Передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля Российский патент 2024 года по МПК E21C50/00 C02F11/13 F26B3/06 E02F3/88 

Изобретение относится к области гидромеханизированной очистки водоемов от илистых отложений, включая добычу сапропеля естественной влажности и его использования, например, в качестве удобрения, наполнителя при производстве строительных материалов с использованием транспортных средств высокой проходимости на воздушной подушке.

В естественном состоянии сапропели сильно обводнены, имеют вид желеобразной или зернистой массы. Минеральная часть сапропелей – глинистые, песчаные и мелкоаврелитовые терригенные или карбонатные частицы. Извлеченный из залежи сапропель при высыхании твердеет и практически не поддается размачиванию.

Одним из возможных путей повышения эффективности добычи сапропеля является его подъем из залежи до установки по обезвоживанию и сушке пульпы. Увеличение плотности пульпы значительно снижает удельные затраты на извлечение сапропеля и уменьшает износ гидротранспортного оборудования.

Известны передвижные установки, включающие транспортное средство высокой проходимости с источником сжатого воздуха (транспортное средство на воздушной подушке), загрузочную емкость, воздуховод для подачи сжатого воздуха, трубопроводы, устройство для подборки и подачи материала и сопло. (Патент РФ № 169496. Транспортное средство для пылеулавливания. Опубл. 21.03.2017. Бюл.№ 9; Патент РФ № 2613751. Транспортное средство высокой проходимости. Опубл. 21.03.2017. Бюл. № 9; Патент РФ № 169250. Транспортное средство для пылеулавливания. Опубл. 13.03.2017. Бюл. № 8; Патент РФ № 2764301. Транспортное средство для подборки пылеобразных сыпучих материалов. Опубл. 17.01.2022. Бюл. № 2; Патент РФ № 2772001. Транспортное средство для сбора сыпучего материала. Опубл. 16.05.2022. Бюл. № 14).

Передвижные установки, двигающиеся по суше при подъеме и засасывании пылевых частиц сыпучего материала, не оснащены специальными механизмами по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля.

Известна установка, включающая источник сжатого воздуха, загрузочную емкость, сушильный агрегат кипящего слоя материала, фильтровальную сетку, подачу горячего газа. (Патент РФ № 2796171. Способ утилизации осадков сооружений водоподготовки. Опубл. 17.05.2023. Бюл. № 14)

Известная сушильная установка может быть использована в процессе сушки сапропеля при его добыче со дна водоема.

Известна установка для обезвоживания целого ряда материалов, которая успешно применяется в промышленности - комбинированная сушилка типа “циклон-кипящий слой”, включающая источник сжатого воздуха, загрузочную емкость, сушильный агрегат кипящего слоя, желоб влажного материала, сопло, трубы, газораспределительную решетку (Сушилка с кипящим слоем – Мегаобучалка. Лекция 3. Сушилки типа “циклон-кипящий слой” https://megaobuchalka.ru/12/28641.html)

В этой установке отсутствует транспортное средство с источником сжатого воздуха и погружной грунтонасос. Установка может быть использована при добыче со дна водоема сапропеля.

Известна передвижная установка, включающая передвижное транспортное средство с источником сжатого воздуха, над которым размещен сушильный агрегат кипящего слоя, воздуховод для подачи сжатого воздуха, сопло с горелкой для подогрева воздуха, фильтровальную сетку, трубопровод подъема смеси (Заявка РФ № 2023113782. Установка для утилизации осадков водоподготовки с торфом. Решение о выдаче патента 11.12.2023)

Выше перечисленные передвижные установки предназначены для движения по суше и в них отсутствуют устройства по обезвоживанию сапропеля.

