CC BY
112
© Ю.В. Шувалов, С.А. Ильченкова, А.П. Бульбашев, Н.А. Гаспарьян,
Ю.Д. Смирнов, 2005
УДК 622.8.807.2
Ю.В. Шувалов, С.А. Ильченкова, А.П. Бульбашев,
H.A. Гаспарьян, Ю.Д. Смирнов
СИСТЕМА ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ И БИОПРОДУКТИВНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ НА ТЕРРИТОРИИ КАРЬЕРОВ
Семинар № 7
У'Л ткрытые горные работы занимают ведущее место (более 70 %) в добыче полезных ископаемых. Их существенным недостатком являются значительные нарушения и загрязнения природной среды выбросами пыли. Источниками пы-леобразования, как при ведении работ, так и после прекращения деятельности карьера, являются такие источники как отвалы, пляжные зоны хвостохранилищ и эрозионные зоны. Загрязнение отходами горного производства, представленными дисперсными и тонкодисперсными материалами (в основном 1,6-0,071 мм) происходит за счет эолового рассеивания складированного материала и попадания его в воздух, почву и т.д.
Несмотря на значительные масштабы проведенных исследований и предложенные конструктивные решения, практические результаты достаточны скромны. В этой связи поиск рациональных средств и способов снижения пылевых выбросов в атмосферу по-прежнему актуальная задача, особенно для карьеров.
Для предотвращения загрязнения окружающей среды отходами горного производства и продуктами их выветривания следует осуществлять физико-химическую стабилизацию пылящих поверхностей, возникающих на всех стадиях эксплуатации отвалов и хвостохранилищ, а также рекультивацию после окончания их эксплуатации.
Эти мероприятия основаны на создании устойчивого к ветровой эрозии поверхностного слоя на техногенных массивах физико-химическими и биологическими приемами. Эффективное пылепо-давление и защита пылящих поверхностей от ветровой эрозии достигается при проведении биологической рекультивации с предварительной стабилизацией их поверхностей вяжущими составами на основе органических материалов, в том числе с нанесением пены.
Новым способом снижения пылевыде-ления с поверхности техногенных массивов является комплексная система пыле-подавления и биопродуктивной рекультивации. Способ основан на укреплении верхнего слоя и создании связанной структуры, которая обеспечивает повышенные прочностные свойства, то-есть коагуляцию пылящего материала и связывание его в гранулы, а также связывание гранул между собой и с более крупными частицами, с одновременным повышением биоактивности массива для его дальнейшей рекультивации.
Мероприятия по закреплению пылящих поверхностей включают работы, связанные с орошением диспергированной водой и нанесением биопродуктивных мелиорантов на пылящие поверхности, обеспечивающие их структурирование и устойчивость против ветровой эрозии. В результате закрепления пылящих поверхностей с помощью биологически активных
клеящих добавок происходит связывание аэрогелей пыли, укрупняясь, они улучшают состояние материала и, прежде всего его структуру.
На отвалах и хвостохранилищах часто используется пена, затвердевающая в виде слоя небольшой толщины, препятствующая эрозии. На основе изучения свойств различных биологически активных веществ предложено использование новой экологически чистой, биоактивной пены, которая выполняет две главные задачи: закрепление пылящих поверхностей (отвалов, хвостохранилищ, откосов) и возврат нарушенных земель в сельскохозяйственный или лесной фонды.
В качестве связующего вещества при пылеподавлении предлагается использовать сапропель. Сапропель (от греч. sapros - гнилой и pelos - грязь, ил) - сложный органический, органоминеральный и минеральный комплекс веществ, формирующийся в результате биологических, микробиологических и механических процессов из остатков отмирающих растительных и животных организмов и привносимых в водоемы водой и ветром органических и минеральных примесей [1, 2]. По внешнему виду сапропель представляет собой жирную на ощупь массу оливковобурого, серого, желтого или розового цвета. Органическая часть сапропеля образовалась в результате анаэробного биохимического разложения биомассы и ее последующего ресинтеза микроорганизмами. Минеральная - в результате выпадения растворов элементов зольной пищи биомассы, глины, песка и так далее. Выбор этого вещества определяется двумя основными характеристиками: биостимуляция и склеивание пыли.
