Месторождения золошлаковых отходов

При сжигании твердого топлива - многозольных углей и горючих сланцев и торфа - на тепловых электростанциях образуют следующие виды золошлаковых отходов.

1.Зола-унос - тонкодисперсный материал, состоящий из минеральной части сжигаемого топлива и улавливаемый специальными устройствами из отходящих газов ТЭЦ. Размер частиц золы-уноса колеблется от 3,5 до 100-150 мкм. Плотность золы-уноса составляет 2,0-2,5 г/см³, насыпная плотность 5-8 г/см³ (рис.2.3.1).

Рис. 2.3.1 Зола-унос Новочеркасской ГРЭС

2. Шлак - агрегированные и сплавившиеся частицы золы размером от 0,13 до 30 мм (рис.2.3.2).

3. Золошлаковые отходы - механическая смесь золы-уноса и шлаков (рис.2.3.3).

При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются золав виде пылевидных остатков и кусковой шлак,а также золошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200-1700 °С) обработки минеральной части топлива.

Рис.2.3.2 Топливный шлак Новочеркасской ГРЭС

Рис.2.3.3 Техногенное месторождение золо-шлаковых смесей

Новочеркасской ГРЭС

В зависимости от температурных условий образование золы и топливных шлаков возможно без плавления, в присутствии расплава и при полном расплавлений исходных компонентов. В первом случае золы и шлаки образуются при сжигании низкокалорийных видов твердого топлива. Получение из расплава характерно для гранулированных топливных шлаков. Наиболее характерно получение топливных зол и шлаков в результате взаимодействия расплава с твердыми фазами.

Образование шлаков и зол первых двух групп происходит обычно в слабо окислительной среде, что способствует окислению органических соединений и сульфидов и присутствию соединений железа в трехвалентном виде. Образование отходов третьей группы происходит в восстановительной среде, что приводит к сохранению сульфидной серы и преобладанию двухвалентных соединений железа.

Зольная часть Донецкого, Печорского, Кузнецкого, Карагандинского и ряда других бассейнов содержит не более 8-10 % СаО. Высококальциевой зольной частью с содержанием СаО 15-40 % характеризуются каменные и бурые угли ряда бассейнов Средней Азии и Сибири, многие типы торфа и горючие сланцы. У последних содержание в зольной части СаО составляет 25-60 %.

Соотношение золы-уноса и шлаков определяется видом топлива и технологией его сжигания. В топках с твердым шлакоудалением в шлак переходит 10-20 % золы, с жидким - 20-40 %, в циклонных топках -85-90 %. Характерной особенностью золы-уноса является наличие в ней несгоревших частиц топлива, количество которых колеблется от долей процента до 22 %, в зависимости от вида топлива и технологии сжигания. В топливных шлаках содержание горючих веществ не превышает 1 %.

Физико-механические свойства золошлаковых отходов (минеральный, химический состав, дисперсность, влажность, гидравлическая активность и др.) колеблются в широких пределах в зависимости от вида используемого топлива, технологии сжигания, способа удаления отходов (гидро- или пневмоудаление).

Золы пылевидного сжигания проходят высокотемпературную обработку. Они имеют сравнительно однородный химический состав и незначительное содержание несгоревших частиц топлива. Некоторая часть золы оседает на трубах котла, поде и стенках топки, но основная ее масса (зола-унос) уносится с дымовыми газами, улавливается и скапливается в бункерах, откуда удаляется потоком воды или пневмотранспортом. На большинстве действующих ТЭС применяют систему гидроудаления для транспортирования золошлаковых смесей в отвалы.

Для применения золы в производстве строительных материалов предпочтительнее применять систему пневмоудаления золы (рис. 2.3.4), которая позволяет поставлять золу потребителям в сухом виде, с меньшим содержанием несгоревших частиц и предотвращать ее смерзание в отвалах зимой.

Рис. 2.3.4 Схема промышленной установки сухого отбора золы

Наиболее эффективными золоуловителями являются электрофильтры, КПД которых равен 95-97 %. В настоящее время установки для сухого золоудаления имеются на ряде тепловых электростанций, а количество улавливаемой золы превышает 10 млн. т в год.

Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5-100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев - мергели с примесями гипса и песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.

