Утилизация попутных продуктов горения угля в промышленности строительных материалов

Нисневич М. Сиротин Г. Утилизация попутных продуктов горения угля в промышленности строительных материалов // Строительные материалы. 2003 . №9. C. 39-41

В январе 2003 г. в городе Ст. Петерсбург (Флорида, США) состоялся 15-й Международный симпозиум В«Управление производством и использование продуктов горения угляВ», организованный Американской ассоциацией угольных зол (АСАА). На симпозиуме заслушано 95 докладов по различным аспектам этой проблемы. Ряд технологических решений и образцов оборудования были представлены на выставке, уст-роенной в рамках симпозиума.

Контроль за производством и утилизация продуктов горения углей (ПГУ) являются крупной экономической и экологической проблемой. Годовой объем производства этих продуктов уступает только объему выпуска нерудных строи-тельных материалов и в 2000-2001 гг., составил в США 107 млн т, Европейском Союзе (ЕС) — 59 млн т в, Японии — 8,4 млн т (доля угля в топливном балансе Японии 17%).

Координация работы в области производства, маркетинга, определения эффективных направлений использования ПГУ для получения конкурентно способных на рынке и экологически чистых материалов осуществляется в США АСАА. В ЕС аналогичные функции выполняет Европейская ассоциация продуктов горения угля (ЕСОВА). Ее ассоциированными членами являются организации Канады, Японии и Израиля.

К основной номенклатуре ПГУ относят:

— золу-унос (fly ash), получаемую электростатическим или механическим осаждением мелких частиц из топливных газов;

— шлак (bottom ash) — пористый материал, получаемый в сухих топиках (обычно с гидроудалением);

— котельный шлак (boiler slag) — стекловидный гранулированный материал, получаемый в мокрых топках;

— фосфогипс (FGD gypsum) -продукт обессеривания топливных газов.

В табл. 1 приведено распределение ПГУ по видам за 2000-2001 гг.

Таблица 1

Страны

Продукты горения угля

Зола-унос

Шлак

Котельный шлак

Фосфогипс

млн т

%

млн т

%

млн т

%

млн т

%

США

61,8

57,7

17,1

16

2,3

2

25,9

24,2

ЕС

38,9

66

5,6

9,5

2,4

4

10,6

18

Производство ПГУ за период 1990-2000 гг. в США увеличилось на 21%, при росте производства фосфогипса на 58%. Повышение удельного веса фосфогипса отмечается и в 2000—2002 гг. Аналогичная тенденция наблюдается и в ЕС. При росте общего объема ПГУ в 1993-2000 гг. около 4,3%, производство фосфогипса увеличилось в 2,7 раза. Из 10,6 млн т фосфогипса (2000 г.) 7 млн т произведено в Германии.

Утилизация продуктов горения угля. В табл. 2 приведены данные за 2000-2001 гг. За период 1992-2002 гг. объем утилизации ПГУ в США увеличился на 70%, существенно опережая объем роста их образования. При этом объем утилизации золы-уноса вырос на 67%, а фосфогипса в 10 раз.

Таблица 2

Страны

Продукты горения угля

Зола-унос

Шлак

Котельный шлак

Фосфогипс

Всего

млн т

%*

млн т

%*

млн т

%*

млн т

%*

млн т

%*

США

19,98

32,3

5,19

30,4

1,65

71,7

6,88

28

33,7

31,3

ЕС**

17,89

46

2,24

40

2,4

100

7,63

72

30,16

52,4

Япония

***

***

***

***

***

6,89

82

* От общего выпуска продукта; ** без учета продуктов, используемых для рекультивации открытых горных разработок;

*** нет данных

Объем утилилизации золы-уноса в ЕС увеличился за период 1993-2000 гг. с 34 до 40 %, а шлака -с 25 до 40%. В Японии объем утилизации угольных зол увеличился с 50% в 1990 г. до 82 % в 2000 г.

