симпозиуме «Машины и механизмы ударного и периодического действия» (Орел, 2003 г.), VIII Международной конференции «Образование. Экология. Информатика» (Астрахань, 2003 г.), 7-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2005» (Н. Новгород, 2005 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (1985 - 2007 г. г.).

Теоретические исследования по диссертации используются также в учебном процессе ВГАВТ по дисциплинам «Перегрузочная техника и технология обработки грузов», «Основы инженерного творчества» и «Специальное перегрузочное оборудование терминалов» и опубликованы во внутривузовских изданиях.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 46 печатных работах автора, в числе которых 4 авторских свидетельства на изобретение, 2 патента РФ и 10 работ в журналах, реферируемых ВАК РФ, общим объемом 14 п. л.

Ряд методических разработок и практических рекомендаций изложены в отчетах по научно-исследовательским работам (общим числом 5), выполненных автором в качестве ответственного исполнителя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 301 страницу основного текста, включая 58 таблиц, 80 рисунков и список литературы из 174 наименований. В 16 приложениях содержатся протоколы, справки, акты внедрения результатов исследований и блок-схемы.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность проблемы, цель работы и задачи исследований, изложены новизна, практическая значимость работы и основные положения диссертации.

В первой главе выполнен анализ существующих способов перегрузки и хранения сыпучих грузов на водном транспорте и исследований по опре-делению потерь сыпучих грузов от пылеобразования и методов борьбы с пылью.

Фракционный состав сыпучих грузов включает в себя частицы, размеры которых колеблются в широких пределах. Особую группу составляют мелкозернистые, порошкообразные и пылевидные грузы с размерами частиц от 1,5 до 0,05 мм. Для этих грузов характерно интенсивное пыление как при их перегрузке, так и при их хранении на открытых складах. К таким грузам относятся апатит, нефелиновый и железорудный концентраты, цемент и т.д. Другие сыпучие грузы (угли различных марок, песок, комовая сера и пр.) также содержат в своем составе мелкие частицы, которые склонны к пылеобразованию.

Интенсивное пыление при перегрузочных работах с сыпучими грузами и их открытом хранении приводит к безвозвратным потерям груза от пылеуноса взвешенных частиц воздушными потоками. При этом пыль оседает на территории и акватории порта и прилегающих к нему районах, оказывая негативное воздействие как на окружающую среду, так и на человека.

Но главную опасность при перегрузке некоторых сыпучих грузов (минеральные удобрения, комовая сера и др.) представляет их способность образовывать пылевоздушные смеси, которые при определенных концентрациях взрывоопасны. Как показал анализ, надежных методов определения норм пожаро- взрывоопасности пылей сыпучих грузов (НКПР) нет и в различных нормативных источниках эти значения неоднозначны.

В настоящее время в России и за рубежом сыпучие грузы перевозят водным транспортом навалом и в таре (в мягких или жестких контейнерах).

В бывшем СССР 75% наименований сыпучих грузов перевозились навалом, остальные 25% - в таре. Такое же соотношение между навалочными грузами и грузами, перевозимыми в таре, сохраняется и сейчас.

Наиболее распространенными способами перегрузки сыпучих грузов навалом в портах в основном являются три: с использованием грейферных кранов и перегружателей; конвейерным транспортом (специализированными установками); с помощью пневмоустановок.

Из перечисленных наиболее распространен способ перегрузки сыпучих грузов с использованием грейферных портальных кранов, который универсален и применяется в различных вариантах: судно-вагон; судно-бункер-вагон; судно-склад; вагон-склад и т.д.

При крановой схеме механизации потери груза составляют (1,0…2,3) % от грузооборота, а запыленность воздуха превышает установленные санитарные нормы в десятки, сотни и даже тасячи раз. Анализ причин, способствующих процессу пылеобразования при перегрузке сыпучих грузов грейферными кранами и перегружателями, показывает, что основным источником пыления и возможным источником искрения (зажигания пылевоздушной смеси) является сам грейфер.

Специализированные установки, обладая высокой производительностью, имеют значительное количество узлов перегрузки, что осложняет борьбу с пылью. Потери груза на этих комплексах составляют (0,1…0,5)%, а запыленность воздуха достигает 2000 мг/м³ при величине предельно-допустимой концентрации воздуха рабочей зоны (4…6) мг/м³.

Пнемоустановки позволяют исключить пыление по всей трассе перемещения сыпучих грузов и при этом свести до минимума потери груза от пылеобразования и пылеуноса. Однако запыленность воздуха в зоне работы этих машин достигает до 150 мг/м³, а в трюме судна - (75…100) мг/м³.

