CC BY
66
УДК 691.327.32 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-128-132
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭФФЕКТИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЯЧЕИСТОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО СТЕКЛОМАТЕРИАЛА*
DEVELOPMENT OF THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF EFFECTIVE ENERGY SAVING CELLULAR HEAT-INSULATING CONSTRUCTION STEKLOMATERIAL
© 2015 г. В.А. Смолий, А.С. Косарев, Е.А. Яценко, Б.М. Гольцман
Смолий Виктория Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатных материалов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)5-25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Косарев Андрей Сергеевич - Ведущий инженер Управления по научной работе и инновационной деятельности, ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)5-25-52-20. E-mail: smeelov@mail.ru
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатных материалов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)5-25-56-24. E-mail: e_yatsenko@ mail.ru
Гольцман Борис Михайлович - Ведущий инженер Управления по научной работе и инновационной деятельности, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)5-25-52-20. E-mail: boriuspost@gmail.com
Smoliy Victoria Aleksandrovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «General Chemistry and Technology of Silicate Materials», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)5-25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Kosarev Andrey Sergeevich - The leading engineer of Management on scientific work and innovative activityPlatov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)5-25-52-20. E-mail: smeelov@mail.ru
Jatsenko Elena Alfredovna - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «General Chemistry and Technology of Silicate Materials», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)5-25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Goltsman Boris Mikhaylovich - The leading engineer of Management on scientific work and innovative activityPlatov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)5-25-52-20. E-mail: boriuspost@gmail.com
Разработаны технологические решения получения эффективного энергосберегающего ячеистого теплоизоляционного строительного стекломатериала с использованием в качестве одного из основных сырьевых компонентов золошлаковых отходов Новочеркасской ТЭС. Синтезированы две серии составов шихт, содержащие 10 - 50 % шлака, модифицирующие добавки и смесь первичных порообразова-телей или первичных и вторичных порообразователей. Установлены оптимальные составы шихт для синтеза экспериментальных образцов теплоизоляционных плит и блоков из ячеистого стекла и заполнителя пористого для легких бетонов и теплоизоляционных засыпок. Разработанные технологические решения позволяют задавать физико-механические свойства материалов на основе ячеистого стекла (плотность, пористость, коэффициент теплопроводности, пределы прочности при сжатии и изгибе) за счет варьирования количества золошлаков в их составе, обеспечив при этом ресурсосбережение и формирование технологической базы для ликвидации накопленного ранее экологического ущерба, способствуя повышению экологической безопасности крупных энергетических предприятий.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы; ячеистое стекло; энергосбережение; ресурсосбережение; шлак ТЭС; модифицирующие добавки; плавни; парообразователь; плотность; прочность при сжатии; теплоизоляционные свойства.
*Работа выполнена в ЮРГПУ(НПИ) в рамках стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2015-2017 гг., № СП-1219.2015.1 (Смолий В.А.), тема: «Разработка технологии производства эффективного энергосберегающего ячеистого теплоизоляционного строительного стекломатериала».
Article is devoted to development of technological solutions of receiving an effective energy saving cellular heat-insulating construction steklomaterial, with use as one of the main input products the zoloshlakovykh of waste of Novocherkassk thermal power plant. Two series of compositions offurnace charges containing 1050 % of slag modifying additives and mix of primary steam generators or primary and secondary steam generators are synthesized. Optimum compositions of furnace charges for synthesis of experimental samples of heat-insulating plates and blocks from cellular glass and filler porous for light concrete and heat-insulating засыпок are established. The developed technological decisions allow to set physicomechanical properties of materials on the basis of cellular glass: density, porosity, heat conductivity coefficient, strength at compression and a bend, at the expense of a variation of quantity of zoloshlak in their structure, having provided thus resource-saving, and formation of technological base for elimination of the saved-up earlier ecological damage, promoting increase of ecological safety of the large power enterprises.
Keywords: the heat-insulating materials; cellular glass; energy saving; resource-saving; slag of thermal power plant modifying additives; plavn; a steam generator; density; durability at compression; heat-insulating properties.
