WPŁYW CZASU SKŁADOWANIA POPIOŁÓW NA ICH WŁAŚCIWOŚCI FILTRACYJNE

Transkrypt

1 Współczynnik filtracji, spadek hydrauliczny, popiół lotny, suspensja Marcin WITOWSKI mgr, Instytut Techniki Budowlanej WPŁYW CZASU SKŁADOWANIA POPIOŁÓW NA ICH WŁAŚCIWOŚCI FILTRACYJNE STRESZCZENIE: Duże ilości odpadów powstających w procesie produkcji energii wymuszają poszukiwanie nowych sposobów ich transportu i składowania. W artykule przedstawiono wyniki badania przepuszczalności suspensji po 7, 30, 60 i 90 dniach od uformowania. Sezonowanie próbek odbywało się w warunkach powietrznosuchych, wilgotnych oraz przy pełnym zanurzeniu próbek w wodzie. Przetrzymywanie uformowanych próbek w takich warunkach miało na celu odtworzenie naturalnych warunków występujących w składowisku. Istotnym czynnikiem, który może wpływać na wartość współczynnika filtracji jest stopień wypełnienia porów wodą. Wykluczenie wpływu tego czynnika na przepuszczalność materiału wymagało przeprowadzenia testów na próbkach całkowicie nasyconych. W tym celu badanie wykonano w komorze trójosiowej metodą stałego spadku hydraulicznego przy wykorzystaniu systemu nasycania próbek metodą ciśnienia wyrównawczego. 1. WSTĘP Odpady paleniskowe powstające w procesie produkcji energii elektrycznej, do których zalicza się popioły lotne oraz żużle stanowią poważny problem gospodarczy ponieważ ich składowanie wymaga ochrony gleb, wód powierzchniowych, podziemnych oraz powietrza atmosferycznego. Podstawowa metoda transportu żużli i popiołów opiera się na mieszaniu popiołu i wody w stosunku 1: lub niekiedy 1:7 a następnie przetransportowaniu tak powstałej pulpy rurociągami na poszczególne kwatery składowiska [4]. Składowanie odpadów ze spalania węgla brunatnego w elektrowniach wymaga zajmowania dużych powierzchni terenu, a jeśli to nie jest możliwe nadbudowywania obecnych składowisk w innej technologii. Dodatkowo materiał złożony z pulpy jest źródłem zanieczyszczeń atmosfery w postaci pyłów unoszących się z powierzchni składowiska, równocześnie może dochodzić do zanieczyszczenia środowiska gruntowo wodnego przez wody przenikające przez masę składowiska. Rozwiązaniem tego problemu jest transport i składowanie popiołów lotnych i żużli w postaci suspensji czyli mieszaniny popiołu i wody w stosunku 0,8 1 : 1. Podstawą technologii wytwarzania, transportu i składowania mieszanin popiołowo-wodnych w formie suspensji jest wytwarzanie mieszaniny

2 zawartosc ziarn o średnicy mniejszej niż d [ % ] popiołowo-wodnej o wysokiej zawartości fazy stałej, która posiada własności tiksotropowe, umożliwiające jej transport hydrauliczny i rozpływ w miejscu deponowania. Jednocześnie zawartość wody jest na tyle mała, że po złożeniu w miejscu docelowym suspensja wydziela niewielką ilość wody nadmiarowej, a pozostawiona bez ruchu zestala się. Zbudowane z suspensji złoże cechuje się niskim współczynnikiem filtracji, przy czym wraz z upływem czasu będzie się utrzymywała tendencja do jego dalszego zmniejszania, dzieje się tak z powodu zachodzących w suspensji procesów mechanicznych i chemicznych. Zjawisko to zapobiega przedostawaniu się do gruntu i wód podziemnych składników rozpuszczalnych zawartych w popiołach. Głównym celem przeprowadzonych badań było określenie, w jakim stopniu zmniejszy się wartość współczynnika filtracji suspensji wraz z upływem czasu. Próbki suspensji zostały poddane sezonowaniu przez okres maksymalnie 90 dni w różnych warunkach mających na celu odtworzenie warunków występujących na składowisku. 2. METODYKA BADAŃ Badany materiał to popiół pochodzący ze spalania węgla brunatnego z jednego z bloków elektrowni. Skład granulometryczny przedstawiono na krzywej uziarnienia (Rys. 1). Materiał ten charakteryzuje się wilgotnością w stanie powietrzno-suchym na poziomie 0,3 %, gęstość właściwa badanego materiału wynosi 2,75 Mg/m 3. 0 WYKRES UZIARNIENIA GRUNTU ,001 0,0 0,0 1,000,000 0,000 średnica zastępcza ziarna - d [mm] Rys. 1 Rozkład uziarnienia badanego popiołu. Popiół lotny został zmieszany z wodą wodociągową w proporcji popiół / woda 0,8 : 1, następnie tak przygotowana mieszanina była wlewana do cylindrycznych form o średnicy 0 mm i wysokości 150 mm. Wymiary form zostały dopasowane do wymagań stawianych przez aparaturę. Próbki miały kształt cylindryczny o średnicy 0 mm i wysokości 0mm. Próbki w formach w czasie nalewania mieszaniny miały wysokość o 50 mm wyższą niż docelowa, ponieważ popiół lotny w czasie wiązania zmniejszał swoją wysokość. Po określonym czasie próbka była wyjmowana z formy i przycinana do w/w wymiarów. W celu zbadania wpływu czasu na właściwości filtracyjne przygotowano 36 próbek, które podzielono na cztery grupy, (mające symulować zachowanie emulgatu w czasie): 7, 30, 60, 90 dni. Każdą z tych grup podzielono dodatkowo pod względem sposobu sezonowania na trzy podgrupy:

