Экспериментальное исследование процесса пыления поверхности намывного пляжа золошлакоотвала

УДК 528.4

С.В. Комонов, Д.А. Озерский КГТУ, Красноярск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЫЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НАМЫВНОГО ПЛЯЖА ЗОЛОШЛАКООТВАЛА

Процесс пыления поверхности золошлакоотвалов может быть исследован различными методами - экспериментальными, аналоговыми, расчетными и комплексными. Наиболее полная и достоверная оценка пылящих свойств золошлакового массива на существующих золоотвалах проводится полевыми исследованиями при методически правильной их организации и использовании специальной аппаратуры.

Изучение явления ветровой эрозии с поверхности золоотвалов является весьма актуальным, т.к. ветровая эрозия - второй после фильтрации процесс распространения загрязнений. Под ветровой эрозией понимается совокупность процессов отрыва, переноса и отложения частиц ветром. Подверженность золошлаковых отложений ветровой эрозии определяется как параметрами ветра, так и совокупностью таких факторов как атмосферные осадки, температура воздуха, рельеф пляжа, гранулометрический и агрегатный состав, влажность золы.

При разработке эффективных методов пылеподавления необходимо предварительно рассмотреть процесс пыления с поверхности надводного пляжа золоотвла.

Цель наших экспериментальных исследований состоит в изучении процессов захвата и переноса ветром золошлакового материала. При моделировании определялись критическая скорость ветрового потока и влажность золошлакового материала, которые являются определяющими в процесс пыления.

Рассмотрение процесса эродируемости золы и пыления поверхности пляжа золоотвала должно учитывать наиболее значимые факторы, воздействующие на окружающую природную среду (ОПС).

В исследованиях рассматривались вопросы интенсивности ветровой эрозии, которая зависит от скорости ветра, устойчивости частиц золы и влажности золошлаковых отложений, и других факторов.

Аэродинамическая установка (рис. 1) спроектирована для исследования процесса пыления зол Канско-Ачинских углей. В установку помещается загрузочный ящик с золой (1) для исследования процесса пыления. Диаметр эродируемых частиц золы d (мм) определяется при помощи лабораторных сит. С помощью вентилятора (2) в установку нагнетается поток воздуха различной скорости, от критической минимальной - 2 м/с, до максимальной 20-25 м/с. Скорость ветра определяется анемометром (3), установленным в коробе №1 (4). Воздушный поток, проходя над поверхностью золы в коробе №2 (5), выносит частицы различных фракций. Процесс пыления можно наблюдать через стекло (6). Вынесенные частицы оседают в коробе №1 и попадают в ящик для сбора золы (7). Исследования проводятся для установления выноса

количества и фракционного состава золы при различных скоростях ветра и влажности золошлакового массива.

Рис. 1. Схема аэродинамической установки

При производстве эксперимента в загрузочный ящик (50х50х10 см), на площади 2500 см , помещается испытываемая зола слоем (10 см). Скорость движение потока воздуха в установке повышается до момента, когда зола начинает пылить. Затем развивается еще большая скорость воздушного потока, при которой происходит захват ветровым потоком частиц золы и унос в ящик (7). Все исследования проводятся при постоянной температуре и влажности воздуха. Вес материала фиксировался перед опытом и после него.

По результатам опытов строятся графики зависимости количества вынесенных частиц золы от скорости воздуха и времени. В итоге определяется критическая влажность золы, при которой процесс пыления практически невозможен.

Скорость протекания процессов ветровой эрозии зависит от эродируемости поверхности грунта и эродирующей способности ветра. В выполненных экспериментах рассмотрены относительно простые ситуации. В реальных условиях поведение системы зола - воздух сложнее; в частности, эродируемость золы и эродирующая способность ветра варьируют как в пространстве, так и во времени.

Исследование процесса пыления поверхности намывного пляжа из золы Канско-Ачинских углей показало, что скорость протекания процесса пыления зависит:

1. Диаметр и форма частиц. Малопылящей является поверхность золошлаковых отложений, образованная частицами с dп < 0,05 мм, что обусловлено взаимодействием и сцеплением между частицами при их более плотном сложении. Наибольшая сдуваемость отмечается для слоя с преобладанием частиц 0,05 - 1,0 мм. С увеличением доли частиц размером более 2,0 - 10,0 мм (за счет фракционирования при намыве слоя, либо по мере эрозионного истощения поверхности сухого участка) интенсивность сдува золошлаков снижается. На графике представлен процесс пыления золы

'У

с агрегатной плотностью частиц р=2,49, кг/м и влажностью золы W=5% (рис. 2).

