CC BY
230
Оригинальная статья / Original article УДК: 642.01
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-122-127
ЗОЛА УНОСА КАК СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БЕТОННЫХ БЛОКОВ ПРИ РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ
А
© Н.П. Герасимова1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Наиболее целесообразным решением экологических и экономических проблем, связанных с утилизацией золошлаковых отходов (ЗШО), является создание безотходного производства. Решение экологической проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ показано на примере использования золы уноса в качестве сырья для производства бетонных блоков, а именно путем замены части цемента на золу уноса ТЭЦ при изготовлении бетонных конструкций. C одной стороны, использование в бетоне золы уноса приводит к экономии дорогостоящего портландцемента, а также к уменьшению тепловыделения при затвердевании бетона, с другой стороны - к замедленному набору прочности бетонных изделий. Это является основным неудобством применительно к небольшим конструкциям. Метод. Поскольку стальная арматура железобетона представляет собой электрический проводник, то ее можно использовать для создания индукционных токов в бетонной смеси. Таким образом, при пропускании переменного тока по арматуре в бетонной смеси создаются индукционные токи, под действием которых интенсивно протекают процессы затвердевания. Результаты. Доказано решение проблемы уменьшения прочности бетонных конструкций при замене части цемента золой уноса. Упрочнение железобетонных конструкций достигается за счет воздействия на бетонную смесь переменного электрического тока, пропускаемого по арматуре до полного затвердевания бетона. Это обеспечивает химические связи между всеми компонентами бетонной смеси в результате образования вокруг стержней арматуры переменного магнитного поля, индуцирующего токи в бетонной смеси. Заключение. Обосновано повторное использование природных ресурсов в хозяйственном обороте на примере включения золы уноса в качестве сырья для производства бетонных блоков при решении экологической проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ. Охарактеризована зола уноса как наиболее востребованный продукт горения углей.
Ключевые слова: экологическая проблема, продукты горения углей, золоотвалы, утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ, зола уноса, сырье для производства строительных материалов, затвердевание бетона.
Формат цитирования: Герасимова Н.П. Зола уноса как сырье для производства бетонных блоков при решении экологической проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6 (113). С. 122-127. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-122-127
FLY ASH AS A RAW MATERIAL FOR PRECAST CONCRETE BLOCK PRODUCTION WHEN SOLVING THE ENVIRONMENTAL PROBLEM OF CHP ASH AND SLAG WASTE DISPOSAL N. P. Gerasimova
Irkutsk National Research Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. Creation of non-waste production is the most feasible solution of the environmental and economic problems associated with ash and slag disposal. The solution of the environmental problem of CHP ash and slag waste disposal is shown on the example of the use of fly ash as a raw material in the production of precast concrete blocks, where a part of cement is replaced with the CHP fly ash in the production of concrete structures. On the one hand, the use of fly ash in concrete reduces the consumption of expensive Portland cement as well as decreases heat release at concrete setting, on the other hand, it slows the rate of concrete product strength development. It is the main drawback as applied to small structures. Method. Since the steel bars of reinforced concrete are electric conductors, they can be used for the creation of induction currents in the concrete mixture. Thus, when alternating current flows in the steel bars of the concrete mixture induction currents are induced that intensify concrete setting processes. Results. The solution of the problem of concrete structure durability reduction at the replacement of a part of cement with the fly ash has been proved. Hardening of reinforced concrete structures is achieved through the action of the alternating electric current flowing in the steel bars of the concrete mixture till the complete setting of concrete. This provides chemical bonds between
1
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
all the components of the concrete mixture as a result of the alternating magnetic field formation around the steel bars that induces currents in the concrete mixture. Conclusion. We have justified the recycling of natural resources in the economic turnover on the example of the introduction of the fly ash as a raw material for the production of concrete blocks when solving the environmental problem of CHP ash and slag waste disposal. The fly ash is described as the most in-demand product of coal combustion.
Keywords: environmental problem, coal combustion products, ash dumps, CHP ash and slag waste disposal, fly ash, raw material for building materials production, concrete setting
For citation: Gerasimova N.P. Fly ash as a raw material for precast concrete block production when solving the environmental problem of CHP ash and slag waste disposal. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6 (113), pp. 122-127. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-122-127
Введение
Контроль за производством зо-лошлаковых отходов (ЗШО) и утилизация их как продуктов горения углей (ПГУ) являются крупной экономической и экологической проблемой. Годовой объем производства этих продуктов уступает только объему выпуска нерудных строительных материалов.