Кроме этого, пыление происходит и при сдувании с верхнего слоя груза, находящегося в транспортных средствах (судне, полувагоне). При неработающем перегрузочном оборудовании запыленность воздуха в зависимости от скорости ветрового воздействия в трюме достигает до 800 мг/м³, а у комингсов открытого трюма - до 80 мг/м³.

При хранении сыпучих грузов на открытых складах потери груза от пылеуноса лежат в пределах (0,15…0,3) кг/т при удельном пылеуносе (1,65…9) мг/м²•с. При этом запыленность воздуха достигает 500 мг/м³.

Существующие экспериментально-расчетные способы определения потерь сыпучих грузов при их перегрузке позволяют определять потери сыпучих грузов только от просыпей при выполнении перегрузочных работ грейферными кранами, конвейерными и пневматическими установками и не учитывают потери груза, связанные с пылеобразованием и пылеуносом, и установленные экологические нормы по запыленности воздуха при перегрузке и хранении сыпучих грузов.

Существуют методики определения фактических объемов выбросов от неорганизованных источников, которые распространены на морские и речные порты. Эти методики применимы только для существующих, то есть построенных и эксплуатируемых, объектов и для инвентаризациии источников выбросов пыли в атмосферу предусматривают проведение натурных замеров запыленности воздуха при определенных технологических параметрах перегрузочного процесса и характеристик сыпучего груза. Кроме этого, результаты инвентаризации выбросов по данным методикам являются основой для нормирования выбросов и определения величин предельно-допустимых выбросов.

Однако эти методики носят весьма приближенный характер и полностью не учитывают особенностей процессов пылеуноса как при выполнении грузовых работ перегрузочным оборудованием, так и при открытом хранении сыпучих грузов, а также ветрового режима месторасположения конкретного перегрузочного узла и открытого склада.

Выполненный анализ методов борьбы с пылью при перегрузке и открытом хранении сыпучих грузов показал следующее:

- существующие методы эффективны для незначительного количества сыпучих грузов (в основном для углей различных марок) и типов перегрузочного оборудования;

- инженерные средства защиты окружающей среды от пыли для грейферных кранов или низко эффективны или отсутствуют полностью;

- необходима разработка средств борьбы с пылеуносом при открытых трюмах судов и полувагонах во время их грузовой обработке и при хранении сыпучих грузов на портовых открытых складах.

Таким образом, учитывая вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

1. Сыпучие грузы, перевозимые водным транспортом, независимо от их физико-механических свойств объединяет между собой наличие в их фракционном составе мелких частиц, что вызывает пылеобразование при их перегрузке и открытом способе хранения.

2. Применяемые в настоящее время способы перегрузки и перегрузочное оборудование для сыпучих навалочных грузов оказывают негативное влияние на окружающую среду, создавая уровни запыленности воздуха, превышающие санитарные нормы.

3. Наиболее распространенным способом перегрузки сыпучих навалочных грузов является способ с использованием грейферных кранов, при котором имеют место максимальные потери перегружаемого груза и значения запыленности воздуха.

4. При перегрузке и хранении сыпучих грузов для сокращения их потерь от пылеобразования и пылеуноса и снижения негативного воздействия пыли на окружающую среду необходима разработка инженерных средств защиты окружающей среды.

5. Ряд сыпучих грузов способны образовывать пожаро- взрывоопасные пылевоздушные смеси. Надежных методов определения норм пожаро-взрывоопасности пылей сыпучих грузов нет и требуется их разработка.

6. Существующие методы определения потерь сыпучих грузов при их перегрузке и хранении не позволяют определять потери сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса. Кроме этого, данные методы носят приближенный характер и не могут быть применимы при оценке потерь грузов и запыленности воздуха на проектной стадии разработки технологии перегрузки и хранения сыпучих грузов.

7. При обосновании способов перегрузки и хранения сыпучих грузов необходимо учитывать не только потери грузов от пылеобразования и пылеуноса, но и негативное воздействие пыли на окружающую среду.

Во второй главе дан анализ существующих исследований процессов пылеобразования и пылеуноса, который показал, что эти исследования носят частный характер и могут быть применимы только для некоторых сыпучих навалочных грузов. Кроме этого, подходы к методам исследования в данных работах разнообразны как с точки теории подобия, так и моделирования и весьма спорны.

Разработанный метод исследований процессов пылеобразования и пылеуноса на моделях основан на методах подобия и анализа размерностей и предусматривает использование в модельных исследованиях натурного сыпучего груза.

Данный метод охватывает основные очаги пылеобразования, к которым относятся: работа перегрузочного оборудования; пылеунос из открытых транспортных средств во время их грузовой обработки; пылеунос с открытого склада.

