CC BY
82
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
УДК 666.9[658.567.1:621.3]
В.Ф. Панова, С.А. Панов
Сибирский государственный индустриальный университет
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ОТВАЛОВ ОТХОДОВ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИХ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Природная сырьевая база для производства строительных материалов с каждым годом истощается. В то же время в промышленном производстве образуется большое количество техногенных продуктов, которые могут использоваться как сырье [1 - 3].
Исследование золошлаковых отходов ТЭС Кузбасса показало, что ежегодный выход золы составляет 2,6 млн. т, кроме того, в отходы идут 2,4 млн. т в виде золошлаковых смесей. В отвалах накоплено около 40 млн. т таких отходов [4].
Целью настоящей работы было изучить состав, свойства отходов энергетики; систему устройства и разработки золотвала, определить направления применения золы в строительной индустрии.
Отходы энергетики подразделяются на два вида: зола-унос и золошлаковая смесь. Зола-унос (З-У) образуется методом сухого отбора из электрофильтров. Она относится к дисперсным материалам и имеет следующие свойства: 5уд = 800 - 2500 см2/г, насыпная плотность 700 - 750 кг/м3, истинная плотность 2,2 г/см3. Золошлаковая смесь (ЗШС) из отвала представлена в виде песка повышенной влажности, так как удаляется в отвал гидротранспортом.
В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы: кислые (К) - антрацитовые, каменноугольные, содержащие до 10 % оксида кальция; основные (О) — буроуголь-ные, содержащие более 10 % оксида кальция.
Действующие на ТЭС системы отбора и удаления в отвалы зол и шлаков не позволяют рационально и с наименьшими затратами применять их в производстве бетонов, прежде всего из-за влажности, неоднородности по гранулометрическому, химическому и минералогическому составам, загрязненности, из-за трудностей транспортировки, хранения и дозировки на предприятиях. Гранулометрический состав ЗШС изменяется по мере удаления ее от места выпуска. В отвалах выделяются следующие зоны: шлаковая - с преобладающим содержанием шлаковых фракций; зольная 1 - с
преобладающим содержанием зольных фракций; зольная 2 - с преобладающим содержанием золы фракции менее 0,08 мм (в центральной части отвала, районе отстойного пруда). Для того чтобы добиться однородности гранулометрического состава, предлагается применять определенную систему добычи ЗШС из отвала и разделять ее по фракциям (рис. 1 и 2). Разработка золоотвала производится поэтапно до конечной глубины с оставлением в подошве целика толщиной 0,3 - 0,5 м для предотвращения загрязнения сырья подстилающими породами. Разработку рекомендуется начинать на участке зольной зоны с наибольшей однородностью золошлаковой смеси. Разработку золо-отвала с относительно однородным гранулометрическим составом золы следует производить без разделения на зоны. Для усреднения по влажности и гранулометрическому составу порода должна перемешиваться и складироваться в бурты и затем конусы. Зола может отгружаться потребителям из конусов в усредненном состоянии с влажностью не более 30 %. Необходимые на зимний период запасы сырья могут создаваться как в отвалах, так и на территории предприятий-потребителей.
Золу, содержащую в своем составе более 10 % остаточного топлива, рекомендуется обогащать методом флотации. Для флотационного обогащения золы размер ее частиц не должен превышать 1 мм. Остаточное топливо из золы следует выделять пенной флотацией, при которой удаляются не сгоревшие частицы топлива с пеной, а минеральные оседают. Для пенной флотации можно использовать, например, также реагенты: собиратель - керосин, вспенива-тель - кубовый остаток ректификации диме-тилдиоксана (отход химической промышленности). Примерный расход реагентов на одну тонну флотируемой зольной массы следующий: 3,0 - 3,5 кг собирателя, 2,0 кг вспенивателя. Для флотации золы с остаточным топливом используется стандартное технологическое оборудо-
вание. В процессе флотации из золы выделяет- ся 20 - 25 % остаточного топлива.
