Критериальные уравнения экологической эффективности тепломассообменного оборудования для горнометаллургического комплекса

Нурхожаев Е.С., Ахметов Р.Г.

Акционерное общество «Костанайские минералы», Житикара, Республика Казахстан

Попов С.А., Макаров В.Н.

Уральский государственный горный университет, Екатеринбург

Ключевые слова: Эйлерово-Лагранжевая модель, природоподобие, шахтная сушильная печь, двухфазная среда, время релаксации, сепарация пыли, экологическая эффективность, тепломассообменное оборудование.

Аннотация. В статье представлены результаты разработки критериальных уравнений, позволяющих количественно оценивать экологическую эффективность работы тепломассообменного оборудования предприятий горнометаллургического комплекса. На основе анализа аэротермодинамических процессов, протекающих в двухфазной среде «частицы минерального сырья – теплоноситель», установлена доминирующая роль угловой скорости вращения частиц в формировании времени релаксации и эффективности сепарации пыли. Методология исследований базируется на Эйлерово-Лагранжевой модели аэродинамики двухфазных сред, π-теореме и теории подобия. Построена матрица индикаторов и критериев подобия, включающая 4 критерия и 5 индикаторов, имеющие безразмерную величину. Из их совокупности выделены определяющие критерии – Архимеда, Стокса, Фруда, Рейнольдса, модифицированные с учетом влияния угловой скорости вращения частиц. Предложено критериальное уравнение экологической эффективности, связывающее вышеуказанные критерии с коэффициентом фракционной сепарации пыли. Уравнение верифицировано путем экспериментальных исследований на модели, компьютерного моделирования и промышленных испытаний на вертикальных шахтных сушильных печах АО «Костанайские минералы». Практическая реализация разработанных подходов позволила повысить экологическую эффективность печей с 64% до 85% и снизить концентрацию хризотил-асбестовой пыли на выходе в 1,8 раза – с 30 до 16 г/м3.

Criteria equations for the environmental performance of heat and mass transfer equipment for a mining and metallurgical complex

Nurkhozhaev E.S., Akhmetov R.G.

Kostanay Minerals JSC, Zhitigara, Republic of Kazakhstan

Popov S.A., Makarov V.N.

Ural State Mining University, Yekaterinburg, Russia

Keywords: Euler-Lagrange model, natural-like behaviour, shaft kiln, two-phase medium, relaxation time, dust separation, environmental efficiency, heat and mass transfer equipment.

Abstract. This article presents the results of the development of criterion equations that enable the quantitative assessment of the environmental performance of heat and mass transfer equipment at enterprises within the mining and metallurgical sector. Based on an analysis of the aerothermodynamic processes occurring in the two-phase ‘mineral raw material particles–heat transfer fluid’ medium, the dominant role of the angular velocity of particle rotation in determining the relaxation time and dust separation efficiency has been established. The research methodology is based on the Euler-Lagrange model of two-phase fluid dynamics, the π-theorem and similarity theory. A matrix of similarity indicators and criteria has been constructed, comprising 4 criteria and 5 indicators, all of which are dimensionless quantities. From this set, the determining criteria have been identified – Archimedes, Stokes, Froude and Reynolds – modified to account for the influence of the angular velocity of particle rotation. A criterion equation for environmental efficiency has been proposed, linking the above criteria to the dust fractionation coefficient. The equation has been verified through experimental studies on a model, computer modelling and industrial trials on vertical shaft drying kilns at Kostanay Minerals JSC. The practical implementation of the developed approaches has made it possible to increase the environmental efficiency of the kilns from 64% to 85% and to reduce the concentration of chrysotile asbestos dust at the outlet by a factor of 1.8 – from 30 to 16 g/m3.