Силикатный кирпич на основе зол и шлаков ТЭС

     Министерство  образования и науки, молодежи и спорта Украины

     Харьковский национальный университет строительства и архитектуры 

     Механико-технологический факультет

     Кафедра физико-химической механики и технологии

     строительных  материалов и изделий 
 

     Индивидуальное  задание

     по  учебной дисциплине: «Технология строительных материалов и изделий из отходов промышленности»

     на  тему: «Силикатный кирпич на основе зол и шлаков ТЭС» 
 
 
 
 
 
 

        Выполнила : студентка группы Т - 51

                        Котелевец И.С.                                 

                                           Проверила: Першина Л.А. 
 
 
 
 
 

     Харьков - 2011 г 

     Введение 

     Бережное  и рациональное использование природных  ресурсов в настоящее время приобретает  особое значение. Решение этой актуальной народнохозяйственной проблемы предполагает разработку эффективных безотходных  технологий за счет комплексного использования  сырья, что одновременно приводит и  к ликвидации огромного экологического ущерба, оказываемого «кладбищами» отходов. Само понятие «отходы производства и потребления» для многих материальных продуктов становится условным. Они  превращаются в ценное, порой даже дефицитное сырье.

     В то же время многие отходы промышленности и городского хозяйства, представляющие большой практический интерес, остаются недостаточно востребованными по разным причинам. В этом плане популяризация  возможных направлений применения отходов и достигаемого при этом эффекта имеет важное значение. В проблеме рациональной утилизации промышленных отходов в единый узел сплелись вопросы охраны окружающей среды и ресурсосбережения. Годовой экономический ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления оценивается на уровне 10% валового внутреннего продукта.

     Наиболее  рациональным направлением утилизации промышленных отходов является их использование  как техногенного сырья при получении  различного вида продукции и прежде всего строительного назначения.

     Так как строительство потребляет около  трети всей массы продукции материального  производства, материальные ресурсы  составляют более половины всех затрат на производство строительно-монтажных  работ. Решение проблемы ресурсосбережения в строительстве возможно при комплексном использовании технических, организационных, экономических факторов и ускорении научно-технического прогресса. 

     Важнейший резерв ресурсосбережения в строительстве  - это широкое использование вторичных материальных ресурсов, которыми являются отходы производства и потребления. Объем промышленных отходов увеличивается более высокими темпами, чем общественное производство, и имеет тенденцию к опережающему росту. Только на удаление их и складирование расходуется в среднем 8—10% стоимости основной производимой продукции.

     Использование промышленных отходов обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного  сырья; приводит к экономии капитальных  вложений, предназначенных для строительства  предприятий, добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности; высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени  загрязнение окружающей среды. Повышение  уровня использования промышленных отходов является важнейшей задачей  государственного значения.

     Одно  из наиболее перспективных направлений  утилизации промышленных отходов —  их использование в производстве строительных материалов, что позволяет  до 40% удовлетворить потребности  в сырье, этой важнейшей отрасли  промышленности. Применение отходов  промышленности позволяет на 10—30% снизить  затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством  их из природного сырья, экономия капитальных  вложений при этом составляет 35—50%.

     На  основе применения отходов промышленности возможно развитие производства не только традиционных, но и новых эффективных  строительных материалов. Новые материалы  обладают комплексом улучшенных технических  свойств и в то же время характеризуются  наименьшей ресурсоемкостью, как в  процессе производства, так и при  применении. 

     Одним из важнейших материальных ресурсов, необходимых для производства строительных материалов, является топливо. В последние  годы проблема повышения эффективности  использования топлива, его экономного расходования приобрела особую актуальность в связи с ростом его потребления  на технологические нужды, увеличением  затрат на его добычу.

     На  производство неметаллических строительных материалов и конструкций ежегодно расходуется около 50 млн т условного топлива. Для снижения расхода топлива применяют промышленные отходы. В ряде, случаев промышленные отходы можно рассматривать как полуфабрикаты, при получении которых уже затрачен определенный объем топлива. Так, при получении 1 кг металлургических шлаков расходуется более 1260 кДж теплоты, топливных зол и шлаков — 600— 840 кДж. Часть промышленных отходов может содержать значительное количество топливных остатков (например, в золе их содержится иногда до 20—30%).

     Масштабы  применения промышленных отходов в  производстве строительных материалов неуклонно увеличиваются. Некоторые виды отходов, как, например, доменные гранулированные шлаки, пользуются большим спросом в настоящее время и используются полностью. Передовые металлургические предприятия перешли практически на безотвальную работу.

     В Украине накоплен положительный опыт создания комбинированных производств. Это производства глинозема, содопродуктов и портландцемента на основе нефелиновых шламов и известняков, легированного чугуна и глиноземистого цемента и др.

