Материалы из отходов топливной и энергетической промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАТЕРИАЛЫ ИЗ ОТХОДОВ ТОПЛИВНОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Общая характеристика топливосодержащих отходов

К топливосодержащим побочным продуктам относятся продукты, получаемые в виде отходов при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.

Для применения в производстве строительных материалов интерес представляют отходы углеобогащения, характеризуемые наименьшими колебаниям состава и свойств. Они представлены различными породами: аргиллитами, алевролитами, песчаниками и др. Содержание угля, не выделенного в процессе обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены обычно в виде кусков крупностью 8…80 мм.

После основной переработки на предприятиях коксохимического производства остаются побочные продукты углеобогащения в виде шламов с влажностью до 30% и с размером частиц менее 0, 14 мм, «хвостов» флотации, содержащих шахтную породу с включениям топлива и размером зерен 3 мм, а также крупных кусков породы.

Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи - глинистые и глинисто-песчаные породы, обоженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.

Залежи природных горелых пород широко распространены в различных районах страны. Истинная плотность их составляет 2,4…2,7 г/см3, средняя плотность - 1300….2500 кг/м3 , прочность на сжатие - 20…60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обоженным при 800…10000С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сорбционной способностью. Содержание несгоревшего топлива и глиежах достигает 2..3%, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.

При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак. Они являются продуктами высокотемпературной (1200…17000С) обработки минеральной части топлива.

Топливо сжигают в слое над колосниковой решеткой в виде мелких кусков или при вдувании в пылевидном состоянии. Золы пылевидного сжигания проходят высокотемпературную обработку. Они имеют сравнительно однородной химический состав и незначительное содержание несгоревших частиц топлива. Некоторая часть золы оседает на трубах котла, поде и стенках топки, но основная ее масса (зола-унос) уносится с дымовыми газами, улавливается и скапливается в бункерах, откуда удаляется потоком воды или пневмотранспортом. На большинстве действующих ТЭС применяют систему гидроудаления для транспортирования золы в отвалы.

Для применения золы в производстве строительных материалов предпочтительнее применять систему пневмоудаления золы, которая позволяет поставлять золу потребителям в сухом виде, с меньшим содержанием несгоревших частиц и предотвращать ее смерзание в отвалах зимой.

Наиболее эффективным золоуловителями являются электрофильтры, КПД которых равен…95…97%. В настоящее время установки для сухого золоудаления установлены на ряде тепловых электростанций, а количество улавливаемой золы превышает 10 млн. т в год.

Шлаки - основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10…25% от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 10000С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 13000С.

В связи с интенсификацией процессов сжигания твердого топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей и сланцев перспективно применение топок с жидком шлакоудалением. Продуктами жидкого шлакоудаления из энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава. Жидкое шлакоудаление обеспечивается подогревом воздуха до температуры около 7000С или снижением температуры плавления минеральной части топлива при добавке к ней флюса.

В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью.

Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом. При гидравлическом способе, имеющем пока большее распространение, золы и шлаки смешиваются.

Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5…100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обоженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев -мергели с примесями гипса и песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.

Основным компонентом золы-уноса является стекловидная алюмосиликатная фаза, составляющая 40…65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать ? - кварц и муллит, а при повышенном содержании Fe2O3 также гематит. Количественное соотношение между ? - кварцем и муллитом определяется соотношением SiO2/AL2O3. С увеличением последнего содержание ? -кварца в кристаллической фазе возрастает, муллита убывает. Соответственно несколько возрастет активность зол по поглощению извести. Золы, обогащенные оксидами железа, более легкоплавки, в них образуется больше стекла.

Если минеральная часть топлива содержит значительное количество карбонатов, то в золе образуются низкоосновные силикаты и ферриты кальция, способные взаимодействовать с водой.

Высококальциевой зольной частью обладают бурые и каменные угли ряда месторождений Средней Азии и Сибири, горючие сланцы.

В небольшом количестве в золы входят следующие примеси: свободные оксиды кальция и магния, сульфаты, сульфиды и др.

В золах, как правило, содержится углерод в виде различных модификаций, коксовых остатков. Содержание их зависит от вида сжигаемого топлива: для углей и горючих сланцев по нормативным данным оно составляет менее 4%, каменных углей - 3…12, антрацита - 15…25%. Содержание несгоревших частиц в тонкодисперсных фракциях золы меньше, чем в грубодисперсных.

Химический состав зол-уносов колеблется в зависимости от месторождений углей. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС, % SiO2 - 37….63; AL2O3 - 9…37; Fe2O3 - 4…17; CaO - 1…32; MgO - 0,1…5; SO3 - 0,5…2,5; Na2O+K2O - 0,5…5. Потери при прокаливании, характеризующие содержание в золе несгоревших углеродистых частиц, составляют 0,5…30%.

Важными показателями качества золы являются ее дисперсность и гранулометрический состав. Дисперсность золы-уноса выражается обычно удельной поверхностью, определяемой методом воздухопроницаемости, а также значениями остатков на ситах при просеивании. Прямой зависимости между этими двумя показателями нет. Удельная поверхность зол-уносов составляет 1000…4000 см2/г. Во многих случаях она приближается к удельной поверхности цемента. Золы, содержащие большее количество остатков несгоревшего топлива, имеют более высокие значения удельной поверхности.

Гранулометрический состав зол колеблется в широких пределах: размеры зерен 1…20 мкм. В золах-уносах содержание фракции более 85 мкм обычно не превышает 20%. Около 50% частиц золы имеют обычно размеры 30…40 мкм. Более крупные золы образуются при повышенном содержании в минеральной части топлива оксидов-плавней СаО и Fe2O3.

