автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Складирование золошлаковых отходов тепловых электростанций в насыпных золоотвалах

На правах рукописи

Балацкая Наталья Владимировна

СКЛАДИРОВАНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В НАСЫПНЫХ ЗОЛООТВАЛАХ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2005

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Кузнецов Георгий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гончаров Юрий Михайлович

доктор технических наук,

Липовка Юрии Львович

Ведущая организация

ЗАО «Центр экологических обоснований и мониторинга» (г. Красноярск)

Защита состоится «22» декабря 2005 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.098.05 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Г 224

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, КГТУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.098.05; факс (3912) 497-076 (для кафедры ТЭС); e-mail:boikoe@fivt.krasn.ru

Автореферат разослан «21» ноября 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Е. А. Бойко

иоь-ч . 2243166

Хччьъ

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время весьма остро стоит проблема экологически безопасного складирования золы и шлака тепловых электростанций (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 земель; при этом наносится серьезный ущерб окружающей среде.

Складирование золошлаковых отходов в настоящее время 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.).

Фильтрационные утечки из гидрозолоотвалов неизбежны при любом способе экранирования; их 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 проти-вофильтрационного 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 низким; не контролируется качество инженерной подготовки ложа и основания дамб, укладки грунта в дамбы, выполнения экранов, дренажей и других элементов подземного контура.

Применительно к гидроотвалам пигпррг.нру промышленных отходов -золоотвалам, хвостохранилищам и шламонако п^ЙяйА{Шфи&мдамГи в от-

БИБЛИОТЕКА |

С.Пет«р|

оэ ш

дельных случаях успешно применяются различные конструкции противо-фильтрационных 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 клима1ическими 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 золоотвал - осно-

вание» использовалось алгоритмическое и математическое обеспечение метода конечных разностей.

• Для оценки устойчивости золоотвалов 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. Дня 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 зо-лошлаков всех атмосферных осадков, загрязненных при возведении золошла-коотвала, 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 противофильт-рационные 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.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

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 наименования и приложения на 7 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы складирования золошлаковых отходов.

Для обоснования перспективных конструкций насыпных золоотвалов выполнен обзор характеристик и свойств отходов, определяющих отрицательное влияние на экологию прилегающей территории (загрязнение поверхностных и подземных вод, эрозия массива складируемых отходов и загрязнение атмосферы и почвы, разрушение природных ландшафтов). Приведены данные о свойствах углей Канско—Ачинского бассейна. Рассмотрены минералогический и химический состав золы и шлака, получаемых при сжигании этих углей, гранулометрический состав, токсичность и радиационная характеристика золош-лаков.

Также изложены материалы патентного поиска и приведены сведения о последних разработках в области проектирования и эксплуатации насыпных золоотвалов.

Рассмотренные в данной главе конструктивно-технологические решения насыпных золошлакоотвалов ТЭС и аналогичных им накопителей твердых дисперсных отходов не позволяют достаточно обоснованно решать проблему экологически безопасного складирования золошлаковых отходов. В суровых климатических условиях, характерных для сибирских энергетических систем и комплексов, наибольший интерес для дальнейшего исследования представляют следующие научно-технические разработки:

• Усовершенствование технических решений насыпных золосн валов с дренажными системами, защищенными от промерзания и обеспечивающими эффективную защиту окружающей среды от загрязненных стоков.

• Усовершенствование технических решений золоотвалов мерзлого типа в криолитозоне, конструкция и технология заполнения которых должны полностью исключать загрязнение окружающей среды, особо чувствительной к любым техногенным воздействиям.

• Использование насыпных элементов из золошлаковых отходов для противофильтрационных мероприятий на гидрозолоотвалах.

Во второй главе представлена методика расчета температурного режима для исследования и обоснования конструктивно-технологических решений насыпных золоотвалов мерзлого тина.

В основу методики положена нестационарная одномерная задача теплопроводности во влажной зернистой среде с фазовыми превращениями на границах раздела талых и мерзлых зон (задача Стефана). Для учета специфики исследуемых процессов в эти решения внесены изменения и дополнения, отражающие особенности формирования анизотропного мерзлого массива золоот-вала. В такой постановке особенно важным является учет динамики внешних границ расчетной области температурного поля при послойном наращивании насыпи и динамики внутренних границ между слоями и зонами в процессе промерзания-оттаивания.

В плоско-вертикальной постановке уравнения теплопроводности с заданными условиями на границах раздела фаз и с учетом анизотропии массива имеют вид (индекс /-основание из суглинка, 2И- золошлаковые отходы в N слое, где N = 1,2, ..., п; ):

в мерзлых зонах

дт дх2

ы..

• в талых зонах

дт дт

йцы _

= а„

дх2

8% " дх2 д\

= аг

дт "Г2" дх2 Условия Стефана на границах г| раздела фаз:

(1) (2)

(3)

(4)

„Л

дп " дп ' ат

(5)

дп

дп с/г.

(6)

где и - температуры талого и мерзлого грунта, °С; х - прямоугольная координата, м; ат и ам — температуропроводность талого и мерзлого грунта, м2/ч; Хт и - теплопроводность талого и мерзлого грунта ккал/м-ч-град; п - нормаль к границе т|; Ч* — скрытое тепло фазового перехода воды (80 ккал/кг); рт —

плотность талого грунта, кг/м3; IV - влажность грунта, отн.ед.; — - скорость

с/т

„ „ <¿5

изменения площади 5, - мерзлой зоны (—>0 для процесса промерзания и

с1х

— <0 для процесса протаивания). В исследуемой нами области могут быть скъ

несколько талых и мерзлых зон, разделенных границами фазового превращения влаги.

