CC BY
2DOI 10.53980/24131997_2023_3_83
Чан Фонг Лыу1, аспирант, e-mail: [email protected] С.Л. Буянтуев1, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] С.Ю. Шишулькин2, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected]
И.В. Старинский1, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: [email protected] В.Т. Буянтуев1, аспирант, e-mail: [email protected]
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления 2 Бурятский государственный университет им. Д. Банзарова
г. Улан-Удэ
УДК 662.613.125
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ НА ПЛАВЛЕНИЕ БАЗАЛЬТОВОШЛАКОВОЙ СМЕСИ
В статье приведены результаты экспериментального сравнения плавки различных смесей базальта Енхорского месторождения и тугоплавкого техногенного отхода (золошлаков мусоросжигательного завода). Результаты плавления соотнесены с энергозатратами на плавление данных смесей при производстве волокнистых теплоизоляционных материалов. Эксперименты проводились в три этапа. С помощью электронной микроскопии и методом энергодисперсионного спектрального рентгеновского анализа с последующей идентификацией спектров были исследованы как исходные компоненты смеси в чистом виде, так и их смеси. Полученные центробежно-дутьевым способом волокна также были изучены по составу и размеру волокон. В заключение даны рекомендации по утилизации золошлаковых отходов электроплазменным методом и составы смесей, подщихтованных золошлако-выми материалами.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма, енхорский базальт, золошлак, золошлаковые отходы, минеральное волокно, энергозатраты.
L.Ph. Tran, P.G.
S.L. Buyantuev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.Yu. Shishulkin, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
I.V. Starinsky, Cand. Sc. Engineering, Senior Lecturer V.T. Buyantuev, P.G.
INFLUENCE OF ADDITIVE ASH AND SLAG WASTE ON THE MELTING OF A BASALT-SLAG MIXTURE
The article presents the results of an experimental comparison of the melting of various mixtures of basalt from the Enkhor deposit and refractory industrial waste (ash and slag from a waste incineration plant). The results of melting are correlated with the energy consumption for melting these mixtures in the production of fibrous heat-insulating materials. The experiments were carried out in three stages. Using electron microscopy and the method of energy-dispersive spectral X-ray analysis with subsequent identification of the spectra, both the initial components of the mixture in pure form and their mixtures were studied. The fibers obtained by the centrifugal blowing method were also studied in terms of the composition and size of the fibers. In conclusion, recommendations are given on the disposal of ash and slag waste by the electroplasma method and the composition of mixtures, added ash and slag materials.
Key words: low-temperature plasma, Enkhor basalt, ash and slag, ash and slag waste, mineral fiber, energy consumption.
Введение
С развитием промышленности и применения новых полимерных и других материалов происходит значительный рост доли образующихся отходов, в том числе золошлаковых отходов от мусоросжигательных заводов, которые также требуют их утилизации [1-3]. В строительной отрасли теплоизоляционные строительные материалы являются одним из основных типов применяемых материалов [4, 5]. Производство теплоизоляционных материалов идет как с помощью традиционных технологий, так и с использованием передовых технологий, в том числе технологий низкотемпературной плазмы. Будем рассматривать именно плазменно-тер-мический способ плавления смеси золошлакового материала и базальта с получением минеральных волокон. В целях снижения затрат и возможности переработки опасных отходов в качестве объектов исследований выбран золошлак мусоросжигательного завода провинции Шень-Чжень (КНР), а также базальт Енхорского месторождения Республика Бурятия. Также приводятся результаты сравнения энергозатрат, полученных при плавлении базальта в чистом виде и смеси базальта с золошлаковыми материалами мусоросжигательного завода, и полученных из этого сырья минеральных волокон.
Материалы и методы исследования
В качестве основы исходной смеси для производства минерального волокна применялся базальт [6-9]. На территории России и во всем мире существует множество разновидностей базальтов, отличающихся друг от друга не только составом, но и свойствами [10-14]. На рисунке 1 и в таблице 1 представлены результаты исследования элементного состава базальта Енхорского месторождения.
