Etapas de fechamento do Fly Ash Pond

Lista Rápida de Considerações

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Considerações

  • aterros
  • Conversões do sistema de manuseio de cinzas úmidas para secas
  • Sistemas de manuseio e descarte
  • Fechamento de instalações de eliminação de cinzas úmidas e secas

Estudos e Licenciamento Ambiental:

  • Permitindo
  • Investigações preliminares e detalhadas do local
  • Avaliações ambientais
  • Investigações e remediação ambiental

Existem usos benéficos?

  • Recuperação de minas subterrâneas e de superfície
  • Base do pátio de carvão e material de revestimento do tanque (concreto compactado a rolo)
  • Meio do sistema de coleta de chorume
  • Sistemas de proteção de cobertura do solo

Manuseio e descarte de cinzas: 

  • Manuseio de cinzas de fundo
  • Manuseio de cinzas
  • Retrofit / fechamento da lagoa

Desidratação de cinzas volantes para correção


A cinza volante tem propriedades e comportamentos que apresentam desafios únicos durante a escavação, manuseio e descarte. O material de cinzas volantes tem sido historicamente armazenado em lagoas e é conhecido por ser instável e sensível à vibração quando saturado. Quando a cinza volante saturada é submetida à tensão de cisalhamento, ela se densifica e expele água, resultando em uma perda quase total da resistência ao cisalhamento. Nesse estado, a cinza se torna um fluido viscoso e pode começar a deslizar ou fluir. Este processo pode resultar em galgamento ou rompimento de represas e torna a escavação e o manuseio difíceis ou impossíveis.  

Mudar o conteúdo de água nas cinzas em apenas alguns pontos percentuais tem um efeito dramático em seu comportamento, permitindo cortes estáveis ​​e quase verticais adequados para a escavação em massa convencional. O aumento da resistência ocorre quando uma redução no teor de água altera a pressão dos poros de ligeiramente positiva para ligeiramente negativa, conferindo coesão aparente e resistência ao cisalhamento às cinzas.  

O objetivo deste artigo é discutir dois métodos diferentes para reduzir o teor de água das cinzas volantes: um onde a cinza foi retida em solo de baixa permeabilidade e outro onde a cinza foi armazenada diretamente em contato com solo de alta permeabilidade. No primeiro caso, a desidratação foi conduzida com um sistema interno de pontos de poço bem espaçados. No segundo caso, a desidratação foi realizada usando poços profundos de alta capacidade amplamente espaçados. Em ambos os casos, a desidratação permitiu o manuseio seguro e eficiente das cinzas. Esses projetos demonstram a viabilidade e a conveniência da desidratação para esses tipos de operações.  

INTRODUÇÃO   

Os dois projetos discutidos abaixo exigiram a remoção completa das cinzas volantes dos tanques existentes. O primeiro projeto, na Estação Geradora de Seward em Johnstown, Pensilvânia, envolveu a remoção completa das cinzas e seu transporte para um depósito seco. O segundo projeto, na Daniel Electric Generating Station no Condado de Jackson,  

Mississippi, envolveu a remoção das cinzas, o armazenamento temporário no local, o revestimento do lago e a substituição das cinzas.  

Em ambos os projetos, a pré-drenagem das cinzas usando técnicas de desidratação comuns na indústria de construção melhorou as características das cinzas, a segurança do projeto e o cronograma. No entanto, devido aos diferentes detalhes de construção do tanque e aos solos nativos em cada local, o mecanismo de desidratação difere para cada tanque.  

REMOÇÃO DE ÁGUA EM UMA LAGOA FORRADA  

O primeiro projeto foi um teste piloto de desaguamento na Estação Geradora de Seward da Pennsylvania Electric Company em Johnstown, Pensilvânia.  

O projeto foi amplamente documentado em um relatório de 1985 publicado pelo Electric Power Research Institute.1 A estação estava em operação desde 1920. Até 1980, tanto a cinza inferior quanto a cinza volante foram depositadas aleatoriamente por meio de lama em tanques de armazenamento. Duas lagoas foram usadas nesta planta; quando o primeiro tanque estava cheio, a deposição de cinzas mudava para o segundo tanque e o primeiro era eliminado. As cinzas seriam então transportadas e depositadas em um local de disposição final.  

