CC BY
54
УДК 691.163
БИТУМНО-ЭМУЛЬСИОННЫЕ СМЕСИ ДЛЯ КОНСЕРВАЦИИ (ОБЕСПЫЛИВАНИЯ) ЗОЛООТВАЛОВ ТЕПЛОВЫХ УГОЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
1 9
© А.Н. Пахомовский', В.В. Алексеенко2
Иркутский государственный технический университет, Институт архитектуры и строительства, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены исследования физико-механических характеристик битумно-эмульсионных смесей для обеспыливания мелкодисперсных грунтов. Рассчитана толщина пленки для обеспыливания золоотвалов ТЭЦ в нашем регионе. Разработаны составы эмульсионных растворов имеющих очень высокие эксплуатационные характеристики. Также разработан эффективный способ нанесения этих растворов на площадь золоотвала. Табл. 2. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: битумная эмульсия; золохранилище; обеспыливание; сжигание твердого топлива; отходы ТЭС.
BITUMINOUS EMULSION MIXTURES FOR CONSERVATION (DEDUSTING) OF THERMAL COAL POWER PLANT
ASH DISPOSAL AREAS
A.N. Pakhomovsky, V.V. Alekseenko
Irkutsk State Technical University, Institute of Architecture and Construction, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article studies the physical and mechanical properties of bituminous emulsion mixtures for fine-dispersed soils de-dusting. The film thickness for CHP ash disposal area dust removal is calculated for our region. The compositions of emulsion solutions with very high performance characteristics are elaborated. The effective method of applying these solutions on the whole ash disposal area is worked out. 2 tables. 10 sources.
Key words: bituminous emulsion; ash storage; dedusting (dust removal); solid fuel burning; power plant wastes.
Во многих регионах России атмосфера интенсивно загрязняется промышленными выбросами, содержащими различные вещества, вредные для окружающей среды (оксиды серы, азота, углерода, тяжелые металлы, углеводороды, частицы пыли). Одним из основных источников загрязнения атмосферы являются тепловые электрические станции (ТЭС), сжигающие твердое топливо. В последние годы в России возрастает потребление электрической и тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭС. Соответственно, увеличивается объем сжигаемого твердого топлива. При этом возрастает количество твердых отходов ТЭС, складируемых в золоотвалах. Ущерб окружающей природной среде при эксплуатации этих сооружений наносится в результате совместного действия двух факторов пы-ления сухой золы на надводных пляжах и фильтрации промышленных стоков через тело и основание дамб. Пылевые выбросы и фильтрационные стоки содержат в своем составе тяжелые металлы, кальций, магний,
натрий и другие вредные вещества, содержащиеся в золошлаковых отходах и в воде системы гидрозолоудаления. Пыление поверхности надводных пляжей является существенным фактором негативного воздействия ТЭС на окружающую среду. После сжигания угля на предприятиях топливно-энергетического комплекса Иркутской области в золоотвалах накапливается в среднем 1 млн 800 тыс. тонн золы в год, которая в настоящее время используется в ограниченном объёме. С каждым годом увеличивается площадь золоотвалов, а число выделяемых ими в окружающую среду вредных химических веществ растет. Следовательно, разработку эффективных методов пылепо-давления и исследование процесса пыления золы на золоотвалах необходимо отнести к важнейшим природоохранным задачам при эксплуатации ТЭС. Складирование золошлаковых отходов тепловых электростанций преимущественно производится в гидрозоло-отвалах. Эти объекты становятся причиной длитель-
1 Пахомовский Александр Николаевич, студент, e-mail: sawkay@yandex.ru Pakhomovsky Alexander, Student, e-mail: sawkay@yandex.ru
2Алексеенко Виктор Викторович, кандидат химических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: ala-vic59@yahoo.com
Alekseenko Victor, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, e-mail: alavic59@yahoo.com
154
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (80) 2013
ных экологических нарушений (геофильтрация промстоков, эрозия и обрушение откосов дамб, растекание гидросмеси при прорывах дамб и затопление прилегающей территории, пыление золошлаков и др.). К настоящему времени недостаточно полно разработаны научные основы проектирования систем пыле-подавления на золоотвалах в районах с продолжительными отрицательными температурами воздуха.
Как показано рядом авторов [1, 2, 4, 6], методы обеспыливания золоотвалов достаточно разнообразны. Одним из наиболее экономичных способов предотвращения пылеобразования на больших площадях является нанесение закрепляющих плёнок. Главной проблемой при использовании таких покрытий будет выбор материала плёнки и расчёт его толщины. Толщина плёнки определяет не только долговечность покрытия, но и его удельный вес. Вес плёнки играет большую роль для ветроустойчивости покрытия; даже самую прочную и долговечную, но слишком лёгкую плёнку может просто снести ветром. Поэтому чисто полимерные плёнки на основе полиэтилена, поливинилхлорида и других полимеров могут оказаться слишком дорогими при большой толщине плёнки.
