Складирование золошлаковых отходов тепловых электростанций в насыпных золоотвалах

Актуальность работы. В настоящее время весьма остро стоит проблема экологически безопасного складирования золы и шлака ТЭС. На ТЭС стран СНГ от сжигания твердого топлива ежегодно образовывалось свыше 100 млн. тонн, а в отвалах было накоплено свыше 1,5 млрд. тонн золошлаковых отходов. Уровень их использования составлял не более 13−15%, что значительно ниже уровня, достигнутого в развитых странах. Ситуация с решением этой проблемы в России к 2005 году изменилась несущественно. Сжигание на ТЭС высокозольных углей приводит к прогрессирующему увеличению объемов золошлакоотвалов и изъятию значительных площадей полезных земельпри этом наносится серьезный ущерб окружающей среде.

Складирование золошлаковых отходов в основном производится в гидрозолоотвалах. При конструктивном несовершенстве сооружений гидроотвалов они становятся причиной отрицательного влияния на окружающую среду (геофильтрация промстоков, растекание гидросмеси при прорывах дамб, эрозия и обрушение откосов дамб, подтопление и затопление промстоками прилегающих территорий, пыление золошлаковых отходов на сухих надводных пляжах, сложные проблемы эксплуатации в суровых климатических условиях и др.(см. Приложение А)).

Фильтрационные утечки из гидрозолоотвалов неизбежны при любом способе экранированияих можно существенно уменьшить, но полностью предотвратить невозможно. Отсутствие фильтрации может быть достигнуто только в золоотвалах насыпного типа, а в зоне вечной мерзлоты — в золоотвалах мерзлого типа при промораживании массива складируемых отходов и противофильтрационного контура ограждающей дамбы.

На территории Сибири, включая районы Крайнего Севера, еще не решена задача полного соответствия золоотвалов основным требованиям по надежности и экологической безопасности, предъявляемым действующими инструктивно-нормативными документами. Многие золоотвалы находятся в неудовлетворительном состоянии по ряду параметров: переполнение емкости, неэффективная работа водосбросов, дренажей и противофильтрационных устройств, деформации дамб на слабых основаниях, несоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям, технологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессами, пыление, отсутствие контрольной аппаратуры и постоянного мониторинга и, как следствие, низкий уровень эксплуатации и экологической безопасности сооружений. Технологический уровень строительства и наращивания многих золоотвалов остается недопустимо низкимне контролируется качество инженерной подготовки ложа и основания дамб, укладки грунта в дамбы, выполнения экранов, дренажей и других элементов подземного контура.

Применительно к гидроотвалам дисперсных промышленных отходовзолоотвалам, хвостохранилищам и шламонакопителям разработаны и в отдельных случаях успешно применяются различные конструкции противофильтрационных устройств и дренажных систем, позволяющих регулировать тепловой и фильтрационный режим сооружения, обеспечивать их устойчивость и предотвращать загрязнение окружающей среды. Несмотря на это, отмеченные негативные факторы определяют необходимость перехода к более прогрессивным, в том числе и с природоохранной позиций, способам складирования золошлаковых отходов.

Исходя из прогнозируемого уровня образования золошлаковых отходов тепловыми электростанциями, учитывая особое значение решения проблемы складирования и утилизации золошлаков для уменьшения и возможного устранения высоких нагрузок на экосистемы, можно выделить следующие приоритетные направления научных и проектно-конструкторских разработок:

• совершенствование конструктивно-технологических решений и улучшение эксплуатационных параметров насыпных золоотвалов;

• разработка природоохранных технологий складирования золошлаковых отходов в насыпные отвалы.

Реализация новых технических решений насыпных золоотвалов требует разработки практических рекомендаций по их проектированию, возведению и мониторингу.

Цель исследований — разработка и обоснование конструктивно-технологических решений насыпных золоотвалов ТЭС в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера, характеризующихся суровыми климатическими условиями, наличием вечной мерзлоты и глубоким сезонным промерзанием массивов складируемых золошлаковых отходов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

• выполнен анализ опыта проектирования и эксплуатации насыпных накопителей с точки зрения экологических проблем, а также обобщены результаты исследований состава и свойств золошлаковых отходов;

• обоснована предлагаемая конструкция насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой, проведено вычислительное моделирование его фильтрационного и теплового режима и расчеты устойчивости;

• предложены новые конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов на вечномерзлом основании и выполнено вычислительное моделирование теплового режима послойно промораживаемого массива складируемых отходов;

• разработаны практические рекомендации по проектированию, возведению и мониторингу насыпных золоотвалов в районах глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты.

Методы исследований.

При вычислительном моделировании фильтрационного и теплового режимов рассматриваемой системы «атмосфера — насыпной золоотвалоснование» использовались алгоритмы метода конечных разностей.

• Для оценки устойчивости золоотвапов применялась известная модель круглоцилиндрических поверхностей обрушения.