Различные фракции золы имеют разные истинную и среднюю плотности, что объясняется химико-минералогическим составом и формой частиц. Крупные фракции имеют повышенное содержание АL2O3. Плотность частиц уменьшается с возрастанием в них содержания коксовых частиц. По мере увеличения крупности зерен содержание несгоревших частиц растет. Средняя насыпная плотность золы составляет 600…1100 кг/м3, истинная плотность - 1800…2400.

Золы подразделяются на высококальциевые (СаО>20%) и низкокальциевые (Са<20%). Для первых преобладающими являются кристаллические фазы, для вторых - стекло и аморфизованное глинистое вещество. Высокальциевые золы, в свою очередь, делят на низкосульфатные (SO3<5%), получаемые при сжигании угля и торфа, и сульфатные (SO3 >5%) - при сжигании сланцев.

Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности Мо, который для основных зол составляет Мо > 0,9; кислых - 0,6…0,9; сверхкислых - Мо < 0,6. В основных золах суммарное содержание СаО+МgО достигает 50%, в сверхкислых - 12. Последние являются более распространенными.

По величине удельной поверхности золы делят на : тонкодисперсные (S>4000 cм2/г), среднедисперсные (2000…4000) и грубодисперсные (S<2000). При насыпной плотности менее 800 кг/м3 золы считаются легкими, 800…1000 - средней плотности и более 1000 - тяжелыми.

Топливные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14…20 мм. Химический состав топливных шлаков, как и зол, может изменяться в широком диапазоне - от сверхкислых (Мо<0,1) до основных (Мо>1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20% и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85…98%, а у основных шлаков может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкальциевого силиката и других минералов.

В зависимости от содержания несгоревших углеродистых частиц золы и шлаки ТЭС делят на 6 категорий, %: 1 - до 5; 2 - 6…10; 3 - 11…15; 4 - 16…20; 5 - 21…25; 6 - более 25.

2. Вяжущие материалы на основе золошлаковых отходов

Химико-минералогический состав и гидравлическая активность топливных зол и шлаков позволяют широко применять их для производства вяжущих материалов. Золошлаковые отходы можно использовать в составе бесклинкерных вяжущих и в композиции с цементным клинкером как активную минеральную добавку, а также в качестве сырьевого компонента для получения цементного клинкера.

Бесклинкерные зольные вяжущие. Зола обладает определенной гидравлической активностью, т.е. способна при нормальной температуре связывать оксид кальция. Активность золы сказывается в наиболее тонких фракциях и возрастает при увеличении содержания стекловидной фазы. Стекло в щелочной и сульфатной средах легче гидратируется при повышении содержания глинозема. Пониженной гидравлической активностью характеризуется кислые золы. Активность зол, так же как и шлаков, резко увеличивается при гидротермальной обработке.

Из бескликерных зольных вяжущих наиболее известен известково-зольный цемент - гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом или тщательным смешением измельченных раздельно золы и извести. В золе содержание несгоревшего топлива должно быть минимальным (в каменноуголных золах - не более 10%, торфяных - 5), содержание SO3 не должно превышать 3%, пережженных СаО и МgО, вызывающих неравномерность изменения объема вяжущего, - 5%. Известь применяют обычно гашеную, хотя накоплен опыт применения и негашеной извести. Состав известково-зольных цементов зависит от содержания в золе активного оксида кальция и минералов, способных к гидратации. Оптимальное содержание извести в этих вяжущих составляет 10…40%, уменьшаясь по мере увеличения в золе содержания свободного оксида кальция и активных минералов.

Тонкость измельчения известково-зольных цементов, как и других известесодержащих гидравлических вяжущих, должна быть такой, чтобы при просеивании через сито № 008 проходило не менее 90% массы пробы. Схватывание вяжущих этой группы должно начинаться не ранее чем через 25 мин, а конец - не позднее чем через 24 ч после начала затворения. Схватывание ускоряется, а также улучшаются другие свойства вяжущих при введении в их состав гипса (около 5%) и применении негашеной извести.

Марку известково-зольных цементов устанавливают так же, как портландцемента. Особенность испытаний заключается в том, что образцы -балочки выдерживают сначала во влажной среде в течение 7 сут, а затем расформовывают и хранят в воде в течении 21 сут. Марки рассматриваемых вяжущих: М50, М100, М150, и М200. Автоклавная обработка позволяет получить на основе известково-зольных вяжущих бетоны с прочностью 15…25 МПа.

По основным строительно-техническим свойствам известково-зольные цементы близки и к другим известково-пуццолановым вяжущим. Основной областью их применения являются кладочные и штукатурные растворы, а также изделия автоклавного твердения. Производство известково-зольных материалов экономически эффективно, так как требует в 2…2,5 раза меньше капитальных вложений, чем цементное и известковое.

Портландцемент и композиционные цементы. Золы и топливные шлаки применяются в качестве сырьевого компонента портландцементного клинкера и активной минеральной добавки при производстве портландцемента, а также композиционных зольных и шлаковых цементов. В составе сырьевой смеси при производстве клинкера золой заменяют глинистый и частично известняковый компоненты, в некоторых случаях эта замена улучшает химико-минералогический состав клинкера и условия его обжига.

Ориентировочную оценку пригодности золошлаковых отходов как компонента сырьевой смеси определяют по значению условного силикатного модуля ny = SiO2/1,77AL2O3, который должен быть менее 1,9. Более высокие технико-экономические показатели производства клинкера достигаются при использовании сухих зол пневмоудаления.