3 a) Próbki powietrzno - suche po uformowaniu formy były ustawione na powietrzu, co pozwalało na ich powolne schnięcie. b) Próbki wilgotne po uformowaniu próbki były wstawiane do naczyń wodą, przy czym woda sięgała maksymalnie do 1/3 wysokości formy, nasycanie pozostałej części próbki następowało na drodze kapilarnego wzniosu. c) Próbki mokre po uformowaniu próbki były wstawiane do naczyń z wodą, jednak w tym przypadku formy były całkowicie zanurzone. Założono również, że badanie każdego rodzaju zostanie przeprowadzone na trzech niezależnych próbkach co pozwoli na uzyskanie trzech wyników i uśrednienie ich. Badanie współczynnika filtracji przeprowadzono w dedykowanej komorze do badań filtracji, o konstrukcji zbliżonej do komór do badań trójosiowych (Rys. 2), szczegółowo opisanej w normie BS 1377: Part 6 [2]. W czasie przeprowadzania badania próbki o kształcie walca o średnicy 0 mm i wysokości 0 mm umieszczone są na podstawie, od góry są przykryte kopułką, dodatkowo między próbką a wyżej wymienionymi elementami znajdują się kamienie porowe o współczynniku filtracji przynajmniej razy wyższym niż badanej próbki. Powierzchnie boczną zabezpiecza się elastyczną osłoną. Gumowa membrana okrywająca próbkę jest dociskana do podstawy i kopułki poprzez cztery o-ringi. Wypełnienie komory odpowietrzoną wodą umożliwia zadanie izotropowych naprężeń na próbkę. Zadawanie różnych ciśnień hydraulicznych na górną i dolną część próbki poprzez podstawę i kopułkę umożliwia wytworzenie gradientu hydraulicznego [3]. Próbki po zamontowaniu były poddawane procedurze nasycania, aż do uzyskania pełnego nasycenia, co było potwierdzane odpowiednią wartością parametru Skemptona B, następnie próbki były konsolidowane izotropowo do wartości 50 kpa naprężeń efektywnych. Po zakończeniu konsolidacji wykonywano serie pomiarów współczynnika filtracji przy różnych wartościach gradientu hydraulicznego. Próbki zostały zbadane przy spadku hydraulicznym i równym ; 14; ; 6, wartości te zostały tak dobrane żeby uzyskane wydatki były miarodajne. Rejestracja danych odbywała się za pomocą komputera. Pomiary były przeprowadzane w klimatyzowanym pomieszczeniu przy stałej temperaturze 22 C. Rys. 2 Schemat aparatury do badania współczynnika filtracji w komorze trójosiowego ściskania: 1- odpowietrznik, 2 elastyczny przewód, 3 o-ringi, 4 zawór ciśnienia w komorze, 5 zawór ciśnienia wyrównawczego, 6 kopułka, 7 komora, 8 membrana, 9 kamienie porowe, zawory ciśnienia porowego, 11 zawór ciśnienia wyrównawczego, 12 przewód sygnałowy czujnika ciśnienia porowego, 13 czujnik ciśnienia porowego.

4 Po osiągnięciu stabilnych ilości wody wpływającej i wypływającej z próbki wydatek obliczano z wzoru (1): (1) gdzie: Q wydatek [m 3 /s], ilość wody zmierzonej w wybranym przedziale czasu [m 3 ], odpowiadający przedział czasu [s]. Współczynnik filtracji obliczono z równania (2): (2) gdzie: współczynnik filtracji [m/s], wydatek [m 3 /s] wysokość próbki [m], powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [m 2 ], różnica ciśnień na górze i na dole próbki (spadek hydrauliczny). Zgodnie z zaleceniami normy PKN-CEN ISO/TS [1], uzyskanie powtarzalnych wartości współczynnika filtracji oznaczonych w trakcie badania wymagało przeliczenia uzyskanych wartości k dla temperatury C używając wzoru Poiseuille a (3): (3) gdzie: współczynnik filtracji w temperaturze C [m/s], współczynnik poprawkowy (dla badań przeprowadzonych w temperaturze 22 C = 0,735), współczynnik filtracji w temperaturze otoczenia [m/s].

