CC BY
148
УДК 666.9.022.2
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ОТХОДОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
© 2013 г. СА. Герк, В.А. Смолий
Герк Светлана Александровна - млад. науч. сотр., кафедра НХ, Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского. Тел. (3812)22-36-41.
Смолий Виктория Александровна - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Gerk Svetlana Aleksandrovna - Junior Researcher Omsk State University of F.M. Dostoevsky. Ph. (3812)22-36-41.
Smoliy Victoria Aleksandrovna - post-graduate student, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Рассмотрены составы и свойства зол и шлаков ТЭС. Проведены исследования зол и шлаков Новочеркасской ГРЭС с помощью элементного, рентгенофазового анализа и оптической микроскопии. Сделан вывод о применимости зол и шлаков данной ТЭС для любых видов строительства.
Ключевые слова: зола и шлаковые отходы ТЭС; ресурсосберегающая технология; строительные материалы.
Examined the composition and properties of TPP ash and slag. Investigations of ash and slag of Novocherkassk's TPP with elementаl, X-ray diffraction analysis and optical microscopy. The conclusion about the applicability of the ash and slag of this TPP for all types of construction was made.
Keywords: ashes and a slag waste of thermal power plants; resource-saving technology; building materials.
В современном мире все сильнее обостряются проблемы охраны окружающей среды. Гигантский вред природе наносят отходы различных видов промышленности, в частности топливно-энергетического комплекса. Например, при сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются огромные количества золы в виде пылевидных остатков и кускового шлака, а также различные зо-лошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200 - 1700 °С) обработки минеральной части топлива [1]. Объем отходов, получаемых на ТЭС, и объем, потребляемый различными отраслями промышленности, представлен на рис. 1.
Из рис. 1 явно видно, что количество получаемых отходов почти на порядок превышает количество утилизируемых. Следовательно, для сохранения и улучшения экологической обстановки необходимо увеличение потребления золошлаковых отходов в различных отраслях промышленности.
Для использования золошлаковых материалов в строительстве необходимы данные об их физико-химических свойствах. Химические свойства и фазо-во-минералогический состав золы и шлака в основном определяются составом минерального вещества топлива и теми изменениями, которые оно претерпевает при высокотемпературной обработке в котлах ТЭС [1].
Рис 1. Динамика накопления и утилизации углепромышленных отходов на территории Ростовской области
Зола представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5 -100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев - мергели с примесями гипса и песка.
Химический состав зол колеблется в зависимости от месторождений углей. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС, %: SiO2 -37-63; А12О3 - 9-37; Fe2Oз - 4-17; СаО - 1-32; MgO -0,1-5,0; SO3 - 0,05-2,50; №20+К20 - 0,5-5,0. Потери при прокаливании, характеризующие содержание в золе несгоревших углеродистых частиц, составляют 0,5 - 30,0 %.
Шлаки - основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. Они образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 1000 °С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300 °С.
В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат не-сгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью. Однако их химический состав полностью зависит от сжигаемого угля и может изменяться в широких пределах. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС, %: SiO2 - 25-66; А12О3 - 7-34; Fe2O3 - 3-18; СаО - 2-40; MgO - 1-4; SO3 - 0,2-2,0; №20+К20 - 0,1-4,5.
Одним из основных параметров зол и шлаков ТЭС является модуль основности (гидравлический модуль), представляющий собой отношение содержания основных оксидов к сумме кислотных оксидов. При МО > 1 золошлаки - основные и обладают вяжущими свойствами; при МО < 1 золошлаки - кислые, могут служить гидравлической добавкой. Для учета влияния щелочных компонентов в формулу модуля основности включены оксиды натрия и калия.
Мо = (СаО + MgO + К2О + №20) / ^Ю2 + М2О3).
Нами было проведено исследование золошлако-вых отходов Новочеркасской ГРЭС, использующей угли Донецкого бассейна. В настоящее время в этом бассейне добывается до 30 % всего угля в стране. Отличительная особенность донецких углей - их высокое качество как энергетического топлива, которое отличается высокой теплотой сгорания, небольшой влажностью топлива и средней плавкостью золы. Зольность донецких углей составляет 20 - 30 %. По химическому составу золошлаковые отходы донецких углей характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия - 50 и 30 % соответственно.
Содержание оксида железа доходит по отдельным пробам до 30 %. Щелочных компонентов содержится относительно небольшое количество - до 5 % [2].
Был проведен элементный анализ образцов золы и шлака Новочеркасской ГРЭС. Его результаты приведены в таблице.
