УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ ОТ ИЛИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК E02F5/28 E02F3/92 

Изобретение относится к области гидромеханизированной очистки водоемов от илистых отложений, включая добычу сапропеля.

Известны землесосные снаряды (земснаряды), оснащенные погружными грунтовыми насосами с гидравлическим приводом, например, выпускаемые фирмой AquaMaster (www.aquamec.ru/equipment.html Финляндия). Погружной грунтовой насос соединен через всасывающий патрубок с грунтозаборным устройством и обеспечивает всасывание и транспортировку пульпы (гидросмеси). Грунтозаборные устройства для выемки грунта (земснаряд имеет несколько сменных грунтозаборных устройств) выполнены или в виде узкого горизонтального ковша со шнеком-рыхлителем, расположенным перед входом в ковш, или в виде вертикально расположенной фрезы перед всасывающим патрубком насоса. В обоих случаях перед всасыванием пульпы производится рыхление грунта и смешивание его с водой, в результате чего в воде в зоне забоя возникает облако взвеси, а пульпа в насос поступает с плотностью значительно ниже плотности разрабатываемой илистой породы за счет смешивания ее с водой.

Известно устройство для очистки водоемов и добычи сапропеля, описанное в патенте RU №2256035 (Е02F 5/28). Данное устройство включает плавсредство (земснаряд) с рабочим органом, содержащим грунтозаборное устройство (ГЗУ), выполненное в виде колоколообразного корпуса с пилообразной окантовкой в нижней части, с вмонтированным в него, по крайней мере, двумя трубопроводами для подвода сжатого воздуха и отводящей всасывающей трубой, с турбовентилятором в верхней части. В связи с тем, что грунтозаборное устройство выполнено в виде колоколообразного корпуса, который может перемещаться и погружаться в сапропель только вертикально, выработка сапропелевой залежи будет вестись так называемым вертикально-стволовым способом со всеми присущими ему недостатками.

При вертикальном внедрении корпуса в толщу сапропеля он движется вниз и образует над собой полый вертикальный цилиндрический ствол, заполняемый водой, т.к. сапропель, в отличие от других илистых осадков, обладает очень высокой структурной вязкостью и поэтому не течет в естественном сложении. Со временем стенки между пустыми стволами насыщаются свободной водой, теряют свою устойчивость и оползают, что приводит к повышению естественной влажности сапропеля при следующей заходке земснаряда. Работа данного устройства будет происходить в цикличном режиме, что значительно снижает производительность добычи. Поднятие колоколообразного корпуса из ствола будет приводить к образованию облака взвеси, что нарушит экологический баланс в аквосфере озера.

Известно устройство для добычи и переработки сапропеля, описанное в патенте RU №2233821 С2 (7 С05F 7/00), где грунтовой насос размещен в герметичной капсуле, закрепленной на нижнем конце полой вертикально ориентированной штанги, а зона забора сапропеля ограничена коробом П-образной формы, накрывающим насос с целью ограничения захвата свободной воды из водоема. В связи с тем, что сапропель обладает высокой структурной вязкостью, работа данного заборного устройства возможна только при его вертикальном перемещении в сапропелевой залежи с образованием вертикальных стволов прямоугольного сечения. Поэтому данному устройству присущи все недостатки, указанные для устройства по патенту RU №2256035.

Известно устройство для очистки водоемов от илистых, выпускаемое итальянской фирмой PNEUMA и описанное в ее каталоге и на сайте www.pneuma.it и www.pneuma.lv. Оно содержит грунтозаборное устройство (ГЗУ), выполненное в виде скреперного ковша, снабженного на входе неподвижной сеткой-ножом и прикрепленного посредством трех всасывающих патрубков к погружным камерам пневматического камерного насоса (ПКН), перемещающегося горизонтально. Ковш осуществляет грунтозабор путем горизонтального отделения определенного объема илистой породы от массива (залежи) с целью последующего всасывания пульпы через всасывающие патрубки, расположенные в задней стенке ковша. При повышенной структурной вязкости илистой породы (глинистые илы, например, или сапропель) для обеспечения устойчивого (равномерного) всасывания производится разжижение разрабатываемой породы путем смешивания ее с водой. Вода при этом может всасываться извне как через фронтальный сетчатый проем ковша, так и через клапаны в корпусе ковша, а также путем принудительного впрыскивания ее внутрь ковша через форсунки, установленные на стенках ковша. При этом происходит уменьшение плотности всасываемой гидросмеси, увеличивается ее текучесть, уменьшается вязкость, и пульпа всасывается устойчивым потоком.