Структура использования ПГУ в США (2001 г.) представлена в табл. 3.

Таблица 3

Области использования, % к общему объему утилизации

Зола-унос

Шлак

Котельный шлак

Фосфогипс

Добавки к цементу, бетону, раствору

56,1

13,7

-

6,4

Сырье для цементного клинкера

4,7

2,8

-

0,4

Наполнители для различных целей

16,3

20,4

0,6

2,4

Дорожное строительство: основание дорог минеральный порошок

4,8 0,5

10,5 0,2

0,6

0,6

Замена мелкого песка в технологии кровельных материалов и других целей

-

0,7

81,8

-

Горное дело

3,7

1,8

-

1,6

Стеновые элементы

-

-

-

82,1

Прочие

10,6

48

17

6,5

Структура использования ПГУ в ЕС в 2000 г. характеризуется следующими данными. Зола-унос: добавки к бетону - 33%; добавки к цементу -10,7%; цементное сырье - 23,4%; бетонные блоки — 6,1%; дорожное строительство — 21,9%. Шлак: бетонные блоки — 45,9%; цемент -7,3%; легкий заполнитель — 2,3%. Котельный шлак: дорожное строительство — 51,8%; замена мелкого песка — 30,7%; растворы — 7,1%; бетоны — 6,6%. Фосфогипс: сухая штукатурка — 58,9%; гипсовые блоки -3,2%; штукатурные работы — 10,2%; самовыравнивающиеся полы — 17,3%. В Германии 50% потребности в гипсовом сырье обеспечивается использованием фосфогипса.

В Японии (2001 г.) ПГУ используются как цементное сырье — 64%; добавки к цементу — 7%и в строительстве - 5%.

Таким образом, ведущими на-правлениями использования золы-унос являются: технология бетона и цемента (США), технология бетона и цемента, а также дорожное строительство (ЕС), технология цемента (Япония). Ведущими направления-ми использования шлака, кроме бетонной технологии, являются наполнители для общестроительных и дорожных работ.

Качество золы-уноса, используемой в бетоне, регламентируется стандартами ASTM C618 (США), EN 450 (ЕС) и национальными стандартами.

В ряде докладов анализируются результаты исследования и развития новых технологий утилизации ПГУ.

Использование золы-уноса и шлака в технологам бетона. Высоко-зольные бетоны (V. Malhotra и др., Канада) наряду с экономией цемента позволяют получить более высокую водонепроницаемость и долго-вечность, повысить сопротивление действию агрессивных сред и ре-акции кремниевых заполнителей с щелочами цемента. В докладе K. Copeland и др. (США) поддерживается направление использования больших объемов низкокальциевой золы в технологии бетона (до 50% от суммарной массы цемента Ц и золы 3) с учетом ее пуццоланового эффекта. 54% товарного бетона в США выпускается с использованием золы. Содержание золы в бетоне составляет 15—20% от суммы Ц+3. Увеличение содержания до 25—30% позволит дополнительно утилизировать 10 млн т золы.

Приведен пример, подтверждающий эффективность производства высокозольных цементов: при со-держании золы в соотношении 3/(Ц+3) 51 % и снижении расхода цемента до 182 кг/м3 при водовяжущем отношении В/(Ц+3) = 0,35 достигну-та прочность бетона R28 = 50 МПа.

В докладе Т. Naik и др. (США) по-казана возможность получения конструкционного бетона с прочностью R28 = 35 МПа при использовании золы, складированной гидравлическим способом. Содержание золы З/(Ц+З) составило 22—35%.

Установлено, что ультрамелкая зола повышает прочность, долго-вечность и удобоукладываемость бетона. Получен бетон с прочностью R28 = 55 МПа и высоким сопротивлением таким агрессивным средам как морская вода (доклад К. Оbla, США).

