Способ строительства и эксплуатации поверхностного хранилища твердых токсичных отходов в криолитозоне Российский патент 2023 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к области ликвидации техногенных загрязнений и захоронения твердых токсичных отходов (ТТО) (буровых шламов, хвостов обогащения руд, отработанных цианидосодержащих геоматериалов кучного выщелачивания и т.д.) находящихся на территориях горных предприятий Севера.

Известен способ захоронения твердых радиоактивных отходов (ТРАО) в зоне многолетней мерзлоты, предполагающий использование технологий горного дела и гидротехнического строительства в северных условиях. Способ основан на использовании TP АО в качестве строительного материала, для этого с применением землеройной техники, замораживаемой воды (льда) и естественного (атмосферного) холода послойным намораживанием возводят хранилище (могильник), затем намораживают ледяной панцирь, на который укладывают гидроизоляционное покрытие из полиэтиленовой пленки, покрываемое слоем промораживаемого суглинка для защиты от механических повреждений, поверх которого насыпают теплозащитный слой из местных сыпучих материалов, а затем слой грунта, обеспечивающий надежную локализацию токсичных веществ и его конструктивную устойчивость в условиях криолитозоны, имитирующий естественное природное образование Севера-бугор пучения [1] (Прототип).

Основными недостатками данного способа являются:

- низкая скорость промораживания единичных слоев ТТО;

- отсутствие системы контроля за динамикой температурного режима хранилища;

- отсутствие системы хладозарядки хранилища;

- отсутствие системы стабилизации отрицательного температурного режима хранилища, функционирующей в летний период, поддерживающей отрицательный температурный режим (t ≤-3°С);

Заявляемое изобретение направлено на повышение темпа строительства и надежности возводимого хранилища; обеспечение контроля температурных условий и стабилизации отрицательного температурного режима ТТО, обеспечение долговременной конструктивной устойчивости в растепляющих климатических условиях.

Требуемый технический результат при реализации изобретения предполагается получить при максимальном использовании климатических особенностей и естественных (природных) ресурсов Севера:

- наличие сплошной многолетней мерзлоты;

- резкоконтинентальный климат с длительной суровой зимой;

- небольшая мощность сезонно талого слоя грунтов (0,5÷2,0 м);

- наличие высокопотенциального атмосферного холода, запасы которого безграничны.

Немаловажными факторами являются так же наличие на горных предприятиях Севера мощной землеройной техники и большого опыта возведения ледопородных гидротехнических сооружений.

Предлагается способ строительства и эксплуатации поверхностного хранилища твердых токсичных отходов (ТТО) в криолитозоне, включающий их послойную укладку с проливом каждого слоя водой и проморозкой естественным холодом с последующим формированием ледяного панциря, нанесением теплоизоляционного слоя из местных материалов, слоев грунта и почвы отличающийся тем, что для ускорения промораживания слоев и панциря в процессе возведения хранилища по периметру сооружают нижний и верхний замораживающие конторы из металлических труб с датчиками термоконтроля, по которым производят непрерывную подачу холодного воздуха с помощью нагнетающих вентиляторов, затем после окончания строительства с поверхности хранилища веерообразно пробуривают расчетное количество скважин до подошвы хранилища и подсоединяют к установленной на поверхности емкости с эвтектическим раствором с размещенными на ней воздушными термосифонами, образующие совместно с жидкостными термосифонами замораживающими контурами термостатирующую систему, которую в процессе эксплуатации хранилища в зимний период охлаждают принудительной циркуляцией холодного воздуха по обоим замораживающим контурам и охлаждением эвтектического раствора воздушными термосифонами, а в летний период в зависимости от показаний датчиков термоконтроля включают жидкостные термосифоны, размещенные в скважинах, обеспечивающие циркуляцию холодного эвтектического раствора для поддержания стабильной отрицательной температуры захороненных ТТО.

Введенный в формулу изобретения такой существенный признак, как наличие двух замораживающих контуров, по которым в зимнее время осуществляют принудительную циркуляцию холодного атмосферного воздуха значительно сокращает продолжительность промораживания укладываемых единичных слоев ТТО и, как следствие этого, ускоряет темп возведения хранилища, позволяют в период эксплуатации производить тем же способом его ежегодную хладозарядку в зимний период. При этом особую важность имеет верхний контур, обеспечивающий глубокую проморозку ледяного панциря с накоплением значительного хладозапаса.

Следующий существенный признак заключается в том, что в качестве хладоагента используется практически безграничный ресурс криолитозоны - холодный воздух, что позволяет отказаться от использования антифризов.

Немаловажным существенным признаком являются так же наличие системы термоконтороля за динамикой температурного режима хранилища, позволяющей вовремя реагировать на растепляющие эффекты в летний период.

