Ростовская область, Россия
Ростовская область, Россия
Ростовская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В настоящей статье проведен сравнительный анализ характеристик золы Новочеркас-кой ГРЭС, получаемой по разным способам сжигания твердого топлива. Выполнены работы по рентгенофазовому, химическому и дифференциально-термическому анализу золы Новочеркаской ГРЭС, показавшие на возможность применения образующихся отходов в области производства строительных материалов. Рассмотрена возможность использования получаемой золы-уноса в производстве грубой строительной керамики. Проведены физико-механические испытания полученных материалов, показавшие на улучшение формовочных свойств глинистого сырья, снижение средней плотности материалов. Проведенные исследования подтвердили целесообразность применения золы-уноса девятого энергоблока Ново-черкасской ГРЭС в производстве керамических стеновых материалов, что позволит улучшить формовочные свойства глиняной шихты и улучшить теплотехнические показатели получаемых материалов.
зола-уноса, формовочные свойства, строительная керамика, рентгенофазовый анализ, от-ходы ТЭЦ.
Введение. Россия – один из самых крупных потребителей угля в мире [1]. Это связано с тем, что в условиях холодного климата необходимо обеспечивать надежный энергетический баланс страны. Частично энергетический потенциал страны обеспечивается за счет эксплуатации тепловых электростанций, которые вырабатывают тепловую и электрическую энергию путем сжигания твердых видов топлива, в основном каменного угля добываемого на территории страны. Существует различные типы тепловых электростанций, отличающиеся способом сжигания твердого топлива [2]. Современные ТЭС сжигание твердого топлива осуществляют в измельченном до пылевидного состояния в камерных топках. Неотъемлемой частью этого процесса является образование отходов в виде золы и золошлаковой смеси.
В настоящее время, в отвалах ТЭС России собралось около 1,4 млрд. т. золошлаковых отходов (ЗШО) и с каждым годом это количество пополняется 26,6 млн. т новых отходов. И только
18 % от общего объема образующихся отходов утилизируется в различных отраслях народного хозяйства [3]. Поэтому вопрос утилизации ЗШО с каждым годом становится все более острым, так как накопление их в отвалах создает угрозу экологической безопасности населению и стране в целом [4].
Традиционно Новочеркаская ГРЭС вырабатывает тепловую и электрическую энергию за счет факельного сжигания предварительно измельченного твердого топлива в камерных топках [5]. Удаление образующихся продуктов горения осуществляется за счет жидкостного шлакоудаления. Очистка дымовых газов от твердых частиц (золы-уноса) на станции осуществляется сухим способом, в золоуловителях. Собранная зола-уноса по трубопроводу транспортируется в силосные склады хранения [6]. Образующиеся на станции отходы содержат небольшое количество несгоревшего топлива, что снижает эффективность работы станции.
В рамках программы модернизации энергетической промышленности в июле 2016 г. на Новочеркаской ГРЭС построен и запущен 9-й энергоблок, принципиально отличающийся от всех работающих. Отличительной особенностью, которого является сжигание топлива по технологии «кипящего слоя», которая предусматривает повторное сжигание несгоревших частиц топлива в отходах, что обеспечивает более полное выгорание угля и большую энергетическую эффективность котлов [7]. Образующиеся на 9-й энергоблоке отходы по внешнему виду отличаются от отходов, образующихся на других блоках, что вызывает необходимость изучения их физико-химических свойств перед началом промышленной переработки в народном хозяйстве.
Основной целью исследований является определение свойств образующихся отходов и последующего выбора направления их использования в области производства строительных материалов.
Основная часть. При исследовании свойств золы, образующейся на Новочеркаской ГРЭС были проведены рентгенофазовый и дифференциально-термический анализ. Оценка фазового состава выполнена с использованием рентгенометрической картотеки PDF-2 и программы ProfileShow.
При помощи рентгенофазового анализа был определен фазовый состав золы. Результаты исследований представлены на рисунке 1. Красным цветом на графике показаны углы и интенсивность дифракции золы уноса получаемой по традиционной технологии на 1–8 блоках Новочеркасской ГРЭС.
Зеленый график показывает углы и интенсивность дифракции, характерные для кварца (SiO2). Как видно из представленной рентгенограммы в исследуемой золе-уноса основной фазой является кварц (SiO2), что подтверждается результатами ДТА (рис. 2).
На рисунке 1 основной фазой, присутствующей в золе-уноса является кварц (SiO2), что подтверждается результатами ДТА (рис. 2).
Рис. 1. Рентгенограмма золы-уноса 1-8 блоков Новочеркасской ГРЭС
Рис. 2. ДТА золы-уноса 1-8 блоков Новочеркасской ГРЭС
Результаты рентгенофазового анализа золы-уноса получаемой на 9 энергоблоке Новочеркасской ГРЭС представлены на рисунке 3. На представленной рентгенограмме красным цветом показаны интенсивность и углы дифракции золы-уноса 9 энергоблока Новочеркасской ГРЭС, зеленый цветом кварца, желтым цветом выделен гематит и синим-слюда.
Из полученных результатов видно, что фазовый состав зола-уноса 1-8 блоков значительно отличается от золы-уноса 9 блока. В ней присутствуют несколько фаз: примерно на 70 % она состоит из кварца (SiO2); 15–20 % составляет гематит (Fe2O3); остальные 10–15 % составляет слюда. Ориентировочный химический состав слюды KMgAlSi4O10(OH)2, что подтверждается результатами ДТА, представленными на рисунке 4.
Рис. 3. Рентгенограмма золы-уноса 9 блока Новочеркасской ГРЭС
Рис. 4. ДТА золы-уноса 9 блока Новочеркасской ГРЭС
Проведенные исследования позволяют с уверенностью сказать о том, что свойства золы-уноса 9 блока значительно отличаются от ранее образующихся отходов, что требует находить новые пути ее использования в строительном материаловедении.
Для более точного определения свойств образующихся отходов был проведен химический анализ по оксидам, а также физико-механические характеристики, результаты, которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
Химический анализ и физико-механические характеристики золы-уноса Новочеркасской ГРЭС
|
Показатели |
Новочеркасская ГРЭС 9 энергоблок |
Новочеркасская ГРЭС 1-8 энергоблоки |
|
Величина, % |
||
|
SiO2 |
45,92 |
53,82 |
|
TiO2 |
0,87 |
0,91 |
|
Al2O3 |
25,9 |
22,12 |
|
Fe2O3 |
9,38 |
9,77 |
|
CaO |
0,81 |
3,71 |
|
MgO |
1,35 |
2,27 |
|
MnO |
0,36 |
0,14 |
|
K2O |
5,29 |
4,59 |
|
Na2O |
0,93 |
1,26 |
|
SO3 |
1,28 |
0,35 |
|
P2O5 |
0,15 |
0,23 |
|
п.п.п |
7,37 |
22,8 |
|
Удельная поверхность, см2/г |
9200 |
2800 |
|
Насыпная плотность, кг/м3 |
480 |
1050 |
|
Истинная плотность, кг/м3 |
2600 |
2650 |
Высокое содержание оксида кремния в двух видах золы-уноса говорит о возможности ее применения в производстве силикатных строительных материалов, а также строительной керамики. Также обращает на себя внимание показатель удельной поверхности, который значительно выше, чем у золы-уноса, образующейся по традиционной технологии сжигания угля. Как видно из таблицы 1 показатель насыпной плотности у золы-уноса девятого энергоблока Новочеркасской ГРЭС значительно ниже, чем аналогичный показатель у золы-уноса, образующейся на 1-8 энергоблоках.
Для изучения влияния золы уноса на качество керамического черепка была использована золы-уноса 9 энергоблока Новочеркасской ТЭЦ и суглинок Большелогского месторождения Ростовской области. Все испытания были выполнены в соответствии с действующей нормативной документацией [8–10].
Было изготовлено четыре состава шихты, содержащие 10 %, 20 %, 40 % золы-уноса и эталонный состав на чистом суглинке. Из приготовленной пластичной массы формовались образцы – кубики, кирпичики, балочки на которых был проведен комплекс испытаний, демонстрирующий влияние золы-уноса на показатели материала.
Результаты определения физико-механических свойств образцов, изготовленных на основе золы-уноса девятого энергоблока приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты определения физико-механических свойств
|
Состав массы, г |
Формовочная влажность, % |
Воз-душная усадка, % |
Общая усадка, % |
Огневая усадка, % |
Средняя плот-ность, г/см3 |
Rсж, МПа |
Rизг, кгс/см² |
Водопоглощение, % |
||
|
Гл. сырье |
Добавка |
Вода |
||||||||
|
1120 |
0 |
215 |
19,2 |
8,3 |
9,1 |
0,8 |
1,83 |
375,6 |
86,1 |
14,56 |
|
1008 |
48 |
208 |
19,7 |
8,2 |
9,1 |
0,9 |
1,81 |
305,2 |
92,3 |
15,07 |
|
896 |
96 |
186 |
18,7 |
7,5 |
8,2 |
0,7 |
1,75 |
281 |
98,8 |
16,16 |
|
672 |
192 |
162 |
18,7 |
5,9 |
6 |
0,1 |
1,65 |
262 |
69,5 |
18,71 |
Из представленных результатов видно, что введение золы уноса не существенно влияет на формовочную влажность (19,2 % – 18,7 %), но существенно снижает усадку (на 3,1 %), приводит к уменьшению средней плотности черепка с 1,83 г/см3 до 1,65 г/см3 ). Также было замечено увеличение водопоглощения (с 14,56 % до 18,71 %).
Для более полного понимания свойств, на которые оказывает влияние зола-уноса девятого энергоблока Новочеркасской ГРЭС было так же изготовлено четыре состава на основе золы-уноса 1–8 блоков Новочеркасской ГРЭС.
Результаты определения физико-механических свойств образцов, изготовленных на основе золы-уноса 1–8 блоков Новочеркасской ГРЭС приведены в таблице 3
Таблица 3
Результаты определения физико-механических свойств
|
Состав массы, г |
Формовочная влажность, % |
Воз-душная усадка, % |
Общая усадка, % |
Огневая усадка, % |
Средняя плот-ность, г/см3 |
Rсж, МПа |
Rизг, кгс/см² |
Водопоглощение, % |
||
|
Гл. сырье |
Добавка |
Вода |
||||||||
|
1120 |
0 |
215 |
19,2 |
8,3 |
9,1 |
0,8 |
1,83 |
375,6 |
86,1 |
14,56 |
|
1008 |
105 |
228 |
20,5 |
8,2 |
8,9 |
0,7 |
1,83 |
298,2 |
85,2 |
15,78 |
|
896 |
210 |
236 |
21,3 |
8,1 |
8,5 |
0,4 |
1,81 |
285 |
78,8 |
17,32 |
|
672 |
420 |
240 |
22 |
7,8 |
8,1 |
0,3 |
1,76 |
271 |
71,1 |
18,17 |
Как видно, из приведенных выше результатов, зола-уноса девятого энергоблока оказывает положительное влияние на ряд физико-механических свойств строительной керамики, превосходя в некоторых показателях (сушильные свойства, предел прочности при сжатии, водопоглощение) образцы, изготовленные на основе золы-уноса, полученной традиционным путем.
Это позволяет сделать вывод о возможности использования золы-уноса 9 энергоблока Новочеркасской ТЭЦ в качестве добавки при производстве строительной керамики, Ее использование позволяет улучшить формовочные свойства массы, снизить среднюю плотность изделий без существенного снижения прочностных свойств материала.
Заключение. На основе проведенных исследований можно с уверенностью сказать, что отходы образующиеся в результате работы 9 энергоблока, пригодны для использования в области производства строительной керамики. А, следовательно, их следует рассматривать не как отход, а как техногенное сырье, для производства строительных материалов. Физико-химические характеристики золы указывают на возможность ее использования в производстве силикатных строительных материалов, строительной керамики, а также в производстве искусственных пористых высокоэффективных заполнителей.
1. Краснянский Г.Н., Зайденварг В.Е., Ковальчук А.Б., Скрыль А.И. Уголь в экономике России. Изд-во Экономика. 2010. 383 с.
2. Беликов С.Е. Котлер В.Р. Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы. М.: Издательский центр Аква-Терм, 2008. 360 с.
3. Федеральная служба государственной статистики, данные за 2016 г.//http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/environment/ (дата обращения 26.11.17)
4. Лошкарева А.В., Губонина З.И. Экологические проблемы при хранении золоотходов от сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях [Электронный ресурс] Системные требования AdobeAcrobatReader. URL https://cyberleninka.ru/article/n/ekologicheskie-problemy-pri-hranenii-zoloothodov-ot-szhiganiya-tvyordogo-topliva-na-teplovyh-elektrostantsiyah
5. Жихар Г.И. Котельные установки тепловых электростанций. Минск: Вышэйшая школа, 2015. 523 с
6. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1967. 344 с.
7. Глейзер И.Ш. Котлы энерготехнологических и тепловых электростанций. М.: Изд-во Электросервис, 2010. 248 с.
8. ГОСТ 25818-91 Золы-уноса тепловых электростанций для бетона. Введен 1991.07.01.
9. ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. Введен 2013.07.01
10. ГОСТ 21216-2014 Сырье глинистое. Методы испытаний. Введен 2015.07.01