Дополнительные условия:

• начальное условие присваивается для основания и каждого слоя наращиваемого массива складируемых отходов по мере его возведения

(7)

(8)

• граничные условия на контакте грунтового массива и воздуха задаются с учетом динамики внешних границ расчетной области

фс,г) = у/-(г), (х,у)еР\

(9)

где Р - область воздушной среды, окружающая исследуемую расчетную область в.

• граничные условия в основании

дх

= 0

(10)

Для вычислительного моделирования данной задачи применяется явный метод конечных разностей. Уравнения (1) и (2) аппроксимируются конечно-разностными уравнениями: • в мерзлой зоне

г,г+Дг !,т

Ах2 , Ах2

(П) (12)

• талой зоне

Ах'

(13)

где - температура точки г в момент времени т; т+д - температура этой точки в момент времени т+Ах.

На границах разнородных сред и фазовых переходов вода-лед используется метод тепловых балансов. Разностное уравнение общего вида для определения температур в точках границ разных сред:

(15)

где Кп - коэффициенты, учитывающие теплофизические свойства сред, размер элементарных блоков и шаг по времени Дт. Коэффициенты К„(п=1,...,3) для каждого узла являются постоянными и зависят только от фазового состояния узла.

При решении разностных уравнений необходимо соблюдать условия устойчивости на границе разных сред и в пределах каждой однородной среды.

1-2X^0

1-2я„гАг| —^-г |>0

(16)

Из условий устойчивости определяется максимальный шаг по времени Ат. Наименьшее из найденных значений Ат принимается в качестве расчетного для всей исследуемой области.

Граница г| фазового перехода при наложении разностной сетки превращается в область фазового перехода с размером, кратным размеру блока. При этом значения теплопроводности и объемной теплоемкости для области фазового перехода берутся средними из значений их в талой и мерзлой областях.

Для точек границы фазового перехода применяется следующее уравнение:

да,=, - о+, - 0+- О. о

где К „, подобно коэффициентам из уравнений (15) учитывают теплофизические свойства разных сред, размеры блоков и шаг по времени Ах.

В ито1е на каждом временном слое определяется температурное поле всей исследуемой области. Результаты расчета представлены в виде геотермо-грамм, характеризующих распределение температур в основании и насыпном массиве золоотвала в показательные моменты времени.

Для обоснования дренированных золоотвалов и оценки их устойчивости исследованы фильтрационные параметры сооружения. Вычислительное моделирование фильтрации выполнено с использованием программного обеспече-

ния, апробированного на аналогичных объектах путем сопоставления прогнозируемых и фактических параметров. При этом рассматривался квазистационарный режим фильтрации в плоско-вертикальной постановке для расчетного сечения, выбранного в средней части сооружения.

Так как непосредственное интегрирование уравнений геофильтрации возможно только в простейших случаях, то для решения рассматриваемой задачи со сложной конфигурацией области, с различными граничными условиями и при учете постепенности возведения сооружения (например, при поярус-ном заполнении накопителя) применялся численный метод интегрирования -конечных разностей. Существенно важной характеристикой методики решения данной задачи является учет послойного наращивания и анизотропии массива отходов. Впервые расчет выполнен для предельно водонасьпценного массива золошлаковых отходов.

Для оценки устойчивости откосов насыпи выполнены расчеты устойчивости откосов по схеме круглоцилиндрических поверхностей обрушения.

Применяемые методы вычислительного моделирования фильтрационного и теплового режимов насыпных золоотвалов позволяют учесть следующие факторы и параметры:

• сложную конфигурацию внутренних и внешних границ расчетных областей температурных и фильтрационных полей; изменение этих границ в процессе расчета;

• фильтрационную и теплофизическую анизотропию массива отходов;

• различные граничные условия, изменяющиеся при постепенном формировании массива золоотвала;

• динамику послойного наращивания массива.

Соответственно, используемые аналитические методы позволяют полностью обосновать конструктивно-технологические параметры новых технических решений золоотвалов, подтвердить их экологические преимущества и эксплуатационную безопасность.

В третьей главе приведены результаты расчетов, их анализ и практические рекомендации по устройству насыпных золоотвалов.

В золоотвалах, предлагаемых для районов глубокого сезонного промерзания, устраивается незамерзающая дренажная система, выполняемая поэтапно в основании насыпи и внутри массива отходов по мере его наращивания.

Расчеты выполнены для экстремального режима эксплуатации, отличающегося длительным затоплением поверхности насыпи и формированием на ее поверхности слоя воды глубиной до 0,15 м. Этот слой рассматривается как источник питания фильтрационного потока и определяет краевое условие на верхней границе исследуемой области. Образование такого поверхностного водоема возможно вследствие сочетания ряда неблагоприятных факторов -длительных интенсивных атмосферных осадков, низкой водопроницаемости массива отходов и недостаточной пропускной способности дренажной систе-

мы, например при ее засорении или при замедленном оттаивании водонепроницаемого сезонномерзлого слоя.

Расчеты проведены для разных вариантов эксплуатации сооружения:

• при работе только центрального дренажа и отсутствии дренирующиего

слоя в основании насыпи;

• при работе центрального дренажа и наличии дренирующего слоя в основании;

• при устройстве двух дополнительных дренажей; крайнии дренаж расположен вне зоны промерзания, что обеспечивает отсутствие высачивания и выпучивания откоса; второй дренаж размещен между центральной и крайней дренами.