     Развитие  и совершенствование производства строительных материалов, повышение  их экономической эффективности  на современном этапе в значительной степени будут определяться рациональностью  использования сырьевых ресурсов, полнотой вовлечения в производство отходов  различных отраслей промышленности. 

1. Анализ  отходов топливной  и энергетической промышленности

     К отходам топливно-энергетической промышленности относятся продукты, получаемые в  виде отходов при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту  группу отходов разделяют по источнику  образования, виду топлива, числу пластичности минеральной части отходов, содержанию горючей части, зерновому составу, химико-минералогическому составу, степени плавкости, интервалу размягчения, степени вспучиваемое.

     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.

     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.

     В соответствии с типовыми схемами  технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения  подвергают гидравлической классификации  по крупности, затем обогащают методом  гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного  обогащения углей). При обезвоживании  концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного  обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты).

     В зависимости от способа получения  отходов и их класса по крупности  содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (10—30%) находится в  отходах флотации. В отходах гравитационного  обогащения класса 1—13 мм количество угля может достигать 15%, а в отходах  класса 13—150 мм — 4—7%. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей  является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3—4%.

     Влажность отходов зависит от способа их получения. Естественная влажность  аргиллитов 4—5%. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25—30%.

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

     Залежи  природных горелых пород широко распространены в различных регионах. 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, обожженным при 800—1000 °С. 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. К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени.

       Породы смешаны с отходами  угля, горючих сланцев, серой и  др. Под действием кислорода воздуха  уголь и сера окисляются и  самовозгораются, а под влиянием  высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженно-го) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.

     Золошлаковые отходы. При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак, а также золошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200—1700 °С) обработки минеральной части топлива.

     В зависимости от температурных условий  образование золы и топливных  шлаков возможно без плавления, в  присутствии расплава и при полном расплавлении исходных компонентов. В  первом случае золы и шлаки образуются при сжигании низкокалорийных видов  твердого топлива. Получение из расплава характерно для гранулированных  топливных шлаков. Наиболее характерно получение топливных зол и  шлаков в результате взаимодействия расплава с твердыми фазами.

     Образование шлаков и зол первых двух групп  происходит обычно в слабоокислительной среде, что способствует окислению органических соединений и сульфидов и присутствию соединений железа в трехвалентном виде. Образование отходов третьей группы происходит в восстановительной среде, что приводит к сохранению сульфидной серы и преобладанию двухвалентных соединений железа.

     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 однородный 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  Тидро-удаления для транспортирования золошлаковых смесей 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  эффективными золоуловителями являются электрофильтры, КПД которых равен 95-—97%. В настоящее время установки  для сухого золоудаления имеются  на ряде тепловых электростанций, а  количество улавливаемой золы превышает 10 млн т в год.

     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 обожженное 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 алю-мосиликатная фаза, составляющая 40—65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать а-кварц и муллит, а при повышенном содержании Fe₂0₃ также гематит. Количественное соотношение между ot-кварцем и муллитом определяется соотношением Si0₂ /Al₂0₃. С увеличением последнего содержание а-кварца в кристаллической фазе возрастает, а муллита убывает. Соответственно несколько возрастает активность зол по поглощению извести. Золы, обогащенные оксидами железа, более легкоплавки, в них образуется больше стекла.

     Стекло  в золах можно рассматривать  как материал, содержащий аморфиты — образования, близкие по составу и структуре к соответствующим кристаллическим фазам, но с высокой удельной поверхностью,— и неупорядоченные глиноземисто-кремнеземистые прослойки между ними. Способность стекловидной фазы к гидратации и гидролизу объясняется рыхлой субмикроструктурой и относительно высокой проницаемостью аморфитов, обусловленной пустотами между ионными группировками. Активность промежуточного аморфного вещества стекловидной фазы определяется соотношением глинозема и кремнезема, чем оно больше, тем легче идет процесс гидратации зольного стекла в щелочной и в сульфатно-щелочной среде. В нейтральной среде зольное стекло устойчиво. На гидравлическую активность кальциево-алюмосиликатного стекла, содержащегося в золе, положительно влияют примеси оксидов магния, железа и некоторых других элементов.

     Определенной  гидравлической активностью в золах, наряду со стекловидной фазой, обладает дегидратированное и амортизированное глинистое вещество. Активность зависит от минералогического состава глин, входящих в минеральную часть топлива, и повышается при тепловой обработке. С повышением в золе содержания аморфизированного глинистого вещества увеличивается ее водопотребность.

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

     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 бурых углей и горючих сланцев 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 (%): Si0₂ - 37-63; А1₂0₃ - 9-37; Fe₂0₃ - 4-17; СаО - 1-32; MgO - 0,1-5; S0₃ - 0,05-2,5; Na₂0 + K₂0 - 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—200 мкм. В  золах 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 Fe₂0₃.

