Научная статья на тему 'Применение золошлаковых отходов ТЭС при производстве высокопрочных легких бетонов'

Применение золошлаковых отходов ТЭС при производстве высокопрочных легких бетонов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
1571
225
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗОЛОШЛАКОВЫЕ ОТХОДЫ / ASH AND SLAG WASTES / РЕЦИКЛИНГ ЗШО / RECYCLING OF ASH AND SLAG WASTES / ЗОЛА-УНОС / СИЛИКАТ-ГЛЫБА / FLY-ASH / SILICATE BLOCK

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Ефременко Антон Сергеевич, Халтаева Елена Петровна

Рассмотрена проблема утилизации многообъемных отходов теплоэнергетической промышленности, приведен мировой опыт их переработки. Предложен новый способ утилизации: разработана экономичная технология производства из отходов теплоэнергетической промышленности безобжигового зольного гравия с использованием высококальциевой золы уноса и силикат-глыбы в качестве заполнителя для изготовления высокопрочных легких бетонов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Ефременко Антон Сергеевич, Халтаева Елена Петровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

APPLICATION OF THERMAL POWER PLANT ASH AND SLAG WASTE IN HIGH-STRENGTH LIGHT CONCRETE PRODUCTION

The article considers the utilization problem of bulk wastes of thermal power plants introducing the global recycling experience. A new utilization method is proposed. It involves a developed cost-effective technology for production of unburned fly ash aggregate from thermal power plant wastes with the application of high calcium fly-ash and silicate blocks as a filler for high-strength lightweight concretes.

Текст научной работы на тему «Применение золошлаковых отходов ТЭС при производстве высокопрочных легких бетонов»

УДК 332.834.3/6

ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ

1 9

© А.С. Ефременко1, Е.П. Халтаева2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрена проблема утилизации многообъемных отходов теплоэнергетической промышленности, приведен мировой опыт их переработки. Предложен новый способ утилизации: разработана экономичная технология производства из отходов теплоэнергетической промышленности безобжигового зольного гравия с использованием высококальциевой золы уноса и силикат-глыбы в качестве заполнителя для изготовления высокопрочных легких бетонов.

Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: золошлаковые отходы; рециклинг ЗШО; зола-унос; силикат-глыба.

APPLICATION OF THERMAL POWER PLANT ASH AND SLAG WASTE IN HIGH-STRENGTH LIGHT CONCRETE PRODUCTION

A.S. Efremenko, E.P. Khaltaeva

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the utilization problem of bulk wastes of thermal power plants introducing the global recycling experience. A new utilization method is proposed. It involves a developed cost-effective technology for production of unburned fly ash aggregate from thermal power plant wastes with the application of high calcium fly-ash and silicate blocks as a filler for high-strength lightweight concretes. 2 figures. 1 table. 4 sources.

Key words: ash and slag wastes; recycling of ash and slag wastes; fly-ash; silicate block.

В России действуют 172 тепловые электростанции. В их золошлакоотвалах в настоящее время накоплено свыше 1,5 млрд т золошлаковых отходов (ЗШО). По данным ЗАО «АПБЭ» (Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике), площадь золошлакоотвалов достигает 28 тыс. га, при этом утилизируется и используется не более 8% (1,5-2,1 млн т) годового выхода ЗШО (около 30 млн т). Если такая тенденция сохранится, то к 2020 г. объём накопленных ЗШО превысит 1,8 млрд т [1].

В Иркутской области действующий фонд угледобывающих предприятий представлен 7 разрезами суммарной производственной мощностью 14,9 млн т в год. В эксплуатации находятся 6 месторождений, в том числе 4 месторождения каменного угля - Черем-ховское, Жеронское, Нукутское, Ишинское и 2 месторождения бурого угля - Азейское и Мугунское. Так, в Иркутской области за годы работы энергосистемы на золоотвалах накоплено 82 341 878,745 т (»83 млн т) золошлаковых отходов, по состоянию на 31. 12.2009 г., которые являются серьезнейшим источником загрязнения окружающей среды региона [2].

