DE3544767C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Abwärtsförderung hochkonsistenter Feststoff-Flüssigkeitsgemische in Rohrleitungen, wobei das zu fördernde Feststoff-Flüssigkeitsgemisch annähernd Binghamsche Fließeigenschaften aufweist.

Der Transport von Dickstoffgemischen, die als Binghamsche Flüssigkeiten betrachtet werden können, durch horizontal und verti­ kal steigende Rohrleitungen ist an sich bekannt und wird beispiels­ weise beim Pumpversatz und bei Pumpbeton angewandt.

Im Bereiche des Schachtbaues werden Betone in Rohrleitungen von D=150-300 mm auch abwärts gestürzt. Eine kontinuierliche Strö­ mung liegt in diesem Falle aber nicht vor, vielmehr erreicht der Beton Fallgeschwindigkeiten bis zu 35 m/s, und während des Falles und beim Auftreffen am Boden treten teilweise Entmischungserscheinungen des Betons auf. Außerdem ist der Verschleiß der Förderrohre bei diesem Verfahren wegen der hohen Geschwindigkeiten erheblich.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß es nicht möglich ist, ein fließbetonähnliches Feststoff-Flüssigkeitsgemisch senkrecht über eine Höhendifferenz von ca. 1000 m nur unter Eigengewicht in gefüllt gehaltenen Rohrleitungen in eine Kaverne fließen zu lassen. Es traten vielmehr Rohrverstopfer auf, die ein erneutes Anfahren der Anlage un­ möglich machten. Der störungsfreie Betrieb einer ca. 1000 m langen senkrechten Förderleitung, in der ein Dickstoff allein unter Eigenge­ wicht strömt, konnte nicht sichergestellt werden.

Es hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Förderweglänge die Fließfähigkeit des Dickstoffes zunimmt. Bei der Senkrechtförderung tritt außerdem eine Erwärmung des Fördergutes durch die innere Rei­ bung und durch die Gebirgswärme auf, wodurch sich die Konsistenz des Gemisches verringert. Außerdem entstehen naturgemäß bei der Her­ stellung des Feststoff-Flüssigkeitsgemisches Unterschiede in der Konsi­ stenz durch Schwankungen in den Mischungsverhältnissen, was bedeutet, daß zeitweise schlecht fließfähiges Material nach besser fließfähigem in die Leitung gelangt.

Alle Zustände aber, bei denen sich in den oberen Rohrleitungs­ abschnitten weniger fließfähiges Material, d. h. mit höherer Zähigkeit, befindet als in den unteren, führen bei der Förderung unter Eigenge­ wicht zu Unterdrücken in der Rohrleitung, die mit steigender Zähig­ keitsdifferenz und mit wachsender Gesamtlänge der Rohrleitung zuneh­ men. Treten z. B. Zähigkeitsunterschiede von ca. 3% bei einem Rohr mit einer lichten Weite von D=50 mm auf, so kann der Dampfdruck des Fluids, wenn die Flüssigkeitskomponente des Gemisches Wasser ist, unterschritten werden (Kavitation), was dazu führt, daß dem Dick­ stoff Wasser entzogen wird und die Gefahr von Rohrverstopfungen stark ansteigt. An der Rohrmündung kann gleichzeitig das fließfähige Material derart unkontrolliert aus der Rohrleitung austreten, daß die kontinuier­ liche Strömung gestört wird und das Gemisch fladenförmig aus der Leitung herausfällt. Dieser Vorgang kann sich aufwärts fortsetzen, wobei sich das Material entmischt und ein Rohrverschleiß mit zunehmen­ der Tendenz stattfindet.