Известны передвижные установки по добыче со дна водоема сапропеля, включающие размещенное в водоеме передвижное плавучее средство с установленными на нем погружным грунтонасосом, емкостью, лебедкой для наматывания гибкого шланга и тросового элемента, трубопроводами (Патент РФ № 2132908. Устройство для добычи сапропеля. Опубл. 10.07.1999; Патент RU 2233821. Комплекс для добычи и переработки сапропеля. Опубл. 10.08.2004. Бюл. № 22; Патент RU 2447234. Устройство для добычи сапропеля естественной влажности. Опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10)

Известные передвижные установки по добыче сапропеля со дна водоема не обеспечивают процессы обезвоживания и сушки сапропеля.

Известна также передвижная установка по добыче со дна водоема сапропеля, включающая передвижное транспортное средство, вакуумную машину для сбора и подъема сапропеля, пульпопровод, обезвоживатель, трубопровод, шланги и трубу с отверстиями (Д.М. Быченков, В.Г. Игнатенков, Е.Л. Лаппо, В.В. Морозов. Способ обезвоживания сапропеля с использованием пульпосгустителей. Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 4 (150), 2017. С. 148-152) (https://cyberleninka.ru/viewer_images/18752839/f/3.png)

В этой передвижной установке по добыче со дна водоема сапропеля не используется сушильный агрегат, позволяющий получить готовый продукт.

Основной задачей разработки является перенаправление энергии движения транспортных средств высокой проходимости на воздушной подушке в энергию добычи и обезвоживания сапропеля с использованием водоотделителя и сушильного агрегата кипящего слоя. Вторичной задачей разработки является обеспечение мобильности использования данной установки для добычи сапропеля как на водной, так и на заболоченной поверхности, что отражается на увеличении производительности труда. В результате обеспечивается снижение капитальных затрат на добычу и обезвоживание сапропеля и исключается отчуждение сельхозугодий, занимаемых для сушки сапропеля. Размещение всех агрегатов по добыче и обезвоживанию сапропеля на одном плавучем средстве позволяет обеспечить выгрузку накопленного в грузовой емкости готовой продукции в необходимом месте.

Поставленная задача достигается тем, что в передвижной установке по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля, включающей транспортное средство высокой проходимости с источником сжатого воздуха, установленное на водной поверхности водоема, погружной грунтонасос, водоотделитель, сушильный агрегат кипящего слоя, лебедку с намотанным на ее барабан тросом для подъема и опускания грунтонасоса на дно водоема, загрузочную емкость, гибкий шланг подачи сжатого воздуха, желоб влажного сапропеля, воздуховоды для подачи сжатого воздуха к сушильному агрегату, трубопроводы, пульпопровод, трубу и сопло с горелкой, комплекс оборудования, состоящий из водоотделителя, сушильного агрегата, загрузочной емкости, лебедки и погружного грунтонасоса размещен на передвижном транспортном средстве с возможностью включения этого комплекса оборудования в работу к источнику сжатого воздуха после отключения процесса движения упомянутого транспортного средства по водной поверхности водоема, при этом воздуховоды от источника сжатого воздуха транспортного средства подведены к грунтонасосу и после подогрева горелкой - к сушилке и желобу влажного сапропеля, который снабжен трубой из фильтровальной сетки для подачи сжатого воздуха сквозь его отверстия.

На фиг. 1 показана передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля; на фиг. 2 – желоб влажного сапропеля.

Передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля включает транспортное средство 1 с источником 2 сжатого воздуха, установленное на водной поверхности водоема с возможностью передвигаться по водной глади. На передвижном транспортном средстве 1 размещены лебедка 3 с навешенной на ней погружным грунтонасосом (устройство для подборки и подачи материала) 4 для добычи и подъема смеси сапропеля и воды (пульпы) и обезвоживатель. Обезвоживатель включает водоотделитель 5 для отделения влажного сапропеля (материала) из пульпы, сушильный агрегат 6 кипящего слоя и желоб 7 для подачи влажного сапропеля в сушильный агрегат (https://megaobuchalka.ru/12/28641.html).

