Строительные материалы с использованием зол ТЭС. Во время сжигания порошкообразного угля на современных электростанциях в высокотемпературных топках летучие вещества и уголь сгорают, в то время как большинство таких минеральных включений в угле, как глины, кварц и шпат, расплавляются.
Расплавленное вещество быстро транспортируется в низкотемпературные зоны, где оно затвердевает в виде сферических частиц.
Часть минерального вещества агломерируется с образованием шлака, но большинство его улетает с потоком отходящих газов и называется золой-уносом. Эта зола затем удаляется из газа циклонами и электрофильтрами. Таким образом, зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, образующийся на тепловых электростанциях в результате сжигания углей в топках котлоагрегатов, осаждаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов и предназначенный для приготовления сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, кроме конструкций, эксплуатируемых в средах со средней и сильной агрессивностью.
В зависимости от дискретности, характеризуемой удельной поверхностью, зола-унос подразделяется на 3 класса, представленные в таблице 1. Таблица 1. Класс Применение Удельная поверхность, см2/г I (А и Б) – для железо- бетонных конструкций 2000 II (А и Б) – для бетонных конструкций и изделий 2000-3000 III А – для тяжёлого бетона 2800-4000 Б – для лёгкого бетона 1500-4000 Остаток на сите № 008 для золы класса А не должен превышать 15% по массе.
Насыпная плотность зол в сухом состоянии не должна превышать 1000 кг/м3. При соответствующем обосновании допускается применение золы с насыпной плотностью, превышающей указанную на 10%. В таблице 2 приведено содержание аналитически определяемых оксидов (в %) в золе-уносе, пригодной для использования в качестве минеральных добавок в бетон.
Таблица 2. Наименование золы SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Зола от сжигания антрацита или битуми- нозных углей 48 28 9 4 2 1 Зола от сжигания бурых или низкобитуминозных углей 38 22 4 24 5 3 Допускается содержание в золе свободного оксида кальция или оксида магния в количествах, превышающих указанные в таблице, если обеспечивается равномерность изменения объёма образцов при испытании их в автоклаве.
Насыпная плотность зол в сухом состоянии не должна превышать 1000 кг/м3. При соответствующем обосновании допускается применение золы с насыпной плотностью, превышающей указанную на 10%. Зерновой состав зол удовлетворяет следующим требованиям: для конструкционно-теплоизоляционного бетона содержание зёрен крупнее 5мм не должно превышать 5%, а зёрен размером 0,14мм – не более 90% по объёму; для конструкционного бетона соответственно 10 и 70%. Содержание в каменноугольных золах остатков несгоревшего топлива, определяемое по потерям в массе при прокаливании, допускается в количестве не более 25%, а в буроугольных золах – не более 5%.Наличие водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в пересчёте на SO3 в золах, применяемых для армированных керамзитобетонов, не превышает 1% по массе.
Количество мелкого заполнителя – золы – определяется при подборе состава бетона. Золы ТЭС делятся на основные, содержащие до 40% MgO+CaO, в том числе 5-20% свободного CaO, и кислые, содержащие более 45% SiO2. Вяжущие, включающие в свой состав золы ТЭЦ. Золы ТЭС являются неорганическими искусственными материалами, обладающими гидравлическими свойствами, и поэтому относятся к числу активных минеральных добавок.
При смешивании в тонкоизмельчённом виде с гидратной известью золы при затворении водой образуют тесто, способное после предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Искусственные минеральные добавки широко применяют в качестве частичной замены глинистого компонента в составе сырьевой смеси, а также для производства шлакопортландцемента и портландцемента с минеральными добавками.
При использовании золы в качестве замены глинистого компонента в сырьевой смеси позволяет увеличить производительность цементных печей и сократить расход топлива на 15-18%, так как снижается влажность сырьевой смеси и не приходится затрачивать теплоту на декарбонизацию известняка, содержащегося в золах и шлаках. В таблице 3 представлены некоторые виды цементов и массовая доля в них компонентов, содержащие золы теплоэлектростанций.