При закреплении поверхности техногенного массива методом пропитки клеящим раствором образуется устойчивый защитный грунтово-сапропеле-вый возду-хо-влагопроницаемый слой. Существенно, что биологически активное связующее на основе сапропеля не образует сплошную
непроницаемую пленку, а склеивание дисперсных частиц сапропелем происходит только в местах их соприкосновения. Через свободное пространство между частицами может свободно осуществляться фильтрация и аэрация нижних слоев.
Испытания связующего на основе сапропеля в качестве структурообразователя для различных типов почв и грунтов при борьбе с ветровой эрозией показали, что он резко улучшает состояние почв и, прежде всего, их структуру.
С помощью сапропелевого раствора удалось получить влагоудерживающий агрегат (отсутствие частиц < 250 мкм), уменьшить испарение пылящих поверхностей. Испытания показали, что после обработки 8 % раствором препарата все образцы устойчивы к воздействию ветрового потока до 10 м/с. Максимальное значение пылеуноса не превышает 0,8 мг/(см2-с), что в 3-5 раз меньше, чем у незакрепленных образцов.
В некоторых случаях в атмосфере на территории расположения техногенных массивов появляются высокодисперсные аэрозоли, иногда не поддающиеся эффективному осаждению за счет орошения с добавлением связующего вещества (сапропеля). В этом случае укреплять пылящие поверхности следует биоактивной пеной, на основе сапропеля, способного образовывать цепочки (склеиваться). При приготовлении пены сапропель используется в качестве естественного органического удобрения, а также как вещество, имеющее большую степень минерализации, а значит, являющееся стабилизатором пены, создающим своего рода каркас.
Для получения пенной смеси применена реакция газообразования на основе алюминиевой пудры, которая реагирует с гидратом окиси кальция в водной среде и выделяет водород:
2 А1 + 3 Са(ОН)2 + 6 Н20 =
= Са3 [А1 (ОН)6]2 + 3 Н2 Т
Опытами установлено, что через 3-4
часа реакция газообразования прекращается и полученная пена приобретает максимальную кратность. Пена полностью высыхает в течение 30-45 дней. На пылящей поверхности наблюдается плотная корка, которая не разрушается в процессе полива и последующего иссушения, обеспечивая защиту поверхности почвы от пыления и разрушения вследствие осадков.
Однако незадерненные укрепленные пылящие поверхности техногенных массивов биоактивным связующим или пеной на основе сапропеля все же являются источниками пылеобразования и загрязнения окружающей среды района горных предприятий. В связи с этим возникает необходимость применения дополнительных мер наряду с укреплением техногенных массивов, основанных на совершенствовании технологических приемов рекультивации техногенных массивов. Особое значение в этой связи приобретают исследования, направленные на разработку экономически целесообразных способов восстановления биологической продуктивности нарушенных площадей, исключающих выполнение трудоемких операций по нанесению традиционного почвенного слоя при рекультивации.
Многочисленными исследованиями (Бондарь Г.А., Масюк Н.Т., Моторина Л.В. и др.) выявлено замедление темпов естественного формирования растительного покрова на отвалах, хвостохранили-щах горных предприятий, что объясняется обедненностью горных пород питательными веществами. Повысить биопродуктивность удалось благодаря разработанному способу укрепления пылящих поверхностей сапропелем и биоактивной пеной на основе сапропеля.
Применение разработанного способа повышения плодородия почвы и защиты от ветровой эрозии, основанного на внесении биологически активного вещества в почву, способствует:
• улучшению структуры почвы (как
правило, почва приобретает мелкокомковатую зернистую структуру, что обеспечивает уменьшение сдувания пыли);
• повышению содержания в образцах почвы основных биогенных элементов (углерода, азота нитратов, подвижного фосфора и калия);
• повышению содержания влаги в почве;
• стимуляции прорастания и роста посеянной травы.
