A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya hidraulikus tömedékelési rendszerének vizsgálata Diplomamunka

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Kar A Gyöngyösoroszi Szulfidos Ércbánya hidraulikus tömedékelési rendszerének vizsgálata Diplomamunka Készítette: László Dalma Előkészítéstechnikai mérnök mesterképzési szak (MSc) - Általános eljárástechnikai modul Belső Konzulens: Dr. Faitli József intézetigazgató, egyetemi docens Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Külső Konzulens: Weisz Róbert okl. bányagépész mérnök, projektvezető GEO-FABER Műszaki Vállalkozó Zrt., Beadás dátuma: május 8. Miskolc, május 8.

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

3 Tartalom 1. Bevezetés Szakirodalmi áttekintés A bányászat felhagyása a Gyöngyösoroszi ércbányában A felszín alatti bányatérség aktuális állapota Korábbi becslések Mátraszentimrei telér vízminősége A tömedékeléssel elérendő célok Tömedékelés erőműi pernyével A pernye, mint erőműi melléktermék Nemzetközi tapasztalatok A pernye tulajdonságai Nyomásveszteség számítási algoritmus Tarján-Faitli: A finom szuszpenzió - durva keverékáramlás modell A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének számítása A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása Ívcsövek áramlási veszteségei A Mátrai Erőmű salak pernye sűrűzagyos kiszállító rendszere A Mátraszentimrei telér tömedékelő rendszerének bemutatása A pernye szállítása Pernye fogadás, bekeverés Tömedékanyag szállítás Víztelenítés Mérések Számítási algoritmus kalibrálása a mért adatokra A pernye szemcseméret eloszlása Az égetett mész (CaO) oldódásának hatása a pernye zagyra A pernye zagy sűrűségének valamint a finom szuszpenzió és a durva keverék szállítási koncentrációjának meghatározása...38 I

4 4.4. Keverékáramlási átlagsebesség számítása Keverékáramlási átlagsebesség NÁ 150-es csőben Keverékáramlási átlagsebesség 160-as KPE csőben A finom szuszpenzió- és a durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása Nyomásveszteség számítása NÁ 150-es csőben Nyomásveszteség számítása 160-as KPE csőben A teljes nyomásveszteség A tömedékelő csőhosszak és csőátmérők sematikus ábrája A nyomásveszteségek átszámítása a bánya 3., 4. és 6. szintjére Összefoglalás Magyar nyelvű összefoglalás Summary Irodalomjegyzék Mellékletek jegyzéke...59 II

5 1. Bevezetés Gyöngyösoroszi térségében, a több száz éves múltra visszatekintő ércbányászat 1985-re, részben a földtani adottságok, részben a gazdasági körülmények miatt ellehetetlenedett. Az akkor meghozott vállalati döntések alapján a bánya tartós szüneteltetése 1986-ban megkezdődött. Az ÁPV Rt. döntése alapján a Gyöngyösoroszi Ércbánya 2004-ben a MECSEKÉRC Rt. kezelésébe került, azzal a feladattal, hogy a bánya végleges bezárásának műszaki, technikai, engedélyezési feltételeit fel kell tárni, meg kell teremteni, annak érdekében, hogy a végleges bezáráshoz, a szükséges döntések előkészítése megtörténjen. Az elvégzett szakértői elemzések alapján megállapították: A Gyöngyösoroszi Ércbányából az altáron kifolyó víz (kezelendő víz) kb %-a Mátraszentimre térségében lévő bányatérségből származik. A Mátraszentimrei telér magas pirittartalma miatt ebből a térségből származó víz átlagosnál alacsonyabb ph értékű és magas oldott fémtartalmú, ami jelentős hatással van az altáron kifolyó és kezelést igénylő víz összetételére. A bányatérségből a harántba évi adatok alapján 3,2 ph-jól, 60 mg/l Zn és 150 mg/l Fe koncentrációjú extreme szennyezett bányavíz kerül, Az altáron kifolyó víz mennyiségének csökkentése és a minőség javítása szükséges A mátraszentimrei üregtérfogat lehetőséget ad a vágatok tönkremeneteli folyamataiból adódó omlások miatt ellenőrizhetetlen nyomások kialakulására; az ebből adódó esetleges haváriák megakadályozására szükséges a mátraszentimrei terület bányatérségeinek, fejtési üregeinek teljes tömedékelése. Az elkészült hidrogeológiai jelentés, a szakértői értékelések alapján megállapították, hogy a Gyöngyösoroszi Ércbánya Mátraszentimre térségében lévő üzemrészének teljes körű tömedékelése indokolt. Az MNV Zrt. megbízásából a Gyöngyösoroszi színesércbányászat földalatti létesítményei (Visontáról Mátrai Erőmű Zrt. származó) erőműi pernyével történő végleges bezárását, valamint az ércbányászat teljes hatásterületére kiterjedő kármentesítési, tájrendezési és rekultivációs feladatait a Mecsek-Öko Zrt. végzi. [1.] [2.] A Mátraszentimrei tömedékelő csővezeték nyomásveszteségének a számítására a Tarján Faitli: finom szuszpenzió durva keverékáramlás modell alkalmas, mely egy olyan csővezetékszállítás tervezési módszer, amely fizikai anyagvizsgálatokon és félüzemi méretű hidraulikus szállítási vizsgálatokon alapul. 1

6 Diplomamunkám célja a Gyöngyösoroszi Ércbánya Mátraszentimre térségében lévő üzemrészének függőleges ejtőcsővel megvalósított hidraulikus tömedékelési rendszerének bemutatása, és az említett modell számítási algoritmusának további finomítása ipari mért adatokra, melynek segítségével javaslatot teszek arra, hogy a bánya 96, 189 és 237 m-es geodetikus magasságban lévő vágatainak tömedékelése esetén hol van szükség nyomásfokozó szivattyúk beépítésére. 2