Следующий существенный признак заключается в наличии системы термостатирования отрицательного температурного режима заряжаемой в зимнее время с использованием атмосферного холода, работающей в летний период состоящей из двухярусной схемы термосифонов из которых первый ярус в зимний период охлаждает эвтектический раствор находящийся в установленной на поверхности хранилища емкости, являющейся аккумулятором холода; с помощью жидкостных термосифонов второго яруса установленных в скважинах, в летний период осуществляют направленную циркуляцию охлажденного в зимнее время эвтектического раствора в соответствии с показаниями датчиков системы термоконтроля.

Немаловажными факторами являются так же использование дешевого природного материала - льда в качестве цементирующего материала ТТО и наличие гидрозащитного экрана из полиэтиленовой пленки, обеспечивающего высокую герметичность хранилища.

Существенное значение имеет тот факт, что все основные работы выполняют в длительный зимний период с применением апробированных в северных условиях технологий и высокопроизводительной техники.

Заявляемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен горизонтальный разрез хранилища, а на фиг. 2 - вертикальный.

Условные обозначения, принятые на чертежах:

1 - земная поверхность;

2 - подготовленный полигон;

3 - временно складированные на полигоне ТТО;

4 - промороженная площадка хранилища;

5 - слой промороженных, сцементированных льдом ТТО, уложенных в хранилище;

6 - нижний замораживающий контур;

7 - датчики системы термоконтроля;

8 - нагнетающий вентилятор;

9 - верхний замораживающий контур;

10 - нагнетающий вентилятор;

11 - намораживаемый ледяной панцирь;

12 - гидроизоляционный экран (покрытие) из морозостойкой полиэтиленовой пленки;

13 - защитный слой из промороженного суглинка;

14 - теплоизоляционный слой из местных материалов;

15 - слой грунта;

16 - почвенный слой;

17 - веерообразно пробуриваемые скважины для установки термосифонов 2-го яруса;

18 - воздушные термосифоны 2-го яруса;

19 - емкость с эвтектическим раствором;

20 - жидкостные термосифоны 1-го яруса.

Производство работ при реализации способа осуществляют в зимнее время с наступлением устойчивой отрицательной температуры наружного воздуха (t_cp.сут ≤-10°С) и промерзания деятельного слоя грунтов земной поверхности (1) на всю глубину, на территории специально подготовленного в соответствии с существующими требованиями полигона (2) с применением горной техники (бульдозеров, скреперов, погрузчиков, автосамосвалов).

Привезенные и временно складированные на территории полигона ТТО (3) укладывают погрузчиком на предварительно подготовленную, спланированную и промороженную площадку (4) ровным слоем толщиной 20-30 см (5) и проливают водой из поливочной машины движущейся обратным ходом из расчета 150 литров на 1 м³ ТТО. После этого, укладывают и промораживают последующие слои до достижения метровой высоты, а затем укладывают (горизонтально) металлические трубы 1^го нижнего замораживающего контура (6) и датчики термоконтроля (7).

После завершения работ по монтажу нижнего замораживающего контура подключают нагнетающий вентилятор (8) с помощью которого осуществляют циркуляцию холодного воздуха, ускоряя процесс промораживания вновь укладываемых единичных слоев ТТО. После этого, в вышеописанном порядке поверх контура производят укладку, пролив и промораживание следующих слоев до полной укладки всех подлежащих захоронению ТТО. Затем производится укладка (горизонтально) металлических труб второго (верхнего) замораживающего контура (9) и датчиков термоконтроля (7).

К замораживающему контуру подключают вентилятор (10) нагнетающий холодный атмосферный воздух, способствуя тем самым ускоренному возведению и низкотемпературной проморозке ледяного панциря (11), который намораживают поверх контура, играющего роль защитного барьера и одновременно аккумулятора холода. Поверх ледяного панциря укладывают гидроизоляционный экран (покрытие) (12) из морозостойкой полиэтиленовой пленки, а затем защитный слой суглинка (13) с проливом водой и промораживанием. После этого, укладывают теплоизоляционный слой (14) из местных материалов (шлак, торф и т.д.) расчетной толщины, поверх которого последовательно насыпают слой грунта (15), почвенный слой (16) с утрамбовкой без пролива водой.

Затем с поверхности хранилища на всю его высоту пробуривают веерообразно до основания площадки требуемое количество скважин (17) в которые устанавливают жидкостные термосифоны 2-го яруса (18). Затем устанавливают емкость (19) заполняемую эвтектическим раствором, охлаждаемым воздушными термосифонами (20) 1-го яруса, работающими на естественном (атмосферном) холоде.

Все работы должны быть завершены в зимний период (t_cp.сут ≤ -10°С). После этого, должны быть выключены нагнетающие вентиляторы (8 и 10) и термосифоны (20) 1-го яруса, теплоизолирована емкость (19) с эвтектическим раствором, а так же тщательно загерметизированы входные отверстия трубопроводов замораживающих контуров (6 и 9).

Эксплуатация возведенного хранилища заключается в выполнении несложных, не требующих больших трудозатрат операций в зимний и летний периоды.

В зимний период в обязательном порядке должны быть проведены работы по хладозарядке хранилища холодным атмосферным воздухом, нагнетаемым по замораживаемым контурам (6 и 9) вентиляторами (8 и 10), а так же эвтектического раствора включением воздушных термосифонов (20) 1-го яруса.

