Повышение эффективности печей сушки минерального сырья с использованием компьютерной оптимизации эжекции в двухфазной среде

Повышение конкурентоспособности предприятий горно-металлургического комплекса актуализирует задачу увеличения эффективности технологических процессов подготовки исходного минерального сырья. Перспективным направлением исследования путей снижения расхода теплоносителя и повышения эффективности процесса сушки является оптимизация распределения исходного материала в загрузочном устройстве, его геометрических параметров, аэротермодинамических процессов взаимодействия частиц исходного материала с атмосферным воздухом и теплоносителем, обеспечивающих формирование требуемой структуры на входе в печь и устранение эжекционных процессов. Существующие методики расчета загрузочных устройств и коллекторов подачи теплоносителя прямотока в сушило печи, математические модели исследования процессов взаимодействия атмосферного воздуха, минерального сырья и теплоносителя не учитывают влияние на эжекционные процессы переноса массы, импульса, энергии при фазовых преобразованиях в двухфазовых средах, обусловленных существенным градиентом температуры между атмосферным воздухом и теплоносителем, а также высокой влажностью частиц исходных минералов. Предложена методика компьютерной оптимизации посредством Discrete Phase Model в эйлерово-лагранжевом виде аэротермодинамических процессов эжекции в двухфазных средах загрузочных устройств сушильных печей, во взаимосвязи с их геометрическими параметрами с учетом переноса массы, импульса, энергии при фазовых преобразованиях, обусловленных высокой влажностью частиц минерального сырья и существенными градиентами температур атмосферного воздуха и теплоносителя. Модернизация загрузочного устройства вертикальной шахтной сушильной печи № 9 АО «Костанайские минералы» на базе предложенной методики позволила снизить объем эжектируемого воздуха до нуля, расход теплоносителя – на 28%, электроэнергии – не менее чем на 15%.

Нурхожаев Е. С., Зотов В. В., Макаров В. Н., Макаров Н. В. Повышение эффективности печей сушки минерального сырья с использованием компьютерной оптимизации эжекции в двухфазной среде // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 10. – С. 114–125. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_10_0_114.

Нурхожаев Ербол Сапарбаевич — председатель правления, АО «Костанайские Минералы», Житикара, Республика Казахстан, e-mail: nm_ekb@mail.ru,
Зотов Василий Владимирович — канд. техн. наук, зав. кафедрой, НИТУ МИСИС, e-mail: zotov@misis.ru,
Макаров Владимир Николаевич — д-р техн. наук, профессор, Уральский государственный горный университет, e-mail: uk.intelnedra@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-3785-5569,
Макаров Николай Владимирович — канд. техн. наук, доцент, директор, ООО «Вентиляция Экология Безопасность», e-mail: mnikolay84@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7039-6272.

Макаров Н.В. e-mail: mnikolay84@mail.ru.

1. Нурхожаев Е. С., Макаров Н. В., Ахметов Р. Г., Баладин В. Н., Макаров В. Н., Новицкий М. В., Бочаров З. В., Алексеев М. А. Патент № 2837809 РФ, МКИ F 04 D 17/08. Способ сушки сыпучих материалов, повышения экологической эффективности шахтных печей и устройство для ее осуществления. Заявл. 04. 07.2024, опубл. в П.И. 04.04.2025 г. № 10.

2. Макаров В. Н., Ахметов Р. Г., Давыдов С. Я., Макаров Н. В. Исследования и моделирование экологической эффективности вертикальных шахтных печей сушки огнеупорных и строительных материалов // Новые огнеупоры. — 2023. — № 7. — С. 52—59.

3. Иванов А. Н. Методологические положения формирования и оценки экономического ущерба // Известия УГГУ. — 2019. — № 3(55). — С. 157—161. DOI: 10.21440/2307-2091-2019-3-157-161.

4. Юрьев Б. П., Гольцев В. А., Мальцев В. А., Савин В. А. Сушка хризотиловой руды в вертикальных аппаратах шахтного типа // Строительные материалы. — 2016. — № 8. — С. 80—83.

5. Батухтин А. Г., Батухтин С. Г., Якубович А. И., Кузнецова Н. С. Анализ эффективности теплосъема поверхностей нагрева // Вестник Забайкальского государственного университета. — 2023. — Т. 29. — № 4. — С. 65—72.

