Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Применение золы в качестве заполнителя

Содержание.

Введение.

По самым скромным оценкам экспертов, запасов угля в РФ хватит не менее чем на 200лет. Позиция государства на сегодняшний день состоит в том, чтобы увеличить потребление угля в стране, а природный газ продавать другим странам.

В настоящее время в РФ очень многие ТЭЦ работают на угле и скорее всего их количество в перспективе только увеличиться. Для современных ТЭЦ самая главная проблема – это образующаяся зола. Даже сегодня, когда угольная энергетика составляет всего лишь порядка 20% от всей энергетики в РФ, образуется порядка 30млн. тонн золы в год.

Золы тепловых электростанций – дешевый и практически неисчерпаемый источник сырья, который мог бы стать основным сырьем строительной отрасли, ведь только строительная индустрия способна освоить такое количество образуемой золы.

Одновременно назревает необходимость в доступных строительных материалах, так как только с недорогим строительным материалом можно реализовать государственные программы «Доступное жилье» и «Малоэтажное строительство». Строительная индустрия постепенно берет ориентир на массовость и доступность, так как эта ниша рынка практически никем не занята. В целом ряде регионов спрос на строительные материалы не может быть удовлетворен материалами, произведенными в данном регионе. Это приводит к дополнительному росту стоимости строительства.

Один из наиболее очевидных путей решения данной проблемы - использование золы, как заполнителя в строительных материалах и изделиях, по этому пути идет Китай, США и многие другие страны. Причем опыт Китая в этом плане можно признать передовым. Это обусловлено, прежде всего, большой долей угля в энергетике КНР - 78%. С учетом масштабов энергетики, производства в целом, утилизация и переработка золы в КНР одна из приоритетных задач.

Целью данной курсовой работы является возможность рассмотреть использование золы, как заполнителя в строительных материалах и изделиях.

1. Общие положения.

При сжигания на тепловых электростанциях (ТЭС) твердого топлива: угля, торфа, сланцев и других горючих материалов, образуются:

1. Золу-уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей;

2. Шлаки, образующиеся после чистки печей обжига угля, представляющие крупные комки, глыбы в виде стекловидной массы, не содержащей влагу.

3. Шлам золы уноса образуется после мокрой очистки, как правило, последней стадии пылеулавливания и хранится в шламонакопителях. Шлам золы представляет собой водную суспензию тонкодисперсной золы-уноса.

4. Зола и шлаки, увлажненные атмосферными осадками, находящиеся в
золоотвалах. Как правило, золоотвалы становятся одновременно местом захоронения твердых бытовых отходов населенных пунктов и промышленных предприятий.

Зола-уноса (далее — зола) представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий, как правило, из частичек размером от долей микрона до 0,14 мм. Зола образуются в результате сжигания твердого топлива на ТЭС, и улавливается электрофильтрами, после чего в сухом состоянии отбирается с помощью золоотборника на производственные нужды, либо вместе с водой и шлаком отправляется на золоотвал.

Золу-унос получают на теплоэлектростанциях, использующих измельченный каменный уголь. На некоторых ТЭС собирают до 2000 т золы в сутки. Количество золы может быть различным — от 30 до 300 г на киловатт-час производимой электроэнергии. В нижней части топок промышленных котлов собирают крупную золу (в небольшом количестве), а далее дым очищается механическим способом и, главное, с помощью электростатических пылеуловителей, обеспечивающих высокую эффективность дымоочистки. Сухую золу собирают на площадке для складирования и гомогенизации, а затем направляют в бункера, откуда вывозят чаще всего в цистернах (автомобильных, железнодорожных, на баржах). Для облегчения погрузочно-разгрузочных работ при транспортировании и складировании золу иногда смачивают водой (10—20%). Ее направляют либо непосредственно потребителю, либо обратно в топку для повторного использования. Иногда золу смачивают большим количеством воды (30%) и в этом случае транспортируют как жидкость со взвешенными частицами по трубопроводам и собирают в отстойники. В редких случаях золу направляют для спекания в котлы циклонного типа. Затем ее быстро охлаждают в воде, как при грануляции доменных шлаков. Так получают плавленую золу. Преимущество таких зол — почти полное отсутствие недожога, но крупность их зерен гораздо выше, чем у золы-уноса (0,5—3 мм у плавленых зол, 1—200 мкм у золы-уноса). ТЭС с обработкой золы по такому методу особенно широко распространены в ФРГ и США.

