Материалы из отходов топливно

Материалы из отходов топливно-энергетической промышленности
Отходы добычи и обогащения угля. Основными видами твердого топлива
являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными
продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.
Шахтные отвальные породы наиболее часто представлены аргиллитами,
алевритами, песчаниками, известняками.
Метаморфизированные аргиллиты, алевриты и песчаники обладают высокой
плотностью и, как правило, трудно размокают в воде. Их можно отнести к
малопластичному или непластичному глинистому сырью.
По сравнению с глинами аргиллиты обладают более высокой прочностью,
которая составляет 2—4 МПа при естественном залегании. Алевриты по
сравнению с аргиллитами имеют более крупнозернистое строение.
Для применения в производстве строительных материалов наибольший интерес
представляют
отходы
углеобогащения,
характеризуемые
наименьшими
колебаниями состава и свойств. Содержание угля, не выделенного в процессе
обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены
обычно в виде кусков крупностью 8—80 мм.
Вяжущие материалы с применением золошлакового сырья
Портландцемент и композиционные цементы. Золы и топливные шлаки
применяются в качестве сырьевых компонентов портландцементного клинкера и
активных минеральных добавок при производстве портландцемента, а также
композиционных зольных и шлаковых цементов. В составе сырьевой смеси при
производстве клинкера золой и шлаками заменяют глинистый и частично
известняковый компоненты, в некоторых случаях эта замена улучшает химикоминералогический состав клинкера и условия его обжига.
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. Так как
зола имеет меньшую водопотребность, чем глины, применение ее в составе
сырьевой смеси позволяет снизить влажность шлама до 33—34%, уменьшить
расход топлива на 7—10% и повысить производительность вращающихся печей.
Золы
и
топливные
шлаки
в
качестве
компонентов
сырьевой
смеси
портландцементного клинкера применяют как при мокром, так и сухом способе
производства. Сырьевая смесь хорошо гранулируется, и гранулы имеют
повышенную прочность.
Некоторые виды зол и шлаков можно использовать для повышения глиноземного
и понижения силикатного модуля сырьевой смеси. Большая реакционная
способность золы и шлака дает возможность раннего образования жидкой фазы
при обжиге клинкера и несколько снизить температуру клинкерообразования.
Однако применение зол и шлаков как сырьевых компонентов клинкера
ограничено из-за их нестабильного состава и значительного содержания
сульфидов и щелочей.
Золошлаковые компоненты, содержащие значительные количества свободного
оксида кальция, могут вызывать загустевание и схватывание сырьевого шлама,
поэтому их применяют только при сухом способе производства.
В производстве цемента основная часть топливных зол используется в качестве
активных минеральных добавок. При этом они должны содержать не более: Si02
— 40%, S03 — 3, потери при прокаливании — 10%. Золу-унос вводят, как и
другие гидравлические минеральные добавки, в количестве не более: в
портландцемент — 20%, в пуццолановый — 55%.
Введение золы в цемент в количестве до 20% несколько снижает его прочность в
начальные сроки твердения, на 28 сутки снижение прочности минимально, а при
длительных сроках твердения прочность цементов с золой становится часто более
высокой, чем без золы. Увеличение содержания золы (более 20%) обычно
приводит к существенному снижению прочностных характеристик цемента —
особенно в ранние сроки твердения.
Также благоприятно влияют добавки золы к портландцементу в условиях
гидротермальной обработки растворов и бетонов. Повышение дисперсности золы
способствует интенсивности твердения зольного портландцемента. По данным
Г.М. Рущука и Е.Г. Егоровой, повышение удельной поверхности золы Иркутской
ТЭЦ до 10 500 см2Д привело к выравниванию 28-суточной прочности
портландцемента с 30% золы по сравнению с исходным, а позднее и к более
высокой прочности.
Шлаковые и зольные вяжущие оптимальных составов являются достаточно
стойкими во времени при нахождении их в различных средах. На повышение
стойкости
шлакозольных
вяжущих
положительно
влияет
увеличение
соотношения между содержанием оксида кальция и кислотных оксидов.