Создание моделей процессов пылеобразования и пылеуноса основных очагов пыления требует выполнения общих для всех очагов пылеобразования условий геометрического подобия и равенства скоростей и направлений ветровых потоков в натуре и модели, поскольку сыпучий груз не моделируется. Поэтому значения коэффициентов масштабов подобия веса частиц груза , дисперсности груза , скорости и направления ветрового потока принимаются равными

(1)

Кроме этого, для каждого из основных очагов пылеобразования установлены совокупности определяющих параметров, характеризующие процессы пылеобразования и пылеуноса и разработаны критериальные уравнения исследуемых процессов.

Осуществление модели процесса пылеобразования при работе грейфером требует выполнения следующих условий подобия:

- деформации сыпучего груза при его зачерпывании грейфером;

- истечения сыпучего груза при раскрытии грейфера;

- удара о преграду падающего сыпучего груза и взвешивания частиц пыли.

Для выполнения подобия деформации сыпучего груза в модельном и натурном грейферах необходимо, чтобы скорости деформации были равны между собой, что достигается при условии

(2)

где и - время зачерпывания груза в натурном и модельном грейферах, с.

В работах Баловнева В.И. и Мацепуро А.А. указывается, что при моделировании процессов взаимодействия рабочих органов перегрузочных машин с сыпучим грузом, влиянием дисперсности этого груза пренебрегают при отношении объема диспергированного элемента (частицы груза) и исследуемого объема объекта (вместимость модели грейфера, бункера) более чем 10^-4. Для большинства сыпучих грузов, перевозимых водным транспортом, это отношение составляет 10^-6, что доказывает справедливость условия (1).

Из совокупности «» физических величин при «» величинах с основными размерностями можно получить критериев подобия. Вид критериев подобия определяется с помощью анализа размерностей, который позволяет находить критерии подобия, не имея математического описания физического явления, зная только от каких параметров оно зависит.

В соответствии с теоремой о необходимых и достаточных условиях подобия процессы истечения сыпучего груза из грейфера, удара о преграду падающего груза и взвешивания частиц пыли можно представить в виде

(3)

где - средняя скорость истечения груза из грейфера, м/с;

- ускорение свободного падения, м/с²;

- площадь истечения, м²;

- дисперсность сыпучего груза, м;

- время раскрытия грейфера, с;

- высота падения сыпучего груза, м.

Критерий есть не что иное, как критерий Фруда, который является основным критерием при моделировании процессов, в которых преобладают силы тяжести. Критерий характеризует геометрическое подобие систем, а критерии и - физическое подобие процессов.

Подобие процессов истечения сыпучего груза и его удара о преграду в модели и натуре при использовании натурного сыпучего груза будет достигнуто при , так как критерий становится незначимым, то есть вырождается. Следовательно, уравнение (3) примет вид

(4)

Соответствующие критериальному уравнению (4) индикаторы подобия

(5)

Из индикаторов подобия, которые накладывают определенные ограничения на условия моделирования, устанавливаются значения коэффициентов масштабов подобия, при которых исследуемые процессы в модели и натуре будут подобны

(6)

Аналогичным образом получены критериальные уравнения процессов пылеобразования при работе конвейерных установок и пневмотранспортных машин и пылеуноса груза из открытых транспортных средств во время их грузовой обработки и с открытых складов (см. табл. 1).

Обозначения величин, принятые в табл. 1:

- скорость струи груза на выходе с грузовой ветви конвейера или пневмоустановки, м/с;

- поперечное сечение, соответственно, груза на грузовой ветви конвейера или трубопровода пневмоустановки, м²;

- время работы конвейера или пневмоустановки, с;

- конечная скорость струи груза, м/с;

- скорость струи груза на выходе из трубы, м/с;

- диаметр вертикальной или круто наклонной трубы, м;

- угол наклоны трубы к вертикали, рад.;

- количество унесенного груза, соответственно, из открытого трюма судна, полувагона и с открытого склада, кг/с;

- скорость ветрового потока, м/с;

- направление ветрового потока, рад.;

- вес частицы груза, Н;

- длина и ширина открытого трюма судна, м;

- расстояние от поверхности груза до комингса трюма судна, м;

- расстояние от комингса трюма судна до верхней кромки причальной стенки, м;

- длина и ширина полувагона, м;

- расстояние от поверхности груза до верхней кромки полувагона, м;

- длина, ширина и высота штабеля открытого склада, м;

- время грузовой обработки транспортного средства, с;

- время ветрового воздействия на открытый склад, с.