Рисунок 1 - Базальт Енхорского месторождения
Таблица 1
Элементный состав базальта Енхорского месторождения
O № Mg М Si Р а K Ca ТС Fe Итог
54,80 2,96 2,22 5,63 17,28 0,83 0,38 0,99 3,14 3,05 8,72 100,00
Вторым компонентом исходной смеси был выбран золошлаковый материал, оставшийся после утилизации коммунальных отходов. Золошлаковый материал - промышленный отход с высокой температурой плавления, лежащей в интервале температур 900-1400 °С [15]. На рисунке 2 и в таблице 2 представлены результаты исследования элементного состава зо-лошлакового материала мусоросжигательного завода (КНР).
1 тт Электронное изображение 1
Рисунок 2 - Золошлаковый материал мусоросжигательного завода
Таблица 2
Процентная концентрация элементов в составе золошлаковых материалов из Китая
C O № Mg М Si P S а K Ca ТС Fe Итог
4,64 47,20 2,58 1,59 2,86 6,32 1,30 1,29 6,25 2,23 21,14 0,61 1,99 100,00
При сравнении данных таблиц 1 и 2 видно, что в золошлаковом материале присутствует углерод порядка 4,7 %, серы - 1,29 %; кислород в составе оксидов находится примерно на том же уровне, кремния - в три раза меньше, хлора в 12 раз больше. Увеличенное содержание хлора можно объяснить присутствием в исходной массе отходов различного пластика, в том числе и ПВХ пластика. Калия в два раза меньше, кальция в 7 раз больше. Наличие калия и кальция способствует раскислению расплава, понижая его температуру плавления и снижая температуру жидкотекучести расплава титана в пять раз меньше, железа в четыре раза меньше. Сниженное содержание металлов способствует получению более тонкого и гибкого волокна.
Результаты исследования и их обсуждение
Проведенные предварительные эксперименты по плавке золошлакового отхода в смеси с различной концентрацией базальта определили наиболее оптимальные составы смесей для получения минеральных волокон, которые лежат в диапазоне 10-30 % золошлакового материала и 70-90 % базальта. Полученные волокна практически не отличались по свойствам и составу. Дальнейшие исследования были направлены на получение эффективных энергозатрат на плавление исходной смеси. Эксперименты по плавке базальта, золошлакового материала и их смеси с последующим производством волокнистых теплоизоляционных материалов осуществляли в несколько этапов.
В рамках первого этапа выполняли плавку смеси, состоящей из 90 % енхорского базальта и 10 % китайского золошлакового материала по массе. На рисунке 3 показана фотография электронно-сканирующей микроскопии минеральных волокон с массовыми концентрациями компонентов: 90 % енхорский базальт и 10 % китайский золошлаковый материал, а в таблице 3 показаны элементный состав в пяти точках минеральных волокон.