     Дисперсность  золы зависит от тонкости измельчения  пылевидного топлива. Также на тонкость измельчения получаемой золы существенно  влияет режим сжигания топлива. Важным фактором является тип коллектора для  сбора золы. Наиболее дисперсная зола улавливается электрофильтрами, при  этом для различных полей электрофильтров  гранулометрический состав золы меняется.

     Различные фракции золы имеют разные истинную и среднюю плотности, что объясняется  химико-минералогическим составом и  формой частиц. Крупные фракции имеют  повышенное содержание А1₂0₃. Плотность частиц уменьшается с возрастанием в них содержания коксовых частиц. Средняя насыпная плотность золы составляет 600—1000 кг/м³, истинная плотность — 1800—2400. Для золы характерно значительное содержание частиц с мелкими замкнутыми порами, которые являются результатом вспучивания расплавленной минеральной массы газами, выделяющимися при дегидратации глинистых минералов, диссоциации частиц известняка, гипса и органических веществ. Общий объем пор может достигать 60% объема частиц золы. Высокое содержание микропор в золе обусловливает высокое значение ее действительной удельной поверхности. Измерения действительной удельной поверхности золы, выполненные по адсорбции азота, показали, что она на порядок выше удельной поверхности цемента. С высокой действительной поверхностью золы связаны такие ее свойства, как адсорбционная способность, гигроскопичность, гидравлическая активность.

Золы  подразделяются на высококальциевые (СаО > 20%) и низкокальциевые (СаО < 20%). Для первых преобладающими являются кристаллические фазы, для вторых — стекло и аморфизованное глинистое вещество. Высококальциевые золы в свою очередь делят на низкосульфатные (S0₃ < 5%), получаемые при сжигании угля и торфа, и сульфатные (S0₃ > 5%) — при сжигании сланцев.

По величине удельной поверхности золы делят  на: тонкодисперсные (S > 4000 см²Д), среднедисперсные (2000—4000 см²Д) и грубо-дисперсные (S < 2000 см²Д). При насыпной плотности менее 800 кг/м3 золы считаются легкими, 800—1000 — средней плотности и более 1000 — тяжелыми.

     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 1000 °С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300 °С.

     В связи с интенсификацией процессов  сжигания твердого топлива и переходом  к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей и сланцев  перспективно применение топок с  жидким 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 700 °С 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.

     Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14—20 мм. Химический состав шлаков, как и зол, может  изменяться в широком диапазоне  — от сверхкислых (М0 < 0,1) до основных (М0> 1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20% и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85—98%, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкалыдиевого 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. Применение  отходов топливной  и энергетической промышленности в производстве строительных материалов

     Вяжущие материалы на основе шлаков и зол

     Основная  масса отходов при получении  металлов и сжигании твердого топлива  образуется в виде шлаков и зол. Кроме  шлаков и зол при производстве металла в больших количествах  образуются отходы в виде водных суспензий  дисперсных частиц-шламы.

     Ценным  и весьма распространенным минеральным  сырьем для производства строительных материалов являются горелые породы и отходы углеобогащения, а также  вскрышные породы и отходы обогащения руд.

     Производство  вяжущих материалов относится к  наиболее эффективным областям применения шлаков. Шлаковые вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: шлакопортландцементы, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлако-щелочные вяжущие.

     Шлаки и золы можно рассматривать как  в значительной мере подготовленное сырье. В их составе окись кальция (CaO) связана в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката - одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении шлаков и зол обеспечивает повышение производительности печей и экономии топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом производстве клинкера удельный расход сырья и топлива на 10…15%, а также повысить производительность печей на 15%.

       Применением маложелезистых шлаков  – доменных и феррохромовых  – и созданием восстановительных  условий плавки получают в  электропечах белые цементы. На  основе феррохромовых шлаков  окислением металлического хрома  в расплаве можно получить  клинкеры, при использовании которых  цементы с ровной и стойкой  окраской.

     Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных гранулированных  шлаков и сульфатного возбудителя  твердения – гипса или ангидрида  с небольшой добавкой щелочного  активизатора: извести, портландцемента или обожженного доломита. Наиболее широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75…85% шлака, 10…15% двуводного гипса или ангидрида, до2% окиси кальция или 5% портландцементного клинкера. Активность сульфатно-шлакового цемента существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность (4000…5000 см²/г) вяжущего достигается с помощью мокрого помола. При достаточно высокой тонкости измельчения в рациональном составе прочность сульфатно–шлакового цемента не уступает прочности портландцементаИзвестково-шлаковые и известково-зольные цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака или золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих, вяжущих при изготовлении их вводится до 5% гипсового камня. Содержание извести составляет 10%...30%.

     Известково-шлаковые и зольные цементы по прочности  уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец – не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10º С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь при  после достаточного продолжительного твердения (15…30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

     Шлакощелочные вяжущие состоят из тонкоизмельченного гранулированного шлака (удельная поверхность≥3000 см²/г) и щелочного компонента – соединений щелочных металлов натрия или калия.