CC BY
4С.Л. Буянтуев, д-р техн. наук, проф. Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф.
А.Б. Хмелев, аспирант С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
А.С. Кондратенко, канд. техн. наук Бурятский государственный университет, г. Улан-Удэ
УДК 62-63
ПЕРЕРАБОТКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье приведены результаты переработки золошлаковых техногенных отходов в электродуговом плазменном реакторе лаборатории «Плазменные и энергетические технологии». Исследования исходного сырья, расплава и минеральных волокон производились методами энергодисперсионного спектрального рентгеновского анализа, а также электронной микроскопии. Изучение плавления сырья и слива расплава проводилось высокотемпературным тепловизором MSC 640 Luma Sense в диапазоне температур от 1000 до 3000 С, в результате которого были построены карты и 3D-модели температурных полей. Исследована возможность плавления золошлаковых отходов с под-шихтовкой доломитом (карбонатом кальция) с целью получения расплава и выработки из него композиционного минерального волокна. Процесс получения минерального волокна из сырьевой шихты заключается в ее нагреве до плавления, последующего разбрызгивания расплава и вытягивания волокон. Волокно на данной установке получалось центробежно-дутьевым методом разбрызгивания струи расплавленного сырья вращающимся с высокой скоростью графитовым цилиндром.
Ключевые слова: электродуговая плазма, плазменный реактор, золошлаковые отходы, под-шихтовка, доломит, спектральный, рентгеновский анализ, микроскопия поверхности, минеральный расплав, композиционное волокно из расплава.
S.L. Buyantuev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.B. Khmelev, P.G.
S.A. Lhasaranov, Cand. Sc. Engineering A.S. Kondratenko, Cand. Sc. Engineering
ASH WASTE PROCESSING BY THE ELECTRIC ARC PLASMA TO OBTAIN COMPOSITE BUILDING MATERIALS
The results of ash and slag processing in the electric arc plasma reactor laboratory "Plasma and Energy Technologies" are proposed in the paper. The studies offeed stock, melt and mineral fibers were produced by the methods of spectral energy dispersive X-ray analysis and electron microscopy. The study of composite materials melting was conducted with high-temperature thermal imager MSC 640 Luma Sense in the temperature range from 1000 to 3000 0C, whereby the maps and 3D-models of temperature fields were built. The melting possibility of ash and slag waste to obtain a melt and the elaboration of its mineral fiber is analyzed. The process of mineral fiber receiving consists in its heating to melting. The fiber was received by spraying method of a stream of the melted raw materials with the graphite cylinder rotating at high speed.
Key words: arc plasma, plasma reactor, slag waste, additional charging, dolomite, spectral, X-ray analysis, microscopy of the surface, the mineral melt, composite fiber from the melt.
Введение
Потребность различных отраслей промышленности в минеральных волокнистых материалах постоянно растет. Для производства минеральных волокон возможно использование техногенных отходов, образующихся при сжигании твердого топлива, в связи с тем, что об-
19
разование техногенных отходов имеет тенденцию значительного роста в будущем, что способствует их неуклонному накоплению [1]. Переработка твердых техногенных отходов в волокнистые материалы является важной научно-технической задачей, так как данные виды отходов имеют повышенную температуру плавления, поэтому не могут быть использованы для производства минеральной ваты с помощью известных теплоагрегатов (вагранок, ванных печей и т.д.) [2].
Во всем мире ведутся работы по получению минеральных волокнистых материалов с высокими физико-химическими и механическими свойствами. Однако наряду с соблюдением требований ГОСТа к качеству волокнистых материалов всегда была и существует проблема снижения энергозатрат и себестоимости производства данных материалов. Решение этих сложных, порой противоречивых проблем требует проведения предварительных экспериментальных и теоретических исследований сырья с целью выработки практических рекомендаций для производства волокнистых материалов с использованием современных достижений науки и новых технических решений [3].
Одним из перспективных направлений в этой области является применение электродуговой плазмы для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов. При использовании в качестве источника тепловой энергии электрической дуги за счет высокой температуры резко снижается время получения расплава из-за исключения индукционного периода плавления [4].
