Mathematical modeling of the aerosol thermoaeroseparation in shaft furnaces for drying ore materials | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 94. DOI: 10.17223/19988621/94/9

Mathematical modeling of the aerosol thermoaeroseparation in shaft furnaces for drying ore materials

This paper considers dust thermoaeroseparation mechanics directly in a vertical shaft drying furnace (VSDF) to substantiate an innovative technology for improving the efficiency of dust collection and develop a methodology for creating environmentally efficient furnaces. The novelty of theoretical studies on the two-phase medium separation in a VSDF is based on a scientifically proven hypothesis about the dominant effect on the VSDF ecological efficiency of the aerosol parameters determining the quality of dust collection: concentration, median size, dispersion, temperature, and humidity of dust at the furnace outlet. The proposed hypothesis is adequate to the nature-like commensurability of the drying process with the feedback drying of suspended aerosol particles to the parameters providing maximum dust collection efficiency. The mathematical model of thermoaeroseparation in the VSDF is verified in JSC "Kostanay Minerals". The results confirm an increase in the ecological efficiency of the furnace by 62 % with a confidence level of 0.95 and an error of less than 11 %. Thus, the obtained data can be considered when modernizing shaft furnaces to improve their environmental efficiency.

Download file

Counter downloads: 9

Keywords

thermoaeroseparation, environmental efficiency, aerosol, inlet collector, Stokes forces, Froude criterion, dust-collecting chamber

Authors

Name	Organization	E-mail
Akhmetov Rustam G.	JSC "KostanayMinerals"	info@km.kz
Dyldin German P.	Ural State Mining University	German.Dyldin@yandex.ru
Makarov Vladimir N.	Ural State Mining University	uk.intelnedra@gmail.com
Makarov Nikolay V.	Ural State Mining University	mnikolay84@mail.ru

Всего: 4

References

Макаров В.Н., Давыдов С.Я. Теоретические основы повышения эффективности вентиляции в технологических процессах на промышленных предприятиях // Новые огнеупоры. 2015. № 2. С. 59-63.

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. 80-84.

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 (научно-технический журнал). 2024. № 1-1. С. 74-86. doi: 10.25018/0236_1493_2024_011_0_74.

Чистяков Я.В., Муратова К.М., Володин Н.И. Основы сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе // Экология и промышленность в России. 2016. T. 20, № 8. C. 20-27.

Калаева С.3., Муратова К.М., Чистяков Я.В. Исследование процесса очистки воздушных потоков от мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном аппарате пылеулавливания // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. № 3. С. 45-57.

Макаров В.Н., Макаров Н.В., Угольников А.В. Оптимизация геометрических параметров гидроциклонного инерционного сепаратора Вентури // Записки Горного института. 2019. Т. 240. С. 638-648. doi: 10.31897/PMI.2019.6.638.

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 fully-mechanized mining face // Powder Technology. 2019. V. 343. P. 754-764. doi: 10.1016/j.powtec.2018.11.042.

Филина В.А., Филин А.Э. Пути повышения эффективности пылеподавления орошением // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № S14. C. 3-10. doi: 10.25018/0236-1493-2020-5-14-3-10.

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

Пат. 281.36.45 РФ, МКИ F 04 D 17/08. Способ сушки сыпучих материалов повышения экологической эффективности шахтных печей и устройство для его осуществления / Е.С. Нурхожаев, Н.В. Макаров, А.А. Арсланов, и др. Заявл. 05.2023 г.; опубл. в П.И., 2024 г. № 2.

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. V. 129. P. 230-237. doi: 10.1016/j. psep.2019.07.010.

Каплун А.Б., Морозов Е.М., Шамраев М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. M.: URSS, 2017. 272 с.

Фёдорова Н.Н., Вальгер С.А., Захарова Ю.В. Моделирование гидрогазодинамических процессов ПК ANSYS 17.0. Новосибирск: Новосиб. гос. арх.-строит. ун-т (Сибстрин), 2016. 168 с.

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.

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 // Int J Coal Sci Technol. 2020. V. 7 (3). P. 581-596. doi: 10.1007/s40789-020-00329-w.

Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 830 с.

Zhang H., Xu Y., Han W., Wang Z. Analysis on the Development Status of Coal Mine Dust Disaster Prevention Technology in Chine // Journal of Healthcare Engineer. 2021. V. 2021. Art. 5574579. doi: 10.1155/2021/5574579.

Shivani Kaustubh Chitale, Pranjal Nitin Jadhav, Snehal Suresh Dhoble, Dr. Mr. Satyajeet Deshmukh. Parameters Affecting Efficiency of Centrifugal Pump - A Review // International Journal of Scientific Research in Science and Technology. 2021. V. 8. P. 49-58. doi: 10.32628/IJSRST218573.

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 November. 2021. V. 32 (3). P. 42-51. doi: 10.7166/32-3-2616.

Bosikov I.I.,Klyuev R.V.,Revazov V.Ch.,Pilieva D.E. Structural and geological features of ore zones in the southeast of the Siberian Platform // Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023. Is. 1. P. 84-94. doi: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_84.

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. V. 1399 (3). Art. 033010. P. 1-5. doi: 10.1088/1742-6596 /1399/3/033010.