900шт 1 Электронное изображение 1
Рисунок 3 - Микрофотография минеральных волокон: 90 % енхорского базальта и 10 % китайского золошлакового материала
Таблица 3
Элементный состав волокна с массовыми концентрациями 10:90 по 5 спектрам
Спектр C O № Mg Al Si K Ca ТС Fe Итог
Спектр 1 55,48 3,31 2,78 8,23 21,73 1,02 3,82 0,61 3,02 100,0
Спектр 2 15,56 41,59 2,03 1,61 4,50 10,92 0,76 4,32 1,07 17,64 100,0
Спектр 3 55,40 3,49 2,75 8,05 20,72 1,12 3,99 0,70 3,78 100,0
Спектр 4 55,48 3,43 2,83 8,12 21,58 1,02 3,83 0,56 3,15 100,0
Спектр 5 56,22 3,32 2,86 7,93 20,99 0,93 3,80 0,53 3,42 100,0
Время получения расплава составило в среднем около 60 мин при мощности реактора 43,8 кВт, количество исходной смеси - 15 кг, удельные энергозатраты составили 2,92 кВт при выходе установки на рабочий режим из «холодного» состояния. Плавление проходило с малым газовыделением. После получения расплава методом разбрызгивания были получены минеральные волокна и изучен их элементный состав. Данное сырье китайского золошлакового материала состоит из большого количества кальция и малого - кремния, но в результате плавления волокна получили небольшое количество оксида СаО и значительное - оксида SiO2, что сказывается на хорошей кислотостойкости волокон. В спектре 2 виден углерод. Появление углерода в таком количестве можно объяснить процессом подготовки установки к запуску. Так, при первой плавке из холодного состояния силовые электроды соединяются графитовой дорожкой, служащей для образования первичной линзы расплава вокруг раскаленных графитовых дорожек. По мере плавления и прогрева расплава углерод выгорает из объема расплава. При последующих расплавах после слива первой плавки в составе минеральных волокон отсутствует углерод. Установка имеет возможность работы как в сменном, так и непрерывном режиме. Плавление последующих плавок осуществляется за счет протекания токов в зоне расплава, оставшегося от предыдущей плавки. После досыпки следующей порции исходного сырья происходит его расплавление и слив 70-80 % расплава, далее процесс повторяется. Обычное время работы промышленной установки составляет 10 ч, и энергозатраты на ней находятся на уровне 1 кВт/кг. Первая плавка протекает всегда дольше последующих, так как происходит выход на рабочий режим с прогревом узлов и механизмов установки. Определение энергозатрат установки в «рабочем» режиме планируется осуществить в последующих экспериментах. Кроме того, в данных экспериментах использовалась лабораторная установка уменьшенной мощности.
Вторая серия экспериментов предусматривала плавление смеси, состоящей из 80 % ен-хорского базальта и 20 % китайского золошлакового материала по массе. На рисунке 4 и в
таблице 4 приведены данные об элементном составе минеральных волокон, полученных из этой смеси. Время плавления для получения волокно составило 60 мин при мощности реактора 50 кВт, количество исходной смеси - 15 кг, удельные энергозатраты составили 3,33 кВт при выходе установки на рабочий режим из «холодного» состояния. Плавление проходило с незначительным газовыделением.
1тт Электронное изображение 1
Рисунок 4 - Микрофотография минеральных волокон: 80 % енхорского базальта и 20 % китайского золошлакового материала
Таблица 4
Элементный состав волокна с массовыми концентрациями 20:80 по 5 спектрам
Спектр е О № Ый А1 Si К Са Л Бе Итог
Спектр 1 2,82 53,40 2,90 2,88 7,75 20,30 1,17 4,97 0,65 3,16 100,00
Спектр 2 1,72 47,37 2,47 2,80 8,27 23,19 1,74 7,17 0,93 4,34 100,00
Спектр 3 3,88 51,53 2,68 2,74 7,56 20,35 1,31 5,59 0,67 3,69 100,00
Спектр 4 2,36 51,16 2,77 2,90 8,07 21,65 1,36 5,66 0,70 3,37 100,00
Спектр 5 3,91 50,29 2,48 2,69 7,54 20,56 1,48 6,10 0,79 4,16 100,00
Полученные волокна в своей массе достаточно длинные и гибкие, но встречаются и толстые волокна, что требует подбора оптимального режима работы разбрызгивающего валка. Присутствие углерода объясняется стартовым режимом установки и наличием углерода в золошлаковом материале. Также для обеспечения минимальных энергозатрат прогрев расплава не осуществляли. При достижении оптимальных температурных режимов и жидко-текучести расплава производили его слив с получением минеральных волокон.
Третья серия экспериментов предусматривала плавление смеси, состоящей из 70 % ен-хорского базальта и 30 % китайского золошлакового материала по массе. Плавление также проходило с малым газовыделением. Время для получения расплава также составило 60 мин при мощности реактора 52,5 кВт, количество исходной смеси - 15 кг, удельные энергозатраты составили 3,5 кВт при выходе установки на рабочий режим из «холодного» состояния. Получение минеральных волокон было осуществлено разбрызгиванием расплава на валке, однако полученные волокна отличались неоднородностью толщины. Полученные волокна тонкие и немного короче в сравнении с волокнами из второй серии экспериментов. Их характеристики приведены на рисунке 5 и в таблице 5.
