CC BY
65
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Рис. 6. Устройство регулирования оборотов ротора асинхронного электродвигателя
УДК 69.002.68; 69:658.567; 69.002.8 Белых Светлана Андреевна,
кандидат технических наук, зав. кафедрой строительного материаловедения и технологий (СМиТ), Братский государственный университет, тел.: 8(3953)325345, e-mail: smit1@brstu.ru
Черниговская Мария Николаевна, аспирант, Братский государственный университет, тел.: 89025696470, e-mail: maria292009@yandex.ru
Буянова Элеонора Эдуардовна, аспирант, Братский государственный университет, тел.: 89086492193, e-mail: eleonora1987@km.ru
Меркульева Татьяна Анатольевна, директор ЗАО «Иркутскзолопродукт», тел.: (3952) 793-663 Самусева Маргарита Никифоровна, менеджер производственно-технической группы ЗАО «Иркутскзолопродукт», тел.: 89086409724
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СВОЙСТВ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ В ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛАХ
S.A. Belyh, M.N. Chernigovskaya, E.E. Buyanova, T.A. Merkulieva, M.N. Samuseva
PROPERTIES OF ASH AND SINDER WASTE OF THE IRKUTSK REGION STABILITY MAINTENANCE USING IN CEMENT MATERIALS
Аннотация. Основные свойства отходов сжигания угля ЗАО «Иркутскэнерго» проверены на соответствие требованиям существующих стандартов с целью использования в строительных материалах. Изучено влияние золошлаковых материалов на свойства цементных композитов.
Определены приоритетные направления по утилизации золошлаковых отходов ЗАО «Иркутскэнерго» в строительстве.
Ключевые слова: золошлаковые материалы, отходы сжигания угля, отходы ТЭЦ.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Abstract. The basic properties of a waste of burning of coal of "Irkutskenergo" company are checked up on conformity to requirements of existing standards for the purpose of use in building materials. Influence ashes and sinder materials on properties of cement composites is studied. Priority directions on recycling ashes and sinder waste "Irkutskenergo" company in building are defined.
Keywords: ashes and sinder materials, a waste of burning of coal, a thermal power station waste.
Во всем мире в результате деятельности тепловых электростанций накоплено большое количество промышленных отходов в виде зол и шлаков. На территории Российской Федерации ежегодно образуется более 20 млн тонн золошлаковых отходов (ЗШО). В Иркутской области за годы работы энергосистемы на золоотвалах ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» накоплено около 80 млн тонн ЗШО (суммарный годовой выход около 1,7 млн тонн). Территориально золоотвалы ОАО «Иркутскэнерго» располагаются в рамках муниципальных образований: Иркутск, Ангарск, Братск, Усо-лье-Сибирское, Саянск, Зима, Шелехово, Усть-Илимск. Основными углями, сжигаемыми на ТЭЦ, являются азейский, мугунский, тулунский, ирша-бородинский и жеронский [1].
Мировой опыт показывает, что ЗШО являются эквивалентным сырьем для замены природных ресурсов в строительной промышленности. Проблемой использования топливных отходов занимаются многие ученые, как в России, так и за рубежом. Итогом многочисленных исследований стали теоретические обобщения и практические основы для широкого применения ЗШО ТЭЦ в стройиндустрии. Создана нормативно-техническая документация, регламентирующая их применение в строительных материалах.
Химический состав предопределил применение ЗШО при производстве портландского цемента (в качестве сырья при обжиге клинкера и активной минеральной добавки при его помоле); в пуццолановых цементах; при изготовлении смешенных вяжущих (известково-шлакового, шлако-щелочного, гипсо-цементно-пуццоланового вяжущих и др.); при производстве искусственных пористых заполнителей (зольного гравия, глино-зольного керамзита и др.); в газо- и золобетонах силикатного твердения; в качестве минерализаторов в древесно-цементные композиты; в качестве
наполнителем в композиционные материалы на основе полимеров. При изготовлении цементных строительных композитов, среди которых наиболее изучены цементные бетоны, ЗШО используются в качестве сырьевых компонентов: крупного и мелкого заполнителя, наполнителя и активной минеральной добавки.
Использование побочных продуктов сжигания угля в строительных материалах на местах их образования позволят снизить стоимость строительных материалов и утилизировать значительную долю ЗШО, исключив затраты на их размещение, хранение и последующую рекультивацию земель.
