CC BY
50
УДК 502.174.1
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
© 2013 г. В.А. Шилова, Е.А. Яценко
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Шихова Вера Анатольевна - науч. сотр. НИИ физики и прикладной математики, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина Тел. (343) 375-45-07.
Jatsenko Elena Alfredovna - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department, «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-24. E-mail: e_yatsenko@ mail.ru
Shikhova Vera Anatolyevna - Research Associate of Scientific Research Institute of Physics and VPO FGAOU'S Applied Mathematics «URFA of the first President of Russia B.N. Yeltsin». Ph. (343) 375-45-07.
Рассмотрены проблемы утилизации золошлаковых отходов тепловых электрических станций, а также возможность синтеза и разработки технологических основ производства теплоизоляционных материалов строительного назначения на их основе.
Ключевые слова: отходы топливно-энергетического комплекса; ячеистое золошлаковое стекло; пористость; прочность; плотность; теплопроводность.
Problems of utilization of zoloshlakovy waste of thermal power plants, and also possibility of synthesis and development of technological bases of production of heat-insulating materials of construction appointment on their basis are considered.
Keywords: fuel and energy complex waste; cellular zoloshlakovy glass; porosity; durability; density; heat conductivity.
На современном этапе развития науки эффективным тепло- и звукоизоляционным строительным материалом, способным улучшить экологическую обстановку и снизить вредное воздействие токсических веществ на человека, является приобретающее все большую популярность на рынке строительных материалов пеностекло - высокопористый материал, состоящий из воздушных ячеистых замкнутых или сообщающихся между собой пор (80 - 95 %), разделенных перегородками из стекловидного вещества. Такая структура придает пеностеклу уникальные свойства: негорючесть, влагонепроницаемость, низкий коэффициент теплопроводности (0,04 - 1,00 Вт/(м-К)), экологическую нейтральность, химическую стойкость, высокую прочность на сжатие (0,5 - 1,5 МПа), долговечность (сохранение потребительских свойств более 100 лет), позволяющие применять его достаточно широко, даже в тех случаях, когда использование других теплоизоляционных материалов невозможно [1 - 3].
Однако уровень потребления теплоизоляционных материалов на душу населения в России фактически в десять раз меньше, чем в Финляндии или Норвегии, или в три раза ниже, чем в европейских странах, где климат мягче. Доля пеностекла среди применяемых теплоизоляционных материалов в нашей стране составляет лишь 10 - 15 %, хотя и постепенно растет. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью производимого пеностекла, обусловленной дефицитностью сырья - стекольного боя. Решением проблемы с сырьем может быть использование золошлаковых
отходов ТЭС в качестве основы ячеистого стекла (пеностекла), что станет мощнейшим драйвером в развитии данной отрасли [2 - 5].
Кроме того использование золошлаковых материалов (ЗШМ) ТЭС при производстве ячеистого зо-лошлакового стекла позволит решить важную экологическую задачу по утилизации и рециклингу многотоннажных отходов, создающих неблагоприятную экологическую обстановку во всем мире.
Основной областью применения ячеистого зо-лошлакового стекла может быть его использование в качестве универсального теплоизолятора в промышленном, строительном и жилищно-коммунальном комплексах, а также в сельском хозяйстве, индивидуальном строительстве, теплоэнергетике, химической, нефтехимической, пищевой, сельскохозяйственной, фармацевтической, дорожной и других отраслях промышленности, для устройства теплоизоляции в зданиях и сооружениях с любым влажностным режимом помещений, где важно сочетание его экологической чистоты и теплоизоляционных качеств [1 - 6].
В связи с этим весьма актуальными являются исследования по разработке составов и технологии производства ячеистого золошлакового стекла и строительных теплоизоляционных материалов и изделий на его основе.
В качестве сырья использовали традиционные для стекольной промышленности материалы, а также золошлаковые отходы тепловых электростанций (ТЭС), табл. 1.