Таким образом, разработанный метод исследования процессов пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов позволяет обеспечить методически исследования на моделях данных процессов и по результатам этих исследований еще на проектной стадии разработки технологии перегрузочных процессов дает возможность:

- спрогнозировать количественные и качественные характеристики пылевых выбросов (потери сыпучего груза от пылеобразования и пылеуноса и запыленность воздуха);

- оценить негативное влияние перегрузочного процесса на окружающую среду;

- определить технико-экономические показатели перегрузочного процесса с учетом потерь сыпучего груза от пылеобразования и пылеуноса;

- обосновывать технологические нормы перегрузочного процесса, при которых будут соблюдаться экологические ограничения по запыленности воздуха;

- выявить необходимость применения или не применения инженерных средств защиты окружающей среды от пыли и исследовать их эффективность на моделях;

- установить величину линейного масштабного коэффициента , при которой модель будет адекватна натуре.

пылеобразование защита окружающий санитарный

Таблица 1. Критериальные уравнения и значения коэффициентов масштабов подобия

Процессы пылеобразования и пылеуноса	Критериальные уравнения	Коэффициенты масштабов подобия
Пылеобразование при работе конвейерных установок и пневмотранспортных машин	а) без вертикальных труб
	б) с вертикальными или круто наклонными трубами
Пылеунос из открытого трюма судна
Пылеунос из полувагона
Пылеунос с открытого склада	;

В третьей главе приведены разработанные методики определения потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса и запыленности воздуха с учетом основных очагов пылеобразования, которые оказывают существенное влияние на величину потерь грузов и состояние воздушной среды.

Данные методики включают в себя:

- анализ разрабатываемой или существующей технологии перегрузочного процесса и способа хранения сыпучего груза;

- построение моделей перегрузочного оборудования, транспортных средств и открытых складов;

- модельные исследования основных процессов пылеобразования и пылеуноса с учетом реальных значений скоростей и направлений ветровых потоков, которые имеют место на территории порта или причала, где планируется осуществлять или осуществляется технологический процесс перегрузки и хранения сыпучего груза;

- определение потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса по результатам модельных исследований для натурного технологического процесса их перегрузки и хранения;

- определение запыленности воздуха от пылеобразования и пылеуноса сыпучих грузов для вновь разрабатываемой технологии по результатам модельных исследований, а для существующих технологических процессов по результатам натурных исследований.

При анализе как вновь разрабатываемой, так и существующей технологии перегрузочного процесса и хранения сыпучего груза определяют или фиксируют:

- физико-механические и эксплуатационные характеристики сыпучего груза;

- величины грузооборотов по прибытию и отправлению, значения коэффициента прохождения груза через склад;

- тип перегрузочных машин, включенных в перегрузочную линию, их производительности и характеристики грузозахватных устройств;

- тип и характеристики транспортных средств (геометрические параметры, грузоподъемность);

- способ хранения (закрытые или открытые склады) сыпучих грузов, функции открытых складов (оперативный или накопительный склад), размеры (длина, ширина, высота) штабелей открытых складов по месяцам навигационного и межнавигационного периодов и форму поперечного сечения штабеля (треугольный, обелисковый);

- основные очаги пылеобразования и пылеуноса;

- величины преобладающих скоростей и направлений ветровых потоков, где планируется расположить или располагается порт или грузовой причал.

Построение моделей перегрузочного оборудования, транспортных средств и открытых складов производят с учетом обоснованных в четвертой главе значений линейных масштабных коэффициентов .

Величины преобладающих скоростей и направлений ветровых потоков на территории, где планируется расположить или располагается порт или грузовой причал, принимаются по статистическим данным местных метеослужб.

Общие потери (т) сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса предлагается определять по выражению

(7)

где - потери груза от пылеобразования и пылеуноса при работе -того типа перегрузочного оборудования, т;

- потери груза от пылеуноса при открытых трюмах судов и полувагонах во время их грузовой обработки, т;

- потери груза от пылеуноса при воздействии ветровых потоков на штабель открытого склада, т.

Запыленность воздуха (мг/м³) в зоне перегрузочных работ и расположения открытого склада определяется по формуле

(8)

где - запыленность воздуха при работе того типа перегрузочного оборудования, мг/м³;

- запыленность воздуха от пылеуноса груза из транспортных средств во время их грузовой обработки, мг/м³;

- запыленность воздуха в результате пылеуноса груза при

воздействии ветровых потоков на штабель открытого склада, мг/м³.

