CC BY
48
Ш Энергетика
M Power Engineering
Оригинальная статья / Original article УДК: 536.6; 621.1
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-126-132
УСТАНОВКА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗОЛЫ УНОСА ТЭЦ
А
© Н.П. Герасимова1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Уделено особое внимание одному из перспективных направлений использования золы уноса -производству бетонных конструкций. Преимущество, которое дает зола уноса в бетоне - это экономия цемента и уменьшение тепловыделения при его производстве. Основной недостаток использования золы уноса заключается в медленном наборе прочности бетонными изделиями. Метод. Повысить активность компонентов бетонной смеси, включающей в качестве связующего золу уноса, можно воздействием на бетонную смесь вторичными короткозамкнутыми электрическими токами в процессе изготовления бетонных блоков. Обоснование такого воздействия основано на применении метода электрохимического процесса, заключающегося в безэлектродной индукционной обработке растворов с помощью специальных индукторов. Результаты. Интенсификация процесса затвердевания бетона с использованием золы уноса ТЭЦ может быть осуществлена с помощью установки для производства бетонных блоков с заменой части цемента летучей золой с применением индуцирования вторичных короткозамкнутых электрических токов в бетонной смеси. Заключение. Обоснован механизм возникновения короткозамкнутых индукционных токов в бетонной смеси, в которой часть цемента заменена на золу уноса ТЭЦ. Предложена установка для осуществления способа производства бетонных конструкций с использованием золы-уноса ТЭЦ, которая представляет собой подвижный электромагнит переменного тока с раздвижными полюсами для размещения между ними опалубки с бетонной смесью на столе с виброприводом. Ключевые слова: решение экологической проблемы, зола уноса ТЭЦ, вторичное сырье, бетонная смесь, индуцирование, короткозамкнутые электрические токи, упрочнение бетонных блоков.
Формат цитирования: Герасимова Н.П. Установка для интенсификации процесса затвердевания бетона с использованием золы уноса ТЭЦ // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 7. С. 126-132. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-126-132
A DEVICE INTENSIFYING HARDENING OF CONCRETE INCLUDING CHP PLANT FLY ASH N.P. Gerasimova
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. This article deals with the production of concrete structures as one of the promising applications of fly ash. The advantage of using fly ash in concrete consists in cement saving and heat release reduction in its production. The main disadvantage of using fly ash is slow curing of concrete products. Method. The activity of concrete mix components including fly ash as a binder can be increased by the impact of secondary short-circuited electric currents on the concrete mix during concrete blocks production. The justification of such impact is based on the method of electrochemical process, which implies electrodeless induction processing of solutions by means of special inductors. Results. Intensification of the hardening process of concrete including CHP plant fly ash can be implemented through using the installation for the production of concrete blocks (in which the part of cement is replaced with fly ash) with the induction of secondary short-circuited electric currents in the concrete mix. Conclusion. The paper substantiates the origination mechanism of short-circuited induction currents in the concrete mix where the part of cement is replaced with CHP plant fly ash. It proposes the installation for the implementation of the production method of concrete structures using CHP plant fly ash. The installation is represented by a movable AC electromagnet with sliding poles between which a concrete mix formwork can be placed on the table with a shaker.
Keywords: solution of environmental problems, CHP plant fly ash, secondary raw materials, concrete mix, induction, short-circuited electric currents, hardening of concrete blocks
For citation: Gerasimova N.P. A device intensifying hardening of concrete including CHP plant fly ash. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 7, рp. 126-132 (in Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-126-132
Герасимова Наталья Павловна, кандидат химических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, e-mail: gerasimova@istu.edu
Gerasimova Natalia, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Heat Power Engineering, e-mail: gerasimova@istu.edu
Введение
Экологическая и экономическая целесообразность и необходимость повторного и многократного использования природных ресурсов путем вовлечения части отходов производства и потребления в хозяйственный оборот в качестве вторичного сырья подтверждается многолетней практикой, реализуемой промышленностью во многих развитых странах мира [1]. Структура использования продуктов горения углей (ПГУ) в развитых странах мира за последние пять лет представлена в таблице.
Данные, приведенные в таблице, наглядно показывают, что ведущими
направлениями использования золы уноса являются технологии производства цемента и бетона, а также дорожное строительство.
Наиболее качественным и востребованным сырьем в строительной индустрии является сухая зола.
