CC BY
4СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Научная статья УДК 691.335
DOI 10.51608/26867818_2021_6_52
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ СЛОЙ ОТХОДОВ ИВАНОВСКИХ ТЭС
Боброва Алла Александровна1, Емельчикова Наталья Сергеевна2,
Сокольский Анатолий Иванович3, Шанин Александр Олегович4, Щепочкина Юлия Алексеевна5
1 2' 4 5 Ивановский государственный политехнический университет, Иваново, Россия
3 Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, Иваново, Россия 1 bobrof53@bk.ru
4 aleksandr1998yandex@mail.ru
Аннотация. Приведены экспериментальные исследования по изучению скорости фильтрования жидкой фазы через слой шлакопесчаной смеси. Показано, что при увеличении доли кварцевого песка с 30% до 70% в смеси приводит к двукратному и более снижению скорости фильтрования. Так же на скорость фильтрования оказывает влияние гранулометрического состава шлака, чем больше эквивалентный диаметр шлака смеси, тем меньше скорость фильтрования.
Ключевые слова: золошлак, золошлаковая смесь, фильтрование, гранулометрический состав
Для цитирования: Исследование процесса фильтрования жидкости через слой отходов Ивановских ТЭС / А.А. Боброва, Н.С. Емельчикова, А.И. Сокольский, А.О. Шанин, Ю.А. Щепочкина // Эксперт: теория и практика. 2021. № 6 (15). С. 52-56. doi:10.51608/26867818_2021_6_52.
Введение
Отходы теплоэлектростанций являются резервом сырья для строительной индустрии. Ряд особых свойств этих продуктов позволяет использовать их при производстве разнообразных строительных материалов. Наиболее важные области возможного применения золошлаковых смесей - это производство бетонов и строительных растворов, разнообразных пористых заполнителей, ячеистых бетонов, керамического и силикатного кирпича, а также использование их в дорожном строительстве [3].
Строительство и содержание золоотва-лов сопряжено с выведением из сельскохозяйственного использования больших площадей и со значительными материальными затратами. Высокая дисперсность и водона-сыщаемость золошлаковых отходов придает им пылевидные свойства и создает
угрозу аварий, что неблагоприятно сказывается на окружающей среде. После высыхания тонкодисперсная фаза становиться источником пыли, разносимой на значительное расстояние. Вследствие высокого содержания диоксида кремния, а также несго-ревшего углерода, такая пыль становится потенциальным источником тяжелых заболеваний человека. Для использования зо-лошлаков теплоэлектростанций при строительстве подушки дорожного полотна необходимы знания их фильтрующих свойств. Необходимо экспериментально определить удельное объемное сопротивление слоя, константу фильтрования, коэффициент фильтрования или скорость отвода атмосферных осадков с дорожного полотна. Для определения этих величин проведены специальные опыты по фильтрованию чистой жидкости через слой нефракциониро-
© Боброва А.А., Емельчикова Н.С., Сокольский А.И., Шанин А.О., Щепочкина Ю.А., 2021 52 © INO "Institution of Forensic Construction and Technological Expertise", 2021
ф
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2021. № 6 (15)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
ванных шлаков, а также шлаков различного гранулометрического состава в смеси с кварцевым песком из городского карьера. Приводится гранулометрический состав шлаков Ивановских теплоэлектростанций, а также установлено влияние содержания в смеси кварцевого заполнителя на фильтрующие свойства слоя и скорость отвода жидкой фазы.
Теория фильтрования основывается на эмпирическом законе Дарси, согласно которому объем фильтрата, проходящего через единицу поверхности слоя за единицу времени, прямо пропорционально разности давлений и обратно пропорционален общему сопротивлению фильтрующего слоя [1-2].
Исследование направлены на изучение фильтрующих характеристик нефракциони-рованных шлаков и фракционированных отходов в смеси с кварцевым заполнителем.
Методика эксперимента
В воронку Бюхнера помещался исследуемый материал в виде смеси шлака ТЭС и кварцевого песка постоянной толщины и определенного гранулометрического состава. Затем через полученный слой продукта фильтровалась вода при постоянном давлении. Прошедшая через слой жидкость собиралась в мерный цилиндр и фиксировалось время сбора фильтрата.
Результаты и их обсуждение
Перед проведением экспериментальных исследований по определению фильтрующих характеристик шлаков теплоэлектростанций г. Иваново был выполнен ситовой анализ этих продуктов. Для расчета среднего характерного размера кусков, материал разделяют с помощью набора сит на несколько фракций. В каждой фракции находят средний характерней размер, как полсуммы характерных размеров йтах максимального и йт1П минимального кусков:
^ _ й-тах+й-тт
Практический размер максимальных кусков определяется размером отверстий сита, через которое проходит весь материал данной фракции, а размер минимальных -размером отверстий сита, на котором данная фракция материала остается.