Потери груза от пылеобразования и пылеуноса при работе -того типа перегрузочного оборудования на грузовой обработке транспортных средств рекомендуется определять по формулам:

- при работе грейферных кранов и перегружателей ()

(9)

- при работе конвейерных установок ()

(10)

- при работе других видов машин непрерывного транспорта ()

(11)

где - количество груза, унесенного за один цикл работы крана при -ом варианте перегрузочных работ (: судно- склад

; судно-вагон ; склад-вагон ) за -тый месяц навигационного периода (), т;

, - количество груза, унесенного в единицу времени соответственно из открытого трюма одного судна и одного полувагона за -тый месяц навигационного периода, т/сут.;

- число циклов крана при -ом варианте работы, ед.;

, - время грузовой обработки соответственно одного судна и дного полувагона с использованием грейферных кранов и перегружателей, сут.;

, - потребное количество соответственно судов и вагонов, необходимое для освоения заданного грузопотока, ед;

, - количество груза, унесенного в единицу времени из открытого трюма одного судна и одного полувагона при их погрузке за -тый месяц навигационного периода (), т/сут.;

, - время погрузки соответственно одного судна и одного полувагона с использованием конвейерных установок, сут.;

- количество груза, унесенного в единицу времени при работе конвейера на загрузке склада за -тый месяц навигационного периода, т/сут.;

- время работы конвейерной установки при загрузке склада за определенный месяц навигационного периода, сут.;

, - количество груза, унесенного в единицу времени при работе машин непрерывного транспорта на выгрузке одного судна и одного полувагона за -тый месяц навигационного периода, т/сут;

, - время выгрузки, соответственно, одного судна и одного полувагона с использованием машин непрерывного транспорта, сут.

Потери груза от пылеуноса при их хранении на открытых складах рекомендуется определять по формуле

(12)

где - количество груза, унесенного с одного квадратного метра поверхности штабеля за -тый месяц навигационного периода (), т/м²сут.;

- площадь поверхности штабеля склада в -тый месяц навигационного периода, м²;

- площадь поверхности штабеля склада в -тый месяц межнавигационного периода, м²;

- время хранения груза на складе, сут.;

- количество груза, унесенного с одного квадратного метра поверхности штабеля за -тый месяц межнавигационного периода (), т/м²сут.;

- количество открытых складов, ед.

Каждая из составляющих общих потерь груза от пылеобразования и пылеуноса и запыленности воздуха определяется раздельно при модельных исследованиях по специально разработанной автором методике, основанной на положениях метода оценки на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов. В результате этих исследований устанавливаются математические модели потерь груза и запыленности воздуха, которые имеют вид:

- при работе грейферных кранов, перегружателей и конвейерных установок

(13)

- при грузовой обработке транспортных средств и хранении груза на открытом складе

(14)

где и - потери груза и запыленность воздуха от пылеобразования и пылеуноса при работе -того типа перегрузочного оборудования при модельных исследованиях, т;

и - потери груза и запыленность воздуха от пылеуноса при открытых трюмах судов и полувагонах во время их грузовой обработки при модельных исследованиях, т;

и - потери груза и запыленность воздуха от пылеуноса при воздействии ветровых потоков на штабель открытого склада при модельных исследованиях, т;

- фактор скорости ветрового потока в относительных единицах;

- относительное направление ветрового потока, ;

- коэффициенты соответствующих уравнений регрессии.

На величины и направление ветрового потока не оказывает влияние и их следует определять с учетом только фактора скорости ветрового потока. Величины , , и определяются при модельных исследованиях с учетом преобладающих скоростей и направлений ветровых потоков.

При переходе от модели к натурным условиям соответствующие величины потерь груза и запыленности воздуха определяются по выражениям:

- для грейферных кранов и перегружателей ()

(15)

- для конвейерных установок ()

(16)

- для транспортных средств и открытых складов

(17)

Разработанные методики определения потерь сыпучих грузов от пылеобразования и пылеуноса при их перегрузке и хранении дают возможность: спрогнозировать размер потерь сыпучих грузов и количественные характеристики запыленности воздуха как для вновь разрабатываемых, так и для существующих технологических процессов их перегрузки и хранения, что позволяет установить соответствие данных процессов установленным нормам; определить материальные затраты, связанные с потерями сыпучих грузов; выявить необходимость применения технических средств борьбы с пылью.

Четвертая глава содержит методики проведения натурных и модельных исследований процессов пылеобразования и пылеуноса и результаты этих исследований.

Для лабораторных исследований указанных процессов были изготовлены модели с различными масштабами грейферов, конвейерных установок, вертикальных труб, транспортных средств (трюмов судна, полувагонов) и штабелей открытых складов. Кроме этого, были созданы экспериментальные установки для исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейферных кранов и конвейерных установок (см. рис. 1), а также установка для комплексного исследования свойств пылей сыпучих грузов и методов гидрообеспыливания, конструкция которой приведена на рис. 2 и защищена А. с. 1562822 СССР.

Эксперименты, проведенные по разработанным методикам, позволили решить следующие основные задачи:

- проверить правильность теоретических предпосылок метода исследований на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса;

- определить значения линейных масштабных коэффициентов, при которых модели процессов пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов на открытых складах будут подобны натуре;

Рисунок 1. Установка для исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха.

