CC BY
15
Иржи Собота
Влияние солености гидросмеси зольной пыли.
УДК 622.794
ВЛИЯНИЕ СОЛЕНОСТИ ГИДРОСМЕСИ ЗОЛЬНОЙ ПЫЛИ НА ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ПРИ ГИДРОТРАНСПОРТЕ ПО ТРУБАМ
ИРЖИ СОБОТА
Университет экологии и биологии, Вроцлав, Польша
На польских шахтах для закладки выработанного пространства используются гидросмеси из зольной пыли. В последние годы для приготовления смеси используют минерализованную шахтную воду, которая не содержит поверхностные воды. Использование соленой воды для приготовления смеси из зольной пыли приводит к потерям энергии во время движения потока в трубопроводе. В статье представлены результаты измерений потерь энергии, полученные при проведении лабораторных экспериментов в трубопроводе диаметром D = 50 мм. Измерения проводились для различных составов зольной пыли и соленой воды. Протестированная зольная пыль для приготовления смеси закладки поступала из ТЭЦ Siersza и имела свои особенности (гранулометрический состав и плотность). Установлено, что увеличение солености жидкости (воды) изменяет ее вязкость. Рассол по сравнению с чистой водой характеризуется повышенной вязкостью, которая влияет на свойства смеси зола-рассол, вызывая эффект флокуляции. Также изменение солености смеси влияет на величину коэффициента сопротивления (трения) X при течении потока в трубопроводе. Увеличение концентрации зольной пыли в смеси приводит к увеличению потерь энергии.
Ключевые слова: гидротранспорт, установка трубопровода, смесь соленой воды и зольной пыли
Как цитировать эту статью: Собота Иржи. Влияние солености гидросмеси зольной пыли на потери энергии при гидротранспорте по трубам // Записки Горного института. 2017. Т. 225. С. 342-345. DOI: 10.18454/РМ1.2017.3.342
Введение. Добыча полезных ископаемых приводит к появлению огромных пустот после выемки минералов. Данные пространства при отсутствии закладки могут стать источниками опасности для наземных объектов и вызвать неблагоприятные изменения в окружающей среде. Например, в зоне ведения горных работ часто происходят изменение состояния подземных вод, деформация поверхности земли и т.д. С другой стороны, разработка природных ресурсов, их обогащение и использование приводят к появлению большого количества отходов и пустой породы. В результате горных работ возникают два вида отходов: от добычи (пустая порода и т.д.), от процесса обогащения.
Значительная группа отходов образуется на предприятиях энергетического комплекса (ТЭЦ и ЭС), где используют каменный и бурый уголь. Основными типами отходов в энергетике являются летучая зола (пыль) и шлак. Отходы необходимо где-то хранить, чаще всего проблема решается путем создания отвалов на поверхности земли. Этот способ имеет свои недостатки, а именно, увеличение количества занимаемой отвалом площади. Огромные размеры отвалов вызывают изменения в ландшафте и окружающей среде. Физические и химические свойства хранимых веществ приводят к некоторым трудностям при их вторичном использовании [1-5].
Отвалы без должной системы защиты, которая позволяет контролировать загрязнение земли, наносят вред окружающей среде (почве, поверхностным водам, воздуху, грунту и т.д.) и человеку косвенно и прямо. Отходы от горных работ могут иметь не только твердую, но и жидкую форму. При разработке природных ресурсов мы потребляем и другие ресурсы, например, воду. Физические и химические свойства воды, прошедшей через технический цикл, меняются, например, вода становится слишком соленой. Из-за наличия различных химических соединений и токсинов вода не может быть выгружена в поток поверхностных вод и подвергнута природному процессу биодеградации. Для защиты окружающей среды необходимо искать новые экологичные способы обращения с отходами.
В горном деле некоторые материалы, например, зольную пыль, шлак и т.д. можно использовать для закладки выработанного пространства. Данный способ утилизации отходов не является хранением, поскольку используются некоторые свойства для обеспечения эффективной и безопасной добычи. Некоторые составляющие зольной пыли можно использовать для материала в качестве закладки выработанного пространства.