В настоящее время во всех федеральных округах России наблюдается устойчивой рост накопления золошлаковых отходов (ЗШО) в золоотвалах угольных электростанций: ежегодное образование ЗШО в России - более 25 млн т, объем накопленных ЗШО в отвалах - более 1,5 млрд т. Из 172 действующих угольных ГРЭС и ТЭС России 115 исчерпали емкости золоотвалов, у остальных станций предельный срок эксплуатации не превышает 10 лет, утилизируется и используется около 13 % ежегодного выхода [1, 2]. Сохранение данной тенденции чревато серьезными экологическими проблемами: с учетом предполагаемого роста угольной генерации к 2030 г. (в 1,5 раза по сравнению с уровнем 2010 г.) ожидается, что ежегодный выход ЗШО на угольных ТЭС составит не менее 35-36 млн т. Как следствие - объем накопленных ЗШО к 2020 г. может превысить 1,7 млрд т, а к 2030 г. - 2,0 млрд т. Ситуация с переработкой и использованием ЗШО в других странах кардинально отличается. В 2010 г. на угольных электростанциях Европейского Союза (Еи-15) было выработано более 36 млн т ЗШО, из которых: более 50 % использовано при рекультивационных и ландшафтных работах, 40 % - как сырье для производства строительных материалов; 2 % - в дорожном строительстве и лишь 6,5 % - отправлено в отвалы [1]. Передовыми странами в вопросе использования ЗШО являются: Германия, Польша, Китай, Индия.
Исходя из анализа деятельности ТЭС по обращению с ЗШО в нынешней экономической ситуации России и учитывая зарубежный опыт, можно констатировать, что получение силикатных строительных материалов с использованием ЗШО является одним из реальных и экономически выгодных направлений
утилизации отходов. Замена природного сырья золами и шлаками будет способствовать охране недр, а ликвидация золоотвалов благоприятно скажется на экологической обстановке [3 - 7].
Таким образом, главная цель исследования -разработка технологии получения эффективного энергосберегающего ячеистого теплоизоляционного строительного стекломатериала с использованием в качестве одного из основных сырьевых компонентов золош-лаковых отходов Новочеркасской ГРЭС. Проведенные исследования [8 - 10] показали, что химический состав золошлаков Новочеркасской ГРЭС, сжигающей в качестве основного топлива уголь марки АШ Донецкого и Кузнецкого угольных бассейнов, позволяет использовать их в качестве сырьевого компонента при производстве ячеистого стекла. Золошлаки по своему химическому составу относятся к силикатным материалам, как видно из табл. 1, для замены части стек-лоотходов в шихте более перспективно использовать шлак, который обладает аморфной стеклообразной структурой и схожим со стеклом химическим составом.
Кроме того, из химического состава (табл. 1) [11] следует, что при введении большого количества шлака за счет наличия тугоплавкого оксида алюминия температура вспенивания будет расти. Поэтому необходимо будет вводить в состав ячеистого стекла материалы-плавни, снижающие температуру вспенивания.
Технология производства ячеистого стекла с использованием золошлаков Новочеркасской ГРЭС является типовой - «порошковой»: тонкоизмельчён-ные (частицы 1 - 10 мкм) сырьевые компоненты (зо-лошлаковая смесь, стеклобой, модифицирующие добавки и порообразователь) равномерно смешиваются,
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
Материал Химический состав*, % по массе
SiO2 AI2O3 Fe2O3 СаО MgO K2O Na2O
Шлак 53,5-65,8 18,8-24,3 4,8-11,1 2,6-4,1 1,9-2,9 2,6-3,2 0,5-1,1
Зола-унос 40,3-51,2 20,5-26,4 9,8-14,0 2,1-3,0 1,5-1,8 3,6-4,1 0,6-1,2
Стекло 71,2 2,70 0,8 3,4 7,6 0,8 13,2
Примечание: * Оксиды, содержание которых менее 1 %, не указаны.