Экономичное пылеподавляющее покрытие должно иметь большую толщину (большой удельный вес) при небольшой стоимости и желательно большую долговечность. Самые дешёвые и долговечные гидроизоляционные материалы делают из битума и битумно-полимерных композиций. Такие материалы имеют срок службы до 10 и более лет. Необходимо отметить, что морозостойкость чисто битумных материалов невелика: около -20°С. Приемлемую для условий сибир-
ского региона морозостойкость (-40°С) имеют би-тумнополимерные материалы, стоимость которых составляет от 35 руб./кг и выше (при плотности равной 1кг/дм3 расход материала один кг на 1 м2 даёт толщину плёнки 1 мм).
При оценке необходимой толщины плёнки мы ориентировались на работу [7], в которой были произведены расчёты на прочность при аэродинамических (ветровых) нагрузках, подтверждённые испытаниями в аэродинамической трубе. Как показывают расчёты, при расчётной скорости ветра до 20 м/сек и макси-
мальной температуре плёнки 40-50°С (что возможно в летний период) минимальная толщина должна составлять 5 мм. Такая толщина чисто битумной плёнки обеспечивается расходом эмульсии 10 л/м2, что приведёт к значительной стоимости покрытия даже для чисто битумной эмульсии (минимальная стоимость 10-12 руб./л) без полимерных добавок. Кроме этого, чисто битумное покрытие имеет существенный недостаток: оно быстро стареет под действием солнечной радиации. Намного большей долговечностью обладает битумно-минеральная смесь, которая в несколько раз дешевле чистого битума. Для создания такого би-тумно-минерального покрытия и максимального упрощения технологии обработки нами предложена следующая схема. Плотная поверхность золоотвала предварительно разрыхляется на глубину 1-1,5 см, а затем по ней распыляется (под небольшим давлением) разжиженная эмульсия (содержания битума до 20%). Разжиженная эмульсия очень хорошо перемешивается с разрыхлённой золой без дополнительных технологических операций и после распада эмульсии (период распада от 2 часов до суток в зависимости от погодных условий) даёт прочное, долговечное и толстое покрытие. Проведённые лабораторные эксперименты показали, что хорошие результаты получаются уже при расходе эмульсии (в расчёте на стандартную 50%) всего 1,5 л/м2. С учётом результатов работы [7] желательно использовать битумно-латексную эмульсию, которая обладает значительно большей прочностью при высоких летних температурах и морозостойкостью до -35°С. Результаты испытания плёнок представлены в табл. 1.
Пример теоретического расчета толщины битумной пленки описан в работе [8]. Мы используем этот метод для приблизительной оценки эффективности нанесенной эмульсии (нашим методом) золохранили-ща, находящегося в районе города Иркутска.
Пороговая (минимальная) динамическая скорость на поверхности золоотвала и^ м/с, соответствующая началу пыления (подъему частиц), определяется по формулам:
и* = А (б д dn)0,5;
Таблица 1
Результаты испытания защ итных пленок на основе битумной эмульсии
Состав эмульсии Расход эмульсии, л/м Толщина битумно-минеральной плёнки, см Результаты испытаний*
№1. Анионная эмульсия 50% концетрации 2 0,5-1 Выдерживает 30 циклов замораживания, оттаивания без образования частичек менее 1 мм
№2. Анионная эмульсия 50% концетрации 2,7 1-1,5
№3. Анионная эмульсия 50% концетрации+ латекс 7% от массы эмульсии 2 0,5-1
№4. Анионная эмульсия 50% концетрации+ латекс 12% от массы эмульсии 1,4 0,5-0,8
*Примечание: циклы проводились при температуре от -18 до 20°С.
6 = Рп /Рв,
где рв - плотность воздуха, кг/м ; рП - агрегатная плотность пылевых частиц, кг/м3; д - ускорение силы тяжести, м/с2; А - эмпирический коэффициент - 0,080,12.
Минимальная скорость ветра иКР на уровне флю-
Для эффективного перемешивания мелкодисперсной золы и вяжущего нами был разработан состав медленнораспадающейся анионной битумной эмульсии класса ЭБА-3, которая хорошо смешивается с мелкодисперсными материалами. Физико-механические характеристики полученной эмульсии представлены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики
Наименование показателя ЭБА-3 по ГОСТ Р 52128-2003 Рекомендуемый состав ЭБА -3
Устойчивость при перемешивании со смесями минеральных материалов:
плотного зернового состава смешивается
Содержание вяжущего с эмульгатором, % по массе от 50 до 55 50
Условная вязкость при 20 °С, с от 10 до 15 12
Остаток на сите с сеткой № 014, % по массе, не более 0,5 0,3
Устойчивость при хранении (остаток на сите с сеткой № 014), % по массе, не более:
через 7 сут. 0,6 0,6
через 30 сут. 1,0 1,0
Устойчивость при транспортировании эмульсии не должны распадаться на воду и вяжущее не распадается
гера (на высоте 2 м), соответствующая и^, при которой начинается пыление поверхности золоотвала, может быть определена по формуле:
иКР = [2,5 • 1п £Мп)+8,5>и^,
где Z - высота флюгера, dп - размер частиц. Для частиц золы с плотностью 2400 кг/м3 и размером 1мм и^«0,5 м/сек, а иКР«13,5 м/сек. Средняя скорость ветра по данным метеонаблюдений в г. Иркутске составляет 5 м/с, что намного меньше иКР для частиц размером 1 мм.