Экономически выгодно использовать золу уноса в качестве заменителя части цемента, идущего на изготовление бетона и железобетона, а также при производстве самого цемента. В связи с этим спрос на сухую золу растет, что не может не радовать инициаторов экологических проектов.
Ведущие направления использования ПГУ Main application fields of coal combustion products (CCP)
Области использования ПГУ / Процент использования видов ПГУ к общему объему утилизации / CCP types application ratio to general disposal amount
CCP application fields Зола уноса* / Fly ash Шлак / Slag Котельный шлак / Boiler ash Фосфогипс / Phospho-gypsum
Производство бетона / Concrete production 56,1 13,7 - 6,4
Сырье для цементного клинкера / Raw material for cement clinker 4,7 2,8 - 0,4
Наполнители для различных целей / 16,3 20,4 0,6 2,4
Filling agents for various purposes
Дорожное строительство:
основание дорог; минеральный порошок / Road construction: road foundation; 4,8; 0,5 10,5; 0,2 0,6 0,6
mineral powder
Замена мелкого песка
в технологии кровельных
материалов и других целей / Fine sand substitute in roofing materials technology, other purposes 0,7 81,8
Горное дело / Mining 3,7 1,8 - 1,6
Стеновые элементы / Non-load bearing wall elements - - - 82,1
Прочие / Others 10,6 48 17 6,5
*Зола уноса - продукт горения углей на ТЭЦ./ Fly ash is a CHP coal combustion product.
В данной статье особое внимание уделено одному из перспективных направлений использования золы уноса - производству бетонных конструкций. Зола уноса при производстве бетонных изделий
Преимущество, которое дает зола уноса в бетоне - это экономия цемента и уменьшение тепловыделения при его производстве. Основной недостаток использования золы уноса заключается в медленном наборе прочности бетонными изделиями [2].
Уменьшение прочности бетонных изделий объясняется тем, что в толще бетонного изделия при замене части цемента золой уноса остаются компоненты, не вступившие в связи [3, 4]. Особенно это относится к соединениям, входящим в состав золы уноса: их низкая активность объясняется термической обработкой при сжигании угля. Повысить активность компонентов бетонной смеси, включающей в качестве связующего золу уноса, можно воздействием на смесь вторичными короткоза-мкнутыми электрическими токами в процессе бетонирования, а именно при изготовлении бетонных блоков. Такое воздействие основано на применении метода электрохимического процесса, заключающегося в безэлектродной индукционной обработке растворов с помощью специальных индукторов.
Так как безэлектродный электрохимический процесс в растворе является классическим примером многомерного функционального пространства, то для математической обработки результатов исследований таких процессов были применены методы многомерного математического моделирования, разработанные на базе конструктивной начертательной геометрии [5].
Практика применения методик математического моделирования к исследованиям безэлектродных электрохимических процессов показала эвристические возможности этих методик, позволяющих не только прогнозировать оптимальные значения моделируемых процессов, но и осу-
ществлять планирование экспериментальных исследований, что позволяет значительно сократить объем и время работы для получения адекватных выводов. Такие эвристические возможности методик математического моделирования на базе конструктивной геометрии хорошо иллюстрируются на примере активации соединений золы уноса в бетонных растворах [5].
Активация соединений золы уноса в бетонных растворах осуществляется путем электролиза бетонной смеси, индуцируя в ней вторичные короткозамкнутые электрические токи с помощью специальной установки2. Низкая электропроводность бетонной смеси не является препятствием для создания больших токов в ней, так как вблизи обмотки индуктора, которая в данном случае является первичной обмоткой своеобразного трансформатора, вторичной обмоткой служит сама бетонная смесь, в которую погружен индуктор. Величина Э.Д.С., наводимой в бетонной смеси, обратно пропорциональна расстоянию до обмотки индуктора:
эдс-=-V ( £.
где а - постоянная установки; г - расстояние до обмотки индуктора.
Поскольку размеры изоляции обмотки достаточно малы (составляют практически доли миллиметров), становится возможным образование больших токов вблизи обмоток в электролитах, что и обеспечивает высокоэффективное их влияние на процессы в электролитах, а в данном случае - в бетонной смеси.
