Doktori Értekezés ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN MISKOLCI EGYETEM TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA

ULTRA NAGY KONCNETRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA

MISKOLCI EGYETEM NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA

Doktori Értekezés Készítette: Gombkötő Imre

Miskolc, 2008 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET


Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola A doktori iskola vezetője: Dr. h.c. mult. Dr. Kovács Ferenc Egyetemi tanár, az MTA rendes tagja A doktori értekezés címe: ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA

Kutatási Tématerület: KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKA ÉS NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉS

Tématerület vezető: Prof. Dr. Csőke Barnabás, a műszaki tudomány kandidátusa Intézetigazgató, egyetemi tanár

Kutatási Témacsoport: NYERSANYAG ÉS HULLADÉKELŐKÉSZÍTÉS

Témavezető: Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens

Tudományos témavezető: Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens Dr Faitli József, egyetemi docens

NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET


Témavezetői ajánlás

A Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszéke a mechanikai eljárástechnika, azon belül a hidraulikus szállítás nemzetközi hírű, hazai viszonylatban egyedülálló oktatási és kutatási műhelye, amelyben több generációra visszatekintve jelentős tudás és tapasztalat halmozódott fel az évek során. A tanszék aktívan közreműködött a csővezetékben megvalósított zagyszállítás fejlesztésében, története szerint kezdetben a híg-, majd a sűrűzagyos technológia kidolgozásában, jelenleg pedig már az ultra nagy koncentrációjú zagyok kezelésének a kutatása folyik. Gombkötő Imre a tanszéken folyó oktatási és kutatómunkába a diploma megszerzését követően bekapcsolódott, ezen belül is ki kell emelni a TAILSAFE projektet, amely sikeres megvalósításában igen intenzíven közreműködött. Részt vett a berendezések tervezésében

és

kivitelezésében,

önállóan

végzett

és

irányított

félüzemi

méretű

vizsgálatokat, ill. végezte el az eredmények kiértékelését és a következtetések levonását. A témaválasztása időszerű, mivel a gazdasági és környezetvédelmi szempontok további jelentős fejlesztésekre kényszerítik a témában érintett iparágakat, az un. „paszta technológia” megalapozása jelentős szakmai és tudományos kihívás. Mindezek alapján a mellékelt témavázlatot elfogadásra javasoljuk! Témavezetők:

Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens

Miskolc, 2008. február 15.


Dr Faitli József egyetemi docens


I. Tartalomjegyzék

I. TARTALOMJEGYZÉK................................................................................................................... 1 I.I ÁBRÁK JEGYZÉKE ............................................................................................................................. 3 I.II. TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE ................................................................................................................ 5 I.III. NOMENKLATÚRA ........................................................................................................................... 6 1. BEVEZETÉS ..................................................................................................................................... 7 2. AZ ÉRTEKEZÉS CÉLKITŰZÉSE, A KUTATÁSI FELADAT CÉLJA.................................... 9 3. A SZAKIRODALOM ISMERTETÉSE........................................................................................ 11 3.1. MEDDŐ, MEDDŐZAGY FOGALMA ................................................................................................. 11 3.2. MEDDŐZAGY ELHELYEZÉSI MÓDSZEREK ................................................................................... 12 3.2.1. HAGYOMÁNYOS, HÍG ZAGYOS MEDDŐELHELYEZÉS .................................................................... 13 3.2.2. SŰRŰZAGYOS MEDDŐKEZELÉS ÉS PASZTA TECHNOLÓGIA .......................................................... 17 3.2.2.1. A sűrűzagy és paszta .......................................................................................................... 18 3.2.2.2. Paszta keverékek alkotórészeinek anyagjellemzői......................................................... 20 3.2.2.3. Sűrűzagy és paszta előállítása .......................................................................................... 22 3.2.2.4. Sűrű zagyok és paszta hidraulikus szállítása .................................................................. 23 3.2.2.5. Hidraulikus szállítás nyomásveszteségének számítása vízszintes csőben................ 27 3.2.2.5.1. Nyomásveszteség számítása finom szuszpenzió áramlása esetén......................... 29 3.2.2.5.2. Nyomásveszteség számítása durva keverékáramlás esetén.................................... 38 3.2.2.5.3. Nyomásveszteség számítása polidiszperz keverékek áramlásakor......................... 39 4. A KÍSÉRLETI RENDSZER .......................................................................................................... 44 4.1. SZEMCSEMÉRET ELOSZLÁS VIZSGÁLATA .................................................................................... 44 4.2. SŰRŰSÉG MÉRÉS ............................................................................................................................ 45 4.3. SZUSZPENZIÓK FOLYÁSI TULAJDONSÁGÁNAK MÉRÉSE ............................................................. 45 4.3.1. FOLYÁSI GÖRBÉK MEGHATÁROZÁSA LAMINÁRIS TARTOMÁNYBAN, CSŐVISZKOZIMÉTERREL... 47 4.3.2. FOLYÁSI GÖRBÉK MEGHATÁROZÁSA TURBULENS TARTOMÁNYBAN CSŐ VISZKOZIMÉTERREL .. 48 4.4. HIDRAULIKUS SZÁLLÍTÁSI VIZSGÁLATOK................................................................................... 49 4.5. ROSKADÁSI UN. „SLUMP CONE” TESZT ....................................................................................... 54 4.6. FOLYÁSI HATÁR MEGHATÁROZÁSA ............................................................................................. 55 5. MÉRÉSI EREDMÉNYEK ............................................................................................................. 56 5.1. A VIZSGÁLATOKHOZ FELHASZNÁLT ANYAGOK ISMERTETÉSE .................................................. 56 5.1.1. MÁTRAI ERŐMŰI PERNYE ............................................................................................................ 56 5.1.2. MÁTRASZELEI HOMOK................................................................................................................. 56 5.1.3. MÁTRASZELEI BENTONIT ............................................................................................................. 57 5.1.4. PERNYE (MÁTRAALJA) / BENTONIT (MÁTRASZELE) ÉS HOMOK (MÁTRASZELE) KEVERÉKEK.... 57 5.1.5. PÉCSI PERNYE .............................................................................................................................. 62 5.1.6. ÜVEGHOMOK LISZT: .................................................................................................................... 62 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

1


5.1.7. ADALÉKANYAGOK ....................................................................................................................... 62 5.1.8. PERNYE (PÉCS), HOMOKLISZT ÉS ADALÉKANYAGOKBÓL KÉPZETT KEVERÉKEK ........................ 62 5.1.9. INDIAI (NEYVELI) PERNYE ........................................................................................................... 67 5.1.10. GYÖNGYÖSOROSZI FLOTÁCIÓS MEDDŐ ..................................................................................... 68 5.1.11. KÍSÉRLETI VÍZ ............................................................................................................................ 70 5.2. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK FOLYÁSI TULAJDONSÁGOK MEGHATÁROZÁSÁRA ........................... 71 5.3. HIDRAULIKUS SZÁLLÍTÁSI VIZSGÁLATOK KÍSÉRLETI EREDMÉNYEI......................................... 78 6. MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE............................................................................. 82 6.1. MI A PASZTA? ................................................................................................................................ 82 6.2. MEGÁLLAPÍTÁSOK ........................................................................................................................ 87 1. TÉZIS .................................................................................................................................................. 87 2. TÉZIS .................................................................................................................................................. 88 3. TÉZIS .................................................................................................................................................. 89 4. TÉZIS .................................................................................................................................................. 90 5. TÉZIS .................................................................................................................................................. 90 7. ÖSSZEFOGLALÁS ........................................................................................................................ 92 7.1. SUMMARY................................................................................................................................... 94 8. HIVATKOZÁSOK.......................................................................................................................... 96 8.1. A TÉMÁBAN KÖZREADOTT SAJÁT PUBLIKÁCIÓK ........................................................................ 99 8.2. INTERNETES FORRÁSOK: ............................................................................................................ 100 9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS....................................................................................................... 101 10. MELLÉKLETEK........................................................................................................................ 102


2


I.i Ábrák jegyzéke 1. ábra: Tipikus nyomásveszteség görbék. 1- víz, 2- finom szuszpenzió áramlás, 3durva keverékáramlás (Faitli, Gombkötő, 2005) 1/a. ábra: durva keverék a finom szuszpenzióban (Tarján, Faitli, 1998) 2. ábra: A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában található Fritsch gyártmányú Analysette 22 típusú lézeres szemcseméret elemző készülék 3. ábra: A csőviszkoziméter sematikus ábrája. (Faitli, Gombkötő, 2005)

4. ábra: A hidraulikus mérőkör sematikus ábrája 5. és 6. ábra: Warman típusú forgólapátos zagyszivattyú 7. ábra: Mono típusú csavarszivattyú 8a és 8b.. ábra: ABEL típusú dugattyús membránszivattyú 9.ábra: A hidraulikus szállítókör fotója 10.ábra: A szabványos ASTM kúp és mellette a mérés közben roskadt anyag 11.ábra: Cassagrande készülék 12. ábra: Bentonit (Mátraszele, homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) szemcseméreteloszlása (+ bentonit, □ homok, ▲ pernye) 13. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátrai erőműi pernye és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása 14. ábra: A kísérletekhez felhasznált homok (Mátraszele) és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása 15. ábra: Pernye (Mátraalja) és 10% bentonit (Mátraszele) roskadási tesztje 30% térfogati koncentráció mellett 16. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipsz szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 17. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 18. ábra: A kísérletekhez felhasznált pernye (Pécs), bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 19. ábra: Üveghomok liszt, Üveghomok liszt és bentonit (15, 20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (15, 20%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 20. ábra:Üveghomok liszt és 20% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett 21. ábra:Pernye (Pécs) és 20% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett 22. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (20%, Mád) keverékek folyási egyenesei, F% meghatározása Cassagrande - készülékkel. 23. ábra: A kísérletekhez felhasznált indiai (Neyveli) erőműi pernye szemcseméret eloszlása 24. ábra: A kísérletekhez felhasznált gyöngyösoroszi flotációs meddő szemcseméret eloszlása 25. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 26. ábra: A vizsgált szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

28 42

44 46 50 51 51 52 53 54 55 58 60 61 61 63 65 65

66 66 66

67 68 69 70 72

3


függvényében. 27. ábra: A vizsgált szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében.

72

28. ábra: A finom (< 160 µm) pernye (Neyveli)– víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében

74

29. ábra: A finom (< 160 µm) pernye (Neyveli)– víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében 30. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat) 31. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat) 32. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat) 33 .ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat) 34. ábra: A 10,66 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli)– víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása 35. ábra: A 50,05 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye(Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) 36. ábra: A 48 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) 37. ábra: Megvalósult paszta szállítás csővezetékben 38. ábra: 53 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásvesztesége 39. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje 51% térfogati koncentráció mellett 40. ábra: pernye (Neyveli) roskadási tesztje 50,05% térfogati koncentráció mellett 41. ábra: Gyöngyösoroszi meddő és pernye (Neyveli) szuszpenzió határfeszültségeinek összehasonlítása a koncentráció függvényében. 42. ábra: Pszeudoplasztikus folyadék nyírási diagramja, összehasonlítva Bingham – plasztikus folyadék nyírási diagramjával. 43. ábra: 38 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió „hibás” pszeudó nyírási görbéje 44. ábra: Homokliszt, homokliszt és bentonit (15, 20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (15, 20%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 45. ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében, függvényillesztések összehasonlítása 46. ábra: 48 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért / számított


74 75 76 76 77 79 79 80 81 81 82 82 83 84 84

86 88 90

4


I.ii. Táblázatok jegyzéke 1. táblázat: Pernye (Mátraalja), bentonit (Mátraszele) és homok (Mátraszele) sűrűségértékei 2. táblázat: A vizsgált anyagok nedves szitaelemzésének eredményei 3. táblázat: A pernye/bentonit és homok/bentonit keverékek sűrűségértékei 4. táblázat: A pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele 5. táblázat: A homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele 6. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipszkeverékeinek szemcseméret eloszlása 7. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipsz sűrűség adatai. 8. táblázat: A vizsgálatokhoz felhasznált keverékek, képzési mátrixa 9. táblázat: Anyagok, melyek folyási tulajdonságait meghatároztam és a vizsgálatok során alkalmazott térfogati koncentrációk. 10. táblázat: A 26. ábrán ábrázolt függvényekben szereplő konstansok az egyes esetekben: 11. táblázat: Hidraulikus szállítási kísérletek mérésmátrixa


57 58 59 59 60

63 64 65

71 73 78

5


I.iii. Nomenklatúra CE cV ∆p ∆pw du/dr D f f indexben Fr ψ g K KO Kc L He Hem k1…k3…kn k µ µ0 µκ n η ρ ρk ρS ρW Re ReB Rex Re* Re pl S τ τ0 τW v vo x xo xoc ϑ (d)

Ellenállás tényező Térfogati koncentráció Nyomásveszteség Víz nyomásvesztesége Nyírási sebesség Csőátmérő Fanning féle csősúrlódási tényező Folyadék fázis Froude - szám Lamináris áramlási függvény Gravitációs gyorsulás Konzisztencia tényező Tarján – Debreczeni módszer változója Korrekciós tényező Csőhossz Hedström - szám Módosított Hedström - szám Konstansok Cső érdesség Abszolút viszkozitás A víz abszolút viszkozitása Közeg abszolút viszkozitása Folyási index Merevségi tényező Sűrűség A közeg sűrűsége A szilárd fázis sűrűsége A víz sűrűsége Reynolds - szám Bingham plasztikus Reynolds - szám Reynolds – szám szemcse körüláramlásakor Módosított Metzner – Reed Reynolds – szám. Reálplasztikus Reynolds - szám Csővezeték metszetének kerülete Nyírási feszültség Kezdeti határfeszültség Nyírófeszültség a csőfal mellett Keresztmetszeti átlag áramlási sebesség Süllyedési sebesség Szemcseméret τO/τW τO/τW lamináris – turbulens átmenetkor Tarján – Debreczeni, anyagfüggő változó


6


1. Bevezetés A bányászat és a kibányászott nyersanyagok feldolgozása végigkíséri az embert történelme során. Az egyre fejlettebb technológiák, az iparosodás mértékének növekedésével a nyersanyagigény is arányosan nőtt és ez természetesen kihatott a bányászat volumenének növekedésére is. A kitermelt nyersanyag feldolgozásának első fázisában azonban jelentős mennyiségű hulladék is keletkezik technológiai és gazdasági okokból. Ezeket a hulladékokat a legtöbb esetben meddőhányókon illetve meddőzagy tározókban tárolják. Jelenleg az Európai Unióban keletkező hulladékmennyiség mintegy 18%-át a bányászati hulladékok adják (EEA). Az ércelőkészítésből származó, és tározókban tárolt mennyiség, becslések alapján meghaladhatja az 1500 Mt –t. (BRGM) A hagyományos módon tárolt ásványelőkészítési hulladékok azonban óriási kockázatot rejtenek magukban a környezetre és az emberre nézve. A zagytérre jutott szilárdanyag kiülepszik, a víz egy részét pedig technológiai víz formájában visszajáratják. A zagytározó létesítmény biztonsága érdekében a vissza nem járatott víz eltávolítása elsődleges fontosságú, hiszen a vízháztartás egyensúlyának figyelmen kívül hagyása a gát tönkremenetelét, és ezzel jelentős katasztrófát okozhat. Statisztikailag igazolható az is, hogy az elmúlt évszázadban, gátszakadás okozta katasztrófát jelentősebb mértékben (10-szer több alkalommal) meddőzagy tározó gátak terhére írhatók. (Meggyes, 2003 (WP1)) Hagyományos víztározó gátak tönkremenetele arányaiban lényegesen kevesebbszer fordult elő. A lejegyzett meddőzagy tározó tönkremenetelek oka jól definiálhatóan visszavezethető a rossz vízháztartás gazdálkodás miatt, a zagytározóban tárolt túlzott mennyiségű víz és váratlan csapadék okozta haváriák kezelhetetlenségére. Erre a problémára számos (218 tönkremenetel 1939–től világszerte, www.tailings.info), a közelmúltban bekövetkezett katasztrófa hívja fel a figyelmet. Ezek közül megemlíteném az 1998. április 25-én, Andalúziában, Spanyolországban bekövetkező gátszakadást, ahol 6 millió köbméter meddőzagy, a Guadalquívir folyó mentén 62 km-es partszakaszon 4600 hektár termőföldet árasztott el. A környezeti rehabilitáció a mai napig tart, ennek költsége 2003-ig elérte a 165 millió eurót. Magyarországi szempontból jelentősebb, a 2000 januárjában bekövetkező nagybányai gátszakadás, ahol a gáton átbukó víz elmosta a gátat, és körülbelül 100.000 köbméter (http: //www.zpok.hu/cyanide/ baiamare/index.htm), magas cianid tartalmú víz jutott a Szamos, a Tisza, végül a Duna folyóba. A kémiai adalékokat és oldott nehézfémeket tartalmazó meddőanyag közvetlen veszélyt jelent a talajvizekre is, hiszen a létesítményből szivárgó vizek elszennyezhetik azokat. A bányászati nyersanyag-előkészítés mellé ide sorolnám a széntüzelésű erőművek pernye és salak tárolását is. Ma Magyarországon, ahol szén és lignittüzelésű erőművek működnek, a


7


pernyét hidraulikus módon szállítják a pernyehányókra, többnyire jelentős mennyiségű víz kíséretében. A problématerület prioritását jelzi az is, hogy az Európai Bizottság direktívát terjesztett elő, amely kifejezetten a bányászatból, illetve a „kitermelő” iparból származó hulladékok kezelését kívánja szabályozni közösségi szinten. Természetesen az érintett iparágak is érzékelték a probléma nagyságát, és olyan új megoldások és technológiák bevezetésével szorgalmazták, amelyek megoldást nyújthatnak a kialakult helyzetre, valamint hosszú távon csökkenthetik a környezeti kockázatokat. Ilyen technológiai újítás az un. sűrűzagyos és paszta technológia, melyet az érc és szénbányászathoz kapcsolódó ásványelőkészítési meddő zagyok kezelésére kezdtek használni. Időközben más hasonló iparágak, pl. az alumínium ipar is adaptálta a technológiát a vörös-iszap kezelés területén. A Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kara, korábban Bányamérnöki Kar, régóta a hidraulikus zagyszállítás és a bányászathoz, ásványelőkészítési műveletekhez köthető hidromechanizáció kiemelkedő kutató és oktató műhelye. A Kar oktatói – kutatói, jelentős eredményeket értek el általános áramlástani, fluidumbányászati, zagyszállítási, méretezési kérdések, csőkopással kapcsolatos feladatok, zsomptisztítási, hidraulikus kotrási / jövesztési, valamint bányatömedékelési témájú kutatásokban. Ezek az eredmények több publikációban és kutatási jelentésekben megjelentek, valamint beépültek a Kar oktatási törzsanyagába. Ez a tudásanyag jó alapot biztosított munkám elkezdéséhez.


8


2. Az értekezés célkitűzése, a kutatási feladat célja A szilárd ásványi nyersanyagok feldolgozásakor keletkező, nagy mennyiségű nem hasznosítható nyersanyagok tárolása jelentős műszaki – gazdasági feladat. A nedves technológiával feldolgozott ásványi nyersanyagok maradék anyagainak ártalmatlanítása, mennyiségük csökkentése elsődleges társadalmi érdek. Habár ma Magyarországon azok az érces ásványok, amelyek feldolgozása közben jelentős mennyiségű meddőzagy keletkezik, nem jelentős. A kérdéssel azonban mindenképpen foglalkozni kell, hiszen az alumíniumipar, a

széntüzelésű

erőművek

mind

zagy

formájában

tárolják

nem

hasznosuló

maradékanyagaikat. A hígzagyos technológia sűrűzagyos, illetve paszta technológiával történő kiváltása jelentős összhangban van azzal a társadalmi törekvéssel, amely a környezet és természetes erőforrásaink védelmét célozzák. A paszta – technológiával egy a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetén 2003 és 2006 között folyt EU kutatás fejlesztési program keretében ismerkedtem meg. A kutatási program címe „Sustainable Improvement of Safety of Tailings Facilities” – TAILSAFE volt. Kutatási feladatom pedig a sűrűzagyos és paszta alapú meddőkezelés megvalósíthatósága és modellezése volt. Ezzel párhuzamosan számos Intézeti kutatásban vehettem részt, ahol főleg hazai és külföldi pernyék, illetve egyéb szilárd – víz szuszpenziók hidraulikus szállíthatósági és reológiai tulajdonságaival foglalkoztam. Az ásványelőkészítési meddőzagyok és - korábbi tapasztalatok alapján - az erőműi pernyék is newtoni, illetve időtől független nem - newtoni folyási tulajdonságokat mutattak. A hidraulikus szállítási paraméterek meghatározása, mint a szállított zagy fajlagos nyomásvesztesége, a mérnöki gyakorlatban félüzemi kísérletek során megállapított folyási tulajdonságok alapján történik. A nagy koncentrációjú zagyok illetve a paszta állapotú zagyok tekintetében azonban nem ennyire egyértelmű a helyzet. Célomul tűztem ki, hogy megvizsgálom a rendelkezésre álló modelleket és méretezési módszereket annak megállapítása érdekében, hogy vajon a szakirodalomban

fellelhető

módszerek

alkalmasak

e

nagykoncentrációjú

zagyok

nyomásveszteségének, mint fő hidraulikus szállítási paraméternek a számítására. Az is ismert, hogy azonos koncentrációjú és hasonló folyási tulajdonságokat mutató zagyok esetében előfordulhat, hogy az egyik paszta szerű viselkedést mutat, a másik nem. Itt az eltérés nagy valószínűséggel a zagyot alkotó szilárdanyag anyagi tulajdonságaiban keresendő. Ráadásul a szakma sem egységes a „paszta” állapot definiálásában, ami szintén feltárásra váró feladat.


9


A kutatómunka nyilvánvaló célja olyan alapkutatások elvégzése, amelyek alapján módszertan dolgozható ki, ultra - nagy koncentrációjú zagyok hidraulikus szállításának méretezésére. A kapott modell alapján - reményeim szerint - paszta - állapotú anyagok csővezetékben történő szállításának méretezési, optimalizálási kérdései is megoldhatóvá válnak. További célom, hogy a meddőkezelési technológiák áttekintésével megvizsgáljam a technológia hazai alkalmazási lehetőségeit. Munkámmal szeretnék lezárni egy kutatási időszakot, megnyitva ezzel egy újat, hiszen a megválaszolt kérdések továbbiakat szültek, melyek meghatározzák a kutatás további fő irányvonalait.


10


3. A szakirodalom ismertetése 3.1. Meddő, meddőzagy fogalma A szilárdásvány bányászat a hasznos ásványi alkotók mellett, jelentős mennyiségű nem hasznosítható anyagot termel, melynek általános elnevezése a meddő. Ebbe a csoportba, fenti meghatározás szerint beleesik minden olyan haszontalan ásványos alkotó, amelyet a kitermelés időszakában a kitermelő gazdaságilag haszontalannak ítélt, vagy a technológia nem állt rendelkezésére annak jövedelmező módon történő feldolgozására. Így tehát ide sorolhatjuk a kitermelés során letakarított fedő és kísérő kőzeteket, valamint a különböző ércek, szenek feldolgozása, dúsítása során keletkező jelentős mennyiségű maradék anyagot, nedves előkészítési technológiát alkalmazva pedig a finom szemcseméret eloszlással jellemezhető szilárd – víz zagyokat is. Ez azért jelentős mennyiség, mert az ércelőkészítési technológiák folyamatos fejlődésével és az ásványi nyersanyagok világpiaci árának emelkedése folytán, az egyre kisebb hasznos ásványi alkotó tartalommal rendelkező kőzeteket is kitermelik. Ilyen módon a kitermelt kőzet 95 – 98% -a, szenek esetében 20 - 25% -a kerül ásványelőkézítési meddőként a meddőhányókra, zagytározókra (Szarka, 2007 ) A kitermelési folyamatból származó, általában száraz v. földnedves meddőrészt, mely durvább szemszerkezetű, meddőhányókban tárolják, míg azt a meddő részt, ami az ásványelőkészítési folyamat során „keletkezik”, zagy formájában az erre a célra létesített zagytározó létesítményekben helyezik el. A jelenleg előterjesztés alatt lévő Európai Bányászati Hulladék Direktíva a kitermelő iparokból származó hulladékok kategóriáját definiálja, melybe beletartozik a fluidum-bányászat által termelt hulladékmennyiség is Az angol nyelvű szakirodalom is megkülönbözteti a fenti kategóriákat a „tailings” szót használva az ásványelőkészítési maradék anyagokra, beleértve ebbe a feldolgozás során felhasznált kémiai adalékanyagokat is (Meggyes, 2007; Engels 2007), míg a „waste rock” kifejezést pedig az egyéb bányászati meddőanyagokra használják. (European IPPC Bureau, 2003) Bőhm (Bőhm, 2003) megfogalmazásában a bányászati meddő a bányászat által kitermelt és a fizikai átalakuláson átesett szilárd anyag. Kitér azonban arra, hogy, bár a széntüzelésű erőművek maradékanyagai kémiai átalakuláson estek át, hasonló fizikai tulajdonságaik és a meddőkkel azonos módon történő tárolásuk, kezelésük miatt a meddő kategóriába sorolhatók. Ez a tanulmány elsősorban a szilárd ásványbányászathoz köthető ásványelőkészítési meddőzagyokkal és a széntüzelésű erőművek maradékanyagainak kezelésével foglalkozik NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

11


3.2. Meddőzagy elhelyezési módszerek A meddő anyagok elhelyezése kezdetekben gyakran kényelmi és költséghatékonysági szempontok alapján történt, így gyakran került a meddő anyag a közeli vízfolyásokba (USEPA, 1994) A közvélemény figyelme azonban hamar ráterelődött az alsó folyószakaszokon kiülepedő üledékek okozta környezeti és egészségügyi problémákra, és a víz felhasználhatóságának nehézségeire. Ezért az ipar ezt követően a meddő anyagot egyre gyakrabban, inkább gátak mögött helyezte el, mely gátak gyakran a meddőt alkotó durvább frakciókból és egyéb hulladék anyagokból épültek fel. Az így épült gátaknak a meddő tárolása mellett, főleg a szárazabb területeken, víztározó szerepe is volt. Manapság a zagytározó létesítmények mechanikai stabilitása és környezetvédelmi megfelelősége kap jelentős hangsúlyt és figyelmet. A radioaktív érceket, cianidot és más egyéb toxikus alkotót tartalmazó meddőzagy tározók egyre nagyobb száma a technológiai fejlesztés fő irányvonalát a zagytárolás helyett a zagykezelésre kell, hogy terelje. Az inaktív tározók is egyre nagyobb ráfordítást igényelnek, hiszen a szél általi kiporzás, oxidációs folyamatok miatti elsavasodás, ezzel együtt a nehézfémek mobilizációja komoly környezetvédelmi probléma. Az ezekben az esetekben szükséges helyreállítás költségei gyakran elérik, vagy meghaladják az eredeti üzemeltetési költségeket (USEPA, 1994). A meddőzagyokat legelterjedtebben híg zagy formájában zagytározó gátak mögött helyezik el. Emellett számos egyéb módszer is létezik. Sok esetben a meddő anyagot erősen víztelenítik (60% szilárdanyag tömegkoncentráció, vagy szárítják (akár 25% vagy kisebb víztartalom) lerakás előtt. Ezeket a meddőkezelési eljárásokat összefoglalóan sűrűzagyos és paszta technológiának nevezzük. Ezek általában drágák, azonban környezetvédelmi és mechanikai, kémiai stabilitási szempontból rendkívül kedvezőek. Gyakran történik a meddő anyag felszínalatti bányaüregekbe történő visszajuttatása, ahol a meddő tárolás mellett másodlagos, vagy akár elsődleges cél a bányaüregek mechanikai stabilitásának biztosítása. Ezen speciális feladathoz, a meddőanyagnak kellően teherbírónak kell lennie és előny, ha gyorsan víztelenedik. Ezért gyakran a meddő anyag homok frakcióját használják erre a célra, a finom frakció ekkor szihtén zagytározókba kerül. Ennek másik alternatívája, amikor a meddőzagyot felhagyott, külszíni bányagödrökben helyezik el. További alternatív elhelyezési mód a vízalatti, jellemzően tengeri, vagy mély tavakban történő elhelyezés, ahol szintén többnyire a durva frakció tárolása a jellemző, mivel ezek a szemcsék gyorsan ülepednek. Nagy előnye a módszernek, hogy a szulfidos ásványok oxidációját gátolja, mivel azok nem érintkeznek a légkör oxigénjével. Hosszú távú hatásai azonban még nem ismertek (USEPA, 1994). Mivel a dolgozat főleg a lehetséges hazai alkalmazásokkal, hagyományos és felszín alatti


12


módszerekkel illetve a sűrűzagyos és paszta - technológia témakörével foglalkozik, a következő részekben erre a területre helyeztem a hangsúlyt Jelenleg az ásványelőkészítési meddőanyagok elhelyezésével és azok kezelési technológiáival számos publikáció foglalkozik. A publikációk egyrészt szakmai szervezetek és hivatalok (USEPA, 1994; European IPPC Bureau, 2003; Mining Association of Canada, 1998) által készített dokumentumok és irányelvek, internetes portálok, melyek többnyire szakmai alapokon szerveződtek, vagy

kutatási

programokhoz

kapcsolhatóak.