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

8 dokumentumok. A tervezési, engedélyeztetési folyamatot követően az Északmagyarországi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség /2005. ügyiratszámon kiadta a gyöngyösoroszi ércbányászat föld alatti térségeinek bezárásához a környezetvédelmi engedélyt. [4.] 2008-ban a Mecsek-Öko Zrt. a végleges bezárást eredményező rekultivációra kapott megbízást. A munkálatokhoz tartozott: a mátraszentimrei akna kinyitása, biztosítása az Altáró kinyitása, biztosítása a Toka-patak és a Száraz-ér kármentesítése a Száraz-völgyi zagytározó tájrendezése a hordalékfelfogó kármentesítése az Ipari-víztározó kármentesítése Jelenleg a kármentesítések, tájrendezések és a Mátraszentimre - Gyöngyösoroszi mélyművelés felszámolása is zajlik. A régi üregekből eddig is a külszínre folyó vizek most ellenőrzés és "felügyelet" mellett érkeznek a víztisztítóba. A fejtési üregek zárása, tömedékelése folyamatosan történik. A tervezett munkák előrelátható befejezése 2015-re várható. [5.] 2.2. A felszín alatti bányatérség aktuális állapota Korábbi becslések A szakemberek között elfogadott nézet, hogy az érc magas pirit tartalma miatt a mátraszentimrei bányaüregekben fakadó víz térfogatarányánál nagyobb hányadú szennyező anyagot juttat az eredő bányavízbe. Elfogadva a korábbi 2003-as hidrogeológiai modellezéssel valószínűsített értéket, amely szerint a mátraszentimrei bányamező felől érkező víz az Altárón kifolyó bányavíznek mintegy 20 %-át teszi ki, és feltételezve azt a korábbi tapasztalatot, hogy a szennyezés mintegy 50 %-a érkezik a mátraszentimrei bányamezőből, (ebben az esetben a mátraszentimrei bányaüregekben oxidálódó pirit mennyisége évente kb. 50 t-t tesz ki) arra a megállapításra jutottak, hogy a mátraszentimrei üregrendszerben képződő bányavíz vastartalma kb. 135 mg/l, cinktartalma pedig 48 mg/l. A becsléseket két időpontra vonatkoztatva részben mért adatokkal is alátámasztották. Az 1986-ban a bánya felhagyása idején mért, illetve az Mszi-1 fúrás tapasztalatai felhasználásával a 2004-es állapot adatai alapján. 4

9 A központi bányamezőben fakadó víz mennyiségére és minőségére 1988-ban közölt adatok alapján a központi bányamezőben fakadó víz mennyisége kb. 173 m 3 /nap értékre tehető. A bányabérci terület és a mátraszentimrei bányamező vízhozamainak arányát 70:30-ra állapították meg. (mátraszentimrei víz : bányabérci víz = 70:30). Ezek alapján a következő rész-vízhozamok adódtak a vizsgált es időszakra: Mátraszentimrei bányamező: 385 m 3 /nap (vagy 20,64%) Bányabérci terület: 163 m 3 /nap (vagy 8,7 %) Központi bányamező m-es szint: 173 m 3 /nap (vagy 9,3% a teljes 1865 m 3 /nap bányavízhozamnak) évre a bányavíz mennyisége 3332 m 3 /nap volt átlagosan. Ez mintegy 50 %-kal haladja meg az évek átlagát, ami részben a csapadékos időjárásnak, részben annak tudható be, hogy leeresztésre került a V-3 gát mögött felgyülemlett víz. A évi számítások szerint a mátraszentimrei bányamezőből érkező víz, amelynek részaránya 21,84 %, valóban igen szennyezett: cinktartalma eléri az 50 mg/l értéket, vaskoncentrációja 192 mg/l értéknek adódik a számítások szerint. A víz ph-ja azonban lényegesen meghaladja a ph=3 értéket, amire az eredő víz 6 fölötti ph-értékéből lehet következtetni. Így tehát a évi tényadatok alapján a fenti elvek figyelembe vételével elvégzett számítások szerint a mátraszentimrei bányatérségekből érkező, részarányát tekintve mintegy 21,84 %-nyi mennyiségű bányavíz cinkkoncentrációja 49 mg/l, vaskoncentrációja 192 mg/l, oldott anyag tartalma pedig 2229 mg/l volt. [1.] A fentiek alapján az egyes bányatérségek vízminőségére és vízhozamára vonatkozó adatokat az 1. táblázat foglalja össze. 1. táblázat: Az egyes bányatérségek vízhozama és vízminősége évi adatok alapján [1.] ph Zn Fe SO 4 m 3 /nap % m 3 /nap % mg/l 1 Mátraszentimre , ,49 3, Bányabérc 163 8, ,18 5, Központi 400 felett 173 9, ,69 5, Központi 400 alatt ,63 7, Altáró kifolyó , ,00 6,

10 Mátraszentimrei telér vízminősége [1.] év végétől a csorgából vett vízminták elemzési eredményei alapján folyamatosan emelkedő szulfát, fajlagos vezetőképesség értékek és csökkenő ph volt megfigyelhető ben a Mátraszentimre felől származó víz az alábbi átlagos általános vízkémiai paraméterekkel rendelkezett: ph = 3,25, szulfát: 1490 mg/l, fajlagos vezetőképesség: 2125 mg/l A tömedékeléssel elérendő célok A mátraszentimrei telér tömedékanyaggal való kitöltésének célja, hogy a bizonyítottan ebből a telérből oxidációs/savasodási folyamatok révén származó jelentősen szennyezett vizek minősége pozitív irányban változzon. A szivárgó vizek elsavasodása (így toxikus fém tartalmának növekedése) az üregfelületen oxigén hatására következnek be. A tömedékelés hatására, amely révén a savképző üregfelületek elzárásra kerülnek, e folyamatok mérséklődnek, így javul a telér irányából az Altáró felé áramló víz minősége. Az Altárón Gyöngyösorosziban kifolyó víz minősége a bányabezárás hatására javulni fog, a Bánya-vízkezelő üzemben keletkező víztisztítási hulladék mennyisége jelentősen csökken, ami a vízkezelés költéségére is jelentős pozitív hatással lesz. Hosszabb távon a vízkezelés felszámolható. Kitűzött célok: A bányaüregben ne tudjon nagy mennyiségű és nagy nyomású víztömeg összegyűlni. A bányaüreg teljes kitöltése annak érdekében, hogy a szabad ércfelületek lezárásával a szulfidok elsősorban a pirit oxidációjának lehetősége megszűnjön. A mátraszentimrei bányatérségekben fakadó vizek kizárása, ill. mennyiségének csökkentése. A fakadó vizek elszennyeződésének, az oxidálódott pirit oldódásából adódó savasodás, a nehézfém beoldódások megelőzése. A drenázsréteg megépítésével elérendő célok: A tömedékelést követően a bányatérségekben még előforduló fakadó vizek akadálytalan kifolyásának hosszútávon történő biztosítása, a vizek elvezetése és szükség esetén kezelése. A bizonytalan és ellenőrizetlen helyzet megszüntetése. 6

11 A bányabezárási koncepció elvi megvalósulását az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra: Bányebezárási koncepció [6.] A tömedékanyag elhelyezése felszín alatti bányatérségeket érint a felszíntől számított m közötti mélységben (424 mbf. 756 mbf.). A kitöltés eredményeként a jelenleginél kedvezőbb állapot áll majd fent, miszerint jelentősen csökken a telérből az Altáró irányába áramló bányavíz szennyezettsége. Az alacsonyabb szennyező anyag tartalommal kifolyó bányavíz kezelési költségei jelentősen kedvezőbbek lesznek, hosszabb távon a bányavízkezelés megszüntetése is prognosztizálható. A beavatkozás kiegészítve a bányabezárás keretében tervezett altárói drénrendszer kialakításával a felszíni és a felszín alatti vizekre negatív hatást nem gyakorol. A mátraszentimrei akna és az altárórendszer teljes hosszban történő újranyitása 2010-re megtörtént. A föld alatti bányatérségben végzett kísérleti tömedékelés tapasztalatai, valamint az elvégzett in situ és laboratóriumi vizsgálatok alapján az Észak-magyarországi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség hulladékhasznosítási engedélyt adott ki a bányatérségek erőművi pernyével történő tömedékelésére. [1.] [4.] 2.4. Tömedékelés erőműi pernyével Alapvetően két fő csoportba sorolja az irodalom a tömedék anyagokat. Az egyik a nem cementálódó tömedék, ahol nem használnak kötőanyagot (talajmechanikai tulajdonságok a mérvadóak), a másik pedig a cementálódó tömedék, ami kis mennyiségű kötőanyagot tartalmaz, legtöbbször Portland cementet, klinkertakarékos cementet vagy meszet. [7.] A 2. ábrán egy tömedékelési példa látható. 7