Смесь для закладки. Чаще всего смесь для закладки состоит из зольной пыли, соленой воды, гипса и т.д. Она доставляется к месту закладки по трубопроводу. Для проектирования и установки труб необходимо знать параметры смеси (вязкость, концентрация, плотность), так как необходимо учитывать затраты энергии на транспортирование. Свойства смеси оказывают существенное влияние на изменения давления и параметры потока [6-9]. Потери давления при транспортировке смеси гораздо
ёИржи Собота
Влияние солености гидросмеси зольной пыли.
100
80 -
£ 70 -§ 60 3 50
£ 40 ! 30 20 10 1
0,001
0,01
0,1
d, мм
Рис. 1. Распределение размеров частиц зольной пыли ТЭЦ Opole (1, 2) и Siersza (3)
т, Па 5
4
3
2
1
О Чистая вода ■ 70 %-ный рассол А 150 % « 200 % о 264 %
R2 = 0,9837
R2 = 0,9673
R2 = 0,9740
R2 = 0,9792
R2 = 0,9738
0 200 400 600 800 1000 1200 Gp, с"1
Рис.2. Кривые потока для чистой воды и различных рассолов
выше, чем при перекачивании чистой воды. Свойства смеси зависят от концентрации твердых частиц, вязкости жидкости и т.д. Свойства потока смеси изменяются в зависимости от увеличения в ней количества мелких частиц. При низкой концентрации смеси ее можно охарактеризовать при помощи ньютоновских свойств, но в случае увеличения концентрации выше некоторого уровня свойства меняются, и смесь становится неньютоновской. Смеси для закладки должны обладать определенными свойствами: хорошая транспортируемость в трубопроводе, хорошие показатели течения, адекватное время осаждения и консолидации, прочность при сжатии, способность выдерживать нагрузки, высокая сопротивляемость вымыванию при контакте с шахтными водами.
В Польше для приготовления закладочной смеси используют следующие вяжущие материалы: зола-унос, гипс, цемент Portland 35 и соленая вода с концентрацией 0-70 г/дм3. Добавление свободного диоксида кальция и гипса приводит к тому, что зольная пыль приобретает вяжущие свойства и при контакте с водой образует бетон с высокой прочностью на сжатие (1,9-6,8 МПа). Физические, химические и механические свойства золы зависят от типа сжигаемого угля. Плотность зольной пыли ps изменяется в диапазоне 1,8-2,6 т/м3. Особенностью является то, что вяжущие материалы имеют определенное распределение размеров частиц, в частности, вся фракция имеет размер менее 1 мм. Типичное распределение размеров частиц зольной пыли ТЭЦ Польши показаны на рис.1. Можно отметить, что данная зола имеет большое количество фракции диаметром d < 0,2 мм, а процент фракции более 0,2 мм относительно невелик (до 15 % в редких случаях).
Измерение вязкости солевого раствора. Реологические характеристики (кривые т = f(Gp)) чистой и соленой воды были измерены при помощи ротационного вискозиметра Rheotest 2. Все реологические параметры чистой и соленой воды были оценены с помощью специальной программы, разработанной для работы с жидкостями низкой вязкости. Кривые потока для чистой воды можно рассматривать как параметры для сравнения и определения влияния содержания соли на изменение вязкости [10-13]. Определялись реологические свойства чистой воды и различных соляных растворов. Параметры протестированных рассолов показаны ниже:
Соляной раствор 70%-ный 150%-ный 200%-ный 264%-ный
Содержание NaCl, г/дсм3 70 150 200 264
Построенные кривые потока для различных концентраций растворов солей приведены на рис.2.
Исследование потока смеси зольной пыли и соленой воды. Для повышения количества применения соленой воды в качестве компонента гидравлической смеси при закладке выработанного пространства в данной работе выполнены лабораторные исследования влияния солености воды на свойства смеси и потери энергии при течении жидкости в экспериментальном трубопроводе диаметром D = 50 мм. Эксперименты проводились в лаборатории гидравлики Института охраны окружающей среды Вроцлавского университета. Схема установки показана на рис.3.