В результате фильтрационных расчетов установлено, что конструктивная схема с центральным и крайними дренажами при обеспечении работоспособности дренирующего слоя в основании (рисунке 1), будет оказывать минимальное влияние на окружающую среду.

Рисунок 1 - Фрагмент фильтрационной сетки для оптимального варианта дренированного насыпного золоотвала

Для этого варианта выполнены расчеты устойчивости откосов насыпи; в результате определены коэффициенты устойчивости, которые изменяются в диапазоне от 1,37 до 2,35. Нормативный коэффициент устойчивости равен 1,15 (СНиП 2.06.05-84), что обеспечивает устойчивость сооружения.

При эксплуатации золоотвала в районах глубокого сезонного промерзания возможно нарушение эффективной работы центральной дренажной призмы в весенний период вследствие сезонного промерзания поверхности насыпи. Теплофизическое обоснование работы незамерзающей дренажной системы выполнено по рассмотренному выше методу; центральный дренаж к апрелю промерзает на глубину 1,4 м. Его полное оттаивание завершается в начале июня; следовательно, к периоду появления относительно обильных атмосферных осадков дренаж полностью работоспособен.

Перспективная схема устройства дренированного насыпного золоотвала, обоснованная расчетами фильтрационного и теплового режима приведена на рисунке 2.

№

^ I ~>

пшшш

м I и М I I I I

а) на водоупорном основании, спланированным с уклоном г к дрене; б, в) на проницаемом экранированном основании; г) план

1 - водонепроницаемое основание; 2 - основной дренирующий слой; 3 - незамерзающий дренажный коллектор; 4 -дренажная призма; 5 - отсыпаемые поярусно золошлаки; 6 -дренирующие прослойки; 7, 8 - экран из суглинка, золобетона или пленки; 9 - утепленный дренажный выпуск во внешную емкость для сбора стоков.

Рисунок 2 — Дренированный насыпной золоотвал

Эта система создает условия для эффективного управления водно-тепловым режимом и повышения устойчивости насыпи, исключает эрозию сс откосов дождевыми и талыми водами, предотвращает переувлажнение и оползание поверхностного слоя, испытывающего воздействие криогенных процессов при сезонном промерзании-оттаивании (пучение, трещинообразование, со-лифлюкцию). Анализ результатов расчетных исследований показал, что по анало! ии может быть выполнен золоотвал более значительных размеров в плане, включающий несколько дренажных призм.

Для золоотвала мерзлого типа выполнено теплофизическое обоснование предлагаемой криогенной технологии возведения насыпного массива золотпла-ковых отходов. Исследованы три варианта техн0Л01 ии заполнения емкости зо-лошлаковыми отходами в климатических условиях, обобщенных для характер-

ных регионов области вечной мерзлоты (Центральная Якутия, зона БАМа). Расчеты выполнены для однородного основания сложенного суглинком; начальная температура принята равной минус 2°С. Нижнее граничное условие -постоянная температура мерзлого грунта на глубине 5 м также равна минус 2°С. В теплый период отсыпка золошлаковых отходов осуществляется слоями толщиной 0,1м и начальной температурой 30 °С; в холодный - 0,2 м и начальной температурой 20°С. Слои условно мгновенно появляются на поверхности основания или ранее отсыпанного массива 15 и 30 числа каждого месяца. Расчетные варианты отличаются этапами отсыпки и перерывами в складировании.

Анализ результатов представлен на рисунке 3. Установленно, что при возведении золоотвала по рекомендуемой технологической схеме сохраняется мерзлое состояние основания и достигается полное промерзание массива зо-лошлаков.

I X -25

— на 30 сентября первого года

на 30 ноября первого года -*- на 30 апреля первого года -*- на 30 ноября второго года * на 30 апреля вторго года | е

Этап5 •Р с I ¡2 по 30 04 перерыв в отсыпке

Этап 4 с 105 по ЗОН

Отсыпка

ЭтапЗ с! Юно ЗОН перерыв в отсыпке

Этап2 с 1.12 по 3004 Отсыпка

Этт 1 с 105 по 30 ОР Отсыпка

основание из суглинка

Рисунок 3 - Оптимальный тепловой режим золоотвала мерзлого типа

Поскольку мерзлые грунты и золошлаки водонепроницаемы, то влияние сооружения на окружающую среду становится незначительным. В этом варианте не требуется устройства мерзлотной завесы в дамбе.

В других условиях возведения формируется слоистый таломерзлый массив, в котором сохраняются водонасыщенные слои золошлаков. Следователь-

но, возможны как деформации оттаивающего основания, так и просачивание воды через дамбу. Поэтому требуется устройство мерзлотной завесы в дамбе внутренней емкости с помощью термосифонов жидкостного типа. С одной стороны это может привести к некоторому удорожанию конструкции золоот-вала, но с другой стороны последующая эксплуатация жидкостных термосифонов не потребует энергозатрат. После прекращения отсыпки золошлаков в течение нескольких лет насыпь полностью промерзает и после рекультивации практически перестает оказывать влияние на окружающую среду.

Обоснованная расчетами конструкция возводимого по первому способу насыпного золоотвала мерзлого типа приведена на рисунке 4.

Сечение А - А

Рисунок 4 - Мерзлый золоотвал, возводимый по первому способу

• Ограждающая дамба мерзлого типа 1 выполняется из связного или песчаного грунта, золошлаков или зологрунтовой смеси, отсыпаемой и послойно промораживаемой с влажностью 16-20 %, что гарантирует заполнение пор водой, монолитность и водоупорность мерзлого сооружения.