"900шт 1 Электронное изображение 1
Рисунок 5 - Микрофотография минеральных волокон: 70 % енхорского базальта и 30 % китайского золошлакового материала
Таблица 5
Элементный состав волокна с массовыми концентрациями 30 : 70 по 5 спектрам
Спектр С О № Mg А1 Si К Са ТС Fe Итог
Спектр 1 5,24 48,22 2,49 2,51 7,43 20,57 1,79 7,94 0,64 3,17 100,0
Спектр 2 6,78 54,06 2,66 2,36 6,53 17,48 1,37 5,87 0,48 2,41 100,0
Спектр 3 7,98 51,78 2,55 2,39 6,81 18,32 1,44 5,91 0,54 2,28 100,0
Спектр 4 7,75 52,59 2,66 2,30 6,65 17,87 1,46 5,86 0,50 2,36 100,0
Спектр 5 20,47 40,28 1,84 1,72 5,24 14,06 1,79 8,01 0,69 5,90 100,0
Из таблицы 5 видно, что произошло снижение концентрации кремния, алюминия и кальция. Мягкость и длина минеральных волокон во многом зависят от содержания кремния в составе минерального волокна, но размеры волокон отличаются однообразием в размерах и толщине.
В элементном составе конечного продукта - минеральных волокнах, не обнаружено содержание хлора, фосфора и серы. Отсутствие данных элементов в волокнах можно объяснить их возгонкой при выплавке и удалением из реактора с уходящими газами.
Заключение
Проведенные эксперименты с изменением концентрации золошлакового материала в базальте показали рост энергозатрат при подшихтовке базальта золоошлаками, что согласовывается с распределением элементов в золошлаковом материале. Процесс плавки базальтовых пород с золошлаковыми материалами протекал в штатном режиме, значительных отклонений от процесса плавки не выявлено. Полученный расплав обладал оптимальными значениями температуры и жидкотекучести.
Данные экспериментов, в частности данные о строении и составе минеральных волокон, указывают на применимость золошлакового материала мусоросжигательного завода к переработке с помощью электродугового плазменного реактора. Наилучшие показатели по строению волокон были получены при концентрации енхорский базальт : китайский золошлако-вый материал в соотношении 90 : 10 или 80 : 20 при относительно оптимальных показателях энергозатрат. Концентрации в соотношении 30 % золошлакового материала и 70 % базальта также позволили получить качественное волокно в гораздо большем количестве, чем в двух первых сериях экспериментов, но при гораздо более высоких удельных энергозатратах. То
есть данное соотношение также может быть использовано при производстве минеральных волокон, когда во главе угла стоит утилизация золошлаковых отходов мусоросжигательного завода.
Библиография
1. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Применение низкотемпературной плазмы для получения волокнистых теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов тепловых электрических станций. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010. - 132 с.
2. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из расплавов горных пород и золошлаковых техногенных отходов: монография. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2014. - 180 с.
3. López-García A.B., Uceda-RodríguezM., León-Gutiérrez S. et al. Eco-efficient transformation of mineral wool wastes into lightweight aggregates at low firing temperature and associated environmental assessment. - 2022. - Vol. 345. - P. 128294.
4. Мясников А.А., АслановаМ.С. Выбор составов горных базальтовых пород для получения волокон различного назначения // Стекло и керамика. - 1965. - № 3. - С. 12-15.
5. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Получение теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов ТЭС при помощи низкотемпературной плазмы // Строительные материалы. - 2004. - № 10.
- С. 51-53.
6. Ziwei Chen, Hao Wang, Minghao Wang et al. Simulation and experimental investigation on one-step process for recovery of valuable metals and preparation of clean mineral wool from red mud. - 2022. -Vol. 380, P. 1. - P.134982.
