Главная » 2014 » Июнь » 27 » Скачать Теоретические и практические основы получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности. Петров, бесплатно
1:37 AM
Скачать Теоретические и практические основы получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности. Петров, бесплатно
Теоретические и практические основы получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности
Диссертация
Автор: Петров, Виктор Павлович
Название: Теоретические и практические основы получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности
Справка: Петров, Виктор Павлович. Теоретические и практические основы получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности : диссертация доктора технических наук : 05.23.05 / Петров Виктор Павлович; [Место защиты: Сам. гос. архитектур.-строит. ун-т] - Самара, 2007 - Количество страниц: 402 с. ил. Самара, 2007 402 c. :
Объем: 402 стр.
Информация: Самара, 2007
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА
11 Краткая история развития Анализ разработанных технологий заполнителей из топливосодержащих отходов
12 Область применения
13 Критический анализ работ по вопросам формирования структуры пористых заполнителей из топливосодержащих отходов
14 Краткие сведения о топливосодержащих отходах, как сырьевой базы пористых заполнителей
141 Золы и шлаки тепловых электростанций
142 Углеотходы
15 Выводы по главе Научная гипотеза
151 Выводы
152 Научная гипотеза
Глава 2 МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
21 Методы проведения работы,
211 Методы проведения работ при изучении влияния углерода на параметры переработки исходных материалов и формование сырцовых гранул
212 Методы проведения работ при изучении влияния углерода на параметры тепловой обработки гранул
213 Методы проведения экспериментов в промышленных условиях
214 Методика испытания углесодержащего сырья для получения пористого заполнителя
22 Характеристика использованных материалов
221 Золы и шлаки тепловых электростанций
222 Отходы угледобычи и углеобогащения
223 Вспомогательные материалы
23 Выводы по главе
Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОСТИ И ФОРМУЕМОСТИ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
31 Исследование перерабатываемое™
311 Исследование процессов измельчения топливосодержащих отходов
312 Исследование перерабатываемости порошков в керамические пасты
313 Исследование перерабатываемости углеотходов
314 Вопросы смешивания компонентов шихты
32 Исследование формуемости порошков и паст
321 Элементы теории
322 Исследование формуемости порошков окатыванием
323 Исследование формуемости керамических паст экструзией
324 Сравнение способов гранулирования керамической пасты из топливосодержащих отходов
33 Выводы по главе
Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
41Исследование вспучиваемости топливосодержащих отходов
42Влияние углерода на свойства пористых заполнителей
43Термодинамика, механизм и кинетика горения углерода в гранулах
431Термодинамика горения углерода в гранулах
432Механизм и кинетика горения углерода в гранулах
44 Сушка сырцовых гранул и охлаждение заполнителей
441 Элементы теории сушки
442 Определение оптимальных параметров сушки сырцовых гранул
443Охлаждение пористых заполнителей
45 Выводы по главе
Глава 5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
51 Разработка технологии получения особо легких пористых заполнителей
511Влияние структуры на плотность заполнителей
512Влияние кристаллической фазы на свойства заполнителей
513Элементы теории вспучивания особо легких пористых заполнителей
514Прочность особо легких пористых заполнителей
515Пример технологии особо легкого пористого заполнителя
52 Разработка технологии получения высокопрочных пористых заполнителей
521 Влияния кристаллической фазы на прочность высокопрочных заполнителей
522 Влияние стекловидной фазы на прочность высокопрочных заполнителей
523 Влияние пористое™ на прочность высокопрочного заполнителя
524Рекомендации по выбору сырья для производства высокопрочных заполнителей
525Пример технологии высокопрочного заполнителя
53 Выводы по главе:'
Глава 6 ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ,
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА
61 Промышленная проверка технологии производства пористого заполнителя из топливосодержащих отходов
611 Выпуск опытно-промышленных партий пористого заполнителя из отходов угольной промышленности
612 Выпуск опытно-промышленных партий пористого заполнителя из шлаков тепловых электростанций
613 Опытно-промышленное производство шлакозита в г Тольятти
62 Энергетические и эколого-экономические аспекты производства пористых заполнителей из топливосодержащих отходов
621Вопросы энергосбережения в производстве пористых заполнителей
622 Разделение зол ТЭС на минеральную и органическую часш
623 Экологическая безопасность производства пористых заполнителей из топливосодержащих отходов,
624 Экономическая эффективность
63 Выводы по главе
Введение:
Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных строительных материалов современного строительства является легкий бетон на пористых заполнителях. Об этом свидетельствует анализ состояния и перспектив развития мирового строительства, который говорит о нарастающей тенденции снижения массы зданий и сооружений [13, 25, 26, 31, 54, 61-63, 72-76, 80-81, 91, 94-95, 99, 104, 109-112, 151, 157, 161-163, 169, 176-178, 187, 198-200, 204, 212 - 213, 227, 230, 242, 243,294, 301,306].
