A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya hidraulikus tömedékelési rendszerének vizsgálata Diplomamunka

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya hidraulikus tömedékelési rendszerének vizsgálata Diplomamunka

Készítette: László Dalma Előkészítéstechnikai mérnök mesterképzési szak (MSc) Általános eljárástechnikai modul Belső Konzulens: Dr. Faitli József intézetigazgató,

egyetemi

docens

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Külső Konzulens: Weisz Róbert okl. bányagépész mérnök, projektvezető GEO-FABER Műszaki Vállalkozó Zrt., Beadás dátuma: 2013. május 8.

Miskolc, 2013. május 8.

Eredetiségi Nyilatkozat

Alulírott László Dalma, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervemben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem.

Miskolc, 2013. május 8.

...................................................... a hallgató aláírása

Miskolci Egyetem

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

Tartalom 1. Bevezetés.....................................................................................................................1 2. Szakirodalmi áttekintés...............................................................................................3 2.1. A bányászat felhagyása a Gyöngyösoroszi ércbányában .......................................3 2.2. A felszín alatti bányatérség aktuális állapota ..........................................................4 2.2.1. Korábbi becslések ...........................................................................................4 2.2.2. Mátraszentimrei telér vízminősége ..................................................................6 2.3. A tömedékeléssel elérendő célok ...........................................................................6 2.4. Tömedékelés erőműi pernyével ..............................................................................7 2.5. A pernye, mint erőműi melléktermék.....................................................................12 2.5.1. Nemzetközi tapasztalatok ..............................................................................12 2.5.2. A pernye tulajdonságai ..................................................................................13 2.6. Nyomásveszteség számítási algoritmus ...............................................................15 2.6.1. Tarján-Faitli: A finom szuszpenzió - durva keverékáramlás modell ................15 2.6.1.1. A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének számítása ...............22 2.6.1.2. A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása ......................23 2.6.2. Ívcsövek áramlási veszteségei.......................................................................24 2.7. A Mátrai Erőmű salak – pernye sűrűzagyos kiszállító rendszere ..........................25 2.8. A Mátraszentimrei telér tömedékelő rendszerének bemutatása ............................26 2.8.1. A pernye szállítása ........................................................................................27 2.8.2. Pernye fogadás, bekeverés ...........................................................................27 2.8.3. Tömedékanyag szállítás ................................................................................29 2.8.4. Víztelenítés ....................................................................................................31 3. Mérések ......................................................................................................................32 4. Számítási algoritmus kalibrálása a mért adatokra ..................................................34 4.1. A pernye szemcseméret eloszlása .......................................................................34 4.2. Az égetett mész (CaO) oldódásának hatása a pernye zagyra ..............................36 4.3. A pernye zagy sűrűségének valamint a finom szuszpenzió és a durva keverék szállítási koncentrációjának meghatározása.......................................................38 I

Miskolci Egyetem


4.4. Keverékáramlási átlagsebesség számítása ..........................................................41 4.4.1. Keverékáramlási átlagsebesség NÁ 150-es csőben ......................................41 4.4.2. Keverékáramlási átlagsebesség 160-as KPE csőben ....................................41 4.5. A finom szuszpenzió- és a durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása...........................................................................................................42 4.5.1. Nyomásveszteség számítása NÁ 150-es csőben ..........................................42 4.5.2. Nyomásveszteség számítása 160-as KPE csőben ........................................44 4.5.3. A teljes nyomásveszteség .............................................................................46 4.6. A tömedékelő csőhosszak és csőátmérők sematikus ábrája ................................50 5. A nyomásveszteségek átszámítása a bánya 3., 4. és 6. szintjére ..........................52 6. Összefoglalás ............................................................................................................55 6.1. Magyar nyelvű összefoglalás ................................................................................55 6.2. Summary ..............................................................................................................56 7. Irodalomjegyzék ........................................................................................................57 8. Mellékletek jegyzéke .................................................................................................59

II

Miskolci Egyetem


Bevezetés

1.

Gyöngyösoroszi térségében, a több száz éves múltra visszatekintő ércbányászat 1985-re, részben a földtani adottságok, részben a gazdasági körülmények miatt ellehetetlenedett. Az akkor meghozott vállalati döntések alapján a bánya tartós szüneteltetése 1986-ban megkezdődött. Az ÁPV Rt. döntése alapján a Gyöngyösoroszi Ércbánya 2004-ben a MECSEKÉRC Rt. kezelésébe került, azzal a feladattal, hogy a bánya végleges bezárásának műszaki, technikai, engedélyezési feltételeit fel kell tárni, meg kell teremteni, annak érdekében, hogy a végleges bezáráshoz, a szükséges döntések előkészítése megtörténjen. Az elvégzett szakértői elemzések alapján megállapították:  A Gyöngyösoroszi Ércbányából az altáron kifolyó víz (kezelendő víz) kb. 30-32 %-a Mátraszentimre térségében lévő bányatérségből származik.  A Mátraszentimrei telér magas pirittartalma miatt ebből a térségből származó víz átlagosnál alacsonyabb pH értékű és magas oldott fémtartalmú, ami jelentős hatással van az altáron kifolyó és kezelést igénylő víz összetételére. A bányatérségből a harántba 2010. évi adatok alapján 3,2 pH-jól, 60 mg/l Zn és 150 mg/l Fe koncentrációjú extreme szennyezett bányavíz kerül,  Az altáron kifolyó víz mennyiségének csökkentése és a minőség javítása szükséges  A

mátraszentimrei

üregtérfogat

lehetőséget

ad

a

vágatok

tönkremeneteli

folyamataiból adódó omlások miatt ellenőrizhetetlen nyomások kialakulására; az ebből adódó esetleges haváriák megakadályozására szükséges a mátraszentimrei terület bányatérségeinek, fejtési üregeinek teljes tömedékelése. Az elkészült hidrogeológiai jelentés, a szakértői értékelések alapján megállapították, hogy a Gyöngyösoroszi Ércbánya Mátraszentimre térségében lévő üzemrészének teljes körű tömedékelése indokolt. Az MNV Zrt. megbízásából a Gyöngyösoroszi színesércbányászat földalatti létesítményei (Visontáról – Mátrai Erőmű Zrt. – származó) erőműi pernyével történő végleges bezárását, valamint az ércbányászat teljes hatásterületére kiterjedő kármentesítési, tájrendezési és rekultivációs feladatait a Mecsek-Öko Zrt. végzi. [1.] [2.] A Mátraszentimrei tömedékelő csővezeték nyomásveszteségének a számítására a Tarján – Faitli: finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell alkalmas, mely egy olyan csővezetékszállítás – tervezési módszer, amely fizikai anyagvizsgálatokon és félüzemi méretű hidraulikus szállítási vizsgálatokon alapul.

1

Miskolci Egyetem


Diplomamunkám célja a Gyöngyösoroszi Ércbánya Mátraszentimre térségében lévő üzemrészének

függőleges

ejtőcsővel

megvalósított

hidraulikus

tömedékelési

rendszerének bemutatása, és az említett modell számítási algoritmusának további finomítása ipari mért adatokra, melynek segítségével javaslatot teszek arra, hogy a bánya 96, 189 és 237 m-es geodetikus magasságban lévő vágatainak tömedékelése esetén hol van szükség nyomásfokozó szivattyúk beépítésére.

2

Miskolci Egyetem

2.


Szakirodalmi áttekintés

2.1. A bányászat felhagyása a Gyöngyösoroszi ércbányában A Gyöngyösoroszi felhagyott ólom- és cinkbánya, Heves megyében, Gyöngyöstől északra, a Mátra hegység lábánál, a Toka patak vízgyűjtő területén található. A környéken már a középkorban folyt bányászati tevékenység, de az ólom és cinkszulfid érctelérek földalatti művelése a múlt században vált erőteljessé. A kibányászott színesfémércet a helyi flotációs üzem területén aprították és dolgozták fel. 1955-től a flotációs meddőt a Szárazvölgyi zagytározóban ülepítették. [3.] Az ércbányában 1986-ban szüntették meg a termelést. A bányabezárás akkor csak a kifolyó csorgavizet szabályozó -határoló gátak beépítésére, illetve a függőleges aknák, tárók bejáratának elzárására, tömedékelésére korlátozódott. A szakszerű és teljes bezárás elmaradt. A bánya szüneteltetése révén a végleges és teljes körű lezárással megoldandó feladatok egy részét – a bányából kifolyó savas, nehézfémekkel szennyezett víz tisztítását – elvégezték ugyan, de minden lehetséges ellenőrzés és beavatkozási lehetőség nélkül hagyták a mátraszentimrei bányamezőben (az altáró szintje felett) található, mintegy 130 000 m3 térfogatú vágat- és fejtési üregrendszert, mely a 2004-es adatok szerint 30 000 m3 vizet tárolt. Az ellenőrizhetetlen bányatérségekben bármikor bekövetkezhetnek olyan omlások, amelyek elzárják az altáróban a víz külszínre történő kifolyását. Ez esetben a teljes mátraszentimrei terület feltelhet vízzel, ami a szennyezett víz ellenőrizhetetlen helyeken történő kifolyásával és a nagy tömegű víz statikus és dinamikus energiájából adódó haváriahelyzet kialakulásával járhat. [4.] Így az idők folyamán szükségessé és elengedhetetlenné vált a rekultiváció. A több mint 100 km hosszú vágat- illetve üregrendszerben a bányavíz felgyűlt, és a bányában lezajló vegyi folyamatok hatására, hatalmas mennyiségű mérgező iszapot rakott le. A levegő hatására oxidálódó érctelepek ugyanis a beszivárgó vizet nehézfémekkel szennyezetté, savassá tették. [5.] A bányák rekultivációja a 90-es évek végén indult, elsősorban a felszíni meddőhányók eltávolításával, befedésével, a meddőanyagot a Száraz-pataki depóra helyezték. A Mecsek-Öko Zrt. az ÁPV Zrt. megbízása alapján 2004-ben felmérte a gyöngyösoroszi ércbánya

és

külszíni

hatásterülete

teljes

körű

bezárása,

illetve

rekultivációja,

kármentesítése megtervezéséhez szükséges helyzetet. A megszerzett információk, adatok alapján elkészültek a munka beindításának hatósági engedélyeztetéséhez, a költségek számításához és a kiviteli tervek készítéséhez szükséges tanulmányok, 3


Miskolci Egyetem dokumentumok.

A

tervezési,

engedélyeztetési

folyamatot

követően

az

Észak-

magyarországi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség 42951/2005. ügyiratszámon kiadta a gyöngyösoroszi ércbányászat föld alatti térségeinek bezárásához a környezetvédelmi engedélyt. [4.] 2008-ban a Mecsek-Öko Zrt. a végleges bezárást eredményező rekultivációra kapott megbízást. A munkálatokhoz tartozott: 

a mátraszentimrei akna kinyitása, biztosítása



az Altáró kinyitása, biztosítása



a Toka-patak és a Száraz-ér kármentesítése



a Száraz-völgyi zagytározó tájrendezése



a hordalékfelfogó kármentesítése



az Ipari-víztározó kármentesítése

Jelenleg a kármentesítések, tájrendezések és a Mátraszentimre - Gyöngyösoroszi mélyművelés felszámolása is zajlik. A régi üregekből eddig is a külszínre folyó vizek most ellenőrzés és "felügyelet" mellett érkeznek a víztisztítóba. A fejtési üregek zárása, tömedékelése folyamatosan történik. A tervezett munkák előrelátható befejezése 2015-re várható. [5.]

2.2. A felszín alatti bányatérség aktuális állapota 2.2.1. Korábbi becslések A szakemberek között elfogadott nézet, hogy az érc magas pirit tartalma miatt a mátraszentimrei bányaüregekben fakadó víz térfogatarányánál nagyobb hányadú szennyező anyagot juttat az eredő bányavízbe. Elfogadva a korábbi 2003-as hidrogeológiai modellezéssel valószínűsített értéket, amely szerint a mátraszentimrei bányamező felől érkező víz az Altárón kifolyó bányavíznek mintegy 20 %-át teszi ki, és feltételezve azt a korábbi tapasztalatot, hogy a szennyezés mintegy 50 %-a érkezik a mátraszentimrei bányamezőből, (ebben az esetben a mátraszentimrei bányaüregekben oxidálódó pirit mennyisége évente kb. 50 t-t tesz ki) arra a megállapításra jutottak, hogy a mátraszentimrei üregrendszerben

képződő

bányavíz

vastartalma

kb.

