Силикатный кирпич. Керамические и плавленые материалы на основе зол и шлаков ТЭС

Золы и шлаки ТЭС являются эффективным сырьем для изготовления силикатного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла. Применение топливных зол и шлаков в производстве рассматриваемых материалов обеспечивается совокупностью их свойств: химическим взаимодействием с известью, дисперсностью, спекаемос-тью, теплотворной способностью, способностью давать силикатный расплав. В зависимости от целевого назначения золошлакового сырья и применяемых технологий ведущее значение приобретают те или иные из указанных свойств.
Силикатный кирпич. На долю силикатного кирпича приходится значительная часть всего объема стеновых материалов. Приведенные затраты на возведение стен из силикатного кирпича составляют примерно 84% по сравнению с необходимыми затратами при использовании керамического кирпича. Расход условного топлива и электроэнергии на производство силикатного кирпича в 2 раза ниже, чем керамического. На получение 1 тыс. шт. силикатного кирпича расходуется в среднем 4,9 ГДж тепла, половина которого составляет тепло на обжиг извести, а другая — на автоклавную обработку и другие технологические операции.
В производстве этого материала золы и шлаки ТЭС используются как компонент вяжущего или заполнителя ( 3.8). В первом случае расход золы достигает 500 кг на 1 тыс. шт. кирпича, во втором — 1,5—3,5 т. Оптимальное соотношение извести и золы в составе вяжущего зависит от активности золы, содержания в извести активного оксида кальция, крупности и гранулометрического состава песка и других технологических факторов и может колебаться в широком диапазоне. При введении угольной золы расход извести снижается на 10—50%, а сланцевые золы с содержанием (СаО + MgO) до 40—50% могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в извес-тково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой добавкой, но также способствует пластификации смеси и повышению в 1,3—1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения нормальной работы автоматов-укладчиков. Эффективность введения золы повышается с ростом удельной поверхности из-вестково-зольного вяжущего. При этом в зольном компоненте силикатного кирпича должно содержаться не более 3—5% несгоревшего топлива и не менее 10% оплавленых частиц.
Целесообразно использовать золы и шлаки антрацитовых углей, в которых содержание несгоревшего топлива составляет 15—20%. Основная масса несгоревшего топлива содержится внутри частичек аморфизованного глинистого вещества, оплавленного снаружи. Содержание остеклованных частиц в антрацитовых золах составляет 60— 80% по массе.
Известково-кремнеземистое вяжущее в производстве силикатного кирпича получают совместным помолом комовой негашеной извести с золой и кварцевым песком. Суммарное содержание активных СаО и MgO в вяжущем — 30—40%, удельная поверхность— 4000— 5000 см2/г, остаток на сите № 02 — не более 2%.
Прочность сырца и готового кирпича можно повысить частичной заменой кварцевого песка золошлаковыми отходами, в результате чего улучшается гранулометрический состав смеси. При замене в силикатных смесях 20—30% кварцевого песка золой прочность сырца повышается на 30—40%, запаренных образцов— на 60—80%. Эффективна также частичная замена кварцевого песка дробленым до крупности не более 5 мм топливным шлаком.
При замене золой более 30% кварцевого песка возможно ухудшение формовочных свойств смеси в результате вовлечения воздуха в дисперсную известково-зольную массу при формовании и расслаивании сырца. Для формования известково-зольных смесей револьверные прессы, применяемые в производстве силикатного кирпича, заменяют колено-рычажными, используемыми для прессования керамического кирпича и огнеупоров из полусухой массы. Такие прессы создают двухстороннее приложение усилий, что обеспечивает удлиненное время прессования.
Оптимальное содержание золы и шлака в силикатной смеси зависит от зернового состава и способа формования, возрастая с модулем крупности и циклом прессования.
На прессах двухстороннего действия с увеличенным циклом и повышенным давлением при прессовании можно формовать силикатные массы с содержанием золы до 50%, а шлака — до 35%. Суммарное содержание активных СаО и MgO в силикатной массе должно составлять 6—8%, влажность— 6—10%. Высококальциевые и кислые золы, содержащие значительное количество свободного оксида кальция, должны предварительно гаситься паром под давлением. Золы, не содержащие свободный оксид кальция, в гашении не нуждаются, но при смешивании с известью должны подвергаться обычному силосованию.
Силикатный кирпич с добавками зол и топливных шлаков твердеет в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8—1,6 МПа. Рекомендуемая выдержка — 4—8 ч. Получаемый материал по водо- и морозостойкости превосходит обычный силикатный кирпич, имеет меньшие значения водопоглощения и водопроницаемости, лучший товарный вид.
Преимуществом кирпича из золосиликатной смеси оптимального состава является более низкая, чем у обычного, средняя плотность (1700-1800 кг/м3 против 1900-2000 кг/м3).
Используя золы ТЭС, получен пористый силикатный кирпич с такими свойствами: плотностью 1250—1400 кг/м3; прочностью 10— 17,5 МПа, пористостью 27—28%, морозостойкостью 15—35 циклов. Применение его позволяет уменьшить толщину наружных стен на 20, а массу—на 40% и существенно сократить расход тепла на отопление зданий.