2. Классификация золы.

В соответствии с ГОСТ 25818-91 все золы по виду сжигаемого угля подразделяют на:

- антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (А);

- каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего, угля (КУ);

- буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (Б).

В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы:

кислые (К) — антрацитовые, каменноугольные и буроугольные, содержащие оксид кальция до 10 %;

основные (О) — буроугольные, содержащие оксид кальция более 10 % по массе.

Золы в зависимости от качественных показателей подразделяют на 4 вида:

I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов;

II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов;

III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;

IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).

Качественные показатели зол различных видов должны соответствовать требованиям, указанным в таблице.

Таблица 1.

Примечания:

1. Допускается в основных золах содержание свободного оксида кальция СаО_св и оксида магния MgO выше указанного в таблице, если обеспечивается равномерность изменения объема образцов при испытании их в автоклаве или применение этих зол обосновано специальными исследованиями бетона по долговечности с учетом конкретных условий эксплуатации.

2. Допускается в золах содержание сернистых и сернокислых соединений и потеря массы при прокаливании выше указанных в таблице, если применение этих зол обосновано специальными исследованиями по долговечности бетонов и коррозионной стойкости арматуры.

3. Допускается в золах I—III видов больший остаток на сите № 008 и меньшая величина удельной поверхности, чем указано в таблице, если при применении этих зол обеспечиваются заданные показатели качества бетона.

3. Основные свойства золы.

Строение и состав золы зависит от целого комплекса одновременно действующих факторов: вида и морфологических особенностей сжигаемого топлива, тонкости помола в процессе его подготовки, зольности топлива, химического состава минеральной части топлива, температуры в зоне горения, времени пребывания частиц в этой зоне и др. При значительном содержании карбонатов в минеральной части исходного топлива под воздействием высоких температур в процессе горения образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция – минералы, способные к гидратации. Такие золы при затворении водой способны к схватыванию и самостоятельному твердению. В них, как правило, содержатся окись кальция и окись магния в свободном состоянии.

Химический и минерально-фазовый составы, строение и свойства золы зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа их улавливания и удаления, места отбора из отвалов.

При высоких температурах (1200-1600°С) сжигания топлива минеральные примеси претерпевают изменения; в них протекают сложные физико-химические процессы: выделяется химически связанная вода силикатов и алюмосиликатов; разлагаются карбонаты; идут реакции в твердой фазе; происходят плавление, кристаллизация, силикатообразование, стеклообразование и др. Поэтому золы ТЭЦ имеют сложный химический и минералогический составы.

3.1. Химический состав.

Химический состав золы от сжигания углей в России и некоторых зарубежных странах приведен в табл. 2. Они представлены в основном SiO₂ и Аl₂О_з. Кроме того, в состав оксидов входят также Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, TiO₂, SO₃ и др.

Химический состав золы.

Таблица 2.

В настоящее время ГОСТ 25818-91 определил требования к химическому составу золы, применяемым для производства различных видов бетонов и строительных растворов. Нормируется содержание оксидов - CaO, MgO, SO₃, Na₂O и К₂О:

- оксида кальция СаО - 10%, чтобы обеспечить равномерность изменения объема при твердении, свободного СаО - 5%;

- оксида магния MgO - не более 5%;

- верхний предел сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO₃ по требованиям сульфатостойкости - 3-6% (в зависимости от вида исходного топлива);

- суммарное содержание щелочных оксидов Na₂O и К₂О - 1,5-3% (в зависимости от вида сжигаемого топлива) во избежание деформаций при их реакции с заполнителями.