Ilyen

az

Infomine

/

Tailingsmine

(technology.Infomine.com), a tailings.info, a TAILSAFE projekt honlapja (www.tailsafe.com) vagy a projekt keretében készített un. Parameter Framework jelenlegi elérhetőségese a www.tailpro.com oldalon. Publikációk megszámlálhatatlan sokasága, köztük könyvek foglalkoznak a témával különböző szemszögekből. Ezek közül kiemelném Vick (Vick, 1990), Engels (Engels, 2003) és Jewell és szerzőtársai munkáit (Jewell at al, 2002), valamint a témához köthető saját publikációkat. A szakmai, technikai és módszertani források mellett megtalálhatóak azok a hatósági irányelvek, szabályozások és törvények, amelyek a bányászati hulladékok kezelését és tárolását szabályozzák. Ezeket, világszerte egyre nagyobb számuk miatt most nem sorolnám fel, a téma nagyszerű összefoglalása olvasható Frilander és Saarela cikkében (Frilander, Saarela, 2003). A meddőkezelés általános ismertetésénél, főleg a fenti szerzők munkáira támaszkodom. A témafeldolgozás során érintett speciális területek (paszta, hidraulikus szállítás, talajmechanika) és a közben felmerült speciális témapontok esetén adott helyen külön hivatkozom a szerzőkre.

3.2.1. Hagyományos, híg zagyos meddőelhelyezés A híg zagyos meddőelhelyezés során a meddő anyagot mindig egy erre a célra épített gáttest mögé építik. A zagytározó gátakat leggyakrabban völgyzáróként, domboldalba építik. Ahol a topográfiai viszonyok ezt nem teszik lehetővé, gyűrű alakú gáttest kialakítást valósítanak meg. A gát elhelyezése általában jelentős gazdasági kérdés, hiszen a gáttestet célszerűen a meddő anyag durva frakciójából építik. Azonban, ha gyűrű alakú kialakítást kell megvalósítani, ahol a gáttestet gyakorlatilag körbe meg kell építeni, szemben a völgyzáró gát esetén kialakítandó egyetlen gátfallal, akkor egyéb, esetenként nagy távolságból a helyszínre szállított gátépítő anyagok használatára is szükség lehet a gát építéséhez, ami jelentős pénzügyi ráfordítást igényel. A gáttest kialakítása két alaptípus szerint osztályozható, vannak az un visszatartó (retention) gátak, melyek a víztározás területén elterjedtek, és az un inkrementális (raised) gát típusok. A visszatartó gátak általában rendelkeznek egy vízzáró maggal és egy ehhez kapcsolódó drén rendszerrel. Jellemzőjük, hogy ezeket rögtön a végleges méretükre építik, ezért csak fajlagosan nagy beruházási költséggel alakíthatók ki. Ez az oka annak,


13


hogy a meddőtározás gyakorlatában többnyire az inkrementális gátak használata terjedt el. Ezeknél a gáttípusoknál, egy kezdeti un. „alap gát” kialakítása szükséges. A gát magasítása a kívánt méretig pedig folyamatosan, a keletkező meddő durva frakciójából történik. Általánosan elmondható, hogy a zagytározó gátak tervezésekor, a gazdasági szempontok mellett figyelembe kell venni a keletkező meddő tulajdonságait, a szóba jöhető építőanyagokat, a terepi tényezőket (földrajzi viszonyok, geológia, hidrológia, szeizmikus aktivitás). A gáttest építésével kapcsolatban már említettem, hogy un. „alap” kezdeti gáttestre mindig szükség van. Az alapgátak építésénél figyelembe veszik az inkrementális gát építési módját, így elérhető, hogy kellő kezdeti mechanikai stabilitással és teherbírással rendelkezzen. A pórusvíz nyomás és szivárgó vizek szabályozására szigeteléssel ill. szivárgó rétegek beépítésével kell ellátni. Az inkrementális gátak magasítására 3 fő alapmódszer létezik. Az egyik az un. befelé építkező (upstream) módszer, amely talán a legrégebbi és leggazdaságosabb módszer. Az kezdeti alapgát testet úgy kell kialakítani, hogy a gátban ne alakulhassanak ki kitüntetett vízátfolyási csatornák, mivel ez a gáttest tönkremenetelét okozhatja. A meddőzagyot a gát belső pereméről ciklonokon, ill. kis átmérőjű csővezetéken keresztül közvetlenül juttatják a zagytérre. Ekkor az osztályozás illetve a szegregáció hatására, a durva részek a gát közvetlen közelében kiülepedve alkotják az újabb gáttestet, a finom rész pedig a gát közepe felé haladva fokozatosan kiülepszik, létrehozva egy finom részből álló dűnét és a létesítmény közepén elhelyezkedő szabad vízfelszínt. Ezzel a módszerrel a gáttest középvonala, ahogy a gát egyre magasabbra emelkedik, fokozatosan a gát belseje felé (upstream) mozdul el. Nagyon fontos, hogy a gáttest belső fala mellett kialakult dűnének el kell bírnia a következő fázisban ráépülő gátfokozat terhelését. Kicsit eltérően épül az un. kifelé építkező (downstream) gát. Ennél a módszernél is szükség van kezdeti alapgát kialakítására, azonban a gát következő magasító fázisa, az előző gát külső oldali leejtőjére van terhelve. Éppen ezért ennél a módszernél a gáttest középvonala, ahogy a gát egyre magasabb, fokozatosan a gát külső fele felé (downstream) mozdul el. Mivel eben az esetben a gáttest nagyobb mennyiségű építőanyagot igényel, talaj, bánya-meddő v. egyéb építőanyag használata válhat szükségessé. A meddőt ciklonozással illetve jellemzően a kerületről kis átmérőjű csöveken (spigoting) bevezetve juttatják a gát belsejébe. Azt a módszert, ahol a gáttest újabb és újabb fázisait egymásra, mind a belső és külső oldalra terhelve építjük, un. középvonalon építkező (centerline) módszernek hívjuk. A gáttest középvonala így folyamatosan a kezdeti gát középvonal fölé épül. Az előző bekezdésekből kitűnik, hogy a meddő anyagot 3 fő módszer segítségével juttathatjuk a zagytérre. Az un. egypontos kibocsátásnál, közvetlenül a zagytározóba engedik a meddőzagyot egy NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

14


viszonylag nagyobb átmérőjű csövön keresztül. Általában völgyzáró gátak esetén alkalmazzák a gát felső szakaszán bejuttatva a meddő anyagot. Figyelni kell a bevezető pont időszakos áthelyezésére, mivel ennek elmaradása a gáttest aszimmetrikus emelkedését okozhatja. A második módszer, amikor a gát kerületén elhelyezett kis átmérőjű csöveken egyenletesen elosztva vezetjük a meddőzagyot a zagytérre. Ekkor a durva szemek a gáttesthez közel kiülepednek, a finom frakció viszont attól távol. Így a létesítményben tárolt anyag nyírószilárdsága és vízáteresztő képessége a zagytározó belseje felé csökken. Ennek nagy jelentősége van a gát magasításakor és a mechanikai stabilitás megőrzésekor, mivel a talajvíztükör (Phreatic surface) szintje – ahol a pórusvíz nyomása a pórusokban egyenlő a légköri nyomással - szabályozható módon csökkenthető a gáttestben. A ciklonozási technikát is elterjedten használják. Alapelve, hogy hidrociklon segítségével a meddőzagyból leválasztják a homok frakciót, amiből a gáttestet magasítják. A leválasztott finom részt pedig a tározóba eresztik. 2 fő alaptípus létezik a módszer használatára. Az első esetben a ciklont, vagy ciklontelepet a gáttól távolabb, egy specifikus helyen építik ki, ahonnan a durva frakciót tehergépkocsikkal illetve egyéb szállító eszközökkel szállítják a gátmagasítás helyére. A második módszer, hogy a gáttest kerületén, számos kis ciklont elhelyezve, folyamatosan jutatják a gáttestre a durva frakciót, a finomrészt pedig a zagytérre. A hígzagyos meddőtárolásnál jelentős szerepe van a létesítmény vízháztartásának folyamatos megfigyelésére és kontrolljára. A három legfontosabb feladat a tározótéren lévő szabad vízfelület szintjének szabályozása, felszíni vizek ellenőrzése és a szivárgó vizek gyűjtése, ártalmatlanítása. A felszíni vizek esetén figyelembe kell venni a területen található felszíni vízfolyásokat, forrásokat, a csapadékot, párolgást és az extrém időjárási viszonyokból esetlegesen adódó, az átlagosnál magasabb csapadékmennyiséget is. A szabad vízfelszín magasságának szabályzása a gát stabilitásának megőrzése szempontjából alapvető feladat, hiszen a magas vízfelszín magasság megemeli a talajvíztükör szintjét, extrém esetben a gáton való vízátbukáshoz és a gátfal teljes elmosásához vezethet. A szabad zagytéri víz, kordában tartható az előkészítő mű vízháztartásának helyes méretezésével és beépített műtárgyakkal, úgy mint szifonok, túlfolyók vagy szivattyútelepek telepítésével és üzemeltetésével. A szivárgó vizek kezelésére vonatkozóan 2 stratégia létezik. Az egyik stratégia szerint, preventív módón valamilyen szigetelést alkalmazva (agyag, szintetikus szigetelők) kizárjuk a szivárgás lehetőségét. A másik lehetőség, hogy összegyűjtjük a szivárgó vizeket és visszajuttatjuk a zagytározó térre. Ekkor szivárgó vizeket gyűjtő kutak, drén rendszerek, vagy a szivárgó vízeket gyűjtő tó kialakítása szükséges.


15


A vízháztartás alakulásának figyelmen kívül hagyása, gondatlan tervezés vagy üzemeltetés, katasztrófát idézhet elő. Ha a gáttestben a nyírási feszültség a nyírási szilárdságnál nagyobb, a gát fala megfolyik, illetve megcsúszik. Ilyen esetek akkor fordulhatnak elő, ha a vízszint emelkedik és a gáttest nagy része telített állapotba kerül. A gát tönkremenetel bekövetkezhet továbbá vibráció vagy hirtelen terhelésnövekedés hatására. A talán legelterjedtebb gát tönkremeneteli mód, a létesítményben tárolt víz gáton történő átbukása. Ez az eset akkor következik be, ha a gát tárolókapacitását meghaladja a benne lévő víz mennyisége (extrém csapadék, egyenlőtlen gátfal magasság). Mivel a gáttestek kevéssé védettek az erózióval szemben, a rajta átbukó vízmennyiség gyorsan képes magával sodorni a gáttest egy részét, ahol azután a zagytömeg folyamatosan távozhat. A gáttestben hirtelen megnövekvő pórusnyomás megnöveli az átbukó víz által még nem károsított gátszakaszon is a gáttest folyási hajlandóságát, amely esemény a kialakult helyzet további romlását idézi elő. Egyéb vízfolyás okozta erózió is lehet gát tönkremenetel forrása. Főként csapadékos területeken, ahol a lehullott csapadékvíz összegyűlhet és nagy mennyiségben, gyorsan, a gáttestet felszíni vízfolyásként erodálva folyik. Előfordulhat olyan szivárgás, pl. zagyszállító csővezetékek mentén, ahol áramlási csatorna mentén történő erózió lép fel. Ekkor a gáttest vagy annak alapzata szintén tönkre mehet. Az ilyen jellegű tönkrementelek könnyen megelőzhetőek rendszeres karbantartással, illetve olyan műszaki megoldásokkal (növénytakaró, övárok) amelyek megakadályozzák, hogy a lehullott csapadékvíz felszíni vízfolyás formájában a gátat károsítsa. Az erózió egy másik formája, a felszín alatti erózió, amely szintén jelentős károkat okozhat. Amennyiben a szivárgó vizek egy kitüntetett csatorna mentén folynak, a szivárgás koncentrálódhat, elmosva ezzel a gáttestet vagy annak alapzatát. A gáttest nagyjából azonos szemcsemérettel rendelkező, konszolidálatlan homokfrakció. Folyási potenciálja igen nagy, ez azt jelenti, hogy valamilyen gyors deformáció következtében (vibráció hatására - robbantás, földrengés) a fellépő feszültségeket a pórusvíz veszi fel. Ezen a ponton a vázszerkezetet alkotó szemcsék elvesztik tartásukat és a feszültség alatt álló pórusvízben úsznak. Ezért az eddig itt hordott feszültségek átterhelődnek a szomszédos részecskékre, ami viszont a folyamat láncreakciójához vezet. (Kézdi, 1952) A gáttest elveszti stabilitását és „elfolyik”, utat engedve ezzel az általa támasztott folyékony zagytömegnek. Az ilyen, és hasonló gát tönkremenetelek mellett, a gáton és a gáttest alatt átszivárgó vizek összetétele is potenciális veszélyforrás a környezetre. Ha a kitermelt és feldolgozott kőzetekben szulfidos ércek vannak jelen, mint pl. pirit, galenit, szfalerit, arzenopirit, stb.…,a nedves környezetben oxigén hatására ezek oxidációja indul meg (ARD). A szulfid ion oxidációja során szulfát ionná alakul, mely a zagytéren lévő víz savasodásához vezet. A savasodás hatására azonban olyan nehézfémek is oldatba mennek és mobillá válnak, amelyek korábban nem voltak azok. A szivárgó vizekkel a környezetbe, ott a felszíni és a felszín alatti vizekbe jutva jelentős károkat okozhatnak. A folyamatot NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

16


sokan kutatták az elmúlt évtizedben (pl: Elander et al, 1998). Fontos szerepe van az oxidációban az oxigén és víz jelenlétén kívül a bakteriális hatásoknak, a pH, Eh, hőmérséklet és a szulfidok közötti galvanikus folyamatoknak. A szivárgó vizekkel nem csak a mobillá vált nehézfém ionok, hanem az ásványelőkészítés során használt, különböző kémiai adalékanyagok is a felszín alatti vizekbe juthatnak. Ezek az adalék anyagok többnyire szervetlen sók oldatai (flotáló reagensek, pH szabályozók, koaguláló szerek), szerves vegyületek (flotáló reagensek) és akár toxikus vegyületek (NaCN) is lehetnek. Mindezen veszélyforrások által okozott kockázatok nagymértékben csökkenthetőek a sűrűzagyos és paszta - technológia alkalmazásával. Mivel a víz jelentős részét a deponálás előtt eltávolítjuk a rendszerből, a szivárgó és erodáló vizek problémáját megszüntethetjük. A homogén, szegregáció mentes pasztapépbe az oxigén nehezen jut be, így a szulfidos ásványok oxidációja lényegesen lassabban játszódik le.

3.2.2. Sűrűzagyos meddőkezelés és paszta technológia A kanadai Falconbridge Limited Kidd Creek réz és cinkbánya 1967. –óta működik. Jelenleg a termelés 8000 t/nap kapacitással folyik. (Robinsky, 2002). Az üzemben a kitermelt kőzetet, annak aprítása után vasúton szállítják a bányától 17 km-re lévő dúsító műbe. A flotáló cellákból a cellamaradékot, 14 – 18% tömegszázalékos koncentrációjú zagy formájában a 4 Km-re lévő zagysűrítő állomásra szivattyúzzák, ahonnan tovább szivattyúzva, az 1,1 Km-re lévő egypontos kivezetésen a meddőtérre engedik. Eredetileg, 1967.-ben a meddőt, híg zagy formájában, hagyományos zagytározó létesítményben tárolták, két, egymástól elkülönített tároló téren. A zagytérre az anyagot az un. többpontos „spigot” technikával jutatták ki. Az üzem I. E. Robinsky előterjesztésére (Robinsky, 2002), két év tesztelés után átállt az un TTD (Thickened Tailing Disposal) technikára, ezzel a világon elsőként alkalmazva az új technológiát. A zagy többpontos, gátfalról történő zagytérre juttatását felváltotta egy egypontos rendszer, melyet a zagytér közepén helyeztek el. Az első alkalmazott zagysűrítő, amelyet 1973-tól használtak, egy 110 m átmérőjű hagyományos zagysűrítő volt. A zagysűrítő nem működött kielégítően, mivel az által előállított zagy koncentrációja nem érte el a megfelelő értéket, ezért a meddő nagyobb területen terült szét, mint azt eredetileg szerették volna. A hiba kiküszöböléseképpen a zagysűrítőt 1981.-ben lecserélték és szintén egy 110 m átmérőjű berendezést helyeztek üzembe, amely a folyamatos műszaki meghibásodások és a kis teljesítmény miatt szintén nem vált be. Jelenleg az üzem egy Outokumpu gyártmányú nagyteljesítményű sűrítőt használ, flokkulálószer adagolása mellett. Ez a sűrítő 35 m átmérőjű és a meddőben a szilárd anyag tömeg koncentrációja eléri a 80%-ot a lerakás után. Ezzel a Falconbridge Ltd. megalapozta a sűrűzagyos és paszta technológiát, amelyet azóta számos helyen alkalmaznak. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

17


A technológia fejlesztésében és alkalmazásában az Alcoa World Alumina Australia is élen járt. A cég jelenleg 7,3 Mt / év alumíniumot állít elő Nyugat - Ausztráliában. A feldolgozott bauxitból 2 tonna maradék anyag keletkezik minden előállított 1 tonna alumínium után. Mivel az előkészítő üzemek közel estek a lakott településekhez és a talajvíz elszennyeződésének veszélyét felismerték, az Alcoa az 1970-es években jelentős fejlesztésekbe kezdett. Az addig híg zagy formájában tárolt vörösiszap alternatív elhelyezési megoldásai után kutatott. Első lépésként, olyan új vörösiszap tárolókat építettek ki, amelyeknek alsó szigetelő rétege fölé egy szivárgó réteget is beépítettek. Ezzel megnövelték a kiszállított meddő konszolidációs hajlandóságát, a csurgalék vizet pedig gyűjtötték, és visszaszivattyúzták az üzembe. A további fejlesztések után 1985-ben kialakult a ma is üzemelő un. „dry stacking” módszer. Ennek lényege, hogy a vörösiszapot hidrociklon és ellenáramú mosótornyok alkalmazásával elválasztják 150 µm-nél. A durva frakciót használják a külső gát magasítására és a gáttesten belül kialakított kazetták alsó szűrőrétegének kialakítására. A finom részt zagysűrítőben, flokkuláló szerek alkalmazásával besűrítik. Az így elért 50% tömegkoncentrációjú zagyot a tároló kazettákba szivattyúzzák, ahol a további konszolidáció és a nap szárító hatására a végleges koncentráció (tömeg) eléri a 70%-ot (Cooling, 2002).

3.2.2.1. A sűrűzagy és paszta A paszta tulajdonképpen nagy szilárdanyag koncentrációjú szilárd víz keverék. A szakirodalomban sok próbálkozás van a paszta, mint keverékállapot, osztályba sorolására, és elsődleges, mérhető ismertető jegyeinek, definíciójának meghatározására. Az átmenet a hígzagy és sűrűzagy, valamint a zagy – paszta - szűrőlepény hármas között ma eléggé homályosan meghatározott, egyértelmű osztályba sorolási rendszer nincs. A híg zagyok, vagy zagyok azok olyan szilárd – víz keverékek melyek meghatározott folyási viselkedéssel jellemezhetőek. A szűrőlepény meghatározás elsősorban a szűréssel történő víztelenítéskor létrejövő, a szűrő felületre tapadó, alacsony víztartalmú szilárd – víz keverékek megnevezése. A paszta kifejezéssel leírt keverék állapot valahol a kettő között helyezkedik el. Jewell és társai (Jewell, 2002) elképzelése szerint, ez a keverékállapot változás leírható egy kontinuumként, ahol a híg állapottól indulunk ki. Ekkor a kvázi homogén folyadéknak nincs ellenálló képessége a nyíró feszültségekkel szemben és folyik. Ahogy folyamatosan növeljük a szilárd rész arányát, elérünk egy pontot, ez az un. gél pont, ahol a szilárd víz keverék már számottevő nyíró szilárdsággal jellemezhető. A szilárdanyag koncentráció további növeléssel ez a nyíró szilárdság tovább nő, és a szerzők szerint ezért a nyíró szilárdság kiválóan alkalmas a zagy – paszta – szűrőlepény átmenetek határértékeinek a definiálására. Ipari tapasztalatok alapján előterjesztik, hogy a paszta az a keverék ahol a massza folyásához szükséges határ nyírófeszültség eléri a 200 +/- 25 Pa-t.


18


Természetesen további meghatározások léteznek, amik nagyon megnehezítik az osztályba sorolást. A fő nehézséget a meghatározás pontos definiálása körül az okozza, hogy más - más szakterületen dolgozó szakemberek, eltérő terminológiát használnak. Jó példa erre a zagysűrítő berendezések gyártásával, méretezésével foglalkozó szakemberek szóhasználata, akiknek terminológiájában a zagy, vagy híg zagy a sűrítetlen szilárd - víz keveréket jelenti. A zagysűrítő berendezések alsó kifolyása a sűrített zagy. A technika fejlődésével kialakultak az un „nagy kapacitású sűrítők” melyek alsó kifolyásán jelenik meg a sűrűzagy és az újabban alkalmazott „ultra nagy kapacitású sűrítők” terméke a paszta (Jewell, 2002). Mivel ez az osztályba sorolás főként az elért keverék koncentrációján alapszik, látható a fenti, nyíró szilárdságon alapuló megfogalmazással való összehasonlíthatatlansága. Hogy a helyzet ennél is bonyolultabb legyen, számos további megközelítés létezik. Newman leírja (Newman, 2003), hogy Dr. E. Rubinsky vezetésével Kanadában beüzemelt első „paszta” üzem esetén azt az állapotot hívták pasztának, amikor a lerakott keverék a magára hagyásakor már nem adott le több vizet. Egy másik definíció szerint azonban a paszta az az állapot, ahol, csővezetéken történő hidraulikus szállításkor a szilárdanyag koncentrációja a csővezeték metszetének vertikális tengelye mellett homogén marad, függetlenül attól, hogy mekkora a szállítási sebesség. (Newman, 2003). Ezekkel a meghatározásokkal - szemben akár a nyírószilárdság alapján történő besorolással is - nem kapunk egy pontos módon mérhető értéket, mely alapján a keverék besorolható és más keverékekkel összehasonlítható, mivel fenti tulajdonságok erősen függenek a keveréket alkotó anyagnak egyéb tulajdonságaitól, mint pl. szemcseméret eloszlás, ásványos összetétel vagy felületi tulajdonságok. Phasias és szerzőtársai vezették be az un.”Slump Cone Test” –et, mely eredetileg egy, betonok konzisztenciájának meghatározására szolgáló ASTM szabvány (Phasias et al., 1996) A mérés menete nagyon egyszerű. A szabványos, 305 mm magas csonka-kúp vizsgáló eszközt fel kell tölteni a vizsgálandó keverékkel, úgy, hogy megakadályozzuk a töltés közben a keverék alul történő elszivárgását. A betöltés után a kúpot hirtelen eltávolítva az anyag összeroskad és a keverék nyírószilárdságára jellemző magasságon áll be. Az összeroskadt kúp magassága könnyen és gyorsan mérhető és alkalmas a szerzők szerint az osztályba sorolás elvégzésére. Ezek szerint a paszta állapotú anyag roskadás utáni kúpmagassága 200 és 250 mm között mozog. Azonban a helyzet nem ennyire egyértelmű, mivel az ilyen konzisztenciával rendelkező keverékek kiválóan alkalmasak pl. felszín alatti bányaüregek tömedékelésére, azonban a felszíni tározáskor rendszerint problémát okozhat, ha a kibocsátott keverék nem folyik elég messze a kibocsátás helyétől. Ekkor gyakran kell áthelyezni a kibocsátó rendszert, vagy drága, kibocsátó mechanizmusokat kell üzemeltetni. (Jewell, 2002) Éppen ezért a fenti tesztet módosították úgy hogy paszta az anyag, ha 200 és 250 mm között van a roskadt kúp magassága, felszín alatti alkalmazások esetén, felszíni alkalmazásokkor ez a határérték azonban 150 és 200 mm-re módosul.


