СПОСОБ СКЛАДИРОВАНИЯ В ЗОЛООТВАЛЕ НЕСГОРЕВШИХ ОСТАТКОВ ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК B65G3/00 

Изобретение относится к области строительства и охраны окружающей среды, а именно к безвредному и экономичному складированию в золоотвале несгоревших остатков топлива тепловых электростанций.

Известен способ складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива (золы и/или шлака, обычно называемых золошлаками) путем их размещения в виде пульпы в намывном золоотвале или в сухом виде в насыпном золоотвале (Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. / Под общей редакцией В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983, с.513).

Недостатком известного способа является нерациональное использование земельного фонда и невозможность осуществления застройки заполненного золоотвала из-за низкой прочности и высокой деформативности находящихся в золоотвале остатков топлива.

Известен способ складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива, включающий размещение в золоотвале остатков топлива во влажном состоянии и обработку (уплотнение) их сотрясательными воздействиями источников импульсного давления, помещаемых на глубину в остатки топлива, таких как глубинные вибраторы или заряды взрывчатого вещества (Минаев О.П. Перспектива применения динамического уплотнения при укладке золошлаковых материалов и подготовке основания под золоотвалы. - Гидротехническое строительство, 1995, 12, с.27-31).

Недостатком этого способа является недостаточная степень уплотнения остатков топлива, особенно у их поверхности, а также неравномерность их уплотнения на глубине.

Там же известен способ складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива, включающий размещение в золоотвале остатков топлива во влажном состоянии и уплотнение их тяжелой трамбовкой, производящей по поверхности остатков топлива сотрясательные трамбующие удары.

Недостатками такого способа складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива являются: во-первых, недостаточная степень уплотнения остатков топлива, особенно на глубине, и малая область вовлечения остатков топлива в процесс уплотнения при ударе трамбовкой (глубина, радиус действия) из-за того, что большая часть энергии удара расходуется на разрушение структуры остатков топлива и на перевод рыхлосвязной поровой влаги в свободную, во-вторых, низкая экологическая безопасность из-за того, что при сотрясательных трамбующих ударах интенсифицируются как растворение в поровой влаге химических элементов и соединений, входящих в состав остатков топлива, так и выделение этой влаги из уплотняемых остатков топлива, что загрязняет подземные воды, в-третьих, низкие экономические показатели способа из-за того, что происходят безвозвратные потери дорогостоящих редких и рассеянных элементов, например германия и галия, растворившихся во влаге.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономической эффективности и экологической безопасности складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива. Технический же результат от использования изобретения заключается в повышении степени уплотнения остатков топлива, в предотвращении загрязнения подземных вод и в извлечении из остатков топлива ценных компонентов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива, включающем размещение в золоотвале остатков топлива во влажном состоянии и уплотнение их тяжелой трамбовкой, производящей по поверхности остатков топлива сотрясательные трамбующие удары, согласно изобретению непосредственно перед уплотнением остатков топлива тяжелой трамбовкой их обрабатывают сотрясательными воздействиями источника импульсного давления, помещаемого на глубину в остатки топлива, при этом обработку остатков топлива и их уплотнение осуществляют с интенсивностью, обеспечивающей возбуждение в поровой жидкости акустической кавитации, а в основании золоотвала улавливают раствор, образующийся в порах остатков топлива в результате акустической кавитации и выделяющийся из остатков топлива при их обработке и уплотнении, и отводят этот раствор за пределы основания золоотвала. В качестве же источника импульсного давления применяют глубинный вибратор, производящий в остатках топлива сотрясательное вибрирование, заряды взрывчатого вещества, производящие в остатках топлива сотрясательные взрывы, электроразрядное устройство, производящее посредством электроразрядника в остатках топлива сотрясательные электрические разряды. Дополнительно раствор улавливают посредством раствороприемных элементов, размещенных в основании средней части золоотвала ниже уровня подземных вод по его периметру, а отвод раствора осуществляют по трубопроводу посредством насоса с интенсивностью, обеспечивающей образование в основании депрессионной воронки, вмещающей в плане весь золоотвал. Целесообразно перед обработкой и/или уплотнением остатки топлива насыщать выщелачивающим раствором, а из раствора, уловленного в основании золоотвала, извлекать ценные компоненты.