7. Brane Sirok, Benjamin Bizjan, Alen Orbanic et al. Mineral wool melt fiberization on a spinner wheel. Chemical Engineering Research and Design. - 2014. - Vol. 92, Is. 1. - P. 80-90.
8. Klyuev S., Sevostyanov V., Sevostyanov M. et al. Improvement of technical means for recycling of technogenic waste to construction fiber // Case Studies in Construction Materials. - 2022. - Vol. 16. -P. e01071.
9. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ.
- 2013. - № 5 (44). - С. 123-129.
10. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
11. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Получение теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов ТЭС при помощи низкотемпературной плазмы // Строительные материалы. - 2004. -№ 10. - С. 51-53.
12. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
13. SinghaK. A short review on basalt fiber // International Journal of Textile Science. - 2012. - N 1.
- P. 19-28.
14. Nolf J.M. Basalt Fibers - Fire Blocking Textiles // Technical Usage Textile. - 2003. - N 49 (3rd qrt). - P. 38-42.
15. Смолий В.А. Разработка ресурсосберегающей технологии теплоизоляционного ячеистого золошлакового стекла строительного назначения: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.11. - СПб., 2012. -165 c.
Bibliography
1. Buyantuyev S.L., Sultimova V.D. The use of low-temperature plasma for the production of fibrous heat-insulating materials from ash and oil waste from thermal electric stations. - Ulan-Ude: Publishing House of ESSTUM, 2010. - 132 p.
2. Buyantuyev S.L., Kondratenko A.S. Thermal insulation materials of fibrous structure from molten rock and ash-lacquer industrial waste: monograph. - Ulan-Ude: Publishing House of ESSTUM, 2014. - 180 p.
3. López-García A.B., Uceda-Rodríguez M., León-Gutiérrez S. et al. Eco-efficient transformation of mineral wool wastes into lightweight aggregates at low firing temperature and associated environmental assessment. - 2022. - Vol. 345. - P. 128294.
4. Myasnikov A.A., AslanovaM.S. Selection of compositions of rock basalt rocks for the production of fibres for various purposes // Glass and ceramics. - 1965. - N 3. - P. 12-15.
5. Buyantuyev S.L., Sultimova V.D. Thermal insulation materials obtained from TPP ash-lacquer waste by means of low-temperature plasma // Stroitel'nyye materialy (Construction Materials Russia). - 2004. -N 10. - P. 51-53.
6. Ziwei Chen, Hao Wang, Minghao Wang, et al. Simulation and experimental investigation on one-step process for recovery of valuable metals and preparation of clean mineral wool from red mud. - 2022. -Vol. 380, P. 1. - P. 134982.
7. Brane Sirok, Benjamin Bizjan, Alen Orbanic et al. Mineral wool melt fiberization on a spinner wheel // Chemical Engineering Research and Design. - 2014. - Vol. 92, Is. 1. - P.80-90.
8. Klyuev S., Sevostyanov V., Sevostyanov M. et al. Improvement of technical means for recycling of technogenic waste to construction fiber // Case Studies in Construction Materials. - 2022. - Vol. 16. -P. e01071.
9. Buyantuyev S.L., Kondratenko A.S. Research of physical-chemical properties of mineral fibers obtained by electromagnetic process reactor // The Bulletin of ESSTUM. - 2013. - N 5 (44). - P. 123-129.
10. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
11. Buyantuyev S.L., Sultimova V.D. Production of heat-insulating ma-terials from ash-coating thermal power plant waste using low temperature plasma // Stroitel'nyye materialy. (Construction Materials Russia). -2004. - N 10. - P. 51-53.
16. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
17. Singha K. A short review on basalt fiber // International Journal of Textile Science. - 2012. - N 1. - P. 19-28.
18. Nolf J.M. Basalt Fibers - Fire Blocking Textiles // Technical Usage Textile. - 2003. - N 49 (3rd qrt). - P. 38-42.
15. Smoliy V.A. Development of resource-saving heat-insulating cellular ash and lacquer glass construction technology: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.17.11. - Saint Petersburg, 2012. - 165 p.