Таблица 3. Тип цемен-та Наимено-вание Обозна-чение В процентах (по массе) Основные компоненты Дополнитель-ные компоненты Клин-кер Доменный гранулиро-ванный шлак Пуццо-лана Зола-уноса Извест-няк 1 Портланд-цемент с добавк с добавкой зол золы-уноса ПЦ II-З 80-94 - - 6-20 - 1-5 2 Известково-зольный портланд-цемент ПЦ II/А-К 80-94 - - 6-20 ПЦ II/Б-К 65-79 - - 21-35 3 Пуццолано- вый цемент ПЦЦ IV/А 65-79 - 21-35 - 0-5 ПЦЦ IV/Б 45-64 - 36-35 - 0-5 4 Компози- ционный цемент КЦ V/A 40-64 18-40 10-20 - 0-5 КЦ V/Б 20-39 41-60 20-40 - 0-5 Рассмотрим подробнее некоторые виды вяжущих, производимых с помощью зол ТЭС. Известково-зольным цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое либо совместным помолом сухой топливной золы или шлака с известью (негашеной, гашеной или гидравлической), либо тщательным смешиванием в сухом виде тех же раздельно измельчённых материалов.
Известково-зольный цемент выгоден тем, что не требует специального обжига и нуждается лишь в помоле.
Удельный вес известково-зольного цемента колеблется в пределах 2400-2800 см2/г. Цвет этого цемента из-за наличия остатков несгоревшего угля тёмно-серый. Известково-зольный цемент применяют в тех же случаях, что и другие цементы, получаемые на основе извести и гидравлических добавок. Более эффективное вяжущее, полученное на основе топливных зол и шлаков, содержащих не менее 15% CaO, например, сланцевая зола. Такая зола, измельчённая в порошок, обладает способностью самостоятельно затвердевать.
Вяжущие свойства могут приобрести и золы других видов топлив, если их смешивают с известняком, причём оба материала должны быть тонко измельчены. Сжигая уголь с добавкой известняка, можно таким образом получать на теплоэлектроцентралях вяжущее вещество, называемое ТЭЦ-цементом. Способ изготовления последнего был разработан Э.З. Юдовичем и П.Д. Кевешем. В состав этого вяжущего входят частицы золы, свободная CaO, силикаты, алюминаты и ферриты кальция, образовавшиеся при сжигании пылевидной смеси угля и известняка в результате взаимодействия между известью и составными частями золы. Этот цемент отличается неравномерностью изменения объёма при обычных условиях твердения из-за значительного содержания свободной окиси кальция.
Вяжущий материал, аналогичный известково-зольному цементу, можно получить, используя очажные остатки кирпичеобжигательных кольцевых печей, представляющие собой золу, полученную от сжигания топлива, с некоторым количеством боя кирпича.
После измельчения очажных остатков совместно с известью получается известково-очажный цемент с более высокой прочностью, чем обычный известково-зольный цемент, особенно при тонком помоле. Можно отметить, что при содержании золы в цементе в количестве 10-15% в соответствующем помоле может быть получен цемент марки 500. Зола является отличным пластификатором и может быть использована при производстве, не только цемента, но и при производстве бетонов, строительных растворов, заполнителей для бетонов, в производстве керамических и силикатных кирпичей и т.д. Керамические стеновые материалы.
В производстве керамического кирпича золу с удельной поверхностью 2000-3000 см2/г используют в качестве основного сырья и в качестве отощающей и выгорающей добавки. В связи с повышенной влажностью и наличием шлака золу перед подачей в производство необходимо подсушивать и измельчать шлаковые включения. Удельная теплота сгорания золы в зависимости от содержания несгоревших части топлива 4200-12500 КДж (1000-3000 ккал/кг). В глиняную массу вводят 15-45% золы ТЭС. Предпочтение следует отдавать золам с низким содержанием СaO+MgO и температурой размягчения до 1200*С. Золы бурых углей вследствие низкого содержания несгоревших частиц, а также высококальциевые золы не оказывают положительного влияния на свойства керамической массы и готовых изделий.