6. Han H., Wang P., Liu R. Experimental study on the atomization characteristics and dust reduction efficiency of four common types of pressure nozzles in underground coal mines // International Journal of Coal Science & Technology. 2020, vol. 7, no. 2, pp. 581—596. DOI: 10.1007/s40789-02000329-w.

7. Аверкова О. И., Логачев И. Н., Логачев К. И. Аэродинамика противопылевой вентиляции. — М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2019. — 432 с.

8. Shivani Kaustubh Chitale, Pranjal Nitin Jadhav, Snehal Suresh Dhoble, Dr. Mr. Satyajeet Deshmuk Parameters affecting efficiency of centrifugal pump. A review. IJSRST, 2021, pp. 49—58.

9. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Данилов М. Н., Захарова Ю. В. Основы работы в ANSYS 17. — М.: ДМК Пресс, 2017. — 210 с.

10. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Захарова Ю. В. Моделирование гидрогазодинамических процессов ПК ANSYS 17.0. — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2016. — 168 с.

11. Макаров В. Н., Ахметов Р. Г., Макаров Н. В., Бельских А. М. Повышение экологической эффективности вертикальных шахтных печей сушки рудных материалов // Транспортное, горное и строительное машиностроение, наука и производство. — 2023. — № 19. — С. 122—128.

12. Fair R., Laar J. H., Nell K., Nell D., Mathews E. H. Simulating the sensitivity of underground ventilation networks to fluctuating ambient conditions // South African Journal of Industrial Engineering. 2021, vol. 32, no. 3, pp. 42—51. DOI: 10.7166/32-3-2616.

13. Бойков А. В., Савельев Р. В., Пайор В. А. Применение численного моделирования в горно-металлургической области / Научные конференции ГНИИ «Нацразвитие»: Сборник избранных статей. — СПб.: Нацразвитие, 2019. — С. 31—34.

14. Zhang H., Han W., Xu Y., Wang Z. Analysis on the development status of coal mine dust disaster prevention technology in Chine // Journal of Healthcare Engineer. 2021, vol. 2021, article 5574579. DOI: 10.1155/2021/5574579.

15. Kornilov G., Gazizova O., Bunin A., Bulanov M., Karyakin A. L. Improving the quality of voltage in the conditions of the oxygen-converter shop of metallurgical production / International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems: Proceedings of the ICOECS 2019. 2019, article 8949928. DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949928.

16. Нурхожаев Е. С., Макаров В. Н., Ахметов Р. Г., Шакирзянова А. Ф. Методика определения экологической эффективности вертикальных шахтных сушильных печей и пути ее повышения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2024. — № 4. — С. 525—532. DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-525-526.

17. Zhou S., Lin P., Zhang W., Zhu Z. Evolution characteristics of separated vortices and near-wall flow in a centrifugal impeller in an off-designed condition // Applied Sciences. 2020, vol. 10, no. 22, pp. 1—17. DOI: 10.3390/app 10228209. 

18. Velikanov V. S., Dyorina N. V., Suslov N. M., Luntsova A. I., Rabina E. I. Automation of design for dynamic loading at the designing stage of mining machinery // Journal of Physics: Conference Series. 2019, vol. 1399, no. 3, article 033010. DOI: 10.1088/1742-6596/1399/3/033010.

19. Kychkin A., Nikolaev A. IOT-based mine ventilation control system architecture with digital twin / Internation Conference on Indystrial Engineering. Applications and Manufacturing, ICIEAM 2020, New York: IEEE, 2020, article 9111995.

20. Васенин И. М., Крайнов А. Ю., Исайченков А. Б. Математическое моделирование сушки угольных частиц в потоке газа // Компьютерные исследования и моделирование. — 2012. — Т. 4. — № 2. — С. 357—367.

21. Киреев В. М., Минко В. А., Гольцов А. Б., Болгов А. И. Рециркуляционные энергоэффективные системы аспирации с использованием эффекта Коанда // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2019. — № 12. — С. 57—62. DOI: 10.12737/article_5c1c995c7f4e35.90271716. 

22. Yang S., Nie W., Lv S., Liu Z., Peng H., Ma X., Cai P., Xu C. Effects of spraying pressure and installation angle of nozzles on atomization characteristics of external spraying system at a fullymechanized mining face // Powder Technology. 2019, vol. 343, pp. 754—764.