Основным компонентом золы-уноса является стекловидная алюмосиликатная фаза, составляющая 40-65 % всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать α-кварц и муллит, а при повышенном содержании Fе₂0₃ также гематит. Количественное соотношение между α-кварцем и муллитом определяется соотношением SiO₂ /А1₂0₃. С увеличением последнего содержание α -кварца в кристаллической фазе возрастает, а муллита убывает. Соответственно несколько возрастает активность зол по поглощению извести. Золы, обогащенные оксидами железа, более легкоплавки, в них образуется больше стекла.

Стекло в золах можно рассматривать как материал, содержащий аморфиты - образования, близкие по составу и структуре к соответствующим кристаллическим фазам, но с высокой удельной поверхностью,- и неупорядоченные глиноземисто-кремнеземистые прослойки между ними. Способность стекловидной фазы к гидратации и гидролизу объясняется рыхлой субмикроструктурой и относительно высокой проницаемостью аморфитов, обусловленной пустотами между ионными группировками. Активность промежуточного аморфного вещества стекловидной фазы определяется соотношением глинозема и кремнезема, чем оно больше, тем легче идет процесс гидратации зольного стекла в щелочной и в сульфатно-щелочной среде. В нейтральной среде зольное стекло устойчиво. На гидравлическую активность кальциево-алюмосиликатного стекла, содержащегося в золе, положительно влияют примеси оксидов магния, железа и некоторых других элементов.

Определенной гидравлической активностью в золах, наряду со стекловидной фазой, обладает дегидратированное и амортизированное глинистое вещество. Активность зависит от минералогического состава глин, входящих в минеральную часть топлива, и повышается при тепловой обработке. С повышением в золе содержания аморфизированного глинистого вещества увеличивается ее водопотребность.

Если минеральная часть топлива содержит значительное количество карбонатов, то в золе образуются низкоосновные силикаты и ферриты кальция, способные взаимодействовать с водой.

В небольшом количестве в золы входят следующие примеси: свободные оксиды кальция и магния, сульфаты, сульфиды и др.

В золах, как правило, содержится углерод в виде различных модификаций коксовых остатков. Содержание их зависит от вида сжигаемого топлива: для бурых углей и горючих сланцев оно составляет менее 4 %, каменных углей - 3-12 %, антрацита - 15-25 %. Содержание несгоревших частиц в тонкодисперсных фракциях золы меньше, чем в грубодисперсных.

Химический состав зол-уносов колеблется в зависимости от месторождений углей. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС (%): SiO₂ - 37-63; А1₂О₃ - 9-37; Fе₂0₃ - 4-17; СаО - 1-32; МgО - 0,1-5; SО₃ - 0,05-2,5; Nа₂О+ К₂О - 0,5-5. Потери при прокаливании, характеризующие содержание в золе несгоревших углеродистых частиц, составляют 0,5-30 %.

Важными показателями качества золы являются ее дисперсность и гранулометрический состав. Дисперсность золы-уноса выражается обычно удельной поверхностью, определяемой методом воздухопроницаемости, а также значениями остатков на ситах при просеивании. Прямой зависимости между этими двумя показателями нет. Удельная поверхность зол-уносов составляет 1000-4000 см²/г. Во многих случаях она приближается к удельной поверхности цемента. Золы, содержащие большее количество остатков несгоревшего топлива, имеют более высокие значения удельной поверхности.

Гранулометрический состав зол колеблется в широких пределах: размеры зерен 1-200 мкм. В золах содержание фракции более 85 мкм обычно не превышает 20 %. Около 50 % частиц золы имеют обычно размеры 30-40 мкм. Более крупные золы образуются при повышенном содержании в минеральной части топлива оксидов-плавней СаО и Fе₂О₃.

Дисперсность золы зависит от тонкости измельчения пылевидного топлива. Также на тонкость измельчения получаемой золы существенно влияет режим сжигания топлива. Важным фактором является тип коллектора для сбора золы. Наиболее дисперсная зола улавливается электрофильтрами, при этом для различных полей электрофильтров гранулометрический состав золы меняется.