Ценным для цементной промышленности является присутствие в составе зол остатков несгоревшего топлива, содержание которого в среднем составляет около-10%. Это значит, что при использовании 1 млн. т золы в качестве сырьевого компонента цементная промышленность получит дополнительно 100 тыс. т топлива.

В производстве цемента основная часть топливных зол и шлаков используется в качестве активных минеральных добавок. При этом они должны содержать не более, %: SiO2 - 40, SO3 - 3, потери при прокаливании - 10. Золу - унос и топливные шлаки вводят, как и другие активные минеральные добавки, в количестве не более, %: в портландцемент - 15, в пуццолановый - 25…40.

Введение золы в цемент (до15%) снижает его прочность в начальные сроки твердения, на 28 сутки снижение прочности минимально, а при длительных сроках твердения прочность цементов с золой становится более высокой, чем без золы. Увеличение содержания золы (более 15%) обычно приводит к существенному снижению прочностных характеристик цемента.

С увеличением содержания золы водопотребность цементов возрастет, но в меньшей степени , чем при других пуццолановых добавках. Характерно, что увеличение дисперсности золы не вызывает повышения водопотребности зольных портландцементов, а наоборот, оказывает некоторое пластифицирующее действие.

Вследствие сравнительно небольшой гидравлической активности золы применение зольных цементов значительно снижает тепловыделение в бетоне, что является существенным фактором при использовании его в массивных сооружениях. Экспериментально установлено, что зола любого типа повышает сульфатостойкость растворов и бетонов, особенно при использовании клинкера с высоким содержанием С3А.

Экономический эффект по приведенным затратам в расчете на 1 т золы, применяемой в качестве добавки при помоле цементного клинкера, составляет 0,7…1 руб.

В результате исследований, выполненных сотрудниками Московского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева, предложена технология производства портландцемента и шлакопортландцемента с введением в качестве активной добавки топливных гранулированных шлаков. Установлено, что наибольшей гидравлической активностью обладают шлаки с модулем основности 0,6…1 и модулем активности 0,4…0,6. Физико-механические свойства шлакопортландцемента на топливных и доменных гранулированных шлаках отличаются незначительно. Замена доменных шлаков гранулированными топливными экономически выгодна для цементных заводов, расположенных вблизи ТЭС и оборудованных топочными устройствами с жидким шлакоудалением. Оптимальное содержание топливного гранулированного шлака в цементных, твердеющих при пропаривании, составляет около 40%, а при автоклавной обработке оно увеличивается в два раза. Бетоны на шлакопортландцементе с топливным гранулированным шлаком могут успешно применяться в производстве сборных железобетонных конструкций, промышленном и гражданском строительстве, строительстве массивных гидротехнических сооружений.

3. Пористые заполнители из топливных зол и шлаков

Снижение массы возводимых зданий сооружений невозможно без развития производства пористых заполнителей для легких бетонов. Одним из наиболее перспективных видов сырья для производства пористых заполнителей являются золошлаковые отходы тепловой энергетики.

Золошлаковые заполнители. Пористыми заполнителями для легких бетонов служат: шлаки от сжигания антрацита, каменного и бурого углей, торфа и сланцев; золы, щебень и песок из топливных шлаков, аглопорит на основе золы ТЭС, зольный обжиговый и безобжиговый гравий, глинозольный керамзит. Данные по экономическое эффективности производства заполнителей на основе золошлаковых отходов ТЭС приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1

Заполнитель	Приведенные затраты, руб/м3	Экономия (+) или перерасход (-)*
Гравий: аглопоритовый Зольный Безобжиговый Глинозольный керамзит при плотности, кг/м3: с0 = 450 с0 = 600	5,91 9,85 6,01 6,37 7,91	+2,61 -1,33 +2,51 +2,15 +0,61

* По сравнению с керамзитовым гравием

Свойства шлаков зависят от способа сжигания и вида топлива. Оптимальную пористую структуру антрацитовых и каменноугольных шлаков получают при кусковом сжигании, а у шлаков бурого угля - при пылевидном. Однако недостатком пылевидного сжигания или переработки в газогенераторах антрацита и каменных углей является то, что эти процессы приводят к чрезмерному спеканию и получению в результате этого плотных и тяжелых заполнителей.

Вредными компонентами шлаков, вызывающими при повышенном количестве разрушение бетона, являются сульфаты и сульфиды. Общее содержание сернокислых и сернистых соединений в пересчете на SO3 в топливных шлаках не должно превышать 3% массы, в том числе не более 1% водорастворимых сульфатов и 1% сульфидов. Недопустимо также присутствие в шлаках ТЭС свободного оксида кальция, гашение которого в завердевшим бетоне может послужить причиной его разрушения.

Насыпная плотность топливных шлаков составляет 600…1000 кг/м3, средняя плотность зерен 1500…2000 кг/м3. Пористость шлаков обычно колеблется от 40 до 60%, морозостойкость достигает до 50 циклов и более. Оптимальные структуру и физико-механические свойства имеют антрацитовые шлаки, буроугольные - менее применимы.

Пористые топливные шлаки используют при возведении монолитных конструкций стен, для изготовления легких бетонных камней, панелей и блоков.

Мелкий заполнитель в тяжелых и легких бетонах частично или полностью может быть заменен золой. При изготовлении конструктивно-теплоизоляционных легких бетонов классов В2,5…В7,5 зола, используемая в качестве песка, должна иметь насыпную плотность до 1100 кг/м3 и включать зерна размером менее 0,14 мм в количестве не более 90% массы. Содержание коксовых остатков в золе, полученной при сжигании каменного угля и антрацита, должно быть не более 12%, бурых углей - не более 5%.