Таблица 1
Химический и гранулометрический состав сырьевых материалов
Сырьевые материалы Содержание оксидов, % по массе
SiO2 AI2O3 MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O TiO2 SO3 P2O5 ппп
Шлак 47,0-61,0 21,0-24,0 0,8-2,8 0,4-1,9 5,7-21,6 1,9-5,4 0,4-4,9 0,1-1,0 0,01-0,1 0,01-0,2 3,0-20,0
Зола 40,0-58,0 21,0-28,0 0,6-2,6 0,4-1,4 4,0-17,0 3,0-6,0 0,4-4,7 0,1-1,0 0,01-0,1 0,01-0,2 5,0-30,0
Прежде всего, необходимо было разработать стеклошихты для синтеза ячеистого золошлакового стекла методом спекания при относительно невысоких температурах в интервале 900 - 1400 °С. Для этого были проведены исследования по выявлению оптимальных составов шихты ячеистого золошлакового стекла с использованием шлака и золы ОАО «Новочеркасской ГРЭС», а также в качестве плавня стеклобоя производства зеленой тары ОАО «Актис» (г. Новочеркасск). Были разработаны составы шихт на основе золы, обозначаемые штрихом после порядкового номера (№ 1' - 9') и шлака (№ 1 - 9) ТЭС, содержащие шлак или золу в количестве 90 - 10 % по массе, остальное - стеклобой ЗТ-1. Все образцы из данных шихтовых смесей подвергали термообработке в лабораторной муфельной печи при температурах от 1400 до 900 °С с изотермической выдержкой 30 мин.
В результате установлено, что шихты на основе шлака спекаются интенсивнее, чем на основе золы. Это несколько противоречиво, учитывая тонкодисперсную структуры золы и наличие в ней содержания углистых примесей, т.к. по этим данным стеклошихта с использованием золы должна спекаться интенсивнее, чем со шлаком. Углистые примеси при сгорании в период спекания создают восстановительную среду в шихте, при этом образование FeO обусловливает выделение газовой фазы О2, снижение температуры появления микрорасплава и его вязкости, что, как известно, интенсифицирует процесс спекания. Установлено, что одной из важных причин, объясняющих это противоречие, является то, что форма частиц тонкомолотого шлака и золы существенно различается (рис. 1).
Как видно из рис. 1 а, частицы шлака обладают развитой поверхностью, находясь в виде различных многогранников. Частицы золы (рис. 1 б) имеют шаровидную форму, являясь пустотелыми внутри. Этот фактор в значительной степени предопределяет сущность спекания золы и шлака со стеклобоем.
Как известно, в изучаемом температурном интервале спекания 900 - 1200 °С стеклобой не расплавляется, а лишь находится в пластичном состоянии. Спекание в приведенных шихтах, по нашему мнению, протекает в контактной области между шлаком и стеклобоем и золой и стеклобоем. Этот процесс твердофазный диффузионный, при котором интенсивность спекания зависит от суммарной поверхности контактной зоны. Безусловно, в системе зола - стеклобой контакт точечный, и поэтому суммарная зона контакта незначительна, что и тормозит скорость процесса спекания. Иная картина имеет место при спекании
системы шлак - стеклобой. Многогранная форма частиц шлака значительно повышает суммарную площадь контактов взаимодействующих компонентов, что и обеспечивает повышенную спекаемость.
х5000
х10000
х10000
х20000
Рис. 1. Электронно-микроскопическая структура: а - шлака; б - золы
По результатам проведенных исследований с учетом необходимости использования наибольшего количества ЗШМ в исследуемых шихтах ячеистого стекла в качестве оптимальных рекомендуются 3-й и 4-й состав шлак:стеклобой = 70(60):30(40), а также 5'-й зола:стеклобой = 50:50 % по массе.
Для разработки энергосберегающего способа получения теплоизоляционного ячеистого золошлаково-го стекла на основе ЗШМ, необходимо обеспечить его размягчение и оплавление при температуре не выше 950 °С. В связи с этим были проведены исследования по снижению температуры спекания этих вариантов стекол вводом добавок буры и борной кислоты в количествах 5 и 10 % по массе (табл. 2). Спекание осуществляли при температурах 900, 950, 1000 °С с изотермической выдержкой 30 мин.
Как видно из таблицы, в составах без боросодер-жащих добавок наблюдается увеличение плотности с повышением температуры спекания. При введении буры и борной кислоты в состав шихт отмечена обратная зависимость: с увеличением температуры спекания плотность образцов уменьшается, что связано с процессами газообразования.
