CC BY
13
УДК 621.182: 624.136
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА НАМЫВА ШЛАКА В ДРЕНИРОВАННЫЙ ШЛАКООТВАЛ
Е.П. ХАГЛЕЕВ, П.Е. ХАГЛЕЕВ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)
Раздельная выдача и складирование золы и шлака ТЭС и котельных позволяют повысить уровень их утилизации. Однако намыв шлака в дренированный шлакоотвал согласно действующим нормам и правилам можно проводить только в теплое время года, что существенно ограничивает возможности раздельного складирования. Авторами на основе физического моделирования показана принципиальная возможность продления срока намыва шлака в дренированный шлакоотвал.
Ключевые слова: шлак, дренированный шлакоотвал, теплый и холодный периоды года, слой промороженного шлака, фильтрация воды.
Проблемы утилизации и складирования золы и шлака
Работа теплоэнергетических предприятий: ТЭС, промышленно-отопительных котельных - сопровождается выделением большого количества твердых отходов в виде золы и шлака. Ежегодно в России образуется свыше 100 млн. т этих отходов, складируемых в золошлакоотвалах (ЗШО). Последние становятся постоянно действующими источниками загрязнения среды обитания человека.
Известно, что в промышленно развитых странах (Германия, США, Австралия и т. д.), используют практически 100% золошлаков. Там нет проблем со складированием отходов и эксплуатацией ЗШО, с отведением все новых земельных угодий под эти сооружения. В то же время в России золошлаки используют менее чем на 10%. Причем по ряду причин этот показатель продолжает снижаться. Во-первых, на данный момент отсутствует государственная программа безопасного складирования и комплексного использования золошлаковых материалов. Во-вторых, на большинстве теплоэнергетических предприятий отсутствуют системы по раздельной выдаче золы и шлака, позволяющие потребителям эффективно и в массовом количестве использовать эти отходы. В-третьих, финансирование мероприятий по экологической безопасности и утилизации золошлаковых материалов остается на низком уровне. В настоящее время все это привело к тому, что многие существующие ЗШО исчерпали свои ресурсы по емкости и статической устойчивости, находятся в переполненном, нередко предаварийном состоянии. Такие отвалы требуют их незамедлительной консервации в целях предупреждения известных случаев аварий с залповым выбросом селевых потоков, с выносом тысячей кубометров токсичных отходов и воды [1]. Взамен
© Е.П. Хаглеев, П.Е. Хаглеев
Проблемы энергетики, 2010, № 5-6
переполненных и консервируемых ЗШО необходимо отводить новые площади для складирования вновь поступающих золошлаковых отходов.
В условиях сокращения запасов природного газа и нефти в средне- и долгосрочной перспективе основная ставка в топливно-энергетическом комплексе России делается на уголь, на перевод всех тепловых станций и котельных на твердое топливо [2, 3], что повлечет за собой создание еще большего количества ЗШО. Следует учитывать, что в нашей стране наибольшее распространение получил гидравлический способ золошлакоудаления, при котором уже в пределах котельной зола и шлак смешиваются и в виде золошлаковой пульпы направляются в отвал. Такой материал становится малопригодным для его использования, например, в производстве строительных материалов и изделий, где требуются зола и шлак в отдельности, причем в большинстве своем зола - в негидратированном виде.
Одним из способов повышения уровня утилизации золы и шлака является раздельная их выдача потребителям. За рубежом именно раздельная выдача золы и шлака лежит в основе их 100%-й утилизации без создания ЗШО. В нашей стране, где еще слабо развита система использования золы и шлака, необходимо применять раздельное транспортирование и складирование в специализированных отвалах, где отдельно будут храниться зола и шлак, или в комбинированных отвалах с видимой границей раздела между золой и шлаком [1, 4].
