Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы экологически безопасного складирования отходов 11
1.1 Состав и свойства отходов 11
1.1.1 Зола и шлак ТЭС, сжигающих угли Канско-Ачинского угольного бассейна 11
1.2 Анализ существующих решений 17
2 Теоретическое обоснование фильтрационно-теплового режима золоотвалов 34
2.1 Фильтрационный режим 34
2.2 Тепловой режим 40
3 Обоснование технических решений насыпных золоотвалов 50
3.1 Вычислительное моделирование фильтрационного и теплового режима золоотвала с незамерзающей дренажной системой 50
3.2 Перспективное конструктивное решение насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой 57
3.3 Вычислительное моделирование фильтрационно-теплового режима золоотвала мерзлого типа 61
3. 4 Конструктивное решение насыпного золоотвала мерзлого типа 68
3.4.1 Первый способ возведения 68
3.4.2 Второй способ возведения 72
4 Проектирование, возведение и мониторинг золоотвалов 78
4.1 Конструктивно-технологические аспекты проектирования 78
4.2 Мониторинг золоотвалов 82
4.2.1 Общие положения 82
4.2.2 Методические рекомендации по установке КИА и наблюдениям 85
4.3 Определение величины предотвращенного ущерба от антропогенного воздействия на водные ресурсы 91
4.4 Использование золы для гидроизоляции золоотвалов 95
Заключение 102
Список использованных источников 103
Приложение 113
- Анализ существующих решений
- Тепловой режим
- Перспективное конструктивное решение насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой
- Мониторинг золоотвалов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время весьма остро стоит проблема экологически безопасного складирования золы и шлака ТЭС. На ТЭС стран СНГ от сжигания твердого топлива ежегодно образовывалось свыше 100 млн.тонн, а в отвалах было накоплено свыше 1,5 млрд. тонн золошлаковых отходов. Уровень их использования составлял не более 13-15 %, что значительно ниже уровня, достигнутого в развитых странах. Ситуация с решением этой проблемы в России к 2005 году изменилась несущественно. Сжигание на ТЭС высокозольных углей приводит к прогрессирующему увеличению объемов золошлакоотвалов и изъятию значительных площадей полезных земель; при этом наносится серьезный ущерб окружающей среде.
Складирование золошлаковых отходов в основном производится в гидрозолоотвалах. При конструктивном несовершенстве сооружений гидроотвалов они становятся причиной отрицательного влияния на окружающую среду (геофильтрация промстоков, растекание гидросмеси при прорывах дамб, эрозия и обрушение откосов дамб, подтопление и затопление промстоками прилегающих территорий, пыление золошлаковых отходов на сухих надводных пляжах, сложные проблемы эксплуатации в суровых климатических условиях и др.(см. Приложение А)).
Фильтрационные утечки из гидрозолоотвалов неизбежны при любом способе экранирования; их можно существенно уменьшить, но полностью предотвратить невозможно. Отсутствие фильтрации может быть достигнуто только в золоотвалах насыпного типа, а в зоне вечной мерзлоты - в золоотвалах мерзлого типа при промораживании массива складируемых отходов и противофильтрационного контура ограждающей дамбы.
На территории Сибири, включая районы Крайнего Севера, еще не решена задача полного соответствия золоотвалов основным требованиям по надежности и экологической безопасности, предъявляемым действующими инструктивно-нормативными документами. Многие золоотвалы находятся в
неудовлетворительном состоянии по ряду параметров: переполнение емкости, неэффективная работа водосбросов, дренажей и противофильтрационных устройств, деформации дамб на слабых основаниях, несоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям, технологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессами, пыление, отсутствие контрольной аппаратуры и постоянного мониторинга и, как следствие, низкий уровень эксплуатации и экологической безопасности сооружений. Технологический уровень строительства и наращивания многих золоотвалов остается недопустимо низким; не контролируется качество инженерной подготовки ложа и основания дамб, укладки грунта в дамбы, выполнения экранов, дренажей и других элементов подземного контура.
Применительно к гидроотвалам дисперсных промышленных отходов -золоотвалам, хвостохранилищам и шламонакопителям разработаны и в отдельных случаях успешно применяются различные конструкции противофильтрационных устройств и дренажных систем, позволяющих регулировать тепловой и фильтрационный режим сооружения, обеспечивать их устойчивость и предотвращать загрязнение окружающей среды. Несмотря на это, отмеченные негативные факторы определяют необходимость перехода к более прогрессивным, в том числе и с природоохранной позиций, способам складирования золошлаковых отходов.
Исходя из прогнозируемого уровня образования золошлаковых отходов тепловыми электростанциями, учитывая особое значение решения проблемы складирования и утилизации золошлаков для уменьшения и возможного устранения высоких нагрузок на экосистемы, можно выделить следующие приоритетные направления научных и проектно-конструкторских разработок:
совершенствование конструктивно-технологических решений и улучшение эксплуатационных параметров насыпных золоотвалов;
разработка природоохранных технологий складирования
золошлаковых отходов в насыпные отвалы.
Реализация новых технических решений насыпных золоотвалов требует разработки практических рекомендаций по их проектированию, возведению и мониторингу.
Цель исследований — разработка и обоснование конструктивно-технологических решений насыпных золоотвалов ТЭС в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера, характеризующихся суровыми климатическими условиями, наличием вечной мерзлоты и глубоким сезонным промерзанием массивов складируемых золошлаковых отходов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
выполнен анализ опыта проектирования и эксплуатации насыпных накопителей с точки зрения экологических проблем, а также обобщены результаты исследований состава и свойств золошлаковых отходов;
обоснована предлагаемая конструкция насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой, проведено вычислительное моделирование его фильтрационного и теплового режима и расчеты устойчивости;
предложены новые конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов на вечномерзлом основании и выполнено вычислительное моделирование теплового режима послойно промораживаемого массива складируемых отходов;
разработаны практические рекомендации по проектированию, возведению и мониторингу насыпных золоотвалов в районах глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты.
Методы исследований.
При вычислительном моделировании фильтрационного и теплового режимов рассматриваемой системы «атмосфера - насыпной золоотвал -основание» использовались алгоритмы метода конечных разностей.
Для оценки устойчивости золоотвалов применялась известная модель круглоцилиндрических поверхностей обрушения.
При математической постановке задачи и численном моделировании тепловой задачи рассматривалась неоднородная по теплофизическим свойствам влажная грунтовая среда с фазовыми превращениями на подвижных границах талых и мерзлых зон.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
Впервые исследованы факторы, определяющие талое состояние и работоспособность центральной дренажной системы насыпного золоотвала.
На основе вычислительного моделирования обоснованы конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов ТЭС в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов, характерного для Центральной Сибири.
Для энергетических систем и комплексов в районах вечной мерзлоты (Енисейский Север, Якутия, зона БАМа) впервые определены условия формирования мерзлого массива складируемых золошлаковых отходов.
Обоснованы технические и экологические преимущества насыпных золоотвалов мерзлого типа для районов вечной мерзлоты.
Практическая значимость работы состоит в следующем: - Разработана природоохранная технология складирования золошлаковых отходов в насыпном золоотвале в условиях глубокого сезонного промерзания насыпи. На основе вычислительного моделирования термофильтрационного режима и расчетов устойчивости определены оптимальные конструктивно-технологические параметры сооружения. Эксплуатационная надежность данного энергетического объекта
определяется предлагаемым техническим решением незамерзающей дренажной системы.
Разработаны два новых способа возведения насыпных золоотвалов для зоны вечной мерзлоты. Предложена и подтверждена расчетами теплового режима оптимальная технологическая схема складирования золошлаковых отходов с послойным промораживанием массива отходов и консервацией их в мерзлом нефильтрующем состоянии. Предлагается аккумуляция в порах золошлаков всех атмосферных осадков, загрязненных при возведении золошлакоотвала, что ведет к снижению негативного воздействия на состояние окружающей среды.
На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию, возведению и мониторингу насыпных золоотвалов в районах глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты.
На защиту выносятся:
Результаты исследования фильтрационных и температурных факторов, определяющих работоспособность центральной дренажной системы насыпного золоотвала.
Результаты математического моделирования фильтрационного режима насыпного золоотвала с центральной дренажной системой.
Конструктивное решение насыпного золоотвала с центральной дренажной системой для районов глубокого сезонного промерзания.
Условия складиования золошлаковых отходов, обеспечивающие формирование мерзлого массива.
Конструктивно-технологические решения золоотвала мерзлого типа для районов вечной мерзлоты.
