СВОЙСТВА  ЗОЛЫ-УНОС  И  ЗОЛОШЛАКОВ  КОТЛОВ  С  ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ  КИПЯЩИМ  СЛОЕМ  СТАРОБЕШЕВСКОЙ  ТЭС  ДОНЕЦКОЙ  ОБЛАСТИ

Ахмеднабиев  Расул  Магомедович

канд.  техн.  наук,  доцент  Полтавского  национального  технического  университета  имени  Юрия  Кондратюка
Украина,  г.  Полтава

Email:  arasul49@mail.ru

Ахмеднабиев  Расул  Расулович

аспирант 
Полтавского  национального  технического  университета  имени  Юрия  Кондратюка 
Украина,  г.  Полтава

Email: 

PROPERTIES  OF  FLY  ASH  AND  SLAG  FROM  BOILERS  WITH  CIRCULATING  FLUIDIZED  BED  OF  STAROBESHЕVSK  TPP  DONETSK  REGION

Rasul  Akhmednabiev

Ph.D.,  assistant  professor 
of  Poltava  National  Technical  Yuri  Kondratyuk  University
Ukraune,  Poltava

Rasul  Akhmednabiev

postgraduate 
of  Poltava  National  Technical  Yuri  Kondratyuk  University 
Ukraune,  Poltava

АННОТАЦИЯ

  Приведены  свойства  золы-унос  та  золошлаковых  масс  котлов  циркуляционным  кипящим  слоем.  В  донецкой  области  эксплуатируются  несколько  котлов  нового  поколения,  которые  позволяют  сжигать  бедные  каменные  угли  в  том  числе  и  отходы  обогащения  угля.  Золы  и  шлаки,  образующиеся  при  этом  имеют  несколько  другие  свойства  в  отличие  от  традиционных  отходов  ТЭС. 

При  исследовании  свойств  зол  и  золошлаков  применены  современные  методы,  основанные  на  рентгено-фазовых,  (РФА)  спектральных  и  ДТ  анализах. 

Проведены  исследования  по  выявлению  влияния  золы-унос  на  прочностные  свойства  и  сопротивление  попеременному  водонасыщению  и  высушиванию  тяжелых  бетонов. 

ABSTRACT

  The  properties  of  fly  ash  and  slag  of  circulating  fluidized  bed  boilers.  In  the  Donetsk  region  is  operating  a  several  new  generation  of  boilers  that  allow  burning  the  poor  fossil  fuels,  including  and  coal  tailings.  The  ash  and  slag  produced  in  this  case  are  somewhat  different  properties  in  contrast  to  conventional  waste  TPP. 

In  the  study  of  the  properties  of  fly  ash  and  slag,  applied  modern  methods  based  on  X-ray  phase  (XRD),  DT  and  spectral  analyses.

Research  to  identify  the  influence  of  fly  ash  on  the  strength  properties  and  resistance  to  water  saturation  and  drying  of  heavy  concrete.

Ключевые  слова:  Зла-унос;  золошлаки;  котлы  с  циркуляционным  кипящим  слоем;  водонасыщения;  бетоны. 

Keywords:  Fly  ash;  ash  and  slag;  boilers  with  a  circulating  fluidized  bed;  water  saturation;  concrete.

Человечество  нуждается  в  энергии,  жизненного  пространства  и  природных  и  искусственных  материалов,  и  эти  потребности  приводят,  как  правило,  к  производству  отходов.

Некоторые  отходы  образуются  в  процессе  производства  энергии,  например,  при  сжигании  угля  в  котлах  тепловых  электростанций.  До  сих  пор  во  многих  странах  мира  на  тепловых  электростанциях  уголь  выжигают  обычных  котлах,  КПД  которых  достаточно  низкий.  За  последние  15–20  лет  появились  котлы  с  циркуляционным  кипящим  слоем,  в  которых  уголь  сжигается  дольше  чем  в  традиционных  котлах,  поэтому  уголь  сгорает  полностью.  Подобные  котлы  эксплуатируются  на  Украине  с  2001  года  на  одной  из  крупных  тепловых  электростанций  в  Европе  Старобешевской  ТЭС.

Золы  и  золошлаки  делят  на  висококальциевые  (СаО>  20  мас.%)  и  низкокальциевые  (СаО  <20  мас.%).  Для  первых  преобладающими  являются  кристаллические  фазы,  а  для  вторых  –  стекло  и  аморфизированные  глинистые  вещества.  Висококальциевые  золы  делят  на  низкосульфатные  (S0₃  <5  мас.%),  полученные  при  обжиге  угля  и  торфа,  и  сульфатные  (S0₃>  5  мас.%),  полученные  при  обжиге  сланцев  [2].

