Способ устройства противофильтрационного покрытия накопителей водосодержащих отходов производства

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для предотвращения загрязнения естественных грунтовых вод фильтрацией из накопителей водосодержащих отходов производства, например шламонакопителей или золоотвалов. Способ включает укладку на подготовленное грунтовое основание слоя высококальциевой золы сухого удаления, смешанной с водой. Укладку этого слоя осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,3 и с уплотнением и выдерживают его после укладки до приобретения им заданной прочности. Во время выдерживания слой высококальциевой золы посредством защитного слоя предохраняют от полного насыщения его водой и от промерзания. В результате применения изобретения повышается надежность противофильтрационного покрытия и упрощаются работы по его устройству. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ устройства противофильтрационного покрытия накопителей водосодержащих отходов производства.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для предотвращения загрязнения естественных грунтовых вод из накопителей водосодержащих отходов производства типа шламонакопителей и золоотвалов (золошлакоотвалов), а также из бассейнов при них.

Известен способ устройства противофильтрационного покрытия накопителей водосодержащих отходов производства, согласно которому по кольцевому пульпопроводу нагнетают смешанную с водой высококальциевую золу, укладывают ее под водой равномерным слоем на подготовленное ложе грунтовой емкости, и в состоянии избыточного увлажнения выдерживают до приобретения слоем высококальциевой золы заданной прочности [1].

Недостатком известного способа является недостаточная надежность противофильтрационного покрытия. Набухшая в воде и выпавшая в осадок высококальциевая зола из-за ее раннего твердения не самоуплотняется, что обуславливает низкую прочность противофильтрационного покрытия и его относительно высокую водопроницаемость. При этом укладка золы под водой равномерным слоем трудно осуществима и возможна только на относительно горизонтальных участках ложа емкости, при этом неизбежно фракционирование золы, что обуславливает неравномерность прочностных и противофильтрационных свойств такого покрытия. Дополнительно, в период устройства противофильтрационного покрытия из грунтовой емкости через ее незащищенное ложе происходит утечка загрязнений в окружающую среду.

Известен также способ, включающий укладку на подготовленное грунтовое основание слоя высококальциевой золы сухого удаления (отбора), смешанной с водой в водозоловом отношении их масс 0,35-0,80, при этом укладку смеси осуществляют путем не менее чем 3-кратного последовательного разлива слоями толщиной 5-6 сантиметров. Такое противофильтрационное покрытие приобретает прочность при статическом сжатии в 28-суточном возрасте от 3,0 до 7,6 МПа [2, прототип].

Недостатком этого способа является недостаточная надежность противофильтрационного покрытия и сложность работ по его устройству. Высококальциевая зола в разлитом слое находится в водонасыщенном и набухшем состоянии, поэтому плотность ее скелета в слое низкая, а ее твердение вследствие чрезмерно интенсивной гидратации свободного кальция происходит с образованием трещин. Все это обуславливает местами относительно высокую водопроницаемость противофильтрационного покрытия. Дополнительно, устройство покрытия 3-кратным и более разливом тонких слоев быстротвердеющей водозоловой смеси сложно, а при низких отрицательных температурах наружного воздуха практически неосуществимо. Изобретением решается задача повышения надежности противофильтрационного покрытия накопителей водосодержащих отходов производства при одновременном упрощении работ по его устройству. Технический же результат от использования изобретения заключается в повышении плотности и трещиностойкости противофильтрационного покрытия из высококальциевой золы, уменьшающих его водопроницаемость, и в возможности его выполнения при более низких, в сравнении с известным способом, температурах наружного воздуха.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем укладку на подготовленное грунтовое основание слоя высококальциевой золы сухого удаления, смешанной с водой, согласно изобретению укладку этого слоя осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,3 и с уплотнением. После этого слой высококальциевой золы выдерживают до приобретения им заданной прочности, при этом во время выдерживания его посредством защитного слоя предохраняют от полного насыщения водой и от промерзания. Укладку слоя высококальциевой золы чаще всего осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе 0,10-0,25 и с выполнением условия

G≤0.8,

где G - степень влажности высококальциевой золы в слое непосредственно после его уплотнения. С поверхности защитного слоя осуществляют отвод атмосферных осадков, а сам защитный слой выполняют из высококальциевой золы сухого отбора. Целесообразно укладку слоя высококальциевой золы осуществлять в осенний период года.