135

mg/l,

cinktartalma pedig 48 mg/l. A becsléseket két időpontra vonatkoztatva részben mért adatokkal is alátámasztották. Az 1986-ban a bánya felhagyása idején mért, illetve az Mszi-1 fúrás tapasztalatai felhasználásával a 2004-es állapot adatai alapján. 4


Miskolci Egyetem

A központi bányamezőben fakadó víz mennyiségére és minőségére 1988-ban közölt adatok alapján a központi bányamezőben fakadó víz mennyisége kb. 173 m3/nap értékre tehető. A bányabérci terület és a mátraszentimrei bányamező vízhozamainak arányát 70:30-ra állapították meg. (mátraszentimrei víz : bányabérci víz = 70:30). Ezek alapján a következő rész-vízhozamok adódtak a vizsgált 1986-87-es időszakra: 

Mátraszentimrei bányamező: 385 m3/nap (vagy 20,64%)



Bányabérci terület: 163 m3/nap (vagy 8,7 %)



Központi bányamező + 400 m-es szint: 173 m3/nap (vagy 9,3% a teljes 1865 m3/nap bányavízhozamnak)

2004. évre a bányavíz mennyisége 3332 m3/nap volt átlagosan. Ez mintegy 50 %-kal haladja meg az 1993-2003. évek átlagát, ami részben a csapadékos időjárásnak, részben annak tudható be, hogy leeresztésre került a V-3 gát mögött felgyülemlett víz. A 2004. évi számítások szerint a mátraszentimrei bányamezőből érkező víz, amelynek részaránya 21,84

%,

valóban

igen

szennyezett:

cinktartalma

eléri

az

50

mg/l

értéket,

vaskoncentrációja 192 mg/l értéknek adódik a számítások szerint. A víz pH-ja azonban lényegesen meghaladja a pH=3 értéket, amire az eredő víz 6 fölötti pH-értékéből lehet következtetni. Így tehát a 2004. évi tényadatok alapján a fenti elvek figyelembe vételével elvégzett számítások szerint a mátraszentimrei bányatérségekből érkező, részarányát tekintve mintegy 21,84 %-nyi mennyiségű bányavíz cinkkoncentrációja 49 mg/l, vaskoncentrációja 192 mg/l, oldott anyag tartalma pedig 2229 mg/l volt. [1.] A fentiek alapján az egyes bányatérségek vízminőségére és vízhozamára vonatkozó adatokat az 1. táblázat foglalja össze. 1. táblázat: Az egyes bányatérségek vízhozama és vízminősége 2004. évi adatok alapján [1.]

1986

2004

pH

m3/nap

%

m3/nap

%

Zn

Fe

SO4

mg/l

1

Mátraszentimre

385

20,64

716

21,49

3,00

49

192

1355

2

Bányabérc

163

8,80

306

9,18

5,50

7

21

664

3

Központi 400 felett

173

9,30

323

9,69

5,50

7

3

1092

4

Központi 400 alatt

1987

59,63

7,00

4

8

775

5

Altáró kifolyó

3332

100,00

6,21

14

50

879

721

38,74

5

Miskolci Egyetem


2.2.2. Mátraszentimrei telér vízminősége [1.] 2007. év végétől a csorgából vett vízminták elemzési eredményei alapján folyamatosan emelkedő szulfát, fajlagos vezetőképesség értékek és csökkenő pH volt megfigyelhető. 2010-ben a Mátraszentimre felől származó víz az alábbi átlagos általános vízkémiai paraméterekkel rendelkezett: 

pH = 3,25,



szulfát: 1490 mg/l,



fajlagos vezetőképesség: 2125 mg/l.

2.3. A tömedékeléssel elérendő célok A mátraszentimrei telér tömedékanyaggal való kitöltésének célja, hogy a bizonyítottan ebből a telérből oxidációs/savasodási folyamatok révén származó jelentősen szennyezett vizek minősége pozitív irányban változzon. A szivárgó vizek elsavasodása (így toxikus fém tartalmának növekedése) az üregfelületen oxigén hatására következnek be. A tömedékelés hatására, amely révén a savképző üregfelületek elzárásra kerülnek, e folyamatok mérséklődnek, így javul a telér irányából az Altáró felé áramló víz minősége. Az Altárón Gyöngyösorosziban kifolyó víz minősége a bányabezárás hatására javulni fog, a Bánya-vízkezelő üzemben keletkező víztisztítási hulladék mennyisége jelentősen csökken, ami a vízkezelés költéségére is jelentős pozitív hatással lesz. Hosszabb távon a vízkezelés felszámolható. Kitűzött célok:  A bányaüregben ne tudjon nagy mennyiségű és nagy nyomású víztömeg összegyűlni.  A bányaüreg teljes kitöltése annak érdekében, hogy a szabad ércfelületek lezárásával a szulfidok – elsősorban a pirit – oxidációjának lehetősége megszűnjön.  A mátraszentimrei bányatérségekben fakadó vizek kizárása, ill. mennyiségének csökkentése.  A fakadó vizek elszennyeződésének, az oxidálódott pirit oldódásából adódó savasodás, a nehézfém beoldódások megelőzése. A drenázsréteg megépítésével elérendő célok:  A tömedékelést követően a bányatérségekben még előforduló fakadó vizek akadálytalan kifolyásának hosszútávon történő biztosítása, a vizek elvezetése és szükség esetén kezelése.  A bizonytalan és ellenőrizetlen helyzet megszüntetése. 6

Miskolci Egyetem


A bányabezárási koncepció elvi megvalósulását az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra: Bányebezárási koncepció [6.]

A tömedékanyag elhelyezése felszín alatti bányatérségeket érint a felszíntől számított 106-338 m közötti mélységben (424 mBf. – 756 mBf.). A kitöltés eredményeként a jelenleginél kedvezőbb állapot áll majd fent, miszerint jelentősen csökken a telérből az Altáró irányába áramló bányavíz szennyezettsége. Az alacsonyabb szennyező anyag tartalommal kifolyó bányavíz kezelési költségei jelentősen kedvezőbbek

lesznek,

hosszabb

távon

a

bányavízkezelés

megszüntetése

is

prognosztizálható. A beavatkozás – kiegészítve a bányabezárás keretében tervezett altárói drénrendszer kialakításával – a felszíni és a felszín alatti vizekre negatív hatást nem gyakorol. A mátraszentimrei akna és az altárórendszer teljes hosszban történő újranyitása 2010-re megtörtént. A föld alatti bányatérségben végzett kísérleti tömedékelés tapasztalatai, valamint az elvégzett in situ és laboratóriumi vizsgálatok alapján az Észak-magyarországi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség hulladékhasznosítási engedélyt adott ki a bányatérségek erőművi pernyével történő tömedékelésére. [1.] [4.]

2.4. Tömedékelés erőműi pernyével Alapvetően két fő csoportba sorolja az irodalom a tömedék anyagokat. Az egyik a nem cementálódó tömedék, ahol nem használnak kötőanyagot (talajmechanikai tulajdonságok a mérvadóak), a másik pedig a cementálódó tömedék, ami kis mennyiségű kötőanyagot tartalmaz, legtöbbször Portland cementet, klinkertakarékos cementet vagy meszet. [7.] A 2. ábrán egy tömedékelési példa látható.

7

Miskolci Egyetem


Vízszintes vágat

Derített víz

Tömedékanyag

Porózus fal

Vízszintes 2. ábra: Tömedékelési példa [7.]

vágat

Ausztrália területén kb. 10 millió m3 földalatti tér maradt a bányászati tevékenység után, ahol a jellemző technológia a „nem cementálódó” módszer, amely során a legtöbb esetben pasztaként (c = 75-80 m/m %) juttatják le a zagyot az üregekbe. Ezzel kapcsolatosan több mint 20 különböző hidraulikus töltőanyagot vizsgáltak a James Cook Egyetemen. A hidraulikus töltőanyagok egyszerű iszapos homokok, vagy homokos iszapok, agyag frakció nélkül, melyek osztályozottak, mint ML vagy SM az USCS (Unified Soil Classification System) szabvány szerint. Az agyag frakciót az iszaptalanítás során távolítják el hidrociklon segítségével, a finom szemcséket a salaktöltésben használják fel. Az elmúlt évtizedben állandó növekedést értek el a szilárd anyagtartalomban, csökkentve a víztartalmat. A szilárd anyag tartalom pontos beállítása fontos kérdés, mert zagyok esetén szállítási nehézségek jelentkezhetnek. Jelenleg a szilárd anyag koncentrációja 7580 tömeg %, térfogat tekintetében a szuszpenzió kb. 50 térfogat %-a víz. Cementálódó tömedék esetében 100 kPa egytengelyű szilárdságot értek el. A 3. ábra egy tömedékelési példát mutat be, ahol a tömedék anyag megtartására valamint a vízáteresztő képesség biztosítására porózus szerkezetű téglából épített falak szolgálnak.

8

Miskolci Egyetem


3. ábra: Tipikus tömedékeléshez alkalmazott anyagok szemcseméret eloszlásai [7.]

A drénezési feladatok igen fontosak a bányászat területén, sok korábbi baleset vezethető vissza a rossz kivitelezésre. Kritikus pont a hidraulikus töltőanyag permeabilitása, mert ennek folyamatosan a 100 mm/h érték közelében kell lennie. Ezért permeabilitási teszteket kell elvégezni a bánya töltőanyagokon és a gátak tégláival. A hidraulikus töltőanyag minták értékei a 7-33 mm/h tartományban találhatóak. Ennek ellenére Herget és De Korompay (1978) javasolják ezen töltőanyagokat, mivel a gyakorlati tapasztalatok alapján a bányákban nagyobb értékeket mérnek, mint a laborokban. Kuganathan (2001), Brady és Brown (2002) a 30-50 mm/h értéket javasolták laboratóriumi mérések esetén. A töltőanyag stabilitás fontos kérdés a drénezés alatt és után. A szilárdság és állékonyság nagyban függ a relatív sűrűségtől. Ha a minta tömörebb, akkor a sűrűség és a belső súrlódási szög is nagyobb, és sokkal stabilabb a minta. Az elhelyezés utáni tulajdonságok meghatározására /állékonyság/ Clark (1988) ajánlotta ezen teszt elvégzését. A mintákat 5 percig vibráltatták egy vibrációs asztalon. A mérés célja az optimális víztartalom meghatározása. A mérések szerint az optimális víztartalom 14 %, 2,42 t/m3 maximális száraz sűrűség mellett. Az értékeket a szaturációs görbékből (4. ábra) lehet becsülni, ezek a görbék segítenek megbecsülni a zsugorodási és tágulási viselkedését a töltőanyagnak.

9

Miskolci Egyetem


4. ábra: Hidraulikus tömedék anyag tulajdonságai [7.]

Az árnyékolt rész mutatja azon állapotot, ahol a töltőanyag még képes fenntartani a szemcsék közötti kötéseket. A gátak kialakítása alapvető biztonsági tényező, mivel 1980 és 1997 között 11 gát baleset volt az Isa-hegyi bányában, illetve több halálos kimenetelű esetről is tudni. A bányászatban gyakran használt téglákat speciálisan alakították ki, keveréküket tekintve 40:40:5:1 arányban tartalmaznak kavicsit, homokot, cementet és vizet. Az 5. a és b ábra a téglákat, és beépítésüket ábrázolják.

5. ábra: Porózus tégla és a téglából épült fal felvétele [7.]

10

Miskolci Egyetem


Megfigyelhető a gyakorlatban, hogy beépítésénél görbületet alakítanak ki, és a konvex oldalával fordul a tömedék felé, így növelvén a gát megtartóképességét. A paszta tömedékek szintén a tömörített töltőanyagok kategóriájába tartozik, az alábbi 6. ábra mutatja, hogy mit értenek paszta alatt. Bár a gyártók garantálják a téglák esetén a 10 MPa feletti uniaxiális nyomószilárdságot, de Kuganathan és Duffield mérései szerint e gyári értékek 5 és 26 MPa között változik.

6. ábra: Szilárdság-zagy koncentráció diagram [7.]

A paszta tömedékek őrölt salakot tartalmaznak, szemcseméret 5 µm, melyhez 3-6 tömeg %-ban kötőanyagot és vizet adnak. Ez a legtömörebb tömedék anyag, 1990-es évek óta jelent

járható

alternatívát,

Kanadából

és

Ausztráliából

is

van

példa

az

alkalmazhatóságára. A felhasznált anyag szemcseeloszlásának úgy kell kinéznie, hogy minimálisan 15 %-a kisebb legyen 20 µm-nél, ezzel biztosítva a megfelelő felületi feszültséget a szemcsék között. A méréseik szerint igen ellenálló a paszta tömedékelés, 7,5 Richteres szeizmikus aktivitást is elviselnek ezen tömedékelések. Sok esetben az in situ monitorozás nem lehetséges, túl bonyolult esetleg költséges, ezért numerikus modellezésekre is sor került. FLAC és FLAC3D szoftver csomagokat alkalmaztak a geotechnikai problémák jellemzésére, 2 és 3 dimenziós kiterjedésben. A méréseikből látható, hogy a használt tömedékelési módszer életképes, mivel széles körben használják. Mind a „cementált” és a „nemcementált” kötőanyagok alkalmasak bányatömedékelésre, illetve a megfelelő porozitású téglákból kialakított gátak képesek megtartani a tömedék anyagot, miközben megfelelő átszivárgást biztosítanak a víz számára. A Maryland-ben (USA) található bányaterület rekultivációja során pernye-mész-víz keveréket használtak a bányatér feltöltésére. A mész adalékanyag nagy szabad mésztartalmú másodnyersanyagból származott, amely lehet cementipari, mészipari vagy 11


Miskolci Egyetem

mészkő feldolgozása során keletkező anyag. A Frazee-bányát 1996-ra feltöltötték szén tüzeléséből származó melléktermékkel. Kitűzött céljaik a következők voltak: a keverék álljon ellen a savas bányavíznek, és a pHértéket emelje meg, egyben legyen kellően erős a felszín süllyedések elkerülése érdekében, és a fémek kioldódását is mérsékelje. Illetőleg legyen annyira folyékony, hogy a repedéseket is kitöltse. Az erózió vizsgálatára egy kiterjedt ún. PPRP (Power Plant Research Project) kutatást végeztek. Egy előkészített darabot folyamatosan locsoltak bányavízzel, mely pH-ját 3-7 között változtatták. A kezdeti erózió kísérletek alapján nem volt kimutatható, hogy mérgező komponensek szűrődtek volna át. Az eredmények azt mutatták, hogy nem volt növekedés

az

oldott

alkotókban,

melyek

eróziót

vagy

kémiai

kioldódást

eredményeznének. A több mint egy évtizedes tapasztalatok alapján megállapították, hogy ez idő alatt jelentősen lecsökkent a bányavíz savassága (pH emelkedett) és a kioldódott toxikus fémtartalma is kisebb lett. A tömedék mechanikai szilárdsága bizonyítottan egyenértékű vagy nagyobb, mint a környező kőzeté. Wang és Szerzőtársai (2009) tapasztalatai szerint az alkalmazható tömedék aránya: 1 cement: 4 pernye: 15 szénbányászati meddő, melynek a teherbíró képessége a hetedik napon is több mint 0,7 MPa volt. A feladatot a Suncun szénbánya, a Xinwen Szén Csoport és a Shandong oldotta meg. Laboratóriumi és ipari teszteket hajtottak végre, az eredmények azt mutatják, hogy a finomra őrölt kaolinizált és friss meddő, mely szemcsézettsége kisebb, mint 5 mm, pernyével közösen alkalmazható cement adalékként. Ez a fajta újrahasznosítás már 90% feletti. [7.]