Данное устройство характеризуется сильным разбавлением в ковше сапропеля, что приводит к сложному и длительному процессу его обезвоживания, значительно удлиняющему выход сапропеля с товарной влажностью (60%) и ухудшающему качество целевого продукта. Устойчивое всасывание сапропеля с естественной влажностью 90-100% осложняется его высокой вязкостью и отсутствием у него текучести.

Технической задачей настоящего изобретения является создание грунтозаборного устройства такой конструкции, которое обеспечило бы текучесть пульпе с естественной влажностью, достаточную для ее устойчивого (равномерного) всасывания грунтовым насосом без разбавления внешней водой.

Техническая задача решается тем, что предлагается устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля, включающее землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, имеющим, по меньшей мере, один всасывающий патрубок, соединенный с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша и установленного с возможностью горизонтального перемещения, в котором, согласно изобретению, ковш снабжен входной сеткой-ножом, а внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещен, по меньшей мере, один вибратор.

Технический результат достигается за счет того, что илистые отложения (сапропель), имеющие естественную влажность, снижают свою структурную вязкость и становятся текучими благодаря вибрационному воздействию, которому они подвергаются в ковше, проходя через вибрационную зону, создаваемую, по меньшей мере, одним вибратором в зоне всасывания.

Создание вибрационной зоны в ковше обеспечивает добычу сапропеля с влажностью, близкой к естественной (90-100%), без разбавления его водой перед всасыванием, что значительно сокращает процесс высушивания пульпы до получения готового сапропеля и значительно повышает качество получаемого продукта. Ввиду того, что скорость горизонтального перемещения ковша очень мала и составляет всего 1-3 м/мин, а радиус действия вибратора составляет 0,5-1,0 м, сапропель, проходя через ковш, подвергается вибрационному воздействию в достаточной степени и перед его всасыванием переходит в сверхтекучее состояние, обеспечивая тем самым текучесть, необходимую для устойчивого всасывания и заполнения камер сапропелем.

Опыты, проведенные в ряде ведущих лабораторий НИИ, показали, что вещества, включая высококонцентрированные гидросмеси, обладающие высокой плотностью и структурной вязкостью, способны переходить в состояние сверхтекучести и терять в сотни раз свою структурную вязкость под действием вибрации. Вибрация способна ослабить и даже нарушить межмолекулярные силы притяжения частиц коллоида (сапропель является чисто коллоидной системой), ослабить силы притяжения Вандер-Ваальса и тем самым обеспечить текучесть коллоида без разбавления его внешней водой.

При этом, в зависимости от гранулометрического состава и физических свойств структурированной жидкости (коллоида), вибрационное воздействие может быть эффективно в различном диапазоне колебаний.

Необходимая частота колебаний может быть обеспечена применением как механических вибраторов, так, например, и пьезокерамических излучателей, обеспечивающих вибрационное воздействие, например, в частотном диапазоне 6-20 КГц.

Главная идея изобретения состоит в том, что с целью добычи сапропеля с влажностью, близкой к естественной (90-100%), автор предлагает не разбавлять сапропель с водой в ковше перед его всасыванием, а подвергать сапропель, поступающий в ковш, вибрационному воздействию путем размещения внутри ковша головки глубинного вибратора. Ввиду того, что скорость горизонтального перемещения ковша очень мала и составляет всего 1-3 м/мин, а радиус действия вибратора составляет 0,5-1,0 м, сапропель, проходя через ковш, подвергается вибрационному воздействию в достаточной степени и перед его всасыванием переходит в сверхтекучее состояние, обеспечивая тем самым текучесть, необходимую для устойчивого всасывания и заполнения камер сапропелем.

Целесообразно в зоне размещения вибратора боковые стенки ковша выполнять в форме конуса. Это обеспечит равномерный приток сапропелевой массы, поступающей в ковш по мере его горизонтального продвижения, к всасывающему патрубку (патрубкам) и исключит возможность застревания сапропелевой массы в ковше и прорыва свободной воды извне.

Предпочтительно в каждой из боковых стенок ковша монтировать один патрубок насоса и в точке пересечения трех осей всасывающих патрубков, равноудаленной от трех боковых стенок, устанавливать названный вибратор. Это позволит при работе погружного насоса ПКН (пневматического камерного насоса), который производит всасывание последовательно тремя камерами через три соответствующих патрубка, производить равномерное (устойчивое) всасывание гидросмеси каждым из трех всасывающих патрубков.