Керамические и плавленые изделия. Золошлаковые отходы ТЭС могут служить в качестве отощающих или топливосодержащих добавок в производстве керамических изделий на основе глинистых пород, а также основного сырья для изготовления зольной керамики. Наиболее широко применяют топливные шлаки и золы как добавки при производстве стеновых керамических изделий. Для изготовления полнотелого и пустотелого кирпича и керамических камней прежде всего рекомендуется использовать легкоплавкие золы с температурой размягчения до 1200 °С. Золы и шлаки, содержащие до 10% топлива, применяются как отощающие добавки, а 10% и более — как топли-восодержащие. В последнем случае можно существенно сократить или исключить введение в шихту технологического топлива. В золах, используемых как добавки при производстве стеновых керамических изделий, количество S03 не должно превышать 2% от общей массы, а шлаковых включений размером более 3 мм — 5. Недопустимы включения размером более I мм в виде плотных каменистых зерен.
Желательно, чтобы колебания содержания топлива в золе были минимальны и не превышали ±4% от средних принятых величин.
Оптимальное содержание золы в шихте зависит от ее теплотворной способности и пластичности применяемого глинистого сырья. В среднепластичные глины ориентировочно вводят золу по объему 30—40%, умеренно пластичные — 20—30, малопластичные— 10—20%.
Эффективность золошлаковых добавок зависит от их дисперсности и зернового состава. Введение мелкозернистых фракций золы увеличивает выход трещиноватого сырца. В этом случае для снижения брака при сушке дополнительно вводят отощитель крупностью 0,2— 0,3 мм. Требуемое соотношение мелкозернистой золы к грубозернистому отощителю уменьшается с увеличением коэффициента чувствительности глин при сушке от 3:1 до 1:1. Мелкозернистая зола, ухудшая сушильные свойства сырца, вместе с тем повышает прочность готовых изделий, спекаясь с глинистой породой при обжиге. Как отоща-ющая добавка золошлаковая смесь наиболее эффективна при максимальном размере зерен 1,5 мм и содержании фракции менее 0,3 мм не более 30%.
Расход технологического топлива при введении зол и шлаков снижается на 20—70%, цикл сушки кирпича-сырца сокращается более чем на 20%.
Разработан ряд технологических способов получения зольной керамики, где золошлаковые отходы ТЭС являются уже не добавочным материалом, а основным сырьевым компонентом. Так, при обычном оборудовании кирпичных заводов может быть изготовлен зольный кирпич из массы, включающей золу, шлак и натриевое жидкое стекло в количестве 3% по объему. Последнее выполняет роль пластификатора, обеспечивая получение изделий с минимальной влажностью, что исключает необходимость сушки сырца.
Зольную керамику выпускают также в виде прессованных изделий из массы, включающей 60—80% золы-уноса, 10—20% глины и другие добавки. Изделия поступают на сушку и обжиг.
Установлено, что на основе зол с высоким содержанием суммы оксидов алюминия и кремния (75—95%) можно получить керамические стеновые материалы, характеризующиеся достаточно высоким пределом прочности при сжатии (10—60 МПа); предел прочности при сжатии керамического материала на основе зол с низким содержанием суммы названных оксидов (30—50%) составляет лишь 2—6 МПа. Низкое содержание оксидов А1203 и Si02 в золе осложняет процесс обжига из-за незначительного интервала спекания и пониженной вязкости расплава и приводит к неравномерному обжигу изделий. Оплавление и вспучивание локальных участков в верхней части изделий, недожог в нижней части определяют непригодность зол и шлаков в качестве основного керамического сырья.
Существенное влияние на процессы структурообразования золо-керамических материалов оказывают значительные колебания содержания СаО, обеспечиваемого карбонатными включениями и свободным оксидом кальция. Установлено, что золы, содержащие до 4,5% СаО, могут быть использованы в качестве исходного сырья без предварительного измельчения на технологической линии с вальцами тонкого помола, которые позволяют измельчать карбонатные включения. Золы с более высоким содержанием СаО необходимо предварительно измельчать до размеров карбонатных включений, не превышающих 1(Н м. Золы, содержащие СаО 30—50%, непригодны для получения зо-локерамических материалов. Процессы увлажнения и обработки смесей на основе зол с высоким содержанием оксида кальция сопровождаются экзотермической реакцией гидратации, тепло которой вызывает высушивание массы и вследствие этого ее рассыпание, что затрудняет процесс формования изделий.
Введение в небольшом количестве (до 20%) добавок высоко- и среднедисперсных глин позволяет зологлиняную смесь отнести к смесям, пригодным для производства полно- и пустотелого кирпича. Содержание глины в зологлиняной смеси определяется ее дисперсностью и пластичностью.