Транспортное средство 1 останавливается в определенном месте водоема. Выключается вентилем (не показано) подача сжатого воздуха для движения по водной поверхности транспортного средства. После подключения к источнику сжатого воздуха 8 лебедкой 3 по гибкому шлангу 9 грунтонасос 4 опускают на дно водоема. Грунтонасосом 4 смесь поднимается под напором по шлангу 10 в водоотделитель 5. Из водоотделителя 5 вода по сливному шлангу 11 возвращается в водоем. Из того же источника 8 сжатого воздуха транспортного средства 1 по воздуховоду 12 сжатый воздух поступает к соплу 13 с горелкой 14. Горелка 14 предназначена для нагрева сжатого воздуха до необходимой температуры. Подогретый сжатый воздух по трубопроводу 15 подается под пористую газораспределительную беспровальную решетку (аэроднище) нижней части сушильного агрегата 6 кипящего слоя. (Устройство и работа сушильного агрегата с кипящим слоем подробно описана в патенте РФ № 2796171. Способ утилизации осадков сооружений водоподготовки. Опубл. 17.05.2023. Бюл. № 14; Заявка РФ 2023113782. Подвижная установка для утилизации смеси осадков водоподготовки с торфом. Давыдов С.Я., Апакашев Р.А. Решение о выдаче патента 11.12.2023).

Подогретый сжатый воздух по трубопроводу 16 подается в желоб 7 влажного сапропеля (фиг. 2), в который вставлена труба 17 из фильтровальной сетки для пропуска влажного сапропеля. В результате влажный сапропель насыщается нагретым сжатым воздухом и добавочно отделяется остаточная вода через отверстия фильтровальной сетки. Из желоба 7 влажный сапропель подается на пористую газораспределительную решетку (аэроднище) сушильного агрегата 6 для барботажного смешивания влажного сапропеля сжатым горячим воздухом. Происходит процесс сушки. Влажный сжатый горячий воздух из сушильного агрегата 6 по трубе 18 подается в водоотделитель 5 вместе с потоком смеси шланга 10. Выпуск сухого сапропеля происходит по патрубку 19 в загрузочную емкость 20. Для подъема и спуска грунтонасоса 4 используется трос 21, намотанный на барабан (не показан) лебедки 3.

При заполнении загрузочной емкости 20 сапропелем транспортное средство передвижной установки переходит на сушу и выгружает готовую продукцию в указанном заказчиком месте.

Сапропели являются сильно сжимаемыми грунтами, уплотняющимися при сжатии. Общей закономерностью водоемов для участков добычи сапропеля является их мелководность и простота строения котловин. До начала производства работ глубина погружения заборного устройства 6-8 м. Установлено, что только разработка и подача на обезвоживание не разжиженного сапропеля обеспечивает резкое снижение объемов работ (Утенкова Т.Г., Кремчеев Э.А., Громыка Д.С., Короткова О.Ю. Способы обезвоживания сапропеля // Горное оборудование и электромеханика. 2020. № 4 (150). С. 45-52. https://pandia.ru/text/77/414/43150.php).

Одной из основных причин ограниченного применения сапропеля в народном хозяйстве является его высокая влажность, достигающая в процессе добычи 97 %. Поэтому наиболее затратным процессом обработки сырого сапропеля является его обезвоживание. Увеличение плотности смеси значительно снижает удельные затраты на извлечение сапропеля и уменьшает износ гидротранспортного оборудования (Д.М. Быченков, В.Г. Игнатенков, Е.Л. Лаппо, В.В. Морозов. Способ обезвоживания сапропеля с использованием пульпосгустителей Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 4 (150), 2017. С 148-152. https://cyberleninka.ru/viewer_images/18752839/f/3.png)

Положительные качества метода гидромеханизации, обеспечивающие его широкое распространение при разработке обводненных месторождений, состоят в следующем: простота осуществления забора грунта (нет необходимости в предварительном рыхлении); относительно небольшие затраты энергии и труда на добычу сапропеля; возможность подачи пульпы по напорным трубопроводам 
(Вадим Кирьянов. Гидроциклоны. Сушилки с кипящим слоем. Теория подготовки озерных осадков (сапропеля естественной влажности) к переработке в товарную продукцию путем физико-химического обезвоживания, экстракции, др. технологические аппараты и оборудование производственных процессов. Примеры практического применения. https://pandia.ru/text/78/652/24993.php?ysclid=lp9p861q2a18882264).