• Однорядная мерзлотная завеса 4 образуется термосифонами 3, устанавливаемыми на гребне дамбы. Назначение завесы - обеспечение температурной устойчивости и водоупорности сооружения на участках наиболее мощного теплового влияния внутренней емкости и высокотемпературных массивов золошлаковых отходов, отсыпаемых в теплый период года.

• Массив отвала 6, 7 разделяется на две карты, заполняемые золошла-ками по различным для холодного и теплого периодов года технологическим схемам.

• Внутренняя емкость 8 предназначена для накопления загрязненных поверхностных и инфильтрационных стоков, консервируемых в виде льда, погребенного под слоем золошлаков 9, отсыпаемых в последнюю зиму.

• Водопроницаемая разделительная дамба 2 из каменной наброски, отделяет внутреннюю емкость от послойно промораживаемой золошлаковой насыпи и обеспечивающая отвод от нее загрязненных вод.

• Теплогидроизоляционный экран 5 под внутренней емкостью, выполняется из материала, обладающего достаточной водоупорностью (золобетон, суглинок). Назначение экрана — ослабление теплового влияния емкости на мерзлое основание в начальной стадии заполнения, до образования первого слоя льда, выполняющего функции теплоизолирующего и противофильтраци-онного экрана при дальнейшей эксплуатации.

• На поверхность заполненной карты отсыпается рекультивационный слой 10.

Второй способ возведения золоотвала мерзлого типа отличается тем, что водосборную емкость создают в пределах площади секции и с отметкой дна, повышающейся в процессе отсыпки золошлаков в ярус, а наружной поверхности яруса придают уклон в сторону этой емкости.

Золошлаковые отходы отсыпают сразу на полную высоту яруса, при этом объем золошлаков в ярусе равен их годовому объему, а высота яруса кя удовлетворяет условию

где ци - расчетная величина годовых атмосферных осадков, подлежащих аккумулированию в секции золошлакоотвала; и - расчетная пористость золошлаков в ярусе; С;? - расчетная степень влажности золошлаков в полностью отсыпанном ярусе после приема им в себя расчетных годовых атмосферных осадков ци\ (7я - начальная степень влажности золошлаков при их расчетной начальной влажности перед отсыпкой и при их расчетной пористости п в ярусе.

Рекомендуемая конструкция золоотвала, возводимого по второму способу, приведена на рисунке 5.

Предлагаемые технические решения и обоснованные расчетами конструктивно-технологические параметры золоотвалов полностью обеспечивают их надежность и экологическую безопасность в суровых климатический условиях

\ -

в ' —

: / 1тГ лето -

1111 1 1 1 ч —

А

1 —1--г \

1 - основание; 2 - золошлаковые отходы; 3 - секция; 4 - первичная дамба; 5 - первый ярус отсыпки; 6 - вторичная дамба; 7 - углубление в основании; 8 - водосборная емкость; 9 - зимняя часть отсыпки; 10 - летняя часть отсыпки; 11 - рекультивационный слой; 11 - отметка дна водосборной емкости, которая повышается в процессе отсыпки золошлаков; 12 -защитный слой, который выполняют толщиной обычно не более 0,05-0,1 метра из фильтрующего грунта или шлака и примыкают его к водоприемной емкости; 13 - пандус, который по мере заполнения секции поярусно наращивают. 15 - верхний ярус; 16 - рекультивационный слой; 17 - секция, примыкающая к ранее заполненной.

Рисунок 5 - Экологически безопасный мерзлый золоотвал, возводимый по второму способу

В четвертой главе сформулированы рекомендации по проектированию, возведению и мониторингу насыпных золоотвалов.

В состав мониторинга входят:

1. Наблюдения за уровнем загрязнения всех компонентов природной среды - атмосферного воздуха, геологической среды, поверхностных и подземных вод.

2. Проведение оперативных и среднесрочных прогнозов изменения и оценка состояния природной среды на основе экологических и санитарно-

эпидемиологических критериев для разработки природоохранных мероприятий.

3. Получение полной, своевременной и достоверной информации о техническом состоянии и эксплуатационной надежности дамб, противофильтра-ционных экранов и дренажных систем.

1. Оценка эффективности осуществляемых по проекту и дополнительных природоохранных мероприятий.

Основные компоненты мониторинга и средства контроля насыпных зо-лоотвалов представлены на рисунке 6.

термосхважины, термодатчики (мерзлотные завесы, дренажи)

ограждающие дамбы, массивы отходов, экранирующие слои (элктромерзлсгго-меры)

лед, пучение,

трещины, солифлюкция, термолросадоч ные деформации (инструментальные измерения)

Средства контроля

Рисунок 6 - Основные компоненты мониторинга и средства контроля

У подошвы внешнего откоса дренированного золоотвала необходимо установить пьезометры для наблюдений за режимом подземных вод, испытывающих воздействие стоков при недостаточном экранировании водопроницаемого основания.

Рекомендуемая автором конструкция пьезометра с фильтром из пористого бетона приведена на рисунке 7. Новизна данной конструкции состоит в том, что фильтр пьезометра собирается до полной готовности в заводских условиях; соответственно снижается трудоемкость при его установке, выполняемой в любое время года, на любом этапе эксплуатации золоотвала.