При всей очевидности, имеющихся предпосылках и опыте вовлечения ЗШО в сырьевую базу стройиндустрии использование этого материала требует осторожности, тщательности и апробации в каждом конкретном случае. Это связано с вопросом стабильности свойств получаемых отходов. По мнению авторов, необходимо создать определенную систему управления качеством ЗШО с целью превращения основной их части в сырье со стабильными или требуемыми свойствами.
Целью совместной работы технологов строительной индустрии и энергетиков является создание основных принципов для системного отбора ЗШО и управления их свойствами при применении в строительных материалах.
Задачами исследований является оценка физико-механических свойств ЗШО на соответствие требованиям нормативных документов, разработка технологических переделов доведения отходов ОАО «Иркутскэнерго» до кондиционных сырьевых материалов.
ЗАО «Иркутскзолопродукт» (дочерним предприятием ОАО «Иркутскэнерго») разработана целевая программа по утилизации продуктов сжигания энергетических углей. Основной задачей, поставленной ЗАО «Иркутскзолопродукт», является улучшение качества ЗШО и обеспечение их стабильности с целью дальнейшей реализации.
На первом этапе исследований со всех действующих предприятий ОАО «Иркутскэнерго» собрано 26 проб различных золошлаковых отходов: золы-уноса, золошлаковых смесей, шлака. Материалы отобраны с 13 ТЭЦ Иркутской области. Перечень предприятий с указанием первых доставленных проб отходов сжигания угля ОАО «Иркутскэнерго» представлен в табл. 1.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Таблица 1
Исследуемые продукты сжигания угля ОАО «Иркутскэнерго»
№ ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго», место нахождения Выход ЗШМ, Тыс.тонн/год Режимы сгорания угля Перечень проб ЗШМ
Состояние топлива Температура, оС
1 ТЭЦ-9 участок 1 (ТЭЦ-1), Ангарск 140-160 пыль 900-1100 Зола-унос, шлак
2 ТЭЦ-6, Братск 70-90 пыль 1100-1400 Зола-унос (2, 3-го поля, котлоагрегат № 7), ЗШС, шлак
3 ТЭЦ-6 (ТИиТС) ТЭЦ, Братск 15-20 пыль 900-1100 Зола-унос (с электрофильтров)
4 (ТИиТС)РГК, Братск 15-20 пыль 900-1100 Зола-унос (второе поле, с электрофильтров)
5 ТЭЦ-9, Ангарск 200-270 пыль 900-1100 Зола-унос (две пробы), ЗШС, шлак
6 ТЭЦ-10, Ангарск 150-300 дробленка 900-1100 ЗШС
7 ТЭЦ-11, Усолье-Сибирское 150-200 пыль 900-1100 ЗШС
8 ТЭЦ-12, Черемхово 16-25 пыль 900-1100 ЗШС
9 Н-ИТЭЦ, Иркутск 220-280 пыль 900-1100 Зола-унос (5 форкамера)
10 Н-ИТЭЦ (ТЭЦ-5), Шеле-хово 30-40 пыль 900-1100 ЗШС (форкамера)
11 У-ИТЭЦ, Усть-Илимск 100-200 пыль 1100-1400 ЗШС (жеронский уголь) ЗШС (ирша-бород. уголь)
12 Котельной северного про-музла (КСПУ), Иркутск пыль 900-1100 ЗШС
13 НЗ-ТЭЦ, Саянск 100-170 пыль 900-1100 ЗШС (две пробы)
В цементных материалах золошлаковые отходы могут применяться для замены вяжущего вещества, в качестве тонкодисперсного наполнителя, активной минеральной добавки, крупного и мелкого заполнителей. С целью массового использования ЗШМ ОАО «Иркутскэнерго» в строительных композитах оценили их физико-механические свойства на соответствие требованиям стандартов.
Основные свойства ЗШО, определяемые в работе, регламентированы нормативными доку-
Основные свойства
ментами и представлены в табл. 2 и 3.