Конструкция пьезометра с пористым фильтром для контроля фильтрационного режима насыпного золоотвала.
Инженерные рекомендации по проектированию, строительству и мониторингу золоотвалов.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при решении ряда практических вопросов для энергетических объектов Восточной Сибири. Выполнена оценка фильтрационной устойчивости и даны рекомендации по укреплению дамбы, пылеподавлению и безопасной эксплуатации золоотвала Иркутской ТЭЦ-10; обоснованы противофильтрационные мероприятия на золоотвале Красноярской ТЭЦ-3; проведены научные исследования по разработке типовых решений для подготовки рабочей документации по строительству золошлакоотвапов ТЭЦ Красноярского края (на примере Красноярской ТЭЦ - 1); выполнено научно-методическое сопровождение при проектировании, строительстве и эксплуатации золоотвалов БГРЭС-1 и других объектов.
Результаты работы использованы в учебном процессе в лекционных курсах и при проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Геоэкология», «Экология промышленных накопителей», «Науки о земле» на кафедре «Инженерная экология» КГТУ, а также при составлении ряда учебно-методических пособий.
Апробация работы.
Основные положения работы рассматривались на научно-практических конференциях «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов», Красноярск, 1999 г.; «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в городе Красноярске», Красноярск, 1999 г; «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях», Красноярск, 2000 г.; «Проблемы экологии и развития города», Красноярск, 2000 г; «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2001 г.; на Международной конференции «Город: прошлое, настоящее, будущее», Иркутск, 2004 г.; на 4 ом Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 119 стр. текста, включая 30 рисунков, 11 таблиц и список использованной литературы из 91 наименований и приложения на 7 страницах.
1. Анализ проблемы экологически безопасного складирования отходов
1.1 Состав и свойства отходов
1.1.1 Зола и шлак ТЭС, сжигающих угли Кане ко-А чине ко го угольного бассейна
Состав и свойства золы и шлака ТЭС в Канско — Ачинском угольном бассейне рассмотрены в работах М.А.Савинкина и А.Т. Логвиненко /69/, К.В. Гаврилина и А.Ю. Озерского. /19/.
Физико - механические свойства золы и шлака ТЭЦ рассмотрены в фундаментальных работах В.Г. Пантелеева, Э.Л. Добкина, Т.М. Гольдиной и др. /18,24/, Пантелеева В.Г., Лариной Э.А., Мелентьева В.А /75/. Теплофизические характеристики некоторых видов золы и шлака исследованы И.В. Корытовой /29/и А.А. Огарковым /54/.
Исследования процессов гидратации высококальциевой золы и свойств твердеющих водозоловых смесей проведены А.А. Самсоновым. /72/ и Р.Т. Шугалей /42/.
Отходы состоят из шлакового материала - твердого негорючего остатка, получающегося после сжигания топлива, золы - мелкой части золошлакового материала, улавливаемой по мере сгорания топлива в золоуловителях, и шлака - материала, скапливающегося по мере сгорания топлива под топкой в шлакосборниках /20/.
Минералогический состав золы. В процессе сгорания углей Канско-Ачинского бассейна происходят сложные химические и фазовые превращения минерального вещества /19, 27/. Основной частью (55-60%) минералогического состава золы является стеклофаза переменного состава. Минералы кристаллической фазы представлены альфа-кварцем (aSiOa), свободными оксидами кальция и магния (CaO, MgO), ферритами кальция (4СаО.АІ203.Ре2Оз), реже 2CaO.Fe203, силикатами кальция (2CaO.Si02),
меллилитами: (Ca2Al[Al.St07], Ca2Mg[Si207]), ангидритом (CaS04), кальцитом (СаС03), портландитом (Са(ОН)2), периклазом (MgO) ( таблица 1.1.1)/77/.
В химическом составе золы (таблица 1.1.2) преобладающими являются оксиды кальция (СаО) и кремния (Si02), содержание которых достигает 30 -40%. Содержание окиси алюминия (А1203) изменяется в пределах 10-20%. Содержание окиси магния (MgO) и железа (Fe203) на порядок ниже окиси алюминия. Кроме этого, из нормируемых компонентов в золе часто встречаются и имеют высокие концентрации стронций, барий, титан, марганец, фтор, бор, никель и цинк.
Таблица 1.1.1 - Минералогический и химический состав золы, иолученой при сжигании ирша-бородинекого угля
При сжигании углей в мощных котельных установках происходит существенное геохимическое преобразование первичного вещества углей, выражающееся в образовании и новых искусственных минералов. Собственные минералы образуют кремний, кальций, алюминий, железо, магний и серу. Натрий, калий и микроэлементы не являются минералообразующими. Они присутствуют в минералах в виде изоморфных примесей к компонентам их химических формул.
Минералогический состав шлака по сравнению с золой вследствие сепарации минеральной части топлива в топке котлоагрегата несколько обогащен тяжелыми фракциями, содержащими кремний и железо.
Гранулометрический состав золошлаков и отдельные их физико-механические свойства приведены в таблице 1.1.3.
Таблица 1.1.2 - Химический состав золы и шлака ирша-бородинского угля
Растворимость золошлаков (таблица 1.1.4) определяется их гидратационнои активностью; они изменяют состав и свойства при взаимодействии с водой. Анализы водных вытяжек показывают, что водная среда золошлаков имеет гидроксильныи кальциевый состав. Основное значение во взаимодействии золошлаков с водой имеет реакция гидратации свободного оксида кальция, которая формирует щелочную реакцию водной среды (рН достигает 12,6).
Таблица 1.1.3 — Гранулометрический состав, агрегатная плотность (ра), насыпная плотность в рыхлом состоянии (рн), , удельная поверхность (Sya) золы и шлака ирша-бородинского угля.
При сбросе золошлаковой пульпы в гидроотвал гидрооксид кальция взаимодействует с углекислым газом атмосферы и в виде кальцита выпадает на дно отстойного пруда. Силикаты и алюмосиликаты вначале образуют с водой гелевидную фазу, которая постепенно кристаллизуется в виде гидро-(алюмо)силикатов. В итоге кристаллизации происходит цементация золы, сопровождающаяся возрастанием прочности намывных отложений. Основным минералом в донных осадках является кальцит, основная минерализация водной среды обусловлена гидратацией оксида кальция. Все показатели химического состава (за исключением калия) имеют однородное распределение; их коэффициенты вариации не превышают 100%. Растворимость золошлаковых отходов в среднем равна 0,76% или 0,0076 долей единицы. Растворимость золы из гидроотвала в 2,5 раза ниже, чем растворимость «сухой» золы до ее реакции с водой. Такое значительное снижение растворимости ограничивает вероятность загрязнения водной среды. Поэтому золошлаковые отложения в гидрозолоотвале следует считать в 2,5 раза менее опасными по условиям загрязнения водной среды.
Таблица 1.1.4 - Растворимость и главные ионы золошлаковых отходов, %
При среднем сульфатно-гидроксильном кальциевом составе водной среды в отдельных случаях анионный комплекс имеет гидроксильно-сульфатный состав.
Из таблицы 1.1.4 видно, что основной вклад в растворимость золошлаков вносится ионами сульфатов, кальция, гидроксила и
гидрокарбонатов. Роль специфических нормируемых компонентов макро химического состава воды (соединений азота, ионов железа, фторидов) незначительна.
Токсичность зологилаков. Концентрации минерального и микроэлементного состава золы и шлака были приняты в качестве исходных данных для оценки их токсичности. Определение класса токсичности проводилось по известным рекомендациям. Суммарный индекс токсичности при расчете на основе ГТДК химических элементов в почве составляет более 30, что обуславливает отнесение рассматриваемой группы золошлаков к IV классу токсичности, а по степени опасности - к малоопасным.
Свойства золы после гидратации /62/. Эксперименты по затворению золы Красноярской ТЭЦ-1 проведены в лаборатории ОАО «СибВТИ». Процессы гидратации высококальциевой золы и свойства твердеющих водозоловых смесей зависят от состава и соотношения фаз (клинкерные минералы, ' вяжущие вещества, стекловидная фаза, нерастворимый остаток). Клинкерные минералы и воздушные вяжущие вещества гидратируются при затворении золы водой и образуют искусственный камень. Стекловидная фаза гидратируется лишь при наличии свободной окиси кальция и сульфата кальция, нерастворимый остаток — в результате взаимодействия со свободной окисью кальция.