Контроль работы дренажной системы выполняется через смотровые колодцы. Контроль промерзания-оттаивания насыпного массива золошлаковых отходов осуществляется с использованием электромерзлотомеров. Мерзлото-меры позволяют с достаточной точностью (до 4 см) определить нижнюю границу слоя сезонного промерзания-оттаивания и границы раздела талых и мерзлых зон в теле дамбы и насыпном массиве золошлаковых отходов. Такие же электромерзлотомеры могут применяться и на золоотвалах мерзлого типа;

температурный режим ограждающей дамбы, мерзлого основания и мерзлотной завесы контролируется по термоскважинам

Б

А - конструкция пьезометра; Б - схема установки пьезометра.

1 - труба пьезометра; 2 - теплозащитный оголовок; 3 - пористый фильтр; 4 - гравийный фильтр; 5 - глиняная пробка; 6 - засыпка из песка; 7 - крышка оголовка; 8 - крышка пьезометра

Рисунок 7 - Конструкция и схема установки пьезометра с пористым фильтром

Рекомендации по возведению предлагаемых конструкций насыпных зо-лоотвалов разработаны впервые, позволяют запроектировать опытные объекты и в дальнейшем отрабошть на них технологию строительства и режим эксплуатации аналогичных сооружений в составе энергетических систем.

Основные положения мониторинга насыпных золоотвалов также разра-ботаные впервые, позволяют запроектировать систему контрольных наблюдений на опытных объектах, проверить ее в производственных условиях, усовершенствовать, а затем распространить на аналогичные объекты тепловых электростанций.

Природоохранное значение предлагаемых конструктивно-технологических решений подтверждается, определением величины предотвращенного ущерба от антропогенного воздействия на водные ресурсы на

ш..

примере действующего гидрозолоотвала Красноярской ТЭЦ-1, в случае его насыпного складирования. Оценка величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения подземных вод, выполненная в соответствии с Методикой определения предотвращенного ущерба (утвержденная Госкомэкологии России ЗОЛ 1.99 г.) составила 736544,7 руб. в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

2. Впервые проведено математическое моделирование фильтрационного режима для предельно водонасыщенного послойно наращиваемого массива зо-лошлаковых отходов, которое позволило определить конструктивные особенности насыпного золоотвала.

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

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

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

6. 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.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Никифорова, Н. В. Перспективная технология складирования дисперсных промышленных отходов (зола, шламы) в насыпных накопителях / Г. И. Кузнецов, Н. В. Никифорова // Энергетика и охрана окружающей среды (Но-

вые и отечественные и зарубежные разработки). - М.: Информэнерго, 2000. -С. 86-88.

2. Никифорова, Н. В. Технологические мероприятия по уменьшению фильтрационных утечек при эксплуатации золоотвала / Г. И. Кузнецов, Н. В. Никифорова // Сб. Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях. - Красноярск: Изд.-во СибВТИ, 2000. С. 52-54.

3. Никифорова, Н. В. Перспективная технология складирования дисперсных промышленных отходов (зола, шламы) в насыпных накопителях / Г. И. Кузнецов, Н. В. Никифорова // Проблемы экологии и развития города. -Красноярск: КГТУ, 2000. - С. 25-28.

4. Никифорова, Н. В. Золобетонные экраны золоотвалов ТЭС и шламохра-нилищ / Р. Т. Шугалей, Г. И. Кузнецов, Н. В. Никифорова // Проблемы экологии и развития города. Красноярск: КГТУ, 2000. - С. 28-31.

5. Никифорова, Н. В. Противофильтрационные природоохранные мероприятия на золоотвалах / Н. В. Никифорова // Известия Вузов. Строительство. -2001. №2.-С. 78-81.

6. Никифорова, Н. В. Односекционный накопитель мерзлого типа с внутренним бассейном загрязненных стоков / Н. В. Никифорова // Известия Вузов. Строительство. - 2001. № 4. - С.74-80.

7. Никифорова, Н. В. Перспективные технологии складирования насыпных промышленных отходов / Г. И. Кузнецов, Н. В. Никифорова // Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов. - Красноярск: КГТУ, 2001.-С. 153-154.

8. Балацкая, Н. В. Экологически безопасные комплексные хранилища зо-лошлаковых отходов ТЭС и твердых бытовых отходов / Г. И. Кузнецов, Н. В. Балацкая // Вестник научных трудов. - Иркутск: Ир ГТУ, 2004. - С. 19-23.

9. Балацкая, Н. В. Расчетно-теоретическое обоснование золоотвала с незамерзающей дренажной системой / Н.В. Балацкая //4 й Международный конгресс по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва: ЗАО «ФирмаСИБИКО интернешнл», 2005. - С. 260.

10. Балацкая, Н. В. Обоснование экологической безопасности шламохрани-лища Ачинского глиноземного комбината / Д. А. Озерский, С. В. Комонов, Н. В. Балацкая //4 й Международный конгресс по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва: ЗАО «ФирмаСИБИКО интернешнл», 2005. - С. 251-252.

