CC BY
65
УДК 691-405.8
СИНТЕЗ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС
© 2010 г. Е.А. Яценко, В.А. Рытченкова, О.С. Красникова, А.В. Рябова, Н.Н. Ефимов, А.С. Косарев
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрены проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения. А именно: возможность разработки состава и ресурсосберегающей технологии производства теплоизоляционного материала (пеностекла), основным сырьевым компонентом которого является шлаковый отход ТЭС.
Ключевые слова: безотходное производство; золошлаковые отходы ТЭС; пеношлакостекло; теплоизоляция; пористость.
In article problems of recycling of ashes and slag of thermal power plants of synthesis on their basis of silicate materials of building assignment are considered. Namely: possibility of development of structure and technology of savings of resources of production of a material (the made foam glass), isolating heat, the main raw component which is slag scrap of thermal power plants.
Keywords: production without waste; ashes and slag of the thermal power plants; the made foam glass on the basis of slag; a thermal protection; porosity.
Энергетика XXI столетия стала жизнеобеспечивающей отраслью деятельности человека. ТЭС являются основными производителями тепловой и электрической энергии, а также и одним из основных загрязнителей окружающей среды (особенно среди производителей электроэнергии). Вредными веществами, загрязняющими природную окружающую среду вокруг ТЭС, являются, прежде всего, отходы процессов сжигания практически всех видов топлива. К ним относятся: твердые отходы (зола и шлак), оксид углерода, оксиды азота, серы, ванадия, хлористо-фтористые выбросы и др. Ежегодный выход золы и шлака на многих ТЭС превышает 1 млн т, а на станциях, сжигающих многозольное топливо, достигает 5 млн т [1]. Анализ работы только одной станции (Новочеркасской ГРЭС) показывает, что она производит 0,70 - 1,00 млн т золошлаковых отходов (ЗШО) в год, а в отвалах сконцентрировано около 46,0 млн т ЗШО. Перерабатывается или продается сторонним потребителям только 20 - 25 тыс. т золы-уноса в год. Между тем золошлаковые отходы продолжают накапливаться на полигонах, увеличивая проблемы с оплатой ущерба окружающей среде, а также требуя все новых площадей под их складирование.
Сегодня, когда традиционные материалы дорогостоящи, к золошлаковым отходам снова проявляется интерес. Поэтому проведение исследований в области утилизации топливных шлаков и внедрения безотходных производств в настоящее время актуально для современной промышленности.
Существует большое количество свидетельств о высокой экономической эффективности использования отходов ТЭС для производства разнообразных
материалов строительной и силикатной промышленности. Так, кусковой шлак используют как заполнитель для бетона в дорожном строительстве, для теплоизоляционных засыпок; золы уноса - в качестве гидравлической добавки к цементу (10 - 15 %), как компонент цементной сырьевой смеси (основные золы); в качестве кремнеземистого компонента - при производстве автоклавного и безавтоклавного газобетона, легких плотных и поризированных керамзитобетонов; для производства искусственных заполнителей (агло-поритного и зольного гравия, золокерамзита); как отощающую и выгорающую добавку в производстве глиняного кирпича; в качестве кремнеземного компонента при производстве силикатного кирпича. Кроме того, золы уноса используются в сельском хозяйстве как удобрение; в литейном производстве; обработанные силикагелем - для удаления с поверхности воды мазута или остатков кислот; для быстрого высушивания шламов. Большое количество золошлаковой смеси используется для строительства ограждающих дамб на золошлакоотвалах, т.е. на собственные нужды ТЭС.
Так же актуально и перспективно, помимо традиционных направлений применения зол и шлаков в цементной и керамической отраслях промышленности, в дорожном строительстве, использование зо-лошлаковых смесей для производства материалов по стекольной технологии. Химический и минералогический составы шлаков ТЭС близки к составам материалов силикатной промышленности, таким как стекло, стеклопокрытия, керамика, ситаллы и др.
Кроме того, в настоящее время в связи с быстрым ростом цен на энергоносители особую актуальность
приобретает вопрос улучшения энергоэффективности жилых, коммерческих и промышленных зданий. Методом решения данной проблемы служит применение современных теплоизоляционных материалов, одним из которых является пеностекло. Поэтому целью данной работы является разработка состава и ресурсосберегающей технологии производства экологически чистого теплоизоляционного материала (пеностекла), основным сырьевым компонентом которого является шлаковый отход ТЭС. Синтезируемый материал не должен уступать по качеству и технико-эксплуатационным характеристикам уже существующим аналогам, но при этом себестоимость его производства будет гораздо ниже.