Процессы твердения водозоловых смесей в значительной степени зависят от содержания в золе свободной окиси кальция и её состояния (степени ее остеклованности, обожженности и, соответственно, скорости гашения). При оптимальном содержании свободной окиси кальция в золе и при скорости ее гашения, примерно равной скоростям гидратации клинкерных минералов, свободная окись кальция положительно сказывается на качестве продукта, активизируя гидратацию стеклофазы, вступая во взаимодействие с нерастворимым остатком и участвуя тем самым, в т.ч. путем собственной гидратации, в образовании искусственного камня. При
избыточном содержании свободной окиси кальция в трудногасящейся остеклованной и пережженной форме гидратация ее частиц происходит позднее гидратации других фаз, после структурообразования в процессе образования искусственного камня. Гидратация частиц свободной окиси кальция сопровождается увеличением их объема, что вызывает локальные напряжения в камне и разрушение его структуры, проявляющееся в увеличении объема, появлении трещин и снижении механической прочности. Для предотвращения указанных деструктивных явлений может быть использовано затворение золы на засоленных; сточных водах химводоподготовки ТЭЦ.
Гидратация свободной окиси кальция сопровождается выделением тепла в количестве 277 ккал на I кг окиси кальция, в связи с чем, в зависимости от температуры воздуха, содержания свободной окиси кальция в золе и водо-зольного отношения, уложенная на открытой площадке в зимний период водозоловая смесь может саморазогреваться до 50-90С, что предотвращает ее замораживание до завершения схватывания зольного камня, образования его основной структуры и твердения в начальные сроки (до 3-4 суток).
При затворении золы ирша-бородинского угля водой с водозольным отношением от 0,2 до 1,5 м3/т зола гидратируется и образует искусственный зольный камень. При водозольном отношении 0,2-0,45 м /т водозоловая смесь представляет собой полусыпучую массу с растянутыми сроками схватывания (начало -30-60 мин, окончание -8-12 часов). При твердении смеси прочность зольного камня в первые сутки достигает 1-2 МПа, а через 28 суток-5-7,5 МПа. Плотность уложенной смеси - 1,4-1,25 т/м3, плотность ее скелета- 1,1-0,95 т/м3. Коэффициент фильтрации затвердевшего материала через 45 суток уменьшается до I О"7- 10"х см/с.
При водозольном отношении 0,5-1,5 м /т водозоловая смесь представляет собой водную суспензию (пульпу) высокой концентрации. Для
повышения ее стабильности и снижения (либо предотвращения) водоотделения при намыве в отвал необходима механическая активация, например, рециркуляция смеси в центробежной насосной установке. Сроки схватывания такой смеси, намытой на площадке складирования, составляют: начало- 1,5-2 часа, окончание- 12-24 часа. Плотность затвердевшей смеси-1,75- 1,4 т/м3, плотность скелета- 1,0-0,85 т/м3. Прочность затвердевшего материала на сжатие на 28 сутки находится в диапазоне 3,5-8 Мпа; коэффициент фильтрации на 45 сутки уменьшается до 10"7 - 10"8 см/с.
Указанные свойства золы ирша-бородинского угля (твердение водозоловои смеси в сроки, достаточные для организации технологического цикла транспортировки и укладки золы, саморазогрев смеси при ее гидратации, образование монолитного зольного камня с низким коэффициентом фильтрации) позволяют применить технологии «сухого» складирования на отвале, включающее приготовление смеси с влажностью 20-25%, транспортировку и укладку ее с уплотнением до необходимой плотности.
1.2 Анализ существующих решений
Вопросы комплексной переработки и размещения антропогенных отходов промышленного мегаполиса рассмотрены К.Л. Чертес, Д.Е. Быковым и др./83, 88/.
Детальное изучение экологических аспектов образования и длительного хранения золошлаковых отходов ТЭС выполнено АЛО. Озерским /І9/.
Конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов и других накопителей твердых промышленных отходов и способы обеспечения их эксплуатационной и экологической безопасности предложены и в
значительной мере апробированы на практике рядом авторов (Г.И. Кузнецов, Ю.М. Сысоев, В.П. Ягин, и др. /5, 7, 8, 9, 22, 39, 41, 43, 56, 81/).
Экологически чистая технология складирования золошлаков ТЭС в насыпных накопителях мерзлого типа рассмотрена в работе Г.И. Кузнецова, Ю.М. Сысоева, Л.Т. Шалгиновой /33, 34, 36/. Оценка факторов, влияющих на промерзание насыпного золоотвала, проведена Г.И. Кузнецовым, Л.Т. Шалгиновой /35/.
Результаты численного моделирования на ЭВМ процессов тепло- и массообмена в фильтрующих и водонепроницаемых грунтовых массивах, дамб, экранов и оснований накопителей и практические предложения по расчету и регулированию этих процессов рассмотрены в работах Г.И. Кузнецова Г.И. и др. /38, 40/.
При численном моделировании теплового режима грунтовых сооружений достаточно эффективными оказались методы, предложенные а работах А.А. Самарского и других исследователей / 70, 71/.
Противофильтрационные и дренажные устройства шламохранилищ насыпного типа рассмотрены в работе В.П. Недриги /50/.
Противофильтрационные устройства зависимости от
гидрогеологических условий объекта могут выполняться в виде контурного экрана, располагающегося по всему периметру хранилища или площадного экрана, покрывающего всю смоченную поверхность дна и откосов.
Контурное экранирование целесообразно применять в хранилищах, устраиваемых на малопроницаемых грунтах (глина, тяжелые суглинки, слаботрещиноватые скальные и полускальные породы (рисунок 1.1 а), или на проницаемых грунтах ограниченной мощности (до 10-15 м) при возможности устройства противофильтрационной завесы, полностью перерезающей эти грунты до водоупора (рисунок 1.1 б). Площадное экранирование (рисунок 1.1 в) применяется в основном в хранилищах, устраиваемых на водопроницаемых фунтах большой мощности.
Контурное экранирование щламохранилищ выполняется в виде пионерной ограждающей дамбы из малопроницаемых грунтов (рисунок 1.2 а), экрана на внутреннем откосе пионерной офаждающей дамбы, выполняемой из сильнопроницаемых фунтов (рисунок 1.2 б) и противофильтрационной завесы (рисунок 1.2 г, д).
Для эффективной работы такого устройства требуется надежное его сопряжение с водоупором или площадным экраном. Площадное экранирование осуществляется путем устройства экранов из мало проницаемого глинистого грунта или полимерной пленки.
Дренажные устройства позволяют обеспечить требуемое заглубление кривой депрессии как в теле насыпи, так и на прилегающей территории; защитить насыпь и ее основание от фильтрационных деформаций, полностью или частично перехватить зафязненную фильтрующуюся жидкость.
Дренажи насыпных шламохранилища могут быть пластовыми; систематическими; внутренними контурными, комбинированными контурными. Пластовый дренаж выполняется в виде сплошного дренажного покрытия по всей площади дна (рисунок 1.2 а, б, в) при необходимости значительного снижения кривой депрессии в теле насыпи с целью уменьшения фильтрации токсичной жидкости из шламохранилища через его естественное дно или несовершенный экран, а также для обеспечения консолидации шлама.
Дренаж выполняется в виде одного — двух слоев песчаного фунта, обладающего необходимой водопроницаемостью для обеспечения отвода фильтрующейся жидкости. В ряде случаев при значительной площади шламохранилища и трудности отвода фильтрующейся жидкости в пластовом дренаже могут укладываться отдельные трубчатые дрены.
Систематический донный дренаж представляет сеть трубчатых дрен, располагаемых по всей площади основания шламохранилища. В условиях
сложного рельефа дна эта сеть также усложняется. Применяется этот дренаж для тех же целей, что и пластовый.
Внутренний контурный дренаж устраивается по периметру шламохранилища в виде горизонтальной трубчатой дрены, уложенной у подошвы внутреннего откоса дамбы (рисунок 1.2 а, б, в). В необходимых случаях, при складировании неоднородных шламов, дренирующая способность этой дрены усиливается отсыпкой дренажного покрытия на внутреннем откосе дамбы. Этот тип дренажа предназначен для снижения кривой депрессии, а также приема фильтрационной жидкости от всей дренажной системы и отвода ее к насосной станции.
Наружный контурный дренаж располагают с внешней стороны пионерной дамбы в фильтрующем слое основания в виде горизонтальной дрены (рисунок 1.2 г). Цель этого дренажа - перехват и отвод профильтровавшейся жидкости к насосной станции и понижения депрессионной поверхности у внешней противофильтрационной завесы до отметок, исключающих возможность ее фильтрации через завесу на прилегающую территорию.