Ein solcher Zustand bei der Abwärtsförderung eines Feststoff- Flüssigkeitsgemisches ist aber insbesondere dann von allergrößtem Nach­ teil, wenn es sich bei der Förderrohrleitung um eine schwer zugängliche Rohrleitung z. B. in einem Bohrloch und bei dem Gemisch um ein radio­ aktives Gemisch handelt. Im Falle der Verstopfung einer solchen Rohrlei­ tung, die dann selbst radioaktiv kontaminiert worden ist, muß die ge­ samte Förderleitung aufgegeben, eine neue Bohrung niedergebracht und neu verrohrt werden. Ein Ausbau des radioaktiven Rohres und Ersatz durch ein neues Rohr erfordert ebenfalls hohen technischen und sicher­ heitstechnischen Aufwand. Auf diese Weise entstehen nicht nur höchst nachteilige Folgen für die Entsorgung solcher radioaktiven Stoffe, son­ dern auch zusätzliche erhebliche Kosten.

Wenngleich ein wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens und der Vorrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens die Entsorgung radioaktiver Feststoff-Flüssigkeitsgemische ist, so läßt sich das Verfahren auch anwenden in anderen Fällen, bei­ spielsweise in Bergwerken, wobei die Rohrleitung in den gut zugängli­ chen Schächten verlegt wird, wie das eingangs bereits erwähnt ist für die Abwärtsförderung von Versatzmaterial.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch mit Binghamschen Fließeigenschaften senkrecht durch eine Rohrleitung zu fördern, ohne daß ein übermäßiger Verschleiß an der Rohrleitung stattfindet oder eine Verstopfungsgefahr der Rohrleitung oder eine Entmischung des Gemisches, so daß ein betriebssicherer Fördervorgang erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Verfahrensmaßnahmen und Vorrichtungen.

Schließlich ist die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe auch durch eine Kombination der oben genannten Verfahrensmaßnahmen bzw. Vorrich­ tungen möglich.

In Verfolgung des Erfindungsgedankens handelt es sich bei den vorrichtungsgemäßen Drosseln um mechanisch-physikalische Einrichtungen, die auf das Medium einwirken, beispielsweise um starre Querschnittsverengungen der Rohrleitung, Fließ­ widerstandserhöhende Strömungsumlenkungen durch Krümmer, Bögen oder starre Wendeln, schraubenförmig in das Rohrinnere eingeschweißte Rippen, insbeson­ dere an der Rohrmündung oder umlaufende im Rohrinnern angeordnete Wendeln, deren Rotationswiderstand veränderbar ist. Ebenfalls eine mechanische Me­ thode, die geeignet ist, eine problemlose Förderung zu erreichen, ist die gegebenenfalls geregelte Vorgabe eines Druckes zu Beginn der Rohrleitung mittels geeigneter Einrichtungen. Der Druck muß so gewählt werden, daß längs der Rohrleitung kein schädlicher Unterdruck auftritt.

Als weitere Mittel zur Lösung der Aufgabe, die auf das Medium direkt einwirken, zählen folgende Maßnahmen:

• - Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit längs der Rohrleitung, und zwar in Form von Stoffen, die dem Medium zugesetzt werden, wie sie in der Betontechnologie unter der Bezeichnung "Additive" zur Beeinflussung der Fließfähigkeit von Pump­ beton bekannt sind,
• - Kühlung des Fördergutes längs der Rohrleitung, wodurch die scheinbare Zähigkeit erhöht wird,
• - Erwärmung des Fördermediums vor Eintrag in die Rohrleitung, so daß auf dem Förderweg durch Verringerung der Temperatur die scheinbare Zähigkeit ansteigt. Eine andere Möglichkeit, den Fördervorgang zu steuern, besteht darin, daß dem Gemisch längs der Rohrleitung gezielt Wasser entzogen wird, wodurch ebenfalls eine Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit erreicht wird.

Nachfolgend sollen einige Lösungsmöglichkeiten der erfindungs­ gemäßen Aufgabe an Einrichtungen beschrieben werden, die verschie­ dene Ausgestaltungen einer Drossel in der Förderleitung darstellen.