19


3.2.2.2. Paszta keverékek alkotórészeinek anyagjellemzői A kitermelt szilárd ásványi nyersanyagok, tulajdonképpen szilárd diszperz rendszerek. A diszperz rendszerekre jellemző, hogy, a diszpergált rész minden egyes elemének eltérő fizikai, fizikai-kémiai és kémiai tulajdonágai vannak, ezért a diszperz rendszerre, az adott tulajdonságot annak eloszlásával lehet megadni. Ezek a tulajdonságok alapvetően meghatározzák a kitermelt ásványi nyersanyag feldolgozási módját. A feldolgozás során a maradék anyag tulajdonságai általában jelentősen eltérnek a kiinduló anyagétól, azonban a további feldolgozást az így kialakult tulajdonságok határozzák meg. A sűrűzagyos meddőkezelés és paszta technológia szempontjából a következő tulajdonságok alapvető fontosságúak: Szemcseméret eloszlás. A paszta technológia szempontjából a szemcseméret eloszlásnak meghatározó szerepe van. Általában elmondható, hogy mind a zagysűrítés, mind a kialakult „paszta” konzisztenciájában a 20 µm-nél kisebb szemek aránya meghatározó (Fouire, 2002). A meddőzagy tározásban a szemcseméret eloszlásnak nagy szerepe van a kialakuló nyírószilárdság mértékében is. A finom szemek általában nehezen ülepíthetőek, viszont a kis mérettel, nagy fajlagos felület társul, amely a kialakult halmaz vízfelvevő képességére nézve kedvező. A szemcseméret eloszlás meghatározása általában szabványos szitasorozattal a durvább tartományokban, illetve dekantációs és lézeres szemcseméret eloszlás meghatározással történhet a finomabb tartományokban. Bizonyos esetekben (kolloidok, agyagásványok) a vizsgálati módszert úgy kell megválasztani, hogy a valóságnak minél inkább megfelelő eredményt adjanak. Ásványos összetétel. Az ásványelőkészítési gyakorlatban általános a feldolgozott kőzetanyagok finom őrlése, ezzel a 2 µm –nél kisebb szemek arányának a megnövekedése. Ebbe a szemcseméret tartományba eső szemeknél feltétlenül vizsgálni kell az agyagásványok jelenlétét és mennyiségét. A valódi agyagásvány szemcsék jellemezhetőek egy elektromos tulajdonsággal, amelyet kation cserélési képességnek hívunk. A kationcserélő képesség erőteljesen befolyásolja az agyagásvány szemek ülepíthetőségét, így a zagysűrítés eredményességét is. Az agyagásványok jelenlétének másik fontos szerepe a talajmechanikából ismert határok, a folyási és a sodrási határok változására gyakorolt hatása. A folyási határ azt a víztartalmat jelenti, ahol a talaj elveszti nyírószilárdságát. A sodrási határ viszont azt a víztartalmat jelenti, amely alatt a talaj elveszti képlékenységét, morzsolhatóvá válik. (Kézdy, 1952) Reológia. A szilárd – víz keverékek reológiai tulajdonságainak elsősorban a zagysűrítés és zagyszállítás

tervezésekor

van

nagy

gyakorlati

jelentőssége.

Ezek

meghatározására

csőviszkoziméter a legalkalmasabb, mivel a rotációs viszkoziméterekben a szilárd keverékek


20


könnyen kiülepednek, a kapilláris viszkoziméterekben pedig, a kapilláris szűk keresztmetszete miatt lehetetlen a mérés kivitelezése. Nyírószilárdság. A zagytározó létesítmények mechanikai stabilitásánál elsőrendű kérdés a tárolt anyaghalmaz és gáttest nyírószilárdsága. A hagyományos, híg zagyos technológia alkalmazásakor, a tározótérre bocsátott anyag szegregálódik, ezért a gáttesthez közel kiülepedő, durvább szemek nagyobb nyírószilárdsággal rendelkeznek, mint a gáttól távolabb leülepedő finomabb frakciók. Ennek óriási a jelentősége, mivel inkrementális gát építésekor ez az alapja a következő fázisban kiépülő gáttest résznek. Paszta technológia alkalmazásakor azonban nem történik ilyen szegregáció, a nyírófeszültség a teljes anyaghalmazt tekintve, többé-kevésbé azonos. Ez azt is jelenti, hogy a gáttest közelében nem alakul ki egy viszonylag nagyobb nyírószilárdsággal rendelkező réteg, amely a gáttest magasításakor megfelelő alapot biztosít a következő fokozatnak. Éppen ezért az így kialakított homogén massza nyírószilárdságát mindig célszerű vizsgálni. A meddő zagyok esetében figyelembe kell venni, hogy nyírószilárdság szempontjából eltérően viselkednek a homok, iszapos homok és agyag frakcióba tartozó szemcsehalmazok. Homokok (0,12 mm, Kézdi, 1952) esetében a nyírószilárdság a szemcsék egymáson való elmozdulásától és a halmaz szerkezetéből adódó, a szemek egymásba kapaszkodásából tevődik össze. Laza halmazok esetén az egymásba kapaszkodás hatása nem érvényesül, ezért nagy hézagtérfogatok mellett kisebb súrlódási szögek adódnak (Kézdi, 1952). Igazolt az is, hogy homokok esetén létezik egy un. kritikus tömörség, melynél állandó nyírófeszültség mellett folyamatos deformáció lehetséges (Kézdi, 1952). Homok halmazokban, kevés liszt és iszap tartalom (0,002 – 0,1 mm) a súrlódási szög jelentős csökkenését vonja maga után. Vízzel telített homokoknál, nyugalmi állapotban a víz feszültségmentes. A külső terhelés a szilárd szemcsevázra adódik, ezért nyugalmi állapotban vagy lassú nyírás esetén a telített homokok esetén nincs, vagy minimális csökkenés tapasztalható a súrlódási szögben. Térfogatváltozással járó deformáció esetén azonban nagy jelentőssége van annak, hogy nyírás hatására a halmaz tömörödik, vagy fellazul, azaz a kritikus tömörség alatt vagy fölött van e a tömörsége. Ez azért fontos, mert ha a talaj tömörödik, hézagtérfogata csökken. Ekkor a pórusvíz felveszi a függőleges terhelés egy részét, csökken a csúszófelületre működő tényleges feszültség és a halmaz kisebb nyírófeszültség hatására elnyíródik. (Kézdi, 1952) Agyag halmazok (x < 0,002 mm,) kohéziója, annak konzisztencia állapotától, vagyis víztartalmától függ. Az agyagok száradásakor a pórusvízben húzófeszültség lép fel. A víztartalom csökkenése a pórusvíz húzófeszültségét növeli, ezért a halmazban a nyomófeszültség nő és ez a halmaz nyomószilárdságának növekedését vonja maga után (Kézdi, 1952) Az a víztartalom, amely mellett a vizsgált halmaz nyomószilárdsága a legnagyobb, főként a szemcsemérettől függ. Homokok esetén a legnagyobb szilárdságot 80% telítettség mellett kapjuk, iszap tartalmú halmazoknál a szilárdság nő a NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

21


zsugorodási határig, ezután csökken, durván 10% relatív nedvesség tartalomig, ezután megint nő és teljesen száraz állapotban éri el a maximumát. Agyagok esetén a szilárdság a zsugorodási határig exponenciálisan növekszik, a zsugorodási határon törés mutatkozik, majd a további víztartalom csökkenéssel ismét exponenciális mértékben növekszik, mígnem teljesen száraz állapotban éri el maximális értékét. Zagytározók stabilitási kérdéseivel kapcsolatban tehát mindenképpen célszerű a víztartalom, a konzisztencia határok, mint a folyási, - sodrási - és zsugorodási - határ, belső súrlódási szög, kritikus tömörség és a különböző állapotokhoz tartozó nyírószilárdságok meghatározása, mind lassú konszolidált és gyors konszolidálatlan esetben. A fent említett tulajdonságokon kívül, nagy jelentősséggel bír, főleg a lerakás és annak technológiai rendszere, valamint a stabilitás szempontjából a meddő folyási hajlandósága, konszolidálódó képessége, hidraulikus áteresztőképessége és a víztartó képessége. Kiegészítve a fentieket, fontosnak tartom megemlíteni, hogy a víz kémiai összetétele, és tulajdonságai (pH, domináns ion, ennek koncentrációja) amelyben a meddőt kezeljük, szintén nagyon fontos, hiszen sok korábban ismertetett tulajdonságot, jelentősen befolyásol. Például Mitchell szerint (Mitchell, 1976) az alacsony pH érték flokkulációt idéz elő a szuszpenziókban, a pozitív töltésű ásványi felületek és a negatív töltésű felületek közötti kölcsönhatás miatt, magas pH értékek mellett azonban gyakran diszpergáló hatást mutat ugyanabban a szuszpenzióban. A Zeta - potenciál meghatározása eltérő pH értékek mellett így nélkülözhetetlen a megfelelő flokkuláló szer kiválasztásához.

3.2.2.3. Sűrűzagy és paszta előállítása A hagyományos, hígzagyos meddőkezelési eljárásokkal szemben a paszta technológia nagy szilárdanyag koncentrációjú zagyokkal operál. Ennek elérésére a hagyományos zagysűrítő berendezéseket és speciálisan nagy koncentrációjú zagyok előállítására fejlesztett un. nagy kapacitású és ultra nagy kapacitású zagysűrítő berendezések használatosak. Általánosságban elmondható hogy elősűrítésre hidrociklonok és vízszintes átfolyású zagysűrítők jól használhatóak (Meggyes, 2003) Az így elősűrített zagyot azután vagy az imént említett cél berendezésekben sűrítik tovább, vagy szűrők filter lepényével összekeverve állítják elő a kívánt konzisztenciát, ilyenkor az anyag egy része szűrökön víztelenedik. A nagy koncentrációjú lepényszerű rész előállítható centrifugák alkalmazásával is. Mind az ülepítő, mind a szűrő centrifuga típusok használhatóak a célra. Ettől eltérő megoldást kínálnak az elmúlt 10 15 évben igen jelentős fejlődésen átesett ultra nagy kapacitású sűrítők. EIMCO és az Enviroclear élen járt ezen típusok fejlesztésében. A működés főbb NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

22


alapelve között található a flokkuláló szerek hatásmechanizmusainak pontosabb megértése. Bizonyított, hogy minden flokkuláló szerhez tartozik egy optimális szilárd anyag feladási koncentráció, amelybe a flokkuláló szert adagolva, az adott rendszerben maximális flokkulációs hatást érünk el. (Bedel et al.,2002) Ezt a hatást a függőleges átfolyású zagysűrítőknél úgy lehet elérni, ha a speciálisan tervezett és kialakított feladó – keverő kutak egyenesen az optimális koncentrációt tartalmazó zónába juttatják a flokkuláló szert. További, a zagysűrítés hatékonyságát növelő hatás érhető el, ha a feladó kutak a lamellás ülepítőkben használt elv szerint kerültek kialakításra. A lamellás ülepítőkben a sűrítendő zagy egy egymással párhuzamosan elhelyezett ferde lemez rendszeren, lamellákon keresztül áramlik. Mivel a sűrítendő zagy a 2 egymás mellett elhelyezkedő lemezek között áramlik fel, az ülepedési úthossz jelentősen lecsökken, így a szilárd szemek gyorsan kiülepszenek a rendszerből. Ha a kör keresztmetszetű feladó kutat úgy alakítjuk ki, hogy a gallérokat ferdén, egymással párhuzamosan vezetjük a zagysűrítő térbe, a flokkuláló szer hatására kialakuló pelyhek a feladó kútból kilépve elősűrített állapotban gyorsabban elérik a hátráltatott ülepedési zónát. (Bedel et al, 2002) Ezt az elvet használja ki az EIMCO E-CAT Clarifier Thickener vagy az Outokumpu hasonló megoldása. Természetesen ezek a berendezések nagyfokú műszerezettséget és automatizált vezérlést igényelnek, hiszen a körülmények optimálistól történő legkisebb eltérése is a sűrítő hatékonyságának visszaesését jelentené. Ezeket a változásokat manuálisan követni nem lehet.

3.2.2.4. Sűrű zagyok és paszta hidraulikus szállítása A hidraulikus szállítás csővezetéken keresztül egy olyan terület, melyet az iparban elterjedten használnak, publikáltsága kimagasló. Egyrészt mind az alkalmazott eszközök (szivattyúk, csővezetékek) széles palettája elérhető és nagyszámú gépészeti leírás található (pl: Tarján, 1980; Nagy 1987), mind a méretezésükre vonatkozó nagyszámú írás is fellelhető (pl: Tarján, 1980; Meggyes

1987).

Zagyszállítással

kapcsolatban

kiemelkedően

fontos

terület

a

fellépő

nyomásveszteségek számítása, amely a zagyszállítás méretezésének alapadata. Ezzel a témával is rendkívül sokan foglalkoztak (pl: Bobok, 1987; Govier, Aziz 1972, Faitli, 1996) A zagyok tulajdonságai nagymértékben függenek az őket alkotó szilárd és folyadék fázis tulajdonságaitól, és változnak a szilárd anyag koncentrációjának változásakor. Kis koncentrációjú zagyok esetén beszélhetünk nem ülepedő, és lassan ülepedő vagy ülepedő zagyokról. A sűrű zagyok esetén a szilárd szemek általában egyenletesen oszlanak el a közegben és a cső keresztmetszetének függőleges tengelyére nézve nincs heterogén koncentráció eloszlás. A nagy koncentrációjú zagyok általában kétféle típusúak lehetnek: paszta keverék vagy nagykoncentrációjú ülepedő keverék (Paterson, 2002)


23


A paszta keverékek általában nagy mennyiségű finom szemet tartalmaznak, melyek a folyadék fázissal közösen alkotják a többnyire nem-newtoni hordozó fázist. Durva szemek jelenléte általában nem befolyásolja a nyomásveszteség értékeket (Paterson, 2002). Az ilyen paszta keverékek áramlása általában lamináris áramlás, mivel rendkívül nagy mennyiségű energiára lenne szükség a turbulens áramlás eléréséhez. A lamináris áramlással ebben az esetben az a probléma, hogy bizonyos esetekben a durvább szemek elkezdenek ülepedni a cső belsejében. Ismert, hogy egy látszólag nem-ülepedő szuszpenzió nyírás hatására, vagy ugyanaz a szuszpenzió nagyobb átmérőjű csővezetékben elkezd ülepedni (Paterson, 2002). Lamináris áramláskor nincs olyan felfelé mutató erő, amely az egyszer kiülepedett szemeket újra szuszpendált állapotba hozza. Nagykoncentrációjú ülepedő keverékek esetén a keverék egy alapvetően ülepedő keverék, amelyben a nagy koncentráció miatt nem ülepednek ki a szilárd szemek. Ebben az esetben általában nincs jelen elegendő mennyiségű finom szem, amely a hordozó fázis reológiáját jelentősen befolyásolná. Az ilyen és hasonló nagy koncentrációjú keverékek szivattyúzására általában forgólapátos és térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúkat egyaránt használnak. A forgólapátos zagyszivattyúk általában olcsó kompakt, robosztus egységek, melyek jól használhatóak kis emelőmagasságot igénylő zagyszállítási feladatok megoldásánál (Meggyes, 2002). A nagy koptató igénybevételek miatt kopásálló ötvözetekből és/vagy gumiburkolattal ellátott szerkezeti kiépítésűek. Nagy távolságra történő szállítás esetén több forgólapátos szivattyú sorba köthető. Amennyiben a nyomás így meghaladná a nyomást amelyet még elvisel a szivattyúház, több szivattyúállomás létesítésére van szükség a csővezeték mentén. A kapacitás növelésére a szivattyúk párhuzamosan köthetőek. A térfogat kiszorításos elven működő szivattyúk közül elterjedten használják a dugattyús, membrános és csavarszivattyúkat paszta és sűrűzagyos szállítási célokra. Fontos, hogy a legtöbb térfogatkiszorítás elvén működő szivattyú szívó oldalán nyomással kell feladni a szállítandó anyagot az optimális teljesítmény eléréséhez. Az ilyen típusú szivattyúk képesek akár 30 MPa emelőmagasság létrehozására. Hátrányuk, hogy igen drágák, ezért jelentősen megnövelik a beruházási költségeket. Elsősorban nagy távolságokra történő szállításkor használják, ahol nincs lehetőség nagyszámú szivattyúállomás kiépítésére. Nagy koncentrációjú zagyok hidraulikus szállításával kapcsolatban, igen nagy tapasztalat gyűlt össze a betonszivattyúzás (Nagy, 1987) illetve az öblögetéses mélyfúrás területén. (Jávor, 1963) Lényeges különbség a meddőzagyok és a szivattyúzható beton között, hogy míg a meddőzagyok jellemzően finom szilárd alkotórészeket tartalmaznak, addig a beton keverékekben, mivel NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

24


elsődlegesen a szilárdulás utáni teherviselés a feladatuk, igen durva, nagy átmérőjű szemek is találhatóak. Ebben az esetben a finomfrakció, cement és víz keveréke alkotja azt a hordozó közeget, melyre a szivattyú nyomása átadódik, és ez által a durvább szemek szállítása is megvalósul. Ha ez a szuszpenzió kisebb mennyiségben van jelen, mint a durvább szemek pórustérfogata, a szivattyú nyomása a durva szemekből álló szemcserácsra terhelődik át és a szemek a csővezetékben kiékelődnek, a szállítás leáll. (Nagy, 1987). Nagy leírja azt is, hogy minden szilárd és folyadékfázisból álló keveréknek van egy kritikus szétválási nyomása. Ez az a nyomás, amely a két fázis szétválasztásához szükséges, azaz a nyomás a folyadék fázisról a szemcsevázra tevődik át. Amikor ez bekövetkezik, a betonkeverék szivattyúzhatatlanná válik, dugulás keletkezik. Ennek elkerülése érdekében a hordozó szuszpenziót és a durva szemek koncentrációját úgy kell megválasztani, hogy a kritikus szétválasztási nyomás nagyobb legyen, mint az, ami a keveréknek a csővezetéken történő átáramoltatásához szükséges (Nagy, 1987). A betonoknál nagy jelentősége van a megfelelő térkitöltésnek és tömöríthetőségnek. Ennek érdekében a szemcseméret eloszlás általában jól leírható az un Fuller - típusú eloszlással, amely a maximális szemcseméret függvényében a minél jobb térkitöltés eléréséhez szükséges szemcseméret eloszlást adja meg. Szivattyúzható betonoknál fontos, hogy az adalék anyag szemcseméret eloszlása folyamatos legyen és a finom szemek (x < 0,25 mm) aránya elérje a 15 -20 %-ot. A szivattyúzhatóságot, a víz felületi feszültségét csökkentő kémiai adalékanyagokkal javítják. Ezek az un. légpórusképzők és plasztifikátorok. A betonok szivattyúzását kizárólag egy, vagy kéthengeres dugattyús szivattyúkkal oldják meg. Az öblítéses mélyfúrás esetén az un. fúróiszap több céllal kerül alkalmazásra. Elsődleges feladata, hogy a fúrólyukból kiszállítsa a furadékot, megőrizze a fúrólyuk állékonyságát, megakadályozza a víz fúrólyukba történő bejutását és hűtse a fúrófejet. Láthatjuk, hogy az öblítéses mélyfúrás esetén, a fúrószár belsejében áramló finom szuszpenzió, a fúrószár és a furat által alkotott gyűrű alakú térben további durva szemeket vesz fel. Fontos, hogy az így szállított iszap sebessége meg kell, hogy haladja a legnagyobb süllyedési sebességgel rendelkező szemcse süllyedési sebességét, különben nem tudná azt a felszínre szállítani. Ez jellemzően 1 -1,1 m/sec (Jávor, 1963) Fenti feladatok ellátása érdekében a fúróiszaptól elvárják, hogy ne ülepedjen. Ezért a fúróiszapot alkotó anyagok szemcsemérete a kolloid tartománytól a mikrométeres tartományig terjed. A kolloid részt elsősorban agyag vagy hidroszilikát alapú kolloid szemek teszik ki. A kolloid szemeket elektromos felületi töltésük miatt, un. szolvátburok veszi körül. Ez az oka, hogy a koncentráció növelésével a viszkozitásuk gyorsabban nő, mint a sűrűségük. A sűrűség növelésére ezért nehezítő anyagot, barit ill. hematit őrleményt adnak a fúróiszaphoz. A fúróiszapok tixotróp tulajdonságúak.


25


Alacsony pH, vagy magas sótartalmú víz a kolloid szemek koagulációját indítja meg, ekkor a fúróiszap elveszti stabilitását. A fúróiszap szivattyúzására dugattyús szivattyúk használhatóak, hiszen a fúrás során, akár jelentős mélységeket elérve, változó nyomás mellett változó mennyiségű iszap szállítását kell megoldani.


26


3.2.2.5. Hidraulikus szállítás nyomásveszteségének számítása vízszintes csőben A szilárd anyagok csővezetékben történő hidraulikus szállítása esetén a szállított keverék csővezetékben történő súrlódása miatt fellépő nyomásveszteség az egyik legfontosabb méretezési alapadat. A mérnöki gyakorlatban elterjedt módszer, mivel a szuszpenziók áramlási tulajdonságait jelentősen befolyásolják az azt alkotó szilárd, folyadék és egyéb adalékok tulajdonságai, hogy a fajlagos nyomásveszteség értéket nagy biztonsággal, a szuszpenzió félüzemi körülmények közötti vizsgálatával célszerű meghatározni. Mivel ez a terület nagy jelentősséggel bír az ipari alkalmazások terén,

igen

nagyszámú

szakirodalmi

adatot

találunk

folyadékok

és

szuszpenziók

nyomásveszteségének számítására vonatkozóan. A homogén és heterogén keverékáramlás elméletek általánosan elfogadottak a szakma képviselői között. Ez az osztályba sorolás az áramlás során a cső függőleges keresztmetszete mentén kialakuló szilárd szemcsék koncentrációeloszlásán alapul. Ha a szilárd részt főleg durva, nagyjából azonos szemcsemérettel jellemezhető (monodiszperz) szűk frakció alkotja, a kialakuló áramlás homogén, amennyiben az áramlás sebessége meghaladja egy határsebesség (V1) értékét. Ennél kisebb áramlási sebesség esetén a keverékáramlás heterogén. Azonban, ha szilárd szemek nagyrészt finom monodiszperz szemcsékből állnak, a kialakuló keverékáramlás teljesen különböző. Az 1. ábrán a finom szemekből álló keverék nyomásveszteség görbéjét megvizsgálva látható, hogy az alakja megegyezik a tiszta víz nyomásveszteség görbéjével, bár meredeksége nagyobb annál, ami a nagyobb viszkozitás értékekkel, illetve az általában 20% - nál nagyobb szilárd koncentráció esetén bekövetkező reológiai tulajdonságok megváltozásával magyarázható. Az 1. ábra alapján belátható, hogy kellően nagy áramlási sebességek mellett mind a durva, mind a finom szemeket tartalmazó keverékek esetén szimmetrikus a szemcsék függőleges koncentrációeloszlása, azonban ezek az áramlások jellegüket tekintve, alapvetően különböznek.


27


∆p [Pa] 1

2 3

1

v1

v [m/s]

1. ábra: Tipikus nyomásveszteség görbék. 1- víz, 2- finom szuszpenzió áramlás, 3- durva keverékáramlás (Faitli, Gombkötő, 2005) A finom szemeket tartalmazó keverékek esetén a nyomásveszteség jelentősen megnő ebben a tartományban, míg a durva szemcséket tartalmazó keverék nyomásvesztesége alig nagyobb, mint a tiszta víz nyomásvesztesége. Tarján és Faitli (Faitli, 1998) megvizsgálták a durva és finom szilárd alkotókat tartalmazó keverékeket, és megállapították, hogy minden anyagra meghatározható egy olyan szemcseméret mely alatt a finom keverékekre jellemző keverékáramlás, míg a fölött a durva keverékekre jellemző áramlás alakul ki. Ezeket rendre finom szuszpenzió (1. ábra, 2. görbe) és durva keverékáramlásoknak (1. ábra, 3. görbe) nevezik. Durva szemekből álló szuszpenzió szállításához Wilson és Judge (Wilson és Judge, 1984) szerint energetikai szempontból ideális a nyomásveszteség minimumpontja körüli szállítási sebesség használata, annak ellenére, hogy további csekély sebességcsökkenés hatására a dugulás könnyen bekövetkezhet


28


3.2.2.5.1. Nyomásveszteség számítása finom szuszpenzió áramlása esetén Finom szuszpenzió áramlása esetén, a szuszpenziót, mint kvázi homogén folyadékot írhatjuk le, melynek saját sűrűsége és reológiai tulajdonságai vannak. A folyadékok reológiai tulajdonságait leíró modellek közül a Newton - féle súrlódási törvény igen nagy számú folyadék jellemzésére elégséges. E szerint lamináris áramlásban az áramvonalakkal párhuzamos rétegekben keletkező súrlódási feszültségek (τ) és a deformáció sebesség (du/dr) közötti arányossági tényező a µ dinamikai viszkozitás, mely a nyomástól és hőmérséklettől függő anyagjellemző (Tarján, 1997).

 du    dr 

τ = µ −

Azokat a folyadékokat, amelyekre a fenti egyenlet érvényes, newtoni folyadékoknak nevezzük. Sok esetben szilárd – víz keverékek, híg szuszpenziók is newtoni folyadékként viselkednek. Mivel ezekben a rendszerekben a szilárd szemcsék is súrlódással mozognak, dinamikus viszkozitásuk megváltozik. A viszkozitás változását a koncentráció függvényében Einstein (Wasp et al, 1977) írta le először, nagyméretű, merev, gömb alakú és kis koncentrációjú szilárd szemek esetére, ahol a szilárd szemek ütközése kizárt (cV<=0,01). A viszkozitás ekkor az alábbi összefüggéssel közelíthető:

µ = µ 0 (1 + 2,5cV ) Nagyobb koncentrációk esetén, ahol a szemek ütközhetnek is, az alábbi összefüggés használható (Tarján, 1997):

µ = µ 0 (1 + K1cV + K 2 cV2 + K 3 cv3 + ....) Előfordul igen sok olyan folyadék, vagy szuszpenzió, mely nem irható le a newton - féle folyadéksúrlódási törvénnyel. Ezek az un. nem-newtoni folyadékok. Ezek közül azokat, amelyek reológia tulajdonságai az időben állandóak, időtől független nem-Newtoni folyadékok. Ezen folyadékok egyik típusát alkotják a Bingham - plasztikus folyadékok, melyek folyása, csak egy meghatározott τ0 határfeszültség átlépése után indul meg. A Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszékén elvégzett „Erőműi salak pernye keverékek hidraulikus szállítási vizsgálata” című kutatási munka eredményei azt mutatták, hogy 20% térfogati koncentráció felett a pernye víz szuszpenzió


29


Bingham – plasztikus folyási tulajdonságokkal írható le. A mérés felső koncentráció határa 35% volt (Tarján és társai, 1996). Ezen folyadékok folyási tulajdonságait a

 du    dr 

τ = τ 0 +η −

összefüggéssel írhatjuk le. Sok nem-newtoni folyadék, vagy kvázi homogén folyadék, szuszpenzió nem rendelkezik folyási határfeszültséggel, azonban folyási görbéje nem egyenes. Ekkor a folyási tulajdonságait az alábbi kétparaméteres összefüggéssel lehet felírni:

 du  τ = K−   dr 

n

A K konzisztencia tényező minél nagyobb, annál viszkózusabb a folyadék. Ha az n folyási index, n<1, akkor a nyírási sebesség növekedésével nő a folyékonyság. Ezek az un. pszeudoplasztikus folyadékok. Faitli finom homok – víz szuszpenziókat vizsgálva azt találta, hogy 30% térfogati koncentráció felett a szuszpenzió pszeudoplasztikus viselkedést mutatott (Faitli, 1996) Ha n>1, akkor a nyírási sebesség növekedésével a folyékonyság csökken, dilatáló folyadékokról beszélünk. Vannak olyan esetek, amikor pszeudoplasztikus folyadékok folyási határfeszültséggel rendelkeznek, folyási tulajdonságaik így 3 paraméter segítségével írhatóak le:

 du    dr 

n

τ = τ 0 + K−

Ezek az un. reálplasztikus folyadékok. Az időtől is függő reológiai tulajdonságú folyadékok esetén a nyírófeszültség a nyírás időtartamának is függvénye. Tixotróp folyadékokról beszélünk - ilyen a mélyfúrási fúróiszap is - ha folyamatos, állandó nyíró igénybevétel hatására a nyírófeszültség időben csökken. Ha a nyírófeszültség időben nő, állandó nyíró igénybevétel hatására, akkor reopektikus folyadékokról beszélünk. Az időtől is függő folyási viselkedés általában reverzibilis, a nyíró igénybevétel megszűnése után, az eredeti folyási viselkedés visszaáll (Tarján, 1997) Azokat a folyadékokat, melyek viszkózus tulajdonságaik mellett rugalmas sajátságokkal is rendelkeznek, viszkó - elasztikus folyadékoknak nevezzük.