Экспериментальная установка и методика исследований
Для исследований по получению расплава и волокон из техногенных отходов была использована экспериментальная установка, разработанная в лаборатории «Плазменные и энергетические технологии» (рис. 1). [1, 5]. Преимуществом данного реактора является то, что совмещение зон выделения тепловой энергии и ее поглощения при протекании технологического процесса обеспечивает интенсификацию процессов тепло- и массобмена электродуговой плазмы с нагреваемыми материалами в реакционном объеме за счет создания в камере реактора обширной зоны - объема плазмы, заполняющей все ее поперечное сечение. Все это сопровождается наличием в реакционном объеме достаточно высокого уровня концентрации мощности и температуры, а также уменьшением времени пребывания частиц дисперсного материала, необходимого для осуществления технологического процесса [6].
а б
Рисунок 1 - Электродуговой плавильный реактор: а - вид установки спереди; б - вид реактора сверху в процессе плавления
В электродуговой зоне реактора описываемого типа вводимая в камеру электрическая мощность дуги превращается в тепловую. Таким образом, электродуговая зона является зоной генерирования тепловой энергии, ее поглощения, она перекрывает все сечение камеры,
позволят регулировать время пребывания в ней обрабатываемого вещества, концентрацию мощности и, следовательно, температуру [7]. Схема работы установки для электродугового плавления показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема установки для электродугового плавления: 1- электродуговой реактор; 2 - камера волокнообразования; 3 - щит управления;
4 - электрод; 5 - центральный электрод; 6 - летка; 7 - сериесная обмотка
В камере электродугового реактора 1 между тремя электродами 4 горит электрическая дуга. Электромагнитная сериесная обмотка 7 создает магнитное поле, которое перемешивает расплав под действием трехфазного электромагнитного поля. После обработки исходного сырья и получения из него расплава центральный электрод 5 поднимается, и расплав вытекает из летки 6. Затем при попадании на вращающейся стакан в камере волокнообразования 2 происходит разбрызгивание расплава и вытягивание из него волокна (рис. 3 а). Под действием аэродинамического потока вентилятора в камере происходит дополнительное вытягивание волокна из расплава (рис. 3 б).
а б
Рисунок 3 - Вид камеры волокнообразования изнутри: а - разбрызгивание струи расплава с помощью вращающегося графитового цилиндра; б - снимок получаемого из расплава волокна
Результаты исследований и их обсуждение
В работе проводилось изучение режимов плавления и слива расплава в реакторе, а также вещественного состава полученного из золошлакового отхода расплава и минерального
волокна с помощью электродуговой плазмы в электродуговом реакторе. Изучение проводилось методом энергодисперсионного спектрального рентгеновского анализа с последующей идентификацией спектров.
Для обработки с целью получения расплава и волокна были использованы техногенные золошлаковые отходы элементного состава, представленного в таблице 1, полученные при сжигании угля.
Таблица 1
Элементный состав золошлакового отхода
O № Mg М Si K Ca ТС Fe Итог
51,31 0,37 0,44 7,33 34,67 0,87 1,63 0,31 3,07 100,00
Проведенные эксперименты по плавке золошлака показали его высокую тугоплавкость (выше 2000 °0 и вязкость в процессе обработки, поэтому для уменьшения температуры плавления и снижения энергозатрат потребовалась его подшихтовка доломитом (карбонатом кальция) для получения однородных по составу расплавов с целью последующей выработки расплава и волокнистых материалов на его основе.
Изучение плавления сырья и слива расплава производилось высокотемпературным тепловизионным способом с последующим картированием и 3D-моделированием температурных полей (рис. 4, 5).
1784,9 С 1689,4 С 1593,9 С
1498.4 С 1402,9 С
1307.5 С 1212,0 С 1116,5 С 1021,0 С
925,5 С 830,0 С
а б
Рисунок 4 - Снимки с тепловизионной камеры при плавлении в реакторе: а - карта теплового поля установившегося режима плавления в реакторе; б - 3Б профиль температуры установившегося режима плавления в реакторе
а б в
Рисунок 5 - Снимки с тепловизионной камеры при изучении струи расплава: а - карта теплового поля струи расплава; б - линия тренда максимальных температур струи расплава; в - линия тренда средних температур струи расплава
Из рисунков видно, что диапазон температур при плавлении исходного сырья в установившемся режиме составляет 1200-1785 °С. Полученные данные показали, что максимальная температура струи расплава находится в пределах от 1200 до 1460 °С, средняя температура - от 950 до 1100 °С.