Исследованиями, выполненными отечественными учеными, подтверждена высокая ценность сапропелей, как комплексных органических удобрений [1, 2, 3, 4, 5]. Сапропели являются прекрасным питательным субстратом для микроорганизмов. В их составе обнаружены многие биологически активные компоненты (гу-миновые кислоты, каротин, витамины), фолиевая кислота, что позволяет считать его активной минерально-витаминной подкормкой. Минеральная часть сапропеля, представляющая собой основную составляющую сапропелевого удобрения содержит большое количество микроэлементов, таких как: Со, Мп, Си, В, 2п, Вг, Мо, V, Сг, Ве, N1, Ag, 8п, РЬ, Аб, Ва, 8г, И
При использовании сапропеля в качестве удобрения улучшается режим азота в грунтах, что особенно актуально при рекультивации. Создание растительного покрова на укрепленной поверхности является наиболее надежным и долговечным решением защиты от эрозии. Установлено, что запыленность воздуха озелененных территорий на 40 % ниже, чем открытых, в них улавливается до 70-80 % аэрозолей. Способность растительных веществ очищать атмосферных воздух от пыли и аэрозолей объясняется физиологическими и биологическими процессами, физико-
химической способностью листовой поверхности и ветвей задерживать и осаждать пыль.
Основной причиной низкого плодородия песчаных почв является ничтож-но малое содержание в них илистой фракции. Так как элементы питания сосредоточены, главным образом, в илистой фракции, то песчаные почвы всегда характеризуются более низким содержанием этих элементов, чем их аналоги среднего и тяжелого механического состава. Поэтому для обеспечения культурных растений элементами питания песчаные почвы в большей степени чем другие нуждаются в применении минеральных и органических удобрений. Но из-за отсутствия содержания илистой фракции в техногенных массивах поглотительная способность этих почв невелика, в то время как водопроницаемость, наоборот, очень высока. Поэтому они не могут удерживать значительные запасы воды, и водоснабжение растений практически полностью зависит от частоты выпадающих осадков.
Разработанная нами технология является весьма простой и позволяет произвести рекультивацию поверхностей техногенных массивов без особых проблем. Всхожесть семян составляет 80%, а относительно контроля - 100 %.
Таким образом, при положительных температурах воздуха система пылеподав-ления и биопродуктивной рекультивации основана на связывании аэрозолей и аэрогелей диспергированными водными растворами и использованием фазовых переходов воды (пар жидкость ), то есть конденсацией. Для повышения эффективности процесса пылеподавления в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха использованы фазовые переходы воды ( жидкость лед ), то-есть снегообразование.
Укрепление пылящих поверхностей осуществляется с помощью запатентованной установки (рис. 1) на базе снегогене-
Рис. 1. Схема установки для снижения пылеоб-разования и повышения биопродуктивности рыхлых отложений: 1 - первый конусообразный раструб; 2 - второй конусообразный раструб; 3 -цилиндрический кожух; 4 - пневмогидравличе-ская форсунка; 5 - пневмогидравлическая фор-сунка-тумано-образователь; 6 - вентилятор; 7 -канал подачи воды; 8 - канал для подачи сжатого воздуха; 9 - емкость с боклеящим раствором (сапропелем); 10 - форсунки-диспергаторы; 11 - система подвода раствора ратора, которая относится к тех-
*р;'
£$цаЧи холЪднЬ^о и' kkp 9, 12^сопл 3 валя; 11 - кольцевая полости 9 2 6
нике для связывания пыли и может быть использована круглогодично для пылео-саждения на пылящих поверхностях [6]. Работа устройства при отрицательных температурах атмосферного воздуха основа на противоточном движении диспергированной в пневмогидравлической форсунке 4 воды, снабженной соплом Лаваля, подаваемой по каналу 7, и холодного наружного воздуха, засасываемого через раструб 1 вентилятором 6. Под действием сжатого воздуха, подаваемого из канала 8, вода движется навстречу холодному воздуху по раструбу 1. Замерзание капель воды ведет к образованию снега на выходе из раструба 1 и связыванию витающей пыли с одновременным нагреванием прошедшего через раструб 1 воздуха до умеренных (около 0 °С) температур. Работа вентилятора 6 обеспечивает дополнительный нагрев воздуха, а диспергируемая в гидравлической форсунке - туманообразователе 5 вода, поступающая в него по каналу 7, обеспечивает его увлажнение с сохранением ядер кристаллизации и туманосне-гообразование в атмосфере наружного воздуха на выходе из конусообразного раструба 2. Одновременно с этим емкость 9, заполненная биоклеящим раствором, обеспечивает дополнительную подачу биоклеящего раствора к форсункам - диспергаторам с помощью системы подвода, благодаря чему имеет место захват витающей пыли и ее связывание.