В силу природных условий традиционным пористым заполнителем для России является керамзитовый гравий, который изготавливается из глинистого сырья. Несмотря на существенное уменьшение объемов выпуска, керамзитовый гравий продолжает занимать в России ведущее место среди пористых заполнителей. Вместе с тем, в ведущих зарубежных странах уже с середины 70-х годов прошлого века строительство керамзитовых предприятий прекращено. В 50-90-х годах прошлого столетия в странах Запада было построено несколько предприятий, которые в качестве основного сырья использовали различные топливосодержащие отходы промышленности: золы и шлаки тепловых электростанций, а также отходы угледобычи и углеобогащения.
В Советском Союзе производство пористых заполнителей из топливосо-держащих отходов (зол и шлаков тепловых электростанций) начинают осваивать с 70-х годов [10,23,3641,49,55,56,57,64,66,96,169,190,193,195 202,204,217,218, 225, 289,290, 295-296. 304. 305]. Разработаны и построены опытно-промышленные предприятия зольного гравия, глинозольного керамзита, зольного аглопорито-вого гравия, шлакозита. Однако широкого распространения отмеченные технологии не получили. Основная причина - низкое качество получаемого продукта. Сегодня работает только одно предприятие, выпускающее зольный гравий в Кашире Московской области.
С 1990 года отмечается снижение выпуска пористых заполнителей, вначале достаточно медленное [169, 212, 213, 294,], а с 1996, после выхода Постановления Совета Министров России № 18-81 от 11.08.1995г. «Об изменении
3 СНиП П-3-79 Строительная теплотехника», направленного на повышение уровня тепловой защиты зданий, - стремительное. С 1996г. практически прекращено жилищное строительство с использованием однослойных керамзито-бетонных панелей. Вместо них на предприятиях строительной индустрии изготавливают трехслойные стеновые панели с наружными слоями из армированных тяжелого или конструкционного легкого бетонов. Более широко для изготовления наружных стен применяют ячеистые бетоны. Потребность в пористых заполнителях резко падает. Сегодня их производят чуть более 30% от того выпуска продукции, который был достигнут в 1989 году. За последние 12 лет не построено ни одного нового предприятия. Напротив, за этот период закрыто около 60 заводов (20% от числа действовавших в 1989 году).
Соискатель полагает, что отмеченное снижение производства пористых заполнителей и, в первую очередь, изготавливаемых из отходов промышленности, является временным, обусловленным в конце XX века преобладанием макроэкономических аспектов развития страны над другими: экологическими, энерго- и ресурсосберегающими [3, 17, 129, 213].
Современный уровень развития легкобетонного строительства и связанный с ним уровень производства пористых заполнителей не отражают «строительные» и прочие возможности этих материалов. Пористым заполнителям и легким бетонам на их основе уготована более весомая роль в строительном деле будущего.
Перспективы развития промышленности пористых заполнителей в целом автор связывает с действием следующих факторов.
Первый. Наличие мощной сырьевой базы. В таблице 1 приведены данные о химическом составе земной коры и некоторых материалоемких строительных материалов.
По данным ООН, в мире ежегодно добывается и перемещается около 120 млрд. т горных пород, из которых извлекаются продукты, необходимые для нужд человечества, в том числе около 11 млрд. т. сырья - для изготовления строительных материалов, 3-4 млрд. т. каменных материалов - для дорожного строительства. Кроме того, из недр земли ежегодно извлекается 3-5 млрд. т. твердого топлива, после сжигания которого образуется 15-25% отходов в виде зол и шлаков [129]. И такое же количество отходов образуется при обогащении углей. Только в России от сжигания углей на тепловых станциях ежегодно образуется около 50 млн. т золы и шлаков, а при обогащении углей на углеобогатительных фабриках - примерно такое же количество углеотходов [129].