Целью поставленной задачи является решение о максимальном использовании техногенных золошлаковых отходов. Первоначально изучалась возможность получения расплавов с массовым содержанием компонентов золошлака: подшихтовка 50:50, показавшая принципиальную возможность плавления данных композиций. В таблице 2 показан вещественный состав полученного расплава. Повышенное содержание кальция указывает на низкий модуль кислотности, а также на наличие кристаллического соединения - метасиликата кальция Са-SiOз, содержание углерода объясняется плавлением расплава в дуговом промежутке графитового реактора с последующей диффузией продуктов эрозии электродов.
Таблица 2
Элементный состав композиции золошлак : доломит 50:50
C о № Мм А1 81 К Са Т1 Бе Итог
5,83 44,57 0,39 0,68 9,23 17,61 0,74 17,62 0,65 2,70 100,00
Получить волокна при данных концентрациях композиции не удалось из-за повышенного содержания кальция, в расплаве приводящего к образованию метасиликата CaSiOз. Поэтому, руководствуясь поставленными задачами и полученными предварительными данными, плавление отходов проводили в интервале массовых концентраций 10-30%, что позволило сократить время плавления и тем самым снизить энергозатраты, а также избежать образование метасиликата, а в дальнейшем получить композиционные волокна из расплавов.
При плавлении золошлака с подшихтовкой 10% доломита был получен расплав со следующим вещественным составом (табл. 3). На рисунке 6 показаны спектральные линии элементов и их массовое содержание. Плавление проходило спокойно, с малым газовыделением, ориентировочные энергозатраты для получения 1 кг расплава составили 3 кВт-ч/кг. При сливании расплава было проведено вытягивание волокон, получались тонкие волокна, состав которых приведен в таблице 4.
Таблица 3
Элементный состав композиции золошлак : доломит 90:10
О № Мм А1 81 К Са Т1 Бе Итог
50,39 3,36 0,96 12,96 23,73 1,11 2,65 0,93 3,91 100,00
Количественные результаты
С 0 N3 Мд А1 81 Р К Са Т| Ре
Рисунок 6 - Спектральные линии распределения элементов в расплаве и их массовые концентрации
50
40
30
20
10
Таблица 4
Элементный состав волокон с массовыми концентрациями золошлак : доломит 90:10
О № Мм А1 81 К Са Т1 Бе Итог
61,01 0,72 0,99 11,25 19,84 0,56 3,14 0,53 1,95 100,00
В дальнейшем подшихтовка была увеличена еще на 10% (составила 20%). Это позволило дополнительно сократить время плавления и снизить энергозатраты до 1,8 кВт-ч/кг. Плавление также проходило спокойно с умеренным газовыделением. На рисунке 7 показаны спектральные линии элементов и их массовое содержание, а в таблице 5 - вещественный состав расплава. При сливании расплава проводилось вытягивание волокон, их характеристики приведены в таблице 6.
!,«.,..■,...-■..„.' , ...,..' : " О Ыа Мд А1 в: С1 К Са
Рисунок 7 - Спектральные линии распределения элементов в расплаве и их массовые концентрации
Таблица 5
Элементный состав композиции золошлак : доломит 80:20
О № Мм А1 81 К Са Т1 Бе Итог
52,03 2,46 0,98 9,96 20,73 1,31 7,65 0,67 4,21 100,00
Таблица 6
Элементный состав волокон с массовыми концентрациями золошлак : доломит 80:20
О № Мм А1 81 К Са Т1 Бе Итог
57,62 0,71 0,78 10,60 19,32 0,82 7,74 0,50 1,92 100,00
На заключительном этапе концентрация подшихтовки составила 30%. При этом, однако, увеличилось время плавления и соответственно (по сравнению с подшихтовкой 20 %) энергозатраты до 2,6 кВт-ч/кг. Плавление проходило с сильным газовыделением. На рисунке 8 показаны спектральные линии элементов и их массовое содержание, а в таблице 7 - вещественный состав расплава. При сливании расплава также проводилось вытягивание волокон, их характеристики приведены в таблице 8.
О Ыа Мд А1 К Са Т1 Ре
Рисунок 8 - Спектральные линии распределения элементов в расплаве и их массовые концентрации
24
Таблица 7
Элементный состав композиции золошлак : доломит 70:30
C O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe Итог
8,66 43,12 1,06 0,74 9,28 20,28 1,72 10,58 0,83 3,75 100,00
Таблица 8
Элементный состав волокон с массовыми концентрациями золошлак : доломит 70:30
C O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe Итог
6,32 50,92 0,35 0,71 9,41 19,10 0,58 9,69 0,58 2,36 100,00
Как видно из таблиц, изменение концентрации подшихтовки в расплавах оказывает значительное влияние на процесс их плавления и показатели энергозатрат.