Золошлаковые отходы, образующиеся на ТЭЦ при сжигании угля, представляют собой наиболее объемный вид отходов, использование которых связано с решением ряда экологических задач. Золоот-валы ТЭЦ являются одним из важнейших негативных факторов, формирующих экологическую ситуацию в зоне пылеугольных ТЭЦ как в процессе их строительства, так и при их эксплуатации.
В результате формирования золо-отвалов происходят накопление пылевидной фракции зол в поверхностном почвенном слое, изменение ландшафта, фильтрация техногенных вод в природные воды с постепенным насыщением их макро- и микроэлементами, а также залповые выбросы золошлаковых отходов на прилегающие территории при аварийных ситуациях [1].
Кроме того, возведение новых и расширение действующих золоотвалов влечет за собой полную трансформацию животного мира, почвенно-растительного покрова. Отчуждение же земельных ресурсов под золоотвалы связано со значительными затратами ввиду высокой платы за землю и экологическими последствиями для естественной природной среды от негативных воздействий деятельности ТЭЦ [2].
Наиболее целесообразным решением экологических и экономических проблем, связанных с ЗШО, является его дальнейшее использование, т.е. создание безотходного производства.
Координация работы в области производства, маркетинга, определения эффективных направлений использования ПГУ для получения экологически чистых материалов и конкурентоспособных на рынке осуществляется во всем мире.
К основной номенклатуре ПГУ относят:
- золу уноса (fly ash), получаемую электростатическим или механическим осаждением мелких частиц из топливных газов;
- шлак (bottom ash) - пористый материал, получаемый в сухих топках (обычно с гидроудалением);
- котельный шлак (boiler slag) -стекловидный гранулированный материал, получаемый в мокрых топках;
- фосфогипс (FGD gypsum) - продукт обессеривания топливных газов.
Структура использования ПГУ в развитых странах мира за последние годы характеризуется следующими данными. Зола уноса: добавки к бетону - 33%, добавки к цементу - 10,7%, цементное сырье -23,4%, бетонные блоки - 6,1%, дорожное строительство - 21,9%. Шлак: бетонные блоки - 45,9%, цемент - 7,3%, легкий заполнитель - 2,3%. Котельный шлак: дорожное строительство - 51,8%, замена мелкого песка - 30,7%, растворы - 7,1%, бетоны -6,6%. Фосфогипс: сухая штукатурка -58,9%, гипсовые блоки -3,2%, штукатурные работы - 10,2%, самовыравнивающиеся полы - 17,3%.
За последнее время объем утилизации ПГУ в развитых странах увеличился на 70%, существенно опережая объем роста их образования. При этом в основном возрос объем утилизации золы уноса, так как сухая зола является материалом наиболее качественным и востребованным в строительной индустрии. Этот ресурс, практически готовый к использованию, представляет собой тонкодисперсный материал, образующийся из минеральной части твердого топлива, сжигаемого в пылевидном состоянии и улавливаемый золоуловителями различного вида и конструкции [3].
Характеристика золы уноса
Зола уноса для дальнейшего использования отбирается после электрофильтров. Ее используют в производстве цементов, пено- и газобетона, бетонов и растворов, сухих смесей, асфальтобетона и др. При этом ею можно заменять от 10 до 20% цемента.
Химический состав золы уноса включает оксиды кремния, алюминия, железа, кальция, магния, серы, натрия, калия и титана [4].
C одной стороны, использование в бетоне золы уноса приводит к экономии дорогостоящего портландцемента, а так же к уменьшению тепловыделения при затвердевании бетона, с другой стороны - к замедленному набору прочности бетонных изделий. Это является основным неудобством применительно к небольшим конструкциям [5].
Обоснование повышения активности золы уноса
Если бетонную смесь рассматривать как электролит, то при наведении индукционных токов в бетонной смеси можно получить электрохимический эффект, который позволит активизировать компоненты, не вступающие во взаимодействие друг с другом в обычных условиях.
Вывод уравнения, показывающего справедливость данного утверждения, заключается в следующем.