Для выделения из пульпы примесей, главным образом минерального происхождения, применяют напорные водоотделители (гидроциклоны). Входной патрубок расположен тангенциально и заканчивается впускной насадкой, обеспечивающей скорость входа в аппарат не менее 6-8 м/с, вследствие чего обрабатываемая пульпа приобретает интенсивное вращательное движение. Под действием возникающей центробежной силы частицы тяжелой взвеси отбрасываются к стенкам гидроциклона и сползают вниз под действием силы тяжести, где удаляются с частью воды через накопитель шлама (не показан). Очищенная вода отводится через верхний отводящий патрубок и сливается в водоем (https://studbooks.net/1835752/nedvizhimost/sooruzheniya_obezvozhivaniyu_osadka).

Для обезвоживания сапропелей наибольшее распространение получили центрифуги фильтрующего типа (Утенкова Т. Г., Кремчеев Э. А., Громыка Д. С., Короткова О. Ю. Способы обезвоживания сапропеля. Mining Equipment and Electromechanics. No. 4, 2020. PP. 45-52).

В кипящем слое сушильного агрегата 6 происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц сушильной смеси и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате этого сушка заканчивается в течение нескольких минут. Аппараты с псевдоожиженным слоем материала получили широкое распространение в химической и других отраслях промышленности. Они отличаются большим разнообразием как по конструкции, так и по гидродинамическим и тепловым режимам работы. Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия, но в сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяются сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это в свою очередь повышает равномерность нагрева и позволяет уменьшить высоту камеры.

В условиях подводной разработки рациональным представляется использование грунтонасоса в качестве способа забора сапропелей, сущность которого заключается в использовании сжатого воздуха для смешивания его с сапропелем в смесителе и транспортировании воздухожидкостной смеси вверх за счет разности давлений в смесителе и воздухоотделителе. При работе грунтонасоса воздух компрессором подается в смеситель, где образуется смесь сапропеля, воды и воздуха. Эта смесь поступает по шлангу 10 (пульпопроводу) в водоотделитель 5. Из-за отсутствия вращающихся частей грунтонасосы имеют высокую надежность. Грунтонасосы обеспечивают подъем гидросмеси со значительной глубины – на водоёмах до 120 м при относительном расходе воздуха 20–40 кг на 1000 кг пульпы. Грунтонасосные (эрлифтные устройства) высокопроизводительны, надежны в работе, экономически эффективны и щадят окружающую среду (О перспективах использования эрлифта для добычи сапропелей. Кислов Н.В. Белорусский национальный технический университет).

Высота H, м, подачи жидкости эрлифтом определяется по зависимости:

H = H_п (ρ/ρ_см - 1),

где H_п – погружения, м; ρ – плотность жидкости, кг/м³; ρ_см – плотность смеси жидкости с воздухом, кг/м³.

Следовательно, высота подачи эрлифтом жидкости заданного удельного веса пропорциональна глубине H_п погружения и зависит от концентрации воздуха в смеси.

Из практики выполнения работ известно, что верхние слои сапропелевой залежи водонасыщенные и малосвязанные, поэтому они могут разрабатываться свободным всасыванием без механического рыхления. На основании экспериментальных данных получена оптимальная скорость всасывания пульпы 1,5 – 2 м/с (Согин А.В., Штин С.М. Добыча сапропеля и возможности отечественных земснарядов. https://cyberleninka.ru/article/n/dobycha-sapropelya-i-vozmozhnosti-otechestvennyh-zemsnaryadov/viewer).