В зависимости от вида топлива и условий его сжигания в золе могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Потеря массы при прокаливании (п.п.п.) должна быть не выше 3-25% в зависимости от вида исходного топлива.

3.2. Минерально – фазовый состав.

Минерально-фазовый состав включает неорганическую и органическую составляющие. Неорганическая фаза, в свою очередь, состоит из составляющих:

- аморфной, представленной стеклом и аморфизированным глинистым веществом;

- кристаллической, включающей слабоизмененные зерна минералов исходного топлива (кварц, полевые шпаты и другие, термически устойчивые минералы) и кристаллические новообразования, возникшие при сжигании топлива (муллит, гематит, алюмосиликат кальция и др.).

Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного и железисто-алюмосиликатного состава. Аморфизированные глинистые вещества - метакаолинит и слабоспекшееся аморфизированное глинистое вещество, а также спекшиеся и частично остеклованные частицы определяют химическую активность золы, форму и характер поверхности зольных частиц.

Частицы большинства зол имеют сферическую форму и гладкую остеклованную фактуру поверхности. Однородность частиц различна. Более однородны частицы, состоящие полностью из стекла. Имеются частицы, внутренняя часть которых не расплавилась и слагается из мельчайших минеральных и коксовых зерен. Встречаются и полые шарики в результате вспучивания стекла в момент образования частицы. Размер частиц - от нескольких микрон до 50-60 микрон.

Могут также образовываться стекловидные частицы неправильной формы. У некоторых частиц поверхность губчатая из-за различного количества пузырьков. Они также могут содержать во внутренней части большое количество кристаллических веществ.

При недостаточно высокой температуре сгорания топлива и высокой тугоплавкости его зольной части образуются золы, состоящие из аморфизированного глинистого вещества, представленного пористыми частицами неправильной формы. Эти частицы имеют высокое водопоглощение.

В крупных фракциях золы содержатся агрегаты, образовавшиеся в результате спекания множества мелких зерен. Они неоднородны и имеют низкую прочность.

3.3. Физические свойства.

Важнейшими физическими свойствами золы являются зерновой состав, насыпная и истинная плотности, водонасыщение и способность к морозному пучению.

Зерновой состав определяется видом топлива, его подготовкой к сжиганию, режимом сжигания, способом улавливания золы, местом отбора (табл. 3 и 4).

Зерновой состав некоторых зол сухого улавливания.

Таблица 3.

Зерновой состав золошлаковых смесей золоудаления.

Таблица 4.

При сухом удалении золы крупные частицы улавливаются циклонами, мелкие - электрофильтрами. При этом на каждом поле электрофильтра собирается определенная фракция золы. Так, на Прибалтийской ГРЭС зола из циклонов содержит частиц размером мельче 50 мкм 47-63%, электрофильтровая зола со второго поля - 61-87%, с третьего - 78-99%, а четвертого - 100%.

При этом происходит разделение и по химическому составу, и по фазовому. Максимальное содержание сферических стекловидных частиц имеют мельчайшие фракции золы. Чем зерна золы крупнее, тем выше в ней содержание агрегированных, шероховатых, пористых частиц.

От зернового, химического и фазового составов золы зависит ее насыпная плотность, которая может составлять от 0,6 до 1,3 г/см3 Удельный вес (истинная плотность) золы колеблется от 1,75 до 3,5 г/см3, составляя в среднем 2,1-2,4 г/см3. Физические характеристики некоторых зол приведены в табл. 5

Физические свойства зол.

Таблица 5.

3.4. Активность золы.

Химическая активность является важным свойством зол, от которого зависит их использование - в качестве самостоятельных вяжущих или как компонента комплексных вяжущих.

По химическому составу золы подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Основные золы содержат гидравлически активные компоненты и являются самостоятельным вяжущим. Кислые золы обладают свойствами типичных пуццоланов и могут применяться как активные минеральные добавки.

Топливные золы, как правило, не способны непосредственно взаимодействовать с водой. Это характерно лишь для зол, содержащих свободные оксиды кальция и магния. Аморфные компоненты зол обладают пуццолановой активностью, т.е. способностью связывать при обычных температурах гидроксид кальция, образуя нерастворимые соединения. При их накоплении появляется возможность гидравлического твердения вяжущих из смесей извести или портландцемента с золой.

Пуццолановой активностью в составе зол обладают продукты обжига глин: аморфизированное глинистое вещество типа метакаолинита, аморфные SiО₂ и Аl₂О_з и алюмосиликатное стекло. Реакционная способность по отношению к гидроксиду кальция у них различна и зависит от температурных превращений каолинитовых глин при сжигании топлива. Обладающий большой удельной поверхностью метакаолинит А1₂О₃х2SiO₂ активно реагируете Са(ОН)₂ при обычных температурах с образованием гидросиликатов кальция и гидрогеленита.

Активность образующихся при более высоких температурах аморфных SiO₂ и Аl₂О₃ заметно меньше, что объясняется резким снижением удельной поверхности вследствие спекания и кристаллизации новообразований - муллита, кристобаллита.

Высокотемпературное спекание и плавление глинистых минералов резко снижают их удельную поверхность и, соответственно, активность. Вследствие этого стеклофаза зол малоактивна при обычных температурах.

Повышение температуры сжигания топлива сверх допустимого предела приводит к падению активности большинства топливных зол.

Основным критерием, определяющим способность золы проявлять вяжущие свойства, является наличие кальция в свободном или связанном виде.

Наряду с этим используются следующие критерии:

- модуль основности (гидросиликатный модуль) МО, который представляет собой отношение суммы основных оксидов к сумме кислотных оксидов:

МО = (СаО + MgO + К₂О + Na₂O): (SiO₂ + А1₂О₃);

- силикатный (кремнеземистый) модуль Мс, показывающий отношение оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа:

Мс = SiO₂: (A1₂O₃ + Fe₂O₃);

- коэффициент качества К, показывающий отношение оксидов, повышающих гидравлическую активность к оксидам, снижающим ее:

К = (СаО + А1₂О₃ + MgO): (SiO₂ + TiO₂).

На основании многочисленных исследований топливных отходов электростанций, сжигающих топливо различных месторождений, золы разделены на группы - активные, скрыто активные и инертные (табл. 6).

Классификация топливных отходов от сжигания твердого топлива.

Таблица 6.

К активным относятся золы поволжских сланцев, углей Канско-Ачинского угольного бассейна, ангренского угля, некоторых торфов. Общее содержание оксида кальция колеблется в пределах 20-60%, свободного оксида кальция - до 30%. Такой состав обеспечивает высокие значения модулей основности и силикатного, а также коэффициента качества. Золы от сжигания указанных видов топлива обладают свойством самостоятельно твердеть и могут применяться как самостоятельные вяжущие.

К скрыто активным относятся золы от сжигания райчихинских, богословских, харанорских, черемховских, хакасских и некоторых других углей. Общее содержание оксида кальция в этих золах составляет 5-20%, содержание свободного оксида кальция - не выше 2%. Модуль основности составляет не более 5. Как правило, они используются в качестве комплексных вяжущих с активизиторами

К инертным относятся золы от сжигания экибастузских, подмосковных, кузнецких, донецких, нерюнгринских и других углей. Они характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и низким количеством оксидов кальция и магния. Свободного оксида кальция содержится менее 1%, а в некоторых золах этой группы его может не быть совсем.

4. Применение золы в качестве заполнителя.

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%.

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.

Несгоревшие частицы угля представлены, в основном, в виде остатков кокса и полукокса. Отрицательные свойства этих топливных остатков сказываются в незначительной степени, так как кокс и полукокс стойки к окислению на воздухе и поглощают мало влаги, а поэтому мало подвержены объемным изменениям при попеременном увлажнении и замораживании. Определение качественного состава остатков несгоревшего топлива дает возможность оценить целесообразность применения золы как мелкого заполнителя бетона.

