CC BY
29
УДК 691 - 405.8
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПУТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ИХ В ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ
© 2013 г. А.П. Солоненко, Б.М. Гольцман
Солоненко Анна Петровна - инженер-исследователь, Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского. Тел. 64-14-40.
Гольцман Борис Михайлович - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел./факс: (8635) 25-51-35. E-mail: boriuspost@gmail.com
Solonenko Anna Petrovna - research engineer, Omsk State University of F.M. Dostoevsky. Ph. 64-14-40.
Holzman Boris Mikhailovich - post-graduate student, department «Technology of the Ceramics, Glass And Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: boriuspost@gmail.com
Рассмотрены проблемы переработки шлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе гранулированного заполнителя. Приведены составы заполнителей с применением шлаков ТЭС, исследованы основные физико-механические свойства материалов, сделаны выводы о применимости разработанных составов в строительстве.
Ключевые слова: шлаковые отходы ТЭС; ресурсосберегающая технология; строительные материалы; гранулированный заполнитель.
Problems of processing of ashes and slag waste of thermal power plants and synthesis on their basis of granulated filler are considered. Compositions of granulated filler using TPP's slag are given, investigated the basic physic and mechanical properties of materials, and draw conclusions about the applicability of the developed formulations in construction
Keywords: slag waste of thermal power plants; resource-saving technology; building materials; granulated filler.
Одно из первых мест по объему выпуска среди промышленных отходов занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива на тепловых электростанциях (ТЭС). Использование зол и шлаков ТЭС в производстве новых строительных материалов является важным направлением ресурсосбережения, т.к. из них возможно производство широчайшего ассортимента строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении промышленных и жилых зданий, дорожных и гидротехнических сооружений, сельскохозяйственных объектов и т.п. Кроме того, использование зол и шлаков решает особо важные проблемы охраны окружающей среды [1, 2].
В связи с вышесказанным была исследована возможность получения гранулированного заполнителя по пеностекольной технологии на основе золошлако-вых отходов ТЭС. Основная область применения данного материала - дорожное строительство и создание теплоизоляционных блоков [3].
В рамках данной работы в качестве исходных компонентов использовали:
- шлак Новочеркасской ГРЭС и стеклобой как стеклообразующие компоненты;
- борную кислоту как плавень;
- различные порообразователи. В качестве поро-образователей были выбраны: один карбонатный по-рообразователь - мел и два углеродных порообразо-
вателя - графит и антрацит. Выбор данных материалов обусловлен их относительной легкодоступностью и дешевизной.
Были разработаны три ряда составов. Для каждого из них постоянными были содержание борной кислоты и порообразователя, а варьировалось содержание отхода и стеклобоя (табл. 1).
Полученные шихтовые составы пересчитываем на химический состав исходных материалов (табл. 2, 3).
Проведем перерасчет химического состава с 105 на 100 весовых частей и полученные значения занесем в табл. 4.
Для определения оптимального поробразователя и режима обжига гранул были сформованы по 10 гранул каждого состава (цилиндры d = 6 мм, h = 7 мм). Каждый состав расположили на отдельной металлической подложке, обмазанной огнеупорной глиной для предотвращения прилипания гранул. Затем все составы поочередно были отправлены спекаться в муфельную печь при температурах 700, 750, 800, 825, 850, 875, 900, 925, 950 и 975 °С. Результаты исследований приведены в табл. 5 - 7 и на рис. 1 - 3.
По истечении 30 мин при температуре 850 °С произошло спекание образцов с мелом, при 900 °С -образцов с антрацитом, при 950 °С - образцов с графитом. При заданных температурах достигается необходимый уровень требований (энергоэффективность, физико-химические параметры гранулята) [4].