Золобетоны можно получать с широким диапазонам свойств: по прочности на сжатие - 0,5…40 МПа, средней плотности - от особо легких (с0<1000 кг/м3) до тяжелых (с0=1800…2000 кг/м3). Их получают как на портландцементе, так и на бесклинкерных вяжущих в условиях обычного и автоклавного твердения. Плотный золобетон характеризуется высокими значениями прочности на изгиб и деформативных характеристик (предельной сжимаемостью и ползучестью). Значения средней плотности и модуля упругости для характерных марок плотного золобетона даны в табл.3.2.

Таблица 3.2

Марка по прочности на сжатие, кгс/см (10-1МПа)	Средняя плотность, кг/м3	Модуль упругости, МПа
25 35 50 75 100 150 200	1150…1500 1200…1550 1250…1600 1350…1700 1450…1800 1650…1900 1850…2000	- 3,0 • 103 3,5 • 103 5,5 • 103 7 • 103 - 1 • 104

Более широкое применение находит зола в производстве керамзитобетонов. Для обеспечения плотной структуры этих материалов в песчаной фракции должно содержаться 40…50% по массе размером менее 0,15 мм. В связи с дефицитом керамзитового песка многие заводы при изготовлении конструктивно-теплоизоляционных легких бетонов применяют обычный кварцевый песок, что приводит к утяжелению керамзитобетонов до 1400…1600 кг/м3 и соответственно к снижению термического сопротивления стен. Применение золы в керамзитобетонах в количестве 180…200 л/м3, а для одно-фракционного керамзита и в больших количествах, улучшает технологические свойства легкобетонных смесей и способствует получению структуры бетона без межзерновых путей.

Полная замена мелкого заполнителя золой наиболее целесообразна в конструктивно-теплоизоляционных легких бетонах. Оптимальное содержание золы в керамизитобетоне составляет 300…450 л/м3. Дальнейшее увеличение ее содержания повышает среднюю плотность легкого бетона. При изготовлении легких конструктивных бетонов добавка золы в количестве до 0,1 м3 на 1 м3 бетона может служить микронаполнителем. Установлено, что использование в легких бетонах 1 т золы экономит 5…10 руб.

Возможно применение в качестве заполнителя бетонов и золошлакой смеси отвалов ТЭС. При прочих равных условиях средняя плотность бетона на золошлаковой смеси на 130.. 150 кг/ м3 меньше, чем на гранитном щебне. Для бетона на золошлакой смеси, полученной при сжигании донецких углей, характерны следующие физико-механические свойства: прочность при сжатии-до 35 МПа; растяжении -2,3 МПа; модуль упругости- 24,1 МПа; морозостойкость-150 циклов; усадка-0,6…0,7 мм/м.

Аглопорит. Топливные шлаки и золы являются лучшим сырьем для производства - искусственного пористого заполнителя . Это обусловлено, во-первых, способностью золошлакового сырья так же, как глинистых пород и других алюмосиликатных материалов, спекаться на решетках агломерационных машин; во-вторых, содержанием в нем остатков топлива, достаточных для процесса агломерации. При использовании обычной технологии аглопорит получают в виде щебня и песка. Из зол ТЭС можно получать также аглопоритовый гравий, имеющий высокие технико-экономические показатели.

Технология получения искусственных пористых заполнителей методом агломеррации состоит из следующих основных операций: подготовка компонентов смеси; приготовления шихты (гранул); термической обработки на агломерационный решетке; дробления (при производстве аглопоритового щебня); сортировки готового продукта.

При производстве аглопоритового щебня золу увлажняют связующей добавкой, в качестве которой берут глиняный шликер или раствор технического лигносульфоната. Полученную шихту подают в гранулятор, где она доводится до влажности 20..35 % и окомковывается.

В настоящее время разработана и применяется технология производства аглопоритового гравия из золы ТЭС, особенность которой в том, что в результате аголомерации сырья образуется не спекшийся корж, а обожженные гранулы. Сущность технологии производства аглопоритового гравия заключается в получении сырцовых зольных гранул крупностью 10…20 мм, укладке их на колосники толщиной 200…300 мм ленточной агломерационной машины и термической обработке. Горн агломерационной машины состоит их двух секций -подсушки и зажигания. Слой гранул сначала подсушивается и подогревается, а затем производится зажигание и обжиг. Благодаря высокой газопроницаемости шихты, сквозь слой просасывается большое количества воздуха, в результате чего создается окислительная среда и гранулы между собой не спекаются. Аглопоритовый гравий рассеивают на фракции, образующиеся иногда спеки дробят, а затем также рассеивают на фракции.

Разработанная технология предусматривается возможность использования сухой золы-уноса, золы из отвалов ТЭС, а также водо-зольной суспензии, образующейся при гидротранспорте золы в отвалы.

Производство аглопоритного гравия, по сравнению с обычным производством аглопорита, характеризуется снижением расхода технологического топлива на 20…30 %, низким разрежением воздуха в вакуум-камерах, а также увеличением удельной производительности в 1,5 …2 раза.

Золы ТЭС могут применятся и как топливные добавки при производстве аглопорита из глинистых пород. В состав шихты для производства аглопорита требуется до 8% высококалорийного топлива. Применение добавки зол позволяет сократить расход топлива и снизить себестоимость аглопорита.

Расчеты показывают, что замена 1 млн.м3 привозного природного щебня аглопоритовым гравием из золы местной ТЭС лишь за счет сокращения транспортных расходов при перевозках на расстояние 500…1000 км дает экономию около 2 млн. руб.

Применение аглопорита на основе зол и шлаков ТЭС позволяет получать легкие бетоны классов В3,5…В30 средней плотностью 900…1800 кг/м3 при расходе цемента 200…400 кг/м3.

