РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗОЛОШЛАКОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ

Далее мы представим результаты исследований, проведенных горным инженером, д.т.н. И.В. Зеньковым в период с 2000 по 2006 г., которые были опубликованы в журнале «Экология и промышленность России» в № 3 за 2007 г. Сравним сущность проблем, имеющих место в этот период и в 2011-2014 гг. Также изложим научнопрактические основы выемки золошлаковых материалов из тела накопителя.

Одним из главных направлений развития энергетики признано увеличение удельного веса вырабатываемой электроэнергии на основе использования энергетических углей. В этом случае генерация электрической энергии предполагает сжигание бурого угля. Основные отходы, являющиеся последствием сжигания углей, - это мелкодисперсная зола уноса и водная смесь золы и шлака, поступающая на золошлаковые накопители (ЗШН) (рис. 6.9).

Сегодня практически все электрические станции, сжигающие бурый уголь, имеют в своей инфраструктуре действующие ЗШН, объемы которых составляют 10,0 млн м3 и более. Функционирование ЗШН во времени предопределяет увеличение его геометрического объема в трехмерном пространстве за счет непрерывного роста в высоту. На практике увеличение объема ЗШН достигается созданием новых ярусов (слоев).

Нормальное с точки зрения экологии функционирование ЗШН должно обеспечивать минимальное воздействие на окружающую природную среду. Выполнение этого условия оговаривается сведе-

Общий вид поверхности золошлакового накопителя Красноярской ГРЭС-2 (август 2009 г.)

Рис. 6.9. Общий вид поверхности золошлакового накопителя Красноярской ГРЭС-2 (август 2009 г.)

нием до минимума вероятности деформации ограждающих дамб и невозможностью попадания воды с повышенным уровнем pH на рельеф или в природные водоемы.

С позиции системности состояние ЗШН с момента его создания является функциональной зависимостью, где в качестве переменных выступают геометрические размеры и временной интервал, предопределяющий его заполнение. Сегодняшняя практика говорит о том, что все ЗШН подошли к критической точке, фиксирующей выход системы (под системой в данном случае понимается действующий золошлаковый накопитель) из устойчивого равновесия. Об этом свидетельствуют следующие гидрогеологические и технологические факторы:

  • - зола и шлак, составляющие тело отвала, находятся в обводненном состоянии (подземный уровень технологической воды находится на глубине, близкой к поверхности слива);
  • - основания ограждающих дамб находятся в обводненном состоянии, что в целом снижает их прочностные характеристики;
  • - рост ЗШН в высоту происходит безостановочно.

Эти факторы при совместном их действии имеют явно выраженный синергетический эффект, т.е. их взаимное влияние на систему находится в нелинейной зависимости и гораздо выше действия каждого фактора, взятого в отдельности. Действие перечисленных факторов и выход системы из равновесия поясним схемой на рис. 6.10.

С момента подхода системы к неустойчивому состоянию под усиливающимся влиянием вышеперечисленных основных факторов существенно увеличивается риск возникновения экологической катастрофы, заключающейся в прорыве ограждающих дамб и дренировании всего объема собранной технологической воды на рельеф или в природные водоемы, а это, как правило, не менее 1,5 млн м3.

Схема, поясняющая переход системы в неустойчивое состояние

Рис. 6.10. Схема, поясняющая переход системы в неустойчивое состояние

Типичным примером, характеризующим современное состояние золошлакового хозяйства в российской энергетике, служит действующий с 1961 г. ЗШН на Красноярской ГРЭС-2. Объем ЗШН составляет 12,5 млн м3. Его форма-почти правильный прямоугольник с размерами 1,6x1,2 км. Длинная ось отвала ориентирована с запада на восток. Географическое расположение ЗШН: северный каскад ограждающих дамб (три яруса суммарной высотой 15 м) располагается примерно в 100 м от берега р. Кан, впадающей в р. Енисей.