получившаяся однородная механическая смесь (шихта) с влажностью 5-10 % формуется в зависимости от вида синтезируемых материалов (плиты, гранулы) с образованием полуфабриката изделий. Полуфабрикаты загружаются в печь для термической обработки. В результате нагрева до 850 - 950 °С частицы размягчаются до вязкожидкого состояния, а углерод окисляется с образованием газообразных СО2 и СО, которые и вспенивают силикатную массу. Механизм реакции газо- и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла.
Традиционные порообразователи в технологии пеностекла делятся на две группы: углеродные и карбонатные. К углеродным порообразователям относятся графит, антрацит, сажа и другие материалы на основе углерода. Образование пор при синтезе происходит из-за окисления углерода по реакции с образованием газа, вспенивающего материал:
С + О2 ^ СО2Т.
(1)
В качестве карбонатных порообразователей применяются мел и известняк, мрамор, доломит и др. Образование пор при синтезе происходит за счет газа, получаемого вследствие термического разложения карбонатов по реакции
СаСОз ^ СаО + СО2Т.
Кроме того, в качестве порообразователей могут выступать некоторые органические соединения, например, глицерин. Причем, принцип порообразования аналогичен реакции (1).
Согласно полученным ранее результатам [9, 10] для синтеза ячеистого стекла оптимально использовать стеклобой марок 1-ЗС и 1- БТ по ГОСТ Р 52233-2004.
В качестве объектов исследования были синтези-
рованы две серии образцов с содержанием золошла-ковых отходов от 10 до 50 %. Состав образцов серии А включал в себя стеклобой, золошлаковую смесь Новочеркасской ГРЭС, модифицирующие добавки и смесь первичных порообразователей. Исследования [11] показали, что в качестве первичных порообразо-вателей оптимально использование смеси глицерина С3Н5(ОН)3 (пропан-1,2,3-триол) и жидкого стекла, водный щелочной раствор силикатов натрия №2О^Ю2)и или калия К2О^Ю2)и. В образцы серии Б, дополнительно сверх 100 %, был введен вторичный порообразователь - смесь материалов-плавней, способствующий лучшему спеканию и вспениванию. Результаты представлены на рис. 1.
Анализ полученных результатов позволил установить, что количество вводимых в состав ячеистого стекла золошлаковых отходов влияет на структуру и свойства материала: наблюдается прямая зависимость между содержанием золошлаков и ростом плотности, прочности и коэффициента теплопроводности синтезируемого материала. Введение до 20 % (по массе) золошлаков практически не влияет на структуру материала, введение большего количества ведет к повышению плотности ячеистого стекла, а следовательно, к ухудшению теплоизоляционных свойств. С другой стороны, повышенная плотность и прочность материала с содержанием шлака 50 % (по массе) позволяет применять его в качестве конструкционно-теплоизоляционного строительного материала. Разработанные технологические решения позволяют задавать физико-механические свойства материалов на основе ячеистого стекла: плотность, пористость, коэффициент теплопроводности, пределы прочности при сжатии и изгибе, за счет варьирования количества золошлаков в их составе.
Введение вторичного порообразователя (плавня в образцах серии Б) оказало положительное влияние на процессы вспенивания.
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
10 %
20 %
■ Я' "L1.--J.1
-.-t- -л к 4'
30 % б
40 %
Рис. 1. Микроструктуры образцов серия А (а) и серия Б (б) с различным содержанием в составе золошлаковых отходов
50 %
а
Однако в образцах с малым содержанием золош-лаков это привело к неконтролируемому росту пор и ухудшению равномерности структуры. Введение плавня обосновано при содержании золошлаков более 30 % (по массе). Результаты определения основных физико-механических свойств синтезированных образцов с оптимальными составами представлены в табл. 2: плотность и предел прочности при сжатии определялись согласно требованиям ГОСТ 17177-94, коэффициент теплопроводности измерялся по ГОСТ 7076-99.