Após o fechamento dos tanques de armazenamento em 1980, o estado da Pensilvânia exigiu que os tanques fossem esvaziados e devolvidos ao grau original. Isso apresentou dois problemas para o proprietário da planta: 1) por causa do baixo ângulo de repouso das cinzas úmidas quase líquidas, o local de disposição final não tinha a capacidade de armazenar todas as cinzas nos tanques, a menos que  

foi pré-drenado e 2) o estado exigia que o projeto fosse concluído em menos de dois anos, exigindo um método relativamente rápido de pré-drenagem.  

Na época do projeto, Ash Pond 1 continha apenas aproximadamente 1.2 m de cinzas. Portanto, decidiu-se remover aquela cinza sem desidratar, pois se pensava que os benefícios da pré-drenagem não compensariam o custo de uma camada tão fina. A lagoa de cinzas 2, entretanto, continha entre 2.1 e 3.7 m de cinzas e o dono da planta decidiu usar técnicas de desidratação para pré-drenagem.  

A lagoa de cinzas 2 tinha dimensões aproximadas de 122 m por 183 m e foi construída sobre uma camada impermeável de argila nativa com um dique de preenchimento de argila perimetral (Figura 1).  

Os poços de teste cavados nas cinzas antes da instalação de quaisquer dispositivos de drenagem mostraram uma crosta relativamente estável de aproximadamente 1 a 1.2 m de espessura, sustentada por uma zona de cinzas fluindo que encheria um poço de teste tão rapidamente quanto o poço pudesse ser escavado. Os níveis freáticos em poços de observação existentes nas cinzas estavam 0.30 a 0.60 m abaixo do topo da zona de fluxo de cinzas.

TESTE INICIAL  

O empreiteiro especializado contratado pelo Proprietário colocou uma matriz inicial de cinco pontos de poço (Figura 2) que individualmente produziram entre 1 e 1.25 L / min. 

O primeiro teste realizado envolveu o bombeamento no ponto de poço nº 3 por 35 minutos usando uma bomba centrífuga. A taxa de fluxo para o teste foi de 1 L / min e os rebaixamentos máximos observados a uma distância de 1.5 e 3 m do ponto de poço de teste foram 0.35 e 0.20 m, respectivamente.  

O segundo teste realizado usando esta matriz envolveu o bombeamento no ponto de poço # 2 por 310 minutos usando um edutor. A taxa de fluxo para o teste foi de 1 L / min e os rebaixamentos máximos observados a uma distância de 1.5 e 2.1 m do ponto de poço de teste foram 0.40 e 0.36 m, respectivamente.  

Ambos os sistemas de ponta de poço e edutor são capazes de bombear os rendimentos do poço observados durante o teste. No entanto, os sistemas edutores requerem a instalação de dois tubos (fornecimento e retorno), enquanto os sistemas de ponto de poço requerem apenas um tubo (coletor de vácuo). Dados os resultados semelhantes dos dois testes e a relativa simplicidade de implementação de um sistema de ponto de poço versus um sistema edutor, foi decidido avançar com um teste de ponto de poço mais abrangente.  

SEGUNDO TESTE  

A segunda matriz de teste consistia em uma linha de 23 pontos de poço (alguns instalados em cinzas profundas e alguns em cinzas volantes) espaçados cerca de 3 m de distância, com piezômetros instalados em várias distâncias e posições em relação à linha, conforme mostrado na Figura 3 abaixo.

Ao longo de um teste de bomba de quase 11 dias com todos os 23 pontos de bombeamento, a taxa de fluxo da matriz caiu de um valor inicial de 57 L / min para um valor final de 13 L / min. Reduções de mais de 0.60 m foram observadas no final do teste em três dos quatro piezômetros.  

A augura manual foi conduzida até 30 m de distância da linha do ponto de poço, a fim de observar as condições reais na lagoa antes de desligar os pontos de poço. Semelhante à condição de pré-bombeamento, foi encontrada uma crosta estável de 1 a 1.2 m de espessura. Desta vez, entretanto, havia uma zona de aproximadamente 0.9 m de espessura de material tixotrópico abaixo da camada estável. Este material toleraria a ação de escavação, mas fluiria quando sujeito a vibração. Abaixo dessa zona, as cinzas permaneceram fluindo.  

