Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Общая характеристика отходов

К отходам топливно-энергетической промышленности относятся продукты, получаемые в виде отходов при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту группу отходов разделяют по источнику образования, виду топлива, числу пластичности минеральной части отходов, содержанию горючей части, зерновому составу, химико-минералогическому составу, степени плавкости, интервалу размягчения, степени вспучиваемое.

Отходы добычи и обогащения угля. Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.

Шахтные отвальные породы наиболее часто представлены аргиллитами, алевритами, песчаниками, известняками.

Метаморфизированные аргиллиты, алевриты и песчаники обладают высокой плотностью и, как правило, трудно размокают в воде. Их можно отнести к малопластичному или непластичному глинистому сырью.

По сравнению с глинами аргиллиты обладают более высокой прочностью, которая составляет 2—4 МПа при естественном залегании. Алевриты по сравнению с аргиллитами имеют более крупнозернистое строение.

Для применения в производстве строительных материалов наибольший интерес представляют отходы углеобогащения, характеризуемые наименьшими колебаниями состава и свойств. Содержание угля, не выделенного в процессе обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены обычно в виде кусков крупностью 8—80 мм.

В соответствии с типовыми схемами технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения подвергают гидравлической классификации по крупности, затем обогащают методом гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного обогащения углей). При обезвоживании концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты).

В зависимости от способа получения отходов и их класса по крупности содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (10—30%) находится в отходах флотации. В отходах гравитационного обогащения класса 1—13 мм количество угля может достигать 15%, а в отходах класса 13—150 мм — 4—7%. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3—4%.

Влажность отходов зависит от способа их получения. Естественная влажность аргиллитов 4—5%. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25—30%.

В отличие от отвальных пород угольных шахт отходы углеобогащения характеризуются более высоким содержанием угля, более стабильным вещественным составом, меньшим содержанием песчаников и большим содержанием аргиллитов, увеличением содержания серы и уменьшением механической прочности.

Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи — глинистые и глинисто-песчаные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.

Залежи природных горелых пород широко распространены в различных регионах. Истинная плотность их составляет 2,4—2,7 г/см3, средняя плотность — 1300—2500 кг/м3, прочность на сжатие — 20—60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800—1000 °С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сор-бционной способностью. Содержание несгоревшего топлива в глие-жах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.

К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Породы смешаны с отходами угля, горючих сланцев, серой и др. Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженно-го) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.

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

В зависимости от температурных условий образование золы и топливных шлаков возможно без плавления, в присутствии расплава и при полном расплавлении 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 слабоокислительной 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%.

Топливо сжигают в слое над колосниковой решеткой в виде мелких кусков или при вдувании в пылевидном состоянии. 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 Тидро-удаления для транспортирования золошлаковых смесей в отвалы.

Для применения золы в производстве строительных материалов предпочтительнее применять систему пневмоудаления золы ( 3.1), которая позволяет поставлять золу потребителям в сухом виде, с меньшим содержанием несгоревших частиц и предотвращать ее смерзание в отвалах зимой.

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 алю-мосиликатная фаза, составляющая 40—65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать а-кварц и муллит, а при повышенном содержании Fe203 также гематит. Количественное соотношение между ot-кварцем и муллитом определяется соотношением Si02 /A1203. С увеличением последнего содержание а-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 (%): Si02 - 37-63; А1203 - 9-37; Fe203 - 4-17; СаО - 1-32; MgO - 0,1-5; S03 - 0,05-2,5; Na20 + K20 - 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 Fe203.

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 А1203. 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 (S03 < 5%), получаемые при сжигании угля и торфа, и сульфатные (S03 > 5%) — при сжигании сланцев.

Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности М0, который для основных зол составляет М0 > 0,9; кислых — 0,6—0,9; сверхкислых — М0 < 0,6. В основных золах суммарное содержание СаО + MgO достигает 50%, в сверхкислых— 12. Последние являются более распространенными.

По величине удельной поверхности золы делят на: тонкодисперсные (S > 4000 см2Д), среднедисперсные (2000—4000 см2Д) и грубо-дисперсные (S < 2000 см2Д). 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 (М0 < 0,1) до основных (М0> 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, двухкалыдиевого силиката и других минералов.

В зависимости от содержания несгоревших углеродистых частиц золы и шлаки ТЭС делят на 6 категорий (%): 1 — до 5%; 2 — 6—10; 3 - 11-15; 4 - 16-20; 5 - 21-25; 6 - более 25%.