Сущность технического решения заключается прежде всего в том, что перед уплотнением влажных остатков топлива тяжелой трамбовкой их обрабатывают сотрясательными воздействиями источника импульсного давления, причем как при обработке остатков топлива, так и при их уплотнении в поровой жидкости возбуждают пузырьковую акустическую кавитацию, аномально интенсифицирующей растворение химических элементов и их соединений, входящих в состав остатков топлива. После этого раствор, образовавшийся и выделившийся из остатков топлива при их обработке и уплотнении, в основании золоотвала улавливают и из него, в случае экономической целесообразности, извлекают ценные компоненты.

Осуществление способа складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива поясняется чертежами: на фиг.1 изображен пример равнинного золоотвала, на завершающей стадии заполнения которого осуществляют переход с гидравлического складирования на насыпное, поперечный разрез; на фиг.2 - пример карьерного насыпного золоотвала, в который осуществляют перескладирование остатков топлива из оперативного гидроотвала, поперечный разрез.

Пример 1. При складировании золошлаков 1 в равнинный золоотвал (фиг.1), верхняя поверхность 2 которых не достигла своего конечного заданного уровня 3, а возросшие экологические требования не позволяют в дальнейшем осуществлять гидравлическое складирование золошлаков, осуществляют переход с гидравлического складирования на насыпное.

Сначала в золоотвале (карте намыва) осушают отстойный пруд 4, а с поверхности его дна 5 в средней части золоотвала выполняют водозаборные скважины 6, водоприемники (раствороприемники) 7 которых размещают ниже уровня 8 подземных вод по периметру золоотвала. После этого с поверхности 2 золоотвала осуществляют глубинное уплотнение находящихся при высокой степени насыщения водой золошлаков 1 и частично грунтов основания 9. Уплотнение осуществляют тяжелой трамбовкой 10, производящей по поверхности золошлаков 1 сотрясательные трамбующие удары интенсивностью, обеспечивающей возбуждение в поровой воде золошлаков 1 акустической кавитации. Непосредственно же перед ударами трамбовки 10 на золошлаки 1, размещенные в плане возле кратера 11 - места удара трамбовки 10, воздействуют глубинными вибраторами (виброштангами) 12, осуществляющими вибрацию интенсивностью, обеспечивающей образование в золошлаках 1 вокруг вибраторов 12 зон 13 с акустической кавитацией в поровой воде.

При такой интенсивной виброобработке в результате воздействия кавитационных пузырьков разрушается структура золошлаков, а в поровой воде золошлаков протекают следующие физико-химические превращения: во-первых, рыхлосвязная вода временно переходит в свободную, а во всей свободной воде уменьшается вязкость, во-вторых, образуется перекись водорода Н₂О₂ с последующим ее распадом в виде микровзрывов на Н₂О и O.

Первое превращение приводит к временному увеличению водопроницаемости золошлаков и образованию таким образом дренирующих зон 13, а второе - к временному уменьшению объема жидкости в порах золошлаков и давлению в них газов (плотность перекиси водорода при нулевой температуре 1,47 г/см³).

После такой подготовки золошлаков, направленно изменившей свойства скелета золошлаков (разрушена структура) и свойства поровой воды (вода "разжижена", а ее объем уменьшился) процесс уплотнения трамбованием протекает весьма эффективно и также сопровождается ранее указанными полезными физико-химическими превращениями, причем более интенсивно и в большем объеме, чем при трамбовании без виброобработки золошлаков 1 (RU 2149238 C1, 20.05.2000).

Одновременно с уплотнением золошлаков 1 под действием образовавшегося активного атомарного кислорода происходит энергичное окисление до этого труднорастворимых компонентов золошлаков, которые переходят в воду в виде растворимых соединений, в результате чего происходит интенсивное обезвреживание золошлаков с образованием в их порах высококонцентрированного раствора. Своевременным задействованием водозаборных скважин 6 этот раствор, выделяющийся из золошлаков в процессе их виброобработки и уплотнения трамбованием, улавливается водоприемниками 7 и посредством насоса 14 по трубопроводу 15 отводится за пределы основания 9 золоотвала для их нейтрализации, причем отводится с интенсивностью, обеспечивающей образование в основании 9 депрессионной воронки 16, вмещающей в плане весь золоотвал и имеющей околонулевой уклон поверхности подземных вод по периметру золоотвала. Таким образом предотвращают образование под золоотвалом купола растекания раствора, что контролируют наблюдательными скважинами 17. Всем этим и предотвращается загрязнение подземных вод.