Единой  общей  классификации  золошлаковых  отходов  не  существует.  Первая  классификация  была  проведена  в  1953  г.  при  разработке  стандарта  ASTM.  В  1960  г.  было  предложено  рассматривать  золу  как  пуццолановую  добавку,  а  в  1968  г.  натуральные  пуццоланы  и  золы  были  объединены  в  один  стандарт  ASTM  С  618  под  обобщенным  названием  «минеральные  добавки»  [3].

Зола-унос  не  требует  дальнейшей  обработки  при  добавлении  в  портландцемент  или  бетон.  Она  должна  удовлетворять  требованиям  ДСТУ  В.2.7-205:  2009  «Зола-унос  тепловых  электростанций  для  бетонов»  [1].

В  производстве  тяжелых  бетонов,  сборных  и  монолитных  железобетонных  конструкций  зола-унос  может  заменять  часть  песка  или  цемента,  а  также  использоваться  как  самостоятельный  компонент  -  активный  микронаполнитель.  Шлаки  и  золошлаки  могут  частично  или  полностью  заменять  песок.  Свойства  бетона  при  применении  золы-уноса  улучшаются,  поэтому  она  получила  широкое  распространение  и  пользуется  заслуженной  популярностью  у  производителей

Зола-унос  и  золошлаки,  как  правило,  имеют  серый  или  светло-серый  цвет,  близкий  к  цвету  цемента,  но  зола  и  золошлаки  полученные  после  обжига  угля  в  котлах  с  циркуляционным  кипящим  слоем  имеют  красноватый  оттенок.  Красноватый  оттенок  обусловлен  превращениями  оксида  железа  в  глинистых  минералах  при  сгорании  угля,  что  дает  терракотовый  цвет. 

Цель  работы:  изучение  свойств  золы-унос  и  золошлаков  котлов  с  циркуляционным  кипящим  слоем  Старобешевской  ТЭС.

Истинная  плотность  золы-унос  и  золошлаков  определялась  традиционным  методом,  и  равна  2,47  г  /  см³.  Насыпная  плотность  золы-унос  800  кг/м³,  а  золошлаков  1320  кг/м³.  Анализ  гранулометрического  состава  золошлаков  соответствует  модулю  крупности  Мкр  =  1,1.  Гранулометрический  состав  золы-унос  определяли  с  помощью  лазерного  анализатора  размеров  частиц  Cilas  990:0.2-500µm.  В  составе  золы-унос  преобладают  частицы  размерами  менее  82  микрон. 

Для  более  досконального  изучения  свойств  была  использована  методика  рентгено-фазового  анализа  (РФА),  спектроскопию  и  дифференциально-термического  анализа.

Рисунок  1.  Рентгенограмма  золы-уноса  и  золошлаков

В  результате  исследований  были  определены  химические  составы  золы-унос  и  золошлаковой  массы,  которые  приведены  в  таблице  1.

Таблица  1. 

Химический  состав  золы-уноса  и  золошлаков  котлов  с  циркуляционным  кипящим  слоем  Старобешевской  ТЭС

По  количеству  содержания  СаО  зола-унос  относится  к  низкокальциевым  (СаО  <20  мас.%),  т.  е.  к  кислым,  по  содержанию  SO₃  к  сульфатным  (S0₃>  5  мас.%).  Золошлаки  относятся  к  высококальциевым  (СаО>  20  мас.%),  т.  е.  основным,  а  по  содержанию  SO₃  в  сульфатных  (S0₃>  5  мас.%).

Как  видно  из  таблицы  в  составе  золы-уноса  и  золошлаков  отсутствует  часть  несгоревшего  угля,  что  снимает  ограничения  применения  их  в  тяжелых  бетонах.  Наиболее  вредным  компонентом  является  сернистый  газ,  который  может  быть  соединенной  с  другими  оксидами  в  виде  ангидрида  СаSO₄  или  сернокислого  железо  FeSO₄.  В  обоих  случаях  серные  соединения  могут  привести  к  образованию  вторичного  эттрингита,  что  может  привести  к  разрушению  структуры  затвердевшего  цементного  камня.

В  данной  работе  исследовано  влияние  золы-унос  на  стойкость  тяжелых  бетонов  против  водонасыщения  и  высушивания.  При  исследовании  был  применен  метод  математического  планирования  эксперимента.  В  качестве  переменных  факторов  были  принять:  Х1  –  расход  цемента;  Х2  –  содержание  золы-уноса  вместо  песка,  что  варьировалось  от  0  до  1.;  Х3  –  расходы  гиперпластификатора  на  основе  модифицированных  поликарбоксилатов  «Fluid  Premia  196».  Исследования  проведены  на  образцах-кубиках  размером  ребра  100  мм.  Для  изготовления  образцов  были  использованы:  щебень  мелкий  гранитный  фракции  5–10  мм,  песок  речной  с  модулем  крупности  Мкр  =  1,1,  цемент  марки  500  Балаклейского  завода  Харьковской  области  и  зола-унос  котлов  с  циркуляционным  кипящим  слоем  Старобешевской  ТЭС.  Образцы  были  изготовлены  в  металлических  формах  и  хранились  в  лабораторных  условиях  в  течение  28  суток.