In der Zeichnung sind solche Einrichtungen schematisch darge­ stellt, und zwar zeigen

Fig. 1a eine Wendel im Rohr, die stationär oder auch drehbar angeordnet sein kann,

Fig. 1b eine Drossel, die aus einem zylindrischen, durch ein Druckmittel elastisch verformbaren Teil der Rohrleitung besteht,

Fig. 1c ein Rohrleitungsende mit einer seitlichen Öffnung, verschließbar durch einen Schieber und

Fig. 1d eine Einrichtung mit Wärmeaustauschern auf der Außenseite des Förderrohres.

Die in der Zeichnung dargestellten Drosseleinrichtungen erzeugen allein oder in Kombination mit anderen der oben erwähnten Mittel oder durch vielfache Anordnung in dem jeweils oberhalb einer Drossel gele­ genen Rohrleitungsteil einen solchen Fließwiderstand, daß der Dampfdruck der Trägerflüssigkeit im gesamten Rohr nicht unterschritten wird. Außerdem verhindern Drosseleinrichtungen an der Mündung der Rohrlei­ tung angeordnet ein unkontrolliertes Austreten der zähen Flüssigkeit.

Die in Fig. 1a gezeigte Drossel hat die Gestalt einer schrauben­ förmigen Wendel 2, die stationär in dem Rohr 1 angeordnet sein kann, die aber auch drehbar um ihre Achse 3 sein kann, wobei die Drehbewe­ gung dosiert bis zum Stillstand der Wendel abgebremst werden kann. Die Drehung der Wendel wird durch das strömende Feststoff-Flüssig­ keitsgemisch hervorgerufen. Der Druckverlust, der in solch einer Drosseleinrichtung erzeugt wird, nimmt mit Abbremsung der Wendel zu. In der Drosselausgestaltung nach Fig. 1b wird eine dosierte Fließ­ widerstandserhöhung dadurch erreicht, daß ein gummielastisches zylin­ drisches Rohrstück 4 in dem Rohr 1 zusammen mit einem Mantel 5 einge­ baut ist und über den Stutzen 6 ein Druckmittel zugeführt wird, durch das das gummielastische zylindrische Rohrstück 4, wie in Fig. 1b gezeigt, konzentrisch in seinem Durchflußquerschnitt verändert wird. Mit zuneh­ mender Druckaufgabe durch das Druckmittel verengt sich der Durchfluß­ querschnitt für den zu fördernden Dickstoff mehr und mehr, und die Fließ­ widerstände in der Drossel steigen entsprechend an.

Bei der Drosseleinrichtung nach Fig. 1c ist eine dosierbare Aus­ flußöffnung 7 vorhanden, die durch einen Schieber 8, wie durch den Doppelpfeil 9 angedeutet, geöffnet und geschlossen werden kann. Mit ab­ nehmendem Austrittsquerschnitt steigt der Druckverlust an. Diese Art der Drosselung ist nur an der Rohrmündung möglich.

In Fig. 1d ist das Förderrohr 1 auf einem Teil seiner Länge, und zwar an einer Stelle oder an mehreren Stellen, mit Wärmeaustau­ schern 10 versehen, von denen im dargestellten Ausführungsbeispiel fünf gezeigt sind. Diesen Wärmeaustauschern wird über Zu- und Ab­ flußrohrstutzen (nicht dargestellt) ein Kühlmittel zugeführt, so daß der entsprechende Rohrleitungsabschnitt auf eine solch tiefe Temperatur abgekühlt werden kann, daß die in dem Feststoff-Flüssigkeitsgemisch enthaltene Flüssigkeit, in diesem Falle Wasser, gefriert und eine Eis­ schicht auf der Innenseite des Rohres bildet. Diese Eisschicht kann in ihrer radialen Stärke und in ihrer axialen Ausdehnung dadurch verän­ dert, beeinflußt und gesteuert werden, daß mehrere oder weniger Wärme­ austauscher 10 mit dem Kühlmittel versorgt werden oder der eine oder der andere Wärmeaustauscher stärker gekühlt wird als der andere. So ist es möglich, kontinuierlich glatte Übergänge zwischen den einzelnen Eisschichten von einem Wärmeaustauscher zum anderen zu erzielen und beispielsweise eine im Bereiche des Wärmeaustauschers 10′ liegende, besonders dicke, den Erfordernissen entsprechende Eisschicht und damit Querschnittsverengung der Rohrleitung zu erzeugen, die in axialer Richtung nach oben und unten graduierlich abnimmt.