Средний характерный размер куска в смеси вычисляют по уравнению:
^ _ ^ср!'а!+^ср2'а2+...+^срП'аП
а1+а2+...+ап
где ^ср1,^ф2,^фп- средние размеры частиц каждой фракции;
а1, а2, ап - содержание каждой фракции, вес %.
Результаты рассева шлаков Ивановских теплоэлектростанций
№ п\п Шлак ТЭС - 2
1 Фракции. мм йэкв, мм Кол-во, %
2 0+ 0,315 0,1575 38,04
3 0,315+- 0,63 0,4725 12,75
4 0,63+ 1,25 0,94 4,7
5 1,25+ 3 2,125 13,82
6 3+ 5 4 7,96
7 5+ 10 7,5 7,6
8 10+ и более 15,13
9 Эквивалентный размер 3,62 мм
10 Шлак ТЭС - 3
11 Фракции. мм йэкв, мм Кол-во, %
12 1,25+ 3 2,125 5,49
13 3+ 5 4 12,19
14 5+ 10 7,5 25,41
15 10+и более 56,41
16 Эквивалентный размер 11,05 мм
Из таблицы видно, что значительную долю в общей массе шлаков ТЭС составляет мелкозернистая фракция ниже 0,315 мм, остальные фракции составляют 61,96%.
Для шлака ТЭС-3 фракция ниже 1,25 мм не наблюдается. Основную массу шлака составляют спеки размером 10 мм и более. Гранулометрический состав кварцевого песка составляет d3KB=0,4+0,5 мм. В связи с приведенными данными можно рекомендовать для дальнейшего исследования фракции размером 0,63 мм и выше.
Состав исследуемых смесей: 1-30% шлака + 70% песка, II - 50% шлака + 50% песка, III - 70% шлака + 30% песка.
Строительные материалы и изделия
ф
Рисунок 1 иллюстрирует влияние количества кварцевого песка в смеси шлаков ТЭС-2 различного гранулометрического состава на скорость фильтрования.
тить, что скорость фильтрации шлака ^экв=7,5 мм составляет W=20,4■10-4м/с; фракции ^экв=2,125 мм - W=9,78■10-4м/с. Частицы шлака ТЭЦ-3 имеют пористость значительно большую, чем частицы шлака ТЭС-2. В связи с этим, скорость фильтрования шлакопесочной смеси со шлаком ТЭЦ-3 ^экв=7,5 мм имеет большее значение, чем с фракцией меньшего размера.
Рис. 1. Влияние содержания кварцевого песка в шлакопесчаной смеси на скорость фильтрования:
1 - шлак ^экв =0,472 мм, песок ^экв =0,45 мм;
2 - шлак ^экв =0,94 мм, песок ^экв =0,45 мм; 3 - шлак ^экв=5,6 мм, песок ^экв=0,45 мм
Из данной иллюстрации следует, что при увеличении количества песка в шлакопесчаной смеси коэффициент фильтрации снижается. Это можно объяснить следующим, для слоя с крупной фракцией шлака, имеющий значительный свободный объем (порозность), песчаная фракция диаметром 0,45 мм заполняет его поры и происходит перемещение песка в нижнюю часть фильтрующего слоя и поры шлака, что приводит к снижению скорости фильтрования.
При этом следует отметить, что коэффициент фильтрации чистого кварцевого песка составляет W=5,5■10-6м/с, а нефракциони-рованного шлака ТЭС-2 равен
Рисунок 2 иллюстрирует аналогичные зависимости для шлаковой смеси со шлаком ТЭЦ-3.
Для этой иллюстрации характерно то, что чем больше эквивалентный диаметр шлака, тем больше свободный объем слоя и частицы песка не полностью заполняют его. Поэтому доля свободного объема позволяет более быстрому прохождению жидкой фазы через слой. Так же следует отме-
54 © INO "Institution
Рис. 2. Влияние содержания кварцевого песка в шлаковой смеси на скорость фильтрования:
1 - шлак ^экв =7,5 мм, песок ^экв =0,45 мм; 2 - шлак ^экв =4мм, песок ^экв =0,45 мм; 3 - шлак ^экв=2,125 мм, песок ^экв =0,45 мм
Рисунок 3 характеризует зависимость скорости фильтрования нефракционного шлака ТЭС-2 и кварцевого песка от толщины фильтрующего слоя.
Рис. 3. Изменение скорости фильтрования от толщины фильтрующего слоя:
1 - нефракционированнй шлакТЭС-2; 2 - кварцевый песок
of Forensic Construction and Technological Expertise", 2021
il
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2021. № 6 (15)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Из рис. 3 видно, что шлак обладает более высокой пористостью и пророзностью насыпного слоя, чем кварцевый песок, значительно быстрее отводит жидкую фазу, но с увеличением толщины фильтрующего слоя скорость фильтрации уменьшается.