Исходя из результатов элементного анализа можно сделать следующие выводы:
- в золе и шлаке присутствуют значительные количества Si02 и А1203, повышающие температуру плавления материала;
- по наличию больших количеств Si02 и А1203, а также благодаря схожести химического состава со стеклобоем можно также сделать вывод о применимости зол и шлаков Новочеркасской ГРЭС как частичной замены стеклобоя в стекольной промышленности;
- относительно малые количества оксидов щелочных металлов в золе и шлаке обеспечивают высокую химическую стойкость материала;
- модуль основности МО < 1, следовательно, данные золошлаковые отходы относятся к классу кислых, что обусловливает отсутствие вяжущих свойств у данных материалов и возможность их применения в качестве гидравлических добавок в производстве вяжущих веществ.
Для определения структуры золошлаковых отходов на базе центра коллективного пользования «Нано-технологии ЮРГТУ (НПИ)» были проведены микроскопические исследования с помощью электронного микроскопа. Микрофотографии шлака приведены на рис. 2, золы - на рис. 3.
Анализируя полученные фотографии, можно сделать вывод, что частицы шлака плоские, остроугольные, а частицы золы имеют сферическую форму, наблюдаются окатанные зерна разной величины, т. е. шлак имеет развитую поверхность, вследствие чего является более реакционноспособным материалом, нежели зола [3].
В составе золы и шлака условно можно выделить три группы веществ - кристаллические, стекловидные, органические. Количественные соотношения этих фаз зависят от вида сжигаемого топлива, режима его сжигания и удаления очаговых остатков. Кристаллическое вещество представлено как первичными минералами минерального вещества топлива, так и новообразованиями, полученными в топочном процессе.
Элементный анализ золы и шлака Новочеркасской ГРЭС
Материалы Содержание оксидов, % по масс
SiO2 AI2O3 MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 п.п.п. I
Шлак 54,56 19,21 1,64 0,98 11,92 3,72 3,35 0,98 0,08 0,12 3,44 100
Зола 51,15 22,50 1,66 1,01 11,95 3,50 3,67 0,92 1,20 0,09 2,35 100
Наиболее широко отмечены магнетит, гематит, кварц, муллит. Сульфаты и карбонаты кальция содержатся в золе всех твердых топлив, но в различных количествах.
Согласно данным литературы, основными фазами в золошлаковых отходах, получаемых из углей До-
нецкого бассейна, являются: стеклофаза, кварц, гематит, магнетит, силикаты кальция [2]. Для определения фазового состава на базе центра коллективного пользования «Нанотехнологии ЮРГТУ (НПИ)» был проведен рентгенофазовый анализ (РФА) шлака и золы. Результаты РФА представлены на рис. 4, 5.
Рис. 2. Микроанализ шлака
Рис. 3. Микроанализ золы
1 .о
2
20 25 30
Рис. 4. РФА шлака
29, град
2700 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300 О
29, град
Рис. 5. РФА золы
Из графиков можно сделать следующие заключения:
- шлак практически полностью в стеклообразном состоянии («аморфное гало»), наличие кристаллической фазы трудноопределимо, что говорит об очень малом ее количестве;
- в золе имеются кристаллические образования: некоторые различные модификации Si02 и предположительно фаза муллита, остальная часть золы также находится в стеклообразном состоянии.
Одной из наиболее важных характеристик золош-лаковых отходов является радиоактивность, т.е. удельная эффективная активность естественных радионуклидов Аэфф. С учетом этого был проведен радиологический анализ золы и шлака Новочеркасской ГРЭС, показавший, что данные материалы относятся к V классу опасности (практически не опасные). Согласно результатам радиологических исследований, золошлаковые материалы и изделия на их основе относятся к I классу строительных материалов и могут быть использованы для всех видов строительства [4].
С учетом всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что золошлаковые отходы тепловых электростанций обладают отличными физико-химическими характеристиками (структура частиц, химический состав, отсутствие радиоактивности) и являются весьма перспективными материалами для промышленности стройматериалов.
Поступила в редакцию_
Работа подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы на тему «Актуальные аспекты технологий переработки отходов топливно-энергетического комплекса и синтеза на их основе новых строительных материалов» по соглашению № 14.В37.21.2092 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы».
Литература
1. Бранчугов В.А., Жигуленкова А.И., Журбицкий Б.И. [и др.]. Минерально-сырьевая база углей Восточного Донбасса. Ростов н/Д., 2003.
2. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справочное пособие / под ред. В.А. Мелентьева. Л., 1985. 292 с.
3. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Косарев А.С., Смолий В.А. Эффективное использование твердого топлива и переработка золошлаковых отходов ТЭС с применением нано-технологий // Альтернативная энергетика и экология. 2010. №3 (83). С. 93 - 102.
4. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Паршуков В.И., Косарев А.С., Рытченкова В.А., Красникова О.С., Тетерятникова Е.О., Чеботарева Е.В. Проблемы комплексной переработки золошлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения // Техника и технология силикатов. 2010. № 2. С. 17 - 21.
6 февраля 2013 г.