Таблица 1
Шихтовые составы гранулированных заполнителей
№ состава Содержание компонентов, % по массе Содержание порообразователя, сверх 100 % по массе
Шлак Стеклобой Борная кислота Мел Графит Антрацит
1 70 15 15 5 - -
2 60 25 15 5 - -
3 50 35 15 5 - -
4 40 45 15 5 - -
5 30 55 15 5 - -
6 70 15 15 - 5 -
7 60 25 15 - 5 -
8 50 35 15 - 5 -
9 40 45 15 - 5 -
10 30 55 15 - 5 -
11 70 15 15 - - 5
12 60 25 15 - - 5
13 50 35 15 - - 5
14 40 45 15 - - 5
15 30 55 15 - - 5
Таблица 2
Химический состав исходных материалов
Сырьевые материалы Содержание оксидов, % по массе
SiO2 AI2O3 B2O3 MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 C п.п.п. I
Шлак 54,56 19,21 - 1,64 0,98 11,92 3,72 3,35 0,98 0,08 0,12 - 3,44 100
Стеклобой 72,94 1,31 - 0,79 15,22 0,25 9,45 - - - - - - 100
Бура - - 56,55 - - - - - - - - - 43,55 100
Мел - - - - - - 56 - - - - - 44 100
Графит - - - - - - - - - - - 99 1 100
Антрацит - - - - - - - - - - - 97 3 100
Таблица 3
Химический состав сырьевой смеси
Сырьевые материалы Содержание оксидов, % по массе
SiO2 AlA BA MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 C п.п.п. I
Состав №1 (3)
Шлак 50 вес. ч. 27,28 9,60 - 0,82 0,49 5,96 1,86 1,68 0,49 0,04 0,06 - 1,72 50
Стеклобой 35 вес. ч. 25,52 0,46 - 0,28 5,33 0,09 3,32 - - - - - - 35
Борная кислота 15 вес. ч. - - 8,47 - - - - - - - - - 6,53 15
Мел 5 вес. ч. - - - - - - 2,8 - - - - - 2,2 5
Состав сырьевой смеси, % по массе 52,80 10,06 8,47 1,1 5,82 6,05 7,98 1,68 0,49 0,04 0,06 - 10,45 105
Состав №2 (8)
Шлак 50 вес. ч. 27,28 9,60 - 0,82 0,49 5,96 1,86 1,68 0,49 0,04 0,06 - 1,72 50
Стеклобой 35 вес. ч. 25,52 0,46 - 0,28 5,33 0,09 3,32 - - - - - - 35
Борная кислота 15 вес. ч. - - 8,47 - - - - - - - - - 6,53 15
Графит 5 вес. ч. 4,95 0,05 5
Состав сырьевой смеси, % по массе 52,80 10,06 8,47 1,1 5,82 6,05 5,18 1,68 0,49 0,04 0,06 4,95 8,3 105
Состав №3 (13)
Шлак 50 вес. ч. 27,28 9,60 - 0,82 0,49 5,96 1,86 1,68 0,49 0,04 0,06 - 1,72 50
Стеклобой 35 вес. ч. 25,52 0,46 - 0,28 5,33 0,09 3,32 - - - - - - 35
Борная кислота 15 вес. ч. - - 8,47 - - - - - - - - - 6,53 15
Антрацит 5 вес. ч. 4,85 0,15 5
Состав сырьевой смеси, % по массе 52,80 10,06 8,47 1,1 5,82 6,05 5,18 1,68 0,49 0,04 0,06 4,85 8,4 105
Таблица 4
Химический состав гранулированных заполнителей с учетом потерь при прокаливании на 100 вес. ч.
№ состава Содержание оксидов, % по массе
SiO2 AI2O3 B2O3 MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 C п.п.п. I
1 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 7,6 1,06 0,47 0,03 0,05 - 9,95 100
2 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,9 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 7,90 100
3 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,9 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 7,90 100
Таблица 5
Результаты исследований влияния температурного режима на спекаемость гранулированного заполнителя состава № 1
Температура выдержки, °С Время выдержки, мин Анализ внешнего вида № образца
700 750 800 30 Плотно спеченные образцы, порообразование отсутствует, цвет коричневый 1 а
825 30 Начало порообразования, поры малого размера (< 1мм), цвет серо-коричневый 1 б
850 30 Интенсивное порообразование, увеличение объема на 10 - 15 %, поры средние (2 - 3 мм), цвет коричнево-серый 1 в
875 30 Начало деформации образца, увеличение объема на 20 %, поры средние (2 - 4 мм), цвет коричнево-серый 1 г
900 925 950 30 Сильная деформация образца, поры крупные (> 4 мм), цвет коричнево-серый 1 д
975 30 Полное расплавление образца 1 е
Таблица 6
Результаты исследований влияния температурного режима на спекаемость гранулированного заполнителя состава № 2
Температура выдержки, °С Время выдержки, мин Анализ внешнего вида № образца
700 30 Плотно спеченные образцы, порообразование отсутствует, цвет серо-черный 2 а
750
800
825
850
875 30 Образование поверхностного слоя №^Ю3, спекание сопровождается небольшим (5 %) уменьшением размеров образцов, цвет зеленовато-черный, блестящий 2 б
900
925 30 Уменьшение размеров образцов на 10 %, начало порообразования, поры очень мелкие (<0,5 мм), цвет зеленовато-черный, блестящий 2 в
950 30 Уменьшение размеров образцов на 10%, слабое порообразование, поры мелкие (1 мм), цвет зеленовато-черный, блестящий 2 г