Проведенные исследования позволили определить оптимальные составы и температурно-временные режимы (рис. 2) получения эффективного энергосберегающего ячеистого теплоизоляционного строительного стекломатериала:
1) состав № 1 (рис. 3 а) для синтеза экспериментальных образцов теплоизоляционных плит и блоков из ячеистого стекла, % (по массе): золошлаковые отходы Новочеркасской ГРЭС - 20, зеленый стеклобой марки 1-ЗТ - 35, белый стеклобой марки 1-БТ -35, смесь первичного порообразователя и модифицирующей добавки - 10;
2) состав № 2 (рис. 3 б) для синтеза экспериментальных образцов заполнителя пористого для легких бетонов и теплоизоляционных засыпок, % (по массе): золошлаковые отходы Новочеркасской ГРЭС - 50, зеленый стеклобой марки 1-ЗТ - 20, белый стеклобой марки 1-БТ - 20, смесь первичного порообразователя и модифицирующей добавки - 10; вторичный порооб-разователь - плавень - 10 (сверх 100 %).
б
Рис. 3. Строительные материалы из ячеистого стекла: а - теплоизоляционная плита; б - стеклогравий искусственный пористый
Таблица 2
Свойства образцов серии А и Б
а
Серия Количество ЗШО в составе, % (по массе) Плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
А 10 160 1,5 0,061
А 20 240 2,6 0,069
В 30 370 4,1 0,082
В 40 440 5,3 0,093
В 50 500 7,2 0,098
а б
Рис. 2. Температурно-временные режимы синтеза теплоизоляционных плит из ячеистого стекла (а) и стеклогравия искусственного пористого (б): 1 - нагрев; 2 - вспенивание; 3 - резкое охлаждение со стабилизацией структуры; 4 - дополнительная выдержка; 5 - медленное охлаждение - отжиг
Литература
1. Черенцова А.А., Майорова Л.П. Проблемы и перспективы утилизации золошлаковых отходов. Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2013. 111 с.
2. Вишня Б.Л., Уфимцев В.М., Капустин Ф.Л. Перспективные технологии удаления, складирования и использования золошлаков ТЭС. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 186 с.
3. Кузнецова Н.А., Казьмина О.В. Получение высокоэффективного теплоизоляционного строительного материала на основе золошлаковых отходов тепловых электростанций // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. № 1-2. С. 78 - 82.
4 Казьмина О.В, Верещагин В.И., Кузнецова Н.А. Получение пеностекольных материалов на основе золошлако-вых отходов // Изв. вузов. ТПУ. Т. 319. С. 52 - 56.
5. Казьмина О.В., Верещагин В.И., Абияка А.Н. Расширение сырьевой базы для получения пеностеклокристалли-ческих материалов // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 54 - 56.
6. Герк С.А., Смолий В.А. Исследование состава и структуры отходов топливно-энергетического комплекса с применением электронно-микроскопического и элементного
анализа // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 4 (173). С. 76 - 79.
7. Яценко Е.А., Ефимов Н.Н., Косарев А.С., Рытченкова В.А. Проблемы комплексной переработки золошлаковых отходов и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения // Техника и технология силикатов. 2010. № 2. С. 17.
8. Яценко Е.А., Зубехин А.П., Смолий В.А., Грушко И.С., Косарев А.С., Гольцман Б.М. Ресурсосберегающая технология теплоизоляционно-декоративного стеклокомпо-зиционного материала на основе золошлаковых отходов // Стекло и керамика. 2015. № 6. С. 34 - 38.
9. Яценко Е.А., Зубехин А.П., Гольцман Б.М., Смолий В.А., Косарев А.С. Исследование факторов, влияющих на свойства и структуру пеношлакостекла // Стекло и керамика. 2014. № 4. С. 3 - 6.
10. Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Гольцман Б.М., Деева А.С. Синтез пеностекол на основе комбинированных отходов промышленности // Научное обозрение. 2013. № 8. С. 70 - 75.
11. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справочное пособие / В.Г. Пантелеев, Э.А. Ларина, В.А. Мелентьев и др.; под ред. В.А. Мелентьева. Л.: Энергоатомиздат, Ле-нингр. отд-ние, 1985. 288 с.
References
1 Cherentsova A.A., Maiorova L.P. Problemy i perspektivy utilizatsii zoloshlakovykh otkhodov [Problems and prospects of utiliza-
tion zoloshlakovykh of waste]. Khabarovsk, TOGU Publ., 2013, 111 p.
