1.Общая постановка задачи

Работа направлена на решение актуальной для Украины   проблемы использования золы ТЭС в производстве стройматериалов.

Старобешевская ТЭС, как и другие ТЭС Украины, довольно успешно продаёт крупные фракции золы провала, менее успешно – золу уноса от котлов с традиционной системой сжигания высокозольних углей.

Найти потребителей золы единственного в Украине современного энергоблока №4 со сжиганием угля в кипящем слое и доведенными до нормативов выбросами в атмосферу окиси серы пока не удаётся.

Цель работыоценить возможность использования указанной золы (далее – золы) в производстве кирпича.

  1. Этапы НИР:
  2. Оценка сырьевой базы.
  3. Предварительная оценка влияния свойств золы на показатели качества кирпича и выбор способа производства.
  4. Оценка возможности производства кирпича из золы путем опытного формования образцов размером 50×50×25 мм с последующим анализом показателей качества – прочности на сжатие и внешнего вида.
  5. Разработка предварительных рекомендаций по составу оборудования технологического комплекса по производству кирпича из золы.
  1. Краткое содержание результатов выполнения этапов НИР

 

3.1. Оценка сырьевой базы

 

3.1.1 Особенности 4-го энергоблока

 

Обследование системы сбора золы и гидротранспорта в золоотвал выявило следующие особенности 4-го энергоблока.

В его состав входит участок подготовки известняка (фото на рис.П1.1 и П1.2Приложения 1), который в процессе низкотемпературного сжигания высокозольного угля (зольность 37…43%) в кипящем слое превращается в известь СаО. Последняя частично вступает в реакцию с окислом серы SO3 с образованием СаSO4, понижая тем самым содержание серы в дымовых газах до допустимой концентрации (50 мг/м3) вместо в несколько раз большей величины, характерной для традиционных энергоблоков Украины.

Угля сжигается около 2000 т/сутки, 80 т/час (до 100 т/час). Известняка подаётся 8…10 т/час (10% от угля). После обжига образуется около 700 т/сутки (до 30 т/час) золы двух типов: зола уноса(«летучка») и зола провала («донка»). Золы провала образуется меньше половины (30…40%) от всего количества, 10…15 т/час. Обе золы поступают в единый двухсекционный бункер: зола уноса – пневмотранспортом от системы фильтров пылеочистки, зола провала – после охладителя и дробилки. Из бункера золу можно раздельно отгружать потребителю через течку (фото на рис.П1.3). Максимальная температура золы уноса – 130°С, золы провала – 80…200°С.

Далее, как и в традиционных энергоблоках (фото на рис.П1.4), смесь золы гидротранспортом подаётся в золоотвал (фото на рис.П1.5).

 

3.1.2 Оценка возможности использования золы из золоотвала

Обследование золоотвала (фото на рис.П1.5) выявило существенные трудности с забором золы в технологическую линию планируемого комплекса по производству кирпича.

Трудности порождаются транспортировкой гидротранспортом – удобной для энергетиков, но крайне вредной для золы, как сырьевого материала. Трудности связаны, прежде всего, с неравномерностью свойств золы, как химических, так физико-механических. В приложении 2 (рис.П2.1). приведены усредненные данные о химическом составе и физико-механических свойствах золы, которые изменяются в широчайших пределах.

Наши замеры свойств золы до гидротранспорта показали, что в золе в среднем содержится количество вяжущего вещества – активной извести, достаточное для производства кирпича по автоклавной технологии. Однако выявлено, что активность золы (содержание активной извести СаО – важнейший показатель у производителей силикатного кирпича и газобетона) – крайне неравномерна. Зола уноса имеет активность до 10% (раздел П2.2 Приложения 2), зола провала в среднем вдвое меньше, а у фракции с зёрнами более 1 мм –активность не превышает 1,5%.

То же касается и зернового состава: для золы уноса характерны зерна менее 100 мкм, доля такой фракции у золы провала– не более 10% (раздел П2.3 Приложения 2). Иллюстрация зернового состава золы провала (% остатка на ситах) – на рис.1.

В золоотвале энергоблока №4, как и в остальных золоотвалах, находится смесь двух видов золы. Сегрегация приводит к крайне неравномерному зерновому и прочему составу – крупные частицы выпадают из потока воды вблизи слива, мелочь – распределяется по всему полю карты намыва.

Кроме того, высокая и неравномерная влажность усложняет отбор золы из золоотвала и приводит к необходимости её сушки с затратами топлива. Надо отметить также и то, что после гашения и пребывания на воздухе известь теряет свои ценные вяжущие свойства.