Целесообразно для исключения самопроизвольного всасывания свободной воды в ковш выполнять ковш удлиненным в сторону захвата сапропеля, то есть регулировать расстояние между входной сеткой и задней стенкой ковша. Для регулирования толщины срезаемого грунта, то есть обеспечивая роль компенсатора, желательно верхнюю стенку ковша выполнять наклонной к горизонту. Поскольку поверхность дна имеет неровности и уровень отметки верха срезаемого донного грунта колеблется, наклон верхней стенки ковша позволяет компенсировать эти колебания таким образом, чтобы исключить прорыв свободной воды к всасывающему патрубку через толщу срезаемого слоя грута. Чем выше колебания отметок дна, тем больше должен быть угол наклона верхней стенки ковша к горизонту, но не должен превышать 45%, т.к. дальнейшее увеличение угла наклона приведет к повышенному сопротивлению продвижения ковша вперед.

Целесообразно устанавливать входную сетку ковша съемной. Сетка-нож устанавливается с целью предотвращения проникновения в насос крупных включений. Как правило, максимальный размер ячейки сетки (диагональ сетки) не должен превышать 1/3 диаметра всасывающего патрубка. Для улучшения обслуживания вибратора, помещенного внутрь ковша, сетку-нож предпочтительно делать съемной.

Для исключения вибрации и текучести породы вне ковша и для обеспечения равномерности всасывания желательно вибратор устанавливать в точке пересечения осей всасывающих патрубков, равноудаленной от двух боковых и задней стенки ковша.

Техническая задача решается также тем, что предлагается устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля, включающее землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, соединенным всасывающим патрубком с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша, снабженного входной сеткой и установленного с возможностью горизонтального перемещения, в котором, согласно изобретению, внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещена мешалка, установленная на оси вращения насоса.

Предпочтительно мешалку размещать в зоне всасывания, равноудаленной от боковых стенок ковша, для равномерного вибрационного воздействия на добываемый грунт.

Технический результат достигается за счет того, что илистые отложения (сапропель), имеющие естественную влажность, подвергаются механическому вращательному воздействию мешалки, выполняющей роль вибратора, которая нарушает или ломает структурную вязкость поступающей в ковш породы, обеспечивая ей тем самым текучесть и легкое всасывание грунтовым насосом через всасывающий патрубок.

Целесообразно в качестве погружного грунтового насоса использовать центробежный насос с гидравлическим приводом, который желательно (для уменьшения потерь напора на всасывании) размещать сразу же за задней стенкой ковша или на небольшом расстоянии (на коротком всасывающем патрубке).

Предлагаемое устройство показано на чертежах, на которых согласно изобретению:

фиг.1. схематично изображает земснаряд с насосом ПКН (пневматическим камерным насосом), оборудованным ГЗУ (грунтозаборным устройством) в виде скреперного ковша, совершающим горизонтальную срезку донного грунта.

фиг.2а, 2б, 2в схематично изображает ГЗУ (грунтозаборное устройство) в виде скреперного ковша, оборудованного вибратором, для работы с насосом ПКН (пневматическим камерным насосом).

фиг.3а, 3б, 3в схематично изображает ГЗУ (грунтозаборное устройство) в виде скреперного ковша, оборудованного мешалкой, для работы с насосом ПГЦНГ (погружным грунтовым центробежным насосом с гидравлическим приводом).

фиг.4 - схема процесса срезки грунта ГЗУ (грунтозаборным устройством), выполненным в виде скреперного ковша, оснащенного вибратором, и получения подвижной гидросмеси перед всасыванием.

На фиг.1 изображен земснаряд 1 с погружным насосом 2 типа ПКН (пневматический камерный насос), оборудованным ГЗУ (грунтозаборным устройством), выполненным в виде скреперного ковша 3. Ковш 3 жестко соединен с насосом 2 при помощи трех всасывающих патрубков 4. С помощью подвесного троса 5 насос 2 вместе с ковшом 3 устанавливается на нужную глубину. При перемещении земснаряда (он перемещается, как правило, с помощью папильонажных лебедок) натяжной трос 6 передает усилие на ковш 3, в результате чего ковш 3 вместе с насосом 2 движется вместе с корпусом (понтоном) 7 земснаряда 1 в горизонтальном направлении, производя срезку грунта 8 и его всасывание.

На фиг.2 показано грунтозаборное устройство при использовании насоса ПКН (пневматического камерного насоса). Грунтозаборное устройство, выполненное в виде скреперного ковша 3, имеет две боковые параллельные стенки 9, две боковые конусные стенки 10, верхнюю наклонную стенку 11, днище 12, заднюю стенку 13, горизонтальный нож 14, стационарную входную сетку-нож 15, проушины 16, всасывающие патрубки 4, камеры пневматического насоса 17, герметичный патрубок-фиксатор 18, вибратор 19, соединение вибратора с приводом 20, натяжной трос 6.