Таблица 1. Химический состав земной коры и некоторых строительных материалов
Наименование материала Средний химический состав, % масс.
Si02 А12ОЗ Р^общ СаО MgO к2о Na20 2
Земная кора (по Прокофьевой В.В. [226]) 60,0 15,00 6,00 6,00 2,50 3,00 4,00 96,50
Магматические породы (по Кларку и Вашингтону [255]) 59,12 15,34 6,88 5,08 3,49 3,84 3,13 96,88
Керамзит ОАО «Керамзит» г. Самара 59,55 19,24 10,47 2,17 2,11 1,99 2,93 98,46
Шлакозит, Тольяттинская ТЭЦ 58,0 22,0 8,0 4,0 2,0 3,0 2,0 99,0
Портландцемент, Жигулевский комбинат 22,5 6,0 3,0 64,5 2,5 0,5 0,5 100,0
Керамзитобетон D600 47,0 15,0 6,6 24,0 3,5 1,7 2,2 100,0
Кирпич ГОСТ 25594-85 7 <14 <10 <10 <4 <4
Химический состав пористых заполнителей и строительного кирпича, практически, соответствует среднему химическому составу земной коры и, таким образом, - среднему химическому составу промышленных отходов. Отсюда следует, что пористые заполнители можно, а точнее, нужно изготавливать из отходов, в первую очередь из топливосодержащих отходов промышленности.
Второй. Пористые заполнители, как и все керамические материалы, обладают высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред; их принято относить к долговечным материалам [31,35,81,94,95,98-99,105,111,134,161,169,242,270, 295,303]. Мировая практика имеет многочисленные примеры применения легких бетонов в строительстве уникальных сооружений, в том числе гидротехнических. Некоторые из них построены не 10-20 и даже не 100-200 лет назад, а 2000 лет назад [187, 242]. Это, например, гидротехнические сооружения в Анконе и Чевитавикии (Италия), построенные в начале нашей эры и эксплуатируемые по настоящее время. Сотни лет человек живет в домах, возведенных из туфов и других природных пористых материалов, свойства которых аналогичны свойствам легких бетонов, что подтверждает экологическую чистоту пористых керамических материалов вообще и легких бетонов в частности.
Третий. Технологичность пористых заполнителей в широком смысле. Технология получения их чрезвычайно проста, отличается высокой механизацией и автоматизацией. На американских и западноевропейских заводах технологический процесс в смену обслуживают 3-4 человека. Оператор с помощью промышленного телевидения и компьютеров управляет не только технологическим процессом, но и производит отпуск продукции.
Также просты технологии перевозки и применения заполнителей на стройках и заводах строительной индустрии. В середине 90-хгодов, когда вместо однослойных стеновых панелей стали производить многослойные, производительность труда на заводах крупнопанельного домостроения уменьшилась на 50-60%.
Четвертый. Широкая сфера применения пористых заполнителей в строительстве и других отраслях народного хозяйства.
Соискатель считает, что в ряде регионов страны имеется возможность, а во многих случаях, - настоятельная необходимость возврата к производству и применению однослойных стеновых панелей из легкого бетона, но на принципиально новой технической основе, на основе использования бетонов слитного строения с плотностью 600-700 кг/м классов не ниже В3,5. Такие бетоны, по мнению ряда специалистов России, можно изготовить с применением пористых заполнителей насыпной плотностью 200 - 300 кг/м3 и прочностью соответственно 1,0 -2,0 МПа [24,30,62,63,73,80,91,95,109-112,203-205,209,217-218,227].
Давно доказана высокая эффективность изготовления несущих конструкций из легкого бетона, особенно тех, где большую долю нагрузки составляет собственный вес. Это высотные здания и сооружения, мосты, путепроводы, нефтяные платформы и пр. [3,10,25,31,34-35, 81,105,133,134,161,169,177- 178,180, 188-189,211,213,218,219,223,246,301]. Большой опыт применения высокопрочных легких бетонов накоплен в США. Здесь его применяют не только в строительстве высотных зданий и мостов, но и в совершенно неожиданных для России областях, например, в изготовлении дорожного полотна, поскольку доказано, что покрытие из легкого бетона дольше служит без ремонта, чем бетонное полотно на граните [187, 198, 218, 219].