Рисунок 2. Установка для комплексного исследования свойств пылей сыпучих грузов и методов гидрообеспыливания.

- получить математические модели потерь груза и запыленности воздуха для основных источников пыления грузового причала, на котором перегружается и хранится сыпучий груз;

- исследовать влияние пульсации ветрового потока в натурных условиях на процессы пылеобразования и пылеуноса сыпучего груза;

- уточнить нормы пожароопасных концентраций для комовой серы и определить оптимальные параметры гидроэжекционного способа обеспыливания апатита.

В результате выполненных исследований установлено, что для адекватности полученной модели натуре необходимо, чтобы значения величин линейного масштабного коэффициента имели следующие значения:

- моделирование пылеобразования при работе грейферных кранов и перегружателей, ленточных конвейеров и пневмоустановок ;

- моделирование пылеуноса сыпучего груза во время грузовой обработки транспортных средств: при открытом трюме судна - ; кузове полувагона - ;

- моделирование пылеуноса сыпучего груза при его хранении на открытых складах .

В табл. 2 приведены математические модели процессов пылеуноса и запыленности воздуха, полученные для угля марки АШ.

Таблица 2. Математические модели процесса пылеуноса и запыленности воздуха, полученные для угля марки АШ

Способ перегрузки и хранения	Математическая модель
	процесс пылеуноса	запыленность воздуха, мг/м3
Грейферные краны	, мг/цикл разгрузки грейфера
Конвейерные установки	, мг/с
Открытый трюм судна	, мг/с·м2
Полувагон	, мг/с·м2
Открытый склад: призма (сечение штабеля); обелиск.	, мг/с·м2
	, мг/с·м2

Используя предлагаемый метод исследования на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов, аналогичные математические модели можно получить и для других наименований сыпучих грузов.

Кроме этого, были выполнены исследования влияния геометрических параметров склада, формы поперечного сечения штабеля и скорости и направления ветрового потока на величину пылеуноса груза и запыленность воздуха. Результаты этих исследований приведены в табл. 3 и табл. 4.

Таблица 3. Результаты исследования влияния геометрических параметров склада и формы поперечного сечения штабеля на пылеунос груза и запыленность воздуха

Поперечное сечение штабеля	Длина штабеля, м	Пылеунос, мг/с·м2	Запыленность воздуха, мг/м3
		Направление ветрового потока со скоростью 5м/с
		вдоль штабеля	поперек штабеля	вдоль штабеля	поперек штабеля
Призма	0,23	4,5	6,5	48	40
	0,43	4,1	6,0	65	35
	0,8	3,4	4,7	80	25
Обелиск	0,4	51	16,0	62	52
	0,6	46	15,2	78	46
	0,8	38	14,0	95	35

Таблица 4. Результаты исследования на моделях влияния скоростей ветровых потоков на пылеунос и запыленность воздуха для открытого склада с углем

Поперечное сечение штабеля	Скорость ветрового потока, м/с	Пылеунос, мг/с·м2	Запыленность воздуха , мг/м3
Призма	2	0,2	2
	5	3,4	80
	10	131	308
Обелиск	2	7	18
	5	38	95
	10	412	1960

Анализ данных этих таблиц убедительно показывает, что исследуемые факторы существенным образом влияют на процесс пылеуноса груза, хотя ни одна из существующих методик этого не учитывает.

В табл. 5 представлены результаты сравнения величин запыленности воздуха и пылеуноса груза с открытого склада, полученные при натурных замерах и с помощью математических моделей (см. табл. 2).

Таблица 5. Результаты сравнения величин запыленности воздуха и пылеуноса

Форма поперечного сечения штабеля	Месяц проведения эксперимента	Запыленность воздуха, мг/м3	Пылеунос, мг/с
		При натурных замерах	Полученная с помощью мат. модели	При натурных замерах	Полученная с помощью мат. модели
Призма	июнь 2005г.	17,0	15,5	6,7	6,1
	июль 2005г.	62,1	73,9	35,6	31,8
	август 2005г.	22,7	21,6	9,6	8,7
Обелиск	июнь 2005г.	113,5	102,8	28,1	25,3
	июль 2005г.	414,6	473,9	117	104,5
	август 2005г.	146,4	142,2	36,7	33,4

Из данных табл. 5 видно, что расхождения сравниваемых величин лежат в пределах: по запыленности воздуха - (3…16)%; пылеуноса - не превышают 10%, что дает их удовлетворительную сходимость, достаточную для данных исследований.

Кроме этого, необходимо отметить, что существенного влияния на процесс пылеуноса груза пульсация ветрового потока в натурных условиях не оказывает.

