Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление

Курс лекций. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. - 192 с.

Предыдущая

Глава 2. Методы оценки ветровой эрозии и пыления

2.2. Механизм и основные показатели ветровой эрозии золошлакоотвала ТЭС

Гидрозолошлакоотвалы ТЭС являются хранилищем отходов энергетического производства - золы и шлака, которое по мере заполнения подлежит консервации или рекультивации и передаче в хозяйственное пользование. В сухие периоды года большинство золошлакоотвалов (кроме случаев складирования цементирующихся зол) могут оказаться источником интенсивного пыления в результате ветрового воздействия. Ветровая эрозия золошлаковых полей представляет собой разрушение сложившейся в процессе складирования и статического хранения структуры дисперсной слабосвязанной обезвоженной золы уноса ТЭС под воздействием ветровоздушного потока. Она определяется характером и интенсивностью воздействия ветрового потока, свойствами складируемого материала, технологией складирования, а также конструкцией объекта.

Можно выделить три составляющих процесса ветровой эрозии

·          отрыв и взлет частицы с поверхности,

·          перемещение ее в запыленном потоке над поверхностью золошлакового поля,

·          рассеивание золовых эродированных частиц за пределами золоотвала после схода пылевого облака с дамбы.

Воздействие ветровоздушного потока на каждую отдельную частицу на поверхности слоя связано с несколькими одновременно действующими механизмами - лобовое аэродинамическое давление, побуждающее к сдвигу по направлению ветра вдоль поверхности, перепад статического давления, возникающий при обтекании частицы и создающий подъемное усилие; турбулентная диффузия в ветровом потоке, создающая переменные пульсирующие по величине и направлению усилия на частицу и ослабляющие гравитационные и адгезионные связи частицы со слоем.

Сдвиговая или динамическая, скорость потока  является важнейшим параметром, характеризующим условия ветровой эрозии поверхности пылевидного материала и определяющим величину создаваемого потоком усилия отрыва частицы от поверхности (либо сдвига ее по поверхности). Непосредственно этот параметр характеризует степень интенсивности турбулентного пульсационного движения в пограничном слое. Значение  определяется из логарифмического уравнения Кармана – Прандтля, учитывающего высотный градиент скорости не запыленного ветровоздушного потока, связанный с тормозящим действием подстилающей поверхности:

                                          (102)

где     – скорость ветра на высоте флюгера, м/с;

 – постоянная Кармана (0,4);

 – высота установки флюгера, м;

 – диаметр эродируемых частиц при (), мкм.

Значения  для золовых частиц с агрегатной плотностью  показаны на графике рисунка 14.

Пороговая (минимальная) динамическая скорость , м/с, соответствующая началу пыления (подъему частиц), определяется по графику на рисунке 15 или по формуле:

                                      (103)

Рисунок 14 - Динамическая скорость ветровоздушного потока при различной скорости ветра на уровне флюгера (=10 м)

Рисунок 15 - Значение пороговой скорости  при

где     – эмпирический коэффициент 0,08 – 0,12

 – ускорение силы тяжести, 9,8 м/с2;

 – диаметр эродируемых частиц;

 - параметр отношения плотностей, определяемый по формуле:

                                                    (104)

где    – агрегатная плотность пылевых частиц, 2,4 – 2,6 кг/м3;

 - плотность воздуха, 1,0 кг/м3;

Для каждого конкретного случая складирования золошлаков существует минимальная скорость ветра  на уровне флюгера, соответствующая , при которой начинается пыление поверхности золоотвала. Эта величина может быть определена расчетным путем по формуле (которой соответствует график на рисунок 14), либо наблюдениями по данному объекту:

                             (105)

где     – пороговая (минимальная) динамическая скорость, соответствующая началу пыления (подъему частиц), м/с,  рассчитывается по формуле:

Поведение золошлаковых частиц в слое при продольном ветровом воздействии определяется физическими свойствами материала и индивидуальными свойствами каждой частицы (размер, плотность, конфигурация, парусность), условиями ее физико-химического воздействия в слое со смежными частицами (адгезионные свойства, химическое воздействие), а также характером, структурой слоя частиц (влажность, гранулометрический состав) и условиями его формирования (насыпной, намывной).

Влияние гранулометрического состава отложений на пылящие свойства слоя носит экстремальный характер. Наибольшая сдуваемость отмечается для слоя с преобладанием частиц 0,05-0,2 мм. Малопылящей является поверхность золошлаковых отложений, образованная частицами <0,05 мм, что обусловлено взаимодействием между частицами при их более плотной упаковке. С увеличением доли частиц размером более 0,25-0,3 мм (за счет фракционирования при намыве слоя, либо по мере эрозионного истощения поверхности сухого участка) интенсивность сдува золошлаков резко снижается.

Определяющим фактором химического взаимодействия золовых частиц с образованием различной степени устойчивости сцементированных конгломератов является содержание :

·          При <10% в золоотвале при намыве и хранении не происходит структурной перестройки зернового состава поступающих золошлаков.

·          При =10-25% отмечается частичная структурная перестройка, приводящая к образованию на золошлаковом поле локальных участков слабо сцементированных отложений.

·          Золошлаки с >25% самоцементируются в монолит, достаточно стойкий к комплексу атмосферных воздействий.

Интенсивность ветровой эрозии поверхности зависит от способа формирования слоя, для намытого слоя золошлакоотвала она на порядок ниже, чем для насыпного и неуплотненного слоя. Это указывает на существенное различие условий пыления сухих свеженамытых участков и зон вторичного пыления, поверхность которых образуется осажденными эродированными частицами.