Наибольший эффект от использования золы и шлаков в качестве основного топливосодержащего сырья может быть получен при производстве золокерамических камней и зольного кирпича с пустотами. Учитывая, что оставшаяся часть топлива (в виде кокса), в золокерамических материалах не оказывает существенного влияния на их прочность, при получении полнотелого зольного кирпича нет необходимости полного выжигания из него углерода, требующего значительного продления процесса обжига и дополнительного расхода топлива. По результатам выполненных исследований предложены рациональные режимы обжига золокерамических изделий: максимальная температура — 1080—1150 °С, средняя скорость нагрева — 50—60 °С/ч, продолжительность выдержки 3—4 ч. Обжиг рекомендуется вести в первой половине зоны обжига печи (800—1000 °С) в сильно окислительной газовой среде, во второй (1000—1100 °С) — в восстановительной.
Зольный кирпич, полнотелый и щелевой, с различной пустотнос-тью и золокерамические камни имеют предел прочности при сжатии 10—60 МПа, при изгибе 2,5—10 МПа при сравнительно низкой средней плотности— 1080—1600 кг/м3, теплопроводности— 0,398— 0,438 Вт/(м • °С) и высокой морозостойкости — 25—120 циклов.
Зольная керамика может служить не только стеновым материалом, обладающим стабильной прочностью и высокой морозостойкостью. Она характеризуется высокой кислотостойкостью и низкой истираемостью, что позволяет изготавливать из нее тротуарные и дорожные плиты, а также другие изделия, обладающие высокой химической и термической стойкостью.
При производстве зольной керамики, в зависимости от содержания в золе углерода, золы в шихте и условий обжига, расход топлива может быть сокращен в 1,5—4 раза.
В последние годы зольные отхода пополнились новым видом — золами от сжигания осадков очистных сооружений канализации населенных пунктов, темпы образования которых постоянно возрастают. Отходы этого вида существенно отличаются от отходов ТЭС. По химическому составу такая зола представляет кислое сырье с содержанием органики до 3,25%. Она включает повышенное количество красящих оксидов (Fe203 + Ti02 = 12,27%), легкоплавкая и относится к четвертому классу опасности (малоопасные вещества). В процессе контакта с водой зола не выделяет высокотоксичных соединений. В результате исследований установлена возможность производства на основе шихты с добавкой золы от сжигания осадков сточных вод кирпича с достаточно высокими качественными показателями.
Технология изготовления традиционных стеновых материалов, с использованием золошлакового сырья, получаемых методом полусухого формования с последующим обжигом, автоклавированием или пропариванием, связана с высоким расходом энергоносителей.
Перспективным направлением решения проблемы энергосбережения при производстве стеновых материалов представляется разработка технологий с использованием высоких давлений прессования (гиперпрессование). При этой технологии используется давление прессования до 30 МПа и выше.
Из смесей, содержащих портландцемент и золошлаковые отходы при содержании тонкодисперсных фракций не менее 30% возможно в условиях гиперпрессования получение стеновых материалов со средней плотностью 1300—1800 кг/м3 и прочностью при сжатии 10— 15 МПа. Изделия должны храниться в условиях, исключающих испарение влаги 3—7 сут.
Высокое прессующее давление увеличивает сырцовую прочность, значительно ускоряет процесс формирования структуры искусственного камня, оказывает влияние на кинетику физико-химических процессов, происходящих при отвердевании в цементном камне и бетоне; при этом улучшаются физико-механические и гидрофизические характеристики бетона, в результате снижения количества макропор за счет отжатия воздуха снижается расход вяжущего, уменьшаются энергетические затраты вследствие исключения тепловой обработки, предоставляется возможность использования некондиционных продуктов. Себестоимость изделий на основе золошлаковых отходов и цемента, получаемых гиперпрессованием, снижается на 20—25% по сравнению с себестоимостью традиционных стеновых материалов.
Плавленые материалы получают из расплавов топливных зол и шлаков так же, как из расплавов металлургических шлаков. Наиболее целесообразно применение топливных шлаков жидкого удаления. Без изменения состава этих шлаков можно получить шлаковую пемзу мелкопористой стекловидной структуры с насыпной плотностью 600—800 кг/м3, плотные литые изделия прочностью до 400 МПа, обладающие повышенной стойкостью в агрессивных средах при повышенных температурах.
Из большинства разновидностей зол ТЭС как сухого, так и гидроудаления можно получать минеральную вату с плотностью 80—200 кг/м3, с широким диапазоном содержания Si02 и А1203 (40—75%). Разработана технология производства высокотемпературостойкой минеральной ваты из золы ТЭС методом плавки в электродуговой печи. Такая вата может применяться для изоляции поверхностей с температурой до 900 °С или при использовании керамической связки для изоляции поверхностей с температурой до 1150 °С. По своим характеристикам золовата подобна высокотемпературной каолиновой вате, но ее себестоимость в 2 раза меньше.
Возможно получение стекол типа марблит с содержанием в шихте 60—70% по массе отходов ТЭС. Стекла на основе зол и шлаков ТЭС имеют ряд преимуществ: сравнительно низкий коэффициент линейного термического расширения (54—65—Ю-7 град-1); повышенную прочность (80—100 МПа) и водоустойчивость. Кристаллизационные и вязкостные свойства таких стекол обеспечивают получение из них архитектурно-строительных изделий и облицовочных плиток.
В последние годы все более важное значение приобретает изготовление на основе топливных зол и шлаков эффективных стеклокрис-таллических материалов — золоситаллов и шлакоситаллов.