Для интенсификации процессов промораживания внешних поверхностей хранилища атмосферным холодом может быть рекомендована периодическая уборка с них снега с использованием воздуходувок.

В летний период, по мере надобности в соответствии с показаниями датчиков термоконтроля (7) включают в работу жидкостные термосифоны 2-го яруса, используя эвтектический раствор, охлажденный в зимнее время, компенсируя тем самым внешние теплопритоки, поддерживая устойчивую отрицательную температуру ТТО и обеспечивая конструктивную устойчивость хранилища.

Возведенное по предлагаемой технологии хранилище оснащенное системами хладозарядки, термоконтроля и термостатирования будет на длительный период надежно защищено от неблагоприятных факторов даже в условиях возможного циклического потепления климата в ряде регионов криолитозоны. Тем самым находящиеся в таком хранилище ТТО, в отсутствии возможности миграции токсичных веществ будут безвредны для биоты на длительный срок.

Основные преимущества предлагаемого способа (технологии):

- высокая степень надежности возводимого сооружения (хранилища) за счет тщательной имитации устойчивого природного образования криолитозоны - бугра пучения; наличия систем термоконтроля, замораживающих контуров, надежной резервной системы термостатирования;

- небольшое количество несложных операций, обеспечивающих высокую скорость возведения сооружения за счет использования апробированных технологий, высокопроизводительной техники и низкопотенциального атмосферного холода; совмещения операций по компаундированию, укладке и захоронению ТТО;

- высокая холодоемкость и защищенность возведенного хранилища от неблагоприятных факторов за счет ежегодной зимней проморозки, наличия ледового барьера, гидроизоляционного покрытия (экрана), значительного количества аккумулированного холода за зимний период;

- невысокие расходы и низкие энергетические затраты на выполнение всех операций за счет использования холодного воздуха, природного холода, льда (замерзшей воды), местных теплоизоляционных материалов;

- низкая стоимость возведенного хранилища, за счет использования в качестве строительного материала самих захораниваемых, сцементированных льдом ТТО;

- высокая холодоаккумулирующая способность возведенного хранилища, за счет наличия большого количества льда-цемента, позволяющего накопить за зимний период большой запас холода;

- невысокая стоимость изготовления замораживающих контуров, которые используются при возведении хранилища, а затем при его последующей эксплуатации;

- содействие решению экологических проблем северных регионов РФ, за счет надежной изоляции ТТО от биоты.

Источники информации:

1. Патент РФ №2134459 Способ захоронения твердых радиоактивных отходов в зоне многолетней мерзлоты (прототип).

Изобретение относится к области ликвидации техногенных загрязнений и захоронения ТТО, может быть использовано на горных предприятиях Севера. Способ включает послойную укладку ТТО с проливом водой и промораживанием естественным холодом. В процессе сооружения хранилища монтируют из горизонтально укладываемых металлических труб нижний замораживающий контур, по которому для ускорения проморозки единичных слоев осуществляют непрерывную циркуляцию холодного воздуха, нагнетаемого вентилятором. После этого поверх контура в той же последовательности производят укладку следующих слоѐв, до полной укладки всех ТТО, подлежащих захоронению, а затем осуществляют монтаж верхнего замораживающего контура, по которому осуществляют циркуляцию холодного воздуха. Поверх контура намораживают ледяной панцирь. После этого возводят несколько защитных слоѐв из слоёв грунта и почвы. Хранилище оснащается системами термоконтроля и термостатирования. Изобретение позволяет обеспечить локализацию в условиях криолитозоны на длительное время токсичных веществ. 2 ил.

Способ строительства и эксплуатации поверхностного хранилища твердых токсичных отходов (ТТО) в условиях криолитозоны, включающий их послойную укладку с проливом каждого слоя водой и проморозкой естественным холодом с последующим формированием ледяного панциря, нанесением теплоизоляционного слоя из местных материалов, слоёв грунта и почвы, отличающийся тем, что для ускорения промораживания слоёв и панциря в процессе возведения хранилища по периметру сооружают нижний и верхний замораживающие контуры из металлических труб с датчиками термоконтроля, по которым производят непрерывную подачу холодного воздуха с помощью нагнетающих вентиляторов, затем после окончания строительства с поверхности хранилища веерообразно пробуривают расчетное количество скважин до площадки хранилища и подсоединяют к установленной на поверхности емкости с эвтектическим раствором с размещенными на ней воздушными термосифонами, образующие совместно с жидкостными термосифонами и замораживающими контурами термостатирующую систему, которую в процессе эксплуатации хранилища в зимний период охлаждают принудительной циркуляцией холодного воздуха по обоим замораживающим контурам и охлаждением эвтектического раствора воздушными термосифонами, а в летний период в зависимости от показаний датчиков термоконтроля включают жидкостные термосифоны, размещенные в скважинах, обеспечивающие циркуляцию холодного эвтектического раствора для поддержания стабильной отрицательной температуры захороненных ТТО.