Глинозольный керамзит и зольный гравий. Наряду с пористыми заполнтелями из зол ТЭС, получаемыми спеканием сырья на агломерационных машинах, заполнители изготавливают также путем обжига со вспучиванием исходного сырья. К таким заполнителям относятся глинозольный керамзит и зольный гравий.

Глинозольный керамзит - это продукт вспучивания и спекания во вращающейся печи гранул, сформованных из смеси глин и зол ТЭС, где зола составляет 10…80% всей массы сырья.

При использовании золы в качестве добавки к глине увеличивается количество органических примесей в сырье и повышается его вспучиваемость. Если запасы вспучиваемого глинистого сырья ограничены, а золоотвалы находится в непосредственной близости от заводов, то золу ТЭС целесообразно использовать в качестве основного компонента керамзитовой сырьевой смеси. Свойства глинозольного керамзита зависят от вида и соотношения в шихте глинистого и зольного компонентов.

Золы, пригодные для производства глинозольного керамзита, содержат SiO2 33… 57% и Al2O3 14…37%. С увеличением содержания золы и ее удельной поверхности возрастет прочность керамзита и увеличивается его средняя плотность. Дисперсность золы должна составлять не менее 1000 см2/г, содержание угля не более 10%, СаО - не более 10%, сернистых и сернокислых соединений - не более 5%. Максимальная температура плавления золы равна 13800С.

Максимально допустимое содержание остатков топлива в золе, пригодной для производства глинозольного аглопорта, не должно превышать 17%. При избыточном количестве углерода гранулы оплавляются и качество заполнителя ухудшается.

Насыпная плотность глинозольного керамзита составляет 400…700 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре - 2,3…4,8 МПа, водопоглощение - 10…21%, морозостойкость - более 15 циклов.

Зольный гравий получают гранулированием подготовленной золошлаковой смеси или золы-уноса ТЭС с последующим спеканием и вспучиванием во вращающейся печи при температуре 1150…12500С. Подготовка золошлаковой смеси включает сушку ее в сушильном барабане отходящими газами печи и измельчение в шаровой мельнице до удельной поверхности 2500…3000 см2/г. Для получения гранулируемой смеси вводят добавку пластичной глины. Смесь гранулируют на тарельчатом грануляторе, смачивая ее водным раствором технических лигносульфонатов (ЛСТ). До поступления в печь гранулы подсушивают для упрочнения в сушильном барабане.

В исходном сырье содержание Fe2O3 должно быть не менее 7%, (СаО+MgO) - не более 8%. При содержании в золе более 3% остатков топлива процесс вспучивания гранул ухудшается.

Технология зольного гравия позволяет получать заполнитель, состоящий в основном из 60% гранул размером 10…20 мм и около 30 % фракции 20…40 мм. Основные показатели свойств зольного гравия по сравнению с аглопоритовым приведены в табл. 3.3.

Анализ данных таблицы показывает, что зольный гравий соответствует требованиям, предъявляемым к заполнителям для теплоизоляционных бетонов. Однако ограничения по составу зол существенно лимитируют сырьевую базу для производства этого вида пористого заполнителя.

Таблица 3.3

Показател ь	Зольный гравий фракций, мм	Аглопоритовый гравий фракций, мм	Безобжиговый зольный гравий фракции 5..30 мм
	5…10	10…20	5…10	10…20
Насыпная плотность, кг/м3 Плотность зерен, кг/м3 Водопоглощение за 48 ч по массе, % Прочность в цилиндре, МПа	280 415 17 0,62	278 435 13,8 0,55	760 1400 17 3,5	740 1320 18 3	950 1800 7 5

Гравийные зольные заполнители можно получить и без обжига, применяя различные вяжущие вещества.

Технологический процесс производства безобжигового зольного гравия включает совместный помол золы и вяжущего или предварительное измельчение золы с последующим смешиванием ее с вяжущим, а также приготовление гранул, их термическую обработку и сортировку. В качестве вяжущих могут применяться портландцемент и гипсоцементно-пуццолановое вяжущие. При использовании цемента его содержание в сырьевой смеси составляет 10…15%, гипсоцементно-пуццоланового вяжущего (ГЦПВ) - 30…35%.

4. Применение золы как активной добавки в бетоны

Исследованиями и практикой установлена эффективность введения зол при изготовления бетонных и растворных смесей в качестве активных минеральных добавок и микронаполнителей.

В тяжелых бетонах зола-унос позволяет существенно снизить расход вяжущих. Оптимальное содержание золы, кг/м3, составляет для бетонов: пропариваемого - около 150; нормального твердения - 100. В соответствии с рекомендациями применение 150 кг золы-уноса на 1 м3 тяжелого бетона классов В7,5…В30 вместо частей цемента и песка позволяет сэкономить 40…80 кг цемента в зависимости от вида, классов бетонов, марок цементов, подвижности смеси. В бетонах, подвергаемых тепловой обработке, применение золы дает возможность экономить до 5% цемента.

Значительный практический опыт применения золы - уноса в бетонах накоплен в гидротехническом строительстве. В настоящее время доказана эффективность замены 25…30% портландцемента золой-уносом для бетонов внутренних зон массивных гидротехнических сооружений и 15…20% бетона в подводных частях сооружений. В ряде случаев обоснована целесообразность увеличения содержания в гидротехническом бетоне золы-уноса до 50…60% от массы цемента. При замене золой до 40% цемента с их совместным измельчением прочность бетона через 8 сут близка, а через 60 сут практически равна прочности бетона без добавки.