• При математической постановке задачи и численном моделировании тепловой задачи рассматривалась неоднородная по теплофизическим свойствам влажная грунтовая среда с фазовыми превращениями на подвижных границах талых и мерзлых зон.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Впервые исследованы факторы, определяющие талое состояние и работоспособность центральной дренажной системы насыпного золоотвала.

2. На основе вычислительного моделирования обоснованы конструктивно-технологические решения насыпных золоотвалов ТЭС в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов, характерного для Центральной Сибири.

3. Для энергетических систем и комплексов в районах вечной мерзлоты (Енисейский Север, Якутия, зона БАМа) впервые определены условия формирования мерзлого массива складируемых золошлаковых отходов.

4. Обоснованы технические и экологические преимущества насыпных золоотвалов мерзлого типа для районов вечной мерзлоты.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

— Разработана природоохранная технология складирования золошлаковых отходов в насыпном золоотвале в условиях глубокого сезонного промерзания насыпи. На основе вычислительного моделирования термофильтрационного режима и расчетов устойчивости определены оптимальные конструктивно-технологические параметры сооружения. Эксплуатационная надежность данного энергетического объекта определяется предлагаемым техническим решением незамерзающей дренажной системы.

— Разработаны два новых способа возведения насыпных золоотвалов для зоны вечной мерзлоты. Предложена и подтверждена расчетами теплового режима оптимальная технологическая схема складирования золошлаковых отходов с послойным промораживанием массива отходов и консервацией их в мерзлом нефильтрующем состоянии. Предлагается аккумуляция в порах золошлаков всех атмосферных осадков, загрязненных при возведении золошлакоотвала, что ведет к снижению негативного воздействия на состояние окружающей среды.

— На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию, возведению и мониторингу насыпных золоотвалов в районах глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования фильтрационных и температурных факторов, определяющих работоспособность центральной дренажной системы насыпного золоотвала.

2. Результаты математического моделирования фильтрационного режима насыпного золоотвала с центральной дренажной системой.

3. Конструктивное решение насыпного золоотвала с центральной дренажной системой для районов глубокого сезонного промерзания.

4. Условия складиования золошлаковых отходов, обеспечивающие формирование мерзлого массива.

5. Конструктивно-технологические решения золоотвала мерзлого типа для районов вечной мерзлоты.

6. Конструкция пьезометра с пористым фильтром для контроля фильтрационного режима насыпного золоотвала.

7. Инженерные рекомендации по проектированию, строительству и мониторингу золоотвалов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при решении ряда практических вопросов для энергетических объектов Восточной Сибири. Выполнена оценка фильтрационной устойчивости и даны рекомендации по укреплению дамбы, пылеподавлению и безопасной эксплуатации золоотвала Иркутской ТЭЦ-10- обоснованы противофильтрационные мероприятия на золоотвале Красноярской ТЭЦ-3- проведены научные исследования по разработке типовых решений для подготовки рабочей документации по строительству золошлакоотвалов ТЭЦ Красноярского края (на примере Красноярской ТЭЦ — 1) — выполнено научно-методическое сопровождение при проектировании, строительстве и эксплуатации золоотвалов БГРЭС-1 и других объектов.

Результаты работы использованы в учебном процессе в лекционных курсах и при проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Геоэкология», «Экология промышленных накопителей», «Науки о земле» на кафедре «Инженерная экология» КГТУ, а также при составлении ряда учебно-методических пособий.

Апробация работы.

Основные положения работы рассматривались на научно-практических конференциях «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов», Красноярск, 1999 г.- «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в городе Красноярске», Красноярск, 1999 г- «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях», Красноярск, 2000 г.- «Проблемы экологии и развития города», Красноярск, 2000 г- «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов», Красноярск, 2001 г.- на Международной конференции «Город: прошлое, настоящее, будущее», Иркутск, 2004 г.- на 4 ом Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва, 2005 г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 119 стр. текста, включая 30 рисунков, 11 таблиц и список использованной литературы из 91 наименований и приложения на 7 страницах.

Выводы от контактов размещаются внутри трубы и выводятся в сейф, закрепленный на надземной части трубы.

На нижнем конце трубы закрепляется конический стальной наконечник, облегчающий погружение мерзлотомера в грунт. Для обеспечения плотного контакта мерзлотомера с грунтом целесообразно устанавливать его в пробуренную легким винтовым буром лидерную скважину, диаметр которой равен диаметру трубы. Можно использовать скважины и большего диаметра с заполнением кольцевого зазора пластичным грунтом или золой.

Измерение глубины сезонного промерзания-оттаивания должно выполняться с интервалом в 10 дней до момента прекращения этих процессов. Каждый замер целесообразно производить, начиная с той пары соседних контактов, между которыми предыдущим замером было установлено положение границы промерзания-оттаивания по скачкообразному изменению электрического сопротивления талого и мерзлого грунтов.