В среднем суммарный годовой выход золошлако-вых материалов в Иркутском регионе составляет примерно 1,7 млн т от 13 крупных тепловых электрических станций (ТЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ),

работающих на твердом топливе. Площадь, занятая золоотвалами ТЭЦ, в регионе составляет около 2000 га - огромные территории, которые используются не по своему хозяйственному назначению.

Согласно экспертной оценке, затраты на содержание 1 т ЗШО составляют от 400 до 700 руб., или 5-7% себестоимости производства электроэнергии и тепла на угольной ТЭС. Инвестиции в реконструкцию одного золошлакоотвала могут достигать 1 млрд руб. Стоимость строительства нового золошлакоотвала - 2+4 млрд руб. В течение 3-5 лет переполнение золошлакоотвалов приобретёт массовый характер, и этот процесс уже начался.

На сегодняшний день ТЭС сталкиваются со следующими проблемами в области обращения ЗШО:

• золошлакоотвалы - это балласт для ТЭС;

• требуются значительные средства на реконструкцию существующих и строительство новых золошлакоотвалов;

• рециклинг ЗШО - непрофильная деятельность для энергетиков;

• малые объёмы реализации ЗШО не решают задачи сокращения объёмов их накопления;

• ухудшается экология в районе расположения золошлакоотвала.

1 Ефременко Антон Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры строительного производства, тел.: (3952) 729253, e-mail: ooosgs@mail.ru

Efremenko Anton, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Construction Technology, tel.: (3952) 729253, e-mail: ooosgs@mail.ru

2Халтаева Елена Петровна, магистрант, тел.: 89086460339, e-mail: 460339@gmail.com Khaltaeva Elena, Master's Degree student, tel.: 89086460339, e-mail: 460339@gmail.com

Можно привести примеры и из зарубежной практики (достаточно хорошо известные специалистам в области обращения ЗШО). Так, в Германии и Дании в промышленности строительных материалов используют практически до 100% годового выхода ЗШО (в Германии золошлакоотвалы запрещены законом). До 70% годового выхода ЗШО используют в США, Великобритании, Польше, Китае и других странах. Изменения в законодательстве Индии в 1999, 2003 гг. привели к повышению объёмов утилизации ЗШО в стране с 29,6% (2003-2004 гг.) до 53% (2007-2008 гг. ) годового выхода, что составляет около 70 млн т в год.

До 50-70% годового выхода ЗШО используют в США, Великобритании, Польше, Китае и др. В Польше резко повышена цена на землю под золоотвалы, поэтому ТЭЦ доплачивают потребителям с целью снизить собственные затраты на складирование, а в Болгарии сама зола бесплатна. В Великобритании действует пять региональных центров по сбыту зол. В Китае золы поставляются потребителю бесплатно.

В нашей стране сложилась ситуация, когда переработка и использование ЗШО, несмотря на различные декларации ответственных за это организаций, никому не выгодны. Приведём пример: ЗШО - это сырьё для промышленности стройматериалов, которое может успешно конкурировать на рынке материалов для строительной индустрии, эффективно заменяя природные ресурсы (ГОСТ 25592-91, ГОСТ 25818-91, ТУ 34-70-10347-81, ГОСТ 530-95, ГОСТ 25485-82, ГОСТ 21520-89 и целый ряд других документов). Использование ЗШО на 15-30% снижает себестоимость производства основных строительных материалов (цемента, сухих строительных смесей, бетона, строительных растворов, стеновых бетонных и пенобетон-ных блоков, кирпича, тротуарной плитки и других материалов).

Применение ЗШО многообразно: обратная засыпка горных выработок, шахт, закрепление грунта, создание насыпи поверх полигонов ТБО, вертикальных герметизирующих стен для предотвращения просачивания сточных вод со свалки, шумозаградительных стен, ландшафтное благоустройство территорий, использование в сельском хозяйстве и т.п.