Положительно сказывается также добавка 10—15% портландцемента. Усадочные
деформации шлакозольных вяжущих относительно близки к соответствующим
показателям цемента. Стабилизация усадки наступает к 4—6 мес. для
пропаренных образцов и к 3—5 мес для запаренных.
Из бесклинкерных зольных вяжущих наиболее известно известко-во-зольное —
гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом или тщательным
смешением измельченных раздельно золы и извести. В золе содержание
несгоревшего топлива должно быть минимальным (в каменноугольных золах —
не более 10%, торфяных — 5), содержание S03 не должно превышать 3%,
пережженных СаО и MgO, вызывающих неравномерность изменения объема
вяжущего,— 5%. Известь применяют обычно гашеную, хотя накоплен опыт
применения и негашеной извести. Состав известково-зольных вяжущих 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.
Разновидностями известково-зольного
вяжущего
являются ТЭЦ-цемент и
торфозольный цемент, получаемые при сжигании каменного угля или торфа,
предварительно измельченных вместе с известняком. При этом в топках
происходят
следующие
процессы:
выгорание
органических
соединений,
дегидратация и амортизация глинистого вещества зольной составляющей топлива
с
частичным
ее
оплавлением,
диссоциация
кальцита
с
образованием
тонкодисперсного
активного
оксида
кальция
и
взаимодействием
его
с
кислотными оксидами золы топлива. Процесс взаимодействия должен быть как
можно более полным. Значительные количества свободного пережженного оксида
кальция вызывают неравномерность изменения объема.
Шлакозольные вяжущие, твердеющие при нормальных температурах можно
использовать в растворах для кладки и штукатурки, а также в низкомарочных
бетонах. Этот вид вяжущих не рекомендуется применять при пониженной
температуре окружающей среды, в конструкциях, подвергающихся высыханию и
увлажнению, многократному замерзанию и оттаиванию.
Заполнители из топливных зол и шлаков
Золошлаковое сырье может применяться для изготовления заполнителей как
тяжелых, так и легких бетонов. 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.
Золошлаковые заполнители.
Установлено, что на долговечность бетона при использовании зол оказывает
влияние, главным образом, состав топливных остатков, стойкость которых к
окислению и воздействию влаги зависит в свою очередь от минералогического
состава исходного угля.
В немалой степени свойства бетона зависят от влажности зол и содержания в них
сернистых и сернокислых соединений. Количество последних в перерасчете на
S03 не должно превышать 3% по массе (в том числе сульфидной серы в
перерасчете на S03 не более 1%). Влажность не должна превышать 35% по массе.
Для получения долговечного золобетона для армированных легкобетонных
конструкций золы ТЭС должны также содержать пониженное количество
глинистых частиц при повышенном содержании стеклофазы (не менее 50—60%).
Свойства бетона в значительной степени зависят от гранулометрического состава
заполнителей. Оптимальным для легких бетонов является соотношение 1:1 между
крупной (более 0,3 мм) и мелкой (менее 0,08 мм) фракциями золы. Хорошие
прочностные показатели бетона достигаются при использовании зол, у которых
соотношение между крупной и мелкой фракциями не превышает 1:2,5, а
содержание частиц средней фракции составляет 50%.
Применение в бетонах золы-уноса позволяет заменять как часть песка, так и часть
цемента. Количество вводимой в состав бетона золы может достигать150—250
кг/м3 и более. При выборе возможного содержания золы в бетоне следует
учитывать воздействие золы на свойства бетонной смеси. В зависимости от
содержания золы влияние ее на водопотребность может быть несущественным
или значительным.
При проведении сравнительных испытаний бетона со шлаковым и гранитным
заполнителями на прочность при растяжении методом раскалывания были
получены практически одинаковые результаты. Исследования призменной
прочности,
начального
модуля
упругости,
предельных
относительных
деформаций, а также деформаций усадки и ползучести позволили сделать вывод о
том, что деформативные свойства шлакобетона также можно приравнять к
свойствам тяжелого бетона на щебне из природных материалов.