Капиллярное увлажнение поверхности слоя, орошение в качестве способа пылеподавления, осадки, талые воды, изменяя влажность материала, существенно сказываются на пылении поверхности золоотвала. Пыление характерно для участков, где влажность слоя составляет 1-3% (воздушно-сухой материал), и полностью исключается при влажности более 6-7%.

Интегральной характеристикой эродируемости частиц является удельная сдуваемость материала , которая определяется экспериментальным путем продувками в аэродинамической трубе проб золы, отобранных на золоотвале, с моделированием условий намыва золы. Для приближенной оценки порядка величины  может служить эмпирическая зависимость

                                 (106)

где     – универсальная постоянная, 100;

Возможны три формы движения эродированных пылевых частиц под действием воздушного потока

·          сальтация (скачкообразное перемещение),

·          во взвешенном состоянии,

·          путем безотрывного перемещения частиц по поверхности (волочение, перекатывание).

Зола, сдуваемая с поверхности золоотвала и выносимая за его пределы, - полидисперсная, включает пылевые частицы от субмикронных до 500 мкм (витающие - размером до 40 мкм и гравитирующие, которые участвуют в сальтирующем движении, - размером до 500 мкм). Крупные частицы размером свыше 500 мкм могут перемещаться по поверхности под действием лобового усилия воздушного потока безотрывно. Эти частицы практически не выносятся за пределы эолошлакового поля. Витающие частицы следуют за ветровым потоком и рассеиваются на значительном удалении от золошлакоотвала. Перемещение частицы во взвешенном состоянии происходит в том случае, когда конечная скорость падения частицы (определяемая размером, формой, плотностью частицы) меньше пороговой динамической скорости для данной частицы.

При сальтации частица получает от воздушного потока начальный подъемный пульс и затем перемещается вниз под воздействием силы тяжести и силы трения о воздух. Критерием разделения процессов сальтации и переноса взвеси служит отношение динамической скорости  к скорости гравитационного оседания частиц .

                                          (107)

Граничный размер пылевой частицы  (минимальный размер сальтирующей частицы), разделяющий витающие и сальтирующие частицы, соответствует значению комплекса

Значение  может быть определено по графику на рисунок 16.

Каждому значению скорости ветра на высоте флюгера  соответствует предельный (максимальный) размер эродируемой частицы , определяемый из соотношения  по графику на рисунке 17.

Высота подъема эродированной частицы  (без учета возможного воздействия восходящих воздушных потоков и турбулентных крупномасштабных вихревых образований) определяется по формуле:

                          (108)

                               (109)

где    – скорость ветра на уровне оси пылевого облака, определяемая по формуле:

                                           (110)

Пролет сальтирующей частицы над золошлаковым полем определяется зависимостью:

                                            (111)

На длине перелета одиночной пылевой частицы от наветренной границы пылящего участка , имеет место нарастание массы эродированных частиц, переносимых ветровоздушным потоком, здесь отсутствует осаждение оторванных от поверхности частиц. На последующем участке процесс выдувания частиц из слоя сопровождается переходом эродированных сальтирующих частиц из потока на поверхность, которые затем участвуют во вторичном пылении.

Рисунок 16 - Значение граничного размера частиц  при различной агрегатной плотности золы

1 -  г/см3, 2 -  г/см3, 3 -  г/см3.

Рисунок 17 - Значение предельного размера эродируемых золовых частиц при различной скорости ветра на уровне флюгера

Условия вторичного пыления - отрыва от слоя осаждаемых эродированных частиц - существенно отличны от характера первичного пыления - отрыва пылевых частиц от намытого слоя. Интенсивность сдува частиц при вторичном пылении существенно выше. Поэтому можно считать, что весь эродированный материал первичного сдува, включая витающие и сальтирующие частицы (со всей пылящей неэкранированной прудом поверхности золоотвала) выносится к границе золошлакового поля (к ограждающей дамбе отвала). Участок непосредственно перед ограждающей дамбой, сама дамба, ее низовой откос, дренажные и нагорные канавы являются зоной обеспыливания ветрового потока, в которой действуют гравитационные силы и турбулентная диффузия.

Перенос золовых частиц, поступающих в атмосферу с открытой поверхности складируемого материала, и переход их на подстилающую поверхность в прилежащей зоне осуществляется по иному механизму, нежели процессы рассеивания в атмосфере твердых частиц с дымовыми газами ТЭС и твердофазных выпадений из дымового факела.

Обеспыливание ветровоздушного потока описывается эмпирической экспоненциальной зависимостью:

                                          (112)

где     - запыленность на расстоянии  от дамбы, мг/м;

 – запыленность на оси дамбы, принимаемая равной запыленности на границе отвала (с учетом обеспылевания в границах отвала специальными техническими средствами, при обтекании ограждающей дамбы, в её аэродинамической тени, а также с помощью лесопосадок);

 – коэффициент затухания, (1/м), средний коэффициент затухания по разным данным равен ;

 – расстояние от дамбы, м.

Угол бокового раскрытия факела пыли после схода с дамбы по мере его распространения составляет 10°.

При определении максимального текущего выноса золовых частиц с золоотвала и максимальных приземных концентраций расчет выполняется по максимальной скорости ветра на уровне флюгера с повторяемостью не менее 5%.

Предыдущая