Устройство в зависимости от производительности грунтового насоса может иметь различные размеры ширины и высоты и, соответственно, может быть выполнено из листовой стали различной толщины.

При большой производительности грунтового насоса, большой глубине и ширине ковша возможно размещение нескольких вибраторов 19 на верхней стенке 11 ковша. В этом случае, для охвата вибрацией большей площади перед всасывающими патрубками 4, вибраторы 19 располагаются по осям патрубков. Места установки вибраторов 19 определяются таким образом, чтобы зоны их действия равномерно перекрывали подходы к каждому всасывающему патрубку 4.

В качестве вибратора может быть использован как обычный глубинный вибратор типа ИВ, ВИ (инерционный вибратор, вибратор индуктивный), применяемый при укладке бетона в опалубку, так и пьезокерамические излучатели типа ИНЕФ 1-44.2. Механические вибраторы хорошо применять на глубине разработки до 6 м, т.к. они имеют стандартную (ограниченную) длину гибкого вала, соединяющего виброголовку с приводом. Максимальная длина при этом составляет 7 метров. Пьезокерамические излучатели можно погружать на любую глубину, т.к. с земснарядом 1 они соединены лишь электрическим кабелем любой длины.

В прототипе данное устройство ковша является сменным рабочим органом, которым фирма PNEUMA оснащает свои пневматические насосы. При этом всасывание гидросмеси происходит в камеры, которые соединены с ковшом тремя всасывающими патрубками, расположенными в задней стенке и боковых конусных стенка. Следует отметить, что пневматические насосы фирмы PNEUMA осуществляют всасывание по принципу гидростатики за счет внешнего давления воды, и их всасывающая способность зависит от следующих параметров: глубины погружения насоса под воду, плотности и вязкости всасываемой гидросмеси, производительности насоса, диаметра всасывающего патрубка. При этом, в зависимости от этих параметров, минимальная глубина разработки ограничивается 4-12 м. Т.е. при работе на глубинах менее указанных необходимо применять вакуумное устройство, увеличивающее всасывающую способность. Таким образом, на глубинах менее 4-12 м за счет применения вакуумной системы энергозатраты на выемку каждого метра кубического грунта резко увеличиваются.

С целью снижения энергозатрат на малых глубинах целесообразна замена насоса ПКН (пневматического камерного насоса) погружным грунтовым центробежным насосом с гидравлическим приводом (ПГЦНГ). Грунтозаборный ковш, оборудованный для работы на малых глубинах с ПГЦНГ, показан на прилагаемом чертеже (фиг.3). Отличие фиг.3 от фиг.2 состоит лишь в том, что вместо трех смонтированных в стенках ковша всасывающих патрубков 4 в задней стенке 13 остается один всасывающий патрубок 4, соединенный с улиткой насоса 21 ПГЦНГ. Гидравлический привод 22 насоса ПГЦНГ позволяет регулировать обороты колеса насоса от 0 до 1800 об/мин, что дает значительную экономию энергии. При таком расположении улитки насоса 21 ПГЦНГ, когда ось 23 насоса 21 располагается горизонтально, текучесть сапропеля удобно обеспечить за счет мешалки (агитатора вращения) 24, расположенной в ковше 3 перед всасывающим патрубком 4 на валу 25 по оси 23 насоса ПГЦНГ. Срезаемый ковшом 1 донный грунт (сапропель), проходя вдоль мешалки 24, подвергается механическому вращательному воздействию мешалки 24, имеющей винтовые нарезы, теряет структурную вязкость, приобретает текучесть и всасывается грунтовым насосом через всасывающий патрубок 4.