Балацкая Наталья Владимировна Складирование золошлаковых отходов тепловых электростанций в насыпных золоотвалах Автореф. дисс на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать 14.11.2005. Заказ №63У2. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Типография Красноярского государственного технического университета

s-i

РНБ Русский фонд

2006-4 25853

Введение 4 1. Анализ проблемы экологически безопасного складирования отходов

1.1 Состав и свойства отходов 11 1.1.1 Зола и шлак ТЭС, сжигающих угли Канско-Ачинского угольного бассейна

1.2 Анализ существующих решений

2 Теоретическое обоснование фильтрационно-теплового режима золоотвалов

2.1 Фильтрационный режим

2.2 Тепловой режим

3 Обоснование технических решений насыпных золоотвалов

3.1 Вычислительное моделирование фильтрационного и теплового режима золоотвала с незамерзающей дренажной системой

3.2 Перспективное конструктивное решение насыпного золоотвала с незамерзающей дренажной системой

3.3 Вычислительное моделирование фильтрационно-теплового режима золоотвала мерзлого типа 61 3. 4 Конструктивное решение насыпного золоотвала мерзлого типа

3.4.1 Первый способ возведения

3.4.2 Второй способ возведения

4 Проектирование, возведение и мониторинг золоотвалов

4.1 Конструктивно-технологические аспекты проектирования

4.2 Мониторинг золоотвалов

4.2.1 Общие положения

4.2.2 Методические рекомендации по установке КИА и наблюдениям

4.3 Определение величины предотвращенного ущерба от антропогенного воздействия на водные ресурсы

4.4 Использование золы для гидроизоляции золоотвалов Заключение

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 земель; при 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 экранирования; их 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 низким; не 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 отходов -золоотвалам, 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 золоотвал -основание» 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 типа; температурный 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—X- ViA.'-." . - - 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 - мерзлотомеры; П - 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 путем; на 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 - термоскважины; М - 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.

1. А.с. 1693178 СССР, МПК 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения насыпного золошлакоотвала мерзлого типа / Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М. // № 4764471 / 15; Заявл. 04.12. 1989; Опубл. 23.11. 1991, Бюлл. № 43.

2. А.с. 1639097 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения отвала мерзлого типа / Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М., Седловин Д.С. // № 4869705 / 15; Заявл. 27.09.1990; Опубл. 30.11. 1990, Бюлл. № 48

3. А.с. 1792362 СССР, МПК Е 02В 7/06. Способ складирования золошлакового материала / Жиленков В.Н., Ненашев А.С., Шлапаков В.И. // № 4917445 / 15; Заявл. 05.03.1991; Опубл. 30.01. 1993, Бюлл. № 4.

4. А.с. 1740535 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ формирования насыпного отвала / Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М., Титов Е.П. // № 4873953 / 15; Заявл. 16.10. 1992; Опубл. 15.06. 1992, Бюлл. № 22.

5. Балацкая, Н.В, Экологически безопасные комплексные хранилища золошлаковых отходов ТЭС и твердых бытовых отходов./ Балацкая Н.В.// Вестник научных трудов. Иркутск, Ир ГТУ, 2004г.

6. Балацкая, Н.В. Расчетно-теоретическое обоснование золоотвала с незамерзающей дренажной системой/ Н.В. Балацкая / 4 й Международный конгресс по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва, 2005 г.- с. 260.

7. Балацкая, Н.В. Обоснование экологической безопасности шламохранилища Ачинского глиноземного комбината/ Д.А. Озерский, С.В. Комонов, Н.В. Балацкая /4й Международный конгресс по управлению отходами ВэйстТэк-2005, Москва, 2005 г.- с. 251-252.

8. Бартоломей, А.А. Основы проектирования и строительства хранилищ отходов/ А.А. Бартоломей, X. Брандл, А.Б. Пономарев. Пермь: ПГТУ, 2000.- 196 с.

9. Безопасное обращение с отходами. Сборник нормативно-методических документов / Под ред. И.А. Копайсова. СПб.: РЭЦ «Петрохим-Технология», ООО «Фирма «Интеграл», 1999 - 448 с.

10. Ю.Белолипецкий, В.М. Математическое моделирование в задачах охраны окружающей среды / В.М. Белолипецкий, Ю.И. Шокин. -Новособирск: Изд-во «ИНФОЛИО-пресс», 1997. -240 с.

11. П.Беляев, Н.М. Методы теории теплопроводности. — Учеб. пособие для вузов. В 2-х ч. Ч. 1 / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. М.: Выш. Школа, 1982. -328 с.

12. Будак, Б.М. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. -1965. -т. 5. -№ 5. -С. 828-840.

13. Будак, Б.М., Васильев Ф.П., Успенский А.Б. Разностный метод решения некоторых краевых задач типа Стефана // Численные методы в газовой динамике . -М.: Изд-во МГУ, 1965. Вып. 4. -С. 139-183.

14. Вазов, В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. -М.: Иностранная литература, 1963.-263 с.

15. Василевский, А.Г., Ивашинцов Д.А., Федоров М.П., Шульман С.Г. Современные проблемы оценки надежности и экологической безопасности объектов энергетики // Известия ВНИИГ, т.233. -С.-Пб, 1997.

16. Васильев, Ф.П., Успенский А.Б. О методе конечных разностей для решения двухфазной задачи Стефана для квазилинейного уравнения // Доклады Академии наук СССР. Математика. -1963. -Т. 152. -С. 861-886.

17. Вишня, Б.Л., Золотухин Л.П. и др. Основные результаты промышленного эксперимента по транспорту и складированию в сухой отвал золы экибастузского угля. Промышленная энергетика. 1889, N 5.

18. Возведение золоотвалов тепловых электростанций при отрицательных температурах воздуха. Обзорная информация / Огарков А.А., Пантелеев В.Г. -М.: Информэнерго, 1992. -44с.

19. Гаврилин, К.В., Озерский А.Ю. Канско-Ачинский угольный бассейн.-М.: Недра, 1996.

20. Гальперин, A.M., Ферстер В, Шеф Х.Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. -М. Изд-во МГТУ, 1997.