30


Newtoni és idő független nem-newtoni folyadékok nyomásveszteségét időben állandó áramlás esetén a Darcy – Weisbach (Govier, Aziz, 1972) összefüggéssel számíthatjuk.

v2ρ ∆p = 2 f D Ebből az egyenletből a nyomásveszteség számítható kvázi homogén folyadékok esetén, azonban az „f” Fanning - féle súrlódási tényezőt meg kell határozni. Ennek meghatározása eltérő lamináris és turbulens áramlási esetben. Newtoni folyadékok lamináris áramlása esetén

f =

16 Re

ahol

Re =

vDρ

µ

A lamináris turbulens átmenet is a Re szám alapján adható meg, szakirodalmi adatok alapján Re=2300 körül következik be (Bobok, 1987). Turbulens áramlás esetén a Colebrook összefüggés használható (Govier, Aziz, 1972).

  1 D D  = 4 log + 3,48 − 4 log1 + 9,35  f 2k 2k Re f   Bingham - plasztikus folyadékok esetén a Buckhingam egyenlet használható lamináris áramlás esetén a nyomásveszteség számítására:

4 D∆p  8v   4τ 0 1  τ 0   +    = η   1 − 4L  D   3τ w 3  τ w  

−1

A Buckhingam egyenlet átalakítható a Bingham - plasztikus Reynolds - szám (ReB) és a Hedström szám (He) segítségével:

1 f He He 4 = − + Re B 16 6 Re 2B 3 f 4 Re 8B


31


ahol:

Re B =

és

He =

vDρ

η

D 2τ 0 ρ

η2

A lamináris – turbulens átmenet a Bingham - pasztikus Reynolds-szám kritikus értékének meghatározásával számolható, Hanks után (Govier, Aziz, 1972):

(Re B )C

=

4 1 He (1 − xoc + xoc4 8 xoc 3 3

,

ahol ”xoc” dimenzió nélküli nyírófeszültség az átmenetkor

xoc He = (1 − xoc ) 16800 Turbulens tartományban Bingham plasztikus folyadékok esetén, sima falú csőben történő áramláskor a Torrance összefüggés jól használható (Govier, Aziz, 1972):

(

1 = 4,53 log(1 − x0 ) + 4,53 log Re B f

)

f − 2,3

,ahol

x0 =

τ0 τw

Érdes falú cső esetén a Fanning - tényező a:

1 D = 4,07 log + 3,36 2k f Egyenlet alapján számítható (Faitli, 1996) Pszeudoplasztikus és dilatáló folyadékok lamináris áramlása esetén a Fanning tényező a pszeudoplasztikus Reynolds - szám (RePL) függvénye, ahol a pszeudoplasztikus Reynolds - szám, ugyanúgy,


32


ahogy a Bingham plasztikus Reynolds - szám sem, nem valódi Reynolds - szám, hiszen nem a tehetetlenségi és nyíró erők hányadosa.

f =

16 Re PL n

n

 n   D  2− n 1 Re Pl = 8    v ρ K  1 + 3n   2 

ahol

A lamináris - turbulens átmenet meghatározásához a pszeudoplasztikus Reynolds - szám (RePL) kritikus értékének kiszámításával juthatunk, melyet a Ryan and Johnson egyenlettel (Govier, Aziz, 1972) az alábbi formába kapunk:

(Re Pl )c

6464n

=

2+ n

1+ n (1 + 3n )  1  2 + n 2

Turbulens áramlás esetén a Fanning tényező Dodge és Metzner képlete alapján számítható, ha a pszeudoplasztikus Reynolds - szám (RePL) értéke nem haladja meg a 20000 értéket. E fölött Clapp összefüggése használható (Govier, Aziz, 1972; Faitli, 1996)

1 f

=

4 n

0 , 75

 log Re PL f 

2−n n

 0,4  − 1, 2  n 

n 2,69 4,53  1  2 + 6n  = − 2,95 + log Re Pl n   f n n 8  n  f 

1

, Dodge, Metzner

2− n n

 0,68 (5n − 8) ,Clapp + n 

Pszeudoplasztikus folyadék, érdes falú csőben megvalósuló turbulens áramláskor Torrance összefüggése alkalmazható, (Torrance, 1963)

1 f

=

4,07 D 2,65 log +6− n 2K n


33


Illetve a teljesen sima és a teljesen érdes csőfal közötti átmeneti tartományban turbulens áramlás esetén a Fanning – tényező számítására Bobok interpolációs összefüggése használható. (Bobok, 2003) β −   1 10 2 k   = −2 lg +  *1n 2−n 3,715 D  f 2n  Re λ 

Az összefüggésben Re* a módosított Metzner – Reed Reynolds – szám.

Re* =

c 2− n D n ρ

1

K  6n + 2    8 n 

n

 0,707  4015 + 2,121 − − 1,057 n  n 

β = 1,511n 

, és

Reálplasztikus folyadékok lamináris áramlása esetén a nyomásveszteség a Hersel and Bulkley, 3 paraméteres anyagegyenlet integrálása után kapott jól ismert összefüggés alapján számítható (Govier, Aziz, 1972):

8v = D

4 1 n

1+ n n

(τ w − τ 0 )

K τ w3

   (τ w − τ 0 )2 2τ 0 (τ w − τ 0 ) τ 02  + +   1 + 2n 1+ n   1 + 3n n n n  

(

)

A Fanning tényezőt az alábbi összefüggésből kapjuk:

f =

16 ψ Re PL

ahol

ψ = (1 + 3n ) (1 − x0 ) n

1+ n

 (1 − x0 )2 2 x0 (1 − x0 ) x02  + +  , 1 + 2n 1 + n   1 + 3n

és

 n  Re Pl = 2 Hem    1 + 3n 

2

ψ   x0

  

2−n n


34


A folyási index figyelembe vételéhez a módosított Hedström - szám: 2

D2ρ τ 0  m Hem =   τ0  K  Reálplasztikus folyadékok sima falú csőben történő áramlására, és a lamináris turbulens átmenet meghatározására Hanks (Hanks, 1978) a Prandtl - Van Driest keveredési úthossz elmélet módosításával egy komplett módszert dolgozott ki. Hanks módszerének használatát az alábbiakban ismertetem: 1. lépés: n, τ0, K és D meghatározása 2. lépés: 2

Módosított Hedström - szám meghatározása:

D2ρ τ 0  m = Hem   τ0  K 

3. lépés 2+ n   x0C 3232 (2 + n ) 1+ n  Hen = 1+ n  n  (1 − x0C ) 

xOC meghatározása:

2−n n

 1   1 − x0C

  

n

4. lépés

(Re PL )C

=

6464n

(1 + 3n )

2+ n

(2 + n ) 1+ n n

 (1 − x0C )2 2 x 0C (1 − x 0C ) x 02C  + +   1 + 2n 1 + n   1 + 3n

2−n

(1 − x0C )n

és

fc =

ψ = (1 + 3n ) (1 − x0 ) n

1+ n

16 ψ Re PL

,ahol

 (1 − x0 )2 2 x0 (1 − x0 ) x02  + +   1 + 2n 1 + n   1 + 3n

5. lépés Meghatározni az adott átmérőjű csőhöz tartozó átmeneti áramlási sebességet (vC). Ha a tervezett sebesség ennél, kisebb, az áramlás lamináris lesz, a fentebb említett számítási módszer szerint kell NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

35


eljárni. Ha a tervezett áramlási sebesség nagyobb, az áramlás turbulens, a 6. lépés következik. A „vC” meghatározásához a következő képlet használható:

(Re Pl )C

n

n

1  n  D 2− n = 8    vC ρ K  1 + 3n   2 

6. lépés 1

2−n n    1 + 3n    f  n  Re R=   PL   n   16    

ahol

RePl = (RePL)C,

és

f=fC

7. lépés Ki kell választani néhány R>RC értéket az iterációs számításokhoz 8.lépés Az adott R értékhez ki kell számítani x0 értékét a következő összefüggéssel:

R2 =

2 Hen x

2− n n 0

9. lépés Numerikus integrálási módszerekkel meg kell határozni a következő integrál értékét:

Re PL = (1 − x0 )

2−n n

n 1   n  2 2   R  ∫ x ζ (x, x0, R )dζ   1 + 3n   x0 

2−n

10. lépés Az előző számításból RePL értékét meg kell határozni 11. lépés F értékét meg kell határozni:

f =

16 ψ Re PL


36


12. lépés A 8-11 lépést ismételni, míg minden a 7. lépésben választott „R” értékre meg nem kapjuk az f -> RePL függvényt egy adott n és Hem értékhez. Ezt a görbesereget azután felhasználhatjuk, hogy az f Fanning tényezőt meghatározzuk. Érdes csővezetékben történő turbulens áramláskor Govier szerint (Govier, Aziz, 1972) reálplasztikus folyadékok esetén is használható a pszeudoplasztikus folyadékoknál ismertetett Torrance egyenlet. A fent ismertetett Hanks algoritmus alapján, Faitli (Faitli, 1996) a Rheology 1.0 szoftverbe egy olyan megoldást kódolt, amely segítségével adott szuszpenziós sebességhez közvetlenül kiszámítható a súrlódási tényező, azaz a nyomásveszteség. A numerikus megoldás lényege egy külső iterációs algoritmus, amely egy lépése az itt ismertetett 12. lépéses Hanks módszer. Ez az iterációs algoritmus nagyon bonyolult, azonban a megírt szoftver használata egyszerű, így a legbonyolultabb 3 paraméteres reálplasztikus folyási modell és az egy és két paraméteres (Newtoni, Binghamplasztikus, hatványfüggvénnyel jellemezhető) reológiai viselkedésű folyadékok esetén is jól használható.


37


3.2.2.5.2. Nyomásveszteség számítása durva keverékáramlás esetén Az irodalomban rengeteg szerző foglalkozik a durva keverékek csővezetéken történő szállítása közben fellépő áramlási nyomásveszteség számításával (Durand, Condolios, Worster, Brauer, Kazanskij, Babcock, Newitt, …). Feltételezve monodiszperz szilárd szemek jelenlétét, melyek elégséges áramlási sebesség nélkül egyenetlen eloszlással rendeződnek a csővezeték függőleges tengelye mentén. Bár általánosan használható összefüggés jelenleg nincs, mivel a rengetek kísérleti úton meghatározott egyenlet nehezen összehasonlítható az eltérő vizsgálati körülmények miatt, Faitli (Faitli, 1996) egy módosított Durand egyenletet javasol használatra és a heterogén áramlás nyomásveszteségének számítására szolgáló összefüggéseket Durand - típusú összefüggéseknek nevezi. 1.5   ρS   − 1 K  ρ w    ∆p = ∆p w 1 + CTD C E0.75   

 gD     v   

n

      

Módosított Durand egyenlet, heterogén keverékáramlások nyomásveszteségének meghatározására Faitli után (Faitli, 1996) Látszik, hogy a heterogén rendszerek nyomásveszteségének számításához szükség van a szuszpenzióban lévő szemek süllyedési végsebességére és az ellenállás-tényező meghatározására. Ezeknek a tényezőknek az ismerete fontos a polidiszperz keverékek nyomásveszteség számítási modelljei esetében is. Gravitációs erőtérben süllyedő gömb szemcse esetén, a szemcsére ható tömegerő, a felhajtó erő és az ellenállás egyensúlyi állapotában a szemcse mozgása stacionárius. Ez az un. süllyedési végsebesség (Tarján, 1997).

v0 =

4 gx ρ s − ρ f 3C E ρ f

A süllyedési végsebesség kiszámításához azonban ismerni kell az ellenállás – tényezőt, amely a szemcse súrlódásos körüláramlása miatt ható ellenállást veszi figyelembe a fenti összefüggésben. Ennek leírására számos ellenállás törvényt írtak fel, amelyek csak pontosan figyelembe vett feltételekkel érvényesek. (Tarján, 1997) Egyenes vonalú stacionárius áramlást, lamináris vagy NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

38


gyengén turbulens körüláramlást, geometriailag hasonló részecskéket, rögzített áramképet, newtoni és inkompreszibilis folyadékot feltételezve az ellenállás - tényező a szemcse körüláramlására jellemző Reynolds – számtól függ (Rex).

Re x =

xve ρ

µ

A Reynolds – számtól függően a következőképpen alakul az ellenállás tényező tartomány

Ellenállás - tényező

10-4 < Rex < 0,2

CE = 24/Rex

0,2 < Rex <500 – 1000

CE =(24/Rex)+(3/Rex0,5)+0,34 ,Fair, Geyer és Okun CE =(24/Rex)+(4/Rex0,5)+0,4

500 – 1000 < Rex < 2x10-5

CE=~ 0,44

2x10-5 < Rex

CE=~ 0,1

, Kaskas

3.2.2.5.3. Nyomásveszteség számítása polidiszperz keverékek áramlásakor A mérnöki gyakorlatban igen ritkán találkozunk olyan keverékekkel, amelyek monodiszperz rendszerek, vagy olyan szűk szemcseméret frakcióval rendelkeznek, amelyek jól közelíthetőek a monodiszperz modellekkel. Ilyen keverékek nyomásveszteségének meghatározására, félüzemi kísérletek során meghatározott nyomásveszteség értékekre van szükség a biztonságos tervezéshez.

Léteznek

azonban

elképzelések

és

modellek,

polidiszperz

rendszerek

nyomásveszteségének becslésére. Wasp és szerzőtársai (Wasp et al., 1977) egy olyan modellt dolgoztak ki, amely szén víz keverékek, nagyátmérőjű csővezetéken történő szállítási kísérletek mérési eredményein alapulnak. Az elképzelésük szerint, mikor a szilárd – víz keveréket alkotó szilárd rész szemcseméret eloszlása széles tartományt ölel fel, a keverék áramlásakor homogén és heterogén keverékáramlás egyaránt fellép. A homogén részt alkotó un. „hordozót” a következőképpen definiálja. Egy adott szállítási sebesség mellett, a szilárd szemek valamilyen mértékben ülepednek. Az így kialakult elrendeződés szerint, a cső legfelső részén (0,08 D) található szemek azonos méretben és azonos arányban a


39


teljes csőkeresztmetszet mentén jelen vannak, ezért ezek a szemek homogén módón áramolnak. Ezek nyomásvesztesége a következő módón számítható:

v 2 ρ1 ∆p1 = 2 f 1 D A Fanning tényezőt a jól ismert Colebrook összefüggés alapján számíthatjuk. Ehhez a dinamikus viszkozitás és szuszpenzió sűrűség értékeket a következőképpen közelíthetjük:

ρ1 = cV 1 ρ s + (1 − cV 1 )ρ k és

µ1 = µ k (1 + 2,5cV 1 ) A heterogén módón áramló rész nyomásveszteségének kiszámításához Durand által javasolt eredeti összefüggés használható:

i − if cV i f

 gD( S − 1)  = K 2   v C E 

1, 5

,i=

∆p ρg

A nyomásveszteség így: az egyes szemcseméret frakciókra: 1, 5

 gD( S − 1)  ∆p 2i = 82∆p f   cV 2i C v2 

−3 4

E

Ekkor

∆p 2 = ∑ ∆p 2i

,és ∆p = ∆p1 + ∆p 2

A modellel kapcsolatban Faitli kifejtette (Faitli, 1996), hogy durva szemű monodiszperz keveréknél, ahol a sebesség elég nagy, kvázi homogén eloszlású keverékáramlás jön létre. Ezeknél a keverékáramlásoknál, nagy szállítási sebességek mellett a nyomásveszteség görbe a tiszta víz nyomásveszteség görbéjéhez tart és Durand típusú egyenlettel számolható. A Wasp és szerzőtársai alapján felállított modell szerint viszont, ebben az esetben az összes durva szemcse a hordozó NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

40


fázisba kerül, homogén szuszpenziót alkotva, melynek nyomásveszteségét a newtoni folyadékokra jellemző módón számítja, mely mindenképpen hibás megközelítés. Tarján és Debreczeni (Tarján, Debreczeni, 1989) egy monodiszperz szemcsékből álló keverékek áramlására, mind finom, mind durva keverékek, valamint az azok közötti átmeneti tartományban érvényes modellt alkottak. A felállított modell akkor alkalmazható, ha a hidraulikus szállítás közben csúszó-ágyas szállítás nem alakul ki.

 ρ − ρk 1 ∆p = ∆p f ϑ (d ) 1 + cV s ρ k Fr n ( d ) 

 K0 1 +  C (d ) 0, 75 E 

ρs − ρk ρk

   

A ϑ(d), n(d) és CE(d) a szemcseméret függvényei. Kis méretű szemek esetében az egyenlet a Darcy - Weisbach egyenletté fajul, míg nagyméretű szemek esetén viszont egy Durand egyenlethez hasonló egyenletté alakul. Polidiszperz rendszerek esetén a modell a következőképpen alakul:

 ρ − ρ k 1  K 1 + 00,75 ∆p = ∆p1 1 + cV s 3  ρ k Fr  C E 

ρs − ρk ρk

  k c    

,ahol

v2 ρ1 ∆p1 = 2 f 1 D kc korrekciós tényező bevezetése szükséges, mivel a növekvő szilárdanyag koncentráció függvényében a nyomásveszteség nem lineárisan növekszik. Ezért:

 c k c = 1 + 2,7 v  cv max

  

4

A modell használatához a K0 konstanst, az ellenállás tényezőt, A Froude szám kitevőjét és a Fanning féle tényezőt, félüzemi kísérletekkel kell meghatározni. Faitli rámutatott (Faitli, 1996) hogy finom monodiszperz szemek esetén a javasolt modell a Darcy – Weisbach összefüggéssé fajul, ez a szerepe a ϑ(d) változónak, azonban szerinte, ha a folyási viselkedés a koncentráció függvényében változik, a ϑ változónak a koncentrációtól is függenie NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

41


kellene. További megjegyzése, hogy a durva szemeket azok súlyozott átlagával veszi figyelembe, és az erre eső nyomásveszteséget, Durand jellegű összefüggéssel számítja. Ez a módszer jelentős hibát hordoz magában, ha a durva rész szemcseméret eloszlása nem szűk és átmeneti tartományhoz is tartozó szemcsék is találhatóak benne. Tarján és Faitli későbbi munkáikban (Faitli, Tarján; 1998) úgy fejlesztették tovább és részben egyszerűsítették a polidiszperz keverékekre vonatkozó nyomásveszteség számítási modelljüket, hogy alapvetően két részre kell a szemcsés halmazt bontani. A határszemcseméretnél kisebb szemcsék a hordozó folyadékkal önálló szuszpenziót, a finom szuszpenziót képezik, amely nyomásveszteségét a szemcseméreteloszlás függvény alapján meghatározott finom frakció koncentrációjának ismeretében, a finom szuszpenzió reológiai viselkedése alapján számítják. A durva frakció által okozott mechanikai súrlódás jellegű veszteséget egy jellemző szemcseméret (X80) paraméterei és a durva frakció koncentrációja alapján a módosított Durand egyenlettel számítják, amelyben az anyagi paramétereket méréssel kell meghatározni. A modell segítéségével korábban számos mérést végeztek az ME Eljárástechnikai Tanszéken híg és sűrű zagyos szilárd – folyadék keverékek

csővezetékben

történő

áramlásának

vizsgálatára,

amely

alapján

hidraulikus

szállítóberendezéseket méreteztek többek között Indiában, az USA-ban és Magyarországon. A kialakult mérési módszer szerint a mintaanyagot a határszemcseméretnél kell elválasztani, a finom frakcióval reológiai méréseket kell végezni, ill. amennyiben szükséges a Durand egyenlet paramétereit pedig hidraulikus mérőkörön kell meghatározni. A modell alkalmazását a következő példán szemléltetem: 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

1/a. ábra: durva keverék a finom szuszpenzióban (Tarján, Faitli, 1998) 1.-Víz nyomásvesztesége, 2. A határszemcseméretnél kisebb szemcséket tartalmazó finom szuszpenzió ∆p görbéje, 3. A finom szuszpenzió által szállított durva szemek mechanikai jellegű vesztesége. Mért pontok. A szilárd víz keverékek csővezetékben történő szállításának nyomásveszteség számítására, abban a speciális esetben, amikor a szilárd szemek egy része a folyadékban szuszpendálva, egy másik NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

42


része viszont a cső alján csúszva, un. csúszó ágyban mozog, Wilson (Wilson, 1974) bevezette, az un. „két réteg” modellt (Two-layer). A „két réteg” modell a szemcsékre ható erők egyensúlyán alapul. Stacionárius áramlás során a hajtó és az ellenálló erők nagyságának egyenlőnek kell lenni. A felső, áramló réteg hajtóereje, a felületre vett nyomásgradiensből áll, az ellenálló erő pedig az áramló közeg nyírófeszültsége a cső falán, valamint az alsó csúszóágyat képező szemcsék felületén. Az alsó réteg hajtóereje a felső réteg súrlódásából adódó ellentétes előjelű nyírás, míg fékező hatást a csúszó ágyban lévő folyadék nyírófeszültsége az alsó határrétegben és a szilárd szemek mechanikai súrlódásának összege adja. A modellt sok szerző feldolgozta (Shook és szerzőtársai, 1990; Lazarus, Sive, 1986; Streat, 1986). Shook és társai által megalkotott modell hibája, hogy a csúszóágy teljes megszűnéséhez végtelen nagy sebességre van szükség. Lazarus és Sive modellje a nagy sebességű áramlások esetén lényegesen nagyobb értékeket becsül a nyomásveszteség értékére, mint más modellek. (Faitli, 1996)


43


4. A kísérleti rendszer A harmadik fejezet alapján tudhatjuk, hogy a meddőzagy kezelésbe vont meddő anyagok fizikai, kémiai és fizikai - kémiai tulajdonságainak hatása a technológiai rendszerre igen összetett egészet képeznek. Ismerté vált, hogy az anyagtulajdonságok, amelyek a „paszta” állapotú keverékekre jellemzőek, átmenetet képeznek a reológia, talajmechanika és a kolloid rendszereket leíró tudományok között. Ebben a fejezetben elsődleges célom, hogy ismertessem az általam használt mérési módszereket.

4.1. Szemcseméret eloszlás vizsgálata A felhasznált minták szemcseméreteloszlásának meghatározása, mint azt a 3. fejezetben bemutattam, mind reológiai, mind talajmechanikai szempontból meghatározó jelentőségűek, ezért ennek meghatározása kiemelten fontos. A szemcseméret eloszlásának meghatározását 200 mm átmérőjű szabványos laboratóriumi szitákkal végeztem a durva (x > 0,125 mm) tartományban nedves szitaelemzéssel. Az ennél finomabb anyagok esetén egy Fritsch gyártmányú Analysette 22 típusú lézeres szemcseméret elemző készülékkel határoztam meg a szemcseméret eloszlást. Azoknál az anyagoknál, amelyeknél fennállt a lehetősége, hogy a lézeres szemcseméret elemzés közben, a nedvesség hatására kötési folyamatok induljanak be és a szemek

agglomerálódjanak

(cement,

gipsz),

Nátrium

-

Pirofoszfáttal

kezeltem

a

szemcseelemző készülékben keringő vizet.

2. ábra: A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában található Fritsch gyártmányú Analysette 22 típusú lézeres szemcseméret elemző készülék


44


4.2. Sűrűség mérés A vizsgált mintaanyagok szemcsesűrűségének meghatározására az un. „piknométeres sűrűségmérés” módszerét használtam. A mérés nagyszerűsége abban rejlik, hogy mind a minta tömege, mind a térfogatának mérése tömegmérésen alapul, ezért mérése egyszerű, mégis pontosan kivitelezhető. A mérés során a következő tömegadatok mérése szükséges: •

m1=

az üres piknométer tömege,

•

m2=

piknométer és a benne elhelyezett, a piknométer térfogatának kb. 1/3-át kitöltő ömlesztett szilárd anyag tömege,

•

m3=

piknométer és a benne elhelyezett, a piknométer térfogatának kb. 1/3-át

kitöltő ömlesztett szilárd anyag tömege, valamint a fennmaradó térfogatot kitöltő folyékony közeg •

m4=közeggel töltött piknométer tömege,

•

ρk= közeg sűrűsége (denaturált szesz ρ= 832 kg/m3 , víz: ρ= 1000 kg/m3).