а
б
Таблица 2
Шихтовой состав и плотность синтезированных стеклошихт
№ состава Содержание ЗШМ, % по массе Стеклобой Содержание добавок, сверх 100 % по массе Плотность, кг/м3, после обжига при температурах, °С
Шлак Зола БУРа (Б) Борная кислота (К) 900 950 1000
3 70 - 30 - - 1165,6 1204,7 1220,8
3-Б1 70 - 30 5 - 1343,8 1640,5 940,4
3-Б2 70 - 30 10 - 1291,4 1834,8 1121,5
3-К1 70 - 30 - 5 1466,6 1663,3 1260,8
3-К2 70 - 30 - 10 1218,4 1767,1 737,9
4 60 - 40 - - 1189,0 1228,8 1235,5
4-Б1 60 - 40 5 - 1535,7 1013,7 721,6
4-Б2 60 - 40 10 - 1516,2 1038,0 617,4
4-К1 60 - 40 - 5 1336,1 1038,9 661,2
4-К2 60 - 50 - 10 1322,5 1050,7 720,4
5' - 50 50 - - 1223,5 1347,4 1448,3
5'-Б1 - 50 50 5 - 1852,3 1007,4 774,5
5'-Б2 - 50 50 10 - 1847,8 1013,8 703,3
5'-К1 - 50 50 - 5 1854,1 829,2 712,3
5'-К2 - 50 50 - 10 1804,6 769,3 694,6
6' - 40 60 - - 1225,7 1392,1 1433,7
6'-Б1 - 40 60 5 - 1836,6 1050,6 730,3
6'-Б2 - 40 60 10 - 1967,3 1062,3 516,03
6'-К1 - 40 60 - 5 1849,4 845,9 776,01
6'-К2 - 40 60 - 10 1855,4 834,5 533,4
Наиболее интенсивное снижение плотности (на 800 - 1000 кг/м3) выявлено в составах на основе золы, что связано с наличием в ней углистых примесей, способствующих сильному вспучиванию образцов. Таким образом, оптимальными составами являются варианты стекол 4-Б1 и 5'-Б1.
Для снижения плотности до необходимых значений (100 - 600 кг/м3) проведены исследования по введению в оптимальные составы шихт порообразова-телей в количестве от 1 до 6 % по массе сверх 100 %: графит, антрацит, мел, доломит и сернокислый магний с их спеканием при 950 °С. Экспериментально установлено, что при введении неорганических поро-образователей (мел, доломит, сульфат магния), несмотря на достижение требуемой плотности (500 -800 кг/м3) и высокой истинной пористости (до 75 %), у всех преобладает открытая пористость (до 67 %) с неоднородной структурой, что подтверждается фотографиями (рис. 2).
В золошлаковых стеклах с порообразователями графит и антрацит показатели плотности (500 -800 кг/м3), истинной (до 68 %) и закрытой (до 63 %) пористости очень близки, однако чистый графит является дорогостоящим и дефицитным материалом, в связи с чем целесообразно применение антрацита. Наилучшие показатели пористости при сни-
жении плотности от 612,8 до 312,2 кг/м3 в зависимости от содержания антрацита (1 - 6 % по массе) имеет стекло на основе состава 4-Б] (рис. 3).
в
Рис. 2. Структура образцов ячеистого золошлакового стекла с неорганическими порообразователями: а - мел; б - доломит; в - сернокислый магний
Рис. 3. Зависимость пористости золошлакового стекла на основе стеклошихты 4-Б1 от количества антрацита
Таким образом, состав 4-БА5, содержащий 5 % по массе сверх 100 % по массе антрацита в качестве по-рообразователя, среди всех составов ячеистых золош-лаковых стекол с различными порообразователями обладает оптимальными показателями истинной (68,1 %) и закрытой (63,1 %) пористости и является наилучшим для синтеза строительного теплоизоляционного стекломатериала. На его основе возможен синтез гранулированного и блочного ячеистого зо-лошлакового стекла, предназначенного для теплозащиты ограждающих конструкций и аккумуляции тепла и холода в зданиях и сооружениях в условиях относительной влажности среды до 97 % при температуре изолируемой поверхности от минус 40 до плюс 400 °С.
Работа подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы на тему «Актуальные аспекты технологий переработки отходов топливно-энергетического ком-
Поступила в редакцию
плекса 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. Пучка О.В., Степанова М.Н., Ремезов Р.А. Использование высокоэффективных утеплителей на основе пеностекла для тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений // сб. докл. 4-й Междунар. конф. «Стеклопрогресс - XXI». Саратов, 2008. С. 247 -250.
2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д., 2007. 368 с.
3. Маневич В.Е., Субботин К.Ю. Пеностекло и проблемы энергосбережения // Стекло и керамика. 2008. № 4. С. 3 - 6.
4. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Паршуков В.И., Рытченкова (Смолий) В.А. Проблемы комплексной переработки зо-лошлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения // Техника и технология силикатов. 2010. № 2. С. 17 - 21.
5. Яценко Е.А., Рытченкова (Смолий) В.А., Красникова О.С. Синтез теплоизоляционных материалов на основе шлаковых отходов ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 2. С. 59 - 62.
6. Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Вильбицкая Н.А. Application of mathematical modeling for studying the strength properties of foamed slag glass // Glass and ceramics. 2011. Vol. 68, № 3 - 4. S. 91 - 99.
5 февраля 2013 г.