Для реализации поставленной цели нами был проведен аналитический обзор и патентный поиск. Был выявлен ряд патентов, предметом которых является производство пеностекла строительного назначения на основе стекольного боя. Отличительными признаками их является сложность и материалоемкость технологии производства, что влечет за собою увеличение себестоимости продукции. По результатам патентного поиска можно сделать вывод, что отходы тепловых электростанций не применяются в производстве пеностекла, также нет зарегистрированных патентов, что свидетельствует о патентной чистоте планируемых исследований.
В настоящее время в связи с интенсификацией процессов сжигания топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов топлива перспективно применение топок с жидким шлакоудалением. Продуктами жидкого шлакоудале-ния энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава [2].
Химический состав топливных шлаков зависит от состава минеральной части твердых топлив, поэтому изменяется в широких пределах. Содержание важнейших оксидов в шлаках различных твердых топлив находится обычно в следующих пределах, % по массе: SiO2 35...65, А1203 10...25, СаО 1...50. Как правило, в шлаках содержится также значительное количество (до 20 % и более) оксидов железа, представленных преимущественно в виде оксида двухвалентного железа [3].
В качестве объекта исследования и переработки были выбраны шлаковые отходы Новочеркасской и Несветаевской ТЭС (Ростовская область), работающих на донецких углях.
Анализ шлакового отхода показал, что топливные гранулированные шлаки представляют плотные темные гранулы черного, бурого цветов размерами от 0,145 до 15-20 мм. Резкое охлаждение шлаковых расплавов и отсутствие условий равновесной кристаллизации приводит к тому, что топливные шлаки имеют в основном аморфную структуру, что подтверждается результатами рентгенофазового анализа. Кроме того, это обусловливает наличие больших внутренних напряжений, что способствует быстрому размалыванию шлака.
Химический и фазовый составы предопределяют активность шлаков. В соответствии с химико-минералогическим составом топливные шлаки можно объединить в три группы: сверхкислые с модулем основности Мо < 0,1, кислые с модулем основности Мо = 0,6-0,9, основные с модулем основности Мо = = 1,0-1,1. [3]. Шлаки Новочеркасской и Несветаев-ской ТЭС относятся к группе сверхкислых шлаков, так как их модуль основности менее 0,1:
Мо=
CaO+MgO SiO2+Al2O3
3,70 +1,63 53,00 + 20,64
- = 0,072 < 0,1;
CaO+MgO
Мо=-5—
SiO2+Al2O3
3,90 +1,62 53,00 + 20,64
= 0,075 < 0,1.
Наиболее изученной областью применения зо-лошлаковых отходов ТЭС является цементная промышленность, в которой достаточно широко применяются основные шлаки (Мо = 1,0 - 1,1). В золошла-ках сверхкислой группы свободного оксида кальция может не быть совсем, поэтому до настоящего времени данная группа шлаков остается малоизученной и не востребованной.
Большое суммарное количество тугоплавких оксидов трех- и четырехвалентных металлов предопределяет высокую температуру плавления шлаковых расплавов (1500 °С), вследствие чего возникает необходимость введения в состав шихты легкоплавких соединений для снижения температуры плавления. Это повысит технологичность при производстве стек-ломатериалов на их основе.
На первом этапе исследований предполагалось производство пеношлака, но шлак в чистом виде не спекается, поэтому было решено заменить часть стеклобоя в пеностекле шлаком. Для определения оптимального процентного соотношения шлака и стеклобоя в составе пеношлакостекла был синтезирован ряд составов шихт. Синтез пеностекла на основе шлакового отхода ТЭС проводился двумя способами: по стекольной технологии и спеканием. В результате проведенных исследований было установлено, что при производстве пеностекла по классической технологии более 60 % стеклобоя можно заменить золошлаковы-ми отходами ТЭС, что значительно удешевит и упростит технологию его производства. Также изучены плавкостные характеристики расплава шлакового отхода ТЭС, синтезированы составы шлакопеностекла с различным процентным соотношением шлака и стеклобоя, и изучены их теплофизические свойства и склонность к стеклообразованию, а также проведены исследования по изучению влияния различных пенообразователей на пористость пеношлакостекла. Сравнительная характеристика пеношлакостекла и пеностекла GOMELGLASS показала, что разработанное пеношлакостекло по основным характеристикам не уступает по качеству классическому (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительная характеристика пеношлакостекла и пеностекла GOMELGLASS
Характеристика Пеношлако-стекло Пеностекло GOMELGLASS
Прочность на сжатие, МПа 0,8-1 0,7-1,2
Плотность, кг/м3 210 165
Коэффициент теплопроводности, Вт/мК 0,07 0,06-0,08
Морозостойкость, цикл Более 50 Более 50
Прогнозируемый срок службы, лет 100 100
Себестоимость, руб. 4,0 54,0
Свойства и области
На основе пеношлакостекла возможно также производство блочного пеношлакостекла, гранулированного пеношлакостекла и пенокрошки. Применение пеношлакостекла очень разнообразно (табл. 2).