Силикатный кирпич. Золы ТЭС являются самостоятельными вяжущими или их компонентами в производстве силикатного кирпича.
При производстве силикатного кирпича оптимальная формовочная влажность выбирается в зависимости от количества дозируемой дозы и колеблется в пределах 7-13%. Сырьевые материалы высушивают до постоянной массы. Компоненты вначале смешиваются сухими, затем постепенно вводится вода в количестве 7-8%. Смесь выдерживается в закрытой ёмкости в течение 18-22 часов. После гашения извести добавляют воду для достижения формовочной влажности. При введении в состав силикатной смеси до 30% золы повышается пластичность и удобоформуемость смеси, увеличивается плотность кирпича, его структура приобретает слитность, поверхность получается ровной, с чёткими рёбрами.
Добавление большего количества золы приводит к образованию в кирпиче слойной структуры, которая снижает его качество. При полной замене песка золой объёмная масса кирпича снижается с 1800 до 1350 кг/см3. Прочностные характеристики изделий при введении золы также снижаются, но незначительно: прочность при сжатии – с 1,34 до 1,2 МПа, а при изгибе – с 3,6 до 2,3 МПа. По прочностным свойствам кирпич с содержанием 10% золы соответствует марке 125, а с большим количеством золы – марке 100. Однако с увеличением количества золы в составе смеси повышается водопоглощение кирпича и снижаются его коэффициенты размягчения и морозостойкости.
Кирпич с содержанием золы свыше 30% неморозостоек. В таблице 4 представлены данные о технических требованиях к золам ТЭС различного целевого назначения.
Таблица 4. Компонент Топливо Содержание, в % по массе для применения в качестве: самостоятельного вяжущего компонента вяжущего заполнителя Оксид кальция Сланцы, Бурые, каменные угли и антрацит Более 20 - Не нормируется Не нормируются* - Не более 5 Сера Все виды Не более 3 Не более 3 Не более 3 Несгоревшее топливо Бурые угли Каменные угли Антрацит - - - Не более 5 Не более 8 Не более 15 Не более 8 Не более 12 Не более 20 Стекловидные оплавленные частицы Бурые и каменные угли Антрацит - - Не менее 50 Не менее 50 Не менее 50 Не менее 60 * Высококальциевые золы могут применяться в производстве силикатного кирпича при условии предварительной их автоклавной обработки.
Заполнители для бетонов. В таблице 5 представлена номенклатура отходов ТЭС, используемых для производства пористых заполнителей для бетонов. Таблица 5. Сырье Характеристика Вспучиваемость Производство Зола-унос ТЭС Тонкодисперсный сухой продукт пыле-угольного сжигания топлива Спекается или вспучивается при быстром нагревании Аглопоритовый гравий, щебень, зольный гравий, глинозольный керамзит Золошлаковая смесь отвалов Смесь золы и шлака гидроудаления Золу ТЭС при производстве глинозольного керамзита используют в качестве добавки, вводимой в глину (в количестве 10-30%), и в качестве компонента сырьевой смеси (50% и более). В качестве добавки, снижающей насыпную плотность керамзита, используют в первую очередь золы с содержанием оксидов железа 12-20%, оксидов алюминия 20-35%, при этом удельная поверхность золы должна находиться в пределах 1000-3000 см2/г. Если же зола служит компонентом сырьевой смеси, то содержание отдельных оксидов может изменяться в более широких пределах.
Максимально допустимое содержание остатков топлива в золе, используемой в производстве глинозольного керамзита, не должно превышать 17%, при этом предпочтение отдают золам из отвалов гидроудаления, так как при применении сухой золы-уноса не удаётся достичь требуемой гомогенности глинозольной шихты даже при интенсивном и длительном перемешивании.