Рисунок 4 иллюстрирует зависимость скорость фильтрования фракционной шлаковой смеси со шлаками ТЭС-2 от толщины фильтрующего слоя.
Рис. 4. Зависимость фильтрования шлакопесочной смеси от толщины фильтрующего слоя:
1 - шлак ТЭС-2 й =5,6 мм, 70% шлака, 30% песок;
2 - шлак ТЭС-2 й =5,6 мм, 50% шлака, 50% песок;
3 - шлак ТЭС-2 й =5,6 мм, 30% шлака, 70% песок;
4 - шлак ТЭС-3 й =0,94 мм, 70% шлака, 30% песок;
5 - шлак ТЭС-3 й =0,94 мм, 50% шлака, 50% песок;
6 - шлак ТЭС-3 й =0,94 мм, 30% шлака, 70% песок
Увеличение толщины фильтрующего слоя и количества кварцевого песка приво-
дит к увеличению доли свободного объема для прохождения жидкой фазы, следовательно к росту гидравлического сопротивления слоя, и вследствие этого скорость фильтрования понижается.
Выводы
1. Проведенные исследования позволяют установить влияние содержания кварцевого песка в шлакопесчаной смеси на скорость фильтрации жидкой фазы.
2. Установлено, что для устойчивой структуры шлакопесчаной подушки дорожного покрытия можно использовать фракции шлака от 0,63 мм и выше, а содержание кварцевого песка не более 50%.
3. Исследованные композитные шлако-песчаные смеси целесообразно использовать в районах с большим количеством выпадающих осадков, что позволяет сохранить транспортную сеть в достаточно хорошем состоянии.
Список источников
1. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. - Л.: Химия, 1972. 592 с.
2. Гельнерин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга 1. - М.: Химия, 1981. 385 с.
3. Боброва А.А., Косичкин В.М., Трупиков М.Ю. Конденционное золошлаковое сырье для строительной индустрии. // Экспресс - информац. ВНИЭСМ, серия 2. -М.: 1987. Вып. 10. С. 426.
Информация об авторах
А.А. Боброва - кандидат технических наук, доцент, кафедра «Строительное материаловедение и технологии», Ивановский государственный политехнический университет;
Емельчикова Наталья Сергеевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное материаловедение и технологии», Ивановский государственный политехнический университет; А.И. Сокольский - доктор технических наук, профессор, кафедра энергетики теплотехнологий и газоснабжения, Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина; А.О. Шанин - магистрант, Ивановский государственный политехнический университет; Ю.А. Щепочкина - доктор технических наук, Ивановский государственный политехнический университет.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 09.11.2021; одобрена после рецензирования 15.11.2021; принята к публикации 15.11.2021.
Строительные материалы и изделия
Original article
INVESTIGATION OF THE LIQUID FILTRATION PROCESS THROUGH THE WASTE LAYER OF IVANOV TPS
Alla A. Bobrova1, Natalya S. Emelchikova2, Anatoly I. Sokolskiy3, Alexander O. Shanin4, Yulia A. Shchepochkina5
1 2' 4 5 Ivanovo State Polytechnic University, Ivanovo, Russia
3 Ivanovo State Power Engineering University named after V.I. Lenina Ivanovo, Russia 1 bobrof53@bk.ru
4 aleksandr1998yandex@mail.ru
Annotation. Experimental studies on the rate of filtration of the liquid phase through a layer of a slag-sand mixture are presented. It is shown that increasing the proportion of quartz sand from 30% to 70% in the mixture results in a twofold and more decrease in the filtering rate. Also, the speed of filtration is influenced by the granulometric composition of the slag, the larger the equivalent diameter of the slag of the mixture, the lower the filtering rate.
Keywords: ash and slag, ash and slag mixture, filtration, granulometric composition
For citation: Investigation of the liquid filtration process through the waste layer of Ivanov TPS / A.A. Bobrova, N.S. Emelchikova, A.I. Sokolsky, A.O. Shanin, Yu.A. Shchepochkina // Expert: theory and practice. 2021. No. 6 (15). Pp. 52-56. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2021_6_52.
Information about the authors
А.А. Bobrova - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Materials Science and Technology, Ivanovo State Polytechnic University;
N.S. Emelchikova - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials Science and Technology, Ivanovo State Polytechnic University;
A.I. Sokolskiy - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Energy, Heat Technologies and
Gas Supply, Ivanovo State Power Engineering University named after V.I. Lenina;
A.O. Shanin - Master's student, Ivanovo State Polytechnic University;
Yu.A. Shchepochkina - Doctor of Technical Sciences, Ivanovo State Polytechnic University.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
The article was submitted 09.11.2021; approved after reviewing 15.11.2021; accepted for publication 15.11.2021.
fl
© Bobrova A.A., Emelchikova N.S., Sokolsky A.I., Shanin A.O., Shchepochkina Yu.A., 2021 56 © INO "Institution of Forensic Construction and Technological Expertise", 2021