A fenti adatokból a vizsgált anyag szemcsesűrűsége a következőképpen számítható:

ρs =

m 2 − m1 ρk m4 − m3 + m2 − m1

4.3. Szuszpenziók folyási tulajdonságának mérése Folyadékok folyási tulajdonságainak meghatározására elterjedt eszközök a viszkoziméterek. Ezek legismertebb fajtái a rotációs viszkoziméterek és a kapilláris viszkoziméter. Szilárd szuszpenziók folyási tulajdonságainak mérésére azonban ezek az eszközök nem használhatóak, mivel pl. rotációs viszkoziméterek esetén, a mérés közben a gyűrű alakú térbe helyezett szuszpenzióból a szilárd részek kiülepednek, így nem a valós, adott koncentrációhoz tartozó értéket mérjük, hanem annál lényegesen kisebb koncentráció értékhez tartozó folyási paramétereket. Fontos, hogy a mérés során folyamatosan híguló szuszpenzió tulajdonságai a mérés során folyamatosan változnak, ezért ez is jelentős hibát okozhat a mérési eredmény kiértékelésénél. A kapilláris viszkoziméterek esetében a fő problémát a kapillárisok átmérője jelenti, melyekben, adott méretű szuszpenziót alkotó szilárd szemek esetén a szilárd szemek nem férnek be, vagy méretük összevethető a kapilláris átmérőjével. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

45


Szilárd víz keverékek folyási tulajdonságainak mérése csőviszkoziméterrel mérhető. A csőviszkoziméter,

ellentétben

a

kapilláris

viszkoziméterrel,

lényegesen

nagyobb

csőátmérőkkel kerül kialakításra, amely alkalmassá teszik a szilárd víz keverékek reológiájának mérésére. A csőviszkozimétert a Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszékén fejlesztették ki egy OTKA kutatás keretén belül (Faitli, 1996) Méréseimhez én is a csőviszkozimétert használtam. A csőviszkoziméter sematikus ábrája látszik a 3.ábrán. A csőviszkoziméterbe egy keverő tartály nyitott tetején adjuk fel az anyagot (min 30 liter, max. 160 liter). A keverő tartályra, a nagy tervezett koncentrációk miatt, a korábbi tanszéki mérési tapasztalatok alapján egy forgó keverő lapát lett felszerelve, amelyet egy hidraulikus motor hajtott. A keverő tartályból egy merev karakterisztikájú csigaszivattyú jutatta a szuszpenziót a mérő csövekbe. A merev karakterisztika miatt, adott fordulatszámon a szállított folyadékmennyiség állandó. A szivattyút hajtóművön keresztül egy frekvenciaváltóval táplált motor hajtja, így a szivattyú fordulatszáma, ezzel a szállított folyadék mennyisége szabályozható.

3. ábra: A csőviszkoziméter sematikus ábrája. (Faitli, Gombkötő, 2005) A mérő csőrendszer három darab sorba kötött, egyenként 6 m hosszú, különböző átmérőjű (16 mm, 21 mm és 27mm) cső, melyekre a csőátmérőből adódó, várható nyomásveszteség tartományba használható, Hottinger – Baldwin gyártmányú nyomáskülönbség mérő fejek voltak felszerelve. A nyomásmérő fejek által gyűjtött adatokat, AT-MIO-16-119 mérésadatgyűjtő kártya segítségével egy személyi számítógépbe továbbítva, az erre a célra fejlesztett NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

46


szoftver a mért adatokat elmentette. A szuszpenzió térfogatáramát a visszatérő ágon elhelyezett 10 literes tartály segítségével lehetett mérni, mielőtt visszaömlött volna a keverő tartályba. Egy szelep zárásával, a szuszpenzió nem a keverő tartályba, hanem alulról a mérő tartályba ömlött, feltöltve azt. Az ismert térfogatú tartály feltöltéséhez szükséges idő mérésével a térfogatáram közvetlenül mérhető volt. Ebből az egyes, különböző átmérőjű csőszakaszokhoz tartozó áramlási sebesség számítható. A szuszpenziót a mérés során állandó hőmérsékleten kell tartani. Mivel az áramoltatott zagy a súrlódás hatására felmelegszik, a csőviszkoziméter visszatérő ágán, egy duplafalú csővel kialakított hűtőköpeny található. A méréseket mindig tiszta víz, folyási tulajdonságainak mérésével kezdtem és a szilárd szemek

térfogati

koncentrációját

a

megfelelő

mennyiségű

száraz

szilárd

anyag

hozzáadásával növeltem rendre 10% osztásonként. (cV= 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5) A kívánt koncentrációt a szilárd anyag szemcsesűrűsége alapján számítottam ki, amelyet bekeverés után

a

keverőtartályba

visszaáramló

zagyból

mintát

véve

leellenőriztem.

Minden

koncentráció esetén több térfogat áram mellett végeztem a méréseket. Általában a 60 Hz tápfrekvenciához tartozó értékkel kezdtem és rendre csökkentettem a táp frekvenciát 10 Hzként (60, 50, 40, 30, 20 és 15 Hz), hogy a lamináris tartományba is legyenek mért pontjaim. Az egyes mérés sorozatok között, a frekvenciát 60 Hz-re állítottam, hogy megakadályozzam a szilárd szemek kiülepedését, vagy a cső eldugulását.

4.3.1. Folyási görbék meghatározása lamináris tartományban, csőviszkoziméterrel A csőviszkoziméterben mért adatok alapján, ha az áramlás lamináris volt a cső fala mellett kialakuló nyírási feszültség – nyírási sebességdiagramot, az un. pszeudó - nyírási diagrammot megkaphatjuk a következő összefüggések segítségével:

τw =

∆pD 4L

valamint

  8v   d  ln    8v 3 1  D   du   −  =  +  dr  w D  4 4 d  ∆pD       4 L    NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

47


A fal melletti nyírófeszültség és a pszeudó nyírási sebesség, eltérő csőátmérő esetén is egy görbére esnek, ha az áramlás lamináris. Turbulens tartományban, minden csőátmérőhöz eltérő görbe tartozik a pszeudo nyírási diagrammon. Newtoni folyadék esetén, a pszeudó nyírási diagram a lamináris tartományban egyenest adnak, melynek meredeksége megadja a folyadék viszkozitását. Turbulens tartományban newtoni folyadékok esetén a görbék exponenciálisak.(Tarján, 1997)

4.3.2. Folyási görbék meghatározása turbulens tartományban cső viszkoziméterrel Mivel a mérés nagy sűrűségű szilárd szemeket tartalmazó, néha nagy koncentrációjú zagyokkal történt, ahol a kiülepedés miatt nagy áramlási sebességeket kellett beállítani, szükség volt a csőviszkoziméteres adatok turbulens tartományba mért adatainak a feldolgozására is. Az adatfeldolgozás módszertanát Bobok, valamint Faitli után az alábbiakban foglaltam össze(Bobok, 2003; Faitli, 1996). Turbulens áramlás esetén, amikor a súrlódási tényező függ a Reynolds – számtól és a cső falának érdességétől, egy lamináris alapréteg akkor is jelen van az áramlásban, a csőfal mentén. Ekkor a momentum egyenlet a fal melletti nyíró feszültségre (Bobok, Navratil, 1991)

τw =

1 fρ k v 2 2

A fal melletti nyírási sebesség pedig:

fρ k v 2  du  −  = 2µ  dr  w

Newtoni folyadékok esetén

1 fρ k v 2 − τ 0  du  −  = 2 η  dr  w

 fρ v 2  du  −   =  k  dr  w  2 K

Bingham – plasztikus folyadékok esetén

1

n  

Pszeudoplasztikus és dilatáns folyadékok esetén

és NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

48


1

n 1 2 f v ρ τ − k 0    du  −  = 2  K  dr  w    

Reálplasztikus folyadékok esetén.

4.4. Hidraulikus szállítási vizsgálatok A hidraulikus zagyszállítási vizsgálatok célja az volt, hogy extrém nagy koncentrációjú zagyok csővezetékben történő szállítása esetén a nyomásveszteség milyen módszerrel közelíthető a legjobban. Ennek a fontossága abban rejlik, hogy az ipari gyakorlatban a szállítandó anyag adott körülmények közötti nyomásveszteségét, mint tervezési alapadatot minden esetben félüzemi mérésekkel határozzák meg. Egy egyszerűsített modell használatával a tervezés során jelentős költség takarítható meg. A hidraulikus zagyszállító kör megépítésével lehetőségem volt továbbá, mind a TAILSAFE projekt, mind egyéb Intézeti kutatási megbízások kapcsán különböző szivattyú típusok viselkedését megvizsgálni extrém nagy koncentrációjú zagyok szállítása esetén. Az általam tervezett hidraulikus kör kialakításának sematikus ábrája látható a 4. ábrán. A kialakítás során a cső viszkoziméter kialakításának tapasztalatait felhasználva, úgy terveztem, hogy különböző típusú szivattyúk, egyszerűen cserélhetőek legyenek. Kialakítása miatt, bizonyos feltételek mellett csőviszkoziméterként is használható kifejezetten nagy koncentrációjú tartományokban, ahol a rendszer nagyobb nyomáson üzemel. Nagy hátránya azonban a csőviszkoziméterrel szemben, hogy nagy mennyiségű anyag szükséges a mérésekhez, ezért nehezen beszerezhető minták mérése jelentős költség és idő többletet igényel.


49


4. ábra: A hidraulikus mérőkör sematikus ábrája Ahogy az 4. ábrán látszik, a mérőkör része egy 400 liter hasznos űrtartalmú, alsó felén kúpos keverőtartály. Az alsó kúpos rész dőlésszöge nagy, hogy elősegítse a nagy koncentráció tartományokban a zagy, szivattyú garatba csúszását. Az igényelt koncentráció eléréséhez itt is a szilárd anyag mennyiségét célszerű növelni a mérés során. A bekeverés megkönnyítésére, a csőviszkoziméteren elhelyezetthez hasonló, hidraulikus motorral meghajtott keverőlapát került beépítésre, melynek lapátjaira semmilyen kikönnyítés nem került. Kis koncentrációk esetén ezért a fordulatszámát leszabályoztuk, hogy elkerüljük a nem kívánatos örvénylést és tölcséreffektust, ami a levegő szivattyúba jutását eredményezte volna. Nagyobb koncentrációk mellett azonban a perforálatlan keverőlapát elősegítette a zagy garatba juttatását. A tartály alsó kifolyó garatjára a mérések során 3 különböző típusú szivattyú került beépítésre. Az egyik szivattyú egy Warman típusú forgólapátos zagyszivattyú volt. A használt típusnak a forgórésze és a ház belső fala gumibevonatot kapott. Ez a szivattyú látható a 5. és 6. ábrákon.


50


5. és 6. ábra: Warman típusú forgólapátos zagyszivattyú Méréseimhez felhasználtam egy Brit gyártmányú, MONO típusú csavar szivattyút, melynek merev karakterisztikája és nagyobb szállítómagassága volt. A Mono csavarszivattyú képes 15 m3/ óra térfogatáram biztosítására és szállítómagassága elérte a 15 bar-t.

7. ábra: Mono típusú csavarszivattyú A harmadik szivattyú egy Német gyártmányú ABEL típusú dugattyús membrán szivattyú volt, melyet szintén lehetőségem volt használni. Ez a szivattyú egy speciálisan kialakított zagyszivattyú volt, mely 11 m3 / óra térfogatáram és 15 bar szállítómagasság létrehozására volt képes merev karakterisztika mellett. A zagyszállítás során a koptató hatású zagy nem érintkezik közvetlenül a dugattyúval, vagy annak szigetelésével. A dugattyú egy speciális olaj víz emulzióban mozog, amely nyomásváltozását egy membrán közvetíti a szállítandó


51


folyadékra. A membrán nyomóterét a szállítóvezetéktől egy kb. 100 mm átmérőjű, gumibevonatú, golyós súlyszelep választotta el.

8a és 8b.. ábra: ABEL típusú dugattyús membránszivattyú A szivattyú nyomó oldalán a csővezetékbe egy duplaköpenyes csővezetékszakasz volt beépítve, hogy az áramló zagyot hűtse. A hűtőszakasz után egy indukciós áramlásmérő került beépítésre, mely a mért értéket egy mérésadatgyűjtő kártya segítségével egy személyi számítógépbe (PC) juttatta. Az indukciós áramlásmérőt közvetlenül két mérő csőszakasz követte sorba kötve. Az első csőszakasz 40 mm belső átmérőjű, 6 m hosszú csőszakasz, melyben a nyomásveszteség mérése szintén Hottinger – Baldwin nyomáskülönbség mérő egységekkel volt megoldva. A mért jel, itt is egy PC-be került. A második mérőszakasz szintén 6 méter hosszú, azonban a csőszakasz belső átmérője 50 mm volt. A csőszakasz két végén a nyomást közvetlenül mértem,

így

egyidejűleg

kaptam

információt

a

rendszer

ezen

pontján

uralkodó

nyomásviszonyokról, valamint a nyomásmérők által mért értékek különbségeként a nyomásveszteség értékéről is. A zagyszállító kör második mérőszakaszának tömegét is folyamatosan mértem. Ha az üres cső tömegét és térfogatát, a szállított szilárd anyag és víz sűrűségét ismerjük, a helyi térfogati koncentráció számolható. Mind a mérlegelt adatok, mind a direkt nyomásmérő által produkált jelek a számítógépre jutottak.


52


A mérőszakaszok után a sorban egy speciális mintavevő fej került beépítésre. A mintavevő úgy lett kialakítva, hogy a csővezeték alsó és felső feléből, egymástól függetlenül lehetett mintát venni, ezért gyorsan megállapítható volt, hogy a szállított keverék ülepszik e vagy sem. Ezután a keverék visszaáramlott a keverőtartályba. A mérésadatgyűjtő számítógépen futó programot Faitli József egyetemi docens írta. A méréseket mindig tiszta víz hidraulikus szállításának mérésével kezdtem és a szemcsék térfogati koncentrációját a megfelelő mennyiségű száraz szilárd anyag hozzáadásával növeltem rendre 10% osztásonként. (cV= 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5) A kívánt koncentrációt a szilárd anyag testsűrűsége alapján számítottam ki, amelyet

1

6 2 5 3 7

4

9.ábra: A hidraulikus szállítókör fotója


53


bekeverés után a keverőtartályba visszaáramló zagyból mintát véve, illetve a mérlegelt csőszakasz adataiból a kezelőszoftver interfészén leellenőriztem. Minden koncentráció esetén több térfogatáram mellett végeztem a méréseket. Általában a 60 Hz tápfrekvenciához tartozó értékkel kezdtem és rendre csökkentettem a táp frekvenciát 10 Hz-ként (60, 50, 40, 30, 20 és 15 Hz), hogy a lamináris tartományba is legyenek mért pontjaim. A forgólapátos szivattyú esetén a térfogatáramokat az indukciós áramlásmérő adataival szinkronban állítottam be. Az egyes méréssorozatok között, a frekvenciát 60 Hz-re állítottam, hogy megakadályozzam a szilárd szemek kiülepedését, vagy a cső eldugulását.

4.5. Roskadási un. „Slump Cone” teszt A Slump cone test (roskadási kúp teszt) egy a szakirodalomban, széles körben javasolt és publikált módszer, szilárd víz keverékek, paszták nyírószilárdságának becslésére. A módszer eredetileg egy betonok konzisztenciájának meghatározására szolgáló ASTM szabvány implementálása a meddőanyagok kezelésmódszertana közé. A mérést egy szabványos, 305 mm magas, belül üreges csonka kúppal és a hozzá tartozó, merev vonalzóval végezzük. A méréskor, a kúpot megtöltjük a mérendő anyaggal, majd a kúpot hirtelen eltávolítjuk a keverékről. Ekkor az anyaghalmaz szétterül. Az így kialakult kúp magasságát mérjük, és ez az érték lesz a teszttel kapott eredmény értéke. Mivel a szakirodalom erősen hivatkozik a módszerre, én magam is megvizsgáltam az általam feldolgozott anyagok roskadását különböző koncentrációk mellett. A méréseket mindig nagy koncentrációkkal kezdtem és víz hozzáadásával csökkentettem a vizsgált minta szilárd anyagának térfogati koncentrációját.

10.ábra: A szabványos ASTM kúp és mellette a mérés közben roskadt anyag


54


4.6. Folyási határ meghatározása Ha egy talajhoz, vagy szemcsék halmazához sok vizet keverünk, akkor elérünk egy olyan állapotot, amikor a halmazban, a szemcsék közti összetartó erők megszűnnek. Mivel nincs kohézió, a nedves szilárd halmaz úgy viselkedik, mint egy viszkózus folyadék. Az a víztartalom, ahol ez bekövetkezik, folyási határnak nevezzük. Megállapodás szerint folyási határ meghatározására az S. A. Cassagrande által javasolt módszer használatos. (Kézdi, 1952) A berendezés, egy kerek, gömbszelet alakú, mozgathatóan felszerelt réz csészéből áll, amely egy tengely forgatásának útján 1cm magasságból keménygumi aljzatra ejtegethető. A vizsgálatra kerülő anyagból el kell távolítani a 2 mm-nél nagyobb szemcséket. Az így előkészített anyagot vízzel egyenletesen elkeverjük, míg víztartalma valamennyire a folyási határ alatt van. Ekkor kb. 50 – 100 g anyagot 12 mm vastagságban a csészébe helyezünk. A speciális, erre a célra kialakított spatulával, a csészének a tengelyére merőleges átmérője irányában egy trapéz alakú barázdát húzzunk 4 cm hosszúságban. Ezután a csészét a tengely forgatásával másodpercenként kétszer 1 cm magasságról ejtegetjük, míg az elválasztott talajszélek 12 mm hosszan össze nem érnek. Feljegyezzük az ütések számát és megmérjük a csészében lévő anyag víztartalmát. A mérést néhány víztartalom mellet megismételve, az összetartozó adatpárokat ábrázolhatjuk, úgy, hogy az ütések számát logaritmikus skálára vesszük. Ekkor a folyási görbe egyenessé fajul. A 25 ütésszámhoz tartozó víztartalom leolvasható, mely definíció szerint a folyási határ F% (Kézdi, 1952)

11.ábra: Cassagrande készülék (internet)


55


5. Mérési eredmények 5.1. A vizsgálatokhoz felhasznált anyagok ismertetése A vizsgálatok elvégzéséhez felhasznált anyagok ismertetése nagyon fontos fejezete ennek a dolgozatnak. A kutatási téma evolúciója, ahogyan egyre újabb és újabb kérdések merültek fel, szükségessé tette az egyre nagyobb számú mintaanyag bevonását a vizsgálatokba. Vizsgálataimhoz a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumába, különböző kutatási célokkal beérkező anyagokat használtam. Éppen ezért a minták származási helyüket, a mintavételek időpontjait és összetételüket tekintve jelentős inhomogenitást mutatnak. Ennek megfelelően a mintaanyagokat magam is különböző célokkal használtam fel. A mintaanyagok kiválasztásánál figyelembe vettem azt, hogy a folyamatok leírásához és megismeréséhez modell és reális anyagok mérési eredményeinek

összehasonlítására

van

szükség,

valamint

a

dolgozat

témájának

megfelelően elsősorban, de nem kizárólagosan hazai forrásokból származó anyagokkal dolgozzak.

5.1.1. Mátrai erőműi pernye A felhasznált minta a Mátrai Erőmű ZRt. kazánjaiból, elsősorban salak, ECO és Ljungström pernye keveréke volt, amely a Mátrai Erőmű gyakorlatában csővezetéken, sűrűzagyos technológiával hidraulikusan kerül kiszállításra a jelenleg is működő Őzse – völgyi tározóba (Dvortel Gusztáv értekezés 2003). Az erőműi pernye zagyszállítási és felszínalatti bányaüregek tömedékelésével kapcsolatos feladatok elvégzése miatt került az Intézet laboratóriumába, éppen ezért vizsgálataimba történő bevonása reológiai és anyag vizsgálatok elvégzésére kézenfekvő volt. A dolgozat során „pernye (Mátraalja)” néven hivatkozom az anyagra.

5.1.2. Mátraszelei homok A Mátraszelén működő szén külfejtés fedőjéből származó homok, szintén a gyöngyösoroszi bánya mátraszentimrei bányatérségének végleges lezárásához kapcsolódó tömedékelési feladatok kapcsán került az Intézetbe. A paszta technológia alkalmazási területei közé tartozik a felszín alatti bányaüregek tömedékelése, valamint a viszonylag durva szemszerkezetű homok kiváló modellanyag is, reológiai és anyag vizsgálatok elvégzésére történő bevonása szintén indokolt. A dolgozat során „homok” néven hivatkozom az anyagra. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

56


5.1.3. Mátraszelei bentonit A Mátraszelén működő szén külfejtés fedőjéből származó bentonit, szintén a gyöngyösoroszi bánya mátraszentimrei bányatérségének végleges lezárásához kapcsolódó tömedékelési feladatok kapcsán került az Intézetbe. Ezt az anyagot a Mátrai erőműből származó pernyével és a Mátraszelei homokkal együtt, különböző arányú keverékek formájában használtam. A dolgozat során „bentonit (Mátraszele)” néven hivatkozom az anyagra.

5.1.4. Pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) és homok (Mátraszele) keverékek Mátrai Erőműi pernyét, a Mátraszelei bentonitot és homokot nem önállóan, hanem azok meghatározott arányú keverékeként használtam fel folyási tulajdonságaik vizsgálatára. A vizsgálatok céljára nedves állapotban beérkezett mintákat kiszárítottam. A bentonitot a laboratóriumban pofástörőn, majd két fokozatban kalapácsos törőn 2 mm alá aprítottam és a további vizsgálatokhoz ebben a szemcseméretben használtam fel. A vizsgált mintaanyagok sűrűségét piknométerben határoztam meg. A homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) esetén eredeti szemcseméretű, a bentonit (Mátraszele) esetében az általam 2 mm alá letört szemcseméretű anyag sűrűségmérésére került sor, víz közegben vákuumozás után. Minden minta esetében két független mérés elvégzésére került sor, a megadott sűrűségértéket a két független mérés átlaga alapján határoztam meg. Anyag

Sűrűség [kg/m3]

Pernye

2355

Homok

2720

Bentonit

2574

1. táblázat: Pernye (Mátraalja), Bentonit (Mátraszele) és Homok (Mátraszele) sűrűségértékei A keverékeket alkotó „alapanyagok” szemcseméreteloszlását nedves szitaelemzéssel határoztam meg. A bentonit (Mátraszele), homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) szitaelemzésének eredményeit a 2. táblázat tartalmazza. F(x)

F(x)

F(x)

Bentonit (Mátraszele)

Homok (Mátraszele)

Pernye (Mátraalja)

<0,063

0,16

0,26

0,33

0,063-0,160

0,41

0,43

0,58

0,160-0,315

0,61

0,67

0,81

x [mm]


57


0,315-0,63

0,74

0,79

0,86

0,63-0,8

0,79

0,82

0,87

0,8-1

0,84

0,84

1,00

1-2

0,96

0,91

1,00

2-3

1,00 1,00

1,00 1,00

1,00

>3

1,00

2. táblázat: A vizsgált anyagok nedves szitaelemzésének eredményei

Szemcseméret eloszlásfüggvény F(x)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1

1

10

Szemcseméret x [mm]

12. ábra: Bentonit (Mátraszele, homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) szemcseméreteloszlása (+ bentonit, □ homok, ▲ pernye) Az anyagkeverékek előállításához a homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) esetében az eredeti szemcseméreteloszlásű száraz anyagokat, valamint a 2 mm alá aprított, a 12. ábrán látható szemcseméret eloszlású bentonitot (Mátraszele) használtam fel. A fentiek szerint előkészített anyagokból 95/5; 90/10; 85/15; 80/20; 75/25 tömegarányú. Pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) ill. homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) keverékeket állítottam elő vizsgálati célokra. Az előállított keverékek sűrűségét a keveréket képező anyagok sűrűségértékeiből, számítással állítottam elő a keverékek sűrűségadatait a 3. táblázat tartalmazza. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

58


sűrűség [kg/m3]

Anyag

sűrűség [kg/m3]

Anyag

pernye

2355

homok

2720

bentonit

2574

bentonit

2574

95/5 pernye/bentonit

2361

95/5 homok/bentonit

2716


2364

90/10 homok/bentonit

2716


2365


2716


2365


2716


2368


2716

3. táblázat: A pernye/bentonit és homok/bentonit keverékek sűrűségértékei Az anyagkeverékek szemcseméret eloszlásait szintén az alkotók szemcseméret összetételének és a keverés tömegarányának ismeretében számítással határoztam meg. A pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) ill. homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetételét a 4. és 5. táblázatok tartalmazzák. Szemcseméret [mm]

F(x)

F(x)

F(x)

5% bentonit 10% bentonit 15% bentonit

F(x)

F(x)

20% bentonit

25% bentonit

<0,063

0,32

0,31

0,30

0,29

0,29

0,063-0,160

0,57

0,56

0,55

0,54

0,53

0,160-0,315

0,80

0,79

0,78

0,77

0,76

0,315-0,63

0,85

0,84

0,84

0,83

0,83

0,63-0,8

0,86

0,86

0,85

0,85

0,85

0,8-1

0,99

0,98

0,98

0,97

0,96

1-2

1,00 1,00

1,00 1,00

0,99 1,00

0,99 1,00

0,99 1,00

2-3

4. táblázat: A pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele


59


Szemcseméret [mm]

F(x)

F(x)

F(x)

5% bentonit 10% bentonit 15% bentonit

F(x)

F(x)

20% bentonit

25% bentonit

<0,063

0,25

0,25

0,24

0,24

0,23

0,063-0,160

0,43

0,43

0,43

0,43

0,42

0,160-0,315

0,67

0,66

0,66

0,66

0,65

0,315-0,63

0,79

0,79

0,79

0,78

0,78

0,63-0,8

0,82

0,82

0,82

0,82

0,82

0,8-1

0,84

0,84

0,84

0,84

0,84

1-2

0,91

0,91

0,91

0,92

0,92

2-3

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

5. táblázat: A homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele


1

0.8

0.6

0.4 Pernye / bentonit 5% Pernye / bentonit 10% Pernye / bentonit 15% Pernye / bentonit 20% Pernye / bentonit 25% Mátraaljai Pernye Bentonit (Mátraszele)

0.2

0 0.01

0.1

1

10

Szemcseméret x[mm]

13. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátrai erőműi pernye és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása


60



1

0.8

0.6

0.4

Homok / 5% bentonit (mátraszele) Homok / 10% bentonit (mátraszele) Homok / 15% bentonit (mátraszele) Homok / 20% bentonit (mátraszele) Homok / 25% bentonit (mátraszele) Homok Bentonit (Mátraszele)

0.2

0 0.01

0.1

1

10

Szemcseméret x[mm]

14. ábra: A kísérletekhez felhasznált homok (Mátraszele) és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása A keverékeken a roskadási vizsgálatot a folyási kísérleteknek megfelelő koncentrációig (cVmax= 0,35) végeztem el. A roskadási vizsgálat azt mutatta, hogy bentonit tartalomtól függetlenül, a pernye (Mátraalja) és homok (Mátraszele) vízzel képzett szuszpenziói a vizsgált koncentráció tartományig nem mutatnak paszta jelleget, roskadási „kúpjuk” maximális magassága 20 mm volt.