При необходимости контроля промерзания-оттаивания насыпного массива и грунта тела дамбы в процессе ее строительства мерзлотомеры могут быть выполнены в виде гибких плетей, уложенных на поверхность отсыпаемых слов и выведенных на откосы во временные сейфы, защищающие КИА от повреждений и используемые для подключения вторичных измерительных приборов.

Такие же электромерзлотомеры могут применяться и на золоотвалах мерзлого типатемпературный режим ограждающей дамбы, мерзлого основания и мерзлотной завесы контролируется по термоскважинам. Пример установки мерзлотомеров и термоскважины приведен на рисунке 4.4.

— м .: к.

— JK—-:* ¦ - ¦ ¦. ¦ • А, А А * А, А А, А А > fc, А А, А А Ж—К—XViA.'-.". — - 4. .. V ¦1 РГ, А А ¦/ • - •. — «а V*1» — • ч' ' ¦ л • ¦ • Т 1 л, А А, А А, А а, А А, А А1 А.

М — мерзлотомерыП — пьезометр

Рисунок 4.3 — Схема размещения КИА в золоотвале с незамерзающей дренажной системой.

Термоскважины должны быть выполнены из стальных герметичных труб диаметром 80−120 мм. Изменение диаметра звеньев и толщина стенок труб по глубине скважины не допускается. Соединение звеньев осуществляется муфтами на резьбе по мере опускания трубы в скважину с обязательной герметизацией стыков. Трубы не должны иметь искривлений и вмятин, выступающих внутрь и препятствующих погружению термогирлянд. Нижний торец нижнего звена заделывают стальной заглушкой. Герметичный сварной шов не должен выступать за пределы наружной поверхности трубы, чтобы не препятствовать ее ее свободному опусканию в скважину, закрепленную при бурении извлекаемыми обсадными трубами. Все термоскважины необходимо оборудовать оголовками, конструкция которых принимается такой же как и для пьезометров. Глубина термоскважин, устанавливаемых на гребне ограждающей дамбы, превышает на 1 м глубину термосифонов мерзлотной завесы. Глубина внедрения мерзлотомеров в массив золошлаков назначается и затем корректируется опытным путемна начальном этапе наблюдений можно принять ее равной толщине соответствующего яруса насыпи (3−4 м). В пределах мерзлотной завесы термоскважины располагаются между термосифонами. тс тс к м Ш т^г.

S/ X SZ. С- 'Л? /// /У/.

ТС — термоскважиныМ — мерзлотомеры.

4.3 Определение величины предотвращенного ущерба от антропогенного воздействия на водные ресурсы.

Экономический эффект при переходе на складирование золы в насыпных отвалах рассмотрим на примере Шумковского золоотвала Красноярской ТЭЦ-1. Аналитические исследования жидкой фазы золошлаковых отходов Красноярской ТЭЦ-1 выполнены в 2000 году в Лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) геологического факультета МГУ. Анализ состава жидкой фазы золошлаковых отходов проводился методом ICP (таблица 4.1.).

В процессе эксплуатации золоотвала в бассейне осветленной воды происходит накопление микрокомпонентов, что приводит к росту их концентраций. При этом превышение ПДК по питьевой воде наблюдается по барию в 50 — 60 раз, по стронцию — в 3−4 раза.

В настоящее время на Красноярской ТЭЦ-1 действует гидравлическая система внешнего гидрозолоудаления, оборотная, совместная для золы и шлака. Суммарная площадь секций по урезам воды и урезам пляжа составляет 678.0 тыс. м2.

Заключение

.

1. Расчетные исследования фильтрационного и теплового режима позволили определить необходимые и достаточные условия обеспечения талого состояния и работоспособности центральной дренажной системы насыпного золоотвала.

1. Впервые проведено математическое моделирование фильтрационного режима для предельно водонасыщенного послойно наращиваемого массива золошлаковых отходов, которое позволило определить конструктивные особенности насыпного золоотвала.

2. Разработано научно-обоснованное конструктивное решение насыпного золоотвала с незамерзающей центральной дренажной системой для районов глубокого сезонного промерзания, обеспечивающее снижение отрицательного воздействия на окружающую среду.

3. Выполнены аналитические исследования температурного режима послойно возводимого массива золоотвала мерзлого типа с учетом теплофизической анизотропии и динамики границ расчетной области, в результате которых получены условия складирования мерзлого массива складируемых отходов при сохранении мерзлого состояния основания.

4. Разработаны научно-обоснованные конструктивно-технологические решения насыпного золоотвала мерзлого типа для районов вечной мерзлоты, исключающие загрязнение подземных вод.

5. Предложена и обоснована новая конструкция пьезометра для контроля фильтрационного режима насыпного золоотвала, основанная на предварительной сборке фильтра из пористого бетона, что существенно снижает трудоемкость его установки.

6. Разработаны системы мониторинга для предлагаемых конструктивно-технологических решений насыпных золоотвалов, позволяющие обеспечить максимальную экологическую безопасность.