При отношению воды к высококальциевой золе по массе менее 0,2 укладку слоя высококальциевой золы обычно осуществляют при влажности подготовленного грунтового основания более 20% и/или защитный слой выполняют из мелкозернистого материала, имеющего влажность более 20%. В этом случае подготовка грунтового основания и выполнение защитного слоя могут быть осуществлены путем отсыпки слоя влажной золы, взятой из секции намывного (наливного) золоотвала.

Основными отличительными признаками предложенного способа являются укладка слоя высококальциевой золы сухого удаления при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,3 (или, что то же: влажность золы менее 30%) и с уплотнением, выдерживание этого слоя после укладки до приобретения им заданной прочности и предохранение его от полного насыщения водой и от промерзания, во время выдерживания.

Это позволяет создать в порах уплотненного слоя высококальциевой золы водовоздушную среду (G≤0,8), что обеспечивает снижение интенсивности гидратации свободного кальция в начальный период твердения и уменьшает набухание слоя высококальциевой золы при ее твердении до приобретения им заданной прочности, необходимой для воспринятия напряжений набухания, которые возникают при насыщении окаменевшего слоя высококальциевой золы водой в процессе складирования на него водосодержащих отходов производства.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - противофильтрационное покрытие накопителя водосодержащих отходов производства, поперечный разрез, пример 1;

на фиг.2 - тоже что и на фиг.1, пример 2;

на фиг.3 - график связи водозолового отношения (В/З) и пористости n в слое высококальциевой золы непосредственно после его укладки при степени влажности G=1.0, 0.8, 0.6 и 0.5 и при осредненной для зол ирша-бородинских углей агрегатной плотности ρ_а=2500 кг/м³ [3, с.79] - модель “идеального” зернистого материала, химически инертного по отношению к воде.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. На подготовленное грунтовое основание 1 емкости 2, образованной ограждающей дамбой (не показана), с уплотнением укладывают слои 3 и 4 высококальциевой золы сухого удаления (от электрофильтров или циклонов). Слой высококальциевой золы 3 (нижний), непосредственно образующий в процессе самотвердения до заданной прочности противофильтрационное покрытие, в дальнейшем именуется рабочим слоем, а слой 4 (верхний) - защитным слоем. Высококальциевую золу, содержащую оксида кальция 20-50%, в том числе свободного 5-10% [2], укладывают в слои рабочий 3 и защитный 4 в виде ее смеси с водой при соотношении воды к высококальциевой золе В/З по массе 0,10-0,25 и уплотняют.

Основные технологические параметры способа (водозоловое отношение В/З и степень уплотнения слоя высококальциевой золы, необходимая величина набора им прочности и время его выдерживания для этого, материал защитного слоя и устройства для отвода атмосферных осадков с поверхности последнего) для конкретной высококальциевой золы и применительно к конкретным природно-климатическим условиям каждый раз устанавливают исследованием. Пределы же изменения параметров способа ниже определены с использованием изображенного на фиг.3 графика, рассчитанного по известным из механики грунтов формулам, а также источников [2] и [3] и наблюдений за складированием высококальциевых зол на Красноярских ТЭЦ и Березовской ГРЭС - 1.

Верхний предел водозолового отношения В/З по массе не следует принимать более 0,25, при котором в слое высококальциевой золы степени влажности G<0,8 соответствует высокая начальная пористость n>0,44 (фиг.3).

Нижний предел водозоловго отношения В/З по массе не следует принимать менее 0,1, при котором даже при трудноосуществимом уплотнении слоя высококальциевой золы до пористости n=0,30 в нем устанавливается низкая степень влажности G=0,6, что чрезмерно замедляет процесс твердения и обуславливает пыление.