Транспортировка
Завод
Рис. 1. Технологическая схема горных работ в золоотвалах с неоднородным гранулометрическим составом
Разработана модель (рис. 3) переработки и использования отходов энергетики как вторичных минеральных ресурсов (ВМР). На первом этапе оцениваются агрегатное состояние и объем накопленных отходов, далее определяется степень экологичности: содержание радиоактивных, токсичных веществ, остаточных примесей угля, рациональность их применения. Исследования показывают, что содержание токсических и радиоактивных веществ, таких как Ro226 (радий), Th232 (торий), К40 (калий), в составе золошлаковой смеси отвечает нормативным требованиям, т.е. ее можно применять в качестве строительного сырья. Далее определяется химический и минералогический составы.
Применение отходов энергетики эффективно осуществлять после их обогащения: удаления цветных, благородных металлов, сушки, термической обработки с аккумуляцией тепла от сжигания остаточного углерода. Затем осуществляются лабораторные, полупромышленные и промышленные испытания полученного зольного строительного материала или изделия. Заключительный этап - разработка регламента на каждый вид строительного материала.
Исследованием установлено, что зола от сжигания каменных углей месторождения Кузбасса относится к группе «кислых» с минимальным количеством щелочных и сернистых соединений, что является положительным для производства строительного материала (табл.1). Основные требования к золе как к сырью для производства строительных материалов отражены в табл. 2. Отмечены требования к золе как заполнителю: I - бетона; II -железобетона; III - ячеистого бетона; IV - дорожного бетона.
Ниже приведены результаты исследований золы как компонента зольного безклинкерного цемента на примере Беловской ГРЭС. Основные характеристики золы определяются по формулам
_ (СаО + 0,93МgO + 0,6Я20) _ осн " (0,93БЮ 2 - уЯпОи) (0,55А1203 + 0,35Ее203 + хБи0т) (0,93БЮ 2 -пОи) М _ %(СаО + МвР)
ММосн--;
%(Л12О3 +БЮ2)
Т
Конус смеси
О
\
га
г :
га
<7\ . I . 1_ГТТ
Ч7"
11 11 1.1,
1 1
гп
1 н^ ? ч- 1
: Д. •
I I
УГ'Т1........ ....... ' I ' гч
Конус материала
Хф\ О ^
и
80 -100м
ГГТТТГГГГТ г г г г
=ш
1 этаж
I
и
^^ЧЧЧЧЧЧЧ'Щ^ЧЧЧТ
1 этаж
г-" 'т"■*• т-
г'
*~г- г
г г г г
т-г Й-'- г
Положение на конец отработки
^ » ущ I ■ II у I I » у ..... у мну«...... I у 1 ■ ■ I у | ..... у
ЛГ----- Г ■
Рис. 2. Способы разработки отвала: а - драглайн; б - бульдозер; в - многоковшовый экскаватор
а
б
в
1 этап
2 этап
Оценка агрегатного состояния и объема запасов
Зола-унос = 150 — 300 м /кг)
Золошлаковая смесь из отвалов ^03< 1 %о; CaO< 5 %)
Отбор проб в отдельных точках по горизонтали и вертикали отвала
3 этап
4 этап
5 этап
6 этап
Оценка экологичности: содержание токсических веществ, ПДК, радиоактивность, Бк/кг
Исследование средних проб на вещественный, химический, минералогический составы и основных характеристик: Мосн, Ма и Косн
Начальный этап переработки ВМР - I -
Сушка, измельчение (1 мм); обжиг (г = 600 °С)
Аккумуляция тепла от
сжигания остаточного углерода
Удаление цветных, благородных металлов; определение направления применения
Направленность применения оставшихся алюмосиликатов (около 70 %) для
стройиндустрии
7 этап
Определение очередности, эффективности внедрения
8 этап
Подбор и расчет состава
9 этап
Полупромышленная, промышленная апробация
10 этап
Разработка технологического регламента каждого вида строительного материала и
изделия
Рис. 3. Модель переработки и использования отходов энергетики как вторичных минеральных ресурсов
М =%(Л1А); %(ЗЮ2)
здесь Косн и Мосн - коэффициент и модуль основности; Ма - модуль активности.