Пат. № 2373341, Российская Федерация. Способ производства неармированных бетонных блоков с заменой части цемента золой уноса и устройство для его осуществления / Н.П. Герасимова, Н.Д. Вертинская. Опубл. 20.11.2009 г. / Gerasimova N.P., Vertinskaya N.D. Sposob proizvodstva nearmiro-vannykh betonnykh blokov s zamenoi chasti tsementa zoloi unosa i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [The production method of plain concrete blocks in which the part of cement is replaced by fly ash and a device for its implementation./. Patent RF, no. 2373341, 2009.
Механизм возникновения коротко-замкнутых индукционных токов схематично представлен на рис. 1, где изображена первичная обмотка индуктора, погруженная в бетонную смесь, вторичной обмоткой индуктора является сама бетонная смесь, в которой наведенный индукционный ток образует короткозамкнутый виток.
-о ^ о-
Рис. 1. Механизм возникновения короткозамкнутых электрических токов в бетонной смеси Fig. 1. The mechanism of short-circuited electric current induction in a concrete mix
Установка для производства бетонных блоков с заменой части цемента летучей золой с применением индуцирования вторичных короткозамкнутых электрических токов представляет собой подвижный электромагнит переменного тока с раздвижными полюсами для размещения между ними опалубки с бетонной смесью на столе с виброприводом.
Так как электромагнит позволяет индуцировать в бетонной смеси вторичные короткозамкнутые токи, то в бетонной смеси осуществляется электролиз. В процессе электролиза активизируются все компоненты, включая и соединения золы уноса, позволяя им вступать в химические соедине-
ния со всеми компонентами смеси, обеспечивая повышение прочности бетонных блоков на молекулярном уровне.
В связи с тем что электромагнит с раздвижными полюсами позволяет разместить между полюсами опалубку с бетонной смесью на столе с виброприводом, то в процессе активации электролизом всех компонентов бетонной смеси осуществляется вибрация бетонной смеси, обеспечивая увеличение скорости затвердевания и повышение прочности бетонных блоков. Описание и принцип действия установки
На рис. 2, а представлен общий вид установки для производства бетонных блоков с заменой части цемента летучей золой с применением индуцирования вторичных короткозамкнутых электрических токов, на рис. 2, б - электрический модуль этой установки.
Установка содержит станину 1 с верхним 2 и нижним 3 электромагнитными приводами.
Работа установки для производства бетонных блоков с заменой части цемента золой уноса осуществляется следующим образом.
При включении электропитания подающая конвейерная лента на вальцах сопорами 11 подает опалубки 14 с бетонной смесью к станине 1, откуда механизмы, например, гидравлического типа (не показаны) подают их на вибрационный стол 10. По заданной программе работы контроллера 21 после поступления опалубки 14 с бетонной смесью на вибростол 10 включаются выключатели 16 и 17 на контроллере 21, соединяя обмотки нижнего привода 3: одну - с выходом постоянного напряжения выпрямителя 25, а другую - с выходом переменного напряжения силового трансформатора 22, в результате чего вибростол совершает вибрации, передавая их опалубке 14 с бетонной смесью.
Одновременно с выключателями 16 и 17 система переключателей 19 и 20 полюсов на контроллере 21 соединяет с выходом постоянного напряжения выпрямителя 25 обмотки верхнего электромагнитного привода 2, который опускает электро-
магнит с сердечником 7 и обмоткой 30 с раздвинутыми полюсами над опалубкой 14
с бетонной смесью, а выключатель 18 на контроллере 21 соединяет обмотку элек-
6 5
7 11 9
4
2
8
10 3
1
18 19 20
Сеть
б
Рис. 2. Установка для осуществления способа производства бетонных блоков с использованием золы уноса ТЭЦ: а - общий вид; б - электрический модуль установки Fig. 2. The installation for concrete blocks production with the use of CHP fly ash: а - a general view; б - an installation electrical module
а
троэлектромагнита с выходом переменного напряжения силового трансформатора 22, в результате чего между полюсами электромагнита с сердечником 7 и обмоткой 30 во всем объеме бетонной смеси в течение заданного программным устройством контроллера 21 по конкретным условиям эксплуатации периода времени индуцируются вторичные короткозамкнутые электрические токи в опалубке 14 с бетонной смесью.