В Финляндии в зонах вечной мерзлоты керамзитовый гравий засыпают под здания и под дорожное покрытие в качестве балласта-утеплителя для предотвращения оттаивания мерзлой земли [198]. В нашей стране больше половины территории находится в зоне вечной мерзлоты. И нам давно следует делать теплое зернистое утепление и под дорожное полотно, и под здания и сооружения.
Пористые заполнители, особенно мелкие, являются прекрасным адсорбентом. Их можно и используют в качестве зернистых засыпок в фильтры очистных сооружений [224].
В Иране пористые заполнители используют для улучшения структуры почв. Заполнители аккумулируют воду во времена редких дождей и затем постепенно отдают их растениям.
Экспериментальная часть работы и большая часть теоретических исследований были выполнены в институте НИИКерамзит (г. Самара). Автор благодарит бывшего директора института НИИКерамзит Якшарова О.Ю. и сотрудников этого института Вебера В.Ф., Федорова В.А., Тронина П.С., Милокумову Т.Н., Карпееву В.Н. и многих других, помогавших в проведении достаточно сложных и трудоемких экспериментов. Завершение теоретических исследований, написание диссертации, ее оформление выполнены в стенах Самарского государственного архитектурно-строительного университета, на кафедре «Строительные материалы». Автор благодарит заведующего кафедрой проф. Коренькову С.Ф. за консультации при завершении работы и оформлении настоящей рукописи.
Цель и задачи работы.
Основная цель настоящей диссертационной работы - создать научно-практические и технологические основы производства пористых заполнителей заданного качества из топливосодержащих отходов промышленности, преимущественно, зол и шлаков тепловых электростанций и отходов добычи и обогащения углей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• проанализировать и обобщить опыт производства и применения пористых заполнителей, в том числе изготавливаемых из отходов промышленности и, в первую очередь, — из топливосодержащих;
• разработать общую методологию и частные методы исследования;
• исследовать свойства топливосодержащих отходов промышленности;
• оценить влияние основных свойств топливосодержащих отходов на свойства и технологические параметры получения пористых заполнителей;
• сформулировать основные принципы технологии получения пористых заполнителей заданного качества из отходов промышленности;
• исследовать энергетические, экологические и экономические аспекты проблемы организации производства пористых заполнителей из углеродсодер-жащих отходов промышленности.
Научная новизна работы
Определены оптимальные условия переработки исходных материалов, в том числе топливосодержащих, в керамические пасты и формования из них сырцовых гранул.
Доказана отрицательная роль избытка углерода на качество пористого заполнителя и условия формирования структуры пористого заполнителя.
Подробно рассмотрены термодинамика, механизм и кинетика горения углерода в гранулах заполнителя при тепловой обработке.
Впервые доказано отрицательное влияние кристаллической фазы на свойства особо легких пористых заполнителей.
Определены оптимальные технологические параметры получения пористых заполнителей марок 300 и ниже, в том числе, изготавливаемых из отходов промышленности.
Определены оптимальные технологические параметры получения пористых заполнителей марок по прочности П300 и выше, в том числе, изготавливаемых из отходов промышленности.
Сформулированы технические требования к свойствам углеродсодержа-щих отходов, обеспечивающих эффективное получение пористых заполнителей при современном уровне развития техники.
Установлена экологическая безопасность производства пористых заполнителей, изготавливаемых из топливосодержащих отходов промышленности.
В г. Тольятти с участием автора построена установка по производству шлакозита, принципиальная схема которой защищена патентом
Практическая значимость работы.
В условиях возрождения и роста экономики страны все острее встают вопросы о путях развития строительного комплекса. Грамотное, научно обоснованное решение этих вопросов возможно только при наличии полной, научно обоснованной и достоверной информации о свойствах, экономике, наличии сырьевой базы, экологической безопасности и самих материалов, и технологии их получения. Настоящее научное исследование представляет собой своеобразное справочное пособие о свойствах и экономике производства пористых заполнителей из топливосодержащих отходов, которое можно использовать при выполнении маркетинговых исследований развития строительного комплекса того или иного района страны, а также при разработке бизнес - планов строительства конкретных предприятий.