Результаты. Были определены типичные физические и механические свойства сухой зольной пыли для заданного гранулометрического состава и плотности ps. Кривая распределения размеров час-
Иржи Собота
Влияние солености гидросмеси зольной пыли...
Рис.3. Схема лабораторного трубопровода В = 50 мм
для измерения параметров транспортировки смеси 1 - насос, 2 - емкость для смеси, 3 - емкость для измерения, 4 - регулятор скорости насоса, 5 - индуктивный расходомер, 6 - датчик разности давления
тиц была получена ситовым анализом материала (см. рис.1). Плотность измерялась пикнометриче-ским методом.
Кривая распределения размеров частиц показывает, что зольная пыль ТЭЦ 81ег8га имеет диаметр частиц ¿/5о ~ 0,036 мм. Содержание частиц песка (0,05 < й< 2,0 мм) составляет около 32 % от общей массы образца, однако содержание пыли (0,002 <й< 0,05 мм) достигает 68 %. Зола ТЭЦ Siersza содержит менее 2,5 % частиц диаметром менее 0,006 мм. Максимальный размер частицы d = 1,0 мм. Согласно стандарту Польши (Р№74/В-02480) измеренное распределение частиц данной золы соответствует распределению частиц песчаной пыли. Плотность золы равна р5 = 2367,5 кг/м3.
Как видно из рис.2, вязкость рассола повышается с увеличением концентрации соли. Рассол сохраняет жидкую форму с увеличением вязкости.
Затраты энергии при работе тестового трубопровода (В = 50 мм) проводились для смеси 70 г №С1/дм3 раствора и зольной пыли. Измерения производились в следующем порядке:
• потери давления I = f(V) для потока чистой воды; данная величина является контрольной при проверке работы датчиков и используемых калибровочных формул;
• затраты энергии для 70 %-ного рассола;
• затраты энергии для различных соотношений масс в растворе частиц зольной пыли и 70 %-ного рассола, использовались соотношения 0,5:1, 1:1, 1,1:1 и 1,5:1.
Полученные данные о потерях давления I = f(V) представлены на рис.4. Из рис.4 видно, что затраты энергии имеют тенденцию к увеличению при повышении скорости потока и одновременном увеличении количества золы в смеси. В процессе экспериментов определялись плотность смеси рт и температура смеси Т. На основе полученных данных о плотности смеси рассчитывалась объемная концентрация (см. таблицу). Плотность рассчитывалась по следующей формуле
I, кПа/м 1 4,5
4 1 3,5 3 ^
2,5 2 1 1,5 1
0,5 Н 0
ф Зола:рассол 1,5:1 О Зола:рассол 1,1:1 + Зола:рассол 1:1 А Зола:рассол 0,5:1 ■ Рассол 70% <>Вода
в"
1
1,5
2
2,5
3 V, м/с
Рис.4. Затрачиваемая энергия для различных скоростей потока
т - т
Р т =
_ ##»0
где рт - плотность смеси; т0 - контейнер со смесью; т - масса контейнера; Ут - объем смеси. Объемная концентрация смеси рассчитывалась по формуле
с, =
Рт-Р у Р * -Р у
где Ру - плотность воды; р^ - плотность зольной пыли.
Результаты экспериментов
Параметры Тип смеси
Чистая вода Рассол Зола-рассол Зола-рассол Зола-рассол Зола-рассол
Массовое соотношение золы и раствора Т, °С Рт, кг/м3 Ут, кН/м3 16 1000 9,81 70 16-17,5* 1021,2 10,02 0,018 0,5:1 21-21,5 1253,7 12,30 0,185 1:1 25-26 1420,0 13,96 0,307 1,1:1 27-27,5 1433,0 14,06 0,317 1,5:1 28,5 1501,5 14,73 0,366
* Начало и конец эксперимента
ёИржи Собота
Влияние солености гидросмеси зольной пыли.
На основе известных данных о плотности смеси pm и описанного метода рассчитывается расход энергии на метр столба смеси:
I = I
Ш ^ '
Рш
где 1Ш - затраты энергии на метр столба смеси; 1№ -затраты энергии на метр столба воды.