По окончании заданного программным устройством контроллера 21 по конкретным условиям эксплуатации периода времени обработки бетонной смеси в опалубке 14 система переключателей 19 и 20 полюсов на контроллере 21 изменяет на одной из обмоток верхнего привода 2 полярность постоянного напряжения выпрямителя 25, в результате чего верхний привод 2 поднимает электромагнит 8 с раздвинутыми полюсами над опалубкой 14 с бетонной смесью, а выключатель 18 на контроллере 21 отключает обмотку электромагнита 8 от выхода переменного напряжения силового трансформатора 22. После отключения и подъема электромагнита с сердечником 7 и обмоткой 30 механизмы, например, гидравлического типа (не пока-
заны) снимают опалубку 14 с обработанной бетонной смесью 15 с вибрационного стола 10 на вторую конвейерную ленту на вальцах сопорами 11 для их транспортировки для дальнейшей обработки по заданной технологии.
Выводы
В результате исследования:
- для увеличения прочностных характеристик бетонных изделий предложено воздействовать на бетонную смесь, в которой часть цемента заменена на золу уноса ТЭЦ, вторичными короткозамкнутыми электрическими токами, а также обоснован механизм возникновения короткозамкнутых индукционных токов;
- для осуществления способа производства бетонных конструкций с использованием золы уноса ТЭЦ предложена установка, которая представляет собой подвижный электромагнит переменного тока с раздвижными полюсами для размещения между ними опалубки с бетонной смесью на столе с виброприводом. Работа установки характеризуется конкретными мас-согабаритными показателями и мощностью источника электропитания по заданным условиям эксплуатации.
Библиографический список
1. Доброгорский Н.А. Качество угольной золы и ее промышленное использование. Киев-Донецк: Вища школа, 1981. 118 с.
2. Стольников В.В. Использование золы уноса от сжигания пылевидного топлива на тепловых электростанциях. Л.: Энергия, 1969. 100 с.
3. Бочкарёв В.А., Козякова Н.В., Руль Е.С. Производство цемента по сухому способу // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 22-26 апреля 2014 г.); в 2 т.; под общ. ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. Т. 1.
С. 227-230.
4. Артёмова О.С., Власова К.И., Кудряшов А.Н. Экологические и экономические аспекты утилизации золошлаковых отходов ТЭС // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 22-26 апреля 2014 г.); в 2 т.; под общ. ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. Т. 1. С. 211-213.
5. Герасимова Н.П. Перспективы применения индукционных токов в электролитах для управления электрохимическими процессами // Вестник ИрГТУ. 2011. № 9. С. 58-63.
References
1. Dobrogorskii N.A. Kachestvo ugol'noi zoly i ee promyshlennoe ispol'zovanie [The quality of coal ash and its industrial use]. Kiev-Donetsk, Vishcha shkola Publ., 1981, 118 p.
2. Stol'nikov V.V. Ispol'zovanie zoly unosa ot szhiganiya pylevidnogo topliva na teplovykh elektrostantsiyakh [The use of fly ash from pulverized fuel combustion at thermal power plants], Leningrad, Energiya Publ., 1969, 100 p. (in Russian).
3. Bochkarev V.A., Kozyakova N.V., Rul' E.S. Proizvod-
stvo tsementa po sukhomu sposobu [Dry method of cement production]. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchasti-em "Povyshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyakh Sibiri" [Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation "Improving efficiency of energy production and use in Siberia", Irkutsk, 22-26 April 2014]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2014, vol. 1, pp. 227-230 (in Russian).
4. Artemova O.S., Vlasova K.I., Kudryashov A.N. Ekologicheskie i ekonomicheskie aspekty utilizatsii zo-loshlakovykh otkhodov TES [Environmental and economic aspects of CHP ash and slag waste disposal]. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konfer-entsii s mezhdunarodnym uchastiem "Povyshenie effek-tivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v uslovi-yakh Sibiri" [Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation "Improving efficiency of energy production and use in
Критерии авторства
Герасимова Н.П. полностью подготовила статью к публикации и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 05.04.2016 г.
Siberia", Irkutsk, 22-26 April 2014]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2014, vol. 1, pp. 211-213 (in Russian). 5. Gerasimova N.P. Perspektivy primeneniya in-duktsionnykh tokov v elektrolitakh dlya upravleniya el-ektrokhimicheskimi protsessami [Prospects for using induction currents in electrolytes to control electrochemical processes]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 9 (56), pp. 58-63 (in Russian).
Authorship criteria
Gerasimova N.P. is the sole author of the article and bears the responsibility for avoiding the plagiarism.
Conflict of interest
The author declares that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.
The article was received on 5 April 2016