В электродинамическом анализе выражение для величины электромагнитной индукции можно получить путем слож-
ных преобразований по замене самой величины силовой характеристики - магнитной напряженности - через переменные параметры, заранее зная на основании эмпирического закона Фарадея о существовании такой величины - электродвижущей силы (ЭДС) электромагнитной индукции [6]:
E = е-Е (1)
1 2 1 r dt 2кг1 dt j
К выражению (1) для ЭДС электромагнитной индукции можно добавить, что величина ЭДС состоит из двух частей:
E =- A
1 d/_
r dt
л 1 dr
e2 =-a-r--
2nr dt
(2)
(3)
Е1 возникает вследствие изменения тока I со временем, а E2 возникает в результате взаимодействия вторичного тока 2 с первичным 1 при изменении расстояния между ними. Данное обстоятельство, выраженное в зависимости (3), необходимо отметить здесь особенно. Зависимость
ЭДС от (1) означает принципиальную
г
возможность создания сверхвысоких напряжений в непосредственной близости от первичных проводников с переменными токами.
Электролиты, проводимость которых на 5-6 порядков меньше проводимости металлических проводников, электротехникой не рассматриваются в качестве возможных электрических цепей. Вместе с тем из выражения (3) непосредственно следует, что при погружении первичной обмотки в электролит возможно образовать в нем значительные токи и, следовательно, вызвать заметные электрохимические эффекты.
Следовательно, низкая электропроводность электролитов не является препятствием для создания больших токов в них вблизи обмотки индуктора. Обмотка индуктора в данном случае является пер-
вичной обмоткой своеобразного трансформатора, вторичной обмоткой которого служит сам электролит, в который погружен индуктор. Величина ЭДС, наводимая при этом в электролите, может быть выражена формулой (1). Другими словами, электрический трансформатор, вследствие замены вторичной обмотки окружающей средой в виде электропроводящего раствора, превращается в открытую техническую систему. При малых размерах изоляции обмотки, составляющие практически доли миллиметров, становится возможным образование больших токов вблизи обмотки в электролитах, что и обеспечивает высокоэффективное их влияние на процессы в таких растворах.
В зоне действия индукционных токов особенно интенсивно протекает ионизация. Так как величина магнитного поля наибольшая вблизи первичного тока, то около поверхности электрического проводника образуется зона интенсивной ионизации всех компонентов раствора.
Так как в процессе любой химической реакции происходит взаимодействие нескольких компонентов-реагентов, изменяется температура, давление, другие физические и химические характеристики этой системы, то химические технологии представляют собой классические примеры многомерных функциональных пространств.
При рассмотрении безэлектродного электрохимического процесса в растворах в качестве классического многомерного функционального пространства на основе математического моделирования, установлено, что с его помощью можно перенести характер влияния индукционных токов на химические реакции в растворах, получить зависимости такого влияния от расстояния до первичного тока в обмотке индуктора, выявить другие закономерности [6]. Таким образом, существует неразрывная связь между свойствами аппарата проецирования одного пространства на другое и свойствами соответствий между пространствами. Зная свойства одного, можно определить свойства другого.
Вышеперечисленные выводы практически можно применить к решению проблемы повышения активности золы уноса при ее утилизации в производстве бетонных конструкций.
Способ утилизации золы уноса
Поскольку стальная арматура железобетона представляет собой электрический проводник, то ее можно использовать для создания индукционных токов в бетонной смеси. Таким образом, при пропускании переменного тока по арматуре в бетонной смеси создаются индукционные токи, под действием которых интенсивно протекают процессы затвердевания.
Упрочнение железобетонных конструкций достигается за счет воздействия на бетонную смесь переменного электрического тока, пропускаемого по арматуре до полного затвердевания бетона. Это обеспечивает химические связи между всеми компонентами бетонной смеси в результате образования вокруг стержней арматуры переменного магнитного поля, индуцирующего токи в бетонной смеси.
Упрочнение железобетонных конструкций достигается следующим образом (см. рисунок).
Источник переменного тока 1 присоединяют электропроводами 6 с помощью перемычек 5 к арматуре 3 с обоих концов. Арматуру 3 заливают бетонной смесью 4, в которой часть портландцемента заменяют золой уноса.
При включении источника переменного тока 1 по электропроводам 6, перемычкам 5 и арматуре 3 протекает переменный электрический ток в течение времени затвердевания. Так как вокруг стержней арматуры переменный ток создает переменное магнитное поле, то в бетонной смеси, в которой часть портландцемента заменяют золой уноса, индуцируются коротко-замкнутые вторичные токи, которые ионизируют все компоненты бетонной смеси. Так как ионизированные компоненты активно вступают в химические связи, то в течение времени пропускания переменного тока по арматуре 3 во всем объеме интенсивно образуются соединения компонентов бе-
3 4 2
а)
б)
Схемы для реализации механизма упрочнения бетонных конструкций с использованием
золы уноса ТЭЦ: а - электрический модуль; б - устройство Implementation circuit designs of a concrete structure hardening mechanism using CHP fly ash:
а - electric module; б - device
тонной смеси, что приводит к быстрому затвердеванию и упрочнению железобетонной конструкции.