Технологическая схема производства глинозольного керамзита принципиально не отличается от схемы производства керамзита.
Основная её особенность помимо усреднения золы – более тщательная подготовка сырьевой смеси. Сначала смесь перемешивают в глиномешалке с пароувлажнением, затем в другой глиномешалке без пароувлажнения, а затем в дырчатых вальцах. При этом глинистый компонент предварительно обрабатывают на вальцах тонкого помола.
Исследования НИИ керамзита показали, что введение в глинистую шихту золы ТЭС позволяет снизить насыпную плотность керамзита на одну-две марки. Влияние количества вводимой золы на прочность глинозольного цемента показывают следующие данные: Количество золы, % по массе сухой шихты 0 30 50 70 Насыпная плотность, кг/м3 400 406 413 440 Прочность, МПа 1,7 2,3 3,1 3,4 Производство глинозольного керамзита экономически выгодно, так как стоимость золы ниже стоимости природного сырья, а наличие в ней остаточного топлива обеспечивает снижение общего расхода теплоты на обжиг.
Зольным гравием называют искусственный пористый заполнитель с зёрнами округлой формы, получаемый обжигом сырцовых гранул золы-уноса сухого или гидроудаления в коротких прямоточных вращающихся печах. В качестве добавок используют глину (для улучшения грануляции), пиритные огарки (для снижения температуры размягчения) и кварцевый песок (для повышения прочностных показателей готового продукта). Зола должна содержать не более 10% несгоревших углистых частиц, не менее 7% оксидов железа и не более 8% оксидов кальция и магния.
При более высоком содержании несгоревших остатков угля в золу добавляют глину. Для изготовления зольного гравия золошлаковая смесь отбирается из отвала гидрозолоудаления ТЭС. Мокрой она поступает в ящичный подаватель, оттуда – в сушильный барабан, через который пропускают отходящие от вращающейся печи газы. Высушенная золошлаковая смесь транспортируется в шаровую мельницу, где измельчается до нужной дисперсности, после чего подаётся в тарельчатый гранулятор.
В нём она непрерывно смачивается водой и закатывается в гранулы требуемого размера. Размеры шариков, в которые агрегатируются смоченные частицы во время перемещения во вращающейся тарелке, зависят от угла наклона гранулятора и скорости вращения. Для большего упрочнения зольные гранулы пропускают через сушильный барабан, откуда они поступают в прямоточную вращающуюся печь, где спекаются и вспучиваются при температуре 1150-1200*С. Затем полученная масса охлаждается, сортируется на фракции и поступает на склад готовой продукции.
Насыпная плотность и прочность зольного гравия, полученного гранулированием зол ТЭС с последующим спеканием и вспучиванием гранул, представлены в таблице 6. Таблица 6. Виды зольного гравия Насыпная плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии,МПа Гравий на каменном угле 500 - 800 3,7 - 4,0 Гравий на антрациде 400 - 800 3,0 - 17,5 Гравий на буром угле 400 - 700 2,3 - 7,5 Гравий на горючем сланце 500 - 700 2,5 - 10,6 Зольный гравий не должен содержать включений свободной извести.
Потери в массе при прокаливании допускаются не выше 5%, а после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания потери в массе не должны превышать 10%. Максимальная отпускная влажность 5%. В сортовом зольном гравии не должно быть больше 5% дробленых кусков. К искусственным неорганическим заполнителям для лёгких бетонов относят также аглопоритовый гравий, изготовляемый из золы ТЭС или золошлаковой смеси отвалов путём окомкования и последующей термической обработки сырцовых гранул со вспучиванием на агломерационных обжиговых машинах.
Аглопорит получают спеканием при обжиге в слое подготовленных гранул песчаноглинистых пород, а также отходов переработки и сжигания твёрдых видов топлива (отходы углеобогащения и золы ТЭС). 1.2