12 Vízszintes vágat Derített víz Tömedékanyag Porózus fal Vízszintes vágat 2. ábra: Tömedékelési példa [7.] Ausztrália területén kb. 10 millió m 3 földalatti tér maradt a bányászati tevékenység után, ahol a jellemző technológia a nem cementálódó módszer, amely során a legtöbb esetben pasztaként (c = m/m %) juttatják le a zagyot az üregekbe. Ezzel kapcsolatosan több mint 20 különböző hidraulikus töltőanyagot vizsgáltak a James Cook Egyetemen. A hidraulikus töltőanyagok egyszerű iszapos homokok, vagy homokos iszapok, agyag frakció nélkül, melyek osztályozottak, mint ML vagy SM az USCS (Unified Soil Classification System) szabvány szerint. Az agyag frakciót az iszaptalanítás során távolítják el hidrociklon segítségével, a finom szemcséket a salaktöltésben használják fel. Az elmúlt évtizedben állandó növekedést értek el a szilárd anyagtartalomban, csökkentve a víztartalmat. A szilárd anyag tartalom pontos beállítása fontos kérdés, mert zagyok esetén szállítási nehézségek jelentkezhetnek. Jelenleg a szilárd anyag koncentrációja tömeg %, térfogat tekintetében a szuszpenzió kb. 50 térfogat %-a víz. Cementálódó tömedék esetében 100 kpa egytengelyű szilárdságot értek el. A 3. ábra egy tömedékelési példát mutat be, ahol a tömedék anyag megtartására valamint a vízáteresztő képesség biztosítására porózus szerkezetű téglából épített falak szolgálnak. 8

13 3. ábra: Tipikus tömedékeléshez alkalmazott anyagok szemcseméret eloszlásai [7.] A drénezési feladatok igen fontosak a bányászat területén, sok korábbi baleset vezethető vissza a rossz kivitelezésre. Kritikus pont a hidraulikus töltőanyag permeabilitása, mert ennek folyamatosan a 100 mm/h érték közelében kell lennie. Ezért permeabilitási teszteket kell elvégezni a bánya töltőanyagokon és a gátak tégláival. A hidraulikus töltőanyag minták értékei a 7-33 mm/h tartományban találhatóak. Ennek ellenére Herget és De Korompay (1978) javasolják ezen töltőanyagokat, mivel a gyakorlati tapasztalatok alapján a bányákban nagyobb értékeket mérnek, mint a laborokban. Kuganathan (2001), Brady és Brown (2002) a mm/h értéket javasolták laboratóriumi mérések esetén. A töltőanyag stabilitás fontos kérdés a drénezés alatt és után. A szilárdság és állékonyság nagyban függ a relatív sűrűségtől. Ha a minta tömörebb, akkor a sűrűség és a belső súrlódási szög is nagyobb, és sokkal stabilabb a minta. Az elhelyezés utáni tulajdonságok meghatározására /állékonyság/ Clark (1988) ajánlotta ezen teszt elvégzését. A mintákat 5 percig vibráltatták egy vibrációs asztalon. A mérés célja az optimális víztartalom meghatározása. A mérések szerint az optimális víztartalom 14 %, 2,42 t/m 3 maximális száraz sűrűség mellett. Az értékeket a szaturációs görbékből (4. ábra) lehet becsülni, ezek a görbék segítenek megbecsülni a zsugorodási és tágulási viselkedését a töltőanyagnak. 9

14 4. ábra: Hidraulikus tömedék anyag tulajdonságai [7.] Az árnyékolt rész mutatja azon állapotot, ahol a töltőanyag még képes fenntartani a szemcsék közötti kötéseket. A gátak kialakítása alapvető biztonsági tényező, mivel 1980 és 1997 között 11 gát baleset volt az Isa-hegyi bányában, illetve több halálos kimenetelű esetről is tudni. A bányászatban gyakran használt téglákat speciálisan alakították ki, keveréküket tekintve 40:40:5:1 arányban tartalmaznak kavicsit, homokot, cementet és vizet. Az 5. a és b ábra a téglákat, és beépítésüket ábrázolják. 5. ábra: Porózus tégla és a téglából épült fal felvétele [7.] 10

15 Megfigyelhető a gyakorlatban, hogy beépítésénél görbületet alakítanak ki, és a konvex oldalával fordul a tömedék felé, így növelvén a gát megtartóképességét. A paszta tömedékek szintén a tömörített töltőanyagok kategóriájába tartozik, az alábbi 6. ábra mutatja, hogy mit értenek paszta alatt. Bár a gyártók garantálják a téglák esetén a 10 MPa feletti uniaxiális nyomószilárdságot, de Kuganathan és Duffield mérései szerint e gyári értékek 5 és 26 MPa között változik. 6. ábra: Szilárdság-zagy koncentráció diagram [7.] A paszta tömedékek őrölt salakot tartalmaznak, szemcseméret 5 µm, melyhez 3-6 tömeg %-ban kötőanyagot és vizet adnak. Ez a legtömörebb tömedék anyag, 1990-es évek óta jelent járható alternatívát, Kanadából és Ausztráliából is van példa az alkalmazhatóságára. A felhasznált anyag szemcseeloszlásának úgy kell kinéznie, hogy minimálisan 15 %-a kisebb legyen 20 µm-nél, ezzel biztosítva a megfelelő felületi feszültséget a szemcsék között. A méréseik szerint igen ellenálló a paszta tömedékelés, 7,5 Richteres szeizmikus aktivitást is elviselnek ezen tömedékelések. Sok esetben az in situ monitorozás nem lehetséges, túl bonyolult esetleg költséges, ezért numerikus modellezésekre is sor került. FLAC és FLAC3D szoftver csomagokat alkalmaztak a geotechnikai problémák jellemzésére, 2 és 3 dimenziós kiterjedésben. A méréseikből látható, hogy a használt tömedékelési módszer életképes, mivel széles körben használják. Mind a cementált és a nemcementált kötőanyagok alkalmasak bányatömedékelésre, illetve a megfelelő porozitású téglákból kialakított gátak képesek megtartani a tömedék anyagot, miközben megfelelő átszivárgást biztosítanak a víz számára. A Maryland-ben (USA) található bányaterület rekultivációja során pernye-mész-víz keveréket használtak a bányatér feltöltésére. A mész adalékanyag nagy szabad mésztartalmú másodnyersanyagból származott, amely lehet cementipari, mészipari vagy 11

