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.