Изучена эффективность использо-вания шлаков в тяжелых и легких бетонах (доклад N. Ghafoori, С. Alarcon, США). Сухой шлак применялся для устранения влияния воды, связанной со шлаком, на результаты испытания. Выявлено снижение прочности бетона при замене песка шлаком: в 28-дневном возрасте — на 20% при полной замене песка и на 10% при 50%-ной замене. В 60-дневном возрасте прочность снизилась соответственно на 2,5% и 2%. В 90-дневном возрасте наблюдалось увеличение прочности образцов со шлаком на 1%.

В докладе М. Nisnevich, G. Sirotin, Y. Eshel (Израиль) освещена технология комплексной утилизации больших объемов шлака и золы-уноса для производства легкого бетона. Комбинированное применение шлака и золы дает возможность использовать преимущества каждого продукта, а также компенсировать низкую прочность пористого шлака. Высокопористый шлак обеспечивает снижение плотности бетона и повышение его термического сопротивления. Большой объем золы обеспечивает повышение прочности и долговечности бетона за счет снижения объема пустот в бетонной смеси и в определенной мере пуццоланового эффекта. Результаты лабораторных и промышленных испытаний подтвердили эффективность предложенной технологии. Легкий бетон на основе шлака и золы-уноса является перспективным материалом для производства стеновых блоков, панелей и элементов перекрытий.

R. Kreamer (США) исследовал химические и физические свойства золы, определяющие условия ее применения в качестве главного компонента легких поризованных бетонов. Предложена технология, исключающая применение автоклавирования путем использования аутогенного тепла, возникающего в бетонной смеси при гидратации цементно-зольной матрицы.

В докладе G. Colaizzi (США) рассмотрена технология золопенобетона, позволяющая избежать осаждение пены, полученной с по-мощью пенообразователей, особенно эффективная при использовании золы с большим содержанием угля. Осаждение пены происходит при реакции золы с реагентами, применяемыми для образования пены. Разработан реагент, не вызывающий реакции с золой. Полученный пенобетон является перспективным материалом для различных областей строительства, в том числе производства легких заполнителей.

Использование золы-уноса в технологам цемента. В ряде докладов освещены вопросы использования золы в качестве цементного сырья.

В докладе J. Hicks (США) рассмотрены быстротвердеющие цементы и цементы для стеновых конструкций на основе высококальциевых зол класса С (ASTM C618). Цементы со-стоят из 80% золы, примененной в комбинации с добавками. Быстротвердеющий цемент характеризуется временем схватывания 15-20 мин., высокой активностью, низкой водопотребностью. Бетоны на их основе имеют высокие морозостойкость, долговечность, сульфатостойкость. Бетоны для стеновых конструкций также обладают хорошими строи-тельными свойствами.

Использование ПГУ в технологии легких заполнителей. В докладе A. Misrа (США) рассмотрены результаты исследования легких заполнителей на основе золы-уноса класса С по ASTM С618 (содержание СаО>22%). Принято водозольное отношение 0,2—0,4 (цемент не применялся), отношение песка и золы варьировалось в пределах 1,5—2,5. Для повышения прочности заполнителей рассмотрена возможность применения микроволокон. Прочность полученного материала в семидневном возрасте равна 10 МПа. Заполнители изготовлялись методом экструзии.

Доклад М. Wu и др. (США) по-священ методам изготовления заполнителей из сухих и влажных распыленных продуктов обессеривания топочных газов. Описана опытная установка для их изготовления. Полученные легкие и средней массы заполнители отвечают стандартным требованиям и предназначены для использования в производстве стеновых блоков и дорожных конструкций.

Использование золы-уноса в производстве кирпича. В докладе М. Chou и др. (США) изложены результаты разработки технологического процесса производства керамического кирпича с использованием большого объема низкокальциевой золы класса F (ASTM C618). Зола применена вместо кварцевого песка, который играет существенную роль в процессах формования, сушки и обжига. Исследованы сырьевые смеси с содержанием золы от 20 до 70%. Уста&