К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ С ПОМОЩЬЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Сультимова Валентина Дампиловна

канд. техн. наук, доцент ВСГУТУ, г. Улан-Удэ

Инкеева Сэсэгма Андреевна

студент, ВСГУТУ, г. Улан-Удэ

E-mail:

Состав и свойства золошлаковых отходов ТЭС зависят от минерального состава топлива и способа его сжигания. Угли разных месторождений и, соответственно, золы, образующиеся при их сжигании, существенно различаются по составу минеральной части — содержанию и соотношению основных элементов. Они содержат окислы ряда таких элементов, как кремний, алюминий, кальций, железо, магний, натрий, калий, а также микрокомпоненты, содержание которых менее 0.1 %. Это германий, галлий, ванадий, титан, стронций, скандий, литий, молибден, бериллий, кобальт, цирконий, хром, никель, золото, серебро, редкоземельные металлы (лантан, иттрий, иттербий). Присутствие в золах комплексов этих ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождений, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку. В процессе фракционирования золошлаковых отходов выделяются магнитные микросферы, применяемые в металлурги, приборостроении, радиотехнике и электронике. Себестоимость получения редких металлов из зол на 60 % ниже, чем их извлечение из промышленных руд. При этом кроме существенного экономического эффекта решаются многие экологические проблемы.

В настоящее время основное количество золы используется в строительной индустрии (производство цемента, кирпича, изделий из ячеистого бетона, шлакоблоков, легких заполнителей, рубероида, керамзита), в строительстве дамб золошлакоотвалов, строительстве и ремонте дорог. Применение зол и шлаков ТЭС в качестве строительных материалов является наиболее масштабным направлением и может решить проблему дефицита стройматериалов в регионах Российской Федерации. За счет использования золошлаковых отходов экономится до 30 % цемента и более половины природных заполнителей, снижается теплопроводность бетонов, снижается масса зданий и сооружений.

Существующие производства получения минеральных волокон недостаточно эффективны, применяемые аппараты малопроизводительны, поскольку сырье поступает в окускованном виде. Печи громоздки и требуют больших эксплуатационных затрат, также требуются дополнительные энергоемкие операции при переработке руд и измельченных горных пород [1, c. 130]. Применение плазменных технологий для переработки зольных отходов, в частности для производства минеральных волокон, открывает широкие возможности по преодолению тех технологических трудностей, которые возникают в традиционных способах получения минеральных волокон.

Во-первых, процесс из многостадийного превращается в одностадийный с возможностью эффективного автоматического регулирования.

Во-вторых, за счет высокой температуры резко уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

В-третьих, сокращается время прогрева шихты для плавления, а следовательно снижаются затраты по энергии и времени, возрастает производительность.

Использование электродуговых генераторов низкотемпературной плазмы позволяет в принципе изменить процесс получения минераловатного продукта.

По сравнению с плазменной техникой, применяемой для обработки неорганических материалов, плазменный реактор обладает рядом преимуществ. Во-первых, это очень компактное оборудование; во-вторых, перерабатываемый материал используется практически без предварительной подготовки, за исключением механической фракционной подготовки; в-третьих, процесс плавления сырья и волокнообразования совмещены в одном устройстве, чем обеспечивается одностадийность производства; в-четвертых, конструкция устройства допускает в достаточно широких пределах регулировку рабочих параметров (скорость вращения реактора, мощность источника тепловой энергии), что предоставляет возможность создания автоматической системы управления процессом.

Физико-химическими методами установлено, что при плазменной обработке силикатосодержащих материалов происходит, прежде всего, дегидратация гидратных соединений и декарбонизация карбонатов, которые протекают по топотактическому механизму, т. к. структура гидросиликатов кальция, входящих в состав основы изделия, идентична структуре волластанитов, имеющий волокнистый характер.

Воздействие высококонцентрированного потока плазмы происходит с образованием расплава, который частично диффундирует в поры и микротрещины изделия. Вследствие того, что входящие в состав силикатосодержащих строительных материалов соединения имеют различную температуру плавления и грубодисперсность основы, процесс плавления является неоднородным и локальным. Кроме того, плавление протекает мгновенно, поэтому газовые фазы способствуют образованию пористого покрытия. Структура оплавленной поверхности в значительной степени зависит от режима работы плазмотрона.

Основные реакции, протекающие при образовании стекловидного покрытия и переходного слоя, подвергались термодинамическому анализу, были рассчитаны изменения энергии Гиббса в интервале температур 300—2000 K. Анализ показал, что процессы разложения гидросиликатов кальция протекают в зонах 1—2 мм от поверхности. В зонах более высоких температур происходят фазовые переходы полиморфных превращений кремнезёма, а также волласстанита. Проведенные расчеты подтверждают температуру перехода и конгруэнтность плавления. Также установлено, что образование расплава из кварца происходит минуя модификации тридимита и кристобалита в метастабильном состоянии [2, c. 53].

Таким образом, интенсивность плазменной обработки должна подбираться индивидуально с учетом особенностей фазового состава шихты силикатосодержащих материалов и гранулометрического состава заполнителя, и при фиксированной мощности плазменного генератора может регулироваться скоростью обработки.

Исходным материалом взята зола Тугнуйского угля, который имеет следующий химический состав (масс. %):

K₂O - 2,15; Na₂O - 0,58; SiO₂ - 45,0; Al₂O₃ - 14,6; P₂O₅ - 0,93; CaO - 12,62; MgO - 9,05; TiO₂ - 0,82; Fe₂О₃- 14,25.

Полученные плазменной технологией минеральные волокна были исследованы следующими методами:

1. определение водостойкости
2. определение содержания «корольков»
3. определение среднего диаметра волокон
4. определение содержания органических веществ
5. определение модуля кислотности
6. определение влажности

Результаты термодинамического расчета выполнены по известной универсальной программе АСТРА-4.

Полученная плазменной технологией минеральная вата по результатам исследований имеет следующие физико-химические свойства: водостойкость 2,08; содержание корольков 22,5; средний диаметр 10,84 мкм; относительная влажность 0,128 %; кислотостойкость 98,5 %; щелочестойкость 97,71 %; средняя длина волокон 60 мм; температуроустойчивость 1600 К; модуль кислотности 13,8 %.

Оптимальная температура составила 1400—1600 К, при которой выбранный способ эффективен и экологически чист.

Электрическая мощность установки составляет 60—100 кВт. Удельные затраты электроэнергии – 3 кВт*ч/кг.

Выводы:

1. Исследована и выявлена эффективность использования тепловой энергии высококонцентрированных потоков низкотемпературной плазмы при получении минеральных волокон из золошлаковых отходов тепловых электрических станций.
2. Применение плазменной технологии производства минеральных волокон позволит утилизировать большое количество зол, скапливающихся сегодня в золоотвалах.

Список литературы:

1. Горяйнов К. Э., Коровникова В. В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. М.: Наука и техника, 1975. – 130 с.
2. Чистяков Б. З., Лялинов А. Н. Использование минеральных отходов промышленности в производстве строительных материалов. Л.: Стройиздат, 1984 – 53 с.