2.5. A pernye, mint erőműi melléktermék 2.5.1. Nemzetközi tapasztalatok A széles körű széntüzelésű energiatermelés megjelenésével (1920-as évek) sok millió tonna hamu és járulékos termék keletkezik a világon. Becslések szerint a jelenlegi éves termelési szint szén alapú pernyéből világszerte mintegy 600 Mt, ebből az EU-ban 50-60 Mt keletkezik. [8.] Ma Magyarországon évi 4-5 Mt pernye keletkezik, melyből 3,5 Mt az elektrofilterekben leválasztott finom pernye. A lerakott pernye mennyisége 184 millió m3, ugyanakkor 12


Miskolci Egyetem

hazánkban a pernyehasznosítás – szemben a fejlett EU országok 60-80 % hasznosítási arányával – kb. 1 %. A hasznosítás területeit a 7. ábra szemlélteti. [9.] [10.]

7. ábra: A pernyehasznosítás lehetőségei [10.]

2.5.2. A pernye tulajdonságai A pernye az erőművekben a szén elégetése során keletkező 90 %-ban az elktrofilterben leválasztott puccolános tulajdonsággal illetve puccolános aktivitással rendelkező finom porszerű maradékanyag, mely önmagában nem lép reakcióba a vízzel, viszont oldott kalcium-hidroxid jelenlétében megköt, és vízben oldhatatlan reakcióterméket képezve (hidraulikusan) megszilárdul. A szilárdulási folyamat az alábbi reakcióegyenlettel írható le:

(

)

A Ca(OH)2 és a pernye aktív anyaga (SiO 2) közötti végbemenő reakciót puccolános reakciónak nevezzük, a pernyét pedig „mesterséges puccolánnak”. A pernye puccolános aktivitása a pernyefelhasználás alapvető tényezője. Az ilyen képességű pernyék mésszel összekeverve, nedvesítve és tömörítve – kémiai reakció folytán – szilárd szerkezetet hoznak létre. A pernye e képességét hasznosítja például a cementgyártás, a gázbeton gyártás és az útépítés. A pernyék puccolános tulajdonságait több szempont is befolyásolja melyekből a legfontosabbak:  Kémiai és fázisösszetétel,  Diszperzitásfok (szemcseeloszlás, fajlagos felület),  Pernyerészecskék morfológiája.  A pernyében legtöbbször a következő kristályos összetevők fordulhatnak elő: mullit, kvarc, magnetit, hematit. A pernyékben túlnyomó többségben az amorf (üveges) fázis fordul elő a legnagyobb százalékban. 13


Miskolci Egyetem

 A magas Ca tartalommal rendelkező pernyékben a következő vegyületek is előfordulhatnak: alkálifémek szulfátjai, periklász, anhidrit, mészkő, melilit, merwinit, nefelin, sodalit, C3S és C2A. Számunkra az üveges fázis a fontos, amely hordozza a puccolános reakcióhoz szükséges reakcióképes anyagokat név szerint a kvarcot (SiO2) és alumínium oxidot (Al2O3), mely anyagok mennyisége mérvadó a reakció végbemenetelében. A keletkező pernye minőségét már a képződése előtt is sok tényező befolyásolhatja: 

az elégetett szén anyagi tulajdonságai (szemcseméret, kémiai összetétel)



a szén kísérő ásványai



az égetés során az égési viszonyok



a leválasztás fajtája.

Ezek

együttesen

mind

meghatározhatják

a

keletkező

pernye

minőségét,

felhasználhatóságát, melyet e folyamatok befolyásolásával manipulálhatjuk is a keletkező anyagokat. A képződő pernyéket alapvetően 2 csoportba sorolhatjuk:  Savanyú pernyék: SiO2 tartalmuk (45-60 %) és a CaO tartalmuk nem haladja meg a 15 %-ot.  Bázikus pernyék: 30-40%-nyi CaO és csak 20-25% SiO2 tartalmúak lehetnek (aktív CaO > 10-15% ). Az erőműi pernye hasznosítási lehetőségei az alábbiak:  ipari ásványok előállítása, kinyerése (pl. zeolit, wollastomit, alumínium- oxidok)  cement és beton adalékanyagként való hasznosítás,  építőanyagként való hasznosítás (könnyű-, ill. nehéz építőelemek gyártása, magas CaO+MgO tartalom esetén hidraulikus kötőanyagként való hasznosítás, magas SiO2 tartalom esetén homok helyettesítés stb.)  hidraulikus

tulajdonságú

pernyék

(barnaszén-lignit

pernye)

hasznosítása

útépítésnél, feltöltések, gátak kialakításánál,  külfejtési és földalatti üregek tömedékelésénél,  talajjavítás és rekultivációs célú hasznosítás. A hazai gyakorlatban a következő hasznosítási eljárások terjedtek el:  cementipari felhasználás (a cement egy részének pernyével történő helyettesítése, pernyecement),  pernye felhasználása útépítéshez, 14


Miskolci Egyetem

 pernye felhasználása tömedékanyagként (az egri, illetve pécsi pinceüregek tömedékelése),  pernye-blokkok előállítása építőelemként,  a

pernye-beton

alkalmazása

ipari

hulladékok

beágyazására

és

építőipari

felhasználásra. [7.]

2.6. Nyomásveszteség számítási algoritmus 2.6.1. Tarján-Faitli: A finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell [11.] A szilárd-folyadék többfázisú áramlást a nyugati szakirodalomban elterjedten a cső függőleges tengelye menti koncentráció eloszlás alapján osztályozzák. Szimmetrikus koncentráció eloszlás esetén homogén keverékáramlásról, aszimmetrikus koncentráció eloszlásnál pedig heterogén keverékáramlásról beszélünk, és a nyomásveszteség számítására szolgáló összefüggéseket is eszerint választjuk meg. Még nagyméretű szemcsék esetén is, – ha elegendően nagy a keresztmetszeti átlagsebesség (nagyobb, mint

) – a szemcséket szuszpendálja a nagy turbulencia, az

anyag szimmetrikus koncentráció eloszlás mellett szállítható (homogén keverékáramlás). Csökkenő

sebességnél

a

koncentráció

függőleges

csőátmérőmenti

eloszlása

aszimmetrikus lesz, míg a lerakódási sebességnél a szilárd anyag kiválik, leülepszik, álló vagy csúszó ágyat képez a cső alján (8. ábra).

8. ábra: A koncentráció eloszlása a sebesség függvényében [11.]

Monodiszperz

anyagoknál

a

lerakódási

sebesség

megegyezik

a

legkisebb

nyomásveszteséghez tartozó sebességgel. Ennél kisebb sebességeknél szilárd ágy 15


Miskolci Egyetem képződik a

csőben,

az áramlás elveszti stabilitását,

instacionáriussá válik, a

nyomásveszteség növekszik. A lerakódásnál a szemekre ható súlyerő nagyobb, mint a turbulens impulzus erő, amely a szemeket szuszpenzióban igyekszik tartani. Monodiszperz, vagy ehhez közelálló szilárd anyag lerakódási határsebességének meghatározására legismertebb a Durand-összefüggés. [12.]

√ amelyben (

)

√

√

a szemcseméret és a koncentráció függvénye, és alakja szerint módosított Froudeszámnak tekinthető.

9. ábra: A Froude- szám a szemcseméret és a koncentráció függvényében [12.]

A 9. ábra szerint x=1 mm-es szemnagyságig mind a szemnagyság, mind pedig a koncentráció befolyásolja a lerakódási határsebességet, nagyobb szemcseméreteknél (x>2 mm)

állandónak tekinthető.

Adott anyag, adott méretű csőben, azonos folyadék és üzemi paraméterek mellett a szemcsenagyság

függvényében

egészen

eltérően

viselkedik.

Például

a

közel

monodiszperz homok, ha egyszer 20 μm majd 1 mm nagyságú, a nyomásveszteség görbék alakja jellegzetesen más. A tiszta víz nyomásveszteség görbéje kis sebességek esetén, a lamináris tartományon egyenes (Re < 2320), a meredekség a viszkozitással arányos. Ipari méretű csővezetékekben ehhez nagyon kicsi sebességek tartoznak, olyannyira, hogy az üzemi sebességtartományban ábrázolva a nyomásveszteséget a lineáris szakasz szinte nem is 16


Miskolci Egyetem

látszik. Turbulens áramlásban és sima falú csőben a nyomásveszteség a sebességnek közel a második hatványával arányos, a nyomásveszteség görbe hatványfüggvény. Amennyiben a szilárd anyagot kis szemcseméretben (pl. 20 μm-es homok) keverjük be, az így képzett kétfázisú keverék nyomásveszteség görbéje teljesen hasonló a vízéhez, csak nagyobb meredekségű a nagyobb viszkozitással arányosan (2. görbe a 10. ábrán). Abban az esetben, ha az azonos mennyiségű szilárd anyagot nagyméretű szemcsék formájában (pl. 1 mm-es homok) keverjük be, a nyomásveszteség görbe tipikus Durand függvény alakú (3. görbe a 10. ábrán). Egészen nagy sebességek esetén a folyadékáram képes a finom és a durva szemcséket is szuszpendálni, mindkét esetben szimmetrikus a koncentráció eloszlás, a korábbi minősítés szerint mindkettő homogén keverékáramlás, azonban egyértelmű, hogy a két eset teljesen eltérő jellegű. Érdekes az, hogy nagy sebességek mellett ugyanannyi szilárd anyag lényegesen kisebb energiával szállítható nagyobb szemcseméret formájában. Kis sebességek esetén a helyzet éppen ellentétes, a nagyobb szemcsék esetén az ülepedés elkezd dominálni és megjelenik az aszimmetrikus koncentráció eloszlás, esetleg a csúszó ill. az álló anyagágy. Kis sebességeknél a kisebb szemcseméretű szilárd anyag szállítható kisebb energiával.

Nyomásveszteség görbék:

Nyomásveszteség p

(Adott csőben, azonos koncentrációban)

1. Tiszta víz 2. Víz + 20 m-es homok 3. Víz + 1 mm-es homok

2

3

1 Zagy átlagsebessége v 10. ábra: Tipikus nyomásveszteség görbék [11.]

Az elvégzett kísérleti munka és elméleti megfontolások alapján új modellt vezettek be, amelyet finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modellnek neveztek el. Adott szilárd anyag és folyadék ill. csővezeték esetén meghatározható egy olyan határ szemcseméret, amelynél,

ha

finomabb

szemcsékből

készítünk

szuszpenziót,

az

finom

szuszpenzióáramlásban fog a csőben mozogni függetlenül az áramlási sebesség nagyságától (v > 0). Ilyen esetben ez a szuszpenzió önálló egyfázisú folyadéknak tekinthető, saját folyási viselkedéssel és sűrűséggel, másképp fogalmazva, – áramlástani 17

Miskolci Egyetem


szempontból – azaz mozgás közben ez az anyag egyfázisú kontinuumként viselkedik. Nyugalomban természetesen előbb-utóbb a folyadéknál nagyobb sűrűségű szemcsék leülepednek, akkor újra célszerű kétfázisú keverékként kezelni. A jelenség magyarázatára a következő hipotézis lett felállítva. Turbulens csőáramlásban a fal mellett kialakul a lamináris határréteg, amelyben az erősen nyírt folyadékrétegek sebességprofilja lineáris, vagyis a nyírófeszültség konstans. Ha a szemcse olyan pici, hogy belefér ebbe a határrétegbe, azonos (közel azonos) nyíró feszültség és sebesség veszi körül és nem alakul ki olyan erő, amely a faltól szeretné eltaszítani, így a helyzeténél fogva a lamináris határrétegben nagyobb fal menti nyíró feszültséget, azaz nagyobb áramlási súrlódási veszteséget okoz (11. ábra).

v( r) v( r) (r)

  f ( dv/dr )

w 

11. ábra: A finom szuszpenzióáramlás elvi magyarázata [11.]