       Таким образом, золоотвал не может быть использован для забора золы как сырья для комплекса по производству кирпича. Целесообразно раздельно отбирать два вида золы непосредственно из бункера энергоблока №4, преодолевая связанные с этим неизбежные незначительные трудности у энергетиков.

Рис. 1 – Иллюстрация зернового состава золы провала (% остатка на ситах)

3.2 Выбор способа производства кирпича с учетом свойств золы

В Украине накоплен опыт использования для производства мелкоштучных строительных изделий (кирпича, блоков) золы энергоблоков с традиционной системой сжигания угля. Формование изделий осуществляется из бетона по безавтоклавной технологии – бетон твердеет или естественно, или с использованием пропарочных камер. Зола используется в качестве заполнителя, а вяжущим является цемент. Высокий расход цемента (около 15%), затраты на который достигают половины стоимости кирпича, обуславливает низкую эффективность такого производства. Поэтому, невзирая на наличие практически бесплатной традиционной (черной) золы, крупных предприятий по производству кирпича из неё в Украине нет.

Анализ свойств золы 4-го энергоблока показывает, что для описанной выше традиционной безавтоклавной технологии производства кирпича она не годиться из-за недопустимо большого содержания извести.

Однако этот недостаток, ограничивающий сейчас спрос на золу, превращается в достоинство при использовании автоклавной технологии, в которой вяжущим вместо цемента является известь. Зола 4-го энергоблока для такой технологии является идеальным сырьём, исключающим дополнительные затраты на вяжущее. Еще один существенный фактор обуславливает высокую рентабельность автоклавной технологии при соседстве с ТЕС. Обычно немалые затраты на пропарку в автоклавах при разворачивании комплекса по производству кирпича вблизи ТЕС и использовании её излишков пара давлением около 1 МПа значительно сокращаются. Предварительные оценки свидетельствуют, что практически бесплатные сырьё и пар с лихвой перекрывают сравнительно высокие затраты на приобретение автоклавов и способны обеспечить высокорентабельное производство кирпича.

Формование кирпича может производиться методами вибрационного или полусухого прессования, часто называемого гиперпрессованием. Анализ зернового состава золы провала (раздел П2.3 в Приложении 2) свидетельствует в пользу полусухого прессования из-за наличия значительной доли «мелочи», которая еще возрастёт после добавления золы провала.

Таким образом, наиболее перспективным является использование золы 4-го энергоблока в качестве сырья для кирпича, производимого с использованием полусухого (гипер) прессования по автоклавной технологии.

 

3.3 Оценка возможности производства кирпича из золы по автоклавной технологии

На этапе предварительно поиска «базового» состава смеси решалась задача – получить прочные бездефектные образцы на базе смеси 2-х видов золы (золы уноса ЗУ и золы провала ЗП), с минимальным использованием дополнительных компонентов – извести, песка, шлака, гипса.

Задача решалась путём формований образцов размером 50×50×25 мм из различных смесей на гидравлическом прессе и последующей тепловлажностной обработки (твердения) в автоклаве Харьковского завода ЖБК-3. Оценка качества образцов производилась по внешнему виду и прочности на сжатие, которая определялась раздавливанием по одному на гидропрессе. В приложении П3 приведена информация, полученная на этом этапе.

В результате проведенных экспериментов установлено:

  1. Возможно производство кирпича только из золы Старобешевской ТЭС, без добавки дорогостоящей извести и других компонентов. Смесь золы провала и золы уноса в соотношении 2:1 обеспечивает сравнительно низкую, но достаточную прочность кирпича (на уровне марки 100).
  2. Однако, после автоклавной обработки большинство образцов имели трещины и «набухания» из-за наличия в золе сравнительно крупных зёрен извести. Эти дефекты полностью устраняются только дополнительной переработкой смеси в активаторе.

3.4 Оценка эффективности активации сырьевой смеси

при производстве кирпича из золы

Активация подготовленной к формованию смеси в барабанно-валковом активаторе (далее – активаторе) перед прессованием даёт весомое повышение прочности кирпича. Принципиальная схема и описание активатора непрерывного действия, защищённого патентами и испытанного в производственных условиях, приведены в приложении П4.

В отличии от предыдущего этапа, смесь выбранного ранее состава перед формованием активировалась в активаторе циклического действия с регулируемым усилием на валок и количеством циклов прокатывания слоя под валком.

Все остальные операции (подготовка смеси, формование, твердение, раздавливание) проводились аналогично тому, как изложено в предыдущем разделе. ТВО проводилось в автоклавах Куряжского завода силикатных изделий при более жестких режимах пропарки по режиму: 1,5 часа – подъем температуры, 7 часов – изотермическая выдержка при давлении 1,0 МПа (174°С) , 1,5 часа – снижение температуры, общая длительность ТВО – 10 часов. В приложении П5 приведена информация, полученная на этом этапе.