Одно из направлений переработки ЗШО, рассмотренное в данной статье, - производство высокопрочных легких бетонов с применением активного заполнителя - безобжигового зольного гравия.

Химический и фазово-минералогический составы золы определяются минеральным составом сжигаемого топлива, тонкостью помола в процессе его подготовки, зольностью топлива и теми изменениями, кото-

рые претерпевают частицы топлива при высокотемпературной обработке в котлах ТЭС: температуре в зоне горения, времени пребывания частиц в этой зоне и др. Минеральная часть золошлаковых материалов практически всех видов топлива на 98-99% состоит из свободных и связанных в химические соединения оксидов кремния, алюминия, титана, железа, кальция, магния, натрия, калия и серы. Помимо указанных, в ней могут находиться почти все элементы периодической системы Д.И.Менделеев. Химический и фазово-минералогический составы зол и шлаков, получаемых на одной и той же ТЭС при сжигании угля одного и того же бассейна, могут изменяться в определенных пределах, которыми обычно пренебрегают и считают эти свойства стабильными при практическом применении.

Данные по химическому составу зол нашего региона (таблица) свидетельствуют о том, что содержание отдельных оксидов, а также топлива в золе, получаемой от пылевидного сжигания различных видов угля, имеет значительные отклонения. Это предопределяет свойства золы и область ее использования в производстве строительных материалов.

Известно, что зола активно вступает во взаимодействие в условиях тепловой обработки с щелочными и щелочноземельными компонентами, образуя цеолитоподобные и гидросиликатные и алюмосили-катные устойчивые соединения. В качестве носителя щелочного активизатора и отвердевающего связующего - кремнегеля наиболее рационально использование твердых силикатов натрия (силикат-глыба). Кроме того, применение промышленной силикат-глыбы позволяет снизить себестоимость продукции по сравнению с дорогостоящими жидкомодульными стеклами [3].

В связи с этим была рассмотрена возможность создания эффективных композиционных золосиликат-ных вяжущих, полученных путем совместного помола золы-уноса и силикат-глыбы в условиях гидромехано-химической активации в лабораторной шаровой мельнице, и получения активных гранулированных заполнителей размером 0-10 мм. Учитывалось следующее:

- совместное активирование золы и силикат-глыбы в присутствии воды в эффективных измельчителях позволит повысить растворимость силикат-глыбы и соответственно ускорить процессы гидратации и твердения вяжущих композиций в условиях про-паривания;

- безводный силикат натрия при взаимодействии с водой гидролизуется с образованием едкой щелочи и геля поликремниевой кислоты;

Состав золы-уноса от сжигания угля

Наименование Аd, % П.п.п % Элементный состав, масс.%

показателя SiO2 ТО2 ^3 Fe2Oз СаО MgO Na2O SOз

Зола черем- 19,5 - 0,1-1,4 55,0 - 0,3-0,5 20,0- 5,0 - 7,2 2,3 -3.2 1,8 -2,0 0,9-1,4 0,1 0,2 -0,5

ховских углей 34,0 61,5 24,7

Зола мугунских 15.8- 0.6-9.1 44.4- 0.7-0.8 28.0- 4.2-6.6 3.6-8.4 1.1-1.7 0.7-1.0 0.1 0.5-6.7

углей 23.1 57.8 33.6

Зола азейских 6.0-11.0 1.0 32.9- 0.1-0.6 6.5-12.9 7.9-12.2 25.8- 5.0-7,2 0.1-0.5 0,4-0.5 0.1

углей 46.8 36.5

- золы в присутствии щелочного активатора в водной среде частично подвергаются гидролитической деструкции;

- гидромеханоактивация композиционного зольного вяжущего позволит получить активные гранулированные заполнители, твердеющие в неавтоклавных условиях.