В настоящее время на Красноярской ГРЭС-2 остро стоит вопрос, связанный с выбором и принятием одного из перспективных вариантов размещения золошлаковой пульпы: продление жизненного цикла действующего ЗШН при условии, что эксплуатация ЗШН будет сопровождаться минимальным воздействием на ОПС; консервация действующего и строительство нового ЗШН. В этой связи в 2005-2006 гг. проводилась комплексная оценка состояния ЗШН, предусматривающая выполнение следующих основных этапов.

На первом этапе осуществляли визуальный осмотр откосов и оснований ограждающих дамб, уровня воды в дренажных колодцах. Результаты осмотра указали на наиболее серьезные проблемы, появившиеся во всех ограждающих дамбах северного каскада. В западной части северного сектора ЗШН собранная в дренажной системе технологическая вода объемом 3,0-3,5 м3 в час сбрасывалась в сторону р. Кан.

В 10-15 м от подошвы нижней ограждающей дамбы в нескольких точках под давлением изливалась вода, имеющая повышенный щелочной состав. Следствием систематического дренирования технологической воды за контуры ЗШН и выноса тонкодисперсной золы служит появление техногенного водоема размером 80x450 м (рис. 6.11,6.12), располагающегося между основанием нижней ограждающей дамбы и р. Кан. Дно водоема покрыто придонными осадками толщиной 1,0-1,5 м, представляющими собой мелкодисперсную осевшую золу бело-серого цвета. Многолетние наблюдения показывали, что водоем находится в гидравлической связи с р. Кан, о чем говорили анализы проб воды с повышенным уровнем рН> 7.

В западном секторе северного ограждающего контура все дамбы находятся без деформационных изменений.

Совершенно иная картина наблюдается в восточном секторе этого же ограждающего контура, где на протяжении 1996-2006 гг. происходили видимые деформации всех трех ограждающих дамб.

Фрагмент техногенного водоема, расположенного между нижней дамбой ЗШН и р. Кан (август 2006 г.)

Рис. 6.11. Фрагмент техногенного водоема, расположенного между нижней дамбой ЗШН и р. Кан (август 2006 г.)

Водная поверхность техногенного водоема, расположенного между нижней дамбой ЗШН и р. Кан (август 2006 г.)

Рис. 6.12. Водная поверхность техногенного водоема, расположенного между нижней дамбой ЗШН и р. Кан (август 2006 г.)

Протяженность распространения деформационных явлений постоянно увеличивалась, достигнув 300 м к 2006 г. Установлено, что в теле ЗШН произошли усадочные явления, приведшие к возникновению серьезных промоин, через которые дренирует технологическая вода. Объем дренажа воды за контуры ЗШН достигает порядка 150-160 м3 в час. Вся дренированная вода имеет сток к р. Кан. Взятые из р. Кан пробы воды и их анализ на содержание pH говорят о существовании гидравлической поверхностной связи вытекающих вод из ЗШН с его проточными водами.

Все вышесказанное послужило основой для очередного этапа исследований. Естественно, в этой ситуации возникли опасения по поводу прочностных свойств каскада ограждающих дамб. Классическая оценка прочности откосов отвалов [130, 131] предполагает использование в расчетах физико-механических свойств пород, слагающих тело дамб, а также твердой фракции осажденной золошлаковой пульпы, находящейся в теле ЗШН. Физико-механические свойства первых достаточно известны и хорошо описаны в научной литературе, а для определения последних с использованием ручного бура (рис. 6.13) были отобраны соответствующие пробы.

Отбор проб твердой фракции осажденной золошлаковой пульпы с использованием ручного бура (август 2005 г.)

Рис. 6.13. Отбор проб твердой фракции осажденной золошлаковой пульпы с использованием ручного бура (август 2005 г.)