В результате установлено:

  1. Активация в 2,5…3,5 раза повышает прочность образцов (с 13 до 44…48 МПа, с 15,6 до 34…42 МПа), позволяя получить только на базе золы, без всяких добавок, кирпич марки 150 и выше.
  2. В процессе многократного прокатывания слоя смеси под валком частицы извести растираются и распределяются по всему объёму смеси (иллюстрация на рис.П5.2). Тем самым предотвращается растрескивание и разбухание – ни один образец из активированной смеси дефектов не имел.
  3. В процессе активации разрушаются только крупные зерна лещадной формы (см. рис. П2.2), а большая часть зёрен размером 0,63…2,5 мм не разрушается, а остаётся в смеси, выполняя свою структурообразующую функцию. Только обработка в активаторе в толстом слое сравнительно малым давлением способна дать такой эффект.
  1. Предварительные рекомендации по комплексу

                           для производства кирпича из золы

По результатам НИР предварительно предлагается технологический комплекс по производству кирпича из золы 4-го энергоблока Старобешевской ТЭС, состав оборудования которого проиллюстрирован на рис.П6.1 Приложения 6.

Отличительные особенности комплекса:

– Раздельная транспортировка двух видов золы из бункера 4-го энергоблока в два приёмных силоса комплекса.

– Наличие дозаторов непрерывного действия и двух последовательно установленных двухвальных смесителей непрерывного действия перед силос-реактором – для предварительного и окончательного смешивания двух видов золы, одна из которых содержит тонкую фракцию (менее 100 мкм). Возможна замена на агрегаты циклического действия с учетом удлиненного цикла перемешивания.

– Установка двухвального смесителя непрерывного действия после силос-реактора для доувлажнения и добавки красителя, при необходимости.

Использование барабанно-валкового активатора смеси перед прессом.

Использование гидропресса полусухого прессования, обеспечивающего прессовое давление порядка 25 МПа.

– Наличие автомата-укладчика сырца на автоклавные вагонетки.

Использование автоклавов с рабочим давлением не ниже 1 МПа.

– Наличие склада, рассчитанного на недельный запас готовой продукции.

Головным агрегатом комплекса является пресс, производительность которого определяет годовую мощность комплекса. С учетом часового выхода золы провала П=20 т/час и ориентировочного соотношения золы провала и уноса – 2:1, нужен пресс с часовой производительностью Пчас=5000 шт., что позволит использовать практически всю золу провала.

На базе такого пресса технологический комплекс будет иметь производительность: в смену – 30…35 тыс. шт.; в сутки при двухсменной работе – 60…70 тыс. шт.; в неделю – 300…400 тыс. шт.; в месяц – 1,2…1,6 млн. шт.; в год – до 15 млн.шт. /год (с учетом простоев 4-го энергоблока в ремонте).

В случае размещения 1000 шт. кирпича на вагонетке и использования автоклавов ёмкостью 17…20 вагонеток потребуется минимум 3 автоклава.

Обследование помещения и прилегающей территории ТЭС (рис.П6.2 и П6.3), первоначально запланированных для разворачивания комплекса, выявило их непригодность, как по площади, так и, в основном, из-за невозможности организации отгрузки продукции. Пригодной для разворачивания комплекса оказалась территория склада ОКСа ТЭС (рис.П6.4 и П6.5), которая:

– достаточна по площади (с учетом возможности дальнейшего наращивания мощности комплекса);

– имеет подъездные пути для автотранспорта и железнодорожную ветку;

– расположена сравнительно недалеко от ТЭС, поэтому возможна прокладка паропровода и, при необходимости, труб для пневмотранспорта золы.

Для уточнения состава оборудования и определения основных параметров технологических процессов потребуется проведение комплекса экспериментальных исследований. Для проверки результатов эти исследования должны завершиться изготовлением и испытанием опытной партии кирпича из золы на одном из заводов по производству силикатного кирпича.

Выводы

  1. Состав золы 4-го энергоблока Старобешевской ТЭС в связи с наличием извести позволяет получать кирпич по автоклавной технологии из смеси золы провала и уноса в соотношении примерно 2:1 без использования других сырьевых компонентов.
  2. Комплекс оборудования по производству кирпича целесообразно оснащать гидропрессом полусухого формования и барабанно-валковым активатором для подготовки смеси к формованию. Использование активатора перед прессом обеспечивает получение бездефектного кирпича высокого качества с прочностью, соответствующей марке 150…200.
  3. Уточнение состава оборудования комплекса и определение основных параметров технологических процессов требует дополнительных исследований с   изготовлением и испытанием опытной партии кирпича из золы.