A augura manual revelou que o bombeamento de longo prazo poderia aumentar a espessura da zona escavável (em comparação com as condições de pré-bombeamento) e que a espessura aumentava próximo à linha do ponto de poço. Esta melhoria nas características das cinzas se estendeu por uma distância de aproximadamente 12 m da linha do ponto do poço. Os poços de teste cavados perto do dique de perímetro também revelaram más condições imediatamente adjacentes ao dique, mesmo quando bombeando nas proximidades. No entanto, foi teorizado que o escoamento mal controlado do dique pode ter contribuído para este fenômeno.  

Os valores da condutividade hidráulica a granel calculados a partir do teste da bomba para as cinzas foram da ordem de 10-2 cm / s. Este valor é muito maior do que os valores normalmente assumidos para a cinza volante e é provavelmente devido à mistura e estratificação de cinza inferior mais grossa com a cinza volante relativamente fina.  

PROJETO DE SISTEMA FINAL, RESULTADOS E CONCLUSÕES  

Com base nos dados de teste anteriores, o projeto final consistiu em linhas de pontos de poço através da lagoa com 3 m entre os pontos de poço e 24 m entre as linhas de ponto de poço. O espaçamento de 24 m foi baseado na observação de que a cinza foi melhorada até 12 m de distância da linha do ponto de poço durante o teste. Este sistema foi complementado com um anel de perímetro de pontos de poço, a fim de lidar com as condições relativamente instáveis ​​observadas no dique. 

Piezômetros foram instalados entre as linhas de pontos de poço para monitorar os níveis de água subterrânea e informar o ajuste e a operação do sistema. Um esboço do sistema é mostrado na Figura 4 abaixo. 

O sistema foi instalado com válvulas para permitir a remoção de uma seção do sistema sem desligar o restante. Isso maximizou o tempo de bombeamento, permitindo que o empreiteiro de escavação iniciasse as operações na parte do tanque que se pensava conter mais das cinzas de fundo de drenagem livre, proporcionando assim mais tempo de bombeamento nas cinzas volantes de drenagem relativamente ruim.  

O sistema foi instalado e ativado em segmentos com aproximadamente uma semana entre a ativação do primeiro segmento e a ativação de todo o sistema. Todo o sistema bombeou por cerca de um mês antes do início da escavação das cinzas, que durou cinco semanas.  

A taxa de fluxo do sistema variou conforme os pontos de poço eram ativados e desativados de forma incremental. No entanto, em geral, a taxa de fluxo começou em aproximadamente 150 L / min e diminuiu para 38 L / min em cinco dias. Após dois meses de bombeamento, todo o sistema 

o fluxo estava abaixo de 19 L / min. Foi estimado que aproximadamente 1.52 x 106 L de água foi bombeado do tanque no total. 

A espessura das cinzas instáveis ​​variou ao longo do tanque, mas em geral menos de 30 cm de cinza corrente foi encontrada durante a remoção. Os pontos baixos localizados no fundo da lagoa resultaram em água retida e na degradação resultante na estabilidade das cinzas. O projeto foi bem-sucedido no sentido de que o desaguamento das cinzas melhorou muito sua resistência ao cisalhamento e permitiu a rápida escavação em massa com equipamento convencional de pneus de borracha (Figuras 6a, 6b, 6c).  

 Os testes geotécnicos in situ e a amostragem antes e durante o bombeamento também produziram informações relevantes, incluindo:  

  1. Dois medidores de umidade do solo instalados em profundidades de 1.2 e 1.7 m, respectivamente, mostraram aumento na sucção do solo (isto é, pressão negativa dos poros) quando comparados aos níveis de água decrescentes em piezômetros adjacentes. 
  2. A densidade da cinza antes do bombeamento não era significativamente diferente daquela medida nas amostras pós-bombeamento.  
  3. Um ponto de monitoramento de assentamento instalado próximo ao centro da lagoa de cinzas indicou que nenhum assentamento ocorreu durante ou após o rebaixamento.  
  4. A condutividade hidráulica determinada a partir de testes de bomba in situ foi significativamente maior do que os valores publicados.  