Наиболее перспективными в этом отношении являются дренированные ЗШО типа ЬА и ЬВ [1, 4]. Первый из них, тип ЬА, будем называть дренированным шлакоотвалом (ДШО), поскольку в нем складируется чистый
шлак, а второй, тип ЬВ, — комбинированным дренированным золошлакоотвалом (КДЗШО) с границей раздела между шлаком и золой. Дренированные ЗШО перед недренированными имеют ряд преимуществ, состоящих в следующем: возможность получения полностью очищенной от взвеси осветленной воды без устройства пруда-отстойника; формирование более плотных отложений в теле отвала, а следовательно, обеспечение более высокой его статической устойчивости; проведение более полных мероприятий по предупреждению попадания токсичного инфильтрата в грунтовые воды и, наконец, ДШО и КДЗШО - это склады готовых строительных материалов, из которых в любое время можно организовать выдачу чистых, несмешанных между собой золы и шлака. Однако дренированные ЗШО указанных типов имеют один существенный недостаток, заключающийся в том, что намыв шлака, согласно нормативным документам [4], можно производить лишь в теплое время года. Это связано с тем, что намытый шлак и дренаж на длительный холодный период времени остаются без отепляющего воздействия фильтрационного потока водной составляющей пульпы, в отличие от обычных, недренируемых золошлакоотвалов [1]. Отсутствие притока теплоты может привести к значительному переохлаждению тела шлакоотвала и образованию промороженных слоев шлака, препятствующих профильтровыванию воды в дренаж. В климатических условиях России с длительным холодным периодом года такие ограничения по времени намыва шлака ставят под сомнение возможность применения дренированных шлакоотвалов. Можно ли продлить срок намыва шлака в тело ДШО?
Одним из авторов настоящей работы в период с 1971 по 1975 год были проведены экспериментально-теоретические исследования [5], согласно которым была установлена принципиальная возможность инъекционного закрепления охлажденных несвязных грунтов, имеющих низкую отрицательную температуру -12...-20 °С, вязкопластичными растворами на водной основе без © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6
предварительного оттаивания этих грунтов. Основываясь на результатах указанных исследований, авторами настоящей работы был проведен эксперимент с целью установления проницаемости промороженного слоя шлака в условиях безнапорной фильтрации водной составляющей пульпы. Если промороженный слой шлака проницаем, то появляется возможность продления срока намыва шлака в тело ДШО в сторону холодного периода года.
Методика проведения эксперимента
Промороженный слой шлака моделировали с помощью металлической колонны прямоугольной призматической формы сечением 150 X 200 мм и полной высотой 2,0 м (рис. 1). Стенки колонны с внешней стороны покрывали теплоизоляционным слоем.
Рис. 1. Экспериментальная установка по изучению проницаемости слоя мерзлого шлака: 1 -металлическая колонна сечением 150 X 200 мм и тепловой изоляцией; 2 - мерзлый шлак (верхнее сечение); 3 - выводной штуцер для термопары; 4 - потенциометр (12 точек)
Эксперимент проводили со шлаком, отобранным из под котлов со слоевым сжиганием березовского бурого угля1. Отобранный шлак проходил последовательно следующий цикл обработки: 1) дробление; 2) просеивание через набор сит для получения шлака заданного гранулометрического состава; 3) замачивание в пределах двух часов, т. е. времени, приблизительно соответствующего времени контактирования шлака с водой в реальных условиях с момента смыва его из бункера котла до момента доставки по пульпопроводам на ДШО; 4) отфильтровывание шлака в сосуде с перфорированным дном для удаления свободной воды, что соответствует процессу профильтровывания водной составляющей пульпы через слой намытого шлака в реальных условиях;
1 Отопительная котельная Красноярского федерального университета.
политехнического института Сибирского
5) помещение влажного шлака в баки; 6) отбор проб влажного шлака и определение его влажности и насыпной плотности.