Различные фракции золы имеют разные истинную и среднюю плотности, что объясняется химико-минералогическим составом и формой частиц. Крупные фракции имеют повышенное содержание А1₂О₃. Плотность частиц уменьшается с возрастанием в них содержания коксовых частиц. Средняя насыпная плотность золы составляет 600-1000 кг/м³, истинная плотность - 1800-2400.

Для золы характерно значительное содержание частиц с мелкими замкнутыми порами, которые являются результатом вспучивания расплавленной минеральной массы газами, выделяющимися при дегидратации глинистых минералов, диссоциации частиц известняка, гипса и органических веществ. Общий объем пор может достигать 60 % объема частиц золы. Высокое содержание микропор в золе обусловливает высокое значение ее действительной удельной поверхности. Измерения действительной удельной поверхности золы, выполненные по адсорбции азота, показали, что она на порядок выше удельной поверхности цемента. С высокой действительной поверхностью золы связаны такие ее свойства, как адсорбционная способность, гигроскопичность, гидравлическая активность.

Золы подразделяются на высококальциевые (СаО > 20%) и низкокальциевые (СаО < 20%). Для первых преобладающими являются кристаллические фазы, для вторых - стекло и аморфизованное глинистое вещество. Высококальциевые золы в свою очередь делят на низкосульфатные(SО₃ < 5 %), получаемые при сжигании угля и торфа, и сульфатные (SО₃ > 5%) - при сжигании сланцев.

Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности М_О, который для основных зол составляет М_О > 0,9; кислых - 0,6-0,9; сверхкислых – М_О < 0,6. В основных золах суммарное содержание СаО + Мg0 достигает 50 %, в сверхкислых – 12 %. Последние являются более распространенными.

По величине удельной поверхности золы делят на: тонкодисперсные (S > 4000 см²/г), среднедисперсные (2000-4000 см²/г) и грубодисперсные (8 < 2000 см²/г). При насыпной плотности менее 800 кг/м³ золы считаются легкими, 800-1000 - средней плотности и более 1000 - тяжелыми.

Шлаки - основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10-25 % от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 1000 °С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300 °С.

В связи с интенсификацией процессов сжигания твердого топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей и сланцев перспективно применение топок с жидким шлакоудалением. Продуктами жидкого шлакоудаления из энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава. Жидкое шлакоудаление обеспечивается подогревом воздуха до температуры около 700 °С или снижением температуры плавления минеральной части топлива при добавке к ней флюса. В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью.

Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом. При гидравлическом способе, имеющем пока большее распространение, золы и шлаки смешиваются.

Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14-20 мм. Химический состав шлаков, как и зол, может изменяться в широком диапазоне - от сверхкислых (М_О< 0,1) до основных (М_О > 1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20 % и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85-98 %, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкальциевого силиката и других минералов.

В зависимости от содержания несгоревших углеродистых частиц золы и шлаки ТЭС делят на 6 категорий (%): 1 - до 5; 2 – от 6до10; 3 - от 11 до 15; 4 - от 16 до 20; 5 - от 21 до 25; 6 - более 25%.

Гидравлическая активность топливных гранулированных шлаков, выраженная количеством поглощенной извести, составляет 20-30 мг/г. Непосредственное влияние на гидравлическую активность шлаков имеет их фазовый состав. Структура зерен шлака зависит от условий охлаждения. Так, шлаковые зерна, полученные при непосредственном попадании расплава в воду, т. е. при отсутствии условий кристаллизации, состоят из однородного алюможелезистосиликатного стекла. В воздушных условиях шлаковый расплав характеризуется более медленным режимом охлаждения, что способствует образованию зародышей кристаллов, вследствие чего структура шлака отличается закристаллизованностью.

Гранулированные шлаки от сжигания углей с низкокальциевой минеральной частью относятся к труднокристаллизующимся даже при относительно медленном охлаждении, содержат не более 10-15 % кристаллических компонентов.

Физико-механические характеристики шлака, его структура зависят от вида сжигаемого топлива и способа его удаления. Среди общей массы шлака можно выделить плотные и пористые зерна с различным количеством открытых и закрытых пор. Средняя плотность таких зерен может колебаться от 2,6 до 1,5 г/см³, в редких случаях встречаются зерна со средней плотностью до 1 г/см³. Истинная плотность шлака в основном 2,3-2,7 г/см³, насыпная находится в пределах 1100-1700 кг/м³.