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

V скорость ветра, м/с

—♦—при Ьчастицы 0,1 при «^частицы 0,25 —в—при Ьчастицы 0,5

при Ьчастицы 1,0 при «^частицы 2,0 при Ьчастицы 10,0

Рис. 2. Пыление золы в зависимости от диаметра частиц и скорости ветра

2. Влага. Золошлаковые отходы гидратационно активны, поэтому имеетя тенденция к связыванию частиц. При поверхностном высыхании золы влага удаляется, и связи легко разрываются; в частности это обычно происходит на пляжах золошлакоотвалов. Там же, где преобладают более тонкодисперсные золы или шламы их водоудерживающие свойства выше. Установлено, что при влажности ЗШМ примерно 7 - 10% наблюдается снижение выноса частиц золы и его пылимость. Капиллярное увлажнение поверхности слоя, орошение в качестве способа пылеподавления, осадки, талые воды, изменяя влажность материала, существенно сказываются на пылении поверхности золоотвала. Пыление характерно для участков, где влажность золы составляет 3 - 5% (воздушносухой материал), и полностью исключается при влажности более 10%. Таким образом, при исследовании процесса пыления участка пляжа удельная сдуваемость золы зафиксирована при различной скорости и влажности и представлена на рис. 3 - 5.

Рис. 3. Пыление золы в зависимости от влажности и скорости ветра

12

10

8

6

4

2

0

5 6 7

V скорость ветра, м/с

При \«=5% При №10% При №15% При \«=20% При \«=25% При \«=30% При \«=35%

3

4

8

9

Рис. 4. Пыление золы в зависимости от влажности и скорости ветра

300

250

200

150

100

50

0

12 13

V скорость ветра, м/с

При W=5% При W=10% При W=15% При W=20% При W=25% При W=30% При W=35%

Рис. 5 Пыление золы в зависимости от влажности и скорости ветра

3. Интенсивность пыления. Данный фактор указывает на существенное различие условий пыления сухих свеженамытых участков и зон вторичного пыления, поверхность которых образуется осажденными эродированными частицами. Интенсивность зависит от способа формирования слоя, для намытого слоя золошлакоотвала она на порядок ниже, чем для насыпного и неуплотненного слоя.

4. Структура золы. Этот параметр характеризует состояние поверхностного слоя в зависимости от содержания окиси кальция, пыли и глины в золе, способствует образованию комков (коркообразование, агрегатирование золовых частиц в слое в результате химического взаимодействия), что снижает степень эродируемости. Высокое содержание песка определяет высокую пылимость грунта. Зола Канско-Ачинских углей

в наименьшей степени подвержена пылению на пляжах, т.к. даже после гидратации в системе гидрозолоудаления и при намыве в золошлаковом массиве сохраняется остаточная способность к самоцементации; при этом на одних участках пляжей пыление вообще не происходит, на других оно может проявляться, но значительно слабее, чем на пляжах, сформированных из золы другого генезиса. В эксперименте принята однородная структура, т.е. частицы грунта определенного диаметра, влияние комков образованных пылеватыми частицами на процесс пыления не рассматривались.

5. Химическое взаимодействие. Оно является одним из определяющих факторов, и зависит от содержания оксида кальция. При СаО < 10% в золоотвале при намыве и хранении не происходит существенной структурной перестройки зернового состава поступающих золошлаков, т.е. взаимодействие частиц между собой слабое и поэтому происходит пыление. При СаО = 10 - 25% отмечается частичная структурная перестройка, приводящая к образованию достаточно прочных конгломератов золовых частиц и локальных участков сцементированных отложений в золошаковом массиве. При СаО > 25 % происходит самоцементатция золошлаковых отложений в монолит.

6. Связывающие вещества, Они образуются в результате нанесения органического материала, искусственных компонентов на пылящую поверхность или в результате разложения органического вещества микроорганизмами образуются различные цементирующие вещества, которые способствуют образованию комков снижающих пыление пляжа. Влияние связывающих веществ не рассматривалось.

7. Факторы потока атмосферного воздуха. Опыт, показал, что скорость перемещения грунта пропорциональна скорости ветра:

п

к=Еи3 -т,

7=1

где и - средняя скорость ветра, м/с; тг - продолжительность развития эрозии, час.

8. Элементы неровности поверхности. Действие ветровых нагрузок на поверхность золошлакового массива является основным фактором, определяющим эродирующую способность ветра. Эти нагрузки, можно разделить на две основные категории - относящиеся к природе воздушного потока и ограничивающие его движение, т.е. элементы неровности (поверхности). Из полученных данных можно определить пылимость грунта С, (в %) которая характеризуется формулой:

Г)

С = --100

А

где А - первоначальный вес грунта, гр; В - вес унесенного грунта, гр.

И состав и компоненты экспериментального исследования процесса пыления поверхности намывного пляжа золошлакоотвала рассмотрены, как методическая серия, поэтому для получения наилучших выводов, эти опыты необходимо произвести в более широком диапазоне данных. Полученные данные и определенный опытами критерий влажности позволяет

спрогнозировать, оценить и уточнить разрабатываемые методические рекомендации.

© С.В. Комонов, Д.А. Озерский, 2005