Слой высококальциевой золы, уплотненный при водозоловом отношении 0,175 (средина интервала 0,1-0,25) до степени влажности G=0,8, имеет начальную пористость n₁=0,35. Это в 1,7 раза меньше наиболее ожидаемой начальной пористости n₂=0,6 при В/З=0,6 и G=1,0 в известном способе (слой высококальциевой золы изначально полностью водонасыщен). При этом коэффициенты пористости соответственно e₁=0,54 в предложенном способе и е₂=1,5 в известном способе разнятся в 2,8 раза. Такие слои высококальциевой золы рабочий 3 и защитный 4 твердеют спокойно без существенного разуплотнения и без образования трещин. Их поры, объем которых существенно уменьшен уплотнением, в процессе такого замедленного твердения полностью заполняются новообразованиями, что обеспечивает этим слоям низкую водопроницаемость, существенно ниже, чем в известном способе.

Укладку с уплотнением высококальциевой золы в слой рабочий 3 и защитный 4 осуществляют одновременно на их общую толщину δ=δ_p+δ_з, где δ_р - толщина рабочего слоя 3, δ_з - толщина защитного слоя 4. При этом верхнюю по толщине часть защитного слоя 4 увлажняют дополнительно искусственным или естественным путем. В результате этого в защитном слое 4 интенсифицируется гидратация, после чего через два-три дня над рабочим слоем 3 образуется слабо проницаемое покрытие, с поверхности которого организуют отвод атмосферных осадков (уклоны поверхности и экранированные водоотводящие канавы не показаны). При необходимости рабочий слой 4 предохраняют от преждевременного насыщения грунтовыми водами 5 известными средствами: траншеи, иглофильтры и др. (на чертеже не показаны).

Необходимую прочность, обычно около 1-2 МПа, рабочий слой 3 приобретает в течение 2-3 месяцев. После этого насыщение рабочего слоя 3 водой не вызывает его разрушение ни от набухания, ни от ускорения процесса гидротации. При этом в результате последнего поры полностью закупориваются новообразованиями, превращая рабочий слой 3 в водоупор.

Укладка высококальциевой золы в слои рабочий 3 и защитный 4 может быть осуществлена в осенний период года (в зиму). В этом случае толщину δ_з защитного слоя 4 соотносят с глубиной его промерзания h_м, величина которой вследствие интенсивного разогрева слоев рабочих 3 и защитного 4 за счет экзотермической реакции гидратации в этих слоях, покрытых зимой слоем снега 6, не велика и по опыту складирования высококальциевых зол во влажном состоянии на Красноярских ТЭЦ редко превышает 0,1-0,2 метра. Такой слой 4 способен аккумулировать обычно не более 0,03-0,05 метра влаги атмосферных осадков. Поэтому укладку слоев рабочих 3 и защитного 4 целесообразно осуществлять непосредственно при переходе осенью среднесуточной температуры воздуха местности через ноль градусов Цельсия. Это дает возможность рабочему слою 3 твердеть в благополучных температурно-влажностных условиях в течении 4-6 месяцев до образования из его высококальциевой золы качественного золобетона. При этом граница 7 между слоями рабочим 3 и защитным 4 устанавливается естественным путем. При благополучных строительно-климатических условиях толщина δ_з защитного слоя 4 обычно не более 0,10 метра. В этом случае суммарная толщина δ слоев рабочего 3 и защитного 4 будет находиться в пределах 0,4-0,6 метра.

Заданный объем воды в высококальциевую золу вносят в смесителях при отборе на ТЭЦ, транспортируют эту золу автосамосвалами, а разравнивают и уплотняют ее посредством широко известных строительных машин и механизмов для земляных работ.

Устроенное таким способом противофильтрационное покрытие не имеет трещин, практически водонепроницаемо и готово принять на себя водосодержащие отходы производства 8 вместе с жидкостью атмосферных осадков. При этом насыщение водой его рабочего слоя 3 происходит без существенного набухания, а следовательно, и без его разуплотнения. Однако в дальнейшем под действием нагрузок отходов производства 8 в рабочем слое 3 может появится ограниченное количество трещин, которые заполняются мелкими частицами золы и продуктами продолжающейся гидратации. При этом в плоскости разрыва происходит механическая активация не полностью гидратированных частиц кальция. Все это обеспечивает качественное зарастание трещин и восстановление монолитности рабочего слоя 3.