Установлено, что в общем ЗШО ОАО «Иркутскэнерго» соответствуют требованиям нормативных документов по показателям влажности, насыпной плотности, гранулометрическому составу. Данные материалы могут использоваться при производстве бетонов и растворов в качестве мелкого и крупного заполнителей, наполнителя и активной минеральной добавки (АМД). При превышении показаний по влажности рекомендуется проводить сушку материалов. Для использования
Таблица 2
золошлаковых отходов_
Объект исследования Основные свойства Диапазон свойств ЗШО ОАО «Иркутскэнерго» на исследуемых ТЭЦ
Зола-унос ГОСТ 25818-91 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» Насыпная плотность, кг/м3 Влажность, % Удельная поверхность, м2/кг Остаток на сите № 008, % 900-1300 До 1 Более 300 До 8,2
Золошлаковые смеси ГОСТ 25592-91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» Зерновой состав Модуль крупности, Удельная поверхность мелкозернистой фракции по формуле Ладинско-го, м2/кг Насыпная плотность, кг/м3 Влажность, % 0,5-3,2 15-55 680-1370 0,5-36
Шлак. ГОСТ 26644-85 «Щебень и песок из шлака тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» Насыпная плотность, кг/м3 Средняя плотность, кг/м3 Зерновой состав 460-520;1250-1700 1000-1100; 1900-2000
Таблица 3
Гранулометрический состав золошлаковых отходов ОАО «Иркутскэнерго»
Наименование ЗШМ Частные остатки на сите, %
70 40 20 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 П
ЗШС Н-И ТЭЦ - - - - - 0-1,04 1,025,10 1,6-4,52 4,607,58 37,3647,46 35,9144,28
ЗШС У-ИТЭЦ (Жеронский уголь) - - - - - 32,1027,07 21,6022,80 21,8226,35 8,609,39 6,067,21 4,5012,54
ЗШС КСПУ - - - - - 3,125,11 1,865,69 2,584,25 7,3612,37 50,6456,11 22,8526,98
ЗШС ТЭЦ-11 - - - - - 25,4232,01 21,6024,68 20,8226,35 9,3911,47 5,126,06 4,5-7,41
ЗШС ТЭЦ-6 - - 4,257,99 4,615,18 7,6810,40 14,0817,53 10,6815,36 18,4921,93 10,8316,82 7,229,57 8,0511,53
ЗШС ТЭЦ-9 - - - 0,112,47 0,483,12 2,305,81 1,733,92 3,175,61 3,864,85 17,5518,30 53,8570,80
ЗШС ТЭЦ-12 - - - 0,221,04 0,290,95 0,452,23 0,341,18 0,791,54 4,266,81 30,1934,17 48,6156,93
ЗШС ТЭЦ-10 - - - - 0,071,52 0,082,10 0,051,22 0,261,26 2,264,68 37,9042,56 48,9154,72
ЗШС Н-ЗТЭЦ - - - - 0-0,52 0,572,35 1,471,86 3,265,81 9,6716,7 33,0436,12 45,7551,47
Шлак ТЭЦ-9 13,6429,82 20,2729,07 25,7327,45 11,7914,08 2,986,48 1,132,90 0,550,62 0,661,37 0,820,97 1,431,99 3,103,15
Шлак ТЭЦ-6 - - 0-7,62 2,888,85 8,3612,82 12,6632,25 13,3724,67 15,8237,76 6,099,80 2,793,40 0,400,47
Шлак ТЭЦ-9 уч. 1 9,2513,64 24,3029,07 25,7330,84 10,5214,08 6,484,25 2,552,90 0,621,05 0,651,37 0,971,42 1,992,63 2,683,15
в качестве заполнителей рекомендуется фракционирование, в качестве наполнителей и АМД - помол. Зерновой состав исследуемых ЗШС и шлаков соответствует зерновому составу песка [2].
С целью использования ЗШО в цементных материалах для замены части портландцемента изучили их пуццоланическую активность. Провели серию испытаний ЗШО, размалывая золу-уноса ТЭЦ-1, золу-уноса ТЭЦ-7, золошлаковую смесь
ТЭЦ-1 и шлак ТЭЦ-6 до удельной поверхности 250 м2/кг, 250-350 м2/кг, более 350 м2/кг в шаровой мельнице. Были изготовлены образцы (4*4*16 см) с заменой цемента на ЗШО с различной удельной поверхностью в количестве 10, 20 и 30 % при В/(Ц+ЗШО) = const. Результаты испытаний образцов после тепловлажностной обработке представлены в табл. 4.