Комбинированный контурный дренаж (рисунок 1.2 д) включает две линии дренажа, одна из которых располагается у подошвы внутреннего откоса пионерной дамбы, а вторая - с внешней ее стороны в фильтрующей толще основания. Применяется этот тип дренажа в тех же условиях, что и наружный контурный, когда последний не может обеспечить требуемого снижения депрессионной поверхности фильтрационного потока в теле насыпи.
Рассмотренные выше устройства должны проектироваться на основании данных фильтрационных расчетов, выполняемых в предположении, что все атмосферные осадки, выпадающие на поверхность насыпного накопителя, за вычетом испарения, просачиваются в тело насыпи
и вместе с отжимаемой из шлама жидкостью образуют фильтрационный поток.
а) шламохранилище на непроницаемом основании; б) шламохранилище на проницаемом основании ограниченной мощности; в) шламохранилище на проницаемом основании неограниченной мощности.
1 - насыпь шлама; 2 - водопроницаемое основание; 3 - пионерная дамба; 4 -пластовая дренажная отсыпка; 5 - трубчатый дренаж; 6 - защитная дамба; 7 -противофильтрационная стенка; 8 - противофильтрационный экран; kj - коэффициент фильтрации шлама; к.2 - коэффициент фильтрации основания.
Рисунок 1.1 - Основные схемы экранирования шламохранилища насыпного типа
1 - насыпь шлама; 2- пионерная дамба; 3 - трубчатый дренаж; 4 - экран; 5 -противофильтрационная завеса; 6 — кривая депрессии; 7 - дренажная отсыпка; к|, кг и kj -соответственно коэффициент фильтрации шлама, грунтов основания.
а) контурное противофильтрационное устройство в виде дамбы из
малопропицаемого грунта с внутренним контурным дренажем;
б) контурное противофильтрационное устройство в виде экрана на откосе дамбы с
внутренним контурным дренажем;
в) площадное противофильтрационное устройство с внутренним контурным
дренажем;
г) контурное противофильтрационное устройство в виде завесы с внешним
контурным дренажем;
д) контурное противофильтрационное устройство в виде завесы с внешним и
внутренним контурными дренажами.
Рисунок 1.2 - Схемы противофильтрациоиных и дренажных устройств насыпных шламохранилищ
Способ перескладирования частично осушенных злоишаковых отходов из гидрозолоотвала в выработанное пространство карьера разработан В.П. Ягиным, А.Э. Шлегелем, Г.И. Кузнецовым и др. /58/ и успешно осуществляется на Красноярской ТЭЦ-2.
Способ включает подготовку дна емкости, транспортировку гидратированных ЗШО из гидроотвала и повторное складирование их в насыпном золоотвале. Дно котлована покрывают слоем водонепроницаемого материала, над которым размещают дренаж. У трещиноватых бортов карьера отсыпают наиболее мелкозернистые золошлаковые отходы, взятые из Прудковой зоны. Они отсыпаются послойно ярусами При необходимости дополнительно вдоль бортов располагают экранирующие элементы из пленочного материала образуя противофильтрационное устройство.
Способ возведения насыпного золошлакоотвала мерзлого типа предложен Г.И. Кузнецовым и Ю.М. Сысоевым /1/.
Способ включает отсыпку из малопроницаемого грунта ограждающей дамбы мерзлого типа, поярусную отсыпку массива золошлаков и отсыпку на его поверхности и наружном откосе рекультивационного слоя грунта. С целью повышения эксплуатационной надежности золошлакоотвала за счет промораживания складируемого золошлакового материала, отвода атмосферных осадков и фильтрующей жидкости за пределы сооружения и сохранения в мерзлом состоянии водопроницаемого основания, золо шлакоотвал разделяют внутренними дамбочками на секции, расчитанные на годовой объем укладки золошлаков; дамбочки выполняют из фильтрующего материала. Золошлаки отсыпают на предварительно спланированное мерзлое основание и промораживают послойно в процессе отсыпки, затем промораживают ярус, отсыпанный в период года с положительными температурами. Загрязненные фильтрационные воды из заполняемых секций и поверхностные стоки со всей площади золошлакоотвала отводят через водопроницаемые внутренние дамбочки в
последнюю секцию, оттуда все загрязненные воды с помощью водосборной трубы, уложенной под ограждающей дамбой и снабженной обратным фильтром на входе, сбрасывают во внешнюю водосборную емкость. После промерзания массива золошлаков в последней секции внешнее отверстие трубы закрывают и проводят рекультивацию мерзлого массива золошлакоотвала.
Способ формирования насыпного отвала, разработанный Г.И. Кузнецовым, Ю.М. Сысоевым и Е.П. Титовым /4/ включает в себя возведение ограждающей дамбы, образование секций и разделительных перемычек между ними, заполнение секций золошлаковыми отходами, удаление незагрязненных атмосферных осадков с поверхности отвала и последующее покрытие его поверхности консервирующим слоем грунта. Отвал располагают на водонепроницаемом или экранированном основании, поверхности его придают уклон в сторону дамбы, разделительные перемычки выполняют нефильтрующими и размещают в них временные водовыпуски, по которым отводят атмосферные осадки, выпадающие на поверхность незаполненых секций. Золошлаковые отходы отсыпают в последовательно заполняемые секции на полную высоту. На поверхность заполненной отходами части отвала с уклоном к его внешнему краю отсыпают консервирующий слой из глинистого грунта, по которому атмосферные осадки отводят за пределы отвала. Стоки, загрязненные в процессе инфильтрации осадков в отсыпаемый отвал, накапливают и захоранивают в порах складируемых отходов в нижней нефильтрующей части отвала, причем временные водовыпуски закрывают в момент начала заполнения секции. Дамбу и разделительные перемычки выполняют высотой, большей или равной ожидаемой толщине полностью водонасыщенного слоя отходов.
Двухсекционный золошлакоотвал мерзлого типа предложен Г.И. Кузнецовым, Ю.М. Сысоевым и Д.С. Седлович 12/. Конструктивные
особенности, технология заполнения и регулирования теплового режима этого сооружения рассмотрены применительно к природным условиям зоны БАМ в работе Г.И. Кузнецова и Л.Т. Шалгиновой /34/. Золоотвал состоит из двух секций - верхней и нижней, образуемых нефильтрующими ограждающими дамбами, рисунок 1.3. Нижняя дамба может быть возведена сразу на полную высоту, верхняя же наращивается по мере заполнения секций. Верхнюю секцию заполняют золошлаками с начальной влажностью 20-30%. Толщина отсыпаемых слоев определяется параметрами уплотняющих механизмов, температурой золошлаков и воздуха; должно обеспечиваться максимально быстрое охлаждение и промерзание уплотненного слоя. Как правило, толщина годового слоя отсыпаемого материала назначается из условия полного сезонного промерзания этого слоя и оттаявшего под ним ранее промороженного массива. Отсутствие фильтрации через верхнюю дамбу позволяет отсыпать золошлаки слоями, толщина которых может несколько превышать глубину их последующего сезонного промерзания, т.е. в этом случае в массиве насыпи допускается формирование чередующихся мерзлых, талых и таломерзлых пластов. При этом из-за отсутствия постоянного источника тепла (например, отстойного пруда, как это имеет место на гидроотвале) деградация мерзлоты в основании будет иметь локальный характер в начальной стадии заполнения, а в целом сохраняется необходимая водонепроницаемость вечномерзлого основания. Тепло, аккумулированное в разобщенных талых слоях золошлаков, постепенно рассеивается и происходит полное промерзание массива отвала.
На поверхность каждого годового яруса золошлаков отсыпают экранирующие прослойки из слабопроницаемого грунта. Они обеспечивают накопление влаги в отсыпаемом на них очередном слое в количестве, достаточном для обеспечения водонепроницаемости промороженных золошлаков, уменьшают инфильтрацию атмосферных осадков и замедляют оттаивание ранее промороженного массива.
а) план; б) верхняя секция; в) нижняя секция.
1 - непроницаемое основание; 2, 3 - верхняя и нижняя секции; 4, 5 — верхняя нижняя дамбы; 6 - водосбросная (рильтрующая вставка; 7 - слои золошлаков; 8 экранирующие прослойки; 9 - слои загрязненного льда; 10 - теплоизолирующие слои
Рисунок 1.3 - Экологически безопасный накопитель мерзлого типа
Эти прослойки могут отсыпаться в любое время года. При отсыпке дамб наращивания из несвязных водопроницаемых грунтов экранирующие прослойки отсыпают и на их верховых откосах. Прослойки одновременно выполняют функции пылезащитных покрытий на поверхности насыпи из ЗШО.