A megnövekedett nyomásveszteség annak a következménye, hogy a csőfal menti határrétegben a finom szemcsék és a víz alkotta finom szuszpenzió reológiai viselkedése megváltozik a vízhez képest, a viszkozitás megnő, sőt akár a folyási jelleg is megváltozik és nem-Newtoni folyási viselkedést mutatnak ezek az áramló szuszpenziók. A felállított modellből már következik, hogy a finom szuszpenzióáramlás nyomásvesztesége a közeg folyási viselkedését jellemző folyási modell (tipikusan: Newtoni, Bingham – plasztikus, Hatványfüggvénnyel leírható és Reálplasztikus) és az abban szereplő reológiai paraméterek alapján számítható. A határ szemcseméretnél nagyobb szemcsékből készített szilárd- folyadék keverékek csőáramlása esetén az áramlás jellege egészen más, mint az előzőkben leírt finom szemcsék esetében. Ebben az esetben a durva szemcse, jellemzően nem fér bele a lamináris határrétegbe. A szemcse csőfalhoz közeli felén a nyírófeszültség nagy, a sebesség pedig kicsi, a belső felén pedig épp ellentétesen a nyírófeszültség kicsi és a sebesség nagy (12. ábra). Ha ezt az aszimmetrikus feszültség eloszlást kiintegráljuk a durva szemcse felületére egy erőt kapunk, amely a szemcsét a faltól eltaszítja.

∫

18

Miskolci Egyetem


v( r) v( r) (r)

  f ( dv/dr )

w 

12. ábra: A durva keverékáramlás elvi magyarázata [11.]

Nagyobb sebességek esetén ez az erő egyre nagyobb, azaz a szemcse egyre kevésbé tud a fallal súrlódni. Ez a hipotézis magyarázatot ad arra a sokszor mért tényre, hogy – nagy sebességek esetén – a durva szemcsés zagyot szinte pontosan akkora energia befektetésével lehet a csőben szállítani, mintha csak vizet szivattyúznánk. Kisebb sebességek esetén ez a faltól eltaszító erő egyre kevésbé játszik szerepet, ekkor az ülepedés elkezd dominálni és a durva szemcsék mechanikai kontaktusba kerülnek a csőfallal. A szemcsék és a csőfal között mechanikai súrlódó erő ébred, amely a testeket normál irányban összeszorító erőtől és a súrlódási tényezőtől függ, és nem függ a testek közötti sebességtől. Ezzel ellentétben a csőfal mellett ébredő áramlási súrlódási veszteség függ a sebességtől, sima falu csőben, turbulens

vízáramlásban a

nyomásveszteség a sebesség közel második hatványával arányos. Ezek alapján a durva szemcsékből bekevert zagyok csőáramlását durva keverékáramlásnak nevezték el. Ez egy valóban kétfázisú (szilárd-folyadék) mechanikai rendszer, amelyben valójában csak a folyadék áramlásáról beszélhetünk, és amelyben a szemcsék mechanikai erők hatására mozognak. Amikor a folyó görgeti a sziklákat, jól érzékelhető ez a modell. Akkor viszont, amikor adott csővezetékben, adott sebesség mellett, állandó nyomveszteséggel, stabil üzemben szállítjuk a durva szemcsés anyagot, megtévesztő a helyzet. Olyan mintha a zagy áramolna, ráadásul a nyomásveszteségből könnyen meghatározhatunk egy látszólagos zagy viszkozitás értéket is. A finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell alkalmazása megmutatja, hogy ez a megközelítés hibás, célszerű ezt a rendszert úgy tekinteni, hogy a folyadék áramlik a folyási viselkedése által meghatározott módon és ez szállítja a szemcséket, amelyek mozgását mechanikai erők határozzák meg. A nyomásveszteség meghatározása elméleti úton ezért rendkívül nehéz, tulajdonképp nincs ilyen a szakirodalomban. Ami viszont igen, az a rendkívül nagyszámú mérési eredmény és az azokra illesztett empirikus összefüggés. Ezeket az összefüggéseket nevezhetjük Durand típusú összefüggéseknek, mivel az eltérő anyagokkal és méretekben elvégzett hidraulikus szállítási vizsgálatok eredményeire meghatározott összefüggések közül az elsőt Durand publikálta. A Durand egyenletben két konstans található. A Froude szám kitevője 3, ami a görbe „görbületét” határozza meg, és egy szorzó konstans, ami a görbe 19


Miskolci Egyetem

magasságát határozza meg, ami 81. A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében az elmúlt évek során elvégzett mérések alapján a durva keverékáramlás nyomásveszteségének a számítására jó közelítéssel a Durand és

egyenletet alkalmazták, azzal a különbséggel, hogy a két konstanst (

)

anyagtól függő paraméternek tekintették, és az egyenletet módosított Durand egyenletnek és

nevezték. Az

anyagi paraméterek meghatározására, – adott anyagokra – félüzemi

méretű hidraulikus szállítási vizsgálatokat kell végezni. Az iparban előforduló szemcsés anyagok, – amelyeket csővezetékben szállítanak folyadékáramban – valójában mindig polidiszperzek, azaz szemcseméret-, szemcsealakés szemcsesűrűség-eloszlásról kell beszélnünk. A szállított szilárd anyag tartalmazhat finom és durva szemcséket egyaránt. Wasp a homogén – heterogén keverékáramlási modell alkalmazásával dolgozta ki az un. „vehicle” (szallítójármű) modellt. Ennek az a lényege, hogy adott keverékáramlási sebesség mellett a cső legfelső pontjában kialakuló pillanatnyi, helyi koncentrációnak megfelelő zagy hordozó közegként viselkedik és a szimmetrikus koncentráció eloszláson kívüli szemcséket ez a zagy szállítja. A Dr. Faitli József

PhD

értekezésében

kidolgozott

–

durva

keverékáramlás

a

finom

szuszpenzióáramlásban – modell számos diszkrét szemcsefrakcióra bontotta a szilárd anyagot, és a nyomásveszteséget a szemcsefrakciók által külön-külön okozott veszteségek összegeként határozta meg, így kezelni tudta akár a széles szemcseméret tartományt ill. az eltérő, homogén-heterogén viselkedést is. Az időközben elvégzett újabb vizsgálatok

alapján

alakult

ki,

az

azóta

már

rutinszerűen

alkalmazott

durva

keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modell. Eszerint csak két frakcióra érdemes bontani a szilárd anyagot: finom és durva frakcióra. A határ szemcseméretet szisztematikus vizsgálatokkal kell meghatározni adott anyagra. Az anyagból közel monodiszperz

szemcsefrakciókat

kell

készíteni

szitálással,

majd

ezeket

a

csőviszkoziméterbe különböző koncentrációban bekeverve a nyomásveszteség görbéket kell méréssel meghatározni. A nyomásveszteség görbék matematikai elemzése alapján a keverékáramlási jelleg és így a határ szemcseméret meghatározható. A két legfontosabb anyagra, szénerőműi pernye-salakokra (kb. 160 μm) és homokra (kb. 50 μm) elvegezték a vizsgálatokat. A modell szerint a határszemcsénél kisebb szemcsék a hordozó folyadékkal

a

csőáramlásban

finom

szuszpenziót

alkotnak

és

ez

a

finom

szuszpenzióáramlás – nem pedig a folyadékáramlás – fogja a durva szemcséket durva keverékáramlás

formájában

szállítani.

A

finom

szuszpenzióáramlás

nyomásveszteségének a számításához a finom szuszpenzió sűrűségének, a folyási viselkedésének és az annak megfelelő reológiai paramétereknek az ismeretére van szükség, és nincs szükség a szemcsés anyag jellemzőire, mint pl. szemcseméreteloszlás, 20


Miskolci Egyetem

hiszen a modell szerint ez egy egyfázisú folyadék. A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítására a módosított Durand egyenletet használjuk. A durva szemcsék okozta mechanikai súrlódás jelentősen függ a szemcsék süllyedési sebességétől, a durva szemcsefrakció fizikai tulajdonságait figyelembe kell venni. A durva szemcse frakció jellemzésére az

-as (a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció

) szemcsét választották. A biztonság érdekében való tévedés

80 %-a kisebb, mint

érdekében választottak nagyobb szemcsét, de csak annyira, ami még jól mérhető. A szemcsehalmazt egy jellemző szemcsével jellemezni a számításban, természetesen jelentős egyszerűsítés. Azonban, a módosított Durand egyenletben szereplő

és

anyagi paramétereket a nagy hidraulikus körön elvégzett félüzemi mérésekkel határozzuk meg, amikor a függvényillesztést úgy végezzük el, hogy a szitálással meghatározott alapján számítjuk ki a süllyedési végsebességet és az ellenállástényezőt (egy db szemcse süllyed a finom szuszpenzióban), vagyis a jellemző 80 %-os szemcsére kalibráljuk a modellt. Ez a modell így sokkal egyszerűbb és pontosan kalibrálható, szemben a nagyobb szemcsék sok frakcióra való bontásával. A durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban

modellre a

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti

Eljárástechnikai Intézet által az elmúlt 20 évben elvégzett vizsgálatok közül több is empirikus bizonyítékul szolgált, továbbá az EGI Engineering Ltd. a modell alapján tervezett számos pernyekezelő rendszert a világ több pontján (Jacksonville – USA, Craiova 2, Isalnita, Rovinari, Turceni – Romania, Matrai Erőmű, stb…). R4_C0.338_K1_D75

8000 7000 6000 5000 4000

3 2

3000 2000 1

1000 0 0.0

1.0

2.0 v [m/s]

3.0

4.0

13. ábra: Durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban [11.]

A 13. ábrán a Mátrai Erőműből származó R4 nevű receptúra szerint összekevert salakpernye-víz 33,8 % térfogati szállítási koncentrációjú keverék, 75 mm-es belső átmérőjű csőben való áramlásának mért nyomásveszteség görbéje látható. A háromszöggel jelölt pontok a mért pontok. A diagramban a fizikai és reológiai anyagvizsgálatok és a modell 21


Miskolci Egyetem

alapján számított görbék vannak ábrázolva. Az (1) jelű görbe a tiszta víz számított nyomásveszteség

görbéje

az

adott

csőben.

A

finom

szuszpenzióáramlás

nyomásveszteség görbéje a (2) jelű görbe, mely az anyagvizsgálatok eredményei (finom szuszpenzió koncentrációja, sűrűsége, reologiája) alapján van kiszámítva. Majd az empirikusan meghatározott n és K segítségével a durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modell segítségével adódott a mérésre vonatkozó elméleti nyomásveszteség görbe (3). Az empirikus bizonyítékot az jelenti, hogy nagy sebességek esetén a mért pontok nem a víz (1) görbéjéhez tartanak, hanem egy olyan görbéhez, a finom szuszpenzióáramlás görbéjéhez (2), amely más eszközökön elvégzett külön mérések (szitálás, piknométeres sűrűségmérés, csőviszkoziméteres reológiai mérések) eredményei alapján a modell szerint van számítva. 2.6.1.1. A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének számítása Tiszta folyadékok és a finom szuszpenzióáramlás esetén, az adott csőhosszra eső nyomásveszteséget a közeg reológiája alapján lehet számítani. 2. táblázat: Folyási modellek [11.]

Folyási modell neve

Anyagegyenlet

( )

Newtoni

( )

Bingham - plasztikus Hatványfüggvénnyel jellemezhető n < 1 – pszeudoplasztikus, n > 1 – dilatáló

( )

Folyási paraméterek – abszolút viszkozitás – nyugalmi határfeszültség – merevségi tényező – konzisztencia index – hatványkitevő – nyugalmi határfeszültség

( )

Reálplasztikus

– konzisztencia index – hatványkitevő

A legbonyolultabb folyási modell a reálplasztikus, amely három folyási paramétert tartalmaz és a felírt modellek lefelé visszaegyszerűsíthetők [2. táblázat]. Ha a reálplasztikus modellben pl. az m = 1, akkor a modell visszaegyszerűsödik a Bingham folyásra, természetesen ekkor a K helyett célszerű az Ha a Bingham folyásban eltűnik a folyadékokhoz és ekkor az

helyett

merevségi tényező megnevezés.

nyugalmi határfeszültség, visszajutottunk a Newtoni –vel jelöljük és viszkozitásnak nevezzük a jellemző

folyási paramétert. 22


Miskolci Egyetem

A nyomásveszteség számításárára két módszer alkalmazása elegendő. Newtoni folyadékok

esetén

célszerű

a

klasszikus

áramlástan

alapján

számítani

a

nyomásveszteséget, míg nem-Newtoni folyadékok esetén a Hanks módszer iterációs megoldását alkalmazhatjuk mind a három reológiai modell esetén. A következőkben az F (finom szuszpenzióáramlás) index már nem lesz jelölve, de a korábbiakból következik, hogy a tiszta folyadék, vagy a monodiszperz finom szuszpenzióáramlás vagy a széles mérettartományú polidiszperz esetben a hordozó finom szuszpenzióáramlás esetén is ugyanígy kell számítani, csak az adott anyag fizikai paramétereit kell alkalmazni. A Darcy és Weisbach egyenletből számíthatjuk a nyomásveszteséget.

Az egyenletben az

Fanning féle csősúrlódási tényező szerepel, a feladat ennek a

meghatározása a reológiai paraméterek és az áramlás jellege (lamináris – turbulens) alapján. Newtoni közegek esetén az áramlás jellegének az eldöntésére először a

,

Reynolds számot kell kiszámítani:

ha a Reynolds szám kisebb mint 2320,

akkor az áramlás lamináris a csősúrlódási tényező pedig:

. Ha a Reynolds szám

nagyobb mint, 2320 az áramlás turbulens, akkor a Colebrook egyenlet használható a teljes csőérdesség és Reynolds szám tartományon.