Таким образом, любой из предложенных вариантов состава эмульсии может обеспечить практически полное пылеподавление. Вопрос заключается только в стоимости. Исходя из этого, оптимальным является состав №3 с небольшим содержанием латекса и умеренным расходом вяжущего на м2. Латекс существенно повышает тепло- и морозостойкость, что скажется на долговечности покрытия. Если необходимо обеспылить поверхность на небольшой срок: один, два года, тогда лучше использовать составы №1 или №2.
При использовании битумных эмульсий в составах для обеспыливания различных поверхностей редко встает вопрос о качестве перемешивания таких эмульсий с мелкодисперсными, глинистыми грунтами. Ведь эмульсия разбавлена водой в несколько раз, и вследствие этого распад эмульсии на битум и воду происходит значительно медленнее, чем в составах с меньшим содержанием воды. Поэтому применение эмульсий для получения органоминеральных смесей нашло применение в дорожном строительстве пока что только при смешивании крупнозерновых составов.
Также известно, что анионная эмульсия очень хорошо взаимодействует (перемешивается) с цементом. Более того, цемент можно добавлять в эмульсию, и она может в течение суток нормально хранится. Этот факт значительно упрощает задачу добавления цемента в классической технологии холодного ре-сайклинга (укрепление грунтов путем предварительного фрезерования и смешения на дороге).
Качественное смешение цемента, эмульсии и других составляющих органоминеральной смеси получается только в смесительных установках. К тому же в них можно точно дозировать материалы. Но если речь идет о небольшом участке строительства дороги, то экономически выгоднее применение технологии холодного ресайклинга. К тому же этот метод в разы увеличивает скорость работ, а применение анионных эмульсий класса ЭБА-3 в этом случае было бы весьма актуально.
В заключение следует отметить, что применение эмульсионных составов, в том числе нанесение их на поверхности, состоящие из мелкодисперсных материалов, достаточно обширно. Например, такие эмульсии можно использовать для укрепления насыпей и выемок при строительстве автомобильных дорог [10], а также для временного укрепления насыпей и выемок, если требуется дальнейшее укрепление откосов многолетними травами. Как показали опыты, проведенные совместно с ЗАО «Иркутскзолопродукт», корни семян ржи с легкостью прорастают сквозь самую толстую эмульсионную пленку, устроенную по нашей технологии, при расходе эмульсии 2,7 л/м2 и толщине растительного слоя над пленкой 10 см.
1. Боричев К.П., Дубков А.И. Охрана окружающей среды от пыления золоотвалов // Сборник научных трудов АТЭП «Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС». М.: «Атом-ТЕПЛОЭЛЕКТРОПРОЕКТ», 1985. 283 с.
2. Борьба с пылью в рудных карьерах / В.А. Михайлов и др. М.: Недра, 1981. 262 с.
3. Возведение золоотвалов тепловых электростанций при отрицательных температурах воздуха. Огарков А.А., Пантелеев В.Г. Обзорная информация / М.: Информэнерго, 1992. 44 с.
4. Жиленков В.Н. Новые эффективные средства пылепо-давления на отвалах промышленных отходов // Экология промышленного производства. 2002. № 3. С. 23-29.
5. Пантелеев В.Г., Добкин Э.Л., Гольдина Т.М. [и др.] Зо-лошлаковые материалы и золоотвалы / под ред. В.А. Ме-лентьева. М.: Энергия, 1978. 295 с.
6. Комонов С.В. Пылеобразование и пылеподавление на
ский список
золоотвалах Сибирских ТЭС // «Город: прошлое, настоящее, будущее. Проблемы развития и управления»: сб. науч. трудов междунар. науч.-практ. конференции. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. С. 54-58.
7. Михайлов В.А., Борисов В.Г. Расчет пленок из битумной эмульсии на ветровую нагрузку // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1975. № 1. С. 51-57.
8. Методика оценки ветровой эрозии и пыления угольного штабеля ТЭС. Разработано ОАО "УралОРГРЭС". Екатеринбург, 1998.
9. Ван Асбек В.Ф. Применение битумов в гидротехническом строительстве / пер. с нем. С.Н. Понченко и В.В. Эйсмонт. Л.: Энергия, 1975. С. 196.
10. Укрепление откосов насыпей и выемок при строительстве автомобильных дорог. ТК-08-06-89. МИНДОРСТРОЙ УССР, 1990.