Пример 2. В примере 1 количество влаги в рабочем слое 3, включая и вступившую в реакцию гидратации, поддерживают относительно постоянным во время выдерживания, в то время как нарастание прочности в рабочем слое 3 происходит непрерывно, причем наиболее интенсивно в начале выдерживания. Поэтому более оптимальным будет режим, когда в начале выдерживания будет дефицит влаги, снижающей интенсивность гидратации, а по мере набора рабочим слоем 3 прочности количество влаги будет плавно увеличиваться до степени заполнения влаги пор G, близкой к 0,8 в конце выдерживания. Это достигается тем, что укладку рабочего слоя 3 осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,2 (из условия пылеподавления В/З около 0,1) и при влажности подготовленного грунтового основания 1 более 20%, а защитный слой 4 выполняют из мелкозернистого грунта, имеющего влажность также более 20%.

При наличии намывного золоотвала (не показан) грунтовое основание 1 подготавливают путем укладки выравнивающего слоя с переменной толщиной δ_в (фиг.2) из золы, взятой из секции намывного золоотвала. Из такой же золы выполняют защитный слой 4. Зола из секции намывного золоотвала обычно имеет влажность 40-60%, из них 20-30% - свободная влага. После выполнения слоев выравнивающего 9, рабочего 3 и защитного 4 в них за счет капилярных и других сил происходит медленное перераспределение влаги, что плавно увеличивает количество влаги в рабочем слое 3. Поэтому по мере набора рабочим слоем 3 прочности в нем происходит плавное ускорение процесса гидратации. Параметры режима такого выдерживания рабочего слоя 3 устанавливаются исследованием.

Поверхность частиц высококальциевой золы ТЭЦ сильно развита неровностями в виде выступов и бутылочной формы впадин, заполненных воздухом. Поэтому увлажнение поднимающейся по ее капиллярам грунтовой водой, в отличие от грунтов, происходит до степени влажности G менее 0,8, что позволяет характеризовать состояние рабочего слоя 3 как влажное, но не как водонасыщенное, а способ применять как при низком уровне грунтовых вод 5, так и при заболоченном основании.

Все это обеспечивает более полное достижение ранее указанного технического результата.

Использованные источники

1. Авторское свидетельство СССР №1390294, кл. Е 02 В 3/16, опубл. 23.04.88.

2. Авторское свидетельство СССР №1670032, кл. Е 02 В 3/16, опубл. 15.08.91.

3. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электростанций: П 26-85 /ВНИИГ, Л., 1986.

Формула изобретения

1. Способ устройства противофильтрационного покрытия накопителей водосодержащих отходов производства, включающий укладку на подготовленное грунтовое основание слоя высококальциевой золы сухого удаления, смешанной с водой, отличающийся тем, что укладку этого слоя осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,3 и с уплотнением и выдерживают его после укладки до приобретения им заданной прочности, при этом во время выдерживания слой высококальциевой золы посредством защитного слоя предохраняют от полного насыщения его водой и от промерзания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что укладку слоя высококальциевой золы осуществляют при отношении воды к золе по массе 0,1-0,25.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что укладку слоя высококальциевой золы осуществляют с выполнением условия G ? 0,8, где G - степень влажности высококальциевой золы в слое непосредственно после его уплотнения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что с поверхности защитного слоя осуществляют отвод атмосферных осадков.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполняют из высококальциевой золы сухого отбора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что укладку слоя высококальциевой золы осуществляют в осенний период года.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что укладку слоя высококальциевой золы осуществляют при отношении воды к высококальциевой золе по массе менее 0,2, при этом укладку осуществляют при влажности подготовленного грунтового основания более 20% и/или защитный слой выполняют из мелкозернистого материала, имеющего влажность более 20%.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что грунтовое основание подготавливают путем отсыпки слоя золы, взятой из секции намывного золоотвала.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что защитный слой выполняют из золы, взятой из секции намывного золоотвала.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3