975 30 Уменьшение размеров образцов на 15 %, среднее порообразование, поры средние (2 - 3 мм), цвет зеленовато-черный, блестящий 2 д
1а 16 1в 1г 1д 1е
Рис. 1. Фотографии образцов 1 а - 1 е состава № 1
Таблица 7
Результаты исследований влияния температурного режима на спекаемость гранулированного заполнителя состава № 3
Температура выдержки, °С Время выдержки, мин Анализ внешнего вида № образца
700 30 Плотно спеченные образцы, порообразование отсутствует, цвет коричнево-серый 3 а
750
800
825
850
875 30 Начало порообразования, поры малого размера (< 1 мм), цвет серо-зеленый 3 б
900 30 Интенсивное порообразование, увеличение объема на 10 - 15 %, поры средние (1,5 - 2,0 мм), цвет серо-зеленый 3 в
925
950 30 Начало деформации образца, увеличение объема на 20 %, поры средние (2 - 3 мм), цвет серо-зеленый 3 г
975 30 Сильная деформация образца, поры крупные (>3 мм), цвет серо-зеленый 3 д
2а 2 б 2в 2г 2д
Рис. 2. Фотографии образцов 2 а - 2 д состава № 2
Далее с синтезированными образцами были проведены следующие испытания:
- определение водопоглощения, пористости, плотности;
- определение предела прочности при сжатии;
- определение коэффициента теплопроводности. Результаты исследований приведены на рис. 4. По итогам исследований можно сделать вывод о
том, что состав № 3 (порообразователь - антрацит) обладает оптимальным уровнем физико-механических свойств и стабильной структурой, обеспечивающей высокий уровень и постоянство теплоизоляционных
свойств [5]. Полученные результаты позволили определить оптимальный режим термообработки (рис. 5).
На данном графике можно выделить следующие стадии синтеза гранулята: 1 - загрузка образцов в печь при температуре 600 °С, доведение температуры в печи до необходимого уровня за 30 мин; 2 - выдержка при заданной температуре 20 мин (вспенивание); 3 -охлаждение гранул.
Отсутствие стадии отжига в технологии объясняется тем, что вследствие малого размера гранулы успевают равномерно остыть без возникновения напряжений, способных разрушить материал.
Рис. 4. Сравнительная характеристика основных физико-механических параметров гранулированного заполнителя с различными порообразователями (1 - мел, 2 - графит, 3 - антрацит)
- установлен оптимальный температурно-времен-ной режим синтеза гранулированного заполнителя на основе отходов ТЭС;
- синтез гранулированного заполнителя на основе отходов ТЭС является экономически выгодным и целесообразным, а также способствует улучшению экологической обстановки.
Работа подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы на тему «Актуальные аспекты технологий переработки отходов топливно-энергетического комплекса 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. Пугач Л.И. Энергетика и экология. Новосибирск, 2003. 504 с.
2. Гринин А.С., Новиков В.Н. Промышленные и бытовые отходы. М., 2002. 336 с.
3. Яценко Е.А., Ефимов Н..Н., Косарев А.С., Паршуков В.И., Рытченкова В.А., Грушко И.С. Эффективное использование твердого топлива и переработка золошлаковых отходов ТЭС с применением нанотехнологий // Альтернативная энергетика и экология: междунар. науч. журн. 2010. № 3(83). С. 93 - 102.
4. ГОСТ 27006-86. Бетоны. Правила подбора состава.
0 10 20 30 40 50 60 г, мин
Рис. 5. Оптимальный температурно-временной режим синтеза и гранулированного заполнителя
Суммируя вышесказанное, можно сказать, что наилучшим для синтеза гранулированного заполнителя является состав № 3 (порообразователь - антрацит). Это объясняется следующими факторами:
1) наименьшая цена данного порообразователя по сравнению с другими выбранными;
2) больший температурный диапазон, в котором сохраняется требуемая структура пены;
3) отсутствие дефектов, наилучшие показатели основных физико-механических свойств среди всех выбранных составов.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
- выбран оптимальный состав для производства гранулированного заполнителя на основе отходов ТЭС;
5. Яценко Е.А., Смолий В.А., Гольцман Б.М., Косарев А.С. Разработка составов и исследование свойств блочного и гранулированного пеностекла, изготовленного с использованием шлаковых отходов ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 5. С. 115 - 119.
Поступила в редакцию
5 февраля 2013 г.