Причиной ограниченного использования сапропелей является отсутствие отечественных специализированных технологий и технических средств, что является характерным для первоначального развития новых направлений. В этих случаях обычно используются средства, заимствованные из смежных областей техники. Одним из трудно решаемых вопросов в случае добычи сапропелей являются процессы сушки, обусловленные высоким водосодержанием сапропелевой массы и использованием традиционных средств (В.С. Гришин, Е.П. Морозенко и др. Технологии переработки сапропеля в органические удобрения. Национальная металлургическая академия Украины. С. 276 - 279). Для применения, например, в стройиндустрии влажность материала не должна превышать 27 % (Добрецов В.Б., Лигоцкий Д.Н., Руссков А.А., Штин С.М. Рациональное использование недр и экология при освоении озерных сапропеля. https://cyberleninka.ru/article/n/ratsionalnoe-ispolzovanie-nedr-i-ekologiya-pri-osvoenii-ozernyh-sapropeley/viewer).

Таким образом, разработанная передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля позволяет перенаправить энергию движения транспортного средства высокой проходимости на воздушной подушке в энергию для добычи и обезвоживания сапропеля с использованием водоотделителя и сушильного агрегата кипящего слоя. Установка обеспечивает добычу сапропеля как на водной, так и на заболоченной поверхности, что отражается на увеличении производительности труда. Снижаются капитальные затраты на добычу и обезвоживание сапропеля и исключается отчуждение сельхозугодий. Размещение всех агрегатов по добыче и обезвоживанию сапропеля на одном плавучем средстве способно обеспечить выгрузку накопленного в грузовой емкости готовой продукции в необходимом месте.

Изобретение относится к области гидромеханизированной очистки водоемов от илистых отложений, а также к добыче сапропеля естественной влажности с использованием транспортных средств высокой проходимости на воздушной подушке. Передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля включает транспортное средство высокой проходимости, установленное на водной поверхности водоема. Установка содержит погружной грунтонасос, водоотделитель, сушильный агрегат кипящего слоя, лебедку с намотанным на ее барабан тросом для подъема и опускания грунтонасоса на дно водоема, загрузочную емкость, гибкий шланг подачи сжатого воздуха, желоб влажного сапропеля, воздуховоды для подачи сжатого воздуха к сушильному агрегату, трубопроводы, пульпопровод, трубу и сопло с горелкой. Комплекс оборудования, состоящий из водоотделителя, сушильного агрегата, загрузочной емкости, лебедки и погружного грунтонасоса, размещен на передвижном транспортном средстве с возможностью включения этого комплекса оборудования в работу к источнику сжатого воздуха после отключения процесса движения транспортного средства по водной поверхности водоема. Воздуховоды от источника сжатого воздуха транспортного средства подведены к грунтонасосу и после подогрева горелкой - к сушилке и желобу влажного сапропеля, снабженному трубой из фильтровальной сетки для подачи сжатого воздуха сквозь её отверстия. Достигается технический результат – повышение эффективности добычи и обезвоживания сапропеля. 2 ил.

Передвижная установка по добыче со дна водоема и обезвоживанию сапропеля, включающая транспортное средство высокой проходимости с источником сжатого воздуха, установленное на водной поверхности водоема, погружной грунтонасос, водоотделитель, сушильный агрегат кипящего слоя, лебедку с намотанным на ее барабан тросом для подъема и опускания грунтонасоса на дно водоема, загрузочную емкость, гибкий шланг подачи сжатого воздуха, желоб влажного сапропеля, воздуховоды для подачи сжатого воздуха к сушильному агрегату, трубопроводы, пульпопровод, трубу и сопло с горелкой, отличающаяся тем, что комплекс оборудования, состоящий из водоотделителя, сушильного агрегата, загрузочной емкости, лебедки и погружного грунтонасоса, размещен на передвижном транспортном средстве с возможностью включения этого комплекса оборудования в работу к источнику сжатого воздуха после отключения процесса движения упомянутого транспортного средства по водной поверхности водоема, при этом воздуховоды от источника сжатого воздуха транспортного средства подведены к грунтонасосу и после подогрева горелкой - к сушилке и желобу влажного сапропеля, который снабжен трубой из фильтровальной сетки для подачи сжатого воздуха сквозь её отверстия.