As conclusões tiradas pela equipe do projeto incluem:  

  1. O aparente aumento na resistência ao cisalhamento observado durante a escavação não pode ter sido devido à densificação ou consolidação. A densidade de cinzas não aumentou após o bombeamento e nenhum assentamento de consolidação foi observado. O aumento na força parece ser devido ao aumento da pressão negativa dos poros conforme a água do tanque é drenada.  
  2. A medição in situ da condutividade hidráulica pode produzir resultados significativamente diferentes dos valores típicos publicados. A condutividade hidráulica real dependerá das proporções relativas das cinzas volantes às cinzas profundas e do método de deposição.  
  3. A eficácia da desidratação foi aumentada pela intensidade do esforço de desidratação (ou seja, pontos de poço bem espaçados em todo o tanque). A aplicação de vácuo provavelmente também desempenhou um papel na redução da pressão dos poros, mas esse efeito não foi quantificado.  

PLANTA DANIEL: REMOÇÃO DE ÁGUA COM UM DRENO NATURAL  

Daniel Electric Generating Plant, de propriedade da Southern Company Services Inc. está localizada em Jackson County, Mississippi. O projeto envolveu a remoção completa das cinzas de um tanque de retenção, armazenando-as temporariamente no local, instalando um forro no tanque recém-esvaziado  

e substituindo as cinzas. A lagoa tinha a forma de um triângulo retângulo com dimensões laterais de aproximadamente 480 m, 540 me 300 m.  

A exploração geotécnica no local identificou quatro unidades de solo nativo, conforme mostrado na Figura 7:  

Unidade 1: Uma camada superficial de argila arenosa a argilosa que se estende até uma profundidade de aproximadamente 9 m em alguns locais. Esta unidade era descontínua no local.  

Unidade 2: Uma camada de areias ligeiramente argilosas a ligeiramente siltosas, finas a médias, estendendo-se da elevação 0 à elevação -12.2.  

Unidade 3: Uma camada descontínua de silte cinza médio a argila arenosa geralmente encontrada entre as elevações -13.7 e -15.2, com uma espessura entre 0.8 e 2.9 m. 

Unidade 4: Uma camada média de areia e cascalho entre as elevações aproximadamente -15.2 e -22.9 (a profundidade máxima de exploração).  

A água subterrânea foi encontrada entre as elevações 2.4 e 3.0 e os orifícios exploratórios na lagoa revelaram que o fundo das cinzas estava entre as elevações 0.6 e 0.9. 

Foi determinado que, como a elevação natural do lençol freático estava acima do fundo da lagoa, a despressurização e o desaguamento da areia da Unidade 2 seriam necessários para concluir o projeto. Baixar a superfície freática na Unidade 2 teria o benefício adicional de induzir a drenagem das cinzas para o solo nativo.  

TESTES DE BOMBA DE AQUIFER  

Um empreiteiro especializado em desidratação projetou e conduziu vários testes de bombeamento de aqüífero em escala real no início do projeto para avaliar os parâmetros do aquífero, a permeabilidade das cinzas volantes, a comunicação entre o aquífero e as cinzas e a comunicação entre o aquífero e os corpos d'água abertos circundantes.  

Uma série de poços de teste foi instalada com um poço rastreado apenas na Unidade 2 e dois poços selecionados em ambas as Unidades 2 e 4. Um dos poços de tela dupla foi considerado de baixo rendimento e foi posteriormente abandonado e não usado para teste.  

Uma série de testes de bombeamento em degrau e taxa constante revelou que os aquíferos das Unidades 2 e 4 tinham transmissividades de 500 e 550 m2/ dia respectivamente. Essas transmissividades são altas em relação à espessura da camada do solo e indicavam que o solo nativo era passível de desidratação. Os testes também provaram que os poços selecionados apenas na Unidade 2 e os poços selecionados nas Unidades 2 e 4 poderiam produzir de forma sustentável 380 e 1,400 L / min, respectivamente. 