Замена природных заполнителей топливным гранулированным шлаком снижает
расход цемента за счет улучшения гранулометрии смеси заполнителей, а также
упрочнения контактной зоны между шлаком и цементным камнем, обеспечивая
снижение общих энергетических и трудовых затрат на единицу продукции.
Расход цемента снижается на 4—6% на 1 м3 бетона. Экономический эффект
зависит от стоимости шлака и природных заполнителей в конкретных условиях
производства.
Силикатный кирпич, керамические и плавленые материалы на основе зол и
шлаков ТЭС
Золы и шлаки ТЭС являются эффективным сырьем для изготовления
силикатного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла. Применение
топливных зол и шлаков в производстве рассматриваемых материалов
обеспечивается совокупностью их свойств: химическим взаимодействием с
известью,
дисперсностью,
спекаемос-тью,
теплотворной
способностью,
способностью давать силикатный расплав. В зависимости от целевого назначения
золошлакового сырья и применяемых технологий ведущее значение приобретают
те или иные из указанных свойств.
Силикатный кирпич. На долю силикатного кирпича приходится значительная
часть всего объема стеновых материалов. Приведенные затраты на возведение
стен из силикатного кирпича составляют примерно 84% по сравнению с
необходимыми затратами при использовании керамического кирпича. Расход
условного топлива и электроэнергии на производство силикатного кирпича в 2
раза ниже, чем керамического. На получение 1 тыс. шт. силикатного кирпича
расходуется в среднем 4,9 ГДж тепла, половина которого составляет тепло на
обжиг извести, а другая — на автоклавную обработку и другие технологические
операции.
Дорожно-строительные и изоляционные материалы с применением зол и
шлаков ТЭС
Одним из основных потребителей топливных зол и шлаков является дорожное
строительство, где они используются для устройства подстилающих и нижних
слоев оснований, частичной замены вяжущих при стабилизации грунтов
цементом и известью, как минеральный порошок в асфальтовых бетонах и
растворах, как добавки в дорожных цементных бетонах.
Золы, полученные при сжигании углей и горючих сланцев, широко применяются
в качестве наполнителей кровельных и гидроизоляционных мастик.
В дорожном строительстве золошлаковые смеси применяют неукрепленными и
укрепленными.
Неукрепленные золошлаковые смеси используются в основном как материал для
устройства подстилающих и нижних слоев оснований Доро*4 областного и
местного значения. При содержании пылевидной золы не более-16% их
применяют для улучшения грунтовых покрытий, подвергаемых поверхностной
обработке битумной или дегтевой эмульсией. Конструктивные слои дорог можно
выполнить из золо-шлаковых смесей с содержанием золы не более 25—30%. В
гравийно-щебеночных
основаниях
в
качестве
уплотняющей
добавки
целесообразно применять золошлаковую смесь с содержанием пылевидной золы
до 50%.
Применение горелых пород, отходов добычи и обогащения угля
Материалы с применением горелых пород. Возможности применения горелых
пород в производстве строительных материалов весьма разнообразны. Они
находят широкое применение в дорожном строительстве преимущественно при
устройстве оснований. В Донбассе, например, горелые породы используются при
устройстве нижнего слоя двухслойных оснований под асфальтобетонные
покрытия.
При
этом
конструкция
дорожной
одежды
следующая:
асфальтобетонное покрытие — 4—9 см, щебеночное или шлаковое основание —
12—20, подстилающий слой из горелой породы — 10—18 см. К горелым породам
как материалу для оснований дорог предъявляются следующие требования:
плотность в куске — не менее 2 г/см3, водопоглощение — не более 5%, износ в
полочном барабане — не более 35%, содержание пылевидных частиц — не более
3%.
При удовлетворительных физико-механических свойствах горелые породы
используют не только для нижних, но и для верхних слоев оснований, а также
нижнего слоя покрытия.
Наиболее
эффективно
органическим вяжущим.
используется
горелая
порода
после
обработки