В процессе заполнения верхней секции поверхностные стоки, не аккумулированные в порах золошлакового материала, отводят в нижнюю секцию по временным водосбросным вставкам из неразмываемого водопроницаемого грунта на гребнях дамб наращивания; перед отсыпкой следующего яруса их заделывают слабопроницаемым грунтом. Для защиты низового откоса верхней дамбы от размыва на него в пределах ширины вставки отсыпают закрепляющий слой из крупнообломочного грунта.
Загрязненные стоки, накопленные за теплый период года в нижней секции, промораживают за последующий зимний сезон, а образовавшийся слой льда покрывают теплоизолирующим слоем из золошлаков, на поверхность которого наносят тонкий пылезащитный слои грунта. Таким образом, осуществляют захоронение мерзлых стоков в виде погребенного льда. После заполнения золоотвала до проектной отметки на поверхность последнего слоя золошлаков верхней секции и льда в нижней наносят консервирующий слой из слабопроницаемого неразмываемого грунта, обеспечивающий сохранение законсервированного золоотвала в мерзлом состоянии и отвод незагрязненных поверхностных стоков за пределы сооружения.
Перспективная технология складирования золы в насыпном золооотвале рассмотрена в проекте, выполненном для Красноярской ТЭЦ-1 /62/.
По первому варианту сухая зола ирша-бородинского угля перед отгрузкой подготавливается путем смачивания водой до влажности, предотвращающей ее пыление при транспортировке в открытых
автосамосвалах и при укладке в золоотвал с применением обычной строительной техники. Шлак подготавливается в установке обезвоживания шлака и автосамосвалами вывозится на золоотвал.
По второму варианту сухая зола отгружается в автоцементовозы и вывозится на золоотвал, где она накапливается в силосном складе и после затворения водой по трубопроводам намывается в золоотвал в виде высококонцентрированной твердеющей водозоловой смеси (ТВС). По третьему варианту сухая зола затворяется водой в бетоносмесителях установленных на площадке ТЭЦ. Полученная водозоловая смесь вывозится на золоотвал и намывается на карты складирования автобетоновозами. Шлак подготавливается, также как в первом варианте.
По четвертому варианту золошлаковыЙ материал транспортиртируется гидравлическим способом непосредственно в золоотвал.
По пятому варианту золошлаковыЙ материал транспортируется гидравлическим способом в оперативный гидрозолоотвал. Его опорожнение и транспортировка в основной золоотвал осуществляется механическим способом.
Уложенная в отвал увлажненная сухая зола вследствие гидратации содержащихся в ней клинкерных минералов и свободной окиси кальция, твердеет и омоноличивается. Прочность зольного камня на 28 сутки составляет 4,23 кг/см2. Поверхностный слой затвердевшей золы вследствие незавершенности процессов гидратации под воздействием атмосферы может деградировать с шелушением, т.е вполне вероятно пыление поверхности. Поэтому шлак предлагается использовать для пылезащитного покрытия поверхности карт складирования, заполненных золой до промежуточных отметок. Фильтрация воды из золоотвала в основание не ожидается, т.к. зола складируется с недостатком влажности. Укладываемый материал образует искусственный камень (золобетон) с низким коэффициентом фильтрации
(см. выше), т.е. является достаточно эффективным проти воф ил ьтрацио иным экраном.
Способы удаления высококальциевых золошлаков /62/. Для обеспечения надежного, экономичного и экологически приемлемого удаления и складирования высококальциевых золошлаков и для максимально полного их использования в качестве вторичного минерального сырья разработаны и проверены в полупромышленных условиях следующие способы:
предварительная грануляция;
полусухой способ (удаление золошлаков с увлажнением до влажности 18-25%);
полумокрый способ (удаление золошлаков в виде высококонцентрированной пульпы с водозольным отношением 0,8-2,0 м3/т).
Указанные технологии предусматривают раздельное удаление золы и шлака, пневмосбор сухой золы и возможность отгрузки ее и обезвоженного шлака потребителям.
Полусухой способ удаления высококальциевых золошлаков включает пневмосбор золы и обезвоживание шлака, их увлажнение в шнековых или лопастных смесителях до влажности 18-25%, обеспечивающей обеспыливание при транспортировке вывоз увлажненной золошлаковой смеси на отвал самосвалами, разравнивание и укатку насыпи бульдозерами и гружеными самосвалами. Уложенные на отвале золошлаки через 8-24 часа затвердевают с образованием монолитного зольного массива. По завершении твердения в возрасте 28 суток золошлаки имеют плотность 1,85-1,95 т/м3, прочность до 7 Мпа, коэффициент фильтрации-10" -10" см/с. Загрязнение природных вод вредными веществами из отвала и пыление практически исключаются. Полумокрый способ удаления золошлаков в виде твердеющей высококонцентрированной водозол о шлаковой смеси (ТВС) включает в себя пневмосбор золы и обезвоживание шлака, их смешение с водой и сточными водами химводоподготовки в конусных золосмесителях эжекторного типа
конструкции Уралтехэнерго и в гидравлическом баке-мешалке с линией рециркуляции до состояния пульпы с водозольным отношением 0,8-2,0 м3/т, перекачку ТВС центробежными грунтовыми насосами в отвал, где она укладывается слоем до 0,5 м и через 6-Ю часов начинает твердеть. Твердение завершается через 12-24 час. практически без отделения воды. Намытый слой после твердения представляет собой монолитную плиту с прочностью, соответствующей низкомарочному бетону с коэффициентом фильтрации ниже 10" м/сутки, что позволяет при сооружении отвалов отказаться от дорогостоящих ограждающих дамб и специальных противофильтрационных экранов. Малый удельный расход воды и отсутствие оборотной воды (вода физически и химически связана золой) позволяет в 3-5 раз снизить металлоемкость системы золоудаления и затраты энергии на перекачку пульпы.
Технология противофильтрационного экранирования золоотвалов, основанная на использовании гидравлической активности высококальциевой золы, отрабатывалась на опытном участке золоотвала Красноярской ТЭЦ-3 и при возведении золоотвала №2 Абаканской ТЭЦ.
Смесь с водозоловым отношением 0,40-0,55 доставлялась автомиксерами на экранируемые карты, разливалась на подготовленное основание и укладывалась слоем толщиной 5-6 см. В процессе затвердевания смеси на некоторых картах были обнаружены трещины с раскрытием до 1-2 см. Это связано с разуплотнением материала в результате замедленного гашения свободного оксида кальция, находящегося в трудно гасящейся форме, а также с переходом рыхлых гелеобразных новообразований в кристаллическое состояние. Со временем происходит залечивание пор и трещин кристаллическими новообразованиями. Для гарантированного устранения деформаций экран рекомендуется выполнить из двух - трех последовательно формируемых слоев водозоловой смеси. При этом каждый последующий слой укладывается после завершения наиболее активного
трещинообразования в предыдущем слое. В результате при обеспечении должного влажностного режима получается достаточно монолитный и прочный экран.
Одним из способов сохранения оптимальных влажностных условий при экранировании является отсыпка защитного слоя из шлаков или сыпучего грунта толщиной от 5 до 30 см, который следует поддерживать во влажном состоянии.
Без принятия защитных мер может происходить отслаивание верхней корки, обусловленное объемными изменениями материала при высыхании его гидросиликатной фазы. Кроме того, при контакте с воздухом образующиеся в слое золобетона гидросульфоалюминаты и гидроалюминаты быстро разлагаются под воздействием диоксида углерода, что также приводит к нарушению микроструктуры затвердевшего массива экрана.
После годичного испытания по внешнему виду и в разрезе опытный экран представлял собой плотный и прочный материал, характеризующийся ничтожно малой водопроницаемостью (КФ = lxlO4 - lxlO5 м/сут). Прочность при статическом сжатии кубиков золобетона равна 1,8 - 4,3 Мпа, плотность -1,4-1,82 г/см3. Под воздействием щелочной системы последующего гидрозолоудаления прочность материала экрана остается неизменной или даже увеличивается.
По данной технологии можно возводить достаточно надежные противофильтрационные экраны золоотвалов, характеризующиеся отсутствием утечек техногенных вод или весьма малой их величиной, не оказывающей влияния на природные водоемы и подземные воды. Золобетонные экраны можно применять при возведении шламохранилищ и накопителей промстоков других производств, расположенных вблизи ТЭС.