Testes adicionais da cinza indicaram diretamente que ela era muito drenável. Um único ponto de poço instalado a 3.6 m nas cinzas rendeu 230 L / min e praticamente não produziu rebaixamento em um ponto de observação a 1.5 m de distância. Isso foi considerado uma indicação de que haveria uma boa comunicação hidráulica entre as cinzas e as areias nativas durante o bombeamento em escala real.  

Embora estritamente falando, a desidratação de apenas a Unidade 2 (em oposição às Unidades 2 e 4) foi necessária para o projeto, os resultados do teste de bombeamento, juntamente com o fato de que a argila da Unidade 3 era descontínua em todo o local, levaram a equipe do projeto a concluir que baixar o lençol freático na Unidade 4 também seria necessário para evitar que atue como uma fonte de recarga para a Unidade 2.  

PROJETO DE SISTEMA FINAL, RESULTADOS E CONCLUSÕES  

Com base nos resultados do teste de bombeamento, a equipe de projeto propôs um sistema de 15 poços selecionados nas Unidades 2 e 4 ao redor do perímetro da lagoa (Figura 8). A intenção dos poços era baixar o lençol freático no aquífero da Unidade 2 para a elevação -1.2 ou inferior para permitir a escavação das cinzas e a instalação do liner. 

Dados os resultados favoráveis ​​observados no ponto de poço de teste instalado nas cinzas, o empreiteiro de desaguamento especializado também propôs uma série de dez poços rasos lançados através das cinzas e 3 m na areia subjacente da Unidade 2 (Figura 9). Esses poços encurtariam o caminho do fluxo da água que drena das cinzas para a areia e também forneceriam capacidade de bombeamento adicional para ajudar na desidratação da Unidade 2. 

O sistema bombeou 17,000 L / min por mais de um ano durante a escavação de cinzas, colocação de liner e substituição de cinzas e manteve com sucesso as águas subterrâneas abaixo dos níveis-alvo para todo o projeto (Figura 10). 

A cinza era uma mistura altamente estratificada de cinza inferior e cinza volante com uma permeabilidade horizontal relativamente alta. Ao desidratar totalmente o aquífero subjacente por meio de um sistema de poço profundo de perímetro combinado com o bombeamento das cinzas do sistema de poço interno, a escavação prosseguiu com segurança e eficiência. As águas residuais subterrâneas e superficiais foram tratadas por fossas e fossos colocados localmente. 

Semelhante aos resultados do projeto da Estação Geradora de Seward, uma vez que as cinzas foram drenadas, suas características de escavação melhoraram significativamente. Com a pré-drenagem, as cinzas puderam ser escavadas em plataformas verticais altas (Figura 11) e transportadas e armazenadas secas durante o revestimento do tanque. Essa abordagem permitiu uma escavação mais rápida e uma área de armazenamento muito menor do que se as cinzas tivessem sido escavadas molhadas.  

CONCLUSÕES GERAIS  

Os dois estudos de caso discutidos acima envolveram lagoas de cinzas em configurações geológicas muito diferentes. Para ambos os projetos, o sucesso foi ditado por uma compreensão completa das condições do solo, testes adequados das características hidráulicas das cinzas e o projeto e implementação de sistemas de desidratação por profissionais experientes.  

As propriedades das cinzas podem variar muito, dependendo do método de deposição e das proporções relativas da cinza volante e da cinza inferior (ou seja, a estratificação e a distribuição geral do tamanho das partículas das cinzas). Portanto, é fundamental obter bons dados de desempenho hidráulico in situ antes do projeto final do sistema de desidratação.  

Além disso, ambos os projetos mostram que embora as cinzas possam ser difíceis de trabalhar em um estado saturado, é possível melhorar radicalmente suas propriedades de manuseio com uma pré-drenagem adequada. Isso torna a desidratação e escavação uma técnica adequada para projetos com cronogramas restritos (escavação mais rápida é possível com cinzas pré-drenadas), onde é desejável melhorar as características de transporte e armazenamento das cinzas ou onde a confirmação visual positiva de que 100% das cinzas foi removido do tanque é necessário.  

REFERÊNCIAS 

[1] Electric Power Research Institute, Dewatering to Stabilize Fly Ash Disposal Ponds, 1985