21. Дмитриева, И.Л. Экология и безопасность гидротехнических объектов. // Безопасность энергетических сооружений. Вып. 1. М.: -АО НИИЭС, 1998. -С. 70-74.

22. Евдокимов, П.Д. Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик / П.Д. Евдокимов Г.Т. Сазонов. М.: Недра, 1978.-С. 439.

23. Ершов, Э.Д. Общая геокриология / Э.Д. Ершов. М.: «Недра», 1990. -559 с.24.3олошлаковые материалы и золоотвалы./ Пантелеев В.Г., Добкин Э.Л., ГольдинаТ.М. и др. Под ред. В.А. Мелентьева. -М. Энергия. 1978.

24. Иванов, П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений / П.Л. Иванов. — М.: Высшая школа, 1991. 448 с.

25. Иванов, Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. — М.: Наука, 1969. -240 с.

26. Капустин, Ф.Л. Структура и фазообразование в гранулированных высококальциевых золах ТЭС и получение вяжущих на их основе: Автореф. дис. док. техн. наук/ Ф.Л. Капустин. Екатеринбург, 2003 г. - 35.

27. Корытова, И.В. Исследование физических и теплофизических свойств мерзлого золошлакового материала печорского угля // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Т.188. -Л.: Изд. ВНИИГ, 1986. -С. 58-65.

28. Кроник, Я.А. Термомеханические модели мерзлых фунтов и криогенных процессов // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. — М.: Наука, 1982. -С.200-212.

29. Крылов, В.И. Вычислительные методы: В 2-х ч. Ч. 1 / В.И. Крылов, В.В. Бобков, П. И. Монастырский. М.: «Наука», 1976. - 304 с.

30. Крылов, В.И. Вычислительные методы: В 2-х ч. Ч. 2 / В.И. Крылов, В.В. Бобков, П. И. Монастырский. М.: «Наука», 1976. - 400 с.

31. Кузнецов, Г.И. Эффективные технические решения накопителей промышленных отходов в криолитозоне // Известия вузов. Строительство. 1999. №2-3. С. 85-94.

32. Кузнецов, Г.И., Сысоев Ю.М., Шалгинова JI.T. Насыпной золоотвал мерзлого типа // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1990, № 10. -С. 77-83.

33. Кузнецов, Г.И., Шалгинова JI.T. Оценка факторов, влияющих на промерзание насыпного золоотвала // Энергетическое строительство, -1990, -№ 2. -С. 23-26.

34. Кузнецов, Г.И., Шалгинова JI.T., Сысоев Ю.М. Насыпной золоотвал мерзлого типа с временным дренажем // Энергетическое строительство, — 1990,-№ 9.-С. 18-20.

35. Кузнецов, Г.И., Шугаева Р.Т. Расчет термического режима мерзлотной плотины в начальный период эксплуатации // Сборник научных работ Сибирского филиала ВНИИГ им. Веденеева. -JL: Энергия, 1970, вып. 3-С. 97-110.

36. Кузнецов, Г.И. Оценка фильтрационной устойчивости золоотвала ИТЭЦ-10./ Кузнецов Г.И., Ворошилов О.А., Никифорова Н.В. // Достижения науки и техники развитию сибирских регионов. - Красноярск, 1999 г

37. Кузнецов, Г.И. Технологические мероприятия по уменьшению фильтрационных утечек при эксплуатации золоотвала./ Кузнецов Г.И., Никифорова Н.В., //Сб. Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях. Красноярск: Изд. СибВТИ, 2000 г.

38. Кузнецов, Г.И. Золобетонные экраны золоотвалов ТЭС и шламохранилищ. / Кузнецов Г.И., Шугалей Р.Т\, Никифорова Н.В. // Проблемы экологии и развития города. Красноярск, 2000 г.

39. Кузнецов, Г.И. Перспективные технологии складирования насыпных промышленных отходов./ Кузнецов Г.И., Никифорова Н.В. // Достижения науки и техники развитию сибирских регионов. - Красноярск, 2001 г

40. Ломакин, Е.А. Численное моделирование геофильтрации / Е.А. Ломакин, В.А. Мироненко, В.И. Шестаков. М.: «Недра», 1988. - 232 с.

41. Макагонов, В.А. Расчет температурного режима строительных конструкций, расположенных под слоем грунта./ Макагонов В.А.// Известия Вузов. Строительство. 1980, № 4.

42. Макаров, В.И. Термосифоны в северном строительстве. -Новосибирск: Наука, 1985г.

43. Механика грунтов. Основы геотехники: в 3-х ч. Ч.1/СПб:СпбГА-СУ, 2000. 204 с.

44. Мироненко, В.А. Проблемы гидрогеоэкологии. Монография в 3-х. томах. Том 2 (книга 1). Прикладные исследования. / В.А. Мироненко, В.Г. Румынии. М.: Изд-во московского государственного горного университета, 1999-312с.

45. Мироненко, В.А. Проблемы гидрогеоэкологии. Монография в 3-х. томах. Том 2 (книга 2). Прикладные исследования. / В.А. Мироненко, В.Г. Румынии. М.: Изд-во московского государственного горного университета, 1999-312с.

46. Недрига, В.П. Противофильтрационные и дренажные устройства шламохранилищ насыпного типа/Труды института «Водгео». М.: ВНИИ «ВОДГЕО», 1979, с. 58-60.

47. Никифорова, Н.В. Противофильтрационные природоохранные мероприятия на золоотвалах./ Никифорова Н.В.// Известия Вузов. Строительство. Новосибирск, 2001. № 2.