15. ábra: Pernye (Mátraalja) és 10% bentonit (Mátraszele) roskadási tesztje 30% térfogati koncentráció mellett


61


5.1.5. Pécsi pernye Anyagtulajdonságokkal összefüggő alapvizsgálatokat végeztem vele. A dolgozat során „pernye (Pécs)” néven hivatkozom az anyagra.

5.1.6. Üveghomok liszt: Üveghomok liszt az Intézet balatoni iszapok víztelenítési kutatási programjával kapcsolatban került az Intézetbe. Modell anyagnak kiválóan alkalmas volt. A Kvarchomok Kft. portfoliójában szereplő kereskedelmi termék. A dolgozat során „üveghomok liszt” néven hivatkozom az anyagra. Elsősorban alapvizsgálatok elvégzésére használtam.

5.1.7. Adalékanyagok A mérések során, pécsi pernyével és homokliszttel képezett különböző arányú szilárd – szilárd keverékek előállítására használtam, kereskedelmi forgalomba kapható mádi bentonitot, portlandcementet és gipszet. A dolgozat során rendre bentonit (Mád), cement és gipsz néven hivatkozom az anyagokra.

5.1.8. Pernye (Pécs), homokliszt és adalékanyagokból képzett keverékek A keverékeket alkotó „alapanyagok” szemcseméret eloszlását lézeres szemcseméret elemző készülékkel határoztam meg. A pernye (Pécs), homokliszt, gipsz, cement és bentonit (Mád) szemcseméret eloszlás adatait a 6. táblázat és a 16. ábra tartalmazza.


62


Szemcseméret

F (x) Pernye (pécs)

[µm]

0 0.05 1 2 3 4 5 10 20 50 100 200

0 0 0 0 0 0 0.2 0.35 0.53 0.79 1 1

F(x)

F(x)

F(x)

F(x)

homokliszt

Bentonit (Mád)

cement

gipsz

0 0 0.029 0.076 0.107 0.133 0.157 0.263 0.46 0.88 0.994 1

0 0 0 0.259 0.4 0.524 0.617 0.821 0.921 0.991 0.999 1

0 0 0 0.07 0.09 0.112 0.134 0.235 0.401 0.773 0.967 1

0 0 0 0.089 0.128 0.172 0.214 0.369 0.512 0.753 0.955 1

6. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipszkeverékeinek szemcseméret eloszlása

Szemcseméret eloszlás függvény F(x)

1

0.8

0.6 pernye (Pécs) homokliszt bentonit (Mád) cement gipsz

0.4

0.2

0 0

40

80

120

160

200

Szemcseméret [µm]

16. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipsz szemcseméret eloszlásának összehasonlítása Látható, hogy a szemcseméret eloszlás görbék lefutása igen hasonló, kivéve a bentonit (Mád) esetében, mely lényegesen finomabb a többi „alapanyagnál”. A keverékeket alkotó anyagok testsűrűségét piknométeres módszerrel, denaturált szeszben határoztam meg. Ezek eredményét a 7. Táblázat tartalmazza. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

63


Anyag

sűrűség [kg/m3]

Pécsi pernye Mádi bentonit Homokliszt Cement Gipsz

2078 2618 2681 2314 2403

7. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipsz sűrűség adatai. A keverékek előállításához a 16. ábrán látható szemcseméret eloszlással rendelkező pernye (Pécs), üveghomok liszt, bentonit (Mád), cement és gipszet használtam fel. A keverék képzés elve az volt, hogy mind a pernyéhez (Pécs), mind a homokliszthez, a megfelelő arányú adalékot keverjem. A képzett keverékek arányait az alábbi mátrixban foglaltam össze. Bentonit (Mád)

Cement

Gipsz

Pernye (Pécs)

5%, 10%, 15%, 20%

5%, 10%, 15%, 20%

5%, 10%, 15%, 20%

Homokliszt

5%, 10%, 15%, 20%

-

-

8. táblázat: A vizsgálatokhoz felhasznált keverékek, képzési mátrixa Az így kapott keverékek szemcseméret eloszlását és sűrűség értékeit számítással állítottam elő. Mivel a szemcseméret eloszlások közül, a legnagyobb változás a homokliszt és pernye (Pécs) bentonittal (Mád) előállított keverékeinél volt várható, ezek eredményeit ábrázoltam a 17. és 18. ábrán.


64



1 bentonit (Mád) homokliszt homokliszt / bentonit 5% homokliszt / bentonit 10% homokliszt / bentonit 15% homokliszt / bentonit 20%

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Szemcseméret [µm]

17. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


1

0.8

0.6

0.4 bentonit (Mád) pernye (Pécs) homokliszt / bentonit 5% homokliszt / bentonit 10% homokliszt / bentonit 15% homokliszt / bentonit 20%

0.2

0 1

10

100

1000

Szemcseméret [µm]

18. ábra: A kísérletekhez felhasznált pernye (Pécs), bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


65


A 8. táblázatban jelölt keverék mátrix összes elemén elvégeztem a roskadási tesztet. A 19. ábrán ábrázoltam azokat az eseteket, ahol értékelhető eredményt kaptam. 200

Gyöngyösoroszi flotációs meddõ Homokliszt + 15% bentonit (Mád) Homokliszt + 20% bentonit (Mád) Pernye (Pécs) + 15% bentonit (Mád) Pernye (Pécs) + 20% bentonit (Mád)

Slump kúp magassága [mm]

160

120

80

40

0 10

20

30

Térfogati koncentráció cV

40

50

19. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (15, 20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (15, 20%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). A legnagyobb kúpmagasságokat mind a pernye (Pécs), mind a homokliszt esetében, 20% bentonit hozzáadásával értem el. Ezért ezeknek a keverékeknek és a homoklisztnek a folyási határát megmértem. A mért folyási egyenesek a 22. ábrán láthatóak.

20. ábra: Üveghomok liszt és 20% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett

21. ábra: Pernye (Pécs) és 20% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett


66


A 22. ábráról leolvasható, hogy a homokliszt önmagában 26% víztartalom mellett válik viszkózussá, míg bentonit (Mád) hozzáadásával ez az érték 37%. Pernye (Pécs) és bentonit (Mád) keverékénél folyási határ F= 44%.

0.5

Víztartalom w [%]

0.4

0.3

0.2

0.1 Homokliszt

F% = 26%

cV=0,59

Homokliszt / 20% Bentonit F% = 37%

cV=0,5

Pernye / 20% Bentonit

cV=0,52

F% = 44%

0 1

10

Ütések száma n [db]

100

22. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (20%, Mád) keverékek folyási egyenesei, F% meghatározása Cassagrande - készülékkel.

5.1.9. Indiai (Neyveli) pernye Egy indiai széntüzelésű erőmű pernye – zagy szállítási alapvizsgálatokkal kapcsolatos kutatási megbízás során foglalkoztam a mintaanyaggal. A pernyeminták az erőműi technológia 6 különböző pontjáról származtak, amelyből egy meghatározott receptúra alapján készített keverékkel csőviszkoziméteres vizsgálatokat végeztem. Mivel jelentős mennyiség állt rendelkezésre, az általam épített zagyszállító körön hidraulikus szállítási kísérleteket és anyagtulajdonságokkal összefüggő vizsgálatokat is végezhettem. A dolgozat során „pernye (Neyveli)” néven hivatkozom az anyagra. A vizsgálati anyag szemcseméreteloszlását a 6 (R1….R6), különböző pernyemintára laboratóriumi kézi szitálással, szárazon végeztem el. A receptúra szerint összekevert anyag szemcseméret eloszlását számítással kaptam. Ez látható az 23. ábrán. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

67



1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1


1

10

23. ábra: A kísérletekhez felhasznált indiai (Neyveli) erőműi pernye szemcseméret eloszlása Az előállított pernyeminta sűrűségét piknométeres eljárással határoztam meg. Ez 2492 kg/m3 –nek adódott.

5.1.10. Gyöngyösoroszi flotációs meddő Általános gyakorlat, hogy az ásványelőkészítés során keletkező meddőanyagok hígzagy formájában kerülnek letározásra a zagytározó téren. Az így letárolt nagymennyiségű víz jelentős kockázatot hord magában. A TAILSAFE EU5 kutatási program keretein belül feladatom

volt

ásványelőkészítési

meddő

anyag

nagy

koncentrációjú

hidraulikus

szállításának vizsgálata. A program egyik tesztterülete a Mecsek Öko ZRt. kezelésében lévő gyöngyösoroszi zagytározó tér volt. Vizsgálataimba azért vontam be, mivel tipikus meddő anyag, amely nagy mennyiségben áll rendelkezésre. A zagytározóban található anyag egy flotációs ércelőkészítési technológiából származik. A zagytározó a hagyományos ciklonozási eljárással épült, ahol egy hidrociklon segítségével eltávolították a homok frakciót, ebből építették magát a gáttestet. A finom frakciót jelentős mennyiségű vízzel együtt a tároló térbe eresztették, ahol a szilárd fázis kiülepedett (3. fejezet). A mintákat a Mecsek Öko Zrt. által hajtott kutatófúrások anyagából, illetve a még ma is jelenlévő szabad vízfelületek mellől vettem, ügyelve arra, hogy a vett minták jól lefedjék a teljes zagytározó teret. A


68


vizsgálataimhoz a mintát átlagosítottam és a teljes vizsgálati spektrumnak vetettem alá. A dolgozat során „gyöngyösoroszi meddő” néven hivatkozom az anyagra. A gyöngyösoroszi flotációs meddő szemcseméreteloszlását lézeres szemcseméret elemző készülékkel

határoztam

meg.

Az

eloszlásfüggvényből

kiderül,

hogy

a

maximális

szemcseméret 100 µm. A 20 µm –nél kisebb szemek aránya 75%, míg a 2 µm –nél kisebb szemek aránya 22%. A vizsgált anyag szemcseméreteloszlása látható a 24. ábrán.

Szemcseméret eloszlásfüggvény F (x)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.1

1

10

100

Szemcseméret x [µm]

24. ábra: A kísérletekhez felhasznált gyöngyösoroszi flotációs meddő szemcseméret eloszlása A minta sűrűségét piknométeres módszerrel meghatározva 2701 kg/m3 –nek adódott. A minta folyási határa Cassagrande méréssel F=37.5% lett. A roskadási kúptesztet elvégezve megállapítható, hogy 48% térfogati koncentráció mellett, hasonló kúpmagasságot mutatott, mint a pernye (Pécs) / bentonit (Mád) (80/20) és homokliszt / bentonit(Mád) (80/20) keverékek.


69


200


160

120

80

40

0 20

30

40

Térfogati koncentráció cV [%]

50

60

25. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje. (Slump Cone Test).

5.1.11. Kísérleti víz A 3. fejezetből kiderül, hogy a sűrűzagyos és paszta meddőkezelési technológia szempontjából rendkívül nagy jelentősége van a zagyot alkotó szilárd anyagok mellett a folyadékfázis kémiai és fizikai – kémiai tulajdonságainak. Munkám elsősorban a szilárd alkotó

szerepére

korlátoztam,

ezért

vizsgálataimhoz

desztillált

vizet,

illetve

csőviszkoziméteres és hidraulikus szállítási kísérletekhez a miskolci vezetékes ivóvizet használtam, mivel itt esetenként jelentős, 50 – 200 liter víz használatára volt szükség. Tarján és társai (Tarján, 1996) azonban rámutattak, hogy az általuk pernyén (Mátraalja) elvégzett kísérlet során a miskolci hálózati víz rövid időn belül hasonlóvá vált, mint a Mátrai erőmű retúr vize, így a kapott eredményeket nem befolyásolta jelentősen a csapvíz használata.


70


5.2. Kísérleti eredmények folyási tulajdonságok meghatározására A folyási tulajdonságok meghatározását a 4. fejezetben ismertetett csőviszkoziméteres módszerrel végeztem el. A vizsgálatban résztvevő anyagokat a 9. táblázatban foglaltam össze. Alkalmazott mérési térfogati koncentrációk, cV pernye (Mátraalja) 95% (Mátraszele) 5% pernye (Mátraalja) 90% (Mátraszele) 10% homok (Mátraszele) 95% (Mátraszele) 5% homok (Mátraszele) 905% (Mátraszele) 10% pernye (Neyveli) gyöngyösoroszi flotációs meddő

/

bentonit

/

bentonit

/

bentonit

/

bentonit

14; 20; 29; 33 19,6; 28; 34 11; 19; 30;35 12; 20; 29; 34 10,6; 25; 30; 36; 38; 43 18; 26; 34 és 10,5; 18; 26; 40;48; 48,5; 52; 53

9. táblázat: Anyagok, melyek folyási tulajdonságait meghatároztam és a vizsgálatok során alkalmazott térfogati koncentrációk. A mérési eredményekből kitűnik, hogy mind a vizsgált pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) – víz és a homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) – víz szuszpenziók Bingham - plasztikus folyási jelleget mutattak. Kivételt a 20 % térfogati koncentrációnál kisebb 5 % bentonitot tartalmazó homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) – víz szuszpenziók jelentettek. A mérési eredményeket a 26. és 27. ábrán ábrázolom, mind a nyugalmi nyírófeszültség, mind pedig a merevségi tényező változását a térfogati koncentráció függvényében.


71


0.20

□ = Pernye – bentonit (5%) – víz ■ = Pernye – bentonit (10%) - víz ○ = Homok – bentonit (5%) - víz ● = Homok – bentonit (10%) - víz

Merevségi tényező [Pas]

0.16

0.12

0.08

0.04

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

Térfogati koncentráció [ ]

0.4

0.5

26. ábra: A vizsgált szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében. 100.00

□ = Pernye – bentonit (5%) – víz ■ = Pernye – bentonit (10%) - víz ○ = Homok – bentonit (5%) - víz ● = Homok – bentonit (10%) - víz

Nyugalmi határfeszültség [Pa]

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

27. ábra: A vizsgált szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében.

A 26. ábrán látható illesztett görbék rendre a NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

72


η = µo (1 + K1C + K 2 C 5 )

µo = 0,001 Pas

függvénnyel a merevségi tényező értékek megadhatók. A függvényekben használt konstansok értékeit a 10. táblázatban foglaltam össze. A nyugalmi határfeszültség értékei a

τ o [ Pa ] = 0,01[ Pa ]e 26C függvénnyel írhatók le. Anyag Pernye – bentonit (5%) - víz Pernye – bentonit (10%) - víz Homok – bentonit (5%) - víz Homok – bentonit (10%) - víz

K1 30 30 50 50

K2 19500 39000 14000 17000

10. táblázat: A 26. ábrán ábrázolt függvényekben szereplő konstansok az egyes esetekben: Irodalmi adatok alapján kijelenthető, hogy pernyék határszemcsemérete, amely alatt finom szuszpenzió áramlása kialakul 160 µm (Faitli, 1996; Tarján és társai, 1996). Az indiai pernyemintát ennél a szemcseméretnél elválasztva, a finom frakcióra néztem a folyási tulajdonságok alakulását. A vizsgálati eredmények összhangban voltak az Intézetben folytatott korábbi vizsgálatokkal, miszerint a finom pernye (Neyveli) – víz szuszpenziók Bingham plasztikus folyási jellegűek 20 térfogat % feletti koncentrációban. Ez alatt newtoni viselkedést mutattak. A koncentráció növekedésével a viszkózusság először csak kis mértékben növekszik, majd 20 % koncentráció felett ugrásszerű növekedés tapasztalható. Az így mért merevségi tényező és nyugalmi határfeszültség értékeket a következő függvények írják le a legpontosabban. A függvényeket a 28. és a 29. ábrán ábrázoltam.

η[ Pas ] = µo [ Pas ](1 + 25C[] + 360000C[]9, 2 ) és

τ o = 0,01e18,5C []


73


0.20


0.16

0.12

0.08

0.04

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4


0.5

28. ábra: A finom (< 160 µm) pernye (Neyveli) – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében 100.00


80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

29. ábra: A finom (< 160 µm) pernye (Neyveli) – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében A gyöngyösoroszi flotációs meddő vizsgálata volt az első, ahol igen nagy térfogati koncentrációk mellett (cV=0,5) próbáltam meg felvenni a nyírási diagramját a vizsgált szuszpenziónak. Azonban a cső viszkoziméterre épített csavarszivattyú képességeit NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

74


meghaladta ez a feladat, így az újonnan kialakított hidraulikus zagyszállító körön végeztem egy második méréssorozatot is. Az így kapott eredmények azt mutatták, hogy a gyöngyösoroszi flotációs meddő – víz keverékek is newtoni jelleget mutatnak kis térfogati koncentrációk mellett és Bingham plasztikussá válnak nagy, jellemzően 20% térfogati koncentráció felett, amelyet megőriznek az extrém magas 50% térfogati koncentráció tartományában is. A gyöngyösoroszi meddő reológiai méréseit összefoglaló (első sorozat) adatokra illesztett függvények:

η w [ Pas ] = µ o [ Pas ](1 + 80 C + 600000 C 9 ) τ w [ Pa ] = 0.7[ Pa ]e10 .4 C

A gyöngyösoroszi meddő reológiai méréseit összefoglaló (második sorozat) adatokra illesztett függvények:

η w [ Pas] = µ0 [ Pas ](1 + 2,64C + 2,86 ⋅10 −4 C 0,3 ) τ w [ Pa] = 0,46[ Pa]e0,14C A kapott eredmények a 30., 31., 32. és 33. ábrán láthatóak

30. ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat) NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

75


31. ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat)

Merevségi tényezõ (η) [mPas]

800

600

400

200

0 0

20

40

Térfogati szállítási koncentráció (cV)

60

32. ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat)


76


Nyugalmi határfeszültség (τ0) [Pa]

1600

1200

800

400

0 0

20

40


60

33 .ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat) A mérésekhez tartozó pszeudó - nyírási diagrammok az értekezés 2. számú mellékletében megtalálhatóak.


77


5.3. Hidraulikus szállítási vizsgálatok kísérleti eredményei A hidraulikus szállítási kísérleteket a 4. fejezeten leírtak szerint végeztem el. A vizsgálatok során mind az indiai (Neyveli) pernyemintával, mind pedig gyöngyösoroszi flotációs meddővel elvégeztem a kísérleteket. A hidraulikus zagyszállítás során folyamatosan mértem a szállított zagy térfogatáramát, az 50mm belső átmérőjű mérő csővezetékben a helyi térfogati koncentrációt, a nyomásveszteséget kettő különböző átmérőjű csővezetékben, a szállított zagy hőmérsékletét és időről időre mintát vettem a csővezeték alsó és felső feléből, hogy megállapítsam a koncentráció eloszlás szimmetrikusságát. Az elvégzett méréseket a 11. táblázatban foglaltam össze.

Gyöngyösoroszi meddővel elvégzett kísérletek Szivattyú típusa

Szállítási térfogati koncentráció CV [%]

Dugattyús membránszivattyú

10

-

-

-

-

Csavarszivattyú

10

21

30

40

48

Csavarszivattyú

40

48

48,5

52

53

Forgólapátos szivattyú

10

15

19.6

28

35

Pernyével (Neyveli) elvégzett kísérletek Szivattyú típusa Dugattyús membránszivattyú

Szállítási térfogati koncentráció CV [%] 10.66

20.55

30.7

39.7

50.05

11. táblázat: Hidraulikus szállítási kísérletek mérésmátrixa Ahogy a 11. táblázatból kiderül az Abel típusú dugattyús membránszivattyúval mindkét anyag hidraulikus szállítása megvalósult. A pernye (Neyveli) mintával sikerült egészen 50,05% térfogati koncentráció elérése, különösebb nehézségek nélkül. A gyöngyösoroszi meddővel elkezdett vizsgálat azonban hamar lezárult, mivel a szivattyúban alkalmazott golyósszelep folyamatosan beragadt, már egész kis 10% térfogati koncentrációjú zagy szállítása mellett is. A 34. ábrán egy mérés sorozat időbeli lefutását, a 35. ábrán a pernye (Neyveli) minta 50,05% térfogati koncentrációval adódott nyomásveszteség görbéjét láthatjuk. A teljes méréssorozat nyomásveszteség görbéi megtalálhatóak a 3. mellékletben.


78


Szuszpenzió sebesség [m/s ]

4.0 3.0

d = 41 mm

2.0

d = 53 mm

1.0

Fajlagos nyomásesés [bar/m]

0.06 0.0

0.04

d = 41 mm 0.02

d = 53 mm

Helyi térfogati koncentráció [ ]

0.40 0.00 0.30

d = 53 mm

0.20 0.10 0.00 0

400

800

1200

1600

2000

Mintavételezés ideje [ s ]

34. ábra: A 10,66 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli)– víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása 0.08

∆ p/L [bar/m]

0.06

0.04

0.02

0.00 0.00

1.00

v [m/s]

2.00

3.00

35. ábra: A 50,05 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye(Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő)


79


A Warman típusú forgólapátos zagyszivattyúval a gyöngyösoroszi flotációs meddő hidraulikus szállítási vizsgálatait végeztem el. A kísérlet során elért szállítási térfogati koncentráció 35% volt. Ekkor a zagyszállítás leállt. Sűrűzagyos szállítás valósult meg. A Mono típusú zagyszivattyúval szintén a gyöngyösoroszi meddő zagyszállítási vizsgálatát végeztem két ütemben. Az első ütemben 48% térfogati koncentrációnál a paszta állapotú anyag

sikeres

hidraulikus

szállítása

megvalósult.

Ekkor

a

36.

ábrán

látható

nyomásveszteség görbéket kaptam. A kapott nyomásveszteség görbék, a mérőfejek túlterhelése mellett arra engedtek következtetni, hogy elég nagy koncentráció elérése esetén kialakulhat egy csúszó, dugószerű mozgás, melynek nyomásvesztesége a merev testekére jellemző, szállítási sebességtől függetlenné válik. 1.00

CT = 48%

∆ p/L [bar/m]

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00 0.0

0.2

0.4

v [m/s]

0.6

0.8

36. ábra: A 48 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) A hipotézis ellenőrzésére a nyomásmérőket újra kalibráltam, amely művelet során kiderült, hogy a 36. ábrán kapott görbék a nyomásmérő fejek túlterheléséből adódtak, ami sajnos a 36. ábra görbéit előidéző legvalószínűbb okot igazolta.


80


37. ábra: Megvalósult paszta szállítás csővezetékben

A hiba kiküszöbölésére az egyenként max. 5 bar méréstartományú Hottinger – Baldwin mérőfejeket 10 -10 bárosra cseréltem, valamint a 40 mm belső átmérőjű mérő csőszakaszt kiszereltem a rendszerből. Ezzel a megoldással sikerült 53% térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddőzagyot hidraulikusan szállítani úgy, hogy a nyomásveszteség értékek is rögzítésre kerültek. (3. melléklet.). Az 53% térfogati koncentrációjú méréssorozathoz

Fajlagos nyomásveszteség ∆p/L [bar/m]

tartozó nyomásveszteség diagramja a 38. ábrán látható.

0.8

0.6

0.4

0

0.4

0.8

Szállítási sebesség v [m/s]

1.2

1.6

38. ábra: 53 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásvesztesége


81


6. Mérési eredmények kiértékelése 6.1. Mi a paszta? A paszta keverékállapot több definíciója létezik, ahogy ezt a 3. fejezetben bemutattam. Az egyes definíciók vizsgálatára és a definíciók alkalmazhatóságuk vizsgálatára az elvégzett kísérletek elégségesnek bizonyultak. A folyási kísérletekkel párhuzamosan, ahol a határfeszültség mérhető volt, a vizsgált mintákon a roskadási kúptesztet is elvégeztem. A szétterült anyag vizsgálatakor egyúttal megfigyelhető volt, hogy a szuszpenzióból szivárog e el szabad víz vagy sem. További vizsgálatot jelentett a hidraulikus szállítási kísérletek során folyamatosan ellenőrzött szilárdanyag koncentráció a cső keresztmetszetének függőleges tengelye mentén. Ebből kiderült, a paszta keverékállapot definiálása, jellemzése a csőáramlási keresztmetszeti koncentráció eloszlás alapján nem lehetséges, mivel híg szuszpenziók esetén is elérhető a definíció által elvárt állapot. Phasias és Boger által definiált roskadási kúpteszt és Jewell és szerzőtársai által felállított kontinuummodell között összefüggés egyértelműen nem áll fen. A roskadási kúpteszt alapján pasztának definiált szilárd – víz keverékek nyugalmi határfeszültségei meghaladták a Jewel és szerzőtársai által javasolt 200 Pa (+/- 25 Pa) értéket, azonban nem minden a 200 Pa értéket meghaladó nyugalmi határfeszültséggel jellemezhető nagy koncentrációjú zagy mutatott paszta jelleget a roskadási kúpteszt elvégzésekor.

39. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje 51% térfogati koncentráció mellett

40. ábra: Pernye (Neyveli) roskadási tesztje 50,05% térfogati koncentráció mellett

Ez a viselkedés jellemző volt a pernye / víz keverékek esetén is. Bár nagyságrendileg a gyöngyösoroszi meddő vizsgálatakor mért értékekhez hasonló nyugalmi határfeszültséget NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

82


regisztráltam

50%

térfogati

szilárdanyag

koncentráció

mellett

csővezetékben

zagyszállításkor, az elvégzett roskadási kúptesztek során a pernye / víz keverékek teljesen szétterültek, koncentrációtól függetlenül.

41. ábra: Gyöngyösoroszi meddő és pernye (Neyveli) szuszpenzió határfeszültségeinek összehasonlítása a koncentráció függvényében. Az

ellentmondás

az

összes

pernye

/

víz

keverék

viselkedésére

jellemző.