Вентилятор может быть заменен парогенератором с двухсторонним выпуском пара и его струйной эжекцией через диффузор и конфузор (пневмогидравлическая форсунка - снегогенератор отключена), что обеспечивает конденсационное пылеподавление в теплый период года с сокращением расхода воды, необходимой для клеящего биопродуктивного раствора и парообразования.
На выходах из раструбов 1 и 2 водовоздушная - биоклеящая смесь обеспечи-
вает более эффективное связывание осевшей пыли и эффективную дальнейшую рекультивацию пылящих поверхностей.
Выброс струи водовоздушной смеси обеспечивается на расстояние до 5-7 м во встречном потоке холодного воздуха, засасываемого вентилятором.
Конусообразные раструбы подвижны и угол движения их составляет 1800, что способствует пылеподавлению в различных направлениях, или сосредоточение двух факелов в одной точке.
Условия для применения конденсационного и снегогенерирующего модулей с биопродуктивными растворами, или без него, определяются конкретной климатической ситуацией.
Основным элементом устройства является пневмогидравлическая форсунка (рис. 2, 3,), в которой вода под давлением по каналу 3 через радиальную выточку 4 и кольцевую щель 5 поступает в смесительную камеру 6, диспергируя воду, и далее воздушная смесь поступает через диффузор 7 в выходное отверстие, где охлаждается воздухом, прошедшим через второе сопло Лаваля 12 и направляется в атмосферу.
Диаметр сопла в испытанных устройствах изменялся от 3 до 15 мм. При диаметре 3-5 мм расход сжатого воздуха составляет 0,5 м3/мин (давление 0,5-1,0 МПа), расход воды 0,3 м3/ч, выход снега 85-90 % с размерами кристаллов 50-250 мкм и плотностью снега 350 кг/м3. Удельный расход электроэнергии при работе системы составляет 0,001-0,005 кВт-ч на 1 кг снега.
Применение пневмогидравлических форсунок - снегообразователей может обеспечить подогрев воздуха до положительных температур при повышенных коэффициентах орошения ( Кор ■ 0,1) и возвратно-поступательном движении капель в потоке атмосферного воздуха.
Применение устройства в зимний период может повысить энергетическую эффективность процессов пылеподавле-ния при использовании нагретого до умеренных отрицательных температур воздуха для пылеподавления.
В этом случае установка оборудуется дополнительной конической насадкой, устанавливаемой за всасывающим вентилятором, и предназначается для увеличения скорости вылета капельно-воздушной смеси, формируемой с помощью гидравлической форсунки-туманообразователя, встроенной внутри насадки после вентилятора. Работа устройства обеспечивает снегообразование - пылеподавление на выходе из снегогенератора и вынос снега за счет энергии сжатого воздуха. Конденсация пара и частичное замерзание тонко-диспергированных капель на пылинках обеспечивает их консолидацию и пылеподавление.