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. Так, если введение в состав бетона до 70—90 кг золы дисперсностью 3000—4500 см2Д практически не сказывается на водопотребности бетонной смеси, то дальнейшее увеличение содержания золы вплоть до 300 кг на 1 м3 бетона приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси на 5—6% на каждые 50 кг дополнительно вводимой золы.

Золобетоны можно получать с широким диапазоном свойств: по прочности на сжатие — 0,5—40 МПа, средней плотности — от особо легких (р0 < 1000 кг/м3) до тяжелых (р0 = 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 дефор-мативных характеристик (предельной сжимаемости и ползучести).

Недостатками плотных золобетонов являются значительное водо-поглощение, а также усадка, которая при твердении образцов на воздухе составляет до 2—3 мм/м. Для уменьшения водопоглощения рекомендуется вводить в смесь тонкомолотые добавки, снижающие пористость золобетона, например гранулированный шлак. Усадка снижается при автоклавной обработке и введении в массу до 30% крупных пористых заполнителей или песка, а также применением жестких смесей.

На приготовление золобетона классов В2,5—В12,5 со средней плотностью 1000—1600 кг/м3 при безавтоклавном твердении расходуется 200—400 кг/м3 цемента, в зависимости от свойств исходных компонентов и технологии изготовления изделий. Запаривание золобе-тонных изделий в автоклавах позволяет в 1,5—2 раза снизить расход вяжущего и частично (или полностью) заменить цемент известью.

Более широкое применение находит зола как мелкий заполнитель в производстве керамзитобетонов. Для обеспечения плотной структуры этих материалов в песчаной фракции должно содержаться 40—50% по массе частиц 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 кг/м3, а для однофракционного керамзита и в больших количествах, улучшает технологические свойства легкобетонных смесей и способствует получению плотной структуры бетона.

Полная замена мелкого заполнителя золой наиболее целесообразна в конструктивно-теплоизоляционных легких бетонах. Оптимальное содержание золы в конструктивно-теплоизоляционном керамзитобе-тоне составляет 300—450 кг/м3. Дальнейшее увеличение ее содержания повышает среднюю плотность легкого бетона. При изготовлении легких конструктивных бетонов добавка золы в количестве до 100 кг на 1 м3 бетона может служить микронаполнителем.

6. Заключение.

Анализ накопленных данных научных исследований и практический опыт использования зол ТЭС в нашей стране и за рубежом показал технико-экономическую целесообразность более широкого использования отходов ТЭС при производстве цемента. В настоящее время более распространенной активной минеральной добавкой в России является доменный гранулированный шлак, с учетом использования которого спроектировано большинство цементных предприятий. В связи с общим экономическим положением в стране возникла необходимость замены гранулированных шлаков другими добавками технического или природного происхождения. Поэтому использование зол-уноса вместо доменного шлака или частичной его замены цементными предприятиями очень целесообразно и выгодно экономически.

Экономические преимущества комплексного использования природного сырья и отходов ТЭС проявляются в следующем:

достигается экономия капитальных вложений и снижение издержек в отраслях, производящих строительные материалы;
использование отходов повышает рентабельность производства;
переработка шлакозольных отходов позволяет стабилизировать экологическую обстановку в стране;
комплексное использование природного сырья и отходов приводит к повышению уровня обеспеченности народного хозяйства материалами и изделиями, рациональному размещению производительных сил, уменьшению различных статей затрат и, следовательно, обеспечивает повышение эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.

На основании изученных материалов и опыта работы некоторых предприятий можно с уверенностью сказать, что накопленные за многие годы отходы ТЭС являются ценнейшим материалом для производства современных строительных материалов, а их промышленная утилизация не только способствует улучшению экологической обстановки в стране, но и делает производство строительных материалов более рентабельным, а значит, способствует стабилизации общей экономической обстановки в стране.