С использованием волокон, полученных в электродуговом плавильном агрегате, были разработаны составы и получен композиционный материал - фибробетон с прочностью при сжатии - 60-65 МПа, при изгибе - 14-16 МПа, морозостойкостью - 200-250 циклов, усадкой
- 0,9-1,1 мм/м.
Заключение
Представленный электродуговой плавильный реактор, являющийся разновидностью плазменных реакторов, позволяет плавно регулировать температуру расплава и поддерживать ее на выходе струи из летки, что дает возможность снизить вязкость и увеличить текучесть расплава.
Можно рекомендовать золошлакоотход перерабатывать электродуговым плазменным способом в расплав с массовым содержанием компонентов отход/доломит 90:10 или 80:20, для получения минерального литья и волокна как одного из компонентов композиционных материалов, а также для получения теплоизоляционных материалов волокнистой структуры [8, 9].
Библиография
1. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Получение теплоизоляционных материалов из золошлако-вых отходов ТЭС при помощи низкотемпературной плазмы // Строительные материалы. - 2004. -№ 10. - С. 51-53.
2. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Применение низкотемпературной плазмы для получения волокнистых теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов тепловых электрических станций. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010. - 132 с.
3. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ.
- 2013. - № 5 (44). - С. 123-129.
4. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из расплавов горных пород и золошлаковых техногенных отходов: монография. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2014. - 180 с.
5. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д., Дондоков А.Ц. и др. Производство теплоизоляционных строительных материалов с использованием электроплазменной обработки // Строительный комплекс России: наука, образование, практика: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ, 2006. -С. 90-93.
6. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). -М.: Наука, 1973. - 232 с.
7. Брон О.Б. Движение электрической дуги в магнитном поле // Электричество. - 1966. - № 7. -С. 76-81.
8. Буянтуев С.Л., Урханова Л.А., Кондратенко А.С. и др. Исследование свойств базальтоволок-нистых полужестких плит, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. - 2015. - № 1 (55). - С. 44-51.
9. Кондратенко А.С. Теплоизоляционный материал волокнистой структуры из базальта и зо-лошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2013. - 22 с.
Bibliography
1. Buyantuev S.L., Sultimova V.D. The production of thermal insulation materials made of ash and slag waste of TPP using low-temperature plasma // Construction Materials. - 2004. - N 10. - P. 51-53.
2. Buyantuev S.L., Sultimova V.D. The use of low-temperature plasma to produce fibrous thermal insulation materials from slag waste of thermal power plants. - Ulan-Ude: ESSTU, 2010. - 132 p.
3. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S. The study of physical and chemical properties of the mineral fibers obtained by the electromagnetic process reactor // Bulletin of ESSUTM. - 2013. - N 5 (44). - P. 123-129.
4. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S. Thermal insulation fibrous materials structure of molten rock and ash and slag waste: Monograph. - Ulan-Ude: ESSUTM, 2014. - 180 p.
5. Buyantuev S.L., Sultimova V.D., Dondokov A.T. et al. Manufacture of thermal insulation building materials using electric plasma processing // Building Complex of Russia: Science, Education, Practice: Proceedings of the Intern. Scientific. Pract. Conf. - Ulan-Ude, 2006. - P. 90-93.
6. Zhukov M.F., Smolyakov V.Ya., Yuryukov B.A. et al. Electric arc gas heaters (plasma torches). - M.: Nauka, 1973. - 232 p.
7. Bron O.B. The movement of the electric arc in the magnetic field // Electricity. - 1966. - N 7. -P. 76-81.
8. Buyantuev S.L., Urkhanova L.A., Kondratenko A.S. et al. Studying the properties of semi-rigid slabs of basalt, produced by an electromagnetic process reactor // Bulletin of ESSUTM. - 2015. - N 1 (55). -P.44-51.
9. Kondratenko A.S. The insulation material of the fibrous structure of basalt and ash waste produced using electromagnetic reactor: dis. ... cand. Techn. Sc. - Ulan-Ude, 2013. - 22 p.