После  твердения  основные  образцы  были  испытаны  на  прочность  при  сжатии.  Результаты  испытаний  были  обработаны  программой  СТАТИСТИКА  -  10  и  приведены  на  рис.  2.

Три  серии  образцов  в  которых  часть  золы-унос  была  максимальной,  минимальной  и  среднего  значения  подвергались  испытанию  на  стойкость  против  водонасыщения  и  высушивания.  Основные  образцы  были  погружены  в  воду  на  24  часа,  а  контрольные  продолжали  храниться  в  лаборатории.  После  24  ч  образцы  доставались  из  воды  высушивались  в 

Рисунок  2.  Поверхности  влияния  переменных  параметров  на  прочность  при  сжатии

течение  24  ч  при  температуре  110°  С.  После  50  циклов  испытания  были  остановлены  и  образцы  подвергались  испытанию  на  прочность  при  сжатии.  Результаты  испытаний  приведены  на  рис.  3.

На  графиках  наблюдаем,  что  с  увеличением  содержания  цемента  прочность  при  сжатии  бетонов  растет,  как  и  следует  ожидать.  Но  влияние  золы-уноса  на  прочность  при  сжатии  выглядит  иначе.  При  минимальных  и  максимальных  значениях  расходов  золы-уноса  прочность  при  сжатии  меньше,  а  при  средних  значениях  содержания  золы  –  вынесения  прочность  при  сжатии  бетонов  незначительно  растет.  Очевидно,  что  при  средних  значениях  содержания  золы-уноса  бетон  приобретает  максимального  уплотнения  вследствие  чего  прочность  при  сжатии  возрастает.

Наличие  пластификатора  способствует  увеличению  прочности  при  сжатии.  При  увеличении  расходов  пластификатора  в  рамках  эксперимента,  прочность  при  сжатии  бетона  пропорционально  возрастает.  При  анализе  совместного  влияния  содержания  золы-унос  и  расхода  пластификатора  можно  выделить  область  их  оптимальных  расходов  –  среднее  значение  содержания  золы-унос  и  расход  пластификатора  1,0  %  от  массы  цемента.

Рисунок  3.  Сравнительный  анализ  прочности  при  сжатии  тяжелых  бетонов  после  50  циклов  увлажнения  и  высушивания:  1  –  образцы  без  золы-уноса;  2  –  образцы  с  золой  и  песком  1:  1;  3  –  образцы  с  полной  заменой  песка  золой-уноса.  Ряд1  –  контрольные  образцы;  Ряд2  –  основные  образцы

На  диаграмме  наблюдаем,  что  после  испытания  на  стойкость  против  водонасыщения  и  высушивания  основные  образцы  показали  уменьшение  прочности  при  сжатии  на  4,5  ....  11,5  %.  Необходимо  отметить,  что  бетон  при  использовании  золы-унос  приобретает  большую  плотность,  что  способствует  снижению  водопоглощения. 

Таким  образом,  установлено,  что  прочность  тяжелого  бетона  при  полной  замене  песка  золой-унос  в  возрасте  трех  месяцев  снижается  на  23  %.  Очевидно,  в  этом  возрасте  микрокремнезём  еще  инертен  по  отношению  к  продуктам  гидратации  портландцемента. 

Гиперпластификатор  “Fluid  Premia  196”  способствует  возрастанию  прочности  бетонов  при  сжатии  и  оптимальным  расходом  является  1,0–1,2  %  от  массы  цемента. 

С  ведением  золы-унос  котлов  с  циркуляционным  кипящим  слоем  вместо  песка  устойчивость  тяжелых  бетонов  против  водонасыщения  и  высушивания  не  снижается.  При  проведении  эксперимента  на  контрольных  образцах  появление  трещин  не  обнаружено,  что  свидетельствует  об  отсутствии  внутренних  напряжений.  Можно  предположить,  что  минерал  эттрингит  образовался  еще  в  процессе  твердения  бетона.  Однако,  такое  предположение  требует  дальнейшего  подтверждения  соответствующими  исследованиями. 

Список  литературы:

1. ДСТУ  Б  В.2.7-205:2009«Зола-винесення  теплових  електростанцій  для  бетонів». 
2. Кривенко  П.В.  Цементы  и  бетоны  на  основе  топливных  зол  и  шлаков.  /Кривенко  П.В.,  Пушкарева  Е.К.,  Гоц  В.И.,  Ковальчук  Г.Ю.  //  КНУБА:  К.  –  225  с.
3. Antone  E.I.  Characterisation  of  Solid  Wastes  from  Circulating  Fluidised  Bed  Combustion.  /  Antone  E.I.  ,Ross  G.G.,  Berry  E.E.,  Hemings  R.T.,  Kissel  R.K.  //March,  –  1995.  –  V.  18.  –  P.  180–190.