Способ возведения золоошлакоотвала, в котором заданная скорость наращивания золошлакоотвала по высоте обеспечивает аккумулирование всей инфильтрующей в него влаги атмосферных осадков и пылеподавления
за счет «свободно удерживаемой» равновесной влажности золошлаков WmiW , то есть только за счет «бессточного» повышения влажности золошлаков (А.с. СССР № 1792362, МПК Е 02 В 7/06 опубл. 30,01.93)/3/.
Влажность Wmax у золошлаков обычно не превышает величины 0,3, которая обеспечивает степень влажности (отношение объема воды к объему пор в единице объема золошлаков) G около 0,3, поэтому большая часть объема пор остается не заполненной водой, что обуславливает высокую скорость наращивания такого «бессточного» золошлакоотвала. В северной же строительно-климатической зоне в продолжительное холодное время года твердые осадки (снег) накапливаются и консервируются в промерзающем послойно отсыпаемом золошлаковом массиве, что ведет к непроизводительному использованию емкости золошлакоотвала, а в теплое время года, особенно в весеннее, загрязненный сток с промороженной поверхности золошлакоотвала поступает в окружающую среду.
Известен также способ возведения насыпного золошлакоотвала в зоне распространения вечной мерзлоты /1/, включающий возведение из грунта первичной дамбы, поярусную отсыпку золошлаков в секции и их промораживание естественным путем в холодное время года, отвод за пределы золошлакоотвала в водосборную емкость стоков, образовавшихся из осадков и загрязненных в заполняемой секции в теплое время года, и создание на наружном откосе золошлакоотвала выше гребня первичной дамбы рекультивационного слоя. При этом первичной дамбой огараживают всю площадь золошлакоотвала, который водопроницаемыми внутренними дамбочками разделяют на секции с годовым объемом складирования золошлаков, а всю загрязненную в заполняемой секции складирования воду отводят последовательно через незаполненные секции.
В этом способе, как и в предыдущем, при отсыпке золошлаков в холодное время года осадки не заполняют поры в золошлаках, а послойно в них консервируются. При отводе же в теплое время года загрязненного стока
с заполняемой секции происходит его смешивание с чистым стоком незаполненных секций, что увеличивает объем водосборной емкости, создание которой за пределами золошлакоотвала связано с усложнением работы, увеличением затрат и занимаемых площадей. При этом сама водосбросная емкость может стать источником загрязнения среды.
Выводы к главе 1. Рассмотренные в данной главе конструктивно-технологические решения насыпных золо шлакоотвалов ТЭС и аналогичных им накопителей твердых дисперсных отходов не позволяют достаточно обоснованно решать проблему экологически безопасного складирования золошлаковых отходов. В суровых климатических условиях, характерных для сибирских энергетических систем и комплексов, наибольший интерес для дальнейшего исследования представляют следующие научно-технические разработки:
Усовершенствование технических решений дренированных насыпных золоотвалов с дренажными системами, защищенными от промерзания и обеспечивающими эффективную защиту окружающей среды от загрязненных стоков.
Усовершенствование технических решений золоотвалов мерзлого типа в криолитозоне, конструкция и технология заполнения которых должны полностью исключать загрязнение окружающей среды, особо чувствительной к любым техногенным воздействиям.
Использование насыпных элементов из золошлаковых отходов для противофильтрационных мероприятий на гидрозолоотвалах.
2 Теоретическое обоснование фильтрационно-теплового режима золоотвалов
Для обоснования эксплуатационной надежности и оптимизации конструктив но-технологическиих параметров золоотвалов решены следующие задачи:
вычислительное моделирование фильтрационного режима золоотвала;
расчетная оценка устойчивости насыпи из золошлакового материала;
расчеты сезонного промерзания-оттаивания золоотвала;
вычислительное моделирование тепературного режима золоотвала.
2.1 Фильтрационный режим
Для обоснования природоохранных технологий возведения золоотвала и оценки его устойчивости необходимо знать фильтрационные параметры сооружения. Вычислительное моделирование фильтрации выполнено с использованием программного обеспечения, достаточно апробированного на аналогичных объектах путем сопоставления прогнозируемых и фактических параметров. Рассматривался квазистационарный режим фильтрации в плоско-вертикальной постановке для расчетного сечения, выбранного в средней части сооружения /10, 14, 25, 31, 32, 48, 49, 82/.
Непосредственное интегрирование уравнений геофильтрации возможно только в простейших случаях /44/. Для решения практических задач со сложной конфигурацией областей, с различными граничными условиями и при учете постепенности возведения сооружения (например, при поярусном заполнении накопителя) применяются численные методы интегрирования, в частности, способ конечных разностей. При расчете важным является выполненный автором учет послойного наращивания и анизотропии массива отходов; эти расчеты выполнены впервые.
Для реализации этого способа представим уравнение фильтрации с постоянными коэффициентами
, д2Н , д2Н п кг—~ + к,—— = 0
&-
х дх:
(2.1.1)
в виде конечно-разностного уравнения, пригодного для численного решения в плоско-вертикальной постановке; здесь Н — пьезометрический напор; kx, kz - коэффициенты фильтрации в направлении осей х, z, учитывающие анизотропию слоистого массива насыпи.
Анализ существующих решений
Вопросы комплексной переработки и размещения антропогенных отходов промышленного мегаполиса рассмотрены К.Л. Чертес, Д.Е. Быковым и др./83, 88/.
Детальное изучение экологических аспектов образования и длительного хранения золошлаковых отходов ТЭС выполнено АЛО. Озерским /І9/.
Конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов и других накопителей твердых промышленных отходов и способы обеспечения их эксплуатационной и экологической безопасности предложены и в значительной мере апробированы на практике рядом авторов (Г.И. Кузнецов, Ю.М. Сысоев, В.П. Ягин, и др. /5, 7, 8, 9, 22, 39, 41, 43, 56, 81/).
Экологически чистая технология складирования золошлаков ТЭС в насыпных накопителях мерзлого типа рассмотрена в работе Г.И. Кузнецова, Ю.М. Сысоева, Л.Т. Шалгиновой /33, 34, 36/. Оценка факторов, влияющих на промерзание насыпного золоотвала, проведена Г.И. Кузнецовым, Л.Т. Шалгиновой /35/.
Результаты численного моделирования на ЭВМ процессов тепло- и массообмена в фильтрующих и водонепроницаемых грунтовых массивах, дамб, экранов и оснований накопителей и практические предложения по расчету и регулированию этих процессов рассмотрены в работах Г.И. Кузнецова Г.И. и др. /38, 40/.
При численном моделировании теплового режима грунтовых сооружений достаточно эффективными оказались методы, предложенные а работах А.А. Самарского и других исследователей / 70, 71/.
Противофильтрационные и дренажные устройства шламохранилищ насыпного типа рассмотрены в работе В.П. Недриги /50/.
Противофильтрационные устройства зависимости отгидрогеологических условий объекта могут выполняться в виде контурного экрана, располагающегося по всему периметру хранилища или площадного экрана, покрывающего всю смоченную поверхность дна и откосов.
Контурное экранирование целесообразно применять в хранилищах, устраиваемых на малопроницаемых грунтах (глина, тяжелые суглинки, слаботрещиноватые скальные и полускальные породы (рисунок 1.1 а), или на проницаемых грунтах ограниченной мощности (до 10-15 м) при возможности устройства противофильтрационной завесы, полностью перерезающей эти грунты до водоупора (рисунок 1.1 б). Площадное экранирование (рисунок 1.1 в) применяется в основном в хранилищах, устраиваемых на водопроницаемых фунтах большой мощности.
Контурное экранирование щламохранилищ выполняется в виде пионерной ограждающей дамбы из малопроницаемых грунтов (рисунок 1.2 а), экрана на внутреннем откосе пионерной офаждающей дамбы, выполняемой из сильнопроницаемых фунтов (рисунок 1.2 б) и противофильтрационной завесы (рисунок 1.2 г, д).
Для эффективной работы такого устройства требуется надежное его сопряжение с водоупором или площадным экраном. Площадное экранирование осуществляется путем устройства экранов из мало проницаемого глинистого грунта или полимерной пленки.
Дренажные устройства позволяют обеспечить требуемое заглубление кривой депрессии как в теле насыпи, так и на прилегающей территории; защитить насыпь и ее основание от фильтрационных деформаций, полностью или частично перехватить зафязненную фильтрующуюся жидкость.
Дренажи насыпных шламохранилища могут быть пластовыми; систематическими; внутренними контурными, комбинированными контурными. Пластовый дренаж выполняется в виде сплошного дренажного покрытия по всей площади дна (рисунок 1.2 а, б, в) при необходимости значительного снижения кривой депрессии в теле насыпи с целью уменьшения фильтрации токсичной жидкости из шламохранилища через его естественное дно или несовершенный экран, а также для обеспечения консолидации шлама.