Neben den erwähnten Drosseln sind auch andere Einrichtungen zur Erhöhung des Fließwiderstandes denkbar, gegebenenfalls können Drosseln zum Einsatz kommen, die nicht zusätzlich regelbar sind. Hierzu zählen starre Querschnittsverengungen der Rohrleitung, fließwiderstandserhöhende Strömungsumlenkungen durch Krümmer, Bögen, starre Wendeln, schraubenförmig eingeschweißte Rippen usw. besonders an der Rohrmündung.

Die Verfahren, die das Fördermedium selbst beeinflussen, müssen so wirken, daß eine schädliche Abnahme der Zähigkeit längs der Rohr­ leitung nicht auftreten kann. Dies ist durch folgende Maßnahmen zu erreichen:

Zugabe geeigneter chemischer Additive, die eine Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit längs der Rohrleitung bewirken,
Kühlung des Fördergutes längs der Rohrleitung zur Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit,
Erwärmung des zähen Fördermediums vor Eintrag in die Rohrleitung, so daß auf dem Förderweg durch Verringerung der Temperatur die scheinbare Zähigkeit ansteigt,
gezielter Wasserentzug längs der Rohrleitung, wodurch eben­ falls eine Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit erreicht wird.

Eine ausreichende Durchmischung des hochkonsistenten Fördergutes vor Förderbeginn unterstützt die Wirksamkeit dieser Verfahren, da die Verringerung der Konsistenz längs der Rohrleitung im Verlauf der Förde­ rung selbst hierdurch klein gehalten wird.

Das dargestellte Verfahren gewährleistet einen funktionstüchtigen Betrieb von Förderanlagen für die senkrechte Abwärtsförderung. In Ab­ hängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten (Förderziel, Förderlänge, Fördermaterial usw.) werden alle Verfahrenskomponenten gemeinsam oder aber nur einige Komponenten erforderlich sein.

Claims (11)

1. Verfahren zur Abwärtsförderung hochkonsistenter Gemische, insbesondere Feststoff-Flüssigkeitsgemische in Rohrleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abwärtsförderung des Ge­ misches einer Abnahme seiner Konsistent längs der Rohrleitung soweit entgegengewirkt wird, daß keine Kavitationserscheinungen auftreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konsistenzabnahme durch den Strömungswiderstand erhöhende Ein­ bauten in der Leitung entgegengewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konsistenzabnahme durch Vor­ gabe eines Druckes zu Beginn der Rohrleitung entgegen­ gewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konsistenzabnahme durch die Erhöhung der scheinbaren Zähigkeit des Gemisches entgegengewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch zähigkeitserhöhende Stoffe mit zum Teil zeitabhängiger Wirkung zugesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch entlang der Förderleitung Wasser entzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor Eintragung in die Rohrleitung erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch längs der Rohrleitung gekühlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ab­ schnitte der Rohrleitung derart gekühlt werden, daß sich auf ihrer Innenseite eine Eisschicht bildet.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Einbauten um mechanisch-physikalische Drosseln handelt, die

• - den Strömungsquerschnitt der Rohrleitung (1) verengen, bei­ spielsweise als gummielastische zylindrische Rohrstücke (4);
• - die Strömung in der Rohrleitung (1) umlenken, beispielsweise als Krümmer, Bögen, starre oder drehbare Wendeln (2), schraubenförmig in das Rohrinnere eingeschweißte Rippen; oder
• - die die Auslaßöffnung(en) (7) am Rohrleitungsende im Quer­ schnitt verändern, beispielsweise als Schieber (8).

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Ober­ fläche der Rohrleitung (1) an einer oder mehreren Stellen oder kontinuierlich zusammenhängend Wärmetauscher (10, 10′) für eine Kühlflüssigkeit angeordnet sind, die einzeln an­ steuerbar sind.