После подготовки образцов влажного шлака производили их загрузку в колонну, имитирующую толщу намытого шлака, с установкой термопар по высоте слоя в трех расчетных створах: 0,25 • к ; 0,5 • к и 0,75 • к , где к - толщина промороженного шлака. Для фиксации температуры фронта фильтрации воды в расчетных створах устанавливали пирамидальной формы улавливающие воронки из полиэтиленовой пленки с отверстием 10 X 10 мм, на уровне которого фиксировали головку термопары. Воронка предназначалась для улавливания фильтрующейся воды и направления ее к головке термопары. Концы термопар выводили наружу через стенки колонны с помощью выводных штуцеров и присоединяли их к потенциометру (рис. 1).
Затем колонну с влажным шлаком промораживали до необходимой температуры, устанавливали в вертикальное положение и производили замеры температуры по высоте слоя промороженного шлака. Подготовленную таким образом колонну с промороженным шлаком проливали водой с заданным расходом. Во время проливки колонны производили замеры температуры, времени и скорости прохождения через толщу промороженного шлака фронта фильтрующейся воды.
Величину расхода проливаемой через колонну воды, имитирующей водную составляющую пульпы, устанавливали с помощью номограммы [4, рис. 5, с. 19]. Так, для шлака с размером частиц 2...5 мм, коэффициентом фильтрации порядка к ф = 300.500 м/сут [1, с. 18] и длине инфильтрации Ьи = 1,5 м удельный расход
водной составляющей пульпы согласно номограмме будет равен qо = 5 л/(ем). Тогда полный расход пульпы на одном выпуске реального объекта (натуры) будет равен Q0 = 1,5 5= 7,5 л/с (0,0075 м3/с). На модели с = 0,20 м (150 X 200 мм) будем иметь -
Qм = 0,20^5= 1,0 л/с (0,001 м3/с). Соответственно для шлака с размером частиц 2.10 мм, кф = 1000 м/сут удельный и полный расходы водной составляющей пульпы при Ьи = 1,2 м будут соответственно равны - qо = 10 л/(счм) и Qо = 1,240=12 л/с= 0,012 м3/с, а на модели - £ £ = 0,2010= 2,0 л/с (0,002 м3/с).
Постановочные опыты
Для отработки методики проведения эксперимента была проведена серия из трех постановочных опытов, где в качестве испытуемого шлака применяли:
- мелкозернистый шлак с размером частиц 2.5 мм, толщина слоя мерзлого шлака к =1,0 м;
- крупнозернистый шлак - 5.10 мм, толщина слоя - к =1,5 м;
- смесь с размером частиц 2.10 мм, толщина слоя - к =1,5 м.
Во всех постановочных опытах использовали воду с начальной температурой равной 10,0 °С, а расход ее составлял £ о = 0,5 л/с. Влажный шлак промораживали до температуры г ш = -15,0 °С.
В первом опыте вода профильтровалась через слой промороженного шлака высотой к =1 м за т =17,8 с, т. е. средняя скорость движения фронта фильтрации в шлаке с температурой -15 °С составила w = к/ т =1,0/17,8=0,056 м/с. Во втором
опыте эти величины составили, соответственно, т =69 с и w =1,5/69=0,022 м/с. В третьем опыте - т =25 с и w =1,5/25=0,06 м/с.
Из общей картины процесса профильтровывания воды через толщу мерзлого шлака выпадают результаты второго опыта. В этом опыте скорость продвижения фронта фильтрации при более крупнозернистом шлаке (5...10 мм) оказалась практически в три раза меньшей, чем в третьем опыте (2.10 мм). Такое несоответствие можно объяснить закупоркой отверстия в улавливающей воронке. По всей видимости, произошла закупорка отверстия воронки крупной частицей шлака. Продвижение фильтрационного потока продолжилось только после заполнения этой воронки водой и последующего перелива через ее края. Другим несоответствием реальности процесса фильтрации воды явились показания термопар. Во всех опытах в нижнем и среднем расчетных створах термопары показывали отрицательную температуру: в первом опыте соответственно -13,0 и -11,0; во втором -1,0 и -13,5; в третьем -2,0 и -14,0 °С. Эти показания можно объяснить тем, что собранная улавливающей воронкой вода протекала мимо головок термопар, последние продолжали показывать среднюю температуру частиц мерзлого шлака.