(

√

√

)

2.6.1.2. A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása A

durva

keverékáramlás

nyomásveszteségét

a

módosított

Durand

egyenletből

számíthatjuk. Ha a szemcsés anyag monodiszperz, akkor abból egy szemcse, ha polidiszperz, de a határszemcsénél kisebb szemcséket nem tartalmaz, akkor a 80 % -os szemcse alapján kell a süllyedési végsebességet és az ellenállástényezőt kiszámítani, úgy, hogy ez az egy szemcse a vízben süllyed. Ha a polidiszperz szemcsehalmaz finom szemcséket is tartalmaz, akkor a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció 80 %-os szemcséje a jellemző szemcse és az ellenállástényezőt úgy kell kiszámítani, mintha ez az egy szemcse süllyedne a finom szuszpenzióban. Az

és

anyagtól függő

paramétereket a félüzemi mérésekből is ezekhez a jellemző szemcsékhez kell meghatározni. A módosított Durand egyenletet erre a durva keverékáramlás a finom 23

Miskolci Egyetem


szuszpenzióáramlásban esetre írjuk fel, azaz az használjuk a megfelelő helyeken a

víz, vagy

( [

finom szuszpenzióáramlás indexet

folyadék helyett.

) (

√

) ]

2.6.2. Ívcsövek áramlási veszteségei Az R/D viszony, valamint az ívdarab középponti szögének változása a 14. ábrán feltüntetett módon befolyásolja az ívdarab veszteségtényezőjének (

14. ábra: Az ívszögek veszteségtényezője [13.]

24

) értékét. [13.]


Miskolci Egyetem

2.7. A Mátrai Erőmű salak – pernye sűrűzagyos kiszállító rendszere A Mátrai Erőmű Rt. kazánjaiból származó pernye, salak-pernye, hidraulikus szállítással, sűrűzagyos technológiával kerül kiszállításra az előírásoknak megfelelően kialakított tározókazettákba.

Ezekben

a

kazettákban

jelenleg

is

nagy

mennyiségben

áll

rendelkezésre, közel állandó összetételben, az erőműi pernye, salak-pernye. [1.] Azokat a vizsgálatokat, amelyek alapján végül az említett csővezetékes szállítást megtervezték és megépítették a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete végezte 1994 – 98 során. Az erőmű akkor híg zagyos (kb. 15 tf %) technológiával szállította a lignit tüzelés maradvány anyagait, a salakot és a pernyét a zagytérre. A szigorodó környezetvédelmi előírások miatt választaniuk kellett a sűrű zagyos csővezetéki, vagy az un. földnedves szállító szalagos technológia között. Az elvégzett szisztematikus vizsgálatok és félüzemi méretű hidraulikus szállítási kísérletek eredménye volt a Tarján – Faitli: finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell. A modell szerint a pernye-salak anyagot két részre kell bontani, a 160 µm határszemcsénél finomabb szemcsék vízzel elkeverve finom szuszpenzió áramlásban szállíthatók a csővezetékben. A finom szuszpenzió áramlás nyomásveszteség görbéje számítható a finom szuszpenzió sűrűsége és folyási paraméterei alapján. A gyöngyösvisontai pernye – víz finom szuszpenziók 20 tf % - ig jellemzően Newtoni folyadékok, amelyek viszkozitása csak kis mértékben növekszik, majd 20 tf % felett a folyásuk Bingham plasztikussá válik, amikor a merevségi tényező és a nyugalmi határfeszültség exponenciálisan nő a koncentráció függvényében. A finom szuszpenzió áramlás nyomásvesztesége áramlási súrlódási veszteség, amely turbulens áramlásban a sebesség közel négyzetével arányos. Ezzel szemben – a modell szerint – a 160 µm-nél durvább szemek, amikor érintkeznek a csőfallal mechanikai súrlódás lép fel, ami a normál erőtől és a súrlódási tényezőtől függ, és nem függ a sebességtől. A durva szemcsék okozta járulékos veszteség a módosított Durand egyenlettel számítható, amely egy mérési eredményekre illesztett tapasztalati összefüggés. [14.] A sűrűzagyos hidraulikus szállítás technológiáját az un. R4 anyagkeverékre tervezték, amely a keletkező anyagok jellemző arányának megfelelően a következő: 5 % ECO, 20 % Ljungström, 67 % elektrofilter és 8 % salak (tömegarány). Az akkori vizsgálatokat 53 és 75 mm-es csövekben végezték el, majd a modell alapján más csőátmérőkre is kiszámították a nyomásveszteség görbéket. Az akkori nyomásveszteség görbéről egy pontot leolvastak: R4 salak – pernye – víz sűrű zagy, 34 tf % koncentrációban, 150 mmes csőben, 6,35 m/s áramlási sebesség mellett a számított nyomásveszteség 4200 Pa/m. 25


Miskolci Egyetem

2.8. A

telér

Mátraszentimrei

tömedékelő

rendszerének

bemutatása A Gyöngyösoroszi Ércbánya mátraszentimrei függőleges aknájához viszonylag közel helyezkedik el a Mátrai Erőmű visontai zagytározója, ezért kézenfekvő volt az a döntés, hogy az ott deponált anyag legyen a fő tömedékanyag. A sűrűzagy alkalmazásának előfeltétele azonban többek között az, hogy tömedékként való felhasználása a bányatérségekben ne okozzon sem felszíni sem felszínalatti vízszennyezést.

A

Környezeti

Hatásvizsgálat

során

elvégzett

vizsgálatokhoz

rendelkezésre álló bányavíz(ek) esetében nem mutatkozott vízminőség-romlás, sőt kisebb fajlagos

bányavíz-terhelés

mellett

(m3/t)

kifejezetten

vízminőség

javulás

volt

megállapítható a sűrűzagy semlegesítő képessége folytán. Csupán néhány komponens tekintetében

(bór,

bárium,

kalcium,

szulfát,

molibdén,

esetenként

nikkel)

volt

megállapítható kisebb mértékű kioldódás a sűrűzagyból. Így a mátraszentimrei telér tömedékelése az erőműből származó friss, 1-7 napos pernye felhasználásával történik. A sűrűzagyként kijuttatott pernye földnedves állapotban, közúton kerül felszállításra a mátraszentimrei aknához a környezetvédelmi engedély előírásai alapján napi maximum 450 t mennyiségben. Az üzemi területen kialakított bemosató műtárgyban történik a pernye döntése, ahol a bánya 424. szintjéről felszínre szivattyúzott bányavíz hozzáadásával kerül felzagyolásra. A sűrűzagy homogenizálása szivattyúval történik; stabilizáló anyagként égetett mész hozzáadása történik 2,5 – 3 m % arányban. Az így elkészített sűrűzagy kerül le a Ø150 mm acél csővezetékrendszeren keresztül a bánya legalsó szintjére, majd szintenként, szakaszolva, megfelelő ellenőrző tevékenység végzésével jutnak a legfelső 656 mBf. szintre. A megfelelően megközelíthető bányatérségek mellett lesznek olyanok, amelyekbe a zagyot csak fúrólyukon keresztül lehet eljuttatni. A kitűzött cél a 85-90%-os hatékonyságú tömedékelés oly módon, hogy a feltárt savas fakadó vizeket adó vágat/fejtési üregeket bizonyítottan > 95 % - osan kell kitölteni. A mátraszentimrei telér üregeinek térfogata a bányászati feltáró munkálatok tapasztalatai alapján a korábban becsült 130 000 m3-nél kisebb. A 2. szint feltárása bizonyította, hogy korábban nyíltnak vélt üregek egy része tömedékelve lett. A 118 000 m3 üregtérfogattal számolva, a kitűzött tömedékelési hatékonyságot figyelembe véve mintegy 200 000 tonna (földnedves állapotú) pernye felhasználása szükséges. A fentiek miatt ez feltehetően több, mint ténylegesen felhasználandó mennyiség. A stabilizáló anyagként kritikus szakaszokon felhasználandó égetett mész mennyisége előre láthatóan 3600 tonna. 26


Miskolci Egyetem 2.8.1. A pernye szállítása

A tömedékeléshez szükséges sűrűzagyot a Mátrai Erőműből szállítják. Az, hogy mindig a megfelelő „korú”, fizikai állapotú pernye szállítása történjen, a felrakás során a kazetták kialakításával, illetve az azokból történő rakodás ütemezésével biztosítható. Forgózsámolyos kanalas kotróval történik a felrakás. A szállítás során a nagy teljesítményű billenőplatós tehergépjárművek egy-egy fordulóval kb. 20 t tömedékeléshez felhasználandó anyagot (pernyét) szállítanak (15. ábra).

15. ábra: Pernye ürítése a billenőplatós tehergépjárműről

A kiporzás megakadályozása érdekében a rakományt ponyvával fedik le, azonban a pernye fizikai állapota, nedvességtartalma önmagában is csökkenti a kiporzás veszélyét. Az adalékanyagként használt (mennyisége miatt az összes szállítási terheléshez mérten elenyésző problémát jelentő) égetett mész szállítása zsákos kiszerelésben történik. A tömedékelési munka során napi átlagban maximum 30 járműforduló történik. [1.] 2.8.2. Pernye fogadás, bekeverés Az üzemszerű működés során napi 450 m3 erőműi pernyét szállítanak és döntenek be a duplatálcás vasbeton iszapoló műtárgyba. A tömedékeléshez szükséges optimális pernye-víz térfogatarány beállítása valamint a pernye gyorsabb szilárdulásához szükséges 2-3 m % CaO bekeverése is ebben az iszapoló műtárgyban történik. Az erőműi zagytárolóról az aknaudvarra szállított pernye-víz térfogataránya minden egyes teherautónál mintavételezéssel kerül meghatározásra. A teherautók által szállított pernye 27

Miskolci Egyetem


tömege mérlegeléssel van megállapítva. Az optimális tömedékelő anyag előállításához szükséges víz mennyisége a mintavételezéssel és számítással kapott pernye-víz arány, valamint a tömeg adatok alapján kerül meghatározásra. A tömedékanyag előállításához számított

optimális

vízmennyiség

a

tömedékelő

műtárgyat

ellátó

szivattyúk

nyomócsövébe telepített vízórákkal mérhető. A tömedékeléshez valamint a műtárgyak- és a teherautók platójának tisztításához szükséges napi vízmennyiséget az aknaudvaron lévő szigetelt betontálcára helyezett 8 db acéltartályból lehet biztosítani. A munkálatok során felhasznált összes víz a bányába jut vissza. A tartályok össz. térfogata 400 m3, feltöltésük éjszaka történik a bánya 1-es szintjéről a fakadó-, később a tömedékanyag által leadott vízből is. A tömedékanyag megfelelő homogenitását szivattyúk alkalmazásával és a bemosó medence két részre való osztásával oldják meg. A keverő térbe történik a teherautókon érkező pernye ledöntése, ahol a vízágyukkal megtörténik annak felzagyolása az egyszerű méréssel és számítással meghatározott bányavíz mennyiséggel. A keverőtérbe telepített 2 db PUMPEX SP-80 iszapszivattyúval is megkezdik a pernye bekeverését, ameddig szemrevételezéssel a zagy el nem éri a kellő homogén állapotot (16. ábra).

16. ábra: Az első bekeverő medence és a szivattyúval végzett zagyolás

Keverés közben a szivattyúk mellé kerül beadagolásra a kiszámított (2,5-3 m %) égetett mészből készített szuszpenzió. Ezután a sűrűzagy a hidraulikusan működtetett zsiliptag felemelésével jut a bemosó térbe. A pernye kiülepedésének megakadályozására – annak 28

Miskolci Egyetem


folyamatos mozgatását biztosítva – egy közvetlenül a bemosó garat hidraulikus zsilipjei elé telepített nagy szállítóképességű Pumpex K 150 P iszapszivattyút alkalmaznak. A tömedékelésre kevert anyag így a bemosó tér alsó részén kiképzett aknán keresztül jut a leadó csőhöz. [1.] A hidraulikus tömedékelés bekeverő rendszerét a 17. ábra szemlélteti.

2 első bekeverő medence, 3 második bekeverő medence, 4 utolsó medence a csőtorkolattal, 5 mész silók, (627) dezaggregátor, 7 rács, 8 – 9 - 28 propellerkeverők, 14 - 17 vízcsap, 15 – 19 vízágyúk, 16 zagyszivattyúk

17. ábra: A hidraulikus tömedékelés bekeverő rendszere [14.]

2.8.3. Tömedékanyag szállítás Az iszapoló műtárgy 754,4 mBf magasságban található. A bánya tömedékelendő legalacsonyabban lévő vágatának talpszintje 423,52 mBf. A tömedékelendő vágatok az 1. szint (424 mBf,) felett 43,93-50,73 m szintkülönbségekkel helyezkednek el 6 szinten (18. ábra). A vágatok szintjén a tömedékelendő üregekig aknától mért legnagyobb távolság kb. 600 m.

29

Miskolci Egyetem


18. ábra: A Mátraszentimrei akna (külszín ~762 mBf) [1.]

