CC BY
12УДК 579.922.8
О.Н. КРАШЕНИННИКОВ, д-р техн. наук, Т.П. БЕЛОГУРОВА, канд. техн. наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (Апатиты Мурманской обл.); Л.И. МАЛЬЦЕВ, д-р техн. наук, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (Новосибирск); И.В. КРАВЧЕНКО, директор ООО «Завод стеновых блоков» (Новосибирск)
Возможность использования золоотходов от сжигания водоугольного топлива в бетоне
Стратегические установки России по производству тепловой и электрической энергии связаны с ускоренным развитием угольной промышленности. Это продиктовано наличием огромных запасов угля в стране по сравнению с запасами газа и нефти. Одним из путей использования угля может быть его сжигание в виде водоугольного топлива (ВУТ) вместо традиционных способов (факельного, слоевого или др.) сжигания угля в котельных топках [1, 2].
Среди достоинств ВУТ — возможность частичной или полной замены дорогостоящего мазута; увеличение степени выгорания горючей массы до 95—99% и КПД котлов до 80—85%; возможность транспортировать его по трубопроводам, в том числе на дальние расстояния; упрощение процедуры автоматизации управления процессами сжигания угля в котлах и снижение взры-вопожароопасности; решение ряда экологических проблем, в частности снижения вредных выбросов оксидов азота и углерода.
Исследования в области разработки ВУТ и промышленного освоения технологии его использования ведутся в Китае, Японии, США, России и других странах.
В последние годы Институтом теплофизики Сибирского отделения РАН, ООО «Корпорация ПРОТЭН» и ООО «Завод стеновых блоков» Новосибирска совместно проработаны и в опытно-промышленном варианте реализованы основные компоненты модульной технологии подготовки, хранения и сжигания ВУТ применительно к использованию в малой промэнергетике [3].
Технология приготовления ВУТ включает мокрый помол кускового угля в шаровой барабанной мельнице (ШБМ) и последующую кавита-ционную обработку в роторном генераторе. ШБМ позволяет получить водоугольную суспензию с размером частиц угля до 200 мкм. Кавита-ционная обработка полученной в ШБМ суспензии уменьшает максимальный размер частиц до 100 мкм, но особенно ценно то, что в ней происходит дополнительное из-
мельчение угля в области малых размеров частиц. Так, содержание частиц размером до 10 мкм в объеме суспензии увеличивается на 10—30%. Дополнительное измельчение угля приводит к увеличению суммарной поверхности горючего материала, что способствует его более интенсивному горению, а кроме того, суспензия приобретает коллоидные свойства и мало расслаивается при хранении даже без стабилизирующих добавок. Сжигание ВУТ осуществляется в специальных муфельных печах путем факельного распыления топлива пневматическими форсунками [3].
На Заводе стеновых блоков создана теплогенерирующая установка на базе котла КЕ10-13, ориентированная на сжигание ВУТ.Испытания на разных видах углей (кузнецкий марок Д и Г; антрацит; отходы обогатительных фабрик) показали высокую эффективность и надежность технологии. Важной ее особенностью является то, что в виде ВУТ можно сжигать отходы обогатительных фабрик, имеющих высокую дисперсность, зольность и влажность. Существующие технологии сжигания угля непригодны для такого вида топлива, и отходы выбрасываются, загрязняя окружающее пространство. В топочных устройствах на ВУТ сгорание топлива производится при пониженной температуре, и шлакования золы можно избежать. При этом, особенно при сжигании отходов обогащения, образуется много золоотходов. Утилизация этих дисперсных техногенных продуктов является актуальным направлением при решении проблемы комплексного освоения технологии ВУТ.
Пробы для изучения свойств зо-лоотходов от сжигания были взяты в нижней части котла между трубками конвективного пучка, где оседают наиболее тяжелые частицы. Большая часть золоотходов улетает вместе с уходящими газами.
Наименование показателя Фактическое значение Требования ГОСТ 25818-91
Содержание СаО, % 6,93 не более 10
Содержание МдО, % 2,28 не более 5
Содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на БО3, % 0,24 не более 3 - вид I, III, IV; не более 5 - вид II
Содержание щелочных оксидов в пересчете на Ыа2О, % 2,74 не более 3
Потеря массы при прокаливании (ППП), % 9,5 не более 5-15 - вид IV—II; не более 10 - вид I
Удельная поверхность, м2/кг: на приборе ПСХ-8А на приборе ПСХ-2 480 450 не менее 150-300 - вид I—IV
Остаток на сите 008, % 12 не более 15-30 - вид IV—I
Насыпная плотность, кг/м3 530
Истинная плотность, кг/м3 2220
Влажность, % 0,12
Примеси нет
Эффективная удельная активность естественных радионуклидов, Бк/кг 200
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
"То ноябрь 2010
4 100
J
Е 80
Т 60
40 20
2 5 10 20 Размер частиц, мкм
100
Рис. 1. Распределение частиц золоотхода по размерам
Рис. 2. Микрофотография частицы золо-отхода
Исследование усредненной технологической пробы золоотходов проводилось в лаборатории бетонов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН с целью оценки эффективности их использования как микронаполнителя бетонов.