Во избежание подобных случаев было принято решение упаковывать головки термопар в ватный тампон диаметром 15 мм. Это позволило, во-первых, перекрыть отверстие улавливающей воронки (рис. 2) и тем самым защитить его от закупорки крупной частицей шлака. Во-вторых, ватный тампон сможет «уловить» струйку воды, стекающей по любой грани пирамидальной воронки и впитать эту воду. Головка термопары, находящаяся внутри тампона, точно укажет температуру воды. После насыщения тампона вода дальше продолжит свое движение через поры мерзлого шлака (рис. 2).
I
I
Рис. 2. Улавливающая воронка в расчетном створе: 1 - мерзлый шлак; 2 - стенки колонны с теплоизоляционным слоем; 3 - улавливающая воронка из полиэтиленовой пленки; 4, 4' -фильтрующийся поток воды соответственно до улавливающей воронки и после нее; 5 - головка термопары; 6 - ватный тампон; 7 - выводы термопары; 8 - выводной штуцер
Результаты основных опытов и их обсуждение
Было проведено восемь опытов (таблица): по два опыта при трех значениях температуры tш : -8,0; -12,0 и -17,0 °С для шлака с размером частиц 2.10 мм, весовой влажностью 17.19% и плотностью, с легким трамбованием при укладке в колонну, 1100.1200 кг/м3, что соответствует плотности намывного шлака на реальном объекте. Для указанных образцов шлака с температурой tш = -12,0 и -
17,0 °С опыты были продублированы. В таблице в строках для указанных образцов представлены средние значения из двух параллельных опытов. В
каждой паре опытов меняли расход проливаемой воды QМ = 0,5 и 2,0 л/с.
Толщина слоя промороженного шлака принималась к = 1,0 и 2,0 м (таблица). Начальная температура воды во всех опытах принималась равной 5 °С.
Таблица
Результаты эксперимента по изучению проницаемости промороженного шлака
Номер эксперимента Темпе -ратура шлака г оС Глубина промерзания к, м Расход воды а 0м, л/с Температура воды в расчетных створах, оС Время протекания т , с Средняя скорость те, м/с
г 0,25 г 0, 5 г 0,75
1 -8,0 1,0 0,5 0,4 0,3 0,3 18,0 0,055
2,0 0,4 0,3 0,3 1,5 0,67
2 -17,0 1,5 0,5 0,7 0,4 0,3 15,0 0,10
2,0 0,8 0,4 0,3 1,6 0,94
3 -12,0 2,0 0,5 0,9 0,5 0,3 30,0 0,067
2,0 1,0 0,6 0,3 2,8 0,71
Эксперимент показал, что промороженный шлак даже с очень низкой температурой проницаем для потока воды в условиях безнапорной фильтрации. Это можно объяснить прежде всего тем, что поры промороженного шлака остаются чистыми, не заполненными льдом. Вся свободная вода на реальном объекте и модели под действием сил тяжести профильтровалась ранее через слой намытого шлака, ушла в дренаж. При этом чистые поры промороженного шлака сохраняют ему высокую проницаемость. Кроме того, большую роль в процессе движения воды в промороженном шлаке играет ее скрытая теплота фазового превращения из жидкого состояния в твердое - гв = 335,2 кДж/кг, а также ее теплоемкость - с в =
4,19 кДж/(кгтрад), значительно превышающая теплоемкость шлака - сш = 0,75
кДж/(кгтрад). Все это позволяет, даже при относительно малом расходе воды -
Q 01 = 0,5 л/с, свободно протекать через толщу промороженного шлака в 1,0.2,0 м с
температурой -8,0.-17,0 °С (таблица). К этому следует добавить процесс обновления частиц жидкости, находящихся в так называемом «лидирующем объеме» (ЛО) во фронте потока, тыловыми частицами, имеющими более высокий тепловой потенциал [5]. Процесс обновления состоит в том, что частицы жидкости фронтальной части фильтрующейся жидкости расходуются на смачивание частиц шлака и заполнение застойных зон в его порах. Между остановившимися лидирующими частицами жидкости и переохлажденными частицами шлака происходит интенсивный теплообмен. В результате теплообмена частицы шлака нагреваются, а частицы жидкости охлаждаются, часть из них может перейти в лед. Но частицы жидкости ЛО, оказавшиеся в застойных зонах, замещают тыловые частицы жидкости, которые, как было сказано выше, обладают более высоким тепловым потенциалом, а потому способны перемещаться далее в глубину промороженного шлака и т.д. [5].