Заключение Обосновано повторное использование природных ресурсов в хозяйственном обороте на примере включения золы уноса в качестве сырья для производства бетонных блоков при решении экологической
проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ. Охарактеризована зола уноса как наиболее востребованный продукт горения углей.
Производство бетонных блоков с использованием золы уноса по описанному способу осуществляется в конкретных заданных условиях эксплуатации.
Библиографический список
1. Артёмова О.С., Федчишин В.В., Викторов Д.О. Проблемы использования энергоресурсов предприятий энергетической отрасли // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 21-25 апреля 2015 г.): в 2 т. / под общей ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. Т. 2. С. 300-305.
2. Язовцева А.М., Кудряшов А.Н., Федчишин В.В. Использование отходов ТЭС в строительной индустрии // 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 об-
щей ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. Т. 1. С. 219-222.
3. Язовцева А.М., Кудряшов А.Н., Власова К.И. Вещественный и минералогический состав золошлаковых отходов ТЭЦ как критерий оценки их промышленной значимости для вторичной переработки (на примере ТЭЦ-9 и НИТЭЦ) // 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 общей ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. Т. 1. С. 214-218.
4. Стольников В.В. Использование золы уноса от
3
5
сжигания пылевидного топлива на тепловых электростанциях. Л.: Энергия, 1969 г. 100 с.
5. Доброгорский Н.А. Качество угольной золы и ее промышленное использование. Киев-Донецк: Вища школа, 1981. 118 с.
6. Вертинская Н.Д., Герасимова Н.П. Применение
математического моделирования для оптимизации режимов оборотного водоснабжения в системах ГЗУ // Моделирование неравновесных систем: сборник материалов девятого Всероссийского семинара. Красноярск: Изд-во: ИВМ СО РАН, 2006. С. 49-53.
References
1. Artemova O.S., Fedchishin V.V., Viktorov D.O. Problemy ispol'zovaniya energoresursov predpriyatii energeticheskoi otrasli [Problems of energy industry enterprises resources use]. Materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem "Povyshenie effek-tivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v uslovi-yakh Sibiri" [Materials of All-Russian scientific and practical conference with international participation "Energy use and production improvement in Siberia"]. Irkutsk, 2015, vol. 2, pp. 300-305.
2. Yazovtseva A.M., Kudryashov A.N., Fedchishin V.V. Ispol'zovanie otkhodov TES v stroitel'noi industrii [Using heat power plant waste in the construction industry]. Materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem "Povyshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyakh Sibiri" [Materials of All-Russian scientific and practical conference with international participation "Energy use and production improvement in Siberia"]. Irkutsk, 2014, vol. 1, pp. 219-222.
3. Yazovtseva A.M., Kudryashov A.N., Vlasova K.I. Veshchestvennyi i mineralogicheskii sostav zoloshla-kovykh otkhodov TETs kak kriterii otsenki ikh promysh-lennoi znachimosti dlya vtorichnoi pererabotki (na pri-mere TETs-9 i NITETs) [Material and mineralogical composition of CHP ash and slag waste as an estima-
tion criterion of its industrial value for recycling (for the case of CHP-9 and Novo-Irkutskaya CHP)]. Materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem "Povyshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyakh Sibiri" [Materials of All-Russian scientific and practical conference with international participation "Energy use and production improvement in Siberia"]. Irkutsk, 2014, vol. 1, pp. 214-218.
4. Stol'nikov V.V. Ispol'zovanie zoly unosa ot szhi-ganiya pylevidnogo topliva na teplovykh el-ektrostantsiyakh [Use of fly ash resulting from pulverized fuel combustion in thermal power plants]. Leningrad, Energiya Publ., 1969, 100 p.
5. 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.
6. Vertinskaya N.D., Gerasimova N.P. Primenenie matematicheskogo modelirovaniya dlya optimizatsii rezhimov oborotnogo vodosnabzheniya v sistemakh GZU [Application of mathematical modeling to optimize recycling water supply regimes in hydraulic ash removal systems]. Materialy 9 Vserossiiskogo seminara "Mod-elirovanie neravnovesnykh sistem" [Materials of the 9th All-Russian seminar "Unbalanced system simulation"]. Krasnoyarsk, 2006, pp. 49-53.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 05.04.2016 г.
Conflict of interest
The author declare no conflict of interest.
The article was received 05 April 2016
