CC BY
46
УДК 528.4
С.В. Комонов, Д.А. Озерский КГТУ, Красноярск
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОМЕРЗАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ СЛОЕВ ВОДОНАСЫЩЕННОЙ ЗОЛЫ И ЛЬДА С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРИОГЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
Вопросы энерго- и теплоснабжения промышленных объектов и населенных мест во многих случаях решаются при устройстве теплоэлектростанций (ТЭС) различной мощности. Для складирования золошлаковых отходов вводятся золоотвалы, являющиеся постоянными источниками загрязнения атмосферы, почвы и водных объектов.
Ущерб окружающей природной среде при эксплуатации золоотвалов наносится в результате фильтрации промышленных стоков через тело и основание дамб, что в свою очередь снижает их устойчивость. Не менее значительное негативное воздействие оказывают процессы пыления надводных зольных пляжей. Оно происходит в результате выноса в атмосферу частиц золы с поверхности сухих пляжей, действующих золошлакоотвалов, а также заполненных и выведенных из эксплуатации, но не законсервированных и нерекультивированных золоотвалов.
В условиях Сибири наиболее апробированной технологией оперативного пылеподавления является кратковременный подъем уровня в пруде и затопление или увлажнение пылящих пляжей в период наиболее активного пылеобразования. Существенным недостатком этой технологии является неизбежное возрастание фильтрационных нагрузок на сооружения (подъем депрессионной поверхности, увеличение выходных градиентов на участке высачивания и соответствующее снижение фильтрационной прочности грунтов и устойчивости откоса).
Предлагается новый способ пылеподавления, который основан на использовании цикла сезонного промерзания-оттаивания в сочетании с ледяным покрытием. В результате замедляется процесс оттаивания и обеспечивается увлажнение оттаявшей поверхности пляжа. Актуальность этой работы определяется недостаточным техническим уровнем существующих способов борьбы с пылением тонкодисперсных промышленных отходов (зола, хвосты, шламы и др.) на поверхности накопителей (золоотвалов, хвостохранилищ и др.).
В условиях Сибири процесс пылеобразования на пляже во многом определяется такими климатическими факторами, как промерзание-оттаивание, сублимация, зимняя ветровая эрозия и др. В то же время эксплуатация различных накопителей показывает, что имеется возможность эффективного использования криогенных процессов для управления пылеобразованием.
Предлагаемый способ основан на использовании естественного процесса зимнего промерзания предварительно увлажненного пляжа и последующим намораживанием на нем слоя льда.
Опытная технология пылеподавления (рис. 1) включает следующие этапы: намыв пляжа; кратковременное затопление пляжа; промораживание максимально водонасыщенного пляжа; намораживание слоя льда определенной толщины; контролируемое оттаивание мерзлого слоя золы и слоя ледяной теплоизоляции (ЛТИ).
В холодный период года слой льда защищает объект от зимней ветровой эрозии. В весенний период медленное таяние слоя льда и переувлажненного (льдонасыщенного) грунта обеспечивает постепенное увлажнение намывного массива. В результате увлажненный слой золошлаков предохраняет пляж от пыления в наиболее активный период, когда происходит наиболее интенсивное выдувание золы (май - июнь).
Расчетно-теоретическое обоснование предлагаемого способа включает вычислительное моделирование процессов промерзания-оттаивания слоев водонасыщенной золы и льда с целью определения оптимальных параметров криогенной технологии пылеподавления.
Тепловые расчеты выполнены также аналитическими методами по известным методикам. Рассматривалось промерзание-оттаивание зольного пляжа без учета ледяной теплоизоляции (ЛТИ) и по предлагаемой технологии. Температурные условия и теплофизические характеристики золы приняты по данным, полученным ранее для Иркутской ТЭЦ-10.
Аналитический расчет выполнен по методу Г.М. Фельдмана. Высота слоя льда изменяется в диапазоне от 0 до 0,30 м. Верхнее граничное условие (ВГУ) назначается как средняя за расчетный зимний период (январь - март) постоянная отрицательная температура поверхности пляжа или льда гя = минус 20 °С. В качестве нижнего граничного условия задана постоянная положительная температура, равная минимальной температуре фильтрационного потока (= плюс 4 °С) на различной глубине (2 - 8 м.).
Глубина промерзания пляжа составила 0,55, 0,73, 0,77 м.
соответственно в ноябре, декабре и январе, а далее практически не увеличивается.
По первому варианту (без учета ледяной теплоизоляции) глубина оттаивания пляжа составляет в апреле 0,2, мае 0,47, июне 0,61 и в июле 0,67 м.
По второму варианту глубина оттаивания слоя льда и пляжа составила 0,04, 0,19, и 0,29 м соответственно в апреле, мае и июне. Следовательно, защита поверхности пляжа слоем льда толщиной ~ 0,25 м, обеспечивает водонасыщенное состояние поверхности пляжа в течение апреля - июня т.е. в период наиболее активного пыления.
Результаты вычислительного моделирования приведены на геотермограммах, характеризующих изменение температуры зольного массива по глубине в течение расчетного периода.
Расчетная глубина промерзания зависит от теплового влияния фильтрационного потока. При расположении кривой депрессии на глубине 8 м от поверхности пляжа фронт промерзания зафиксирован на глубине 1,7 м. Когда кривая депрессии расположена на глубине 4м, фронт промерзания к февралю опускается на 1,6 м. При поднятии кривой депрессии на 2м и приближении ее к поверхности резко меняется прогнозируемая картина промерзания, т.к. фронт промерзания не может опуститься ниже кривой депрессии. При расположении этой кривой на глубине 2м. фронт промерзания опускается до глубины 1,35 м.
Сопоставляя результаты расчетов, выполненных по аналитическим зависимостям и численным методом, можно сделать вывод об их вполне удовлетворительном совпадении (рис. 2). Положительной стороной вычислительного моделирования является возможность оценки динамики процесса промерзания при изменении краевых условий задачи, а также анализ динамики изменения температуры золошлакового массива по глубине, что аналитическими расчетами можно выполнить только для весьма упрощенных условий.
Рис. 2. Сравнительный график динамики промерзания
Совпадение сравниваемых результатов позволяет сформулировать выводы, дающие возможность представить общую картину промерзания-оттаивания золошлакового массива пляжа.
Максимальная глубина промерзания (рис.2) в аналитических расчетах получается равной 0,77 м, в численных расчетах - 0,85 м при влажности золошлакового массива 35%.
По первому варианту промерзший слой полностью оттаивает за весенний период.
По второму варианту, при создании ледяной теплоизоляции (ЛТИ) толщиной 0,25 м процесс оттаивания продлевается почти на 1 месяц (рис. 3). Благодаря этому достигается необходимое увлажнение пляжа талыми водами, что в дальнейшем предохраняет его от пыления.
Рис. 3. Динамика оттаивания пляжа при криогенной технологии
пылеподавления
Результаты исследований свидетельствуют о возможности применения криогенной технологии пылеподавления для золоотвалов намывного типа, и могут найти применение на Иркутской ТЭЦ-10, Березовской ГРЭС-1, Назаровской ГРЭС, Ачинском глиноземном комбинате, и на других сибирских объектах.
© С.В. Комонов, Д.А. Озерский, 2005