Результаты исследований пожароопасности комовой серы с применением специально разработанной установки позволили установить следующее:

- технологические и конструктивные мероприятия для перегрузки комовой серы должны обеспечивать снижение концентрации пыли в зоне возможного появления искры (механической или электрической) до величины не более 2 г/м³;

- предельные уровни концентраций пыли в зоне действия постоянных источников нагрева (выхлопная труба тепловых двигателей зачистных машин) должна быть не более 15 г/м³;

- наиболее эффективным средством для снижения концентрации пыли, а следовательно и ее пожароопасности, является применение водяного тумана.

При этом добавка поверхностно-активных веществ, улучшающих смачиваемость пыли, повышает эффективность гидрообеспыливания комовой серы. В частности, при использовании 10%-ного водного раствора с сульфанолом коэффициент пылеподавления составляет 2,47, что в 1,5 раза выше, чем при гидрообеспыливании одной водой.

Результаты исследований эффективности гидроэжекционного способа обеспыливания апатитового концентрата позволили установить:

- при распылении в эжекторе 10%-ного водного раствора с сульфанолом эффективность пылеосаждения апатитовой пыли возрастает в два раза;

- оптимальные параметры гидроэжекционного способа обеспыливания (расходы сжатого воздуха и жидкости эжектором и их скорости, геометрические характеристики эжектора и осадительной камеры). Для апатита расход жидкости составил 7 л/мин, расход сжатого воздуха - 4,01 м³/мин, скорость сжатого воздуха на выходе из эжектора - 0,5 м/с при поперечном сечении цилиндрической части эжектора 0,126 м².

В пятой главе приводятся разработанные автором конструкции новых технических средств борьбы с пылью и результаты исследования их эффективности при перегрузке и хранении сыпучих грузов. Причем указанные средства борьбы с пылью предназначены для самого распространенного способа перегрузки сыпучих грузов с применением грейферных кранов и перегружателей, при котором имеют место самые высокие потери груза и значения запыленности воздуха от пылеуноса.

С помощью разработанного метода исследования на моделях процессов пылеобразования и пылеуноса и полученных математических моделей была оценена эффективность предлагаемых устройств по снижению потерь груза и запыленности воздуха.

Для загрузки вагонов сыпучими грузами предлагается использовать пылеподавляющее устройство «грейфер-бункер-генератор водяного тумана», которое позволяет снизить запыленность воздуха в 41,5 раза и обеспечить пожаробезопасность перегрузочных работ (А.с. №1461730). Принципиальная схема этого устройства представлена на рис. 3. Опытный образец данного устройства был изготовлен и испытан в Красноярском речном порту при перегрузке комовой серы.

Рисунок - 3 Принципиальная схема устройства «грейфер-бункер-генератор водяного тумана»: 1- полувагон; 2 - портал; 3 - укрытие бункерное; 4 - секция со створками; 5 - грейфер специальный; 6 - форсунки.

Следующие три устройства, схемы которых приведены на рис. 4, рис.5 и рис. 6, предназначены для грейферно-бункерных перегружателей (ГБП) и включают в себя:

- бункер с гидроэжекционной системой, эффективность которого по снижению запыленности воздуха составляет (35…45) раз (А.с. №1736882);

- бункер с изменяющейся вместимостью с эффективность (20…25) раз (Патент №74116 РФ);

- быстросъемный сетчатый экран для предотвращения пылеуноса груза из открытого трюма судна, эффективность которого (10…12) раз (Патент №1729902 РФ).

Все пылеподавляющие устройства для ГБП, рабочие проекты которых разработаны Московским Гипроречтрансом, были внедрены в Астраханском и Пермском речных портах на перегрузке апатита.

Рисунок 4. Принципиальная схема бункера с гидроэжекционной системой: 1 - бункер; 2 - грейфер специальный; 3 - гидроэжектор; 4 - осадительная камера.



Рисунок 5. Принципиальная схема бункера с изменяющейся вместимостью: 1 - нижняя часть бункера; 2 - подвижная часть бункера; 3 - направляющая; 4 - специальный грейфер; 5 - рукав гофрированный.

Рисунок 6. Схема быстросъемного сетчатого экрана для предотвращения пылеуноса груза из открытого трюма судна: 1 - судно; 2 - ГБП; 3 - экран сетчатый; 4 - механизм подъёма.

Для снижения запыленности воздуха и пылеуноса сыпучих грузов при их открытом способе хранения предлагается использовать специальные сетчатые укрытия (см. рис. 7), принцип действия которых заключается в их способности создавать зоны «ветровой тени» при взаимодействии с ветровыми потоками. Сетчатое укрытие представляет из себя грубосплетенный из прочного полиэфирного волокна экран с коэффициентом проницаемости, равным 0,5. Эффективность этих сетчатых укрытий в зависимости от рода сыпучего груза и ветрового режима лежит в пределах (1,7…2,7) раза.