48. Никифорова, Н.В. Односекционный накопитель мерзлого типа с внутренним бассейном загрязненных стоков./ Никифорова Н.В.// Известия Вузов. Строительство. Новосибирск, 2001. № 4.

49. Пальгунов, П.П. Утилизация промышленных отходов / П.П Пальгунов, М.В. Сумароков. М.: Стройиздат, 1990. - 352 с.

50. Пехович, А.И. Расчеты теплового режима твердых тел/ А.И. Пехович, В. М. Жидких. JL: «Энергия», 1976. -352 с.

51. Пехович, А.И. Основы гидроледотермики/ А.И. Пехович Л.: «Энергоатомиздат». Ленингр. Отд-ие, 1983. - 200 с.

52. Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных отходов к СНиП 2.01.28-85. -М. Стройиздат, 1990.

53. РД 34.03.102-94. Положение о системе отраслевого надзора за безопасностью гидротехнических сооружений электростанций. — М. ОРГРЭС 1994.

54. РД 34.27.109-96. Методические указания по проектированию систем пневмоудаления золы от котлоагрегатов, установок отпуска сухой золы потребителям от отгрузки ее на насыпные золоотвалы. Екатеринбург. OA «Уралтехэнерго», 1996 г.

55. РД 153-34.1-21.325-98. Методические указания по контролю за режимом подземных вод на строящихся и эксплуатируемых тепловых электростанциях. М.: 1999 г.

56. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций. П 26-85 /ВНИИГ. -Л.: Изд. ВНИИГ, 1986. -127 с.

57. Рекомендации по обследованию золошлакоотвалов тепловых электрических станций. /ВНИИГ. -Л.: Изд. ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1998.-44 с.

58. Руководство по организации систем наблюдения и контроля за состоянием золошлакоотвалов ТЭС и обеспечением безопасности прилегающих территорий / ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (I редакция). -С-Пб. 2001.

59. Савинкина, М.А. Золы Канско-Ачинских углей / М.А. Савинкина, А.Т. Логвиненко-Новосибирск: «Наука», 1979.

60. Самарский, А.А. Теория разностных схем. Учеб. Пособие / А.А. Самарский. М.: «Наука», 1977. - 656 с.

61. Самарский, А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5. -№ 5. -С. 816-827,

62. Самсонов, А.А., Обработка и утилизация зол Канско-Ачинских углей с целью использования их в производстве строительных материалов/

63. A.А. Самсонов, В.Ф. Брюшко// Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт Шарыпово, 2002 г, с. 122-125.

64. Складирование отходов химических производств/ В.Д. Семенюк,

65. B.П. Батюк, Н.П. Стасюк, В.Н. Евстратов. М.: Химия, 1983. - 120 с.

66. Словарь-справочник. Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике. / под. ред. А.А. Кагана, Н.Ф. Кривоноговой. СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева».2001.254 с.

67. Сметанин, В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. М.: КолосС, 2003.

68. Состав и свойства золы и шлака ТЭС. Справочное пособие. Пантелеев В.Г., Ларина Э.А., Мелентьев В.А. и др. под ред. Мелентьева В.А. -Л.: Энергоатомиздат, 1985.

69. Справочник. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России / Ю. Н. Жаров, Е.С. Мейтов, И.Г. Шарова; Под ред. В.Ф. Череповского, В.М. Роговой, В.Р. Клер. М.: «Недра», 1996. - 240 с.

70. Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах (СНиП 2.02.04.-88) / Госстрой СССР. -М.: АПП ЦИТП, 1991.-56 с.

71. Строительные нормы и правила. Плотины из грунтовых материалов (СНиП 2.06.05.-84) / Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. 56 с.

72. Строительные нормы и правила. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов (СНиП 2.01.28.-85) / Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. 43 с.

73. Сысоев, Ю.М., Кузнецов Г.И. Проектирование и строительство золоотвалов. -М. Энергоатомиздат, 1990.

74. Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. -М.: «Наука», 1972. 736с.

75. Чертес, К.Л. Комплексное размещение отходов промышленного мегаполиса /К.Л. Чертес, Д.Е. Быков, И.А. Слащук// Экология и промышленность России. 2003. - № 1. - С. 18-22.

76. Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды» -2002 г.-31с.

77. Федоров, И.С. Складирование отходов рудообогащения / И.С. Федоров, М.Н. Захаров. М.: Недра, 1985, 232 с.

78. Фельдман, Г.М. Методические указания по расчетам температурного режима грунтов / Г.М Фельдман. Якутск. Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1985. - 69 с.

79. Фельдман, Г.М. Прогноз температурного режима грунтов / Г.М Фельдман. Новосибирск: Изд-во «Наука» Сибирское отд-ние, 1977. - 332 с.

80. Шлее Ю. Современные технологии строительства полигонов для захоронения отходов с использованием геосинтетических материалов / Ю. Шлее, Х.Н. Никогосов, А.А. Ткачев //Экология и промышленность Росссии. — 2003.-№2.-С. 4-8.

81. Шульман, B.JI. Методические основы природоохранной деятельности ТЭС. Екатеринбург, Изд-во Уральского университета, 2000.

82. Экология и экономика природопользования / под. Ред. Проф. Э.В. Тирусова, проф. В.Н. Лопатина. 2-е изд. М.: ЮНИТИ, Едтнство, 2003г.

83. Ягин, В.П., Вайкум В.А., Поваренкин В.А., Давыдов И.А., Нейланд Н.Н. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств // Гидротехническое строительство. -1998, №6. -С. 11-14.