Evaluación a escala laboratorio de una tecnología de supresión de polvo para la etapas de chancado utilizando una mezcla de gases tipo nitrógeno-agua

Abstract

Esta memoria describe la investigación de una tecnología a escala de laboratorio para reducir material particulado (PM). Se utiliza una mezcla de Gas de Supresor de Polvo (GSP) compuesta de nitrógeno y vapor de agua. Se diseñó un sistema para estudiar el impacto de este gas, revelando perfiles de temperatura, presión y volúmenes de diversos gases y PM (PM10 y PM2.5) en un entorno cerrado y adiabático. Se emplearon dos tipos de volúmenes de control: uno de tipo paralelepípedo (VDC1) y otro de tipo estanque (VDC2). Se aplicó una metodología de resolución matemática para modelar el comportamiento no lineal del gas supresor de polvo incompresible en el VDC1. Se obtuvo una base de datos a partir de las pruebas, que alimentó el cálculo de balances de masa y energía de los gases en el VDC1. Esto determinó las condiciones termodinámicas de las especies químicas, permitiendo calcular los KPIs operacionales óptimos. Estos se usaron en el segundo estudio con el VDC2, comparando la cinemática de decaimiento de PM10 y PM2.5 al ser suprimidos con aire y con las condiciones óptimas del primer estudio en el VDC1. Con esto fue posible determinar en el primer estudio con el VDC1 que la temperatura ideal para el desarrollo de la supresión de material particulado son temperaturas que van entre los 40 y 60°C, permitiendo así comparar la velocidad de decaimiento del PM generada por el flujo de gases de la mezcla (nitrógeno-agua), Qmezcla y el flujo del aire, Qaire, en el segundo estudio con el VDC2, dando así, un abatimiento del material particulado entorno al [30 – 35] % más caída de PM10 y entorno a un [15 – 17]% más de caída de PM2.5, presente en el VDC2 con la mezcla versus solo usar aire. Determinando así el impacto de las propiedades termodinámicas del GSP en el abatimiento dinámico de material particulado. De esta forma fue posible determinar que los mejores parámetros operaciones de caída de oxígeno y caída de aire que mejor responden a este nivel de abatimiento en el modelo son: Tasa de caída de Oxígeno Tasa de caída de masa de aire α1 α2 β 0.055 [O2%/s] 1.508 [kg/s] 0.39 0.61 0.25 La tecnología demostró una eficiencia promedio de aproximadamente el 31.6% y 16.3% en la reducción de material particulado (MP) PM10 y PM2.5 en el VDC2, utilizando las condiciones operacionales del estudio inicial. Se identificó un retraso en el tiempo entre la entrada de nitrógeno y vapor de agua en el VDC1. Esto indica que el nitrógeno ejerce la mayor influencia en la disminución de MP, al generar un quiebre en la concentración de este material en los volúmenes de control. Por otro lado, el agua, al tener una presión de vapor baja, desempeña un papel menor en el proceso de abatimiento.

This thesis describes the laboratory-scale investigation of a technology aimed at reducing particulate matter (PM). It employs a mixture of Dust Suppressor Gas (DSG) composed of nitrogen and water vapor. A system was designed to study the impact of this gas, revealing temperature, pressure, and volume profiles of various gases and PM (PM10 and PM2.5) in a closed and adiabatic environment. Two types of control volumes were utilized: one parallelepiped-shaped (VDC1) and the other pond-shaped (VDC2). A mathematical resolution methodology was applied to model the nonlinear behavior of the incompressible dust suppressor gas in VDC1. A database was obtained from the tests, which fed into the calculation of mass and energy balances of the gases in VDC1. This determined the thermodynamic conditions of the chemical species, allowing for the calculation of optimal operational Key Performance Indicators (KPIs). These were used in the second study with VDC2, comparing the kinetics of PM10 and PM2.5 decay when suppressed with air and with the optimal conditions from the first study in VDC1. As a result, it was possible to determine in the first study with VDC1 that the ideal temperature range for particulate matter suppression is between 40 and 60°C. This allowed for the comparison of the decay rate of PM generated by the flow of the mixture gases (nitrogen-water), Qmixture, and the flow of air, Qair, in the second study with VDC2, resulting in a reduction of particulate matter by approximately [30 - 35] % including a drop in PM2.5 and PM10 present in VDC2 with the mixture compared to using air alone. This determined the impact of the thermodynamic properties of the DSG on the dynamic abatement of particulate matter. In this way it was possible to determine that the best operational parameters for oxygen reduction and air reduction that best respond to this level of abatement in the model are: Oxygen Fall Rate Air Mass Fall Rate α1 α2 β 0.055 [O2%/s] 1.508 [kg/s] 0.39 0.61 0.25 The technology demonstrated an average efficiency of approximately 31.6% and 16.3% in reducing particulate matter, PM10 and PM2.5 in the VDC2, using the operational conditions of the initial study. A time delay was identified between the entry of nitrogen and water vapor into VDC1. This indicates that nitrogen exerts the greatest influence on the decrease in MP, by generating a break in the concentration of this material in the control volumes. On the other hand, water, having a low vapor pressure, plays a minor role in the abatement process.