Впервые в 1961 г. произведена опытно-производственная укладка бетона с добавкой 15…20 % золы-уноса в тело плотины Братской ГЭС. Было уложено около 5000 м3 бетона с золой, который по основным физико-механический характеристика не отличался от бетона без добавки золы.

При строительстве Днестровского гидроузла введение в вяжущие 25% золы не снизило прочностные показатели гидротехнического бетона в возрасте 180 сут и позволила повысить коэффициент эффективности использования цемента. Экономическая эффективность за счет замены части цемента золой составила более 400 тыс. руб.

Все шире применяется зола-унос в производстве сборных железобетонных конструкций. Сухую золу вводят в бетон классов В 7,5…В40 объемом до 20…30 % от массы цемента. Однако при чрезмерном содержании золы возможно вспучивание поверхности пропариваемых изделий.

Одной из существенных характеристик золы как активной минеральной добавки в бетон является ее гидравлическая активность. Традиционными методами она определяется по способности зол поглощать известь из известкового раствора, а также проявлять вяжущие свойства в сочетании с гидратной известью. Новым методом определения активности зол является микрокалориметрический метод, в соответствии с которым активность золы определяется по величине теплоты ее смачивания в полярных и неполярных жидкостях, учитывая коэффициент гидрофильности и ряд других параметров.

В зависимости от области применения золу подразделят на виды: 1-для железобетонных конструкций и изделий;11-для бетонных конструкций и изделий; III-для конструкций гидротехнический сооружений. В пределах отдельных видов дополнительно выделяют классы золы для бетонов; А-тяжелого; Б-легкого.

Удельная поверхность золы класса А должна быть не менее 2800 см2/г, Б-1500..4000 см2/г. остаток на сите № 008 для золы класса А не должен превышать 15% по массе. По химическому составу к золе предъявляют требования, указанные в табл. 3.4. Влажность золы сухого отбора должна быть не более 3%.

Таблица 4.1

Показатель	Значение показателя для золы вида и класса
	I	II	III
	А,Б	А,Б	А
Содержание (SiO2+ALO3+Fe2O3), % по массе для золы: антрацитовой и каменноугольной буроугольной Содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO3,% по массе, не более Содержание свободного оксида кальция (CaOсв), % по массе, не более Содержание оксида магния MgO,% по массе, не более Потери при прокаливании, % по масса, не более, для золы: антрацитовой каменноугольной буроугольной	70 50 3 3 5 15 7 5	- - 3,5 5 5 20 10 5	70 50 3 2 5 5 5 3

Золу - унос не рекомендуется применять в бетонах, предварительно армированных напряженной термически упроченной арматурой.

Для применения в бетонах образцы из смеси золы и цемента проверяют кипячением в воде на равномерность изменения объема.

Подбор составов бетона с добавкой золы заключается в определения такого соотношения компонентов, включая золу, при котором требуемые свойства бетонной смеси и бетона достигаются при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси зола выполняет роль не только активной минеральной добавки, увеличивающей количестве вяжущего, но и микронаполнителя, улучшающего гранулометрию песка и активно влияющего на процессы структурообразования бетона. Учитывая полифункциональный характер зольной добавки, введение ее лишь взамен части цемента или части песка не позволяет решить задачу оптимизации составов.

Уменьшение расхода цемента при введении золы прежде всего целесообразно при «излишней активности» цемента, т.е.в тех случаях, когда марка выше рекомендуемой. При применения золы ТЭС допускается снижение минимальной типовой нормы расхода цемента для неармированных бетонных изделий до 150 кг/м3,а для армированных железобетонных до 180 кг/ м3. Суммарный расход цемента и золы при этим должен быть соответственно не менее 200 и 220 кг/ м3.. Количество золы назначается пропорционально требуемому проценту снижения «излишней активности» цемента.

Если водопотребность золы превышает 30%, то количество вводимой добавки, полученное расчетом на основе прямой пропорциональности, должно быть уменьшено путем умножения на коэффициент.

К=В ц.т/В3,

где В ц.т - выход теста нормальной густоты, см3/кг цемента; В3 - то же из 1 кг золы.

Выход теста В ц.т определяется непосредственным опытом или по формуле

Вц.т=1/ с+К н.г,

где с - истинная плотность цемента; К н.г - нормальная густота цементного теста, доли единицы.

А.М. Сергеевым предложена методика подбора составов бетона, учитывая коэффициент эффективности использования цемента при применении золы ТЭС:

Кэ=Rсж/Ц,

где Rсж - прочность бетона в заданном возрасте, МПа; Ц - расход цемента, кг/м3.

Значение коэффициент Кэ определяется эмпирическим путем. Для пропаренных бетонов в возрасте 1 сут значение Кэ при водо-вяжущем отношении в пределах 0,4…0,54 составляет 0,038…0,058 без добавки золы, при содержании золы 60% - Кэ=0,067…0,12. Для бетонов нормального твердения в возрасте 28 сут Кэ соответственно возрастает от 0,065…0,085 до 0,067…0,12.

Для получения равнопрочных бетонов при выбранном составе смешанного вяжущего расходы составляют: цемента

Ц = Rеж/Кэ

золы-уноса

Зу=(Цm3.-y)/(100-m3:-y),

где m3.-y-массовая доля золы-уноса в смешанном вяжущем.

Введение золы в оптимальном количестве не повышает водопотребность бетонных смесей, что объясняется оплавленностью и относительно правильной формой зерен. При высокой дисперсности золы и незначительном содержании в ней несгоревшего угля удобоукладываемость смеси повышается. Пластифицирующий эффект золы повышается при наличии в бетонной смеси мелкого заполнителя с недостаточным количеством тонких фракций.