Ресурсы золошлаковых отходов в СНГ велики. В настоящее время на твердом топливе работает свыше 300 электростанций, на которых образуется более 100 млн. т зол и шлаков в год. Размещены электростанциипрактически по всей территории страны, но их мощности, а соответственно, и выход золошлаковых отходов колеблются в широких пределах. Наибольшее количество отходов образуется, млн. т: в Казахстанском 18, Уральском 17 и Донецко-Приднепровском 13 районах.

В связи со деятельностью новых электростанций в Канско-Ачинском, Павлодар-Экибастузском территориально-производственных комплексах и в других районах страны выход золошлаковых отходов должен возрасти. Ожидается, что к 2015г. он достигнет 150 млн.т.

Утилизация отходов сжигания твердого топлива в СНГ в настоящее время находится на низком уровне и составляет немногим более15 млн. т в год (15 % годового выхода), из которых на производство строительных материалов идет немногим более 8 млн. т и 7 млн. т на обвалование дамб и известкование почв.

В строительной индустрии основным потребителем золошлаковых отходов является на современном этапе производство бетона (более 3,5 млн.т. в год), далее идут: производство цемента (около 2 млн.т.), дорожное строительство и изготовление кирпича (по 1 млн.т). Для получения пористых заполнителей используется не более 200 тыс. т. в год. Такие эффективные материалы на основе золошлаковых отходов как шлако- и золоситаллы, минеральная вата, литые изделия, золокерам и др., в промышленных масштабах в СНГ не производятся.

В отвалы тепловых электростанций ежегодно поступает 85 млн. т. отходов, а всего их к настоящему времени накоплено около 4 млрд.т. Занятая ими площадь достигает 150 тыс. га, в том числе 8 тыс. га в черте городов. Следует отметить, что возможности утилизации золошлаковых отходов во многом зависят от наличия установок по отбору сухой золы, поскольку широко распространенное гидроудаление зол приводит к нестабильности их качественных характеристик.

ВОПРОСЫ И ПРОЕКТНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ МОДУЛЯ 2:

Проектные задания:

1. Составить схему образования техногенных месторождений шлаков доменного производства.

2. Составить схему образования техногенных месторождений сталеплавильных шлаков.

3. Составить схему образования техногенных месторождений медеплавильных шлаков.

4. Составить схему образования техногенных месторождений топливных шлаков.

5. Составить схему образования техногенных месторождений шлаков производства титана.

6. Составить схему образования техногенных месторождений шлаков производства никеля.

7. Составить схему образования техногенных месторождений гранулированных шлаков.

8. Составить схему образования техногенных месторождений шлаков производства ферросплавов.

9. Определить области использования в стройиндустрии шлаков доменного производства.

10. Определить области использования в стройиндустрии медеплавильных шлаков.

11. Определить области использования в стройиндустрии сталеплавильных шлаков.

12. Определить области использования в стройиндустрии топливных шлаков.

13. Определить области использования в стройиндустрии шлаков производства титана.

14. Определить области использования в стройиндустрии шлаков производства никеля

15. Определить области использования в стройиндустрии месторождений гранулированных шлаков

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое техногенное месторождение шлаков доменного производства?

2. Что такое техногенное месторождение сталеплавильных шлаков?

3. Что такое техногенное месторождение медеплавильных шлаков?

4. Что такое техногенное месторождение топливных шлаков?

5. Что такое техногенное месторождение шлаков производства титана?

6. Что такое техногенное месторождение шлаков производства ваннадия?

7. Что такое техногенное месторождение шлаков производства никеля?

8. Что такое техногенное месторождение гранулированных шлаков?

Тесты рубежного контроля:

1. Основная масса шлаков (более 70 %) образуется при металлургическом переделе руд:

а. черных металлов

б. меди

в. алюминия

г. титана

2. Наиболее распространенным способом переработки шлаков является:

а. флотация

б. сеперация

в. грануляция

3. Использование какого шлака в качестве алюмосиликатного и окрашивающего компонента сырьевой шихты позволяет получить портландцементный клинкер зеленого цвета?

а. топливного

б. доменного.

в. феррохромового