Благодаря термической и химической стойкости пеностекло может быть использовано для изоляции аппаратуры и реакционных сред. Так как наружная поверхность материала состоит из множества открытых (разрезанных) ячеек, то пеностекло легко и прочно клеится мастиками, соединяется цементным раствором, штукатурится. Жесткость и безусадочность пеностекла позволяют использовать этот материал для теплоизоляции кровель, при создании обогреваемого пола, тротуаров, автостоянок и др.
Таблица 2 применения пеностекла
Характеристика Возможности использования
Низкая теплопроводность и высокая морозоустойчивость Теплоизоляция в промышленном и гражданском строительстве, снижает расход стройматериалов, уменьшает толщину стен, повышает надежность и долговечность дорожного покрытия (снижает деформацию пучения при промерзании конструкции, и исключает возможность просадки полотна при оттаивании его основания); теплоизоляция больших по площади, а также эксплуатируемых и имеющих сложную геометрическую форму кровель; создание теплоизоляционных конструкций в зданиях, эксплуатируемых в сложном температуроводном режиме (портовые сооружения, бассейны, аква-парки, бани и т.п.); использование для термоизоляции трубопроводов и газопроводов; теплоизоляция подземных конструкций и сооружений
Низкая плотность материала при высокой прочности Снижает нагрузку на фундамент и позволяет строить даже на слабых грунтах; надстройка верхних этажей зданий; незаменимо для теплоизоляции перекрытий, кровель полов; гранулят - незаменимый наполнитель для прочных легковесных панелей; позволяет изготавливать понтонные и иные плавучие конструкции
Не горючесть Возможность теплоизоляции в высотном строительстве; создание огнепрегради-тельных конструкций; использование для изоляции трубопроводов и иного оборудования, работающего при температурах до 600 °С; в атомной промышленности, так как пеностекло имеет самый высокий класс пожаробезопасности и огнестойкости среди всех классических строительных теплоизоляционных материалов
Отличные монтажно-конструкционные свойства Реставрация старинных зданий; в отличие от традиционных теплоизоляционных материалов (газобетон, пенопласты), хорошо сочетается с алюмосиликатными вяжущими материалами (цементные, известковоцементные растворы); легко обрабатывается режущими инструментами; сверлится, прибивается гвоздями, клеится
Химически инертен, высокая коррозионная устойчивость Изготовление многоразовой изоляции; время эксплуатации практически не ограничено; безусадочность (долговременная стабильность размеров); применим для строительства резервуаров и трубопроводов для кислот и нефтепродуктов; эффективен для защиты зернохранилищ, хозяйственных и жилых помещений, так как не разрушается грызунами и насекомыми
Экологически безопасен Применим для любых видов строительства, в том числе в пищевой и фармацевтической промышленности
Разнообразность размеров ячеек и цвета материала Использование в качестве отделочного материала
Таким образом, сложный химический и минералогический составы, низкая стоимость золошлаковых смесей предполагают дальнейшее развитие технологий и получение оригинальных материалов на основе зол и шлаков ТЭС.
Данная научно-исследовательская работа проводится в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Поступила в редакцию
Литература
1. Мадоян А.А., Ефимов Н.Н. Природоохранные технологии на ТЭС: учеб. пособие. Новочеркасск, 2002. 228 с.
2. Данилович И.Ю., Сканави Н.А. Использование топливных
шлаков и зол для производства строительных материалов: учеб. пособие для СПТУ. М., 1988. 72 с.
3. Гольдштейн Л.Я., Штейерт Н.П. Использование топливных шлаков при производстве цемента. Л., 1977. 152 с.
4 февраля 2010 г.
Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии керамики, стекла и вяжущих веществ, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635) 255220. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Рытченкова Виктория Александровна - аспирант, кафедра технологии керамики, стекла и вяжущих веществ, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635) 255220. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Красникова Оксана Сергеевна - аспирант, кафедра технологии керамики, стекла и вяжущих веществ, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635)255671.
Рябова Анна Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии керамики, стекла и вяжущих веществ, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635) 255135 E-mail: annet20002006@rambler.ru
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)255671. E-mail: efimov@novoch.ru
Косарев Андрей Сергеевич - аспирант, кафедра тепловые электрические станции, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635)255671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru
Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Rytchenkova Victoria Aleksandrovna - post-graduate student, department department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Krasnikova Oksana Sergeevna - post-graduate student, department department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)255671.
Ryabovа Anna Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255135 E-mail: annet20002006@rambler.ru
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)255671. E-mail: efimov@novoch.ru
Kosarev Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)255671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru_