В ранние сроки твердения (28…60 сут), особенно при введении грубодисперсной золы, прочность бетона снижается, хотя и не пропорционально количеству добавки. В более поздние сроки твердения наблюдается выравнивание, а иногда и более высокая прочность в бетонах с зольной добавкой. Интенсивность роста прочности золосодержащих бетонов возрастет по мере повышения дисперсности золы и температуры твердения. Домол даже малоактивных зол до 4000…5000 см2/г позволяет сэкономить 20…30% цемента без снижения класса бетона. Более целесообразным является мокрый домол, при котором золу не подсушивают, в результатете чего достигается более высокая дисперсность.

Введение золы-уноса от сжигания бурых и каменных углей в песчаные бетоны позволяет практически полностью исключить перерасход цемента.

Для достижения высокой прочности золосодержащих бетонов определенное значение имеет химико-минералогический состав клинкера. В раннем возрасте росту прочности бетона способствует повышенное содержание в клинкере щелочей, ускоряющих химическое взаимодействие золы и цемента; в более позднем - для проявления пуццолановой реакции золы предпочтительнее цементы с повышенным содержанием алита, которые при гидролизе образуют Са(ОН)2.

Для изготовления пропаренных золосодержащих бетонов важны оптимальные режимы тепловлажностной обработки, выбор которых должен производиться, учитывая особенности золы и применяемого цемента. В общем случае при применении смешанных вяжущих, содержащих золу или шлак, предпочтительны высокотемпературные режимы пропаривания.

Как и другие гидравлические добавки, зола снижает морозо- и воздухостойкость бетона. В бетонах морозостойкостью F50 и выше или подвергаемых попеременному увлажнению и высушиванию возможность применения золы устанавливается специальными исследованиями. Снижение морозостойкости бетона можно компенсировать введением воздухововлекающих добавок.

Вследствие сравнительно невысокой водопотребности бетонных смесей замена до 20% цемента золой практически не отражается на усадочных деформациях бетона при твердении его на воздухе.

Золосодержащие бетоны отличаются высокой сульфатостойкостью, причем высокие результаты достигаются при введении зол, содержащих более 80% (SiO2+AL2O3). В массивном гидротехническом бетоне положительными проявлениями введения добавки золы являются повышение предельной растяжимости, а также существенное уменьшение тепловыделения.

5. Применение золы в строительных растворах

Золу-унос применяют в качестве компонента строительных растворов, в котором сочетаются свойства минеральной добавки, пластификатора и микронаполнителя. Зола улучшает пластичность и водоудерживающую способность растворных смесей, свойства затвердевших растворов. При применении в растворах тонкодисперсных зол, отбираемых с последних полей электрофильтров, существенно снижается расход вяжущих. Применение золы как добавки также рационально при получении эффективных растворов для каменной кладки и возведения стен из крупноразмерных элементов. Однако растворы с добавкой золы не следует применять в зимнее время в связи с замедленным темпом их твердения при пониженной температуре.

Зола, применяемая для кладочных растворов, должна отвечать следующим требованиям:

Потери при прокаливании в золе, не более, %:

Антрацитовой 15

Каменноугольной 5

Содержание сернистых соединений в пересчете на

SO3, не более, % 3

Остаток на сите № 008, не более, % 15

В строительных растворах применяют как сухую золу, так и золу гидроудаления.

В цементных растворах оптимальное содержание золы рекомендуется 100…200 кг/м3, при этом в тощих малоцементных растворах оно составляет 80…125% массы цемента, в более жирных - 40…50%. При расходе цемента более 400 кг/м3 введение золы в состав раствора малоэффективно. Тонкодисперсная зола может применяться взамен части цемента и песка. Крупнодисперсную золу рационально применять вместо части песка без изменения расхода цемента.

При применении золы-уноса в цементных растворах необходимый расход цемента обычно снижается на 30…50 кг/м3 при одновременном улучшении удобоукладываемости растворной смеси. Перерасход цемента при полной замене песка золой устраняется добавкой небольшого количества известкового теста.

При полной замене песка золой повышаются деформации усадки во времени и деформации при попеременном увлажнении и высушивании. Они в 2…3 раза выше, чем у цементно-песчаных растворов.

В цементно-известковых растворах золой заменять часть цемента, извести или песка. При этом экономится до 30…50 кг цемента и 40…70 кг известкового теста на 1 м3 раствора без ухудшения удобоукладываемости и прочности. Цементно-известковые зольные растворы характеризуются весьма низкой расслаиваемостью. Их применяют так же, как и растворы, без добавки золы, в основном для кладки надземных частей зданий.

В известковых растворах применением золы-уноса возможно снизить на 50% расход известкового теста без понижения прочности и ухудшения других свойств. При замене 50% извести удвоенным по массе количеством золы-уноса достигается не только экономия извести, но и повышается прочность раствора. Без применения цемента на известково-зольном вяжущем можно получать растворы марки М25 и выше.

Подбор составов эолосодержащих растворов производят в два этапа. Вначале определяют расход составляющих раствора в килограммах на 1 м3 без добавки золы, а затем уточняют его, учитывая введение золы, предполагая при этом, что средняя плотность раствора увеличивается на 20…40 кг, а водопотребность растворных смесей не изменяется.

Технология приготовления растворов с добавкой золы состоит из дозирования исходных компонентов по массе и перемешивания затем их в растворсмесителях в течение 3..5 мин до получения однородной смеси.

Экономическая эффективность применения золы в растворах колеблется от 0,4 до 1 руб. на 1 м3 в зависимости от их марки и состава.