A 3,8 m átmérőjű aknában tömedék szállításra felszerelt NÁ 150 mm acélcső a 7. szinten kapcsolódik az iszapoló tárgyat vele ferdén összekötő csővel. Egy adott szint tömedékelésekor az aknabeli ejtőcsőhöz a szintesen kiépített csőre csatlakoznak. Az iszapoló műtárgyból gravitációsan érkező pernye-víz keverék a szint magasságának megfelelő hidrosztatikus nyomással lép a vízszintes csőszakaszba. Ha a függőleges szintkülönbségből eredő energia nem elegendő a tömedékanyag célba juttatásához, akkor a szintes szakaszon csővezeték közé épített szivattyú rásegítésével éri el az üreget. A tömedékelés során egy-egy szinten felszabaduló víz egy külön erre a célra kiépített ejtőcsőben jut a legalsó szintre az aknán keresztül. A fakadó, és tömedékelés során felszabaduló víz az 1. szinten kialakított zsompban kerül összegyűjtésre, és felszínre nyomásával újból felhasználásra. A víz felszínre szivattyúzásához az aknában külön NÁ 150 cső van kiépítve. Szintén az aknán keresztül van vezetve a villamos-, hírközlő-jelző kábel, valamint a sűrített levegős cső, melyek szintenként kerülnek kivezetésre. A sűrített levegő a vágat karbantartás szerszámainak a meghajtására, esetlegesen a szintes iszapszállítás elősegítésére szolgál. Az elektromos áram szintén a bányagépek meghajtásához, ill. a tömedékanyag szállítás rásegítő szivattyújának hajtásához valamint a világításhoz szükséges. A hírközlő

30

Miskolci Egyetem


rendszer kiépítésével és használatával az iszapoló műtárgyból a tömedékanyag leadás, és a felhasználás helye szerinti igények hangolhatók össze. [1.] 2.8.4. Víztelenítés A tömedékelési munkafolyamat során a leadott sűrűzagy víztartalmának csökkentése fontos feladat, ez ugyanis egyszerre növeli a térkitöltés hatásfokát és javítja a tömedékanyag szilárdsági paramétereit. A korábban elvégzett 1000 m3-es kísérleti tömedékelés és a bányabeli tapasztalatok egyértelműen azt mutatták, hogy a vágatok környezetében a vágathajtás által létrejött zavar, repedezett andezit zóna (EDZ – Excavation disturbed zóna) magasabb áteresztőképessége révén, mint természetes drénrendszer funkcionál, amelynek a betáplált sűrűzagy víztelenítésében jelentős szerepe van, és amely szerep egyértelműen bizonyított. Nevezhetjük ezt a folyamatot természetes víztelenítésnek, amelyet azonban mesterséges módszerek alkalmazásával meg kell gyorsítani. A tömedékanyag víztelenítése érdekében az alsóbb szinten szűrőgátat építettek ki, amely a víz kifolyását lehetővé teszi, de a pernye kifolyását meggátolja. Az alsóbb szinti gát statikus terhelése kisebb, ha az alsóbb szinti telérvágatok tömedékelését előbb az alsóbb szintről végezik el. A tömedékelés során a szűrőgáton leadott víz mennyisége egyre csökken, a felső szinten adagolt pernye-víz keverékben a pernye ülepedik és végső soron a műveleti víz szabad kifolyással a felső szinti vágaton át jut a gyűjtőzsompba. A nyitott térségekbe befolyó műveleti víz és a fakadó vizek elvezetésére ülepítő és vízelvezető rendszert építettek ki (csorga, ejtőcső). Az aknazsompban megjelenő (a tömedékeléshez felesleges) vízmennyiséget a jelenlegi útvonalon kieresztik. [1.]

31


Miskolci Egyetem

3.

Mérések

A Mátraszentimrei bányaüzem 285 m-es geodetikus magasságban lévő 2. szintjének tömedékelésének mérési adatai az általam végzett számítások alapjául szolgálnak. Az eddig elvégzett 160 tömedékelés során minden alkalommal mérték a feladott pernye, víz és égetett mész (CaO) tömegét valamint a tömedékelés időtartamát, melyekhez adottak az aktuális csőhosszak is. A tömedékeléseket 31 különböző napon végezték, melyekből minden napról egy tömedékelés mérési adatait a 3. táblázatban foglaltam össze. A teljes adatbázis a 1. mellékletben látható. 3. táblázat: A tömedékelések mérési adatai (részlet) Tömedékelés Pernye Víz CaO Geodetikus Azonosítás időtartama tömege tömege tömege magasság (min) (t) (t) (t) (m)

07.23/1. 07.25/3. 07.26/1. 07.27/1. 07.30/1. 07.31/1. 08.01/2. 08.02/1. 08.03/1. 08.07/1. 08.08/3. 08.09/1. 09.13/1. 09.14/2. 09.17/1. 09.18/1. 09.19/5. 09.20/1. 09.24/1. 09.25/1. 09.26/1. 09.27/1. 09.28/1. 10.10/1. 10.11/1. 10.12/1. 10.16/1. 10.17/1. 12.01/1. 12.02/1. 12.03/1.

7 5 5 6 7 5 5 3 5 6 6 5 8 5 6 10 5 6 6 5 5 8 5 5 5 6 6 6 6 6 4

40 40 40 40 40 40 40 40 38 46 50 45 38 38 38 38 38 41 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40

8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 10 9 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9 1 0,9 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

32

285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285 285

Összes csőhossz (m)

811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 811 741 741 741 666 616 501 501 501

Ø150 mm- Ø142 mmes cső es cső hossza hossza (m) (m)

291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291 291

520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 520 450 450 450 375 325 210 210 210

Miskolci Egyetem


Mindezek mellett a beszállított pernyéből mintavételezések alapján meghatározták a pernye nedvességtartalmát és szemcsesűrűségét, – melyeket az 1. mellékletben szintén összegeztem – de a kapott adatok nem teljesek, így az ismert adatokból átlagot számítottam, és az ismeretlen nedvességtartalom és szemcsesűrűség értékekhez az átlagokat írtam be, melyeket szürke színnel jelöltem meg az 1. mellékletben.

33


Miskolci Egyetem

Számítási algoritmus kalibrálása a mért adatokra

4.

4.1. A pernye szemcseméret eloszlása A Mecsek-Öko Környezetvédelmi Zrt.-től a 2009-ben és 2010-ben vett pernye minták labor elemzéseit kaptam meg. Ezek alapján elkészítettem a minták szemcseméret eloszlásait úgy, hogy az F(160 μm) (a határszemcseméretnél kisebb szemcsék hányada) és az

-as érték (a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció 80 %-a kisebb, mint

) pontosan leolvasható legyen. Az elkészült szemcseméret eloszlásokból példaként itt kettőt mutatok be (4. táblázat, 19. és 20. ábra). 4. táblázat: Pernye minták szemcseméret eloszlásai (Forrás: Mecsek-Öko Környezetvédelmi Zrt.)

2009.11.23./1. 2010.03.17./2. Teljes minta [mm]

F(x) [%]

2009.11.23./1. 2010.03.17./2. Durva frakció (x>160 µm) [mm]

F(x) [%]

F(x>160 µm) [%]

F(x>160 µm) [%]

63

100

100

63

100

100

31,5

100

100

31,5

100

100

16

100

100

16

100

100

8

100

100

8

100

100

4

99,74

100

4

99,04

100

2

97,73

99,66

2

91,59

97,28

1

95,38

98,27

1

82,89

86,16

0,500

91,84

96,51

0,500

69,78

72,08

0,250

83,91

93,84

0,250

40,41

50,72

0,125

66,99

81,28

0,160

0

0

0,063

49,54

52,09

0,045

44,99

46,47

0,032

36,72

36,85

0,020

24,41

23,86

0,010

13,79

13,59

0,005

7,57

7,65

0,002

2,75

2,73

0,001

0,96

0,93

0

0

0

34

Miskolci Egyetem


2009.11.23./1. pernye minta szemcseméret eloszlása 100 90 80 70 60

F(x) 50 [%] 40

Teljes frakció

30

Durva frakció (> 160 µm)

20 10 0 0,001

0,01

0,1

1

10

100

Szemcseméret [mm] 19. ábra: 2009.11.23./1. sorszámú pernye minta szemcseméret eloszlása

2010.03.17./2. pernye minta szemcseméret eloszlása 100 90 80 70 60

F(x) 50 [%]

40

Teljes frakció

30 20

Durva frakció (> 160 µm)

10 0 0,001

0,01

0,1

1

10

100

Szemcseméret [mm] 20. ábra: 2010.03.17./2. sorszámú pernye minta szemcseméret eloszlása

Az összes – előzőek alapján elkészített – szemcseméret eloszlás az 2. mellékletben látható, melyekről leolvastam az F(160 µm) és

-as értékeket. Ezekből egy-egy átlagot

számítottam és a későbbiekben ezekkel az átlag értékekkel számolok tovább. Az általam leolvasott adatokat az 5. táblázatban foglaltam össze. 35

Miskolci Egyetem


5. táblázat: A Mecsek-Öko Környezetvédelmi Zrt. által 2009-ben és 2010-ben vett pernye minták szemcseméret eloszlásaiból leolvasott F(160 μm) és

Mintavétel ideje / Sorszáma

F(160 µm) [%]

[mm]

2009.11.23./1.

73,0

0,82

2009.11.30./1.

67,0

0,67

2009.11.30./2.

64,0

1,35

2009.11.30./3.

62,0

0,92

2009.11.30./4.

65,0

1,55

2010.03.16./1.

92,5

0,36

2010.03.17./1.

94,0

0,75

2010.03.17./2.

87,5

0,72

2010.03.17./3.

71,5

0,62

2010.03.17./4.

80,0

0,32

2010.03.17./5.

72,0

0,36

Átlag: 76,5

Átlag: 0,77

értékek

4.2. Az égetett mész (CaO) oldódásának hatása a pernye zagyra A CaO vízben való oldhatósága 20 °C-on, 1 bar nyomáson 1,65 g/l [15.]. Ez alapján minden egyes tömedékelésre kiszámoltam a pernye zagyhoz kevert CaO tömegéből feloldódó és a zagyban szemcse formájában maradó CaO mennyiségét. A számításaim eredményei az 1. mellékletben láthatók. A számítás módját a 07.26/1. sorszámú tömedékelés adatai alapján mutatom be. CaO tömege Nedves pernye tömege Pernye nedvességtartalma A pernyében lévő víz tömege A pernyéhez adott víz tömege Összes víz tömege CaO oldhatósága vízben

36


Miskolci Egyetem

A vízben feloldódó CaO tömege:

Szemcse formában maradó CaO tömege:

Az égetett mész egy finom por formájú anyag, ezért a sűrűzagyban lévő CaO szemcséket, melyek nem oldódnak fel, a pernye finom frakciójához (< 160 μm) számítom. A feloldódott égetett mész és a víz egy CaO oldatot képez, így a pernye és a (nem oldódott) CaO szemcséket ez a folyadék szállítja. A szemcséket szállító folyadék sűrűségének számítása: Összes víz tömege Víz sűrűsége Feloldódó CaO tömege CaO sűrűsége Folyadék tömege Feloldódó CaO térfogata Összes víz térfogata Folyadék térfogata

CaO oldat koncentrációja (

Folyadék sűrűsége

) (

)

Mivel a tömedékelések során a pernye zagyhoz 2,5-3 m % CaO-t kevernek, ez a mennyiség mindig több annál, mint amennyi maximálisan fel tud oldódni az adott vízmennyiségben, így biztosak lehetünk abban, hogy a CaO oldat telített, koncentrációja mindig ~0,05 %, ebből következően a szemcséket szállító folyadék sűrűsége minden esetben 1001,16 kg/m3.

37


Miskolci Egyetem

4.3. A pernye zagy sűrűségének valamint a finom szuszpenzió és

a

durva

keverék

szállítási

koncentrációjának

meghatározása A folyadék, a pernye és a CaO arányait minden tömedékelésre külön-külön meghatároztam, melyből a pernye zagy sűrűsége valamint a finom szuszpenzió és a durva keverék szállítási koncentrációja határozható meg. Az általam kiszámított értékek az 3. mellékletben láthatók. A számítás menetét itt a 07.26/1. sorszámú tömedékelés adatai alapján mutatom be. Összes CaO tömege Feloldódó CaO tömege Nem oldódó CaO tömege Összes CaO térfogata Feloldódó CaO térfogata Nem oldódó CaO térfogata Folyadék tömege Folyadék térfogata Nedves pernye tömege Pernye nedvességtartalma Száraz pernye tömege (

)

(

)

Finom pernye tömeghányada

(

)

Durva pernye tömeghányada (

)

Finom pernye tömege

(

)

Durva pernye tömege

Finom frakció tömege

38

Miskolci Egyetem

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Összes szemcse tömege Pernye szemcsesűrűsége

⁄

CaO sűrűsége

⁄

Finom frakció térfogata

Durva frakció térfogata CaO térfogata a finom frakcióban:

Pernye térfogata a finom frakcióban:

Összes anyag térfogata

Az egyes részek térfogati koncentrációi: Folyadék: Finom frakció: CaO a finom frakcióban: Pernye a finom frakcióban: Durva frakció: A pernye zagy egyes részeinek arányait a 21. ábra szemlélteti.