Дренаж выполняется в виде одного — двух слоев песчаного фунта, обладающего необходимой водопроницаемостью для обеспечения отвода фильтрующейся жидкости. В ряде случаев при значительной площади шламохранилища и трудности отвода фильтрующейся жидкости в пластовом дренаже могут укладываться отдельные трубчатые дрены.
Систематический донный дренаж представляет сеть трубчатых дрен, располагаемых по всей площади основания шламохранилища. В условиях сложного рельефа дна эта сеть также усложняется. Применяется этот дренаж для тех же целей, что и пластовый.
Внутренний контурный дренаж устраивается по периметру шламохранилища в виде горизонтальной трубчатой дрены, уложенной у подошвы внутреннего откоса дамбы (рисунок 1.2 а, б, в). В необходимых случаях, при складировании неоднородных шламов, дренирующая способность этой дрены усиливается отсыпкой дренажного покрытия на внутреннем откосе дамбы. Этот тип дренажа предназначен для снижения кривой депрессии, а также приема фильтрационной жидкости от всей дренажной системы и отвода ее к насосной станции.
Наружный контурный дренаж располагают с внешней стороны пионерной дамбы в фильтрующем слое основания в виде горизонтальной дрены (рисунок 1.2 г). Цель этого дренажа - перехват и отвод профильтровавшейся жидкости к насосной станции и понижения депрессионной поверхности у внешней противофильтрационной завесы до отметок, исключающих возможность ее фильтрации через завесу на прилегающую территорию.
Комбинированный контурный дренаж (рисунок 1.2 д) включает две линии дренажа, одна из которых располагается у подошвы внутреннего откоса пионерной дамбы, а вторая - с внешней ее стороны в фильтрующей толще основания. Применяется этот тип дренажа в тех же условиях, что и наружный контурный, когда последний не может обеспечить требуемого снижения депрессионной поверхности фильтрационного потока в теле насыпи.
Рассмотренные выше устройства должны проектироваться на основании данных фильтрационных расчетов, выполняемых в предположении, что все атмосферные осадки, выпадающие на поверхность насыпного накопителя, за вычетом испарения, просачиваются в тело насыпи
Тепловой режим
Температурное поле системы золоотвал - основание рассматривается в вертикальной плоскости, проходящей по нормали к оси ограждающей дамбы. Предполагается, что тепловой поток вдоль дамбы отсутствует /11, 23, 26, 60, 74/. Далее изложены принципы модификации известной методики расчета температурного режима для обоснования конструктивно—технологического решения насыпных золоотвалов мерзлого типа.
Для расчетов использована нестационарная одномерная задача теплопроводности во влажной зернистой среде с фазовыми превращениями на границах раздела талых и мерзлых зон (задача Стефана). В эти решения внесены изменения и дополнения, учитывающие специфику исследуемых процессов формирования анизотропного мерзлого массива золоотвала. При решении задачи важным является учет динамики внешних границ расчетной области температурного поля при послойном наращивании насыпи и динамики внутренних границ между слоями и зонами в процессе промерзания-оттаи вания.
В плоско-вертикальной постановке уравнения теплопроводности с заданными условиями на границах раздела фаз и с учетом анизотропии массива имеют вид (индекс /-основание из суглинка, 2N- золошлаковые отходы в N слое; гдеЫ = 1, 2,..., п.): где tr и txt — температуры талого и мерзлого грунта, С; х — прямоугольная координата, м; аг и ам — температуропроводность талого и мерзлого грунта, м2/ч; Хт и Хм - теплопроводность талого и мерзлого грунта ккал/м-чтрад; п — нормаль к границе rj; 4і — скрытое тепло фазового перехода воды (80 скорость изменения площади S,- - мерзлой зоны (— 0 для процессапромерзания и — 0 для процесса протаивания). В исследуемой нами области могут быть несколько талых и мерзлых зон, разделенных границамифазового превращения влаги.
Дополнительные условия: начальное условие присваивается для основания и каждого слоянаращиваемого массива, складируемых отходов по мере его возведения граничные условия на контакте грунтового массива и воздухагде Р — область воздушной среды, окружающая исследуемую расчетную область G. граничные условия в основании
Для вычислительного моделирования данной задачи применяется явный метод конечных разностей. Уравнения (1) и (2) аппроксимируются конечно-разностными уравнениями: в мерзлой зоне где U температура точки і в момент времени т; fitfA - температура этой точки в момент времени т+Дт.
Предполагается, что изменение температуры грунта во времени происходит не непрерывно, а скачкообразно, через каждый интервал времени Дт. Исследуемая область состоит из конечного числа узловых точек, отстоящих друг от друга на расстояние Ах.
В узловых точках прямоугольной разностной сетки концентрируются все свойства блоков, в центрах которых находятся точки. Разностная сетка должна по возможности точнее аппроксимировать все контуры расчетной области. Для этого следует ее наложить так, чтобы узловые точки были расположены не только внутри однородных сред, но и на всех внешних и внутренних границах. Поэтому необходимо использовать сетку с переменными шагами Дх вдоль координатной оси.
Из условия теплового баланса изменение теплосодержания AQt блока / должно равняться алгебраической сумме количеств тепла, поступивших в где т - количество источников, которые могут влиять на теплосодержание блока /.44
Поскольку тепло AQi идет на изменение температуры блока от значения 4,Дт, до значения thnA„ то имеет место равенствогде v,- и С,— объем и объемная теплоемкость блока.
Усреднение объемной теплоемкости производится следующим образом:где vp - объемы в процентах, занятые каждым из разных материалов в объеме блока ij; m( - количество разных материалов, содержащихся в блоке. Из равенства (2.2.18) получим выражение для изменения температуры, которое произойдет в блоке за время Дт под влиянием тепла АО/:
Если рассматриваемая точка лежит на границе грунт (золошлаковыи материал) — воздух, то в правой части равенства (2.2.15) появится член, учитывающий теплообмен грунта с воздухом;где fB - температура воздуха; F - площадь блока, соприкасающаяся с воздухом; а - коэффициент конвективного теплообмена грунта с воздухом. Для точек в равенстве (2.2.16) т = 3, так как теплообмен идет с двумя соседними блоками грунта или грунт - воздух.
На границах разнородных сред и фазовых переходов вода-лед используется метод тепловых балансов. Разностное уравнение общего вида для определения температур в точках границ разных сред:где Ка коэффициенты, учитывающие теплофизические свойства сред, размер элементарных блоков и шаг по времени Дт. Коэффициенты Яп(п=Т,...,3) для каждого узла являются постоянными и зависят только от фазового состояния узла.
При решении разностных уравнений необходимо соблюдать условия устойчивости на границе разных сред и в пределах каждой однородной среды.
Перспективное конструктивное решение насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой
Предлагаемая конструктивная схем дренированного золоотвала на непроницаемом или экранированном основании приведена на рисунках 3.12 и 3.13.
Основными элементами дренированного золоотвала являются: водоупорное (естественное или экранированное) основание 1, спланированное с уклоном к внутреннему дренажу с формированием внешней обваловки; дренирующий слой 2 толщиной 20-25 см (песчано-гравийная смесь, щебень, шлак), устраиваемый по всей площади основания; незамерзающий дренажный коллектор 3, обеспечивающий отвод во внешнюю емкость профильтровавшихся через толщу золы и загрязнившихся при этом атмосферных вод; поярусно наращиваемая дренажная призма 4, располагаемая над дренажным коллектором; золошлаки 5, отсыпаемые поярусно с уплотнением при оптимальной влажности; упрочняющие дренирующие прослойки 6, предотвращающие морозное пучение, переувлажнение, солифлюкционное оплывание и эрозионный размыв в поверхностном слое; экран 7 из суглинка, золобетона или пленки 8; утепленный дренажный выпуск 9; внешняя емкость 10 для сбора противофильтровавшихся стоков; рекультивационный слой, не перекрывающий центральный дренаж.