A

csőviszkoziméterrel vizsgált pernye / víz keverékek kivétel nélkül Bingham – plasztikus tulajdonságokat mutattak (egyéb adalék anyag nélkül), azonban a roskadási kúptesztek elvégzése rámutatott, hogy még nagy szilárdanyag koncentrációk mellet sincs mérhető ellenállás a nyírófeszültségekkel szemben kis nyírási sebességek mellett, amikor az áramlás nem egy zárt csővezetékben történik. A jelenség egyik magyarázata lehetne, hogy mind csőviszkoziméterrel, mind rotációs viszkoziméterrel elvégzett méréseknél, az igen kis nyírási sebességek mellett kapott eredmények

jelentős

bizonytalanságot

mutatnak,

illetve

sok

esetben

meg

sem

határozhatóak. A nyírási diagrammok kiértékelésénél ezek a pontok hiányoznak. Ha a keverék pszeudoplasztikus viselkedésű, és a nyírófeszültség meredeken nő kis nyírási sebességek mellett (42. ábra), a vizsgált anyag Bigham – plasztikus anyagokra jellemző pszeudonyírási diagramot produkálhat.


83


Bingham - plasztikus

Pszeudoplasztikus

42. ábra: Pszeudoplasztikus folyadék nyírási diagramja, összehasonlítva Bingham – plasztikus folyadék nyírási diagramjával. 200

C = 38 % η = 86 mPas τ o= 15 Pa

Nyíró feszültség a fal mellett [Pa]

160

120

80

40

0 0

200

400

600

800

Pszeudo nyírási sebesség (8v/D) [1/s]

1000

43. ábra: 38 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió „hibás?” pszeudó nyírási görbéje


84


Faitli (Faitli, 1996) üveghomok liszt / víz keverékeket pszeudoplasztikus viselkedésűnek találta. Ezzel a megállapítással egybevág az üveghomok liszttel elvégzett roskadási kúpteszt eredmények is (2. ábra, 4. melléklet) ahol az üveghomok liszt / víz keverék a pernyéhez hasonlóan viselkedett, paszta jelleget nem mutatott 50% térfogati szilárdanyag koncentráció mellett sem. A 42. ábrán felvázolt folyási tulajdonság azonban nem írható le pszeudoplasztikus folyadékok kétparaméteres egyenletével. A jelenség magyarázata abban keresendő, hogy míg a roskadási teszteken pasztaszerű viselkedést mutató anyagok vízmegtartó képessége jó, addig a pernye és üveghomok liszt / víz keverékek a roskadási teszt során nem tartják a szilárd fázis szemcséi között a vizet. A teszt végzésekor az szétfolyik. Csővezetékben történő szállításkor azonban a zárt rendszer miatt a víz nem tud a szemcsék közül elszivárogni, egységes finom szuszpenziót képez, melynek reológiai tulajdonságai vannak. Az eltérő viselkedés kizárólagos okaként a szemcseméret hatása elvethető, mivel a paszta jelleget roskadási teszt vizsgálat alapján nem mutatott anyagok között szemcseméret eloszlásban hasonlóak vannak a paszta jelleget mutatókkal. Jelentős eltérés van azonban az ásványos összetételben. A gyöngyösoroszi flotációs meddő röntgendiffrakciós vizsgálata azt mutatta, hogy a meddő 14% -ban tartalmaz Ca – montmorillonitot. A montmorrilonit hatásának vizsgálatára Pécsi pernyéhez különböző mennyiségű bentonitot (Mád) kevertem (lásd: 5. fejezet) és az így kapott

keverékekkel

elvégeztem

a

roskadási

vizsgálatot.

A

kapott

eredmények

összefoglalása a 44. ábrán láthatóak.


85


200



160

120

80

40

0 10

20

30


40

50

44. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (15, 20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (15, 20%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). A mádi bentonit 37% -ban tartalmaz Ca – montmorillonitot (Szabó, 1992). Látható, hogy 20% bentonit (Mád) adagolásával a keverék montmorrilonit tartalma 7,4% -ra nőt, miközben a keverék szemcseméret eloszlása nem változott jelentősen (lásd: 4. fejezet). Az eredmények azt mutatják, hogy 7% montmorillonit tartalom esetén, az egyébként paszta jelleget nem mutató pernye / víz keverék is paszta jellegű viselkedést mutat 50% térfogati szilárdanyag koncentráció mellett (13. ábra; 14. ábra;15. ábra, 4. melléklet) nem zárt rendszerekben is, mivel az agyagásványok hatására a vízmegtartó képessége jelentősen megnőtt. Fontos következtetés vonható le a gyöngyösoroszi meddő / víz és pernye / víz keverékek viselkedéséből. A gyöngyösoroszi meddő / víz keverékek mindkét mérési sorozat során a 45 – 48% szilárdanyag térfogati koncentráció mellett már mutattak paszta jellegű viselkedést, mind a nyugalmi határfeszültség, mind a roskadási kúpteszt mérések alapján. (31. ábra; 33. ábra; 25. ábra) Ennek ellenére kisebb koncentrációk mellet sem tapasztaltam a víz elszivárgását a szuszpenzióból a szétterülés után. A koncentráció eloszlás a függőleges csőtengely mentén homogén volt 20% térfogati koncentráció fölött.


86


6.2. Megállapítások 1. tézis Azoknak a szuszpenzióknak a folyási tulajdonságait, amelyek kis szilárdanyag koncentrációk esetén newtoni, nagyobb koncentrációk esetén Bingham – plasztikus viselkedést mutatnak, a következő összefüggéssekkel lehet jellemezni a szilárdanyag koncentráció függvényében: A merevségi tényező:

(

η[ Pas] = µo 1 + K1cv + K 2cv K

3

)

Nyugalmi határfeszültség:

τ 0 [Pa ] = K 4 e K c

5 V

Az egyenlet alkalmazhatóságának a felső határa a szuszpenziót alkotó szilárd anyag folyási határának megfelelő koncentrációig terjed, amelynél nagyobb koncentráció esetén a szilárd anyaghalmaz nem irható le a folyadékok mechanikájával. A vizsgált szuszpenziók (pernye (India, Mátraalja), homok, gyöngyösoroszi flotációs meddő, bentonit (Mátraszele)), - általában 20% térfogati koncentráció fölött - Bingham plasztikus viselkedésűek. Bingham plasztikus folyadékok jellemzése kétparaméteres egyenlettel lehetséges, ahol az egyik paraméter a merevségi tényező, a másik paraméter a nyugalmi határfeszültség. A merevségi tényezőt leíró összefüggés háromparaméteres, két fő részből tevődik össze. Kis szilárdanyag koncentrációk esetén a szuszpenziók newtoni viselkedést mutattak. Az egyenlet első fele lineáris összefüggés, amely formailag megegyezik az Einstein által megadott összefüggéssel (lásd. értekezés 3. fejezete) és alkalmas a kis koncentrációk esetén newtoni viselkedésű szuszpenziók dinamikus viszkozitásának leírására.


87



800

600

Definiált függvény (η) η=µ0(1+K1C+K2C3) η=µ0(1+K1C) 400

200

0 0

20

40


60

45. ábra: A gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében, függvényillesztések összehasonlítása Nagyobb koncentrációk esetén, amikor a szuszpenzió Bingham – plasztikus viselkedésűvé válik, az egyenlet második fele válik hangsúlyossá, a keverék merevségi tényezője exponenciálisan növekszik. A 45. ábrán látható a hagyományos és az általam ajánlott összefüggés összehasonlítása.

2. tézis A mérések alapján megállapítható, hogy paszta azokból a nagy, ill. ultra nagy koncentrációjú zagyokból válhat, amelyek nyugalmi határfeszültséggel rendelkeznek. A pasztaszerű viselkedés a roskadási kúpteszt elvégzésével észlelhető egyértelműen. Ez alapján pasztának tekinthető a zagy, ha a roskadási kúpteszt elvégzésekor produkált roskadt kúp magassága meghaladja az eredeti kúpmagasság 50%-t. Sajnálatos módon az általam elvégzett mérések alapján nem határozható meg egyértelműen az a fizikai, fizikai – kémiai jelenség, amely(ek) megléte szükséges ahhoz, hogy a nagy koncentrációjú zagyok pasztaszerűen viselkedjenek. A kúpteszt szerzőinek módszerével ellentétben (a szerzők a tesztet, gyakorlati okokból eltérően alkalmazzák felszíni és felszín alatti deponálás esetén; szerintük felszíni deponáláskor kisebb érték elégséges a paszta állapot definiálására, mivel ha túl nagy konzisztenciájú anyagot deponálnának, az nem tudna kellően nagy távolságra folyni a zagytérre bocsátási ponttól), a paszta állapot elérésének definíciójára nem alkalmazható olyan megkülönböztetés, amely szerint más feltételekkel paszta egy anyagkeverék, ha felszínen illetve felszín alatt helyezik el.


88


Hidraulikus szállítás tervezési kérdéseihez, az adott zagy folyási tulajdonságait, eltérő koncentrációk mellett végzett tesztekkel, csőviszkoziméterben továbbra is meg kell határozni.

3. tézis A roskadási vizsgálatok eredményei függenek a vizsgált keveréket alkotó szilárd anyag sűrűségétől, mivel a csonka kúp eltávolítása után a nyíróerőt a roskadó anyaghalmaz súlya biztosítja. Ebből következik, hogy eltérő anyagi minőségű keverékek vizsgálatakor kapott kúp magasság értékek nem hasonlíthatóak össze közvetlenül, módosított tesztre van szükség. A módosított tesztnek biztosítani kell a roskadást okozó erők és a vizsgálat geometriai azonosságát. A módosított teszt esetén, a roskadási tesztet olyan, az eredetihez geometriailag hasonló kúppal kell elvégezni, amelyben a vizsgálandó zagy tömege 50% térfogati koncentráció mellett a kúpot teljesen feltöltve 11,1 kg. Ekkor pasztának tekinthető az a szuszpenzió, amely a módosított teszt során a mérőkúp magasságának 50% -nál magasabb roskadt kúpot produkál. Az eredeti roskadási kúpteszt csonka kúpja m = 305 mm magas, a fedőlap átmérője d = 102 mm, az alap átmérője D = 200 mm. Az így kapott kúp térfogata 6 liter, a súlypontja pedig a függőleges tengelyén, a középvonalon s = 120 mm magasságban helyezkedik el. Az eltérő szemcsesűrűségű zagyok esetén a mérőkúp térfogatát kell változtatni a geometriai hasonlóság megtartása mellett. A mérőkúp térfogatának kiszámításához egy referencia bevezetése szükséges. Mivel az eredeti kúpteszt betonok minőségi vizsgálatán alapul, valamint a legtöbb érckísérő meddő ásvány sűrűsége 2700 kg/m3 körüli érték, a módosított teszthez az etalon szemcsesűrűséget szintén 2700 kg/m3 –nek választom. Ennek tömege az eredeti kúp térfogatával és 50% -os térfogati koncentrációval számolva 11,1 kg. A módosított kúptérfogat ezután számítható a vizsgálandó zagyot alkotó szemcsék sűrűségével, 50% koncentráció mellett. A kapott térfogatból a módosított kúp méretei szintén számolhatóak (d = 106,2 mm; D = 208,2 mm; m = 317,5 mm, paszta az anyag, ha a roskadt kúp magassága meghaladja a 160 mm-t).


89


4. tézis Az általam elvégzett roskadási kúptesztek eredményi alapján megállapítható, hogy a paszta állapot kialakulásában nem kizárólagosan a szemcseszerkezet játszik szerepet. Pusztán a 20 µm -nél kisebb szilárd szemcsék arányának növelésével a paszta állapot nem érhető el. A paszta állapot eléréséhez agyagásványok, főként montmorillonit jelenléte szükséges. A jelenség a montmorillonit nagyobb fajlagos felületével, eltérő kristályszerkezetével és felületi tulajdonságaival magyarázható.

5. tézis Az általam elvégzett mérések igazolják, hogy a 2. és 3. tézis alapján pasztának minősített ultra – nagy koncentrációjú szilárd - víz keverékek vízszintes csőben történő áramlásakor fellépő nyomásveszteség számítható a finom szuszpenzió modellel. Ez azt jelenti, hogy a paszta egyfázisú folyadéknak tekinthető, amely a sűrűségével és a folyási viselkedésével jellemezhető. A 46. ábrán és az értekezés 3. mellékletében láthatóak a modellel számított és a mért nyomásveszteség értékek.


0.6

0.4

0.2

0 0.4

0.8

1.2


1.6

2

46. ábra: 48 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért / számított


90


A várható nyomásveszteség a szemcseméret eloszlás, a szilárd anyag sűrűségének és a reológiai

tulajdonságok

koncentráció

szerinti

szisztematikus

laboratóriumi

vizsgálati

eredményeinek alapján számítható. Ez azt is jelenti, hogy paszta állapotú nagy koncentrációjú zagyokat szállító csővezetékek tervezése előtt nincs szükség félüzemi mérések elvégzésére.


91


7. Összefoglalás A

nyersanyagelőkészítési

technológiák

fejlődésével

és

a

bányászat

volumenének

növekedésével a hulladékként tárolt meddőzagyok mennyisége folyamatosan növekszik világszerte. A meddő zagyok kezelésében elengedhetetlen szerepet játszik a zagyok csővezetékben történő hidraulikus szállítása. A hagyományos híg zagyos technológiák alkalmazása ma már rutinszerű, azonban a növekvő környezetvédelmi igények egyre jobban a sűrűzagyos és paszta technológiák alkalmazása felé terelik a meddőkezeléssel foglalkozó cégeket. A hidraulikus szállítás méretezése sűrű zagyok és paszta jellegű szilárd – víz keverékek esetén koránt sem olyan kiforrott, mint a hígzagyos esetekben. Az értekezésben célul tűztem ki, olyan alapkutatások elvégzését, amelyek alapján módszertan dolgozható ki, ultra - nagy koncentrációjú zagyok hidraulikus szállításának méretezésére, és reményeim szerint - paszta - állapotú anyagok csővezetékben történő szállításának méretezési, optimalizálási kérdései is megoldhatóvá válnak. Céljaim elérése érdekében felépítettem és elvégeztem egy szisztematikus méréssorozatot. A méréssorozat során vizsgálataimba bevontam számos pernye, homok, üveghomok liszt, gyöngyösoroszi flotációs meddő, bentonit, portland cement és gipsz mintát, valamint ezek keverékeit. A vizsgálatba bevont anyagok szemcseméreteloszlása, szemcsesűrűsége, folyási határának meghatározása mellett meghatároztam a minták különböző koncentrációjú szilárd – víz keverékeinek a folyási tulajdonságait a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetének laboratóriumában található csőviszkoziméteren. A folyási tulajdonságok alapján a szakirodalomban fellelhető módszerek segítségével a csővezetékben történő hidraulikus zagyszállítás nyomásvesztesége becsülhető volt. A becslés pontosságának ellenőrzésére egy hidraulikus kört építettem, amely alkalmas volt a hidraulikus szállítás nyomásveszteségének közvetlen meghatározására, a modellek ellenőrzésére. Az eredmények kiértékelése során meghatároztam azt a módszert, amellyel a zagyok csővezetékben történő szállításakor fellépő nyomásveszteség értékek jól becsülhetőek nagy, jellemzően 40% szilárdanyag térfogati koncentráció fölötti tartományban is, jelentős félüzemi mérések elvégzése nélkül. A megvizsgált anyagkeverékek folyási tulajdonságainak kiértékelésekor, az általam vizsgált szuszpenziókra olyan összefüggéseket sikerült feltárni, amely alkalmas az adott szuszpenzió viszkozitásának, merevségi tényezőjének valamint nyugalmi

határfeszültségének

a

leírására

a

koncentráció

függvényében

széles

tartományban.


92


A paszta jelleget meghatározó fizikai és fizikai – kémiai paraméterek meghatározása nem sikerült, azonban rávilágítottam, hogy a paszta jelleget leginkább Phasias és Boger által publikált roskadási kúpteszttel lehetséges észlelni az egyes szuszpenziók viselkedésében. Bár a teszt, különböző anyagok eredményeinek összehasonlíthatósága érdekében módosításra szorult. Fontos felismerés az is, hogy a paszta állapot kialakulásában nem kizárólagosan a szemcseszerkezet játszik szerepet. Pusztán a 20 µm -nél kisebb szilárd szemcsék arányának növelésével a paszta állapot nem érhető el, ahhoz agyagásványok, főként montmorillonit jelenléte szükséges. Az ismertetett Tarján – Faitli „Durva keverék a finom szuszpenzióban” modell további vizsgálata szükséges. Kísérleti eredményeim kiértékelésekor az alábbi kérdések merültek fel bennem, amelyek megválaszolásához további méréssorozatot tervezek elvégezni. •

Paszta jellegű finom szuszpenzióban, mint hordozóban szállított durva szemek esetén, hol van az a koncentráció határ, ami alatt a Durand – jellegű nyomásveszteséggel nem kell számolni?

•

Paszta jellegű anyagok hidraulikus szállításának hőmérséklet függése

A sűrűzagyos meddőkezelési módszerek és a paszta technológia jelenleg nincs alkalmazásban Magyarországon. Alkalmazási lehetőségként három fő területet látok, melyeket az alábbiakban foglalom össze. •

Bauxit feldolgozás maradékanyagának az un. vörösiszapnak az elhelyezése, kezelése.

•

Széntüzelésű

erőművek

égéstermékeinek

a

kezelése.

Jelentős

tárolókapacitás

növekedést eredményezhet, akár 20% - al kevesebb víz kerül a zagytározó térre, mely csökkenti a környezeti kockázatot. A környezeti kockázatok tovább csökkenthetőek adalékanyagok, mit például bentonit vagy gipsz adagolásával. •

Felhagyott

mélyművelésű

bányatérségek

végleges

lezárásához

kapcsolódó

tömedékelési feladatok esetén. Mélyművelésű bányatérségek tömedékelése esetén, nagy koncentrációjú, paszta állapotú keverékek alkalmazása indokolt lehet.


93


7.1. Summary The amount of tailings handled and stored worldwide is increasing due to evolution of improved mineral processing techniques and increasing mining activity. Hydraulic transport has significant role in tailings operations. Handling dilute slurries are routine tasks however operators getting apply thickened tailings technology while environmental requirements could force this. Design of hydraulic transport through pipeline of thickened tailings or paste is not fully developed as for dilute slurries. The objectives of this dissertation are doing research for developing design system and method for thickened tailings and paste transport. To reach these objectives a systematic measurement set up was built up and measurements were carried out. As test materials fly ash, sand, glass sand flour, flotation tailing, bentonite, gypsum and cement were involved. During the experiments particle size distribution, particle density, liquid limit was determined for each solid – water suspension. In addition, systematic measurement of flow properties of slurries were also carried out in the tubeviscometer was earlier developed in Institute of Raw Material Processing and Environmental Process Engineering, University of Miskolc. The pressure loss of hydraulic transport could have been estimated by methods taken from literature. To check the accuracy of the estimated pressure loss values, I have designed and built a pilot scale hydraulic test loop in which the pressure loss was directly measurable and the results of the models cold have been comparable. During the evaluation of the results, a method was developed to calculate pressure loss of hydraulic transport of dense slurries through horizontal pipeline. The method is capable to calculate pressure loss at high solid concentrations (even higher than 40% by volume) without any pilot scale measurement. During the evaluation of the flow parameters of the test slurries, formulas for yield stress and for coefficient of rigidity as a function of volumetric concentration were found as well. These formulas can be used in wide concentration range from clear water to the liquid limit of the material. The physical and physical – chemical reason of a kind of material become paste unfortunately was not identified. However I have found that paste behaviour can be detected with the Slump Cone Test, originally developed by Phasias and Boger. Due to the test is affected by the density of the solid in the suspension, new, modified method was developed.


94


Another very important result is that the influence of clay minerals next to the particle size cannot be denied. Based on my measurement it can be seen that paste cannot be produced from a material without clay mineral, especially montmorilonite content. The results of the dissertation can be applied in three area in Hungary as follows: •

Red mud is a residual material of bauxite processing, known as Bayer – process. Well known dry stacking technology could be applied for this material as it comes clear from the literature. Nowadays, red mud is stored a dilute slurry in Hungary.

•

The second area for using thickened tailings technology could be fly ash operations at coal fired power plants. Fly ash is transported and stored as dilute slurry in most cases in Hungary. Increasing the solid concentration of fly ash operations could cause less place requirements or extended operation time in the same facility, lower risk of damm failure. Additional materials can be used as well, such as cement, gypsum or bentonite to increase stability of fly ash tailings.

•

Paste backfill of abandoned underground mines are generally accepted technique worldwide. There are many underground mine site, waiting its final closure in Hungary, where paste backfill technique might be used.

The suggested model, developed by Tarján and Faitli requires additional experiments. During the evaluation of the results some interesting question arisen. To answer to these questions, I am going to carry out additional experiments, such as: •

Determining the limit concentration for course material in paste like, homogeneous fine suspension carrier, which below the Durand – type friction has no significant role.

•

Determining the temperature dependency of pressure loss for pastes.


95


8. Hivatkozások D. BEDEL, S.SLOTTE, K.PARKER and L.HENDERSON: Thickening Process, Paste and thickened tailings:a guide, 2002 Dr. BOBOK Elemér: Áramlástan bányamérnököknek, Műszaki Könyvkiadó, 1987 Dr. BOBOK Elemér: Tube Viscometers Developed for Turbulent flow of Pseudoplastic Fluids, Advances in Incremental Petroleum Production (István Lakatos (ed.)), Akadémiai Kiadó, Budapest, 2003 BOBOK E. NAVRATIL L.: Folyási görbék turbulens tartományának meghatározása cső viszkoziméterrel, Köolaj és Földgáz 24. 5. Vol. 1991 BŐHM József, Bányászati hulladékok feldolgozása, oktatási segédlet, 2003 D. COOLING: Case Study, Alcoa World Alumina Australia, Paste and thickened tailings:a guide, 2002 ELANDER L. Hakanson: Prevention and control of mining waste products, Mistra programme MIMI, 1998 J. ENGELS: Existing tailings placement and lagoon and dam design and formation techniques, TAILSAFE WP1 Definitions, Technologies and Parameters, Report Manuscript, 2003 European IPPC Bureau: Draft reference document on best available techniques formanagement of tailings and waste-rock in mining activities, 2003 József FAITLI: Calculation process for the determination of head loss of steady-state solid liquid mixtures flow in horizontal pipelines, Oh.D Thesis Manuscript, 1996 J. FAITLI, I. GOMBKÖTŐ: Flow Properties of Fine Suspension at High Concentrations microCAD 2005 International Scientific Conference, 2005.


96


R. FRILANDER, J. SAARELA: Existing authorization, management, monitoring and inspection practices, TAILSAFE WP1 Definitions, Technologies and Parameters, Report Manuscript, 2003 A. FOUIRE: Material Characterisation, Paste and thickened tailings:a guide, 2002 G.W.GOVIER, K:AZIZ: The flow of complex mixtures in pipes, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1972 R.W.HANKS:Low reynolds number turbulent pipeline flow of pseudohomogeneous sluries, Hydrotransport 5 Hannover BRHA Fluid Engineering, 1978 Dr. JÁVOR Alajos: Bányaműveléstan, mélyfúrás, Tankönyvkiadó, Budapest, 1963 R.J.JEWELL, A.B.FUIRE és E.R.LORD (editors): Paste and thickened tailings:a guide, 2002 KÉZDI Árpád: Talajmechanika I. Egyetemi Tankönyv, Tankönyvkiadó, 1952 LAZARUS J.H., SIVE A.W.: Acomparison of some generilased correlation for the head loss gradient of mixed regime slurries, Hydrotransport 10, Innsbruck BRHA Fluid Engineering, 1986 Tamás MEGGYES: TAILSAFE WP1 Definitions, Technologies and Parameters, Report Manuscript, 7-1, 2003 Tamás MEGGYES: Tailings facilities, an introduction, TAILSAFE WP1 Definitions, Technologies and Parameters, Report Manuscript, 2003 Dr. MEGGYES Tamás: Folyadékok mechanikája, Áralmástan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1987 Mining Association of Canada: „A Guide to the management of tailings facilities”, 1998 J:K:MITCHELL: Fundamentals of soil behaviour, John Wiley and Sons, New York, 1976 Dr.NAGY Géza: A beton szivattyús szállítása, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987


97


P. NEWMAN: Paste, the answer to dam problems, Materials world january 24-26, 2003 A:PATERSON, G:JOHNSON, R:COOKE:Transport (pumps and pipelines), Paste and thickened tailings:a guide, 2002 PASHIAS, N., BOGER, D.V., SUMMERS, J., and GLENISTER, D.J. 1996. A fifty cent rheometer for yield stress measurement. Journal of Rheology, 40(6): 1179–1189. I.E.ROBINSKY: Case Study, Kidd Creek Mine, Canada, Paste and thickened tailings:a guide, 2002 SHOOK C.A., GILLIES R.G., HUSBAND W.H.W.: Coal slurry pipeline flow: a review of transport options, CÍM Bulltin, 1990 october STREAT M.: Dense phase flow of solids – water mixtures in pipelines: A state of the art review, Hydrotransport 10, Innsbruck BHRA Fluid Engineering 1986 SZABÓ Attila: Bentonit-homok keverékből épített szigetelőrétegek vízzárósága a gyakorlatban, VIII. Széchy Károly emlékülés, 2002. február 8. SZARKA Györgyi: Meddőhányók és zagytározók kihordási tulajdonságainak vizsgálata, különös tekintettel a rekultivációra, doktori értekezés, 2007 Dr. TARJÁN Iván: Szivattyúk és szellőztetők, Tankönyvkiadó, Budapest, 1980 Dr. TARJÁN Iván: A mechanikai eljárástechnika alapjai: Miskolci Egyetemi Kiadó, 1997 TARJÁN I., FAITLI J., BŐHM J. és BŐHM Józsefné: Erőműi salak – pernye – víz keverékek hidraulikus szállítási vizsgálata, műszaki szakértői tanulmány, Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszék, 1996 TAJÁN I., DEBRECZENI E. :A hidraulikus szállítás és hidromechanizáció vizsgálata és bányászati alkalmazása, Doktori értekezés, 1989 TARJÁN I., FAITLI J. "The Distinction of the Fine Suspension Flow from the Coarse Mixture Flow by Measuring of the Pressure Loss on a Horizontal Pipe" HYDROMECHANISATION 10, International Conference, pp.185 - 194, Zakopane, Poland, 4 - 7 May 1998.