16 mészkő feldolgozása során keletkező anyag. A Frazee-bányát 1996-ra feltöltötték szén tüzeléséből származó melléktermékkel. Kitűzött céljaik a következők voltak: a keverék álljon ellen a savas bányavíznek, és a phértéket emelje meg, egyben legyen kellően erős a felszín süllyedések elkerülése érdekében, és a fémek kioldódását is mérsékelje. Illetőleg legyen annyira folyékony, hogy a repedéseket is kitöltse. Az erózió vizsgálatára egy kiterjedt ún. PPRP (Power Plant Research Project) kutatást végeztek. Egy előkészített darabot folyamatosan locsoltak bányavízzel, mely ph-ját 3-7 között változtatták. A kezdeti erózió kísérletek alapján nem volt kimutatható, hogy mérgező komponensek szűrődtek volna át. Az eredmények azt mutatták, hogy nem volt növekedés az oldott alkotókban, melyek eróziót vagy kémiai kioldódást eredményeznének. A több mint egy évtizedes tapasztalatok alapján megállapították, hogy ez idő alatt jelentősen lecsökkent a bányavíz savassága (ph emelkedett) és a kioldódott toxikus fémtartalma is kisebb lett. A tömedék mechanikai szilárdsága bizonyítottan egyenértékű vagy nagyobb, mint a környező kőzeté. Wang és Szerzőtársai (2009) tapasztalatai szerint az alkalmazható tömedék aránya: 1 cement: 4 pernye: 15 szénbányászati meddő, melynek a teherbíró képessége a hetedik napon is több mint 0,7 MPa volt. A feladatot a Suncun szénbánya, a Xinwen Szén Csoport és a Shandong oldotta meg. Laboratóriumi és ipari teszteket hajtottak végre, az eredmények azt mutatják, hogy a finomra őrölt kaolinizált és friss meddő, mely szemcsézettsége kisebb, mint 5 mm, pernyével közösen alkalmazható cement adalékként. Ez a fajta újrahasznosítás már 90% feletti. [7.] 2.5. A pernye, mint erőműi melléktermék Nemzetközi tapasztalatok A széles körű széntüzelésű energiatermelés megjelenésével (1920-as évek) sok millió tonna hamu és járulékos termék keletkezik a világon. Becslések szerint a jelenlegi éves termelési szint szén alapú pernyéből világszerte mintegy 600 Mt, ebből az EU-ban Mt keletkezik. [8.] Ma Magyarországon évi 4-5 Mt pernye keletkezik, melyből 3,5 Mt az elektrofilterekben leválasztott finom pernye. A lerakott pernye mennyisége 184 millió m 3, ugyanakkor 12

17 hazánkban a pernyehasznosítás szemben a fejlett EU országok % hasznosítási arányával kb. 1 %. A hasznosítás területeit a 7. ábra szemlélteti. [9.] [10.] 7. ábra: A pernyehasznosítás lehetőségei [10.] A pernye tulajdonságai A pernye az erőművekben a szén elégetése során keletkező 90 %-ban az elktrofilterben leválasztott puccolános tulajdonsággal illetve puccolános aktivitással rendelkező finom porszerű maradékanyag, mely önmagában nem lép reakcióba a vízzel, viszont oldott kalcium-hidroxid jelenlétében megköt, és vízben oldhatatlan reakcióterméket képezve (hidraulikusan) megszilárdul. A szilárdulási folyamat az alábbi reakcióegyenlettel írható le: ( ) A Ca(OH) 2 és a pernye aktív anyaga (SiO 2 ) közötti végbemenő reakciót puccolános reakciónak nevezzük, a pernyét pedig mesterséges puccolánnak. A pernye puccolános aktivitása a pernyefelhasználás alapvető tényezője. Az ilyen képességű pernyék mésszel összekeverve, nedvesítve és tömörítve kémiai reakció folytán szilárd szerkezetet hoznak létre. A pernye e képességét hasznosítja például a cementgyártás, a gázbeton gyártás és az útépítés. A pernyék puccolános tulajdonságait több szempont is befolyásolja melyekből a legfontosabbak: Kémiai és fázisösszetétel, Diszperzitásfok (szemcseeloszlás, fajlagos felület), Pernyerészecskék morfológiája. A pernyében legtöbbször a következő kristályos összetevők fordulhatnak elő: mullit, kvarc, magnetit, hematit. A pernyékben túlnyomó többségben az amorf (üveges) fázis fordul elő a legnagyobb százalékban. 13

18 A magas Ca tartalommal rendelkező pernyékben a következő vegyületek is előfordulhatnak: alkálifémek szulfátjai, periklász, anhidrit, mészkő, melilit, merwinit, nefelin, sodalit, C 3 S és C 2 A. Számunkra az üveges fázis a fontos, amely hordozza a puccolános reakcióhoz szükséges reakcióképes anyagokat név szerint a kvarcot (SiO 2 ) és alumínium oxidot (Al 2 O 3 ), mely anyagok mennyisége mérvadó a reakció végbemenetelében. A keletkező pernye minőségét már a képződése előtt is sok tényező befolyásolhatja: az elégetett szén anyagi tulajdonságai (szemcseméret, kémiai összetétel) a szén kísérő ásványai az égetés során az égési viszonyok a leválasztás fajtája. Ezek együttesen mind meghatározhatják a keletkező pernye minőségét, felhasználhatóságát, melyet e folyamatok befolyásolásával manipulálhatjuk is a keletkező anyagokat. A képződő pernyéket alapvetően 2 csoportba sorolhatjuk: Savanyú pernyék: SiO 2 tartalmuk (45-60 %) és a CaO tartalmuk nem haladja meg a 15 %-ot. Bázikus pernyék: 30-40%-nyi CaO és csak 20-25% SiO 2 tartalmúak lehetnek (aktív CaO > 10-15% ). Az erőműi pernye hasznosítási lehetőségei az alábbiak: ipari ásványok előállítása, kinyerése (pl. zeolit, wollastomit, alumínium- oxidok) cement és beton adalékanyagként való hasznosítás, építőanyagként való hasznosítás (könnyű-, ill. nehéz építőelemek gyártása, magas CaO+MgO tartalom esetén hidraulikus kötőanyagként való hasznosítás, magas SiO 2 tartalom esetén homok helyettesítés stb.) hidraulikus tulajdonságú pernyék (barnaszén-lignit pernye) hasznosítása útépítésnél, feltöltések, gátak kialakításánál, külfejtési és földalatti üregek tömedékelésénél, talajjavítás és rekultivációs célú hasznosítás. A hazai gyakorlatban a következő hasznosítási eljárások terjedtek el: cementipari felhasználás (a cement egy részének pernyével történő helyettesítése, pernyecement), pernye felhasználása útépítéshez, 14