Завершающую стадию заполнения золoотвала от вновь полученного в процессе уплотнения золошлаков уровня 18 до конечного уровня 3 осуществляют аналогично описанному или послойно с уплотнением виброкатками. После чего золоотвал с обезвреженными золошлаками консервируют с рекультивацией его поверхности, а при необходимости и застраивают.

Пример 2. Насыпной золоотвал (фиг.2) размещен в отработанном скальном карьере 20, дно 21 которого выполнено с уклоном и гидроизолировано слоем суглинка 22, покрытого дренажным слоем (крупнозернистый песок) 23, который посредством отводящей трубы 24 сообщен с зумпфом (раствороприемником, не показан). В такой золоотвал посредством автотранспорта осуществляют перескладирование влажных золошлаков 25 из оперативного гидроотвала (гидроотвал не показан; такое перескладирование золошлаков осуществляется на Красноярской ТЭЦ-2).

После заполнения золоотвала до промежуточного уровня 26 посредством перфорированных труб 27 золошлаки 25 насыщают выщелачивающим раствором 28. Одновременно с этим в заданном порядке и на заданную глубину выполняют скважины 29, причем каждый раз в полость скважины 29 опускают электроразрядник 30, присоединенный токопроводом 31 к электроразрядной установке 32, а скважину 29 заполняют водонасыщенным золошлаком. После чего в скважине 29 производят серию камуфлетных сотрясательных электрических разрядов. После всего этого обработанные электрическими разрядами участки золошлаков уплотняют сотрясательными трамбующими ударами тяжелой трамбовки 33 с образованием кратеров 34 - места удара трамбовки.

При электрическом разряде образуется плазменный канал, что приводит к разрыву химических связей в золошлаке и к образованию новых соединений. Так образуется анион ОН^-, который интенсивно переходит в перекись водорода Н₂О₂. Последнее распадается в виде микровзрывов на Н₂О и O, что вызывает энергичное и практически мгновенное окисление образовавшимся активным атомарным кислородом до этого нерастворимых и труднорастворимых химических соединений золошлаков 25. Одновременно с этим высокое импульсное давление создает ударные волны, вызывающие в более существенном, в сравнении с плазменным каналом, объеме 35 акустическую кавитацию в насыщающем золошлаки растворе, что ведет как к уплотнению золошлаков, так и к аналогичным, как в плазменном канале, физико-химическим превращениям. При этом современный уровень знаний позволяет полагать, что при электроразрядной обработке золошлаков вследствие трансмутации ядер происходят полезные превращения одних элементов в другие, причем, быть может, во всем кавитационном объеме 35 (Л. Никитский. "Чисто золото". Газета "Московские новости", 29, 2000 г.).

После обработки золошлаков электроразрядными сотрясениями, сопровождаемой неравномерным, с образованием провалов, глубинным уплотнением золошлаков, весьма эффективно осуществляется уплотнение золошлаков трамбованием, которое также сопровождается акустической кавитацией и ранее упомянутыми физико-химическими превращениями, причем более интенсивно и в большем объеме, чем при трамбовании без электроразрядной обработки золошлаков 25.

Продуктивный раствор, образовавшийся в процессе интенсивного выщелачивания золошлаков под действием сотрясательных электроразрядов и трамбования, в процессе уплотнения интенсивно выделяется из золошлаков, поступает в дренажный слой 23 и по трубе 24 отводится в зумпф (не показан), откуда он забирается на переработку с целью извлечения из него ценных компонентов и его нейтрализации.

Аналогично описанному в скважины 29 могут помещаться заряды взрывчатого вещества и сотрясательными взрывами производиться обработка эолошлаков перед их уплотнением трамбованием.