Рисунок 7. Принципиальная схема специальных сетчатых укрытий для открытых складов: 1 - колонны наклонные; 2 - скобы; 3 - канат несущий; 4 -устройство талрепное; 5 - укрытие сетчатое.

В шестой главе изложены методические основы обоснования грузооборота, способа перегрузки, параметров портового открытого склада и размеров санитарно-защитной зоны при перегрузке и хранении сыпучих грузов с учетом их потерь и экологических требований. Также представлена практическая реализация результатов выполненных исследований.

В качестве критерия эколого-экономической оценки проектного решения по обоснованию грузооборота порта по сыпучим грузам предлагается использовать аналог приведенных затрат (руб./т) с учетом потерь сыпучих грузов и наносимого окружающей среде ущерба

(18)

где - себестоимость перегрузки и хранения груза на складе, руб./т;

- коэффициент эффективности использования капитальных вложений, ;

- удельные капитальные вложения в перегрузочное оборудование и открытые склады, руб./т;

- удельные капитальные вложения в технические средства борьбы с пылью, руб./т;

- удельные затраты по потерям груза в результате распыления и пылеуноса и по компенсации ущерба окружающей среде, руб./т.

Условие выполнения экологических ограничений по качеству воздушной среды для грузового причала порта, на котором перегружается и хранится сыпучий груз, можно представить в следующем виде

(19)

где - запыленность воздуха на границе санитарно-защитной зоны при работе того типа перегрузочного оборудования и от пылеуноса груза при открытых трюмах судов и полувагонах, мг/м³;

- запыленность воздуха в результате пылеуноса груза при воздействии ветровых потоков на штабель открытого склада на границе санитарно-защитной зоны, мг/м³;

- максимально разовая предельно-допустимая концентрация пыли на границе санитарно-защитной зоны, мг/м³ ;

- фоновая концентрация пыли на границе санитарно-защитной зоны, мг/м³.

Если сыпучий груз способен образовывать при его перегрузке пожароопасные пылевоздушные смеси, то для обеспечения безопасности перегрузочных работ с такими грузами необходимо выполнять условие

< (20)

где - запыленность воздуха в зоне возможного появления источника зажигания, мг/м³;

При обосновании размеров санитарно-защитной зоны при перегрузке и хранении сыпучих грузов в выражение (18) дополнительно включается величина (руб./т) удельных выплат за отчуждение портом территорий, которая определяется по выражению

(21)

где - площадь санитарно-защитной зоны, м²;

- дифференциальная рента, руб./м².

Удельные затраты по потерям груза от пылеобразования и пылеуноса и по компенсации ущерба окружающей среде предлагается определять по формуле

(22)

где - затраты по потерям груза от пылеобразования и пылеуноса, руб.; - затраты по компенсации ущерба окружающей среде от загрязнения атмосферы и водной акватории, руб.

Затраты по потерям сыпучего груза от пылеобразования и пылеуноса предлагается определяются по выражению

 (23)

где - затраты по потерям сыпучего груза при его перегрузке различными типами перегрузочных машин (1, 2, 3) с учетом потерь от пылеуноса из открытых транспортных средств во время их грузовой обработки, руб.;

- затраты по потерям сыпучего груза от пыленуноса со склада, руб.

Затраты по потерям сыпучего груза при его перегрузке рассчитываются по формулам:

для грейферных кранов и перегружателей ()

(24)

для конвейерных установок ()

(25)

для других типов машин непрерывного транспорта ()

(26)

где - стоимость одной тонны груза, руб.

Затраты по потерям сыпучего груза от пыленуноса с открытого склада определяются по выражению

(27)

Затраты и предлагается определять по формулам:

(28)

(29)

где , - величины удельного ущерба, численное значение которых, соответственно, рекомендуется принимать 49 руб. и 6818 руб. на условную тонну выбросов, руб./усл.т;

- показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над различными территориями;

- константа для различных водохозяйственных объектов;

- поправка, учитывающая характер рассеивания пылевых выбросов в атмосфере;

, - показатель относительной опасности пыли груза для атмосферы и водоемов.

Расчет ожидаемого экономического эффекта (руб.) от снижения пылеобразования и пылеуноса при перегрузке и хранении сыпучих грузов осуществлялся по выражению

(30)

где , - себестоимость перегрузочных работ при использовании базовой и новой техники, определяемые применительно к объему перегружаемого груза и составу флота, руб./т;

, - удельные капитальные вложения в производственные фонды при использовании базовой и новой техники, руб./т;

- годовой сопутствующий экономический эффект, возникающий в смежных звеньях водного транспорта в связи с использованием на перегрузочных работах новой техники, руб.

...