Значительное влияние на скорость фильтрационного потока оказывает величина расхода воды (водной составляющей пульпы). Во всех опытах с увеличением расхода воды в четыре раза с 0,5 до 2,0 л/с скорость фильтрационного потока увеличивалась на порядок и более при всех прочих одинаковых условиях (таблица).
Далее результаты эксперимента показали, что чем ниже температура шлака, тем выше скорость продвижения фронта фильтрации. Например, при расходе воды 0,5 л/с и температуре промороженного шлака -8,0°С средняя скорость продвижения фронта фильтрации составила 0,055 м/с, а при температуре шлака -17,0 °С скорость увеличилась до 0,10 м/с, т. е. практически в два раза (таблица). То же самое наблюдается при большем расходе воды - 2,0 л/с: здесь скорость возрастает от 0,67 при -8,0 °С до 0,94 м/с при -17,0 °С, т. е. на 30%. Это противоестественное, на первый взгляд, явление можно объяснить тем, что при более низкой температуре, а следовательно при более высоком температурном напоре, частица шлака практически мгновенно покрывается тонкой ледяной пленкой, во много раз снижающей силы трения между фильтрующейся водой и частицами шлака, и это приводит к повышению скорости движения фильтрационного потока.
Отметим, что эксперимент был проведен с большим запасом по дефициту теплоты промороженного шлака. В реальных условиях температура слоя с глубиной повышается. Например, согласно проведенного нами расчета температурного режима ДШО для условий г. Красноярска, где среднемесячная температура наружного воздуха зимних месяцев £ н с ноября по март составляет, соответственно, -8,8; -16,3; -18,2; -16,8; -7,8 °С, установлено, что на 15-й день января температура промороженного слоя постепенно повышается от -17,5 на поверхности ДШО до температуры замерзания водной составляющей пульпы £з = -0,3 °С на глубине 1,5 м
(рис. 3). Далее, на первый день марта месяца, температура промороженного шлака повышается от -8,8 на поверхности до - 0,3°С на глубине промерзания 2,1 м.
Рис. 3. Температура промороженного шлака по глубине дренированного шлакоотвала: —^-^— температура шлака на пятнадцатый день января при = - 18,2°С;
—0-0— температура шлака на первый день марта при £ н= - 7,8°С;
.....температура замерзания воды в шлаке = - 0,3°С
В эксперименте мы устанавливали одинаковую температуру по всей глубине слоя. Например, во втором эксперименте температура промороженного слоя всюду была -17,0 °С, начиная с его поверхности до глубины промерзания 1,5 м; в третьем эксперименте температура слоя -12,0 °С на глубину 2,0 м (таблица). Дефицит теплоты промороженного шлака, по сравнению с талым шлаком, пропорционален площади фигуры, очерченной температурной кривой шлака по глубине промерзания, линиями £ з = -0,3 °С и И = 0,0 м (рис. 3). Сопоставляя фигуры в виде
прямоугольников на модели с криволинейными треугольниками в реальном случае, можем сказать, что в эксперименте мы сделали практически двойной запас по дефициту теплоты.