19 pernye felhasználása tömedékanyagként (az egri, illetve pécsi pinceüregek tömedékelése), pernye-blokkok előállítása építőelemként, a pernye-beton alkalmazása ipari hulladékok beágyazására és építőipari felhasználásra. [7.] 2.6. Nyomásveszteség számítási algoritmus Tarján-Faitli: A finom szuszpenzió durva keverékáramlás modell [11.] A szilárd-folyadék többfázisú áramlást a nyugati szakirodalomban elterjedten a cső függőleges tengelye menti koncentráció eloszlás alapján osztályozzák. Szimmetrikus koncentráció eloszlás esetén homogén keverékáramlásról, aszimmetrikus koncentráció eloszlásnál pedig heterogén keverékáramlásról beszélünk, és a nyomásveszteség számítására szolgáló összefüggéseket is eszerint választjuk meg. Még nagyméretű szemcsék esetén is, ha elegendően nagy a keresztmetszeti átlagsebesség (nagyobb, mint ) a szemcséket szuszpendálja a nagy turbulencia, az anyag szimmetrikus koncentráció eloszlás mellett szállítható (homogén keverékáramlás). Csökkenő sebességnél a koncentráció függőleges csőátmérőmenti eloszlása aszimmetrikus lesz, míg a lerakódási sebességnél a szilárd anyag kiválik, leülepszik, álló vagy csúszó ágyat képez a cső alján (8. ábra). 8. ábra: A koncentráció eloszlása a sebesség függvényében [11.] Monodiszperz anyagoknál a lerakódási sebesség megegyezik a legkisebb nyomásveszteséghez tartozó sebességgel. Ennél kisebb sebességeknél szilárd ágy 15

20 képződik a csőben, az áramlás elveszti stabilitását, instacionáriussá válik, a nyomásveszteség növekszik. A lerakódásnál a szemekre ható súlyerő nagyobb, mint a turbulens impulzus erő, amely a szemeket szuszpenzióban igyekszik tartani. Monodiszperz, vagy ehhez közelálló szilárd anyag lerakódási határsebességének meghatározására legismertebb a Durand-összefüggés. [12.] amelyben ( ) a szemcseméret és a koncentráció függvénye, és alakja szerint módosított Froudeszámnak tekinthető. 9. ábra: A Froude- szám a szemcseméret és a koncentráció függvényében [12.] A 9. ábra szerint x=1 mm-es szemnagyságig mind a szemnagyság, mind pedig a koncentráció befolyásolja a lerakódási határsebességet, nagyobb szemcseméreteknél (x>2 mm) állandónak tekinthető. Adott anyag, adott méretű csőben, azonos folyadék és üzemi paraméterek mellett a szemcsenagyság függvényében egészen eltérően viselkedik. Például a közel monodiszperz homok, ha egyszer 20 μm majd 1 mm nagyságú, a nyomásveszteség görbék alakja jellegzetesen más. A tiszta víz nyomásveszteség görbéje kis sebességek esetén, a lamináris tartományon egyenes (Re < 2320), a meredekség a viszkozitással arányos. Ipari méretű csővezetékekben ehhez nagyon kicsi sebességek tartoznak, olyannyira, hogy az üzemi sebességtartományban ábrázolva a nyomásveszteséget a lineáris szakasz szinte nem is 16

21 látszik. Turbulens áramlásban és sima falú csőben a nyomásveszteség a sebességnek közel a második hatványával arányos, a nyomásveszteség görbe hatványfüggvény. Amennyiben a szilárd anyagot kis szemcseméretben (pl. 20 μm-es homok) keverjük be, az így képzett kétfázisú keverék nyomásveszteség görbéje teljesen hasonló a vízéhez, csak nagyobb meredekségű a nagyobb viszkozitással arányosan (2. görbe a 10. ábrán). Abban az esetben, ha az azonos mennyiségű szilárd anyagot nagyméretű szemcsék formájában (pl. 1 mm-es homok) keverjük be, a nyomásveszteség görbe tipikus Durand függvény alakú (3. görbe a 10. ábrán). Egészen nagy sebességek esetén a folyadékáram képes a finom és a durva szemcséket is szuszpendálni, mindkét esetben szimmetrikus a koncentráció eloszlás, a korábbi minősítés szerint mindkettő homogén keverékáramlás, azonban egyértelmű, hogy a két eset teljesen eltérő jellegű. Érdekes az, hogy nagy sebességek mellett ugyanannyi szilárd anyag lényegesen kisebb energiával szállítható nagyobb szemcseméret formájában. Kis sebességek esetén a helyzet éppen ellentétes, a nagyobb szemcsék esetén az ülepedés elkezd dominálni és megjelenik az aszimmetrikus koncentráció eloszlás, esetleg a csúszó ill. az álló anyagágy. Kis sebességeknél a kisebb szemcseméretű szilárd anyag szállítható kisebb energiával. Nyomásveszteség görbék: (Adott csőben, azonos koncentrációban) Nyomásveszteség p 3 1. Tiszta víz 2. Víz + 20 m-es homok 3. Víz + 1 mm-es homok 2 1 Zagy átlagsebessége v 10. ábra: Tipikus nyomásveszteség görbék [11.] Az elvégzett kísérleti munka és elméleti megfontolások alapján új modellt vezettek be, amelyet finom szuszpenzió durva keverékáramlás modellnek neveztek el. Adott szilárd anyag és folyadék ill. csővezeték esetén meghatározható egy olyan határ szemcseméret, amelynél, ha finomabb szemcsékből készítünk szuszpenziót, az finom szuszpenzióáramlásban fog a csőben mozogni függetlenül az áramlási sebesség nagyságától (v > 0). Ilyen esetben ez a szuszpenzió önálló egyfázisú folyadéknak tekinthető, saját folyási viselkedéssel és sűrűséggel, másképp fogalmazva, áramlástani 17