Расчеты по определению коэффициента устойчивости проводили на основе известных апробированных методик [130, 131] путем решения системы уравнений:

где г|ь х2 ~ коэффициенты запаса устойчивости, ед.; р - угол внутреннего трения, град; а - угол наклона основания ЗШН, град; Н0 - суммарная высота ограждающих ЗШН дамб, м; В - ширина основания дамбы, м; IV - влажность пород, %; ЕРуд - суммарные удерживающие силы; ХЛгд - суммарные сдвигающие силы.

Полученные результаты сведены в единый график (рис. 6.14).

В процессе моделирования ширина основания дамбы принималась 8, 12 и 16 м. Последнее значение соответствует фактическому значению ширины основания дамбы. Как показывают расчеты, запас прочности каскада дамб значительно снижается в реальных условиях эксплуатации ЗШН. Снижение коэффициента запаса устойчивости до уровня 1,0 и менее говорит о возникновении деформационных явлений, происходящих сегодня в ограждающем контуре. Дальнейшая эксплуатация ЗШН при существующей техно-

Расчетные зависимости коэффициента запаса устойчивости для условий ЗШН, функционирующего на Красноярской ГРЭС-2

Рис. 6.14. Расчетные зависимости коэффициента запаса устойчивости для условий ЗШН, функционирующего на Красноярской ГРЭС-2

логии его заполнения в совокупности с развивающимся во времени процессом возникновения деформационных изменений в каскаде ограждающих дамб создает реальную угрозу экологической катастрофы в бассейне р. Енисей.

Остаточная емкость ЗШН позволяла складировать золу и шлак в течение 2006-2008 гг. В проекте развития станции наметили строительство нового золоо гвала сметной стоимостью 1,0 млрд руб. Для его создания потребуется дополнительный земельный отвод, площадью 2,0 млн м2. Для окончательного выбора варианта размещения золошлаковой пульпы необходимо ясно представлять ситуацию с финансированием нового объекта и последствия дальнейшей эксплуатации действующего ЗШН с точки зрения защиты ОПС.

Единственным рациональным решением в создавшейся ситуации является разработка и реализация нетрадиционной технологии эксплуатации действующего ЗШН. В этой связи нами предложен интегральный критерий оценки технологии эксплуатации функционирующих ЗШН. Разработанный критерий включает оценку трех основных составляющих:

  • 1. Степень реализации технологических решений, позволяющих исключить дренирование технологической воды за контуры ЗШН.
  • 2. Увеличение коэффициента запаса прочности ограждающего каскада дамб до уровня 1,35-1,5, что говорит об остановке процесса развития деформационных явлений.
  • 3. Длительность временного периода и возможность дальнейшей эксплуатации ЗШН, позволяющей размещать золошлаковую пульпу без его роста в высоту.

Данному критерию удовлетворяет разработанная технология эксплуатации ЗШН с учетом экологических целей. Ее реализация начинается с проведения комплекса работ. На первом этапе создают барражные завесы по всему периметру ЗШН на всю его глубину; создается полигон осушительных скважин с установкой в них глубинных насосов на весь период выполнения работ по созданию бар- ражных завес. Последние создаются путем проходки траншеи переменным сечением 1,5 (15-20) м в зависимости глубины размещения пульпы в теле ЗШН (рис. 6.15).

Ее длина принимается равной длине контура ЗШН вдоль внутреннего откоса верхней ограждающей дамбы. По мере выполнения работ по проходке траншеи образуемое пространство заполняется

Расположение технологического оборудования и выпусков пульпопровода на золошлаковом накопителе

Рис. 6.15. Расположение технологического оборудования и выпусков пульпопровода на золошлаковом накопителе

глинистыми породами с низким коэффициентом фильтрации. Выполнение этих мероприятий позволит исключить дренирование технологической воды за контуры ЗШН и повысить коэффициент запаса прочности ограждающих дамб.