Установлено, что:
Таблица 4
Количество Удельная поверхность, м2/кг
ЗШМ,% До 250 250-350 Более 350
Контрольный образец Ц:П=1:3, Ясж=24,2МПа (100%)
Зола-унос ТЭЦ-1 10 ^сж* на 16,1 % ^сж на 11,2 % |Ясж** на 1,7 %
20 ^сж на 17,4 % |Rсж на 13,6 % ^сж на 0,8 %
30 ^сж на 22,3 % |Rсж на 19,4 % |Rсж на 3,7 %
Зола-унос ТЭЦ-7 10 ^сж на 16,9 % ^сж на 14,0 % |Ясж на 4,1 %
20 ^сж на 19,8 % |Rсж на 15,3 % ^сж на 0,8 %
30 |Rсж на 27,3 % ^сж на 20,2 % |Rсж на 3,3 %
ЗШС ТЭЦ-1 10 ^сж на 15,7 % |Rсж на 7,9 % |Rсж на 0,4 %
20 |Rсж на 20,7 % |Rсж на 9,9 % ^сж на 1,2 %
30 |Rсж на 23,1 % ^сж на 15,7 % |Rсж на 4,1 %
Шлак ТЭЦ-6 10 |Ясж на 10,3 % |Ясж на 5,0 % |Ясж на 3,3 %
20 |Ясж на 12,8 % |Ясж на 6,6 % |Ясж на 0,8 %
30 |Ясж на 18,2 % |Ясж на 12,8 % |Rсж на 5,8 %
Примечание: *уменьшение прочности на сжатие образцов от контрольного;
** увеличение прочности на сжатие образцов от контрольного.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
- домолотые ЗШО ТЭЦ-1, ТЭЦ-7, ТЭЦ-6 обладают пуццоланической активностью;
- оптимальная степень домола отходов сжигания угля соответствует удельной поверхности тонкомолотого портландцементного клинкера (более 350 м2/кг);
- ЗШО ТЭЦ-1, ТЭЦ-7, ТЭЦ-6 (с удельной поверхностью более 350 м2/кг) можно использовать в строительных композитах для экономии портландцемента до 20 % без потери прочности.
ЗАО «Иркутскзолопродукт» предлагает доводить ЗШО до кондиционных сырьевых материалов путем домола. Провели исследования для оценки изменения активности домолотых ЗШО в зависимости от времени хранения. Для этого хранили ЗШО (золу-унос ТЭЦ-1, золу-унос ТЭЦ-7, золошлаковую смесь ТЭЦ-1 и шлак ТЭЦ-6) с удельной поверхностью более 350 м2/кг в течение 3, 7, 14, 28 суток. После были заформо-ваны образцы с заменой портландцемента на ЗШО в количестве 20 %. Результаты представлены на рис. 1.
Рис. 1. Изменение активности золошлаковых отходов в зависимости от времени хранения
Установлено, что пуццоланическая активность ЗШО с течением времени хранения пропадает (через 14 суток хранения ЗШМ прочность образцов уменьшилась на 30 %), поэтому домол эффективен непосредственно перед приготовлением строительных материалов, следовательно, ЗАО «Иркутскзолопродукт» не может организовать данную операцию в отрыве от бетонного производства.
Выводы и рекомендации:
1. Физико-механические свойства ЗШО ОАО «Иркутскэнерго» соответствуют требованиям существующих стандартов, что позволяет использовать данные продукты как основное сырье при производстве цементных строительных материалов;
2. Использование домолотых ЗШО ОАО «Иркутскэнерго» (золы-уноса ТЭЦ-1, золы--уноса ТЭЦ-7, золошлаковой смеси ТЭЦ-1 и шлака ТЭЦ-
6) до удельной поверхности более 350 м2/кг позволяют экономить расход цемента до 20% (без потери прочности);
3. Процесс помола ЗШО должен быть максимально приближен к месту приготовления цементных материалов, следовательно, потребители ЗШО должны организовать дополнительный передел (домол) в технологическом процессе.
0 3 7 14 28
хранение домолотых ЗШО, сут
- Зола-уноса ТЭЦ-1
- Зола-уноса ТЭЦ-7
- золошлаковая смесь ТЭЦ-1
- шлак ТЭЦ-6
2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Использование ЗШМ ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» в качестве повторно возобновляемых ресурсов в Иркутской области / В.В. Ильюшин // Межрег. на-уч.-практ. конф., (28-29 нояб. 2007 г., Иркутск). -Иркутск, 2007. - 56 с.
Оценка свойств золошлаковых отходов ЗАО «Иркутскзолопродукт» для использования в строительных материалах / Буянова Э.Э., Черниговская М.Н., Белых С.А. // Строительство: материалы, конструкции, технологии : Всерос. науч.-техн. конф (2009, Братск). - Братск : БрГУ, 2009. - 149 с.