Установлено, что отходы относят по коэффициенту основности, модулю основности к группе ультрокислых: ^ЗШС = -0,24; КхУ = -0,07; М™н = 0,07; М^У = 0,12. По модулю активности имеем МЗШС = 0,5; МЗ-У = 0,3.
а ' ' а '
Зола обладает малой активностью, т.е. для получения цемента на ее основе необходимо введение активизаторов: щелочного и сульфатного [5].
По показателю Косн возможно определить направление применения отхода в промыш-
ленности строительных материалов [1, Стр. 30]. Для исследования отходов как заполнителя или наполнителя необходимо проверить их на стойкость к распадам: силикатному, железистому, известковому. Все виды распада связаны с содержанием в материале оксида СаО. Для золы содержание оксидов кальция находится в пределах 3,91 - 4,81 %, т.е. в небольшом количестве (см. табл. 1).
Силикатный распад происходит потому, что находящийся в отходе минерал - двух-кальциевый силикат - из неустойчивой формы (у2Са08Ю2) переходит в устойчивую (Р2Са0^Ю2), что сопровождается увеличением его объема на 10 %. Этот эффект можно оценить расчетами по формулам
100-ЕЯО 100-£ЯО >мОт:п —-, —-.
н 2 ^ пил. ^
Химический состав золы Беловской ГРЭС
Т а б л и ц а 1
Наиме- Содержание, %
нование СаО А12О3 БЮ2 Ре2Оэ БеО МяО Я2О ТЮ2 Мп3О4 Р2О5 8Оэ
Известь 88,76 - 1,025 - - 9,62 - - - - 0,59
ЗШС 3,91 27,38 55,99 6,64 0,58 1,62 1,73 0,49 0,74 - 0,92
З-У 4,81 21,81 61,65 5,39 - 1,88 4,46 - - - -
Отход считается распадающимся, если содержание фактических оксидов БЮ2 меньше, а СаО больше, чем их количество, определенное расчетом. Получено БЮ2тт= 23,96 %; СаОтах= 33,3 %; БЮфакт= 55,99 %; СаОфакт= 3,91 %. Установлено, что Кузбасские золы стойки к распадам, т. е. они могут рекомендоваться как заполнители в бетоны и растворы.
Для определения состава зольного цемента и количества составляющих компонентов решается следующее уравнение:
[(СаО + 0,93ЫеО + 0,6Я2О) - (п 0,938102 + +0,55ЛЬ03 + 0,35Бе2О3 + 0,7БО3)] X /
/[(п 0,93БЮ2 + 0,55А12О3 + 0,35Бе2О3 + 0,7БО3)--(СаО + 0,93ЫеО + 0,6Я2О)] = 1, где п - заданное для шихты значение Косн (на практике п = 1,2 - 1,6); X - количество массовых частей «основного» сырья (Косн > 1) на одну весовую часть «кислого» сырья (Косн < 1). В качестве «кислого» компонента принята зола, а в качестве щелочного активизатора использована известь (табл. 1). По результатам расчета состава цемента при принятом коэффициенте Косн = 1,5 получено, что соотношение содержаний извести к золе близко 1 : 1.