Преимущества предлагаемого технического решения состоят вследующем. Надежность сооружения обеспечивается без устройства внешнего дренажа, обычно промерзающего при малых инфильтрационных расходах и по этой причине весьма неэффективного. Планировка прилегающей территории с уклоном от золоотвала исключает поступление в него внешнего поверхностного стока. Осадки, выпадающие на поверхность насыпи и просачивающиеся в массив золошлаков, гарантированно отводятся по внутренней незамерзающей дренажной системе во внешнюю теплоизолированную емкость. Весенний сток накапливается в понижении над дренажом, что гарантирует быстрое оттаивание сезонномерзлой пробки в начале весны и последующую нормальную работу дренажа. Упрочняющие дренажные прослойки в поверхностном слое на откосах предотвращают его разжижение и оплывание в периоды сезонного оттаивания и обильных дождевых осадков, практически исключают пучение при сезонном промерзании насыпи.
Аналогично выполняется золоотвал более значительных размеров в плане, включающий несколько дренажных прорезей (рисунок 2.13).
По рассмотренному выше методу выполнено теплофизическое обоснование предлагаемой криогенной технологии возведения насыпного золоотвала. Исследованы три варианта технологии заполнения емкости золошлаковыми отходами в климатических условиях, обобщенных для характерных регионов области вечной мерзлоты (Центральная Якутия, Колыма, таблица 3.3.)- Однородное основание сложено суглинком; начальная температура вечномерзлого массива принята равной минус 2С. Нижнее граничное условие - постоянная температура мерзлого грунта на глубине 5 м также равна минус 2С. Теплофизические характеристики суглинка и золошлаковых отходов /81, 85/ (таблица 3.4) приняты по аналогу — проекту золоотвала Анадырской ТЭЦ.
Температура ЗШО на карте в процессе формирования очередного расчетного слоя равна 30С в период с 1 мая по 30 сентября, 25С в период с 1 октября по 30 ноября и 20С в период с 1 декабря по 30 апреля. В теплый период года отсыпка ЗШО осуществляется слоями толщиной 0,1м; в расчете принято, что эти слои условно мгновенно появляются на поверхности основания или ранее отсыпанного массива 15 и 30 числа каждого месяца. В холодный период года количество ЗШО возрастает вдвое и толщина расчетного слоя, появляющегося дискретно с шагом по времени 15 дней, принимается равной 0,2 м. "Зимние" слои также появляются 15 и 30 числа каждого месяца.
В технологической схеме I рассматривается отсыпка ЗШО на карту, заполняемую преимущественно в зимние периоды.
На первом этапе с 1 мая по 30 сентября на мерзлое основание отсыпается первый летний ярус ЗШО Н\\ в результате его теплового влияния основание оттаивает на глубину hTi.
На втором этапе с 1 октября по 1 декабря предусматривается перерыв в отсыпке, в течение которого летняя насыпь и оттаявшее под ней основание промораживаются; на стадии промораживания систематически удаляется снег с поверхности насыпи.
Мониторинг золоотвалов
В местах складирования и захоронения золошлаковых и иных отходов экологическая обстановка характеризуется загрязнением практически всех компонентов природной среды - атмосферы, почвенного покрова, поверхностных и подземных вод. Поэтому необходим эффективный мониторинг состояния природной среды для своевременного выявления и устранения негативных техногенных воздействий, а также осуществления комплекса своевременных природоохранных мероприятий.
В состав мониторинга накопителя отходов и прилегающей к нему территории входят:1. Система наблюдений и контроль за уровнем загрязнения всех компонентов природной среды - атмосферного воздуха, геологической среды, в т.ч. почв, поверхностных и подземных вод.2. Проведение оперативных и среднесрочных прогнозов изменения и оценка состояния природной среды на основе экологических и санитарно-эпидемиологических критериев для разработки природоохранных мероприятий.3. Получение полной, своевременной и достоверной информации о техническом состоянии и эксплуатационной надежности противофильтрационных экранов, дамб, дренажных систем, водоотводящих сооружений и др. 4. Оценка эффективности осуществляемых по проекту и дополнительных природоохранных мероприятий по предотвращению загрязнения окружающей среды.
Атмосферный воздух представляет собой один из важнейших компонентов природной среды, подвергающейся негативному воздействию в результате поступления аэрозольных и дисперсных загрязняющих веществ с участков складирования и захоронения отходов.
Почвенный покров также испытывает заметное техногенное воздействие на территории, прилегающей к золоотвалу. Основные показатели экологического состояния почвы — степень засоленности легкорастворимыми солями, загрязненность тяжелыми металлами. Эти факторы определяются присутствием в водных вытяжках ионов SO42", С12", НСО3", Са2+, Mg2+, Na+ и наличием тяжелых металлов - Ni, Pb, Zn, Cr, V, Kd, Zr и др.
Следует отметить, что некоторые тяжелые металлы, содержащиеся в почвах в незначительных количествах, необходимы для жизни растений, а содержащиеся в количествах, превышающих ПДК, являются высокотоксичными загрязнителями, пагубно влияющими на растения. Например, цинк снижает интенсивность процессов преобразования органического вещества в почвах, вызывает изменение физических и физико-химических свойств почв и достаточно легко поглощается растениями.
Свинец также отрицательно влияет на биологическую деятельность в почве, хорошо поглощается и накапливается растениями, что замедляет их рост и приводит к гибели. Накопление свинца в организме животных и человека вызывает серьезные заболевания.
Недостаточно гидроизолированные золоотвалы негативно воздействуют на подземные и поверхностные воды. В результате формируются локальные водоносные горизонты, по уровню загрязнения существенно превышающие многие техногенные образования в подземной гидросфере.
Нагорные и водоотводные каналы, взаимодействующие с золоотвалами, необходимо контролировать и очищать регулярно, так как загрязнения из них могут попасть в подземные и поверхностные воды. Из водоотводных сооружений отбирают пробы воды для проведения анализов на содержание указанных выше и иных компонентов. Контролируется также правильность формирования внешних откосов, заложение которых определяется расчетами устойчивости накопителя.
Система мониторинга подземных вод. Для наблюдений за эффективностью противофильтрационных экранов и параметрами фильтрации загрязненных подземных вод автором рекомендуется пьезометры с пористым фильтром.
Система мерзлотно-температурного контроля оборудуется на золоотвалах мерзлотного типа и включает инструментальные наблюдения, выполняемые с помощью термоскважин и электромерзлотомеров, а также визуальные наблюдения за образованием льда, криогенных трещин, пучения, осадок и др. явлений, связанных с промерзанием - оттаиванием грунтов.
Основные компоненты мониторинга насыпных золоотвалов представлены на следующей схеме (рисунке 4.1) Рекомендуемая автором конструкция пьезометра с фильтром из пористого бетона приведена на рисунке 4.2 и может быть использована также и при устройстве подэкранных пьезометров.
А - конструкция пьезометра; Б - схема установки пьезометра. 1 - труба пьезометра; 2 - теплозащитный оголовок; 3 - пористый фильтр; 4 -водоприемная засыпка; 4 - глиняная пробкаРисунок 4.2 - Конструкция и схема установки пьезометра с пористымфильтром Для изготовления пористого бетона используют цемент марки 400 (400) и заполнитель из гравия (щебня) фракции от 2,4 до 4 мм в соотношении 1:6. Водоцементное соотношение В:Ц принимаеют равным 0,44. Бетон в стакане до набора прочности твердеет в течении 7 суток в постоянно влажной среде.
Перед установкой пьезометра пробуривают скважину диаметром 127 мм (140 мм) до заданной отметки. В нижней части скважины устраивают фильтрующую водоприемную засыпку высотой 2,0 м из промытого крупного песка, гравия и щебня с размером частиц 0,40-10,0 мм, затем пьезометр с пористым водоприемником на его нижнем торце осторожно (без обрушения стенок скважины) опускается на засыпку и плотно вдавливается в нее.
После осторожного опускания пьезометра и достижения плотного контакта пористого фильтра со столбиком фильтрующей водоприемной засыпки затрубное пространство между трубой пьезометра и стенкой скважины засыпается таким же крупным песком или гравием. Выше проницаемой засыпки в затрубном пространстве для предотвращения вертикального движения воды в нем устраивают замок из мягкой пластичной глины или цементного раствора.
Пьезометры всех типов выполняются из бесшовных труб диаметром от 80 до 120 мм; толщина стенки трубы может быть любой; изменение диаметра и толщины стенок по глубине скважины не допускается. Длина отдельных звеньев также может быть принята любой. Соединение звеньев осуществляется муфтами на резьбе по мере опускания трубы в скважину с обязательной герметизацией стыков. Трубы не должны иметь искривлений и вмятин, выступающих внутрь и препятствующих погружению в них термогирлянд и другой измерительной аппаратуры. До начала монтажа оголовка необходимо тщательно засыпать песком или затампонировать фунтовым раствором вертикальную кольцевую полость, образующуюся по