Таким образом, система пылеподавления и биопродуктивной рекультивации обеспечивает снижение пылеобра-зования и пылепереноса тонкодисперсных материалов, повышение биопродук-
Рис. 3. Конструкция пневмогид-равлической форсунки:
1 - кожух; 2 - канал для подачи воздуха; 3 - смесительная камера; 4 -диффузор; 5 - канал для подвода воды; 6 - радиальная выточка; 7 -кольцевая щель
тивности складируемых отвалов в летний и зимний периоды. Положительный эффект достигается в результате связывания пыли и коагуляции сыпучих тонкодисперсных материалов (песок и др.) распыленной в потоке сжатого воздуха водой с добавками связующего био-продуктивного материала, или в результате укрепления пылящих поверхностей техногенных массивов биоактивной пеной.
Разработанная технология защиты почвы от ветровой эрозии и повышения ее плодородия не вызывает дополнительного загрязнения среды и направлена на одновременное решение двух проблем:
• повышения плодородия почвы;
• борьбы с ветровой эрозией почвы.
Комплексная система пылеподавления, применяемая на техногенных массивах, экспонировалась на выс-тавках различного уровня, в том чис-ле на международных выставках в Париже (Франция), Брюсселе (Бельгия) и Сеуле (Корея), где была отмечена двумя серебряными и бронзовой медалями.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афанасьев А.Е., Болтушкин А.Н., Ко-пенкин В. Д. Торф и сапропель - полезные ископаемые Тверской области / Технология и комплексная механизация торфяного производства. Сборник научных трудов. - Тверь, 2000.
2. Лопотко М.З., Кислое НВ. Использование сапропелей в народном хозяйстве СССР и за рубежом. Обзорная информация. - М., 1990.
3. Сухая Т.В., Снопков В.Б., Лопотко М.3. Применение сапропеля в производстве древесноволокнистых плит /Проблемы переработки твердых горючих ископаемых. - Минск, 1980.
4. Гамаюнов НИ, Косов В.И., Масленников Б. И. Ионообменные процессы и электрокинетические явления в набухающих природных и синтетических ионитах. - Тверь, 1999.
5. Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб.науч.трудов Вып. 11 / Под ред. Афанасьева. - ТГТУ, 2000.
6. Шувалов Ю.В., Илъченкова С.А., Гас-паръянН.А., БулъбашевА.П. Установка для снижения пыли / Положительное решение на патентование изобретения № 2003112390/06(013031) от 25.04.2003 г.
7. Шувалов Ю.В., Илъченкова С.А., Гас- горных пород / Горный информа-ционно-
паръян H.A., Булъбашев А.П. Снижение пылеоб- аналитический бюллетень, М., 2004, № 10.
разования и переноса пыли при разрушении
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, Илъченкова С.А. - аспирантка,
Гаспаръян H.A. - студент,
Смирнов Ю.В. - студент,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), Булъбашев А.П. - кандидат технический наук, директор Афанасьевского карьера.
--------------------------------- © А.Е. Воробьев, А.В. Мозолькова,
2005
УДК 662.73.002.2
А.Е. Воробьев, A.B. Мозолькова
РЕСУРСОВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Семинар № 7
растать [1, 2].
В общем балансе мировых запасов угля Россия занимает первое место (рис. 1) [1]. Однако значительная часть разведанных месторождений России представлена бурыми и каменными углями низкого качества, что затрудняет их эффективное использование для технологических и энергетических целей, а также увеличивает объем и токсичность выбросов при их сжигании, существенно снижает конкурентоспособность российских углей на международном рынке, уменьшает их рыночную стоимость.
Низкокачественные угли перед использованием обычно обогащают. Наиболее распространенными методами обогащения углей являются гравитаци-
Согласно имеющимся прогнозам уголь сохранит свою роль основного энергоресурса и в дальнейшем, а его добыча в обозримом будущем будет воз-
