Топологическая оптимизация параметров шахтной сушильной печи по критерию экологической эффективности

Управление пылевыделением, дисперсным составом и параметрами исходного сырья в процессе сушки материалов повышает экологическую и энергетическую эффективность шахтных печей, способствуя снижению себестоимости продукции, росту конкурентноспособности предприятий горно-металлургического комплекса. Цель исследования заключается в разработке и верификации методики определения интегрального критерия экологической эффективности печей и математической модели топологической оптимизации их сушила по указанному критерию. Для исследования процесса управления концентрацией аэрозоля и экологической эффективностью в статье использован актуализированный метод цифрового компьютерного описания двухфазных потоков на базе принципа суперпозиции. В эйлерово-лангранжевом подходе создавалась математическая компьютерная модель двухфазной среды на базе аналога Discrete Phase Model с расчетом положения частиц пыли в относительной системе координат, связанной с параметрами движения теплоносителя. При этом траектории движения частиц отслеживались на всей расчетной области, то есть на базе эйлеровой системы координат. Траектории вторичной фазы, таким образом, вычислялись на каждом заданном промежутке времени по итогам расчета поля течения первичной фазы. Вторичная фаза в процессе движения обменивалась импульсами, массой и энергией с первичной фазой, с учетом того, что в уравнения Эйлера были введены соответствующие конвертирующие слагаемые. Топологическая оптимизация сепаратора шахтной печи позволила повысить ее экологическую эффективность до 0,62, то есть не менее чем в 3 раза снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Нурхожаев Е. С., Макаров В. Н., Ахметов Р. Г., Макаров Н. В. Топологическая оптимизация параметров шахтной сушильной печи по критерию экологической эффективности // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 1-1. – С. 165–177. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_11_0_165.

Нурхожаев Ербол Сапарбаевич¹ — председатель правления, e-mail: Rus.akhmetov@mail.ru,
Макаров Владимир Николаевич² — д-р техн. наук, доцент, e-mail: uk.intelnedra@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-3785-5569,
Ахметов Рустам Гумарович¹ — главный механик, e-mail: info@km.kz,
Макаров Николай Владимирович² — канд. техн. наук, доцент, e-mail: mnikolay84@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7039-6272,
¹ АО «Костанайские минералы», Республика Казахстан,
² Уральский государственный горный университет.

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

1. Нурхожаев Е. С., Макаров Н. В., Арсланов А. А., Ахметов Р. Г., Баландин В. Н., Макаров В. Н., Новицкий М. В., Гольцев В. А. Патент № 2813645 Российская Федерация, МКИ F 04 D 17/08. Способ сушки сыпучих материалов, повышения экологической эффективности шахтных печей и устройство для его осуществления: № 2023111796. Заявлено 05.05.2023 : 14.02.2024 /. 17 с.

2. Макаров В. Н., Ахметов Р. Г., Макаров Н. В., Арсланов А. А. Повышение экологической эффективности сушки рудных материалов на базе инерционно-гравитационной аэросепарации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 1-1. — С. 74—86. DOI: 10. 25018/0236_1493_2024_011_0_74.

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

4. 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.

5. 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.

6. Логачев И. Н., Логачев К. И. Аэродинамические основы аспирации. — СПб.: Химиздат, 2005. — 659 с.

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

8. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 384 с.

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

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Ковальчук М. В., Нарайкин О. С., Яцишина Е. Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы // Вестник Российской академии наук. — 2019. — Т. 89. — № 5. — С. 455—465.

15. Бойков А. В., Савельев Р. В., Пайор В. А. Применение численного моделирования в горно-металлургической области / Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ «Нацразвитие». — СПб., 2019. — С. 31—34.

16. 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.

17. Lyaptsev S. A., Davydov S. Y. Classification of granular material in an impact with a separation surface // Refractories and Industrial Ceramics. 2015, vol. 55, no. 6, pp. 570—572. DOI: 10.1007/ s11148-015-9767-7.

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. 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.

20. Hu S., Huang Y., Feng G., Shao H., Liao Q., Gao Y., Hua F. Investigation on the design of atomization device for coal dust suppression in underground roadways // Process Safety and Environmental Protection. 2019, vol. 129, pp. 230—237. DOI: 10.1016/j.psep.2019.07.010.

21. Каплунов Д. Р., Калаева С. З., Муратова К. М., Чистяков Я. В. Анализ конструкций пылеуловителей циклонного типа для мелкодисперсной пыли // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2018. — № 2. — С. 49—71.

22. Чистяков Я. В., Муратов К. М., Володин Н. И. Основы сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе // Экология и промышленность в России. — 2016. — Т. 20. — № 8. — С. 20—27.