39


Miskolci Egyetem

Folyadék

⁄

Durva frakció

Finom frakció (77,15

⁄ %)

(22,85

⁄ %)

⁄

21. ábra: A pernye zagy alkotóinak arányai

A pernye zagy sűrűsége:

(

)

(

)

)

Finom szuszpenzió szállítási koncentrációja:

Durva keverék szállítási koncentrációja:

40

(

Miskolci Egyetem


4.4. Keverékáramlási átlagsebesség számítása A pernye zagy szállítása a tömedékelés során az első 50 m-es, 60°-os dőlésszögű szakaszban valamint a bányaüzem aknájában NÁ 150-es, a vízszintes vágatokban pedig 160-as KPE csővel történik. (A bánya egyes szintjeinek geodetikus magassága és a tömedékelő cső átmérői és hossza a 4.6. fejezetben vannak szemléltetve.) A keverékáramlás nyomásveszteségének számításához a zagy áramlási sebességére is szükség van, ezért ezt a két különböző csőátmérőre, minden tömedékelésre külön-külön meghatároztam, melynek eredményei az 1. mellékletben láthatók. A számítás módját itt a 07.26/1. számú tömedékelés adatai alapján mutatom be. 4.4.1. Keverékáramlási átlagsebesség NÁ 150-es csőben Összes anyag térfogata Tömedékelés időtartama A cső átmérője A cső keresztmetszete Keverékáramlási átlagsebesség

4.4.2. Keverékáramlási átlagsebesség 160-as KPE csőben Összes anyag térfogata Tömedékelés időtartama A cső belső átmérője A cső keresztmetszete Keverékáramlási átlagsebesség

41


Miskolci Egyetem

4.5. A

finom

szuszpenzió-

és

a

durva

keverékáramlás

nyomásveszteségének számítása A nyomásveszteségeket a RHEOLOGY program segítségével határoztam meg, melynek számítási algoritmusa a 4. mellékletben látható. A számítás menetét itt a 07.26/1. számú tömedékelés adatai alapján mutatom be. 4.5.1. Nyomásveszteség számítása NÁ 150-es csőben Pernye szemcsesűrűsége Finom szuszpenzió szállítási koncentrációja Folyadék sűrűsége Keverékáramlási átlagsebesség Csőszakasz hossza Csőátmérő A finom szuszpenzió viszkozitása Finom szuszpenzió sűrűsége: A

finom

szuszpenzió

szemcsesűrűségéről

pernye

nincs

mért

és

CaO

adatom,

szemcséket ezért

a

tartalmaz, szuszpenzió

de

a

CaO

sűrűségének

meghatározásához csak a pernye sűrűségével számoltam. (

)

(

)

A Reynolds szám meghatározása az áramlás jellegének eldöntésére:

Mivel a Reynolds szám nagyobb, mint 2 320, ezért az áramlás turbulens. A Fanning csősúrlódási tényezőt a turbulens áramlás miatt a Colebrook egyenlettel számíthatjuk.

42

Miskolci Egyetem


Iterálva a Colebrook egyenletet, k = 0,0001 csőérdesség behelyettesítéssel: (

√

√

)

(

√

√

)

A finom szuszpenzió nyomásvesztesége a Darcy egyenlettel számítva:

A szemcse körüli áramlást jellemző Reynolds szám: A

meghatározásához szükség van a

süllyedési végsebességre, melyet iterálással

határoztam meg.

A durva frakció (>160 μm) 80 %-a kisebb, mint Átmeneti tartomány A szemcse körül a lamináris határrétegen kívül az áramlás átmeneti lamináris – turbulens. A szemcse közegellenállási tényezője az átmeneti tartományon: √ √ A szemcse süllyedési végsebességét az átmeneti tartományon a következőképp számíthatjuk: √

√

43


Miskolci Egyetem

A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása a módosított Durand egyenlettel: (

)

[

(

√

) ]

ahol:

(

)

[

√ (

) ]

4.5.2. Nyomásveszteség számítása 160-as KPE csőben A vízszintes vágat 520 m hosszú, de a csővezetékben két darab derékszögű könyök van, ami a keverékáramlás sebességét lassítja. Én könyökönként 10 m-es egyenértékű csőhosszal számolok, így tehát a számításaimban a két könyök miatt a csőszakasz hossza nem 520 m, hanem 540 m. Pernye szemcsesűrűsége Finom szuszpenzió szállítási koncentrációja Folyadék sűrűsége Keverékáramlási átlagsebesség Csőátmérő A finom szuszpenzió viszkozitása Csőszakasz hossza: A csőhossz a vízszintes szakaszon a példában 520 m, azonban két csőkanyar található a csőrendszerben. A szakirodalmi összefoglaló 14. ábrája alapján durva becslésként a csőív ellenállását 10 m egyenértékű csőhossznak becsültem, így a vízszintes csőszakasz hossza:

44

Miskolci Egyetem


Finom szuszpenzió sűrűsége: Mivel a finom szuszpenzió sűrűsége a teljes csőrendszerben egyenlő, ezért a vízszintes szakaszon is a korábban meghatározott

-es sűrűséggel számolok.

A Reynolds szám meghatározása az áramlás jellegének eldöntésére:

Mivel a Reynolds szám nagyobb, mint 2320, ezért az áramlás turbulens. A Fanning csősúrlódási tényezőt a turbulens áramlás miatt a Colebrook egyenlettel számíthatjuk. Iterálva a Colebrook egyenletet, k = 0,0001 csőérdesség behelyettesítéssel: (

√

√

)

(

√

√

)

A finom szuszpenzió nyomásvesztesége a Darcy egyenlettel számítva:

A szemcse körüli áramlást jellemző Reynolds szám: Az

meghatározásához szükség van a

süllyedési végsebességre, melyet iterálással

határoztam meg. A durva frakció (>160 μm) 80 %-a kisebb, mint

Átmeneti tartomány A szemcse körül a lamináris határrétegen kívül az áramlás átmeneti lamináris – turbulens

45


Miskolci Egyetem

A szemcse közegellenállási tényezője az átmeneti tartományon: √ √ A szemcse süllyedési végsebességét az átmeneti tartományon a következőképp számíthatjuk: √

√

A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása a módosított Durand egyenlettel: ( [

) (

√

) ]

ahol:

(

)

[

(

√

) ]

4.5.3. A teljes nyomásveszteség Mivel a tömedékelő csőrendszer egy függőleges és egy vízszintes részből áll, melyek össze vannak kapcsolva, ezért a teljes nyomásveszteséget (

) a két csővezeték

nyomásvesztéségének összegével kapjuk meg. Függőleges szakasz nyomásvesztesége Vízszintes szakasz nyomásvesztesége

46

Miskolci Egyetem


Az iszapoló műtárgyból gravitációsan érkező pernye zagy a szint magasságának megfelelő hidrosztatikus nyomással lép a vízszintes csőszakaszba, így a mért hidrosztatikus nyomásoknak és a modell alapján számított nyomásveszteségeknek minden szinten egyezniük kell. A bánya 2. szintjén mért hidrosztatikus nyomás, ahol a hajtóerőt egy 285 m magas zagyoszlop adja:

Pernye zagy sűrűsége A 2. szint geodetikus magassága

Látható, hogy ebben a mintapéldában a szállítás hajtóereje, a geodetikus magasságból számított hidrosztatikus nyomás gyakorlatilag megegyezik a finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell szerint számított nyomásveszteséggel. Ezek alapján megállapítom, hogy a modell passzol az adott tömedékelés mérési adataira. Az előzőek szerint levezetett számításokat mind a 160 tömedékelésre elvégeztem, azonban azt tapasztaltam, hogy egyebekben teljesen azonos tömedékelések esetén a mért idő eltért. Például a bekevert jellemzően 48,8 t teljes zagytömeg a mérések szerint 4…8 perc alatt jutott le a cső végéig. Ez egyértelműen arra utal, hogy az időmérés nem volt pontos minden esetben. Ezért úgy jártam el, hogy a korábban megmért finom szuszpenzió viszkozitás (jellemzően 15-40 mPas tartomány) értékek figyelembe vételével visszaszámítottam a szállítási időt és ezzel a módszerrel a hibás időméréseket egyértelműen ki tudtam zárni. Ezek alapján a következő 22 tömedékelés az, ahol véleményem szerint helyes az időmérés (6. táblázat).

47


Miskolci Egyetem

6. táblázat: A tömedékelések mérési és számítási eredményei Azonosítás

[min]

[t]

[t]

[t]

[m/s] [m/s]

07.25/3.

5

40

8

0,8

6,41

07.26/1.

5

40

8

0,8

07.26/2.

5

40

8

0,8

08.01/2.

5

40

8

08.03/1.

5

38

08.03/4.

6

08.07/1.

[%]

[m]

[mPas] [bar] [bar] [bar]

7,15

29,81

520

16,1

11,7

28,5

40,2

40,2

6,33

7,06

30,70

520

19,6

11,9

28,8

40,7

40,7

6,33

7,06

30,70

520

19,6

11,9

28,8

40,7

40,7

0,8

6,46

7,21

32,43

520

15,0

11,6

28,3

39,9

39,9

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

46

8

0,8

5,99

6,69

33,48

520

36,3

11,7

28,5

40,2

40,2

6

46

9

0,9

6,16

6,87

32,60

520

35,9

11,7

28,3

39,9

39,9

08.07/2.

6

46

9

0,9

6,16

6,87

32,60

520

35,9

11,7

28,3

39,9

39,9

08.07/3.

6

46

9

0,9

6,16

6,87

32,60

520

35,9

11,7

28,3

39,9

39,9

08.07/7.

6

50

10

1

6,73

7,51

32,43

520

15,8

11,6

28,3

39,9

39,9

08.08/3.

6

50

10

1

6,73

7,51

32,43

520

15,8

11,6

28,3

39,9

39,9

09.14/2.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.14/4.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.14/6.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.17/2.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.17/4.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.18/5.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.19/5.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

09.19/6.

5

38

8

0,8

6,21

6,93

32,02

520

24,1

11,6

28,2

39,8

39,8

10.10/1.

5

40

8

0,8

6,46

7,21

32,43

450

28,2

12,8

27,1

39,9

39,9

10.11/1.

5

40

8

0,8

6,46

7,21

32,43

450

28,2

12,8

27,1

39,9

39,9

12.03/1.

4

40

8

0,8

8,07

9,01

32,43

210

31,1

19,6

20,3

39,9

39,9

A 6. táblázatban szereplő adatok: –

Tömedékelés időtartama

–

Nedves pernye tömege

–

A pernyéhez adott víz tömege

–

CaO tömege

–

Keverékáramlási átlagsebesség Ø150 mm-es csőben

–

Keverékáramlási átlagsebesség Ø142 mm-es csőben

–

A finom rész szállítási koncentrációja

–

Ø150 mm-es cső hossza

–

Ø142 mm-es cső hossza

–

A finom szuszpenzió viszkozitása

–

Függőleges szakasz nyomásvesztesége

–

Vízszintes szakasz nyomásvesztesége

–

A modell alapján számított nyomásveszteség

–

Mért hidrosztatikus nyomás 48

[bar]


Miskolci Egyetem

A 6. táblázat alapján a 22. ábra a számított nyomásveszteségeket mutatja a mért hidrosztatikus nyomások függvényében.

A számított nyomásveszteségek a mért hidrosztatikus nyomás függvényében 45 44 43 42 41 ΔP számított 40 (bar) 39 38 37 36 35 35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

Δp mért (bar)

22. ábra: A számított nyomásveszteségek a mért hidrosztatikus nyomás függvényében

Látható tehát, hogy a Tarján – Faitli: finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell szerint számított nyomásveszteségek megegyeznek a mért hidrosztatikus nyomásokkal, ezekből kiindulva pedig a bányaüzem 3., 4. és 6. szintjének nyomásveszteségeit, és a keverékáramlási átlagsebességeket meg lehet határozni.

49


Miskolci Egyetem

4.6. A tömedékelő csőhosszak és csőátmérők sematikus ábrája

külszín 762 m tömedék anyag feladás

752 m

NÁ 150 ≈ 60°

44 m

7. szint 52 m 510 m

708 m

NÁ 150

Ø 160 KPE 6. szint

656 m

5. szint

608 m

4. szint

563 m

3. szint

515 m

2. szint

467 m

1. szint

424 m

4.

93 m

360 m

Ø 160 KPE

3. 500 m

48 m

Ø 160 KPE

2. 520 m

48 m Ø 160 KPE → NÁhasznos = 142 mm

1. 43 m

50

Miskolci Egyetem


Az egyes szintek geodetikus magassága és a vágatok hossza: 2. szint: 1. Kiömlési pont geodetikus magassága: 237 + 48 = 285 m Vízszintes távolságok: 410 m telérvágat + 110 m harántvágat = 520 m 3. szint: 2. Kiömlési pont geodetikus magassága: 189 + 48 = 237 m Vízszintes távolságok: 400 m telérvágat + 100 m harántvágat = 500 m 4. szint: 3. Kiömlési pont geodetikus magassága: 96 + 93 = 189 m Vízszintes távolságok: 280 m telérvágat + 80 m harántvágat = 360 m 6. szint: 4. Kiömlési pont geodetikus magassága: 44 + 52 = 96 m Vízszintes távolságok: 480 m telérvágat + 30 m harántvágat = 510 m

51

Miskolci Egyetem

5.