Завершающую стадию заполнения золоотвала от вновь полученного в процессе уплотнения золошлаков уровня 36 до конечного уровня 37 осуществляют аналогично описанному или послойно с уплотнением виброкатками. После чего золоотвал с обезвреженными золошлаками консервируют с рекультивацией его поверхности, а при необходимости и застраивают.

Использование изобретения позволит одновременно решить три задачи:
- повысить равномерность и степень уплотнения несгоревших остатков топлива трамбованием за счет предварительной глубинной их обработки виброштангой, зарядами взрывчатого вещества или электроразрядниками и таким образом еще более увеличить полезный объем золоотвала (до 40 процентов по сравнению с укладкой остатков топлива гидромеханизированным способом и до 30 процентов по сравнению с уплотнением их статическим воздействием механизмами) и более качественно подготовить золоотвал под застройку;
- повысить экологическую безопасность золоотвала путем более полного предотвращения загрязнения подземных вод как за счет улавливания загрязнений непосредственно при уплотнении остатков топлива, так и за счет захоронения их в обезвреженном состоянии;
- улучшить экономические показатели способа складирования в золоотвале остатков топлива за счет добычи из них ценных компонентов.

Изобретение относится к области складирования в золоотвале несгоревших остатков топлива. Способ включает в себя размещение в золоотвале остатков топлива во влажном состоянии и уплотнение их тяжелой трамбовкой, производящей по поверхности остатков топлива сотрясательные трамбующие удары. Непосредственно перед уплотнением остатков топлива тяжелой трамбовкой их обрабатывают сотрясательными воздействиями источника импульсного давления, помещаемого на глубину в остатки топлива, при этом обработку остатков топлива и их уплотнение осуществляют с интенсивностью, обеспечивающей возбуждение в поровой жидкости акустической кавитации, улавливают раствор, образующийся в порах остатков топлива в результате акустической кавитации в основании золоотвала и отводят этот раствор за пределы основания золоотвала. В качестве источника импульсного давления может быть применены или глубинный вибратор, производящий в остатках топлива сотрясательное вибрирование, или заряды взрывчатого вещества, производящие в остатках топлива сотрясательные взрывы, или электроразрядное устройство, производящее посредством электроразрядника в остатках топлива электрические разряды. Улавливаемый в основании золоотвала раствор направляют на переработку для извлечения из него ценных компонентов и для его нейтрализации. Пузырьковая акустическая кавитация обеспечивает растворение химических элементов и их соединений, входящих в состав остатков топлива. Изобретение обеспечивает экологическую безопасность складирования остатков топлива. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ складирования в золоотвале несгораемых остатков топлива, включающий размещение в золоотвале остатков топлива во влажном состоянии и уплотнение их тяжелой трамбовкой, производящей по поверхности остатков топлива сотрясательные трамбующие удары, отличающийся тем, что непосредственно перед уплотнением остатков топлива тяжелой трамбовкой их обрабатывают сотрясательными воздействиями источника импульсного давления, помещаемого на глубину в остатки топлива, при этом обработку остатков топлива и их уплотнение осуществляют с интенсивностью, обеспечивающей возбуждение в поровой жидкости акустической кавитации, а в основании золоотвала улавливают раствор, образующийся в порах остатков топлива в результате акустической кавитации и выделяющийся из остатков топлива при их обработке и уплотнении, и отводят этот раствор за пределы основания золоотвала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника импульсного давления применяют глубинный вибратор, производящий в остатках топлива сотрясательное вибрирование. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника импульсного давления применяют заряды взрывчатого вещества, производящие в остатках топлива сотрясательные взрывы. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника импульсного давления применяют электроразрядное устройство, производящее посредством электроразрядника в остатках топлива сотрясательные электрические разряды. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор улавливают посредством раствороприемных элементов, размещенных в основании средней части золоотвала ниже уровня подземных вод по его периметру, а отвод раствора осуществляют по трубопроводу посредством насоса с интенсивностью, обеспечивающей образование в основании депрессионной воронки, вмещающей в плане весь золоотвал. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой и/или уплотнением остатки топлива насыщают выщелачивающим раствором. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что улавливаемый в основании золоотвала раствор направляют на переработку для извлечения из него ценных компонентов и для его нейтрализации.