22 szempontból azaz mozgás közben ez az anyag egyfázisú kontinuumként viselkedik. Nyugalomban természetesen előbb-utóbb a folyadéknál nagyobb sűrűségű szemcsék leülepednek, akkor újra célszerű kétfázisú keverékként kezelni. A jelenség magyarázatára a következő hipotézis lett felállítva. Turbulens csőáramlásban a fal mellett kialakul a lamináris határréteg, amelyben az erősen nyírt folyadékrétegek sebességprofilja lineáris, vagyis a nyírófeszültség konstans. Ha a szemcse olyan pici, hogy belefér ebbe a határrétegbe, azonos (közel azonos) nyíró feszültség és sebesség veszi körül és nem alakul ki olyan erő, amely a faltól szeretné eltaszítani, így a helyzeténél fogva a lamináris határrétegben nagyobb fal menti nyíró feszültséget, azaz nagyobb áramlási súrlódási veszteséget okoz (11. ábra). v ( r ) f ( dv/dr ) v ( r ) ( r ) w 11. ábra: A finom szuszpenzióáramlás elvi magyarázata [11.] A megnövekedett nyomásveszteség annak a következménye, hogy a csőfal menti határrétegben a finom szemcsék és a víz alkotta finom szuszpenzió reológiai viselkedése megváltozik a vízhez képest, a viszkozitás megnő, sőt akár a folyási jelleg is megváltozik és nem-newtoni folyási viselkedést mutatnak ezek az áramló szuszpenziók. A felállított modellből már következik, hogy a finom szuszpenzióáramlás nyomásvesztesége a közeg folyási viselkedését jellemző folyási modell (tipikusan: Newtoni, Bingham plasztikus, Hatványfüggvénnyel leírható és Reálplasztikus) és az abban szereplő reológiai paraméterek alapján számítható. A határ szemcseméretnél nagyobb szemcsékből készített szilárd- folyadék keverékek csőáramlása esetén az áramlás jellege egészen más, mint az előzőkben leírt finom szemcsék esetében. Ebben az esetben a durva szemcse, jellemzően nem fér bele a lamináris határrétegbe. A szemcse csőfalhoz közeli felén a nyírófeszültség nagy, a sebesség pedig kicsi, a belső felén pedig épp ellentétesen a nyírófeszültség kicsi és a sebesség nagy (12. ábra). Ha ezt az aszimmetrikus feszültség eloszlást kiintegráljuk a durva szemcse felületére egy erőt kapunk, amely a szemcsét a faltól eltaszítja. 18

23 v ( r ) f ( dv/dr ) v ( r ) ( r ) w 12. ábra: A durva keverékáramlás elvi magyarázata [11.] Nagyobb sebességek esetén ez az erő egyre nagyobb, azaz a szemcse egyre kevésbé tud a fallal súrlódni. Ez a hipotézis magyarázatot ad arra a sokszor mért tényre, hogy nagy sebességek esetén a durva szemcsés zagyot szinte pontosan akkora energia befektetésével lehet a csőben szállítani, mintha csak vizet szivattyúznánk. Kisebb sebességek esetén ez a faltól eltaszító erő egyre kevésbé játszik szerepet, ekkor az ülepedés elkezd dominálni és a durva szemcsék mechanikai kontaktusba kerülnek a csőfallal. A szemcsék és a csőfal között mechanikai súrlódó erő ébred, amely a testeket normál irányban összeszorító erőtől és a súrlódási tényezőtől függ, és nem függ a testek közötti sebességtől. Ezzel ellentétben a csőfal mellett ébredő áramlási súrlódási veszteség függ a sebességtől, sima falu csőben, turbulens vízáramlásban a nyomásveszteség a sebesség közel második hatványával arányos. Ezek alapján a durva szemcsékből bekevert zagyok csőáramlását durva keverékáramlásnak nevezték el. Ez egy valóban kétfázisú (szilárd-folyadék) mechanikai rendszer, amelyben valójában csak a folyadék áramlásáról beszélhetünk, és amelyben a szemcsék mechanikai erők hatására mozognak. Amikor a folyó görgeti a sziklákat, jól érzékelhető ez a modell. Akkor viszont, amikor adott csővezetékben, adott sebesség mellett, állandó nyomveszteséggel, stabil üzemben szállítjuk a durva szemcsés anyagot, megtévesztő a helyzet. Olyan mintha a zagy áramolna, ráadásul a nyomásveszteségből könnyen meghatározhatunk egy látszólagos zagy viszkozitás értéket is. A finom szuszpenzió durva keverékáramlás modell alkalmazása megmutatja, hogy ez a megközelítés hibás, célszerű ezt a rendszert úgy tekinteni, hogy a folyadék áramlik a folyási viselkedése által meghatározott módon és ez szállítja a szemcséket, amelyek mozgását mechanikai erők határozzák meg. A nyomásveszteség meghatározása elméleti úton ezért rendkívül nehéz, tulajdonképp nincs ilyen a szakirodalomban. Ami viszont igen, az a rendkívül nagyszámú mérési eredmény és az azokra illesztett empirikus összefüggés. Ezeket az összefüggéseket nevezhetjük Durand típusú összefüggéseknek, mivel az eltérő anyagokkal és méretekben elvégzett hidraulikus szállítási vizsgálatok eredményeire meghatározott összefüggések közül az elsőt Durand publikálta. A Durand egyenletben két konstans található. A Froude szám kitevője 3, ami a görbe görbületét határozza meg, és egy szorzó konstans, ami a görbe 19

24 magasságát határozza meg, ami 81. A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében az elmúlt évek során elvégzett mérések alapján a durva keverékáramlás nyomásveszteségének a számítására jó közelítéssel a Durand egyenletet alkalmazták, azzal a különbséggel, hogy a két konstanst ( és ) anyagtól függő paraméternek tekintették, és az egyenletet módosított Durand egyenletnek nevezték. Az és anyagi paraméterek meghatározására, adott anyagokra félüzemi méretű hidraulikus szállítási vizsgálatokat kell végezni. Az iparban előforduló szemcsés anyagok, amelyeket csővezetékben szállítanak folyadékáramban valójában mindig polidiszperzek, azaz szemcseméret-, szemcsealakés szemcsesűrűség-eloszlásról kell beszélnünk. A szállított szilárd anyag tartalmazhat finom és durva szemcséket egyaránt. Wasp a homogén heterogén keverékáramlási modell alkalmazásával dolgozta ki az un. vehicle (szallítójármű) modellt. Ennek az a lényege, hogy adott keverékáramlási sebesség mellett a cső legfelső pontjában kialakuló pillanatnyi, helyi koncentrációnak megfelelő zagy hordozó közegként viselkedik és a szimmetrikus koncentráció eloszláson kívüli szemcséket ez a zagy szállítja. A Dr. Faitli József PhD értekezésében kidolgozott durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modell számos diszkrét szemcsefrakcióra bontotta a szilárd anyagot, és a nyomásveszteséget a szemcsefrakciók által külön-külön okozott veszteségek összegeként határozta meg, így kezelni tudta akár a széles szemcseméret tartományt ill. az eltérő, homogén-heterogén viselkedést is. Az időközben elvégzett újabb vizsgálatok alapján alakult ki, az azóta már rutinszerűen alkalmazott durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modell. Eszerint csak két frakcióra érdemes bontani a szilárd anyagot: finom és durva frakcióra. A határ szemcseméretet szisztematikus vizsgálatokkal kell meghatározni adott anyagra. Az anyagból közel monodiszperz szemcsefrakciókat kell készíteni szitálással, majd ezeket a csőviszkoziméterbe különböző koncentrációban bekeverve a nyomásveszteség görbéket kell méréssel meghatározni. A nyomásveszteség görbék matematikai elemzése alapján a keverékáramlási jelleg és így a határ szemcseméret meghatározható. A két legfontosabb anyagra, szénerőműi pernye-salakokra (kb. 160 μm) és homokra (kb. 50 μm) elvegezték a vizsgálatokat. A modell szerint a határszemcsénél kisebb szemcsék a hordozó folyadékkal a csőáramlásban finom szuszpenziót alkotnak és ez a finom szuszpenzióáramlás nem pedig a folyadékáramlás fogja a durva szemcséket durva keverékáramlás formájában szállítani. A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének a számításához a finom szuszpenzió sűrűségének, a folyási viselkedésének és az annak megfelelő reológiai paramétereknek az ismeretére van szükség, és nincs szükség a szemcsés anyag jellemzőire, mint pl. szemcseméreteloszlás, 20