Т а б л и ц а 2
Требования к золам тепловых электростанций
Вид Значение показателя в зависимо-
сжигаемого сти от вида золы
I II III IV
угля
Содержание СаО, % :
для кислой золы, не более Любой 10 10 10 10
для основной золы Бурый 10 10 10 10
в том числе:
свободного оксида кальция (СаОсв), не более:
для кислой золы Любой Не нормируется
для основной золы Бурый 5 5 Не норми- 2
руется
Содержание Mg0, %, не более: Любой 5 5 Не норми- 5
руется
Содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на
БО3, % , не более:
для кислой золы Любой 3 5 3 3
для основной золы Бурый 5 5 6 3
Содержание щелочных оксидов в пересчете на Ка2О, %, не более:
для кислой золы
Любой 3 3 3 3
для основной золы Бурый 1,5 1,5 3,5 1,5
ШШ, %, не более:
для кислой золы Антрацит 20 25 10 10
Каменный 10 15 7 5
Бурый 3 5 5 2
для основной золы Бурый 3 5 3 3
Удельная поверхность, м2/кг, не менее:
для кислой золы Любой 250 150 250 300
для основной золы Бурый 250 200 150 300
Остаток на сите № 008, %, не более:
для кислой золы Любой 20 30 20 15
для основной золы Бурый 20 20 30 15
В качестве сульфатного активизатора в цемент вводится, как правило, гипсовый камень [5]. Расход гипсового камня зависит от содержания алюминатной составляющей (С3А1 или А12О3) в шихте. Именно эти две составляющие при химическом взаимодействии приводят к образованию энтрингита (гидросульфоалюми-ната кальция). Расход количества гипса при содержании 80 % СаБО4 • 2Н2О в гипсовом камне составляет от 4,6 до 7 %. Состав из-вестково-зольного вяжущего (ИЗВ) следующий: 50 % золы; 50 % извести; от 4,6 до 7 % (сверх 100 %) сульфатной добавки в виде ГК. Активность такого цемента находится в пределах 200 - 250 кгс/см2. Тонкость измельчения ИЗВ - до Sуд > 300 м2/кг, изделия из него необходимо подвергать тепловой обработке в пропарочных камерах или автоклавах.
На основе этого вяжущего получен силикатный кирпич марки М 150, в состав шихты которого входят ИЗВ и ЗШС в соотношении 1 : 3. На способ получения зольного стенового кирпича получен патент № 229 67 26 «Силикатная масса для приготовления отделочного кирпича».
Выводы. В настоящее время на территории Кузбасса в отвалах накоплено около 40 млн. т отходов энергетики, которые делятся на золу-унос и золошлаковую смесь. Золы являются «кислыми», так как содержат до 10 % оксида кальция. Для усреднения гранулометрического состава отвалов определены технологические схемы по их разработке с помощью многоковшового эксковатора, драглайна и бульдозера. Для удаления примесей угля предложен метод флотации с реагентами: собиратель - керосин, вспениватель - кубовый остаток ректификации диметилдиоксана (отход химической промышленности). Разработана модель исследования и переработки отходов энергетики как сырья для строительной индустрии. На примере золы Беловской ГРЭС установлена стойкость ее
против распада, что доказывает возможность применения техногенных продуктов в качестве заполнителя и наполнителя. Разработан состав известково-зольного вяжущего, в котором соотношение компонентов - извести и золы -определено как 1:1 с добавкой гипса от 4,6 до 7 %. Разработан состав компонентов для получения силикатного кирпича: ИЗВ : ЗШС = 1 : 3, получен кирпич марки М 150 (Патент № 229 67 26. «Силикатная масса для приготовления отделочного кирпича»). Экономические показатели производства кирпича с применением золы следующие: уровень рентабельности - около 40 %, срок окупаемости - около 2,5 лет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. П а н о в а В.Ф. Техногенные продукты как сырье для стройиндустрии. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2009. - 289 с.
2. Б о ж е н о в П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология: Учебное пособие. - М.: изд. АСБ, 1994. -264 с.
3. Д о л г а р е в А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов: физико-химический анализ: Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1990. - 456 с.
4. П а н о в а В.Ф. Строительные материалы на основе отходов промышленных предприятий Кузбасса: Учебное пособие. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2005. - 182 с.
5. В о л ж е н с к и й А.В. Минеральные вяжущие вещества: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 464 с.
© 2015 г. В.Ф. Панова, С.А. Панов Поступила 20 марта 2015 г.