2 Vishnya B.L. , Ufimtsev V.M., Kapustin F.L. Perspektivnye tekhnologii udaleniya, skladirovaniya i ispol'zovaniya zoloshlakov
TES [Perspective technologies of removal, warehousing and use of zoloshlak of thermal power plant]. Yekaterinburg: UGTU-UPI, 2006, 186 p.
3. Kuznetsova N.A., Kaz'mina O.V. Poluchenie vysokoeffektivnogo teploizolyatsionnogo stroitel'nogo materiala na osnove zoloshlakovykh otkhodov teplovykh elektrostantsii [Receiving highly effective heat-insulating construction material on a basis the zoloshlakovykh of waste of thermal power plants]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika, 2012, no. 1-2, pp. 78 - 82. [In Russ.]
4 Kaz'mina O.V, Vereshchagin V.I., Kuznetsova N.A. Poluchenie penostekol'nykh materialov na osnove zoloshlakovykh otkhodov [Receiving the penostekolnykh of materials on a basis the zoloshlakovykh of waste]. Izvestiya VUZov, TPU, vol. 319, pp. 52-56. [In Russ.]
5. Kaz'mina O.V., Vereshchagin V.I. , Abiyaka A.N. Rasshirenie syr'evoi bazy dlya polucheniya penosteklokristallicheskikh mate-rialov [Expansion of a source of raw materials for receiving the penosteklokristallicheskikh of materials]. Stroitel'nye materialy, 2009, no. 7, pp. 54 - 56. [In Russ.]
6. Gerk S.A., Smolii V.A. Issledovanie sostava i struktury otkhodov toplivno-energeticheskogo kompleksa s primeneniem elek-tronno-mikroskopicheskogo i elementnogo analiza [Research of structure and structure of waste of fuel and energy complex with application of the electronic and microscopic and element analysis]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2013, no. 4 (173), pp. 76-79. [In Russ.]
7. Yatsenko E.A., Efimov N.N., Kosarev A.S., Rytchenkova V.A. Problemy kom-pleksnoi pererabotki zoloshlakovykh otkhodov i sinteza na ikh osnove silikatnykh materialov stroitel'nogo naznacheniya [Problems of complex processing the zoloshlakovykh of waste and synthesis on their basis of silicate materials of construction appointment]. Tekhnika i tekhnologiya silikatov, 2010, no. 2, pp. 17. [In Russ.]
8. Yatsenko E.A., Zubekhin A.P., Smolii V.A., Grushko I.S., Kosarev A.S., Gol'tsman B.M. Resursosberegayushchaya tekhnologiya teploizolyatsionno-dekorativnogo steklokompozitsionnogo materiala na osnove zoloshlakovykh otkhodov [Resource-saving technology of heat-insulating and decorative steklokompozitsionny material on a basis the zoloshlakovykh of waste]. Steklo i keramika, 2015, no. 6, pp. 34-38. [In Russ.]
9. Yatsenko E.A., Zubekhin A.P., Gol'tsman B.M., Smolii V.A., Kosarev A.S. Issledovanie faktorov, vliyayushchikh na svoistva i strukturu penoshlakostekla [Research of the factors influencing properties and structure of a penoshlakostekl]. Steklo i keramika, 2014, no. 4, pp. 3-6. [In Russ.]
10. Yatsenko E.A., Smolii V.A., Kosarev A.S., Gol'tsman B.M., Deeva A.S. Sintez penostekol na osnove kombinirovannykh otkhodov promyshlennosti [Deyev Ampere-second. Synthesis of foamglasses on the basis of the combined waste of the industry]. Nauchnoe obozrenie, 2013, no. 8, pp. 70-75. [In Russ.]
11. Panteleev V.G., Larina E.A., Melent'ev V.A. i dr. Sostav i svoistva zoly i shlaka TES: spravochnoe posobie [Structure and properties of ashes and slag of thermal power plant: handbook]. Leningrad, Energoatomizdat, Leningr. otd-nie, 1985, 288 p.
Поступила в редакцию 13 октября 2015 г.