25 hiszen a modell szerint ez egy egyfázisú folyadék. A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítására a módosított Durand egyenletet használjuk. A durva szemcsék okozta mechanikai súrlódás jelentősen függ a szemcsék süllyedési sebességétől, a durva szemcsefrakció fizikai tulajdonságait figyelembe kell venni. A durva szemcse frakció jellemzésére az -as (a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció 80 %-a kisebb, mint ) szemcsét választották. A biztonság érdekében való tévedés érdekében választottak nagyobb szemcsét, de csak annyira, ami még jól mérhető. A szemcsehalmazt egy jellemző szemcsével jellemezni a számításban, természetesen jelentős egyszerűsítés. Azonban, a módosított Durand egyenletben szereplő és anyagi paramétereket a nagy hidraulikus körön elvégzett félüzemi mérésekkel határozzuk meg, amikor a függvényillesztést úgy végezzük el, hogy a szitálással meghatározott alapján számítjuk ki a süllyedési végsebességet és az ellenállástényezőt (egy db szemcse süllyed a finom szuszpenzióban), vagyis a jellemző 80 %-os szemcsére kalibráljuk a modellt. Ez a modell így sokkal egyszerűbb és pontosan kalibrálható, szemben a nagyobb szemcsék sok frakcióra való bontásával. A durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modellre a Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet által az elmúlt 20 évben elvégzett vizsgálatok közül több is empirikus bizonyítékul szolgált, továbbá az EGI Engineering Ltd. a modell alapján tervezett számos pernyekezelő rendszert a világ több pontján (Jacksonville USA, Craiova 2, Isalnita, Rovinari, Turceni Romania, Matrai Erőmű, stb ) R4_C0.338_K1_D v [m/s] 13. ábra: Durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban [11.] A 13. ábrán a Mátrai Erőműből származó R4 nevű receptúra szerint összekevert salakpernye-víz 33,8 % térfogati szállítási koncentrációjú keverék, 75 mm-es belső átmérőjű csőben való áramlásának mért nyomásveszteség görbéje látható. A háromszöggel jelölt pontok a mért pontok. A diagramban a fizikai és reológiai anyagvizsgálatok és a modell 21

26 alapján számított görbék vannak ábrázolva. Az (1) jelű görbe a tiszta víz számított nyomásveszteség görbéje az adott csőben. A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteség görbéje a (2) jelű görbe, mely az anyagvizsgálatok eredményei (finom szuszpenzió koncentrációja, sűrűsége, reologiája) alapján van kiszámítva. Majd az empirikusan meghatározott n és K segítségével a durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban modell segítségével adódott a mérésre vonatkozó elméleti nyomásveszteség görbe (3). Az empirikus bizonyítékot az jelenti, hogy nagy sebességek esetén a mért pontok nem a víz (1) görbéjéhez tartanak, hanem egy olyan görbéhez, a finom szuszpenzióáramlás görbéjéhez (2), amely más eszközökön elvégzett külön mérések (szitálás, piknométeres sűrűségmérés, csőviszkoziméteres reológiai mérések) eredményei alapján a modell szerint van számítva A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének számítása Tiszta folyadékok és a finom szuszpenzióáramlás esetén, az adott csőhosszra eső nyomásveszteséget a közeg reológiája alapján lehet számítani. 2. táblázat: Folyási modellek [11.] Folyási modell neve Anyagegyenlet Folyási paraméterek Newtoni ( ) abszolút viszkozitás Bingham - plasztikus ( ) Hatványfüggvénnyel jellemezhető n < 1 pszeudoplasztikus, n > 1 dilatáló ( ) Reálplasztikus ( ) nyugalmi határfeszültség merevségi tényező konzisztencia index hatványkitevő nyugalmi határfeszültség konzisztencia index hatványkitevő A legbonyolultabb folyási modell a reálplasztikus, amely három folyási paramétert tartalmaz és a felírt modellek lefelé visszaegyszerűsíthetők [2. táblázat]. Ha a reálplasztikus modellben pl. az m = 1, akkor a modell visszaegyszerűsödik a Bingham folyásra, természetesen ekkor a K helyett célszerű az merevségi tényező megnevezés. Ha a Bingham folyásban eltűnik a nyugalmi határfeszültség, visszajutottunk a Newtoni folyadékokhoz és ekkor az helyett vel jelöljük és viszkozitásnak nevezzük a jellemző folyási paramétert. 22

27 A nyomásveszteség számításárára két módszer alkalmazása elegendő. Newtoni folyadékok esetén célszerű a klasszikus áramlástan alapján számítani a nyomásveszteséget, míg nem-newtoni folyadékok esetén a Hanks módszer iterációs megoldását alkalmazhatjuk mind a három reológiai modell esetén. A következőkben az F (finom szuszpenzióáramlás) index már nem lesz jelölve, de a korábbiakból következik, hogy a tiszta folyadék, vagy a monodiszperz finom szuszpenzióáramlás vagy a széles mérettartományú polidiszperz esetben a hordozó finom szuszpenzióáramlás esetén is ugyanígy kell számítani, csak az adott anyag fizikai paramétereit kell alkalmazni. A Darcy és Weisbach egyenletből számíthatjuk a nyomásveszteséget. Az egyenletben az Fanning féle csősúrlódási tényező szerepel, a feladat ennek a meghatározása a reológiai paraméterek és az áramlás jellege (lamináris turbulens) alapján. Newtoni közegek esetén az áramlás jellegének az eldöntésére először a Reynolds számot kell kiszámítani:, ha a Reynolds szám kisebb mint 2320, akkor az áramlás lamináris a csősúrlódási tényező pedig:. Ha a Reynolds szám nagyobb mint, 2320 az áramlás turbulens, akkor a Colebrook egyenlet használható a teljes csőérdesség és Reynolds szám tartományon. ( ) A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása A durva keverékáramlás nyomásveszteségét a módosított Durand egyenletből számíthatjuk. Ha a szemcsés anyag monodiszperz, akkor abból egy szemcse, ha polidiszperz, de a határszemcsénél kisebb szemcséket nem tartalmaz, akkor a 80 % -os szemcse alapján kell a süllyedési végsebességet és az ellenállástényezőt kiszámítani, úgy, hogy ez az egy szemcse a vízben süllyed. Ha a polidiszperz szemcsehalmaz finom szemcséket is tartalmaz, akkor a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció 80 %-os szemcséje a jellemző szemcse és az ellenállástényezőt úgy kell kiszámítani, mintha ez az egy szemcse süllyedne a finom szuszpenzióban. Az és anyagtól függő paramétereket a félüzemi mérésekből is ezekhez a jellemző szemcsékhez kell meghatározni. A módosított Durand egyenletet erre a durva keverékáramlás a finom 23