Устройство, изображенное на фиг.2 и фиг.4, работает следующим образом. Перед началом всасывания пульпы (гидросмеси) грунтовой насос 2 погружается на дно вместе с ковшом 3 на вертикальном тросе или погружной раме земснаряда. Ковш 3 жестко соединен с насосом посредством всасывающего патрубка (патрубков) 10. С помощью натяжного троса 6, закрепленного к проушинам 16, ковш вместе с земснарядом 1 начинает совершать горизонтальное поступательное движение вперед и за счет собственного веса ковша 3 (и насоса) с помощью горизонтального ножа 14 врезаться в илистую породу (сапропель) 8. При дальнейшем горизонтальном продвижении ковша 3 срезаемая полоса сапропеля, ограниченная ножом 14, двумя боковыми стенками 9 и верхней стенкой 11, через входную сетку-нож 15 начинает поступать внутрь ковша 3. Включается насос 2 и вибратор 19, установленный внутри ковша 3 и подвешенный на гибком вале 25 к верхней наклонной стенке 11 через герметичный патрубок-фиксатор 18. Сапропель 8 по мере поступления внутрь ковша 3 и его продвижения к всасывающему патрубку 4 на своем пути проходит вдоль вибратора 19 и подвергается вибрационному воздействию. В результате чего у задней стенки 13 перед всасывающим патрубком 4 сапропель 8 становится текучим и в виде текучей высококонцентрированной гидросмеси 26 поступает через всасывающий патрубок 4 в грунтовой насос 2.

В случае использования насоса 21 ПГЦНГ (фиг.3) разрабатываемая илистая порода (сапропель) по мере продвижения внутрь ковша 3 проходит вдоль мешалки 24, в результате вращения которого всасываемая порода (грунт) теряет свою структурную вязкость, становится текучей и в виде пульпы поступает через всасывающий патрубок 4 в улитку насоса 21, а оттуда вращающимся колесом насоса подается в напорный трубопровод 27 и подается на поверхность.

Входная сетка-нож 15 выполняется съемной с той целью, чтобы можно было производить обслуживание и замену вибрационных головок 19 внутри ковша 1.

Группа изобретений относится к области гидромеханизированной очистки водоемов от илистых отложений, включая добычу сапропеля. Технический результат - обеспечение текучести пульпы с естественной влажностью, достаточную для ее устойчивого (равномерного) всасывания грунтовым насосом без разбавления внешней водой. Устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля по первому варианту включает землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, имеющим, по меньшей мере, один всасывающий патрубок, соединенный с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша и установленного с возможностью горизонтального перемещения. При этом ковш снабжен входной сеткой-ножом, а внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещен, по меньшей мере, один вибратор. Устройство по второму варианту включает землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, соединенным всасывающим патрубком с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша, снабженного входной сеткой и установленного с возможностью горизонтального перемещения. При этом внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещена мешалка, установленная на оси вращения насоса, а верхняя стенка ковша имеет угол наклона к горизонту, определяемый толщиной срезаемого грунта. При этом расстояние между входной сеткой-ножом и задней стенкой ковша выбирается таким образом, чтобы исключить самопроизвольное всасывание свободной воды. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля, включающее землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, имеющим, по меньшей мере, один всасывающий патрубок, соединенный с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша и установленного с возможностью горизонтального перемещения, отличающееся тем, что ковш снабжен входной сеткой-ножом, а внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещен, по меньшей мере, один вибратор.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве названного вибратора использован механический вибратор.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве вибратора использован пьезокерамический излучатель.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в зоне размещения вибратора боковые стенки ковша выполнены в форме конуса.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что в каждой из боковых стенок ковша смонтирован один из патрубков насоса и в месте пересечения осей этих всасывающих патрубков и патрубка задней стенки на равноудаленном расстоянии от стенок установлен названный вибратор.6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что верхняя стенка ковша имеет угол наклона к горизонту, определяемый толщиной срезаемого грунта, при этом расстояние между входной сеткой и задней стенкой ковша выбирается таким образом, чтобы исключить самопроизвольное всасывание свободной воды.7. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что входная сетка, установленная на ковше, является съемной.8. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что вибратор установлен с возможностью вибрационного воздействия на пульпу в частотном диапазоне 6÷20 кГц.9. Устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля, включающее землесосный снаряд, снабженный погружным грунтовым насосом, соединенным всасывающим патрубком с задней стенкой грунтозаборного устройства, выполненного в виде скреперного ковша, снабженного входной сеткой и установленного с возможностью горизонтального перемещения, отличающееся тем, что внутри ковша в зоне всасывания перед всасывающим патрубком размещена мешалка, установленная на оси вращения насоса, верхняя стенка ковша имеет угол наклона к горизонту, определяемый толщиной срезаемого грунта, при этом расстояние между входной сеткой-ножом и задней стенкой ковша выбирается таким образом, чтобы исключить самопроизвольное всасывание свободной воды.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что названная мешалка расположена в зоне всасывания, равноудаленной от боковых стенок ковша.11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что качестве погружного грунтового насоса использован центробежный насос с гидравлическим приводом.12. Устройство по любому из пп.9 и 10, отличающееся тем, что в зоне размещения мешалки боковые стенки ковша выполнены в форме конуса.