Результаты представлены на рис.5. Данные о затрате энергии показывают, что величина затрачиваемой энергии увеличивается с увеличением скорости потока смеси и возрастанием содержания зольной пыли в смеси (концентрация смеси).
, кПа 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
• Зола:рассол 1,5:1 ОЗола:рассол 1,1:1
♦ Зола:рассол 1:1 ^Зола:рассол 0,5:1 ■ Рассол 70 % ОВода
Н»
И»
• 9 • 9
• п9 а
А
1,5
2,5
V, м/с
Рис.5. Потребляемая энергия на метр столба смеси
I
1
2
3
Выводы
Протестированная зольная пыль ТЭЦ Siersza имеет типичные свойства (распределения размеров частиц, плотность) для зол, используемых в смесях для закладки выработанного пространства. Повышение солености жидкости (воды) изменяет ее вязкость. Рассол по сравнению с чистой водой сохраняет жидкую форму даже при увеличении вязкости. Повышение вязкости может повлиять на характеристики смеси соленой воды и золы, например, вызвав эффект флокуляции. Изменения в солености также влияют на точность определения коэффициента сопротивления (трения) X во время течения потока в трубопроводе, поскольку он зависит от числа Рейнольдса и вязкости жидкости соответственно. Увеличение концентрации зольной пыли в смеси приводит к увеличению потерь энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Boddu S. Behaviour of eccentrically and obliquely loaded footing on reinforced flyash // M.Tech. Thesis. IT. Roorkee, 2002.
2. British standard code of practice for Strengthened / reinforced soils and other fills. BS: 8006-1997.
3. Chaney R.C. Pulverized coal ash as structural fill / R.C.Chaney, L.A.Dengler, H.Y.Fang // Journal of Geotechnical Engineering. ASCE. 1982. P. 1356-1359.
4. Das Arghya. Effect of Randomly Distributed Geofibers on the Piping Behaviour of Embankments Constructed With Fly Ash as a Fill Material / Arghya Das, Ch.Jayashree, B.V.S.Viswanadham // Geotextiles and Geomembranes. 2009. № 27. P. 341-349.
5. Desai M.D. Experience in shear testing for problems of earth dam foundations & embankment materials / Pre-conference Symposia on Pore Pressure & Shear Resistance of Soils. INS of SMFE, New Delhi, 1967.
6. Desai N.H. Experimental Investigation for use of Flyash as a Major Constituent with Clay for Construction of Embankment // M.Tech Thesis. D.D.University. Nadiad, 2007.
7. Venkatappa Rao G. Geosynthetics - new horizons / G.Venkatappa Rao, P.K.Banerjee, J.T.Shahu, G.V.Ramana. New Delhi: M/s Asian Books Pvt. Ltd, 2005. P. 24.
8. Geotechnical Software Suite GEO5- User's Guide Manual. Version 12. Fine Ltd, 2011.
9. Gupta K.K. Bearing capacity and settlement characteristics of reinforced flyash // M.E.Thesis. IITK. Rookee, India, 1995.
10. Study on the application performances of saponated residue and fly ash mixture as geogrids reinforced earth retaining wall filling material / Ji-Shu Sun, Yuan-Ming Dou, Chun-Feng Yang, Jian-Cheng Sun. Geohunan International Conference. ASCE // Geotechnical Special Publication. 2009. № 197. P. 197-201.
11. K.Ramu. An experimental study of fly ash columned bed in expansive soil // Geotechnics in Infrastructures Development. Guntur, India. 2009. P. 77-79.
12. Mc KittrickD.P. Reinforced earth: application of theory of research to practice / Keynote Address. Symposium on Soil Reinforcing & Stabilizing Techniques in Engg. Practice, Sydney, Australia, 1978.
13. Pal Sujit Kumar. Shear strength behaviour of indian fly ashes / Pal Sujit Kumar, Ghosh Ambarish // Geotechnics in Infrastructures Development. Guntur, India. 2009. P. 18-22.
Автор Иржи Собота, д-р техн. наук, профессор, jerzy.sobota@up.wroc.pl (Университет экологии и биологии, Вроцлав, Польша).
Статья принята к публикации 2.02.2017.