Результаты эксперимента показали, что промороженный слой шлака, даже с существенно большим дефицитом теплоты, чем в реальных условиях, проницаем для фильтрующейся водной составляющей пульпы. Это позволяет сделать обнадеживающий вывод о возможности организации зимнего намыва шлака, о возможности продления срока намыва шлака в дренированный шлакоотвал в сторону зимнего периода, о возможности более широкого применения дренированных шлакоотвалов на территории России.
Выводы
1. Повысить уровень утилизации золошлаков в нашей стране можно путем более широкого внедрения способов раздельной выдачи золы и шлака потребителям и складирования их в дренированных золошлакоотвалах, где отдельно будут храниться зола и шлак или совместно, но с видимой границей раздела между ними. Подобные отвалы - это склады готовых строительных материалов, из которых в любое время можно организовать выдачу чистых, несмешанных между собой золы и шлака.
2. Сохранившаяся высокая проницаемость промороженного шлака, теплофизические свойства воды и шлака и замещение частиц лидирующего объема тыловыми частицами с более высоким тепловым потенциалом позволяют водной составляющей пульпы сохранить способность двигаться в промороженном шлаке.
3. Значительное влияние на скорость фильтрационного потока оказывает величина расхода воды (водной составляющей пульпы). Увеличение расхода воды в разы приводит к повышению скорости фильтрации на порядок и более при всех прочих одинаковых условиях.
4. Более низкая температура промороженного шлака, против ожидания, способствует повышению скорости фильтрации воды вследствие покрытия частиц шлака тонкой пленкой льда, снижающей силы трения в поровых каналах.
5. Проницаемость промороженного слоя шлака для потока воды даже с существенно большим дефицитом теплоты, чем это имеет место в реальных условиях, позволяет сделать вывод о возможности организации зимнего намыва шлака, о возможности продления срока намыва шлака в дренированный шлакоотвал в сторону зимнего периода, а следовательно, о возможности более широкого применения дренированных шлакоотвалов на территории России.
Summary
A separate issue and storage of ashes and slag of heat stations and boiler houses makes it possible to increase their utilization level. However slag hydraulicking to a drained slag heap may be carried out only in warm period according to operating standards and rules. It considerably restricts separate storage possibility. By physical modelling the authors shows term prolongation possibility of slag hydraulicking in a drained slag-heap.
Key words: slag, a drained slag-heap, cold and warm period of the year, frozen slag layer, water filtration.
Литература
1. Золошлаковые материалы и золоотвалы / В. Г. Пантелеев, Э. А. Ларина, В. А. Мелентьев и др. М.: Энергия, 1978. 295 с.
2. Обзор прессы: к разработке «Энергетической стратегии России до 2020 года» // Уголь. 2000. № 4. С. 61.
3. Моисеев Л.Л. О повышении роли угля в региональной энергетике/ Л.Л. Моисеев, В.Н. Сливной, О.В. Сливной // Уголь. 2000. №7.
4. Руководство по проектированию дренированных золоотвалов тепловых электрических станций. (П. 64-77). Л.: Энергия, 1977. 67 с.
5. Хаглеев Е.П. Исследование инъекционного закрепления талых и охлажденных несвязных грунтов: Дис. ... канд. техн. наук: 05.23.07 /Е. П. Хаглеев. Защищена 03.06.77; Утв. 23.11.77; 018637. Ленинград, 1977. 160 с. Библиогр. 126138. (Полное описание).
Поступила в редакцию 30 сентября 2009 г.
Хаглеев Евгений Петрович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» (ПТЭ) Сибирского Федерального Университета (СФУ). Тел.: 8 (391) 298-13-08. Email: [email protected].
Хаглеев Павел Евгеньевич - ассистент кафедры «Теплотехника и гидрогазодинамика» (ПТЭ) Сибирского Федерального Университета (СФУ). Тел.: 8 (391) 298-13-08.