Для получения золосиликатных композиций и пористого заполнителя были использованы следующие сырьевые материалы: зола-унос ОАО «Иркутскэнерго», Ново-Иркутской ТЭЦ, безводная натриевая силикат-глыба ОАО «Салаватстекло» с кремнеземистым модулем 2,7-2,9. На Ново-Иркутской ТЭЦ образуется зола-унос, удельная поверхность которой более 350 м2/кг (остаток на сите №008 - 2,8%), общее содержание СаО - 6,1-13%, СаОсв отсутствует. По химическому составу она представляет собой кислое алюмо-силикатное сырье. Результаты исследований по получению золосиликатных композиций, твердевших в условиях пропаривания по режиму t = 90°С , т = 1,5+6+1,5 ч, представлены на рис. 1, 2.

На начальной стадии совместного измельчения силикат-глыбы и золы в присутствии воды происходит растворение силиката натрия с образованием гидрат-ных соединений Ма20^38Ю2+тН20-^

№20-38Ю2-тН20. Далее в раствор переходят образовавшиеся гидратные соединения с последующим гидролизом с образованием едкой щелочи Ма20-38Ю2-тН20^2№0Н+38Ю2-(т-1)Н20, что, в свою очередь, должно способствовать протеканию гидратации и дальнейшему растворению активированных частиц кремнезема и алюмосиликатов золы-уноса с образованием гидросиликатных и гидро-алюмосиликатных гелей. В условиях тепловлажност-ной обработки происходит дальнейшее растворение силиката натрия и его выщелачивание с образованием едкой щелочи. В присутствии щелочи дальнейшее повышение температуры способствует более глубокому растворению с поверхности частиц золы амор-физированного кремнезема и алюмосиликатов. По мере их растворения и повышения концентрации в растворе понижается рН раствора и происходит реакция поликонденсации с образованием геля поликремниевой кислоты и алюмосиликатного геля, которые скрепляют в монолит не полностью растворившиеся частицы золы. Это способствует при тепловлажност-ной обработке образованию стойких новообразований - низкоосновных гидроалюмосиликатов натрия и кальция, а также соответствующих гидросиликатов. В связи с этим, результаты исследований показывают значительную водостойкость образцов золосиликатно-го камня - 0,85-0,95 в зависимости от содержания силикат-глыбы.

С использованием высококальциевой золы-уноса и силикат-глыбы получен безобжиговый зольный гравий с насыпной плотностью 700-750 кг/м3, прочностью до 10-15 МПа, пористостью 60%. Разработанный гранулированный заполнитель позволит исключить энергоемкую стадию обжига, что характерно для большинства искусственных заполнителей. Полученный безобжиговый зольный гравий вводили в бетонную смесь

вместо керамзитового гравия. Получен легкий бетон на основе гранулированного заполнителя с прочностью 25-35 МПа, плотностью 1500-1600 кг/м3, общей пористостью до 60%, теплопроводностью 0,33 Вт/м-°С. Следует отметить, что легкий бетон с использованием безобжигового зольного гравия и органоми-неральной добавки имеет теплопроводность в 1,5-2 раза меньше, чем керамзитобетон при одинаковых прочностных показателях, что подтверждает данные работы В.В. Строковой [4]: на месте золосодержащего гранулированного заполнителя формируются поры с уплотненными стенками и полифактурной поверхностью, которые снижают интенсивность тепловых потоков.

35,00 30,00

ГО"

I 25,00

I 20,00

о

| 15,00

л

н

о

° 10,00

т '

о

СР

С 5,00 0,00

2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 Время измельчения, час

Рис. 1. Влияние времени активации на прочность

золосиликатных композиций: 1 - гидромеханоактивация; 2 - сухая активация

содержание силикат глыбы, %

Рис. 2. Влияние содержания силикат-глыбы на прочность золосиликатных композиций: 1 - гидромеханоактивация; 2 - сухая активация

Таким образом, в результате выполненных исследований разработаны ресурсосберегающие техноло-

гии производства эффективных легких бетонов с использованием отходов теплоэнергетической промышленности.