A nyomásveszteségek átszámítása a bánya 3., 4. és 6. szintjére

Ahhoz, hogy a bányaüzem 3., 4. és 6. szintjének tömedékeléséhez meghatározhassuk, hogy a pernye zagy csővégi akadálytalan kifolyásának biztosítására szükséges-e nyomásfokozó szivattyút beépíteni, ismernünk kell a zagy áramlási sebességét, hiszen ha az kisebb, mint a lerakódási határsebesség, akkor a zagy nem tud zavartalanul kifolyni a tömedékelő cső végén, mert a szállított szemcsék lerakódnak, és ezáltal akár a cső dugulása is bekövetkezhet. A 2. szint mérési eredményeiből kiindulva, szintén a 07.26/1. sorszámú tömedékelés adatait felhasználva, de nem az akkor mért viszkozitás értékkel, hanem – a biztonság irányába való tévedés érdekében – a tartomány felső határával, azaz 40 mPas-mal számoltam. A vágatok geodetikus magasságából adódóan a hidrosztatikus nyomás minden szintre meghatározható az ismert módon. A kérdés az volt, hogy mekkora az a keverékáramlási sebesség, amellyel a nyomásveszteség pont megegyezik a szállítást hajtó nyomáskülönbséggel, azaz a geodetikus hidrosztatikus nyomással. Ez egy iterációs módszer, amikor lépésenként növeltem

a

sebességet

és

minden

egyes

sebességhez

kiszámítottam

a

nyomásveszteségeket. Mivel az ipari mérések azt mutatják, hogy előfordulhat olyan eset is, amikor a pernye zagy viszkozitása eltér a 15-40 mPas-os tartománytól, ezért egy nagyobb, 100 mPas-os abszolút viszkozitással is elvégeztem a legfelső, 6. szintre a számítást. A számítási eredményeket a 7. táblázatban összegeztem.

52


Miskolci Egyetem

7. táblázat: A bányaüzem 3., 4. és 6. szintjének nyomásveszteségei és a zagy keverékáramlási sebességei

2. szint

07.26/1. 3. szint 4. szint

6. szint

6. szint

Geodetikus magasság; HG (m)

285

237

189

96

96

Függőleges csőszakasz hossza; L1 (m)

291

243

195

102

102

Függőleges csőszakasz átmérője; D1 (m)

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

Vízszintes csőszakasz hossza; L2 (m)

520 + 20 500 + 20 360 + 20 510 + 20 510 + 20 540

520

380

530

530

Vízszintes csőszakasz átmérője; D2 (m)

0,142

0,142

0,142

0,142

0,142

Pernye szemcsesűrűsége; ρp (kg/m3)

2221

2221

2221

2221

2221

Tömedékelés időtartama; t (sec)

300

338

327

515

580

Összes anyagtérfogat; Vö (m3)

33,55

33,55

33,55

33,55

33,55

Keverékáramlási átlagsebesség Ø150 mm-es csőben; v1 (m/s)

6,33

5,62

5,81

3,69

3,27

Keverékáramlási átlagsebesség Ø142 mm-es csőben; v2 (m/s)

7,06

6,27

6,48

4,12

3,65

30,70

30,70

30,70

30,70

30,70

08,43

08,43

08,43

08,43

08,43

Finom szuszpenzió viszkozitása; μFSZ (Pas)

0,0196

0,04

0,04

0,04

0,10

Pernye zagy sűrűsége; ρzagy (kg/m3) Függőleges csőszakasz nyomásvesztesége; ΔP1 (bar) Vízszintes csőszakasz nyomásvesztesége; ΔP2 (bar) Mért hidrosztatikus nyomás; Δpm (bar) Számított nyomásveszteség; ΔPsz (bar)

1454,63

A finom szuszpenzió szállítási koncentrációja; cTF (%) A durva keverék szállítási koncentrációja; cTD (%)

1454,63 1454,63 1454,63 1454,63

11,85

8,94

7,62

1,77

1,77

28,81

24,98

19,38

11,96

11,93

40,67

33,82

26,97

13,70

13,70

40,66

33,92

27,00

13,72

13,70

53

Miskolci Egyetem


Lerakódási határsebesség számítása a Durand-összefüggés alapján: √ ahol A pernye szemcsesűrűsége A szuszpenzió sűrűsége A Froude-szám értéke a 9. ábráról leolvasva:

√

A számításokból kiderül, hogy a keverékáramlási átlagsebesség a bányaüzem minden szintjén nagyobb lesz, mint a lerakódási határsebesség, még magas viszkozitás értékek mellett is. Így tehát megállapítom, hogy a pernye zagy feltehetően minden esetben akadálytalanul fog eljutni a tömedékelő cső végéig, és a bányaüzem egyik szintjén sem lesz szükség nyomásfokozó szivattyúk beépítésére.

54

Miskolci Egyetem

6.


Összefoglalás

6.1. Magyar nyelvű összefoglalás A hazai bányász társadalom előtt jól ismert az 1986-ban felhagyott és ideiglenesen bezárt Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya környezeti hatása, amelynek a savas elfolyó bányavizét a mai napig kezelni kell. A végleges bányabezárás munkálatai elkezdődtek, a kiválasztott technológia a Visontai Erőműi pernye sűrűzaggyal való hidraulikus tömedékelés. A tömedékelés technológiai elemi megépítésre kerültek, és már kb. 6000 tonna pernye tömedékelése is megtörtént. A

meglévő

információk

rendszerezése

jó

alapot

szolgáltatott

arra,

hogy

a

nyomásveszteség kiszámítására szolgáló módszereket ipari mért adatokra kalibráljam, illetve a későbbiekben tervezett kisebb geodetikus magasságokban elvégzendő tömedékelések tervezéséhez is hozzájárult ez a módszer. A diplomamunkám során a bányaüzemben eddig elvégzett 160 tömedékelés ipari méréseinek adatait begyűjtöttem és rendszereztem, majd a mért adatokra a Tarján – Faitli: finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modellt kalibráltam, és meghatároztam a nyomásveszteségeket. A számításaim során azonban azt tapasztaltam, hogy a tömedékeléseknél végzett időmérések nem voltak minden esetben pontosak, ezért a korábban megmért finom szuszpenzió viszkozitás értékek figyelembe vételével visszaszámítottam a szállítási időt és ezzel a módszerrel a hibás időméréseket kizártam. A 2. szint mérési és számítási eredményeiből kiindulva pedig a bányaüzem kisebb geodetikus magasságban lévő szintjeire is meghatároztam a nyomásveszteségeket és a keverékáramlási sebességeket, melyekből megállapítottam, hogy a keverékáramlási sebesség a bányaüzem minden szintjén nagyobb lesz a lerakódási határsebességtől, tehát a pernye zagy csővégi kifolyásának biztosítására nem lesz szükség nyomásfokozó szivattyú beépítésére.

55

Miskolci Egyetem


6.2. Summary It is well-known for the native miner society what the effects of Gyöngyösoroszi Sulfid Oremine – which was left and temporarily closed in 1986 – on the environment are and that the acid mine-inflow leaking from it has to be controlled even nowadays. The operations for closing the mine finally have already been started and the technology chosen for that is the hydraulic filling of it by the thick mixture of flying ashes from Visonta Power Plant. The technological equipments for the filling have already been built up and by now approximately 6000 tons of flying ashes were filled. The selecting the of available information was a good basis for calibrating the methods serving for calculating the loss of pressure to industrially measured data, and this method also contributed to the calculation of the filling necessary to be applied at lower geodetic heights planned for later times. During preparing my thesis so far I have collected and sorted the data of industrial measures of 160 fillings in the mine and on the measured data I calibrated the TarjánFaitli: fine suspension – coarse mixture flow model and I determined the losses of pressure. During my calculations I experienced that the data of time measuring done at the fillings were not accurate in each case, so I recalculated delivery time by considering the values of fine suspension viscosity measured earlier and by this method I could exclude inaccurate time measurings. Starting from the measured and calculated results of the second level I determined pressure losses and fluid flowing speeds for the levels of the mine being at lower geodetical altitudes from which I concluded that the fluid flowing speed will be bigger at all levels of the mine than the limit value of the speed of the coating so for ensuring the flowing-out of the flying ash mixture at the end of the tubes we will not need building in a pressure increasing pump.

…................................................ László Dalma Előkészítéstechnikai mérnök mesterképzési szak (MSc) Általános eljárástechnikai modul 2013. május 8. 56


Miskolci Egyetem

7. [1.]

Irodalomjegyzék Mátraszentimrei telér tömedékelése – hulladékhasznosítási dokumentáció (Készítette: MECSEK-ÖKO Környezetvédelmi Zrt. 2011.)

[2.]

Bőhm J., Benke L., Tarján I., Faitli J., Bőhm Jné., Gombkötő I.: Mátraszentimre térségében

lévő

fejtési

üregek,

nyitott

bányatérségek

tömedékelésének

előkészítése. Műszaki szakértői tanulmány. Miskolc, 2004.

[3.]

Vaszita E.: Szervetlen szennyezőanyagokkal szennyezett talaj – Gyöngyösoroszi http://enfo.agt.bme.hu/drupal/keptar/2332, letöltés időpontja: 2013. 04. 02.

[4.]

dr.

Vásárhelyi

B.

(2012):

Geotechnikai

terv

a

Gyöngyösoroszi

bánya

mátraszentimrei telérének tömedékelésével kapcsolatos geotechnikai feladatok megoldására (Budapest, 2012. március)

[5.]

Sashegyi J.: "Savanyú vizek" nyomában, avagy imhol a föld alá megyünk... 2012. december 09., http://www.felsofokon.hu/hetkoznapok/2012/12/09/savanyuvizek-nyomaban-avagy-imhol-a-fold-ala-megyunk, letöltés időpontja: 2013. 04. 02.

[6.]

Földing Gábor (MECSEK-ÖKO Zrt.): A gyöngyösoroszi bányabezárás vízvédelmi vonatkozásai. IV. Magyar Műszaki Értelmiség Napja. Eger, 2010. május 21.

[7.]

Faitli J., Csőke B., Mucsi G., Gombkötő I., Veres A., Kovács B., Kántor T., Zákányi B.: Erőműi pernye zagy és más adalékanyagok eljárástechnikai vizsgálata mélyművelésű bánya tömedékelése céljából. Műszaki szakértői tanulmány. Miskolc, 2010.

[8.]

Bőhm J., Kovács B., Mucsi G., Gombkötő I., Faitli J., Kántor T., Zákányi B.: Deponált erőműi pernye-mész keverék tömedék anyag hosszútávú viselkedésének vizsgálata. Műszaki szakértői tanulmány. Miskolc, 2011.

[9.]

Csőke B.: A pernyehasznosítás eljárástechnikai kérdései. „Tiszta környezetünkért” Szénerőműi pernyék hasznosításával tudományos konferencia. A Miskolci Egyetem Közleménye A sorozat, Bányászat, 55. kötet, (2001). p. 141-153.

57

Miskolci Egyetem


[10.] Kovács F.: Természeti erőforrások, ásványi nyersanyagok felhasználásának hatékony fejlesztési lehetőségei, energia- és környezetgazdálkodás. Szakmai tanulmány a Nemzeti Fejlesztési Terv Természeti-erőforrás ágazati anyagához Bányászati és Kohászati Lapok, BÁNYÁSZAT 138. évfolyam, 5. szám, 2-12. [11.] Faitli J.: Szemcsés anyagok – csővezetékben – folyadékárammal való szállításának méretezése. építőanyag, 2011/1-2. 63. évf. 1-2. szám [12.] Dr. Tarján I., Dr. Debreczeni E.: A hidraulikus szállítás és hidromechanizáció vizsgálata és bányászati alkalmazása. Doktori értekezés. (Miskolc, 1989) 86-87. [13.] Dr. Bobok E.: Bányászati áramlástan. Nehézipari Műszaki Egyetem, Bányamérnöki Kar. Tankönyvkiadó. Budapest, 1984. [14.] Faitli J., Bőhm J., Mucsi G. és Gombkötő I.: A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya végleges bezárása hidraulikus tömedékeléssel; a mechanikai eljárástechnika szerepe

a

technológia

kifejlesztésében.

Bányászati

és

Kohászati

BÁNYÁSZAT 145. évfolyam, 2012/5. szám. 13-20.

[15.] http://www.merckmillipore.com/hungary/chemicals/kalcium-oxidmarvanybol/MDA_CHEM-102109/p_iUSb.s1LtJgAAAEW4.EfVhTl letöltés időpontja: 2013. 04. 02.

58

Lapok,

Miskolci Egyetem

8.


Mellékletek jegyzéke

1. melléklet: A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya tömedékeléseinek ipari mérési adatai valamint a számítási eredmények 2. melléklet: A pernye minták szemcseméret eloszlásai 3. melléklet: A szállítási koncentrációk meghatározásához szükséges adatok és számítási eredmények 4. melléklet: Nyomásveszteség számítási algoritmus a Tarján–Faitli: finom szuszpenzió – durva keverékáramlás modell alapján a RHEOLOGY programban

59

Köszönetnyilvánítás

Köszönettel tartozom a GEO-FABER Zrt. projektvezetőjének, Weisz Róbert okleveles bányagépész mérnöknek, valamint a MECSEK-ÖKO Környezetvédelmi Zrt.-nek, amiért rendelkezésemre bocsájtották a diplomamunkám elkészítéséhez szükséges információkat és adatokat. Hálás vagyok Dr. Faitli József intézetigazgató, egyetemi docensnek, hogy elvállalta a belső konzulensi feladatokat és lehetőséget biztosított munkám sikeres elvégzéséhez és dolgozatom megírásához. Köszönöm, hogy mikor segítségre volt szükségem, mindig időt szakított rám, és építő jellegű kritikával illette a diplomamunkámat, így időben ki tudtam javítani a tartalmi és formai hibáimat. Valamint ezúton mondok köszönetet Mindenkinek, aki hozzájárult diplomamunkám elkészítéséhez.

A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya hidraulikus tömedékelési rendszerének vizsgálata Diplomamunka

Recommend Documents