Реализация работы.
Результаты настоящих исследований были использованы при проектировании, строительстве и отладке технологии шлакозита на Тольяттинской ТЭЦ.
В конце 80-х годов разработанные технологии керамзитового гравия из отходов угледобычи и углеобогащения были приняты межведомственной комиссий, составленной из представителей бывших Минуглепрома СССР и Мин-стройматериалов СССР. Разработаны технологический регламент, ТЭО и рабочие чертежи керамзитового завода с привязкой его к шахте «Интинская» (г. Инта).
В середине 90-х годов разработана и сдана комиссии, включающей представителей Челябинского электрометаллургического комбината (ЧЭМК) - заказчика разработки, НИИЖБа, НИИКерамзита, технология получения пористого заполнителя из алюмосиликатных отходов ЧЭМК. Отходы содержат до 15% органических включений. Разработаны технологический регламент, ТЭО и рабочие чертежи завода керамзитового гравия. Строительство завода намечено непосредственно на территории ЧЭМК.
Автор принимал участие в отработке технологии получения высокопрочного пористого заполнителя в г. Милуоки (США), на Милуокской ГРЭС. Заполнитель получают из золошлаковых отходов тепловой гидроэлектростанции.
Многие разработанные методики и нормативные требования к качеству пористых заполнителей вошли в действующие стандарты и технические условия на пористые заполнители. Автор был активным участником и руководителем научных коллективов, разработавших последние, действующие стандарты на пористые заполнители, а именно: ГОСТ 9759-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия» и ГОСТ 9758-86 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытания», а также инструкций, имевших и имеющих исключительное значение для создания и работы предприятий керамзитового гравия: «Инструкции по производству керамзитового гравия», «Инструкции по текущему статистическому контролю качества керамзитового гравия в процессе его производства» и др.
На защиту выносятся:
• физико-химические основы фазовых превращений и реакций взаимодействия компонентов исходного топливосодержащего сырья, происходящих при нагреве сырцовых гранул;
• особенности структурно-механических свойств керамических паст, содержащих топливосодержащие отходы промышленности;
• влияние углерода на свойства пористых заполнителей и параметры их производства;
• математические модели процессов формирования структуры пористых заполнителей и уравнения, выражающие зависимость свойств пористых заполнителей от свойств исходных материалов и технологических параметров производства;
• основные принципы получения пористых заполнителей заданного качества из топливосодержащих отходов промышленности;
• результаты промышленной апробации технологии получения пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности;
• эколого-экономическая концепция целесообразности развития пористых заполнителей на перспективу, преимущественно из топливосодержащих отходов промышленности.
Вклад автора в разработку проблемы.
Автору принадлежит идея эколого-экономической концепции развития пористых заполнителей из топливосодержащих отходов промышленности с доведением ее до практических результатов. Автор разработал общую методологию и большую часть методов проведения экспериментов, принимал непосредственное участие как в проведении лабораторных, так и промышленных экспериментов, производил обработку результатов наблюдений и их анализ с применением методов математической статистики. Автор самостоятельно выполнил большую часть термодинамических расчетов с определением энергии Гиббса и коэффициентов выхода конечных продуктов реакций. Автор разработал принципиально новую концепцию фазовых превращений, происходящих в алюмо-силикатных материалах при их нагреве и вспучивании.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах по проблемам легких бетонов и заполнителей для них, которые
15 проводились в городах: Москва (1969, 1970, 1972, 1977, 1978, 1980, 1982, 1983, 1986, 2005), Пенза (1969, 1982, 1984, 2004), Куйбышев-Самара (1971, 1972, 1973, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007), Ташкент (1969), Рига (1971), Братск (1973), Омск (1984), Ереван (1985), Монреаль (Канада-1995), Ростов-на-Дону (2004).
Публикации
Автором опубликовано 139 научных работ, в том числе 2 монографии, справочное пособие, 18 авторских свидетельств и 4 патента. По результатам диссертационной работы опубликовано 75 научных работ, в том числе 9 авторских свидетельств и 4 патента; 14 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы
Работа состоит из введения, шести глав, и приложений. Имеет 373 страницы машинописного текста, включает 49 рисунков, 116 таблиц и библиографический список из 330 наименований.