6. Золосодержащие ячеистые бетоны

Ячеистый золобетон является разновидностью ячеистых бетонов, в которых зола выполняет роль кремнеземистого компонента. По сравнению с обычном кремнеземистым компонентом - молотым кварцевым песком - зола обладает более высокой реакционной способностью, требует значительно меньших (а при достаточной дисперсности вообще не требует) затрат на измельчение и позволяет получать ячеистый бетон меньшей средней плотности. Недостатки золы, как кремнеземистого компонента, следующие: меньшее, чем в кварцевом песке, содержание SiO2; наличие несгоревшего топлива и нестабильность химического состава. Технологические требования к золе, применяемой в ячеистых бетонах, таковы: содержание стекловидных и оплавленных частиц должно составлять не менее 50%, несгоревших частиц бурого угля - не более 3%, каменного - не более 5%; удельная поверхность 3000…5000 см2/г; набухание в воде не должно превышать 5%.

С применением золы - уноса выпускается 11% общего объема производства ячеисто-бетонных изделий, причем более 60% от этого количества составляют изделия, изготовляемые на базе сланцевой золы. Эффективное использование сланцевой золы обусловлено ее выгодным химико-минералогическим составом (свободный оксид кальция - 15…25%, клинкерные минералы - 10…15%, ангидрит - 7…10%, активное стекло - 30…35%), а также комплексом технологических приемов, в результате которых обеспечивается гидратация свободного оксида кальция в виде пережога до автоклавной обработки (тонкий помол золы, литьевой способ формования и выдерживания сырца при повышенной температуре в условиях, исключающих большие температурные перепады).

Сланцевая пылевидная зола должна содержать оксид кальция в количестве не менее 35%, в том числе свободного СаО - не менее 15…25%, в ней недопустимо более 6% SO3 и 3% (К2О+Na2O).

Ячеистые бетоны с применением золы в основном выпускают в виде газозолобетона плотностью 400…1200 кг/м3. Из них изготавливают теплоизоляционные изделия, панели, блоки и плиты для наружных стен, покрытий, межэтажных перекрытий и внутренних перегородок.

Накоплен также опыт производства пенозолобетонов.

В зависимости от способа твердения ячеистые золобетоны делят на безавтоклавные и автоклавные. При безавтоклавном твердении тепловую обработку (электропрогрев, пропаривание) выполняют при атмосферном давлении, а автоклавном - при давлении пара 0,8…1,2 МПа. Иногда применяют двух стадийную технологию, когда до достижения распалубочной прочности изделия пропаривают, а затем без форм подают в автоклав.

Более распространенным является автоклавный способ твердения, при котором обеспечивается широкое использование низкомарочных вяжущих, в том числе и на основе шлакозольных материалов, сокращаются сроки тепловлажностной обработки до 10…12 ч, а также повышаются морозо- и трещиностойкость бетона.

Соотношение между золой и вяжущим в ячеисто-бетонной смеси зависит от вида вяжущего и изменяется и диапазоне 1…4,5. Наибольшее значение этого соотношения характерно для извести, а наименьшее - для портландцемента.

Самым распространенным способом формования ячеистых золобетонов является литьевой, когда в формы заливается смесь, содержащая 50…60% воды. Основные недостатки литьевого формования: недостаточная газоудерживающая способность смеси; неоднородная плотность изделий по высоте; медленное твердение; повышенная влажность изделий после тепловой обработка и большая усадка.

Более приемлемой для производства газобетона является комплексная вибрационная технология, позволяющая за счет эффекта разжижения смеси при вибрации в процессе перемешивания и формования уменьшить количество воды затворения на 25…30%. Эффективно также применение холодных смесей (t=18…220C) с добавками поверхностно-активных веществ. Для уменьшения влажности и усадочных деформаций ячеистых золобетонов в них вводят стурктурообразующие добавки пористых заполнителей. Исследованиями установлена также эффективность сушки изделий прогревом инфракрасными излучателями.

Прочность ячеистых золобетонов при сжатии составляет 0,5…15 МПа при средней плотности 400…1200 кг/м3, а морозостойкость достигает 150 циклов. Ячеистые золобетоны на цементе имеют значительно большую стойкость, чем на извести. Негативной особенностью золобетонов является их способность к высокому сорбционному увлажнению, вызываемому значительной микропористостью золы. Они отличаются также больше чувствительностью к циклическому увлажнению и высушиванию, чем кирпич или тяжелый бетон. Для защиты от агрессивного воздействия атмосферы на изделия из ячеистых золобетонов наносят различные покрытия.

Экономическая эффективность ячеистых золобетонов обусловлена заменной золой песка, уменьшением в 1,2…1,5 раза расхода известкового вяжущего по сравнению с известково-песчаным и сокращением примерно в 2 раза капитальных вложений на добычу и переработку исходного сырья.

отход топливный энергетический промышленность

Литература

1. Глуховский В.Д., Кривенко П.В., Старчук В.Н. и др. «Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях». Киев, «Выша школа», 1991.

2. Питулк С.М, Салимов А.Н. и др. «Стеновые панели из керамзитополистиролбетона». Журнал «Строительные материалы и конструкции», №1, 1990.

3. Дворкин Л.И., Пашков И.А. «Строительные материалы из отходов промышленностей». Киев, «Выша школа», 1989.

4. Газиев У.А. Оптимизация составов шлакощелочного пенополистиролбетона. Журнал «Поиск-3», Алма-Ата, 1998.

5. Газиев У.А., Махмудова Н.А. Богловчи материалларнинг истикболли турлари ва улар асосида бетон ишлаб чикариш. Укув кулланма, Тошкент, 2002.

Размещено на Allbest.ru

...