В современных условиях рыночной экономики расширение использования техногенных продуктов

лимитируется высокой их стоимостью, диктуемой монополистами-поставщиками. Поэтому столь важны законодательные инициативы Минэнерго РФ и Государственной Думы РФ в области обращения ЗШО.

Статья поступила 30.05.2014 г.

Библиографический список

1. Кожуховский И.С., Целыковский Ю.К. Угольные ТЭС без золошлакоотвала: реальность и перспективы // Энергетик. 2011. № 6. С. 114-121.

2. К вопросу рециклинга золы-уноса теплоэлектростанций / Е.В. Зелинская [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6. С. 45-52.

3. Урханова Л.А., Заяханов М.Е. Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 63-65.

4. Конструкционные легкие бетоны на основе активных гранулированных заполнителей / В.В. Строкова [и др.] // Строительные материалы. 2006. № 10. С. 23-25.

УДК 711.1

ПОЛИЦЕНТРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ИРКУТСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ КАК СПОСОБ СОХРАНЕНИЯ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ

© Д.М. Кремлёва1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены существующие проблемы центральной исторической части Иркутска. Основной упор делается на вопрос транспортной и функциональной перегруженности города по причине его нарастающей урбанизации. Рассмотрены пути решения поднятых проблем в системе градостроительства в сравнении с европейским и российским опытом. Для сохранения исторического культурного наследия предлагается следование полицентрическому развитию иркутской агломерации. Ил. 4. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: градостроительство; агломерационное развитие; полицентричность; урбанизация; историческое наследие.

IRKUTSK AGGLOMERATION POLYCENTRIC DEVELOPMENT AS METHOD TO PRESERVE CULTURAL HERITAGE D.M. Kremlyova

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article deals with existing problems of the central historical part of the city of Irkutsk. It focuses on the problems of transport and functional congestion of the city due to its growing urbanization. The ways of solving these problems are treated in the town-planning system in comparison with the European and Russian experience. It is proposed to follow polycentric development of Irkutsk agglomeration in order to preserve historical heritage. 4 figures. 5 sources.

Key words: town-planning; agglomeration development; polycentrism; urbanization; historical heritage.

Город Иркутск - административный центр Иркутской области и Иркутского района - образует муниципальное образование «город Иркутск». Население -606,1 тыс. человек (январь 2013 года), пятый по величине город Сибири. В пределах агломерации на 2007 год проживало 959 тыс. человек. Старинный сибирский город, основан как острог в 1661 году. Относится к историческим поселениям России, список которых включает только 41 населенный пункт; исторический центр внесен в предварительный список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

Своеобразием Иркутска является то, что в достаточно большом объеме сохранилась историческая застройка. В городе более 1000 памятников истории и культуры, из них около 700 - уникальные деревянные дома, хозяйственные постройки XIX - начала XX вв.

Сохранились не только отдельно стоящие памятники, но и целые кварталы с ценной деревянной застройкой. Исторический центр Иркутска обладает огромным экономическим потенциалом, разработка стратегии его развития сможет не только помочь центральному району самовоспроизводиться, но и стать источником доходов и импульсов для развития всего города за счет деловой активности и развития туризма, который, в свою очередь, имеет немаловажное значение благодаря близости города к уникальному озеру Байкал.

Площадь исторического центра составляет примерно 400 га. Территория его ограничена на юго-востоке Иерусалимской горой, на северо-западе -реками Ангара и Ушаковка.

В настоящее время центр города столкнулся с рядом проблем, первостепенной из которых является

1 Кремлёва Дарья Михайловна, магистрант, e-mail: darystarling@gmail.com Kremlyova Darya, Master's Degree student, e-mail: darystarling@gmail.com

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.