98


TARJÁN, I. - FAITLI, J. "The distinction of the homogeneous suspension flow from the heterogeneous mixture flow by measuring the head loss on a horizontal pipe" Rheology in the Mineral Industry - International Conference, San Diego, California, 1997. B.McK.TORRANCE:Friction factors for turbulent non-Newtonian fluid flow in cicular pipes, South Africamón Mech. Eng.,13 pp. 89-91, 1963 USEPA: „Technical Report: Design and Evaluation of Tailings Dams”, 1994 S.VICK: Planing, Design and Analysis of tailings dams, Bitech publishers Ltd. 1990 E.J.WASP, J.P.KENNY and R.L.GANDHI: Solid-Liquid Flow Slurry Pipeline Transportation, Trans TEch Publications, Calusthal, 1977 K.C.WILSON, D.G:JUDGE: Application of analitical model to stationary-deposit limit in sandwater sluries, Dredging Technology 2, Texas BRHA Fluid Engineering, 1984 K.C.WILSON: Co-ordinatas for the limit of deposition in pipeline flow, Hydrotransport 3, Colorado BHRA Fluid Engineering, 1974

8.1. A témában közreadott saját publikációk J Faitli;J Bőhm; I Gombkötő; Á Debreczeni; Paste type pipe transport for the safety of tailings facilities. XXIII International Mineral Processing Congress 2006 September. Procidings Volume 3. pp:2287 Dr. József Bőhm; dr. József Faitli; dr. Ákos Debreczeni; Imre Gombkötő Safety and health, tailings management questions, ISCSM 2006 09 24-27, Aachen Konferencia kiadvány: 331339 oldal Imre Gombkötő; Dr. József Faitli; Whether Paste Is A State Of The Material?; Universitaria SIMPRO 2006 Petrosani, Romania, 2006. 10. 13-14. Konferencia Szekciókiadvány: 43-49 oldal Imre Gombkötő, Environmental Friendly Tailing Management, MicroCAD 2007 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

99


Konferencia szekció kiadvány, 33-39 oldal J Bőhm, Á Debreczeni, J Faitli, I Gombkötő and T Meggyes, High-concentration hydraulic transport of tailings, Land Contamination and Reclamation Vol.15 Num. 2 (2007) oldal: 195 – 217 J. Faitli, I. Gombkötő: Flow Properties of Fine Suspension at High Concentrations microCAD 2005 International Scientific Conference, 2005. 03. 10.-11.SBN:963-661-647-7 Gombkötő Imre, Környezetbarát meddőzagykezelés, Bányászati és Kohászati Lapok 140. évfolyam 3. szám 20-25. oldal, 2007 Elfogadott és megjelenés alatt álló publikáció I. Gombkötő and J. Faitli, Application of Paste Technology for Tailings Handling The XXIV International Mineral Processing Congress, 2008 Beijing

8.2. Internetes források: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/24/Cassagrande_2.JPG/619pxCassagrande_2.JPG technology.Infomine.com www.tailings.info www.zpok.hu/cyanide/baiamare/index.htm www.tailsafe.com www.tailpro.com


100


9. Köszönetnyilvánítás Jelen fejezet keretében van lehetőségem köszönetet mondani mindazoknak, akik segítették munkámat és ilyen olyan formában hozzájárultak ennek a dolgozatnak a létrejöttéhez. A szerző ezúton szeretné kifejezni köszönetét tudományos vezetőinek Dr. Bőhm Józsefnek és Dr. Faitli Józsefnek az iránymutatásért és támogatásért, amelyek nagyban hozzájárultak a dolgozat létrejöttében. Fontos kiemelnem az Európai Bizottságot, akinek a TAILSAFE projekt anyagi támogatását köszönhetem, és amely nélkül a zagyszállító kör nem jöhetett volna létre. Szeretném megköszönni a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet valamennyi oktatójának kutatóinak és dolgozóinak, valamint egyetemi kollégáimnak és barátaimnak minden irányú segítségét és támaszát a nehéz órákban. Köszönöm továbbá a megértő türelmet és derűt, melyet szüleimtől, feleségemtől és gyermekeimtől, Gittától és Donáttól kaptam munkám során.


101


10. Mellékletek


102

MISKOLCI EGYETEM NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA című doktori értekezés

MELLÉKLETEI

Összeállította: Gombkötő Imre

Miskolc, 2008


1. MELLÉKLET: Szemcseméret eloszlás függvények, testsűrűség értékek


2



1

Indiai (Neyvil) pernye Dorogi vesz. Hull. pernye Pécsi pernye Mátraszelei bentonit Mátrai erõmûi pernye Homok Gyöngyösoroszi meddõ Üveghomok liszt Mádi bentonit Cement gipsz

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.01

0.1

1

10


100

1000

1 melléklet, 1. ábra: A kísérletekhez felhasznált anyagok szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


3



1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1


1

10

1 melléklet, 2. ábra: A kísérletekhez felhasznált Indiai (Neyveli) erőműi pernye szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1


1

10

1 melléklet, 3. ábra: A kísérletekhez felhasznált dorogi hulladék égetőműi pernye szemcseméret eloszlása NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

4



1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.1

1

10

100


1 melléklet, 4. ábra: A kísérletekhez felhasznált pécsi erőműi pernye szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.01

0.1

1

10


1 melléklet, 5. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátraaljai erőműi pernye szemcseméret eloszlása


5


Szemcseméret eloszlásfüggvényF(x)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.01

0.1

1

10

100

1000


1 melléklet, 6. ábra: A kísérletekhez felhasznált mádi bentonit szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1

1

10


1 melléklet, 7. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátraszelei bentonit szemcseméret eloszlása


6



1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.01

0.1

1

10


1 melléklet, 8. ábra: A kísérletekhez felhasznált homok szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.01

0.1

1

10

100

1000


1 melléklet, 9. ábra: A kísérletekhez felhasznált üveghomok liszt szemcseméret eloszlása


7


Szemcseméret eloszlásfüggvény F (x)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.1

1

10

100


1 melléklet, 10. ábra: A kísérletekhez felhasznált Gyöngyösoroszi flotációs meddő szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.1

1

10

100

1000


1 melléklet, 11. ábra: A kísérletekhez felhasznált cement szemcseméret eloszlása


8



1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.1

1

10

100

1000


1 melléklet, 12. ábra: A kísérletekhez felhasznált gipsz szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6

0.4 Pernye / bentonit 5% Pernye / bentonit 10% Pernye / bentonit 15% Pernye / bentonit 20% Pernye / bentonit 25% Mátraaljai Pernye Bentonit (Mátraszele)

0.2

0 0.01

0.1

1

10

Szemcseméret x[mm]

1 melléklet, 13. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátrai erőműi pernye és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása


9



1

0.8

0.6

0.4

Homok / 5% bentonit (mátraszele) Homok / 10% bentonit (mátraszele) Homok / 15% bentonit (mátraszele) Homok / 20% bentonit (mátraszele) Homok / 25% bentonit (mátraszele) Homok Bentonit (Mátraszele)

0.2

0 0.01

0.1

1

10

Szemcseméret x[mm]

1 melléklet, 14. ábra: A kísérletekhez felhasznált homok és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása


1

0.8

0.6 pernye (Pécs) homokliszt bentonit (Mád) cement gipsz

0.4

0.2

0 0

40

80

120

160

200

Szemcseméret [µm]

1 melléklet, 15. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád) , pernye (Pécs), cement és gipsz szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


10



1 bentonit (Mád) homokliszt homokliszt / bentonit 5% homokliszt / bentonit 10% homokliszt / bentonit 15% homokliszt / bentonit 20%

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Szemcseméret [µm]

1 melléklet, 16. ábra: A kísérletekhez felhasznált üveghomok liszt, bentonit (Mád) , és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


1

0.8

0.6

0.4 bentonit (Mád) pernye (Pécs) homokliszt / bentonit 5% homokliszt / bentonit 10% homokliszt / bentonit 15% homokliszt / bentonit 20%

0.2

0 1

10

100

1000

Szemcseméret [µm]

1 melléklet, 17. ábra: A kísérletekhez felhasznált pernye (Pécs), bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása


11


Anyag

testsűrűség [kg/m3]

Indiai pernye Mátrai erőműi pernye Pécsi pernye Dorogi pernye Mádi bentonit Mátraszelei bentonit Homok Homokliszt Cement Gipsz Gyöngyösoroszi meddő

2492 2355 2078 2429 2618 2574 2720 2681 2314 2403 2701

1 melléklet, 1. táblázat: A kísérletekhez felhasznált anyagok testsűrűség értékei


12


2. MELLÉKLET: Reológiai mérések


13


Indiai (Neyvil) pernye

A pszeudó nyírási görbéken a szimbólumok jelentése a következő: ○ = 16 mm, ● = 21 mm és □ = 29 mm belső csőátmérőt jelöl.

80


C = 10,6 % η = 9 mPas τ o= 0 Pa

60

40

20

0 0

200

400

600

800


1000

2. Melléklet, 1. ábra: 10,6 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzión pszeudó nyírási görbéje


14


80


C = 25 % η = 12 mPas τ o= 0,75 Pa

60

40

20

0 0

200

400

600

800


1000

2. Melléklet, 2. ábra: 25 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje 80


C = 30 % η = 15 mPas τ o= 1,05 Pa

60

40

20

0 0

200

400

600

800


1000

2. Melléklet, 3. ábra: 30 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

15


80


C = 36 % η = 22 mPas τ o= 4,5 Pa

60

40

20

0 0

200

400

600

800


1000

2. Melléklet, 4. ábra: 36 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje 200

C = 38 % η = 86 mPas τ o= 15 Pa


160

120

80

40

0 0

200

400

600

800


1000

2. Melléklet, 5. ábra: 38 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

16


200

C = 43 % η = 140 mPas τ o= 29 Pa


160

120

80

40

0 0

200

400

600

800


2. Melléklet, 6. ábra: 43 % térfogati koncentrációjú finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje 0.20


0.16

0.12

0.08

0.04

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5


2. Melléklet, 7. ábra: A finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében


17


A kapott eredményekre illesztett numerikus dimenziós összefüggés:

η[ Pas] = µ o [ Pas](1 + 25C + 360000C 9, 2 )

(2/a)

100.00


80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

2. Melléklet, 8. ábra: A finom (< 160 µm) pernye – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében

A kapott eredményekre illesztett numerikus dimenziós összefüggés:

τ o = 0,01[ Pa]e18,5C

(2/b)

Az összefüggés csak a vizsgálati koncentráció tartományban érvényes.


18


Az 5 % bentonitot (Mátraszele) tartalmazó pernye (Mátrai Erőmű) – bentonit – víz szuszpenziók pszeudó nyírási diagramjai.

(A pszeudó nyírási diagramokban használt jelek jelentése a következő: kör → d = 16 mm, háromszög → d = 21 mm, rombusz → d = 29 mm átmérőjű mérő csőszakaszt jelöl.)

80


Pernye - 5 % bentonit, C = 14 % η = 6 mPas τo = 0,75 Pa

60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 9. ábra: 14 % térfogati koncentrációjú pernye – bentonit (5%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje.


19


80


Pernye - 5 % bentonit, C = 20 % η = 10 mPas τo = 2,25 Pa

60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 10. ábra: 20 % térfogati koncentrációjú pernye – bentonit (5%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje. 200

Pernye - 5 % bentonit, C = 29 % η = 50 mPas τo = 30 Pa


160

120

80

40

0 0

400

800


1200



20


200

Pernye - 5 % bentonit, C = 33 % η = 85 mPas τo= 52,5 Pa


160

120

80

40

0 0

400

800


1200



21


A 10 % bentonitot (Mátraszele) tartalmazó pernye (Mátrai Erőmű) – bentonit – víz szuszpenziók pszeudó nyírási diagramjai.


200

Pernye - 10 % bentonit, C = 19,6 % η = 13 mPas τo = 2,1 Pa


160

120

80

40

0 0

400

800


1200

2. Melléklet, 13. ábra: 19,6 % térfogati koncentrációjú pernye – bentonit (10%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje.


22


200



160

120

80

40

0 0

400

800


1200

2. Melléklet, 14. ábra: 28 % térfogati koncentrációjú pernye – bentonit (10%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje. 200



160

120

80

40

0 0

400

800


1200



23


Az 5 % bentonitot (Mátraszele) tartalmazó homok – bentonit – víz szuszpenziók pszeudó nyírási diagramjai.


80


Homok - 5 % bentonit, C = 11 % η = 6 mPas τo = 0 Pa

60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 16. ábra: 11 % térfogati koncentrációjú homok – bentonit (5%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje.


24


80



60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 17. ábra: 19 % térfogati koncentrációjú homok – bentonit (5%) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje. 200



160

120

80

40

0 0

400

800


1200



25


200

Homok - 5 % bentonit, C = 35 % η = 80 mPas τo = 61.5 Pa


160

120

80

40

0 0

400

800


1200



26


A 10 % bentonitot (Mátraszele) tartalmazó homok – bentonit – víz szuszpenziók pszeudó nyírási diagramjai.


80


Homok - 10 % bentonit, C = 12 % η = 6 mPas τo = 0,75 Pa

60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 20. ábra: 12 % térfogati koncentrációjú homok – bentonit (10 %) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje.


27


80



60

40

20

0 0

400

800

1200


2. Melléklet, 21. ábra: 20 % térfogati koncentrációjú homok – bentonit (10 %) – víz szuszpenzió pszeudó nyírási görbéje. 80



60

40

20

0 0

200

400

600

800

1000




28


200



160

120

80

40

0 0

100

200

300

400


500



29


A mátraaljai pernye / bentonit (Mátraszele) keverékek és homok / bentonit (Mátraszele) keverékek reológiai méréseivel kapott eredményeinek összefoglalása: 0.20


0.16

0.12

0.08

0.04

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

2. Melléklet, 24. ábra: A vizsgált szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében. Szimbólumok: □ = Pernye – bentonit (5%) – víz ■ = Pernye – bentonit (10%) - víz ○ = Homok – bentonit (5%) - víz ● = Homok – bentonit (10%) - víz

η = µo (1 + K1C + K 2 C 5 )

µo = 0,001 Pas

(2/c)

2. Melléklet, 1. táblázat: A 2. melléklet, 24. diagramban ábrázolt függvényben szereplő konstansok az egyes esetekben: Anyag Pernye – bentonit (5%) - víz Pernye – bentonit (10%) - víz Homok – bentonit (5%) - víz Homok – bentonit (10%) - víz

K1 30 30 50 50


K2 19500 39000 14000 17000

30


100.00


80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

2. Melléklet, 25. ábra: A vizsgált szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében. Szimbólumok: □ = Pernye – bentonit (5%) – víz ■ = Pernye – bentonit (10%) - víz ○ = Homok – bentonit (5%) - víz ● = Homok – bentonit (10%) - víz A 4 vizsgált szuszpenzió nyugalmi határfeszültségére illesztett függvény:

τ o [ Pa] = 0,01[ Pa]e 26C


(2/d)

31


Dorogi Hulladékégető pernye (Faitli és társai, 2004)( Veszélyes hulladékégetőműi pernye kezelésével kapcsolatos vizsgálatok elvégzése, Műszaki szakértői tanulmány kézirat) 16.00

C = 11 % η = 4 mPas τ o = 1,3 Pa

Wall shear stress [Pa]

12.00

8.00

4.00

0.00 0

200

400

600

800

1000

Pseudo shear rate (8v/D) [1/s]

2. Melléklet, 26. ábra: A 11 %-os pernye (Dorog) – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja (csőviszkoziméteres mérés)


32


1.6

C = 10 %

η = 3,8 mPas τo = 0,21 Pa

Shear stress [Pa]

1.2

0.8

0.4

0.0 0

40

80

120

160

Shear rate [1/s]

2. Melléklet, 27. ábra: A 10 % térfogati koncentrációjú pernye (Dorog) – víz finom szuszpenzió nyírási diagramja (rotációs viszkoziméteres mérés) 1.6

C = 20 % η = 6,5 mPas τo = 0,46 Pa

Shear stress [Pa]

1.2

0.8

0.4

0.0 0

40

80

120

160

Shear rate [1/s]

2. Melléklet, 28. ábra: A 20 % térfogati koncentrációjú pernye (Dorog) – víz finom szuszpenzió nyírási diagramja (rotációs viszkoziméteres mérés)


33


50.0

C = 30 %

η = 150 mPas τo = 7,5 Pa

Shear stress [Pa]

40.0

30.0

20.0

10.0

0.0 0

40

80

Shear rate [1/s]

120

160

2. Melléklet, 29. ábra: A 30 % térfogati koncentrációjú pernye (Dorog) – víz finom szuszpenzió nyírási diagramja (rotációs viszkoziméteres mérés)


34


0.40

η = µo + (0,000003e 36C ) Coefficient of rigidity [ Pas ]

0.30

0.20

0.10

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Transport volumic concentration [ ]

2. Melléklet, 30. ábra: A pernye (Dorog) – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében 20.00

τ o = 0,00015[ Pa]e36C

Yield stress [ Pa ]

16.00

12.00

8.00

4.00

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Transport volumic concentration [ ]

0.5

2. Melléklet, 31. ábra: A pernye (Dorog) – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében


35


Gyöngyösoroszi flotációs meddő cső - viszkoziméteres mérései (Első sorozat)

40


30

20

10

0 0

200

400

600

Pseudo shear rate [1/s]

800

1000

2. Melléklet, 32. ábra: A 18 % térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés)


36

ULTRA NAGY KONCNETRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA 40


30

20

10

0 0

200

400

600


800

1000

2. Melléklet, 33. ábra: A 26 % térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés) 40


30

20

10

0 0

200

400

600


800

1000

2. Melléklet, 34. ábra: A 34 % térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés)


37


2. Melléklet, 35. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében

2. Melléklet, 36. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében


38


A Gyöngyösoroszi meddő reológiai méréseit összefoglaló (első sorozat) adatokra illesztett függvények:

η F [ Pas ] = µ o [ Pas ](1 + 80 C + 600000 C 9 )

(2/e)

τ F [ Pa ] = 0.7[ Pa ]e10 .4 C

(2/f)


39


Gyöngyösoroszi flotációs meddő cső - viszkoziméteres mérései (Második sorozat) 2. Melléklet, 2. táblázat: Gyöngyösoroszi flotációs meddő csőviszkoziméteres mérésének (második sorozat) eredményeit összefoglaló táblázata: τ0 [Pa] 0,07 0,06 0,03 0,095 0,325 0,25 0,34 0,64

cV 0,105 0,18 0,26 0,4 0,48 0,485 0,52 0,53

η[PaS] 27 26 32 122 361 256 548 728

Nyírófeszültség a fal mellett τW [Pa]

80

60

40

20

0 0

100

200

300

Pszeudó nyírási ebesség (8v/d) [1/s]

400

2. Melléklet, 37. ábra: A 10,5 % térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés)


40



60

40

20

0 0

100

200

300

400

Pszeudó nyírási sebesség (8v/d) [1/s]

2. Melléklet, 38. ábra: A 18 % térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés)


60

40

20

0 50

100

150

200

250


300

350

2. Melléklet, 39. ábra: A 26 % térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés) NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

41



250

200

150

100

50

0 50

100

150

200

250


300

350



800

600

400

200

0 50

100

150

200

250


300



42



800

600

400

200

0 40

80

120

160

200


240

280

2. Melléklet, 42. ábra: A 48,5 % térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz finom szuszpenzió pszeudó nyírási diagramja. (cső viszkoziméteres mérés)


1000

800

600

400

200

0 0

50

100

150

200


250

300



43



1200

800

400

0 0

100

200


300



800

600

Definiált függvény (η) η=µ0(1+K1C+K2C3) η=µ0(1+K1C) 400

200

0 0

20

40


60

2. Melléklet, 45. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében, függvényillesztések összehasonlítása


44


Nyugalmi határfeszültség (τ0) [Pa]

1600

1200

800

400

0 0

20

40


60

2. Melléklet, 46. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében A Gyöngyösoroszi meddő reológiai méréseit összefoglaló (második sorozat) adatokra illesztett függvények:

η[ Pas] = µ0 [ Pas](1 + 2,6365C + 2,86 ⋅10−4 C 0, 2681 ) τ 0 [ Pa] = 0,45899[ Pa]e 0,1379C


(2/g) (2/h)

45


3. MELLÉKLET: Hidraulikus szállítási mérések


46


Indiai (Neyveli) Pernye 3. Melléket, 1. táblázat: Indiai (Neyveli) pernye hidraulikus szállítási kísérleteinél alkalmazott koncentrációviszonyok összefoglalása: Bekeverés sorszáma: Szállítási térfogati koncentráció Szállítási tömeg koncentráció CTV [ % ] CTm [ % ] 1

10,66

20,9

2

20,55

39,2

3

30,7

52,5

4

39,7

62,1

5

50,05

71,4

0.05

∆ p/L [bar/m]

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

v [m/s]

3. Melléklet, 1 ábra: A 10,66 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő)


47


0.05

∆ p/L [bar/m]

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

v [m/s]

3. Melléklet, 2. ábra: A 22,05 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli)– víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő). 0.05

∆ p/L [bar/m]

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

v [m/s]

3. Melléklet, 3. ábra: A 30,7 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő)


48


0.06

∆ p/L [bar/m]

0.04

0.02

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

v [m/s]

4.00

3. Melléklet, 4. ábra: A 39,7 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) 0.08

∆ p/L [bar/m]

0.06

0.04

0.02

0.00 0.00

1.00

v [m/s]

2.00

3.00

3. Melléklet, 5. ábra: A 50,05 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye(Neyveli) – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő)


49



4.0 3.0

d = 41 mm

2.0

d = 53 mm

1.0


0.06 0.0

0.04

d = 41 mm 0.02

d = 53 mm


0.40 0.00 0.30

d = 53 mm

0.20 0.10 0.00 0

400

800

1200

1600

2000


3. Melléklet, 6. ábra: A 10,66 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli)– víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása


4.0

d = 41 mm

3.0 2.0

d = 53 mm

1.0


0.0 0.06

d = 41 mm 0.04

0.02

d = 53 mm


0.00 0.60 0.50 0.40

d = 53 mm

0.30 0.20 0.10 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500


3. Melléklet, 7. ábra: A 22,05 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

50



4.0

d = 41 mm

3.0 2.0

d = 53 mm

1.0


0.06 0.0

d = 41 mm 0.04

0.02

d = 53 mm


0.00 0.60 0.50 0.40

d = 53 mm

0.30 0.20 0.10 0.00 0

500

1000

1500


2000

2500



4.0

d = 41 mm

3.0 2.0

d = 53 mm

1.0


0.06 0.0

0.04

d = 41 mm

0.02

d = 53 mm

0.00 0.80


0.70 0.60

d = 53 mm

0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0

500

1000

1500


2000

2500

3. Melléklet, 9. ábra: A 39,7 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) – víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

51



4.0 3.0

d = 41 mm

2.0 1.0

d = 53 mm


0.0 0.08 0.06 0.04

d = 41 mm

0.02

d = 53 mm

0.80 0.00


0.70 0.60

d = 53 mm

0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0

500

1000

1500


2000

2500



52


Gyöngyösoroszi flotációs meddő – első sorozat

0.08

CT = 10%

∆ p/L [bar/m]

0.06

0.04

d = 41 mm 0.02

Laminar - turbulent transition d = 53 mm

0.00 0

1

2

v [m/s]

3

4

5

3. Melléklet, 11. ábra: A 10 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) / számított nyomásveszteség


53


0.30

CT = 40%

0.25

Laminar - turbulent transition

∆ p/L [bar/m]

0.20

d = 41 mm

0.15

0.10

d = 53 mm 0.05

0.00 0

2

4

v [m/s]

6

8

3. Melléklet, 12. ábra: A 40 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) / számított nyomásveszteség 1.00

CT = 48%

∆ p/L [bar/m]

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00 0.0

0.2

0.4

v [m/s]

0.6

0.8

3. Melléklet, 13. ábra: A 48 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje (□ = 53 mm, ○ = 41 mm csőátmérő) / számított nyomásveszteség NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET

54


Gyöngyösoroszi flotációs meddő – második sorozat

1 Graph 2 cV = 0,4


cV = 0,48 cV = 0,485

0.8

cV = 0,52 cV = 0,53

0.6

0.4

0.2

0 0

0.5

1

1.5


2

2.5

3. Melléklet, 14. ábra m: Eltérő szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéinek összehasonlítása


55



0.18

0.16

0.14

0.12

0.1 0.4

0.8

1.2

1.6

2


2.4

3. Melléklet, 15. ábra: A 40 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért/ számított


0.6

0.4

0.2

0 0.4

0.8

1.2


1.6

2



56



0.6

0.4

0.2

0 0.4

0.8

1.2


1.6

2


3. Melléklet, 17. ábra: A 48,5 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért/ számított

0.8

0.6

0.4

0

0.4

0.8

1.2


1.6

2



57



0.8

0.6

0.4

0

0.4

0.8

1.2


1.6

2

3. Melléklet, 19. ábra: A 53 % szállítási térfogati koncentrációjú Gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért / számított


58


4. MELLÉKLET: Egyéb mérések, képek


59


0.5

Víztartalom w [%]

0.4

0.3

0.2

0.1 Homokliszt

F% = 26%

cV=0,59

Homokliszt / 20% Bentonit F% = 37%

cV=0,5

Pernye / 20% Bentonit

cV=0,52

F% = 44%

0 1

10

Ütések száma n [db]

100

4. Melléklet, 1. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (20%, Mád) keverékek folyási egyenesei, F% meghatározása Cassagrande - készülékkel.


60


Roskadási „Slump Cone” Teszt 200



160

120

80

40

0 10

20

30


40

50

4. Melléklet, 2. ábra : Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (15, 20%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (15, 20%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 200


160

120

80

40

0 20

30

40

Térfogati koncentráció cV [%]

50

60

4. Melléklet, 3. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje. (Slump Cone Test).


61


4. Melléklet, 4. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje 30% térfogati koncentráció mellett




62



4. Melléklet, 8. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje, vizsgálat előtt a szabványos ASTM kúpba töltve

4. Melléklet, 9. ábra: Pernye (Mátraalja) és 10% bentonit (Mátraszele) roskadási tesztje 30% térfogati koncentráció mellett


63


4. Melléklet, 10. ábra: Üveghomok liszt és 15% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett



4. Melléklet, 13. ábra: Pernye (Pécs) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett


64


4. Melléklet, 14. ábra: Pernye (Pécs) és 15% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett

4. Melléklet, 15. ábra: Pernye (Pécs) és 20% bentonit (Mád) roskadási tesztje 50% térfogati koncentráció mellett


65

Doktori Értekezés ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN MISKOLCI EGYETEM TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA

Recommend Documents