28 szuszpenzióáramlásban esetre írjuk fel, azaz az használjuk a megfelelő helyeken a víz, vagy folyadék helyett. finom szuszpenzióáramlás indexet [ ( ) ( ) ] Ívcsövek áramlási veszteségei Az R/D viszony, valamint az ívdarab középponti szögének változása a 14. ábrán feltüntetett módon befolyásolja az ívdarab veszteségtényezőjének ( ) értékét. [13.] 14. ábra: Az ívszögek veszteségtényezője [13.] 24

29 2.7. A Mátrai Erőmű salak pernye sűrűzagyos kiszállító rendszere A Mátrai Erőmű Rt. kazánjaiból származó pernye, salak-pernye, hidraulikus szállítással, sűrűzagyos technológiával kerül kiszállításra az előírásoknak megfelelően kialakított tározókazettákba. Ezekben a kazettákban jelenleg is nagy mennyiségben áll rendelkezésre, közel állandó összetételben, az erőműi pernye, salak-pernye. [1.] Azokat a vizsgálatokat, amelyek alapján végül az említett csővezetékes szállítást megtervezték és megépítették a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete végezte során. Az erőmű akkor híg zagyos (kb. 15 tf %) technológiával szállította a lignit tüzelés maradvány anyagait, a salakot és a pernyét a zagytérre. A szigorodó környezetvédelmi előírások miatt választaniuk kellett a sűrű zagyos csővezetéki, vagy az un. földnedves szállító szalagos technológia között. Az elvégzett szisztematikus vizsgálatok és félüzemi méretű hidraulikus szállítási kísérletek eredménye volt a Tarján Faitli: finom szuszpenzió durva keverékáramlás modell. A modell szerint a pernye-salak anyagot két részre kell bontani, a 160 µm határszemcsénél finomabb szemcsék vízzel elkeverve finom szuszpenzió áramlásban szállíthatók a csővezetékben. A finom szuszpenzió áramlás nyomásveszteség görbéje számítható a finom szuszpenzió sűrűsége és folyási paraméterei alapján. A gyöngyösvisontai pernye víz finom szuszpenziók 20 tf % - ig jellemzően Newtoni folyadékok, amelyek viszkozitása csak kis mértékben növekszik, majd 20 tf % felett a folyásuk Bingham plasztikussá válik, amikor a merevségi tényező és a nyugalmi határfeszültség exponenciálisan nő a koncentráció függvényében. A finom szuszpenzió áramlás nyomásvesztesége áramlási súrlódási veszteség, amely turbulens áramlásban a sebesség közel négyzetével arányos. Ezzel szemben a modell szerint a 160 µm-nél durvább szemek, amikor érintkeznek a csőfallal mechanikai súrlódás lép fel, ami a normál erőtől és a súrlódási tényezőtől függ, és nem függ a sebességtől. A durva szemcsék okozta járulékos veszteség a módosított Durand egyenlettel számítható, amely egy mérési eredményekre illesztett tapasztalati összefüggés. [14.] A sűrűzagyos hidraulikus szállítás technológiáját az un. R4 anyagkeverékre tervezték, amely a keletkező anyagok jellemző arányának megfelelően a következő: 5 % ECO, 20 % Ljungström, 67 % elektrofilter és 8 % salak (tömegarány). Az akkori vizsgálatokat 53 és 75 mm-es csövekben végezték el, majd a modell alapján más csőátmérőkre is kiszámították a nyomásveszteség görbéket. Az akkori nyomásveszteség görbéről egy pontot leolvastak: R4 salak pernye víz sűrű zagy, 34 tf % koncentrációban, 150 mmes csőben, 6,35 m/s áramlási sebesség mellett a számított nyomásveszteség 4200 Pa/m. 25

30 2.8. A Mátraszentimrei telér tömedékelő rendszerének bemutatása A Gyöngyösoroszi Ércbánya mátraszentimrei függőleges aknájához viszonylag közel helyezkedik el a Mátrai Erőmű visontai zagytározója, ezért kézenfekvő volt az a döntés, hogy az ott deponált anyag legyen a fő tömedékanyag. A sűrűzagy alkalmazásának előfeltétele azonban többek között az, hogy tömedékként való felhasználása a bányatérségekben ne okozzon sem felszíni sem felszínalatti vízszennyezést. A Környezeti Hatásvizsgálat során elvégzett vizsgálatokhoz rendelkezésre álló bányavíz(ek) esetében nem mutatkozott vízminőség-romlás, sőt kisebb fajlagos bányavíz-terhelés mellett (m 3 /t) kifejezetten vízminőség javulás volt megállapítható a sűrűzagy semlegesítő képessége folytán. Csupán néhány komponens tekintetében (bór, bárium, kalcium, szulfát, molibdén, esetenként nikkel) volt megállapítható kisebb mértékű kioldódás a sűrűzagyból. Így a mátraszentimrei telér tömedékelése az erőműből származó friss, 1-7 napos pernye felhasználásával történik. A sűrűzagyként kijuttatott pernye földnedves állapotban, közúton kerül felszállításra a mátraszentimrei aknához a környezetvédelmi engedély előírásai alapján napi maximum 450 t mennyiségben. Az üzemi területen kialakított bemosató műtárgyban történik a pernye döntése, ahol a bánya 424. szintjéről felszínre szivattyúzott bányavíz hozzáadásával kerül felzagyolásra. A sűrűzagy homogenizálása szivattyúval történik; stabilizáló anyagként égetett mész hozzáadása történik 2,5 3 m % arányban. Az így elkészített sűrűzagy kerül le a Ø150 mm acél csővezetékrendszeren keresztül a bánya legalsó szintjére, majd szintenként, szakaszolva, megfelelő ellenőrző tevékenység végzésével jutnak a legfelső 656 mbf. szintre. A megfelelően megközelíthető bányatérségek mellett lesznek olyanok, amelyekbe a zagyot csak fúrólyukon keresztül lehet eljuttatni. A kitűzött cél a 85-90%-os hatékonyságú tömedékelés oly módon, hogy a feltárt savas fakadó vizeket adó vágat/fejtési üregeket bizonyítottan > 95 % - osan kell kitölteni. A mátraszentimrei telér üregeinek térfogata a bányászati feltáró munkálatok tapasztalatai alapján a korábban becsült m 3 -nél kisebb. A 2. szint feltárása bizonyította, hogy korábban nyíltnak vélt üregek egy része tömedékelve lett. A m 3 üregtérfogattal számolva, a kitűzött tömedékelési hatékonyságot figyelembe véve mintegy tonna (földnedves állapotú) pernye felhasználása szükséges. A fentiek miatt ez feltehetően több, mint ténylegesen felhasználandó mennyiség. A stabilizáló anyagként kritikus szakaszokon felhasználandó égetett mész mennyisége előre láthatóan 3600 tonna. 26