Фракционный состав золоотходов, мас. %: 0,63—1,25 мм — 0,47; 0,315-0,63 мм - 1,9; 0,14-0,315 мм
- 6,19; менее 0,14 - 91,44. Золоот-ходы преимущественно представлены зольной частью: содержание частиц менее 0,315 мм составляет около 98%.
Химический состав золоотходов, мас. %: SiO2 - 44,63; СаО - 6,93; МБО - 2,28; А12О3 - 14,44; Fe2O3 -6,78; FeО - 1,15; ТЮ2 - 0,71, №20
- 1,58; К20 - 1,76; Р205 - 0,64; S0з
- 0,24; С - 8,18; ППП - 9,5.
Основные свойства технологической пробы золоотходов определялись с учетом требований ГОСТ 25818-91 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» и представлены в таблице. Очевидно, что золо-отходы соответствуют требованиям для всех четырех видов бетонных и железобетонных конструкций, в том числе работающих в особо тяжелых условиях. Поскольку эффективная удельная активность естественных радионуклидов, равная 200 Бк/кг, не превышает допустимой величины (370 Бк/кг), отход
может использоваться в строительных целях без ограничений.
Дифференциально-термическим анализом выявлен типичный экзотермический эффект при температуре около 500оС, обусловленный наличием в золоотходе коксовых и полукоксовых остатков, образующихся из несгоревших частиц угля [4]. На рентгенограммах этого материала идентифицированы дифракционные отражения, соответствующие кварцу, магнетиту, гематиту, муллиту, карбонату кальция, а также силикатам, алюминатам и алюмоферритам кальция.
С помощью лазерного дифракционного анализатора SALD-201V фирмы SHIMADZU изучено распределение частиц золоотхода по размерам (рис. 1): максимальный размер частиц не превышает 90 мкм; при этом около 80% частиц имеет размер менее 45 мкм.
Пористую структуру изучаемого золоотхода иллюстрирует микрофотография, полученная с помощью растрового электронного микроскопа SEM LE0-420. На рис. 2 видно, что частицам золоотхода от сжигания ВУТ свойственна «дырчатая» структура с размером пор в основном до 30 мкм, что объясняет низкую насыпную плотность и высокую удельную поверхность по сравнению с золами, полученными при сжигании угля по традиционной технологии.
Следует отметить, что в изученной пробе золоотходов содержится сравнительно большое количество угольных частиц (С = 8,18%), что свидетельствует о недостаточно полном сгорании угля и подтверждается повышенной величиной потерь при прокаливании (ППП = 9,5%). Это оказывает влияние на насыпную плотность. При более полном сгорании угля насыпная плотность может быть существенно снижена. Так, по результатам испытаний золоотхо-дов, полученных обжигом ВУТ на основе каменного угля шахты Тыр-ганская (г. Прокопьевск, Кемеровская обл.), насыпная плотность снижалась до 220 кг/м3, а удельная поверхность (по ПСХ-8А) составляла 1320 м2/кг [5].
Дальнейшая доводка технологии сжигания ВУТ должна снизить величину несгоревшего угля в золоот-ходе. Количество угля, обнаруженного в золоотходе и отнесенного к общему количеству угля, составляет незначительную долю и не говорит в целом о большом недожоге угля в виде ВУТ.
Активность золоотхода в качестве микронаполнителя к цементу определялась в соответствии с ГОСТ 25094-94 «Добавки активные
минеральные для цементов» на двух смесях: клинкер+песок и клин-кер+зола. Прочность при сжатии образцов контрольного и золосо-держащего составов соответственно 4,08 и 10,04 МПа. Рассчитанный по пределу прочности при сжатии критерий Стьюдента (г-критерий) составляет 37,81. Это свидетельствует о высокой активности золоотходов от сжигания ВУТ как минеральной добавки для получения бетонов.
В целом результаты проведенных исследований золоотходов от сжигания ВУТ на котельном оборудовании Завода стеновых блоков в Новосибирске свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по изучению влияния этого техногенного продукта на свойства бетонов различного функционального назначения и практической реализации разработки. Вместе с тем оптимизация режима сжигания ВУТ на этом оборудовании позволит улучшить технологические показатели и в том числе уменьшить недожог угля.
Список литературы
1. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива // М.: Издательство Академии горных наук, 2001. 176 с.
2. Трубецкой К.Н., Зайденварг В.Е., Кондратьев А.С. и др. Водоуголь-ное топливо - результаты разработки и перспективы применения в России // Теплоэнергетика. 2008. № 5. С. 49-52.
3. Алексеенко С.В., Мальцев Л.И., Кравченко И.В. и др. Опыт реализации технологии подготовки и сжигания водоугольного топлива в малой теплоэнергетике // В кн. Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных технологий. Интеграционные проекты. Вып. 20. Новосибирск. Издательство СО РАН, 2009. С. 279-288.
4. Иванов И.А. Легкие бетоны на основе зол электростанций. М.: Стройиздат, 1986. 133 с.
5. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П., Миханошина И.А. Изучение золы от сжигания водоугольного топлива как минеральной добавки в бетоны // В кн. Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов. Архангельск: Издательство ГОУ ВПО АГТУ, 2010. С.124-126.
0
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
AiJ : : ® ноябрь 2010 ТГ