5 k - współczynnik filtracji [m/s] k - współczynnik filtracji [m/s] 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki pomiarów dla każdego rodzaju próbek (powietrzno suche, wilgotne, i mokre) przedstawiono na wykresach oraz w tabeli: i - spadek hydrauliczny 6 14 Rys.3 Zależność współczynnika filtracji od czasu sezonowania dla próbek powietrzno suchych i - spadek hydrauliczny 6 14 Rys. 4 Zależność współczynnika filtracji od czasu sezonowania dla próbek wilgotnych.

6 k - współczynnik filtracji [m/s] i - spadek hydrauliczny 6 14 Rys. 5 Zależność współczynnika filtracji od czasu sezonowania dla próbek mokrych. Tabela 1. Wilgotność próbek suspensji. Rodzaj próbki Wilgotność po 7 dniach Wilgotność po 30 dniach [%] Wilgotność po 60 dniach [%] Wilgotność po 90 dniach [%] [%] [%] [%] [%] powietrzno - sucha 115,8 1,1 80,0 51,1 wilgotna 117,9 122,0 140,5 166,1 mokra 117,8 1,6 127,5 134,6 Wilgotność badanych próbek suspensji została zestawiona w tabeli numer 1. Analiza wilgotności próbek sezonowanych w warunkach pełnego i częściowego zanurzenia prowadzi do wniosku, że suspensja wraz z upływem czasu zwiększa swoją wilgotność co może być związane z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w materiale. W przypadku próbek powietrzno suchych wilgotność zmniejsza swoją wartość co jest zjawiskiem oczywistym i spodziewanym. Analiza wykresów zależności współczynnika filtracji od czasu dla wszystkich rodzajów próbek uwidacznia zmniejszenie się współczynnika filtracji wraz z upływem czasu. Dla próbek sezonowanych w warunkach powietrzno suchych (Rys. 3) wartość tego parametru mierzona dla uśrednionego spadku hydraulicznego zmalała z poziomu 5,2. -7 m/s do 3,2. -7 m/s, jest to spadek wartości parametru o wartość 2,0. -7 m/s. W przypadku próbek wilgotnych przetrzymywanych w warunkach niepełnego zanurzenia w wodzie (Rys. 4) współczynnik zmalał z 6,3. -7 m/s do 4,2. -7 m/s co równa się spadkowi o 2,1. -7 m/s. Próbki w całości przetrzymywane w wodzie (Rys. 5) charakteryzują się w początkowym okresie współczynnikiem filtracji na poziomie 6,7. -7 m/s, który po 90 dniach zmalał do wartości 4,2. -7 m/s, co oznacza że parametr ten zmniejszył swoja wartość o 2,5. -7 m/s. Na rysunku numer 6 zestawiono uśrednione wartości współczynnika filtracji dla każdego rodzaju próbek. Wynika z niego, że próbki sezonowane w warunkach niepełnego i pełnego zanurzenia w wodzie charakteryzują się bardzo zbliżonymi wartościami współczynnika filtracji. Natomiast dla suspensji przechowywanej w warunkach powietrzno suchych współczynnik filtracji ma wartości o 1, m/s mniejsze niż próbek sezonowanych w innych warunkach.

7 k - współczynnik filtracji [m/s] rodzaj próbek powietrzno - suche wilgotne mokre Rys. 6 Zależność współczynnika filtracji od czasu sezonowania. 4. Podsumowanie Ogółem przeprowadzono badanie współczynnika filtracji na 36 próbkach suspensji. Przeprowadzone badania potwierdziły ogólną tendencje do zmniejszania się współczynnika wraz z upływem czasu. Dla analizowanego materiału po upływie 90 dni parametr ten zmniejszył swoją wartość średnio o 2,2. -7 m/s. Analiza uzyskanych wyników współczynnika filtracji prowadzi do wniosku, że po okresie 90 dni można się spodziewać spowolnienia tendencji spadkowej, jednak potwierdzenie tego faktu będzie wymagało przeprowadzenia badań w dłuższej skali czasu. Należy uznać, że wyniki dla próbek sezonowanych warunkach pełnego i częściowego zanurzenia w wodzie są zbliżone, co prowadzi do wniosku, że przy projektowaniu następnego programu badań będzie można ograniczyć ilość próbek tylko do jednego rodzaju. Podane wartości filtracji należy traktować, jako szacunkowe gdyż w rzeczywistości popioły przechodzą bardziej skomplikowany proces obróbki zanim trafią na składowisko. Ocena rzeczywistego współczynnika filtracji wymagać będzie badań polowych oraz przygotowania próbek lepiej oddających warunki występujące w technologii przygotowania suspensji w skali technicznej. LITERATURA [1] PKN-CEN ISO/TS :09 Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 11. Badanie filtracji przy stałym i zmiennym gradiencie hydraulicznym. [2] BS 1377 : Part 6 : 1990 British Standard Methods of test for Soil for civil engineering purposes. Part 6. Consolidation and permeability tests in hydraulic cells and with pore pressure measurement. [3] Head.K.H.: Manual of soil laboratory testing. Volume 3 Effective stress tests. England, John Wiley & Sons Ltd., [4] Łukasik S.: Geotechniczne właściwości popiołów tworzących składowisko mokre elektrowni Bełchatów. Warszawa, 1998.