После подготовительного этапа выполняются основные работы по размещению сливных выпусков золошлаковой пульпы и выемке ее твердой фракции из тела ЗШН. Данный комплекс работ технологически увязан и циклически повторяется во времени. С точки зрения функционального назначения основное оборудование в течение календарного года размещается в различных секторах поверхности ЗШН. В этой связи произведено условное деление поверхности ЗШН на четыре технологических блока (рис. 6.15).

Вначале оборудование размещают следующим образом. Вдоль южного каскада дамб полустационарно устанавливают четыре выпуска золошлаковой пульпы (В1, В2, ВЗ, В4 диаметром 426 мм), что должно обеспечить гидрозолоудаление в необходимом объеме, из расчета максимальной нагрузки станции в зимний период. Вдоль северного каскада дамб в блоках 1 и 2 начинают работу выемочнобуровые машины ВБМ 1 и 2. Способ выемки шнекобуровой. Диаметр скважин 1 200 мм. Сетка скважин предусматривается 2,4x2,4 м. Размеры выемочного блока 120x1 200 м. Компоновка выемочно-буровой машины представлена на рис. 6.16.

Выемка твердой фракции пульпы производится за счет вертикального опускания шнекобурового рабочего органа ниже уровня установки машины. Твердая фракция, извлеченная из тела ЗШН, посредством приемо-перегрузочного устройства направляется на промежуточный и главный конвейеры машины. Отвальная консоль позволяет проводить погрузку твердой фракции непосредственно в автотранспорт. Извлеченная из тела ЗШН твердая фракция транспортируется автосамосвалами за его пределы.

Прямыми стрелками показано направление перемещения твердой фракции золошлаковой пульпы

Рис. 6.16. Принципиальная схема компоновки выемочно-буровой машины:

  • 1 - буровой орган фрезерного или шнекового типа; 2 - рама; 3 - ходовая часть; 4 - промежуточный конвейер; 5 - приемо-перегрузочное устройство; 6 - отвальная консоль с главным конвейером; 7 - верхняя часть машины; 8 - контуры выемочной скважины диаметром 1000-1200 мм;
  • 9 - гидроцилиндры подъема и опускания бурового става

Организационно работы по предлагаемой технологии производятся в такой последовательности. В процессе работы оборудования, по мере выемки твердой фракции и перемещения ВБМ 1 и 2, в блоках 1 и 2 появляются участки поверхности ЗШН, подготовленные для слива пульпы, протяженностью 300 м и более каждый. В этот момент выпуск 1 переносится из блока 3 в блок 1, выпуск 4 - в блок 2. Далее по мере окончания выемочных работ в блоках 1 и 2 машины ВБМ 1 и 2 переводятся в блоки 3 и 4 соответственно. С этого момента выпуски 3 и 4 также переносятся в блоки 1 и 2 соответственно. После перемещения машины ВБМ начинают работу вдоль южного каскада дамб в блоках 3 и 4.

График организации производства вышеперечисленных работ в течение одного календарного года представлен в табл. 6.3.

Сравнительные характеристики существующей и предлагаемой технологии эксплуатации ЗШН приведены в табл. 6.4.

Особенностью предлагаемой технологии является получение реальной возможности превышения годового объема выемки и удаления за контуры ЗШН твердой фракции золошлаковой пульпы над объемом ее размещения.

Итак, реальное состояние золошлаковых накопителей в российской энергетике характеризуется все возрастающим отрицательным техногенным воздействием на ОПС, заключающимся в дренировании и прорыве технологической воды за контуры ограждающих ЗШН дамб. Продление жизненного цикла действующих золонакопи- телей должно предусматривать выполнение комплекса технических мероприятий по предотвращению дренирования и прорыва технологической воды за контуры ЗШН. Увеличить временной период эксплуатации функционирующих ЗШН в инфраструктуре тепловой станции позволит разработанная технология, предполагающая отказ от строительства новых ЗШН и дающая возможность без ограничений во времени с минимальным техногенным воздействием на ОПС производить размещение золошлаковой пульпы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >