Тяжелые бетоны с применением отходов угольных теплоэлектростанций г. Новосибирска



Скачать 440.06 Kb.
страница1/3
Дата24.04.2016
Размер440.06 Kb.
  1   2   3
Направление: 6 – Рациональное природопользование

Тяжелые бетоны с применением отходов угольных теплоэлектростанций г. Новосибирска

Введение

В данной работе предлагается технология применения отходов от угольных теплоэлектростанций г. Новосибирска в качестве полезного сырья – наполнителя и связующего, при производстве различных бетонных смесей.

Золошлаковые отходы (ЗШО) – является самым массовым из побочных продуктов энергетики. Ежегодно в России образуется более 40 миллионов тонн ЗШО, и наблюдается рост этого объема за счет увеличения доли угля в топливном балансе страны, повышения эффективности золоулавливающего оборудования, внедрения новых технологий сероочистки, связанных с образованием значительных объемов твердых отходов, возрастающим потреблением тепловой энергии. Накопленные запасы зол на золоотвалах оцениваются в 1,5 млрд. тонн. [41]

Доля угольного топлива в мировом топливно-энергетическом балансе составляет 42,8% (у нефти – 5,5; у газа – 18,5%, ядерной энергии – 15,0%, гидроэнергии и других возобновляемых источников – 18,2%).

Во многих странах значение угля для электроэнергетики гораздо выше: в Польше – 95%, ЮАР – 90%, Австралии – 86%, Китае – 81%, Англии – 60%, Германии – 54%, США - 52%, Японии – 30%. В России, несмотря на большие запасы угля, на угольных ТЭС вырабатывается всего 14,6% электроэнергии.

Доля угля в топливном балансе на ТЭС России составляет 22,1%, а по сравнению с 2010 г. использование угля для производства электроэнергии в мире к 2030 г. увеличится на 41% (до 4,5 млрд. т.) и уголь будет оставаться главным источником производства электроэнергии.

Таким образом, являясь необходимой структурой в жизни любого мегаполиса – теплоэнергетические станции являются одновременно и источниками огромной экологической нагрузки в виде всегда сопутствующих им золоотвалов, неизбежных выбросов в атмосферу газов от сжигаемых углей, сбросы оборотной воды предприятия и т.д.

Производство тепловой и энергетической энергии в г. Новосибирске всецело принадлежит ОАО «Новосибирскэнерго», в состав энергетических мощностей которой на данный момент входит пять тепловых электрических станций и ГЭС.

Только в 2007 году, «Новосибирскэнерго» завершило первую очередь строительства золоотвалов для ТЭЦ-5, общей стоимостью более 290 млн. рублей, по данным представителей компании. Общее содержание золоотвалов так же является не бесплатным, а необходимость в их расширении возникает все более часто.

Транспортировка и захоронение накапливаемых объемов ЗШО с применением традиционных гидравлических систем имеет негативные экологические аспекты: потребление воды, занятие и загрязнение земель, образование сточных вод, влияние на грунтовые воды (воды, первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта), потенциальное загрязнение воздуха при пылении золоотвалов. Поэтому для радикального повышения уровня экологической безопасности тепловой электростанции решение проблемы утилизации ЗШО – обязательное условие.

В странах Евросоюза «наилучшим доступным методом» обращения с ЗШО признано их полезное использование [1].

Стоит отметить, что сами золоотвалы не выносятся за территорию городов и, как правило, находятся в непосредственной близости от ТЭЦ, соединяясь с ней системами трубопроводов для подачи отработанной оборотной воды в смеси с золами (гидропульпы).

Как правило, земли, некогда отведенные под площадки золоотвалов, уже становятся навсегда отчужденными и непригодными для дальнейшего их прямого использования.

Критические ситуации, когда территории золоотвалов ТЭЦ в ходе роста городов и урбанизации заключались в границы города, возникают по всей России. Особенно остро такая проблема встала в г. Владивосток, где один из золоотвалов ТЭЦ-2 был переоборудован под стоянку автотранспорта.

Нечастые, но имеющие место, аварии на золоотвалах – такие как прорывы дамб, когда потоки сильно минерализованной воды отправляются напрямую в близлежащие реки и водоемы, представляю большую угрозу экологии городов.

«Стратегическим решением» правительства г. Москва и РАО «ЕЭС России» приняты законы и выделены средства для перевода всех ТЭС г. Москва с угля на газовое топливо. То же относится и к дальневосточному региону. Для Сибири таких решений и мер не предпринимается, хотя для ТЭЦ-5 г. Новосибирска планировался перевод на газ.

При переходе с твёрдого на газовое топливо себестоимость вырабатываемой электроэнергии значительно возрастает, однако здесь есть и свои плюсы, при использовании сжиженного газа не образуются золы, но остается сопутствующее загрязнение атмосферы. При сжигании газового топлива в атмосферу попадает окись серы, а по количеству выбросов оксидов азота при сжигании газ почти не уступает сжиганию мазута.

Таким образом, на данный момент, можно полагать, что использование углей в качестве основного вида топлива для ТЭЦ г. Новосибирска останется безальтернативным еще долгое время, а вместе с этим, безальтернативным является и вариант складирования отходов работы ТЭЦ – зол уноса.

Основным стимулом для потребителей золы может служить разница в цене на цемент (другие природные минеральные ресурсы) и на ЗШО. Например, исследования Алтайского государственного технического университета показали, что золы углей Харанорского и Уртуйского месторождений (сжигаются на Харанорской ГРЭС, Забайкальский край) при приготовлении бетонных растворов могут заменять до 20 процентов цемента без потерь в прочности. При этом энергетики готовы отдавать золу практически бесплатно [42].

Методики проведения исследований и испытаний основывались на Государственных стандартах. Таким образом, были изучены и освоены методы проведения испытаний образцов тротуарного камня на прочность при сжатии, водопоглощение, истираемость, прочность при изгибе, стойкость к агрессивным средам, морозостойкость.

Основной целью и задачей работы являлась необходимость показать одно из возможных направлений по утилизации отходов и превращению их в полезный строительный материал с минимальными затратами на модернизацию или создание технологической линии и изменением существующей технологии. До сих пор попытки организовать широкое полезное применение не привели к значительным успехам: утилизация ЗШМ в России была и остается на уровне 1015 процентов от объемов их ежегодного образования [42].



Научные положения данной работы основываются на экспериментальных методах проверки путем сравнения теоретических и экспериментальных результатов. Теоретический базис положительного влияния добавления ЗШО в бетонные смеси отражен множеством работ [2,3,4,5,6,7] за продолжительный период времени (некоторые работы датируются 1970-ми годами и по настоящее время).

Литературный обзор

В данный момент в России накоплен большой опыт применения ЗШО в различных отраслях строительства. Множество институтов и исследователей описывают возможные перспективы применения ЗШО, рецептуры и технологии приготовления.

В статье Фахратова М. [8]: «Наиболее крупным потенциальным потребителем промышленных отходов является промышленность строительных материалов, где удельный вес сырья достигнет 50%. Использование промышленных отходов в строительной индустрии является перспективным направлением снижения себестоимости продукции и уменьшения негативной нагрузки на окружающую среду».

Высказывание автора подтверждает сложившуюся ситуацию с накоплением ЗШО и малым его применением.

Так же, Фахратов М. отмечает что «…большинство тепловых электростанций Европейской части России оборудовано системами гидрозолоудаления, получаемые в них зола и ЗШС используются в основном в качестве мелкого заполнителя для бетонов в производстве керамзито- и гипсобетона, низкомарочных растворов и бетонов, в дорожном строительстве…. для эффективного использования зол ТЭС в качестве активной добавки в производстве бетонных строительных деталей и конструкций в последние годы сооружены установки сухогозолоотбора на Европейской части России.».

Стоит отметить правильность данного замечания. В настоящей работе использовались единичные выборки ЗШО с ТЭЦ г. Новосибирска, полученные прямым отбором после сжигания углей. То есть, автоматизировать данный процесс в настоящее время просто невозможно, необходимыкапиталозатраты.

В статье так же ведется речь о роли ЗШО в составе и влиянии на прочностные характеристики бетонов: «Введение в бетон тонкомолотого шлака в количестве 40-60% взамен эквивалентной части цемента позволяет получать бетоны, прочность которых в 1,5-2 раза выше прочности бетонов на промышленно изготовленных цементах. Бетоны с добавкой шлака характеризуются повышенной сульфатостойкостью, удовлетворительной морозостойкостью и рядом других положительных свойств».

В своей статье «Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве» Ватин Н.И., Петросов Д.В. и др. [9] классифицируют виды зол в зависимости от вида сжигаемого угля:

1) Зола-уноса при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и электрофильтрах и накоплением в силосах.

2) Топливные шлаки при полном плавлении минеральной части топлива, осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой аналогично придоменной грануляции доменных шлаков.

3) Золошлаковая смесь при совместном мокром удалении уловленной обеспыливающими устройствами золы-уноса и топливных шлаков, образующихся в котле. Золошлаковая смесь в виде пульпы направляется в золоотвал.

В патенте РФ по приготовлению шламобетона [24] предлагается включение в состав нефтешлама - продукта очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов и минерального вяжущего - известь или цемент. При этом минеральная часть нефтешлама представляет собой полидисперсные частицы (мас.%): СаСО3 и MgCO3, гидроксиды Са(ОН)2, Mg(OH)2, Al(ОН)3, Fe(ОН)3 - 70-75, а органическая часть содержит сырую нефть и продукты ее переработки (включающие фракции масел, смол, асфальтенов и их модификации - асфальтогеновые кислоты), а также воду - 30-25, причем соотношение органической части смеси и воды составляет 1:2. Соотношение компонентов шламобетона, мас.%, следующее: органоминеральная смесь - 86,2-87,6; известь или цемент - 12,4-14,8. К недостаткам этого бетона можно отнести то, что он имеет сравнительно узкий диапазон применения, поскольку по прочности относится ко II и III классам.

Одна из разработок - бетонная смесь (см. патент РФ №2131856, опубл. 10.07.2000) [25], которая содержит в процентах от массы: портландцемент 19,5-20,1, щебень 48,2-48,5, песок 30,0-31,5, суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21-0,50, порошкообразный бентонит 0,4-1,2. Недостатком этого состава является недостаточная прочность и истираемость, а также крошливость краев плитки в процессе укладки.

Известна бетонная смесь, содержащая цемент, щебень, песок и воду, а также суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 в качестве добавки при следующем соотношении компонентов, мас. ч. : цемент - 350, щебень - 1200, песок - 760, вода - 142, суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 - 210 (т.е. 0,6 от массы цемента) или мас.%: цемент - 13,15; щебень - 45,08; песок - 28,55; вода - 5,33; суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 - 7,89.

Недостатками описанной бетонной смеси являются низкая механическая прочность бетона на ее основе для ряда изделий, например, для тротуарных плит, вследствие малого содержания суперпластификатора С-3 (0,6 от массы цемента), значительное коробление плоских изделий на основе этой смеси при увлажнении и сушке, постепенное растрескивание плоских изделий и сокращение срока их службы из-за расслоения бетонной смеси при виброуплотнении для высокопластичных масс, т.к. введение суперпластификатора С-3 без специальных водоудерживающих добавок сильно снижает водоудерживающую способность смеси и, как следствие, из-за нарушения однородности бетона по толщине изделий. Кроме этого, поверхности изделий, изготовленных на основе описанной бетонной смеси, характеризуются темным грязным цветом, так как суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.

Известен способ приготовления декоративной бетонной смеси, включающий одновременное введение портландцемента, заполнителя и белого пигмента - концентрата покровной казеиновой краски. Концентрат покровной казеиновой краски вводят в количестве до 10% от массы цемента [10].

Недостатками этого способа приготовления бетонной смеси являются узкая сфера применения вследствие дефицитности белого пигмента и значительное коробление плоских изделий, изготовленных с использованием этого способа, при увлажнении и сушке, так как полученная бетонная смесь не обладает достаточной водоудерживающей способностью и расслаивается при виброуплотнении, и, как следствие, сокращается срок службы изделий. Кроме этого, изделия, изготовленные с использованием описанного способа, не обладают высокой механической прочностью.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий предварительную обработку цемента суперпластификатором в количестве 2,2 - 20,0% от массы цемента при механическом воздействии 30 - 120 Вт на килограмм обрабатываемой смеси в течение 20,0 - 3,6 · 104 сек, последующее перемешивание в бетоносмесителе полученного вяжущего с заполнителем и затворение водой. В качестве заполнителя используют щебень и песок [31].

Недостатками описанного способа приготовления бетонной смеси являются сложность технологического процесса приготовления бетонной смеси вследствие необходимости использования дополнительного перемешивающего устройства для смешивания цемента с суперпластификатором и повышенный расход дорогостоящего суперпластификатора С-3 (2,2 - 20,0% от массы цемента). Кроме этого, поверхности изделий, изготовленных с использованием описанного способа, характеризуются темным грязным цветом вследствие обработки цемента суперпластификатором С-3, который, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, окрашивает его в темный цвет, придавая всему изделию грязный оттенок и не дает использовать готовые изделия в качестве облицовочного материала.

Известна бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок, суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, порошкообразный поливинилацетат и метилпиразол при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 18,9 - 19,4; щебень 44,1 - 44,5; песок 35,0 - 35,6; указанный суперпластификатор 0,1 - 0,2; порошкообразный поливинилацетат 0,8 - 1,1; метилпиразол 0,1 - 0,2 [26].

Основными недостатками бетонной смеси-прототипа являются, во-первых, низкая механическая прочность изделий на ее основе, т.к. указанное количество суперпластификатора С-3 в бетонной смеси (0,1 - 0,2 мас.%) не обеспечивает снижения требуемого количества воды затворения для бетонной смеси и, следовательно, не приводит к повышению плотности и механической прочности изделий (при увеличении количества суперпластификатора С-3 в бетонной смеси - сверх 0,2 мас.% - замедляются процессы схватыванияи твердения портландцемента, и прирост механической прочности изделий также не происходит), во-вторых, значительное коробление изделий на основе этой бетонной смеси при увлажнении и сушке, что сокращает срок их службы, т.к. для описанной бетонной смеси характерно расслоение при виброуплотнении вследствие низкой водоудерживающей способности смеси, и, как следствие, нарушение однородности бетона по толщине изделий; в-третьих, не обеспечивается необходимая белизна поверхностей изделий, изготовленных на основе этой бетонной смеси, т.к. цвет поверхностей характеризуется как грязноватый, вследствие того, что суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.

В патенте №2307209 [27] заявлен состав для тротуарной плитки, содержащий в себе цемент марки 500-450 мас.ч.; песок - 100-560 мас.ч.; щебень - 1000 мас.ч. и воду в количестве 150 мас.ч., в качестве связующего вещества и пластификатора - нефтесодержащие шламы в количестве 100-560 мас.ч. Данное изобретение наиболее близко подходит к теме настоящей работы. Однако, объемы нефтесодержащих шламов не могут сравниться с объемами золоотвалов, по представляемому для производства материалу. Заявленные физические характеристики полученных образцов полностью удовлетворяют требованиям действующих стандартов (см. табл. 1)

Таблица 1 – Физические характеристики образцов [27]

Параметр

С использованием дезинтегратора (заявляемая)

С использованием в качестве пластификатора нефтесодержащих шламов

Пластификатор "Биотех НМ"

Пластификатор С-3

Предел прочности при сжатии

58,5

39,8

28,0

38,7

При изгибе

8,07

6,12

3,8

6,10

Плотность, гк/м3

2780

2400

2280

2410

Морозоустойчивость, (МРЗ)

290

290

180

290

Водопоглощение, %

3,3

4,0

6,4

3,7

Истираемость, %

1,7

2,0

5,6

2,0

Усадка, %

1,1

1,4

3,6

1,3

Согласно патента № 2106327 [28], приготовление бетонной смеси ведется из высокопрочного цемента, мелкого и крупного заполнителей, суперпластификатора и воды затворения. Заполнители предварительно подготавливают с удалением слабых зерен, посторонних примесей и с разделением их на фракции. В качестве мелкого заполнителя используют песок с показателем дробимости 5–30%, а в качестве крупного – щебень с требуемыми параметрами при объемном соотношении цемента, песка и щебня соответственно Vц :Vп :Vщ = 1,00 : (1,00 – 1,45) : (2,00–3,00).

Количество воды затворения определяют из зависимости для определения проектной прочности бетона, выведенной экспериментально-теоретическим путем, водоцементное отношение выдерживают в пределах В/Ц = 0,24–0,28. Суперпластификатор вводят в смесь в количестве 0,5–1,0% от массы цемента.

Основным недостатком такой разработки является нацеленность на использование дорогостоящих материалов и природных ресурсов. Кроме того, используемые наполнители проходят через дробильные установки, что увеличивает стоимость готового продукта и усложняет сам процесс производства.

В другом патентном документе (№ 2377209) [29] разработка нацелена на увеличение сопротивлению бетонной смеси при сжатии и максимально возможном снижении усадки готовых изделий. Поставленная задача достигается тем, что строительный раствор, включающий цемент, песок, добавку, воду, в качестве песка содержит отход медеплавильного производства со следующим содержанием основных оксидов, мас.%: SiO2 – 29,60; Fe2O3 – 60,60; Аl2О3 – 3,30; CaO – 1,60; CuO – 1,10; ZnO – 2,90; TiO2 – 0,40; РbO2 – 0,40; MnO – 0,04; NiO – 0,02; Сr2О3 – 0,03; CdO – 0,01, а в качестве добавки – золь гидроксида железа (III). Новым по сравнению с известными строительными растворами в данном патенте является сочетание известных компонентов цемента, воды с отходом медеплавильного производства и добавкой золя гидроксида железа (III). Именно, использование многокомпонентного отхода медеплавильного производства, по указанию авторов, с указанными компонентами обеспечивает формирование наиболее плотной структуры строительного раствора, который отличается повышенной прочностью при сжатии, пониженное значение усадки и водопоглощения, т.е. достигается требуемый технический результат за счет значительного повышения гидратационной активности цемента и дополнительного блокирования пор дисперсиями гидроксида железа (III), входящими в состав золя гидроксида железа (III). Стоит отметить, достаточно простую технологию производства образцов в данном методе.

Таблица 2 – Состав бетонной смеси согласно патента [29]



Компонент

Цемент

Отход

медеплавильного производства



Золь гидроксида железа (III)

Вода

Массовая доля, %

15,23-16,42

75,74-76,82

0,04-0,05

7,8-7,9

Известен строительный раствор, содержащий связующее, минеральный наполнитель, мыло хозяйственное и воду, в качестве связующего раствор содержит карбоксилметилцеллюлозу, а в качестве наполнителя – доломитовую пыль [32]. Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность при сжатии, повышенное значение усадки и водопоглощения.

Известен строительный раствор, включающий цемент, известковый компонент, стеарат калия и воду [30]. Недостатком данного технического решения является пониженная прочность при сжатии, повышенное значение усадки и водопоглощения.

Строительный раствор (139841) [32], включает в себя цемент, песок, добавку и воду, в качестве песка используется формовочный отход металлургического производства – формоотход, а в качестве добавки используется добавка на основе стеарата натрия (С17Н35СООNа) при следующем соотношении компонентов, мас. % (см. табл. 3).

Таблица 3 – Состав бетонной смеси согласно патенту № 2139841



Компонент

Цемент

Формоотход

Добавка на основе стеарата натрия C17H35COONa

Вода

Массовая доля, %

24-28

50-60

8-10

8-6

В своих трудах Прокопец B.C. [11,12,13] рассматривает механоактивацию как основной путь к увеличению физико-механических характеристик бетонов на основе отходов ТЭС г. Омска с увеличением вовлеченного объема ЗШО в бетонную смесь.

Согласно изложенным данным [11], часть цементных зерен крупностью 40-60 мкм остается негидратированными и лишь через полгода толщина слоя цементного камня достигает 15 мкм, в то время, как основными цементными зернами, участвующими в наборе прочности цементного камня, являются зерна крупностью 3-30 мкм [14]. Основной проблемой при приготовлении бетонных смесей является неоднородность взаимодействия цементных зерен с водой, вследствие их коагуляции из-за сил молекулярного сцепления.

Уменьшая фракционный состав цемента, повышается удельная поверхность, что должно было бы положительно сказаться на равномерности взаимодействия цементных зерен с водой. Однако, применение молящего оборудования вносит вклад в статью расходов производства и является неэкономичным. Выходом из сложившейся ситуации видится активация вяжущего в процессе приготовления бетонной смеси или вяжущего на стадии смешения с добавками (ЗШО) [11].

Прокопец В. С. объясняет низкое распространение применения ЗШО в производстве следующими их недостатками: «высокие зольность (до 53%) и пористость (до 1600 м2 /кг), а также очень низкая основность (Косн = 0,03, т.е. <<1)что обуславливает высокую водопотребность, что резко снижает прочность получаемых материалов и изделий [24].

Стоит отметить, что в настоящей работе удалось избежать увеличения водопотребности бетонной смеси, используя пластифицирующие добавки в необходимых количествах как для растворов с механоактивированным вяжущим, так и без.

Применение зол ТЭС с обычным механическим смешением явно показывает неактуальность данного метода, выраженную в резком снижении прочности готового продукта (см. рис. 1.1) [12].

Предложенная Прокопцом В. С. смесь получила название Зольцит, и имеет физико-механические характеристики приведенные в табл. 4 [12].

Из таблицы 4 видно, что состав бетонной смеси с прочностью при сжатии 44,5 Мпа (строка 2) наиболее близок по параметрам к проектируемым составам бетонных смесей данной работы. Однако, в составе отсутствует крупный наполнитель (осадочная или вулканическая порода), а присутствуют только ЗШО и шлам.

Таблица 4 - Физико-механические характеристики Зольцита [12]



Содержание компонентов в вяжущем, %

Плотность, г/смЗ

Нормальная густота

цементного теста, %



Сроки схватывания, час-мин начало/ конец



Равномерность изменения

объёма


Предел прочности через 28 суток твердения, МПа

Предел прочности через 90 суток твердения, МПа

Стоимость вяжущего

Цемет

Зола

Шлам

добавка



при сжатии

на

растяжение при изгибе



при сжатии

на

растяжение при изгибе



без НДС, руб/тн

100

-

-




3,1

25

2-50/

5-20


Выдержали

51,2

6,2

-

-

4 788

27

40

30

3

3,04

26,1

2-55/

4-30


Выдержали

44,5

7,4

71,5

9,6

1845

36

40

20

4

3,05

25,5

1-45/

4-55


Выдержали

56,7

7,8

90,6

10,6

2 339

47

29

19

5

3,07

25,4

1-35/

4-35


Выдержали

65,5

8,9

110,5

14,5

2842


Рисунок 1 - Влияние содержания золы в цементе на активность вяжущего [12]


Таким образом, анализируя известную литературу посвященную развитию и изучению технологии введения ЗШО в состав бетонной смеси, можно подытожить:

  1. Введение ЗШО в состав бетонной смеси не ухудшает характеристики готового изделия;

  2. Бетонные смеси с ЗШО обладают рядом повышенных характеристик – прочность при сжатии, изгибе, водопотребность и пр.

  3. Существует реальный опыт внедрения технологии изготовления бетона на основе ЗШО в Сибирском федеральном округе.


  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал