Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Капустин Федор Леонидович. Структура и фазообразование в гранулированных высококальциевых золах ТЭС и получение вяжущих на их основе : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.17.11 : Екатеринбург, 2003 333 c. РГБ ОД, 71:04-5/346

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 8

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНРЇЕ УДАЛЕНИЯ, СКЛАДИРОВАНИЯИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС В ТЕХНОЛОГИИ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ 15

1.1. Особенности сжигания бурых углей и горючих сланцев . 15

1.2. Анализ состава и физико-химических свойств высококальциевых зол 18

1.3. Применение высококальциевых зол в технологии вяжущих материалов 27

1.4. Теоретические и технологические основы окомкования зол ТЭС 32

1.5. Перспективы внедрения на ТЭС технологии золоудаления с предварительной грануляцией высококальциевых зол . 37

1.6. Выводы 40

2. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СЖИГАНИЯ УГЛЯ НА СОСТАВ И СВОЙ СТВА ВЫСОКОКАЛЫДИЕВЫХ ЗОЛ 41

2.1. Методы исследования 41

2.2. Состав и свойства высококальциевых зол 44

2.3. Особенности и влияние свободного оксида кальция на вяжущие свойства золы 60

2.4. Гидратация и твердение высококальциевых зол 63

2.5. Выводы 71

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВОЙ ЗОЛЫ 74

3.1. Структура и активность белитовых цементов 74

3.2. Фазовые превращения при нагревании высококальциевой

3.3. Влияние режима обжига на минералообразование и активность зольного клинкера 80

3.4. Влияние химического состава золы на структуру и активность клинкера 87

3.5. Состав и свойства клинкера при разных режимах охлаждения 100

3.6. Выводы 120

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОКОМКОВАНИЯ ВЫСОКО КАЛЬЦИЕВЫХ ЗОЛ 122

4.1. Оценка комкуемости зол 122

4.2. Технологические параметры грануляции зол 122

4.2.1. Влияние режима увлажнения золы на ее гранулиру- емость 124

4.2.2. Влияние состава золы и продолжительности окомко- вания на свойства гранул 133

4.2.3. Влияние температуры окомкования на свойства золь ных гранул 138

4.3. Выводы 142

5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЗОЛЬНЫХ ГРАНУЛ ПРИ ТВЕРДЕНИИ 144

5.1. Тепловыделение при твердении окомкованной золы . 144

5.2. Структурообразование при твердении зольных гранул в различных условиях 150

5.3. Влияние химических добавок на свойства гранулированной золы 169

5.3.1. Структурообразование в высококальциевых золах под влиянием химических добавок 170

5.3.2. Исследование влияния стоков ХВПУ на свойства зольного камня 173

Влияне отрицательных температур на твердение гранулированной золы 174

5.4. Особенности выщелачивания и упрочнения гранулированной золы при периодическом увлажнении 181

5.6. Выводы 183

6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОКОМКО- ВАНИЯ И СКЛАДИРОВАНИЯ ВЫСОКОКАЛЫДИЕВЫХ ЗОЛ . 186

6.1. Окомкование ВКЗ на тарельчатом грануляторе . 186

6.2. Грануляция золы на дырчатых волках 193

6.3. Изменение потребительских и экологических характеристик гранулированной золы в процессе атмосферного хранения 194

6.4. Выводы 212

7. ПОЛУЧЕНИЕ КЛИНКЕРА ИЗ ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВОЙ ЗОЛЫ НА АГЛОМЕРАЦИОННОЙ СПЕКАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ, ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СОСТАВА И СВОЙСТВ 214

7.1. Особенности получения клинкера в условиях быстрого обжига 214

7.2. Технологические параметры быстрого обжига зольного клинкера 217

7.3. Минеральный состав и структура клинкеров . 223

7.4. Распределение примесей по клинкерным фазам . «• 237

7.5. Активность и гидратация низкоосновного цемента . 243

7.6. Производственные испытания технологии низкоосновного клинкера из высококальциевой золы 249

7.7. Выводы 252

8. ВЯЖУЩИЕ И БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАНУЛИРО ВАННОЙ ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВОЙ ЗОЛЫ 255

8.1. Свойства смешанного золоцементных вяжущих . 255

8.2. Зольный клинкер - добавка для получения высокопрочных цементов 260

8.3. Бетоны на основе гранулированной высококальциевой золы 266

8.4. Выводы 268

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 269

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 272

ПРИЛОЖЕНИЯ 300 

Введение к работе:

В Концепции развития строительного комплекса России отмечена необходимость организации производства строительных материалов по энерго-, тепло-и ресурсосберегающим технологиям, расширение выпуска местных вяжущих, полнее использовать в их технологиях материалы попутной добычи минерального сырья, вторичных продуктов и техногенных отходов [1]. Важной составной частью этой программы является также снижение уровня загрязнения окружающей среды путем создания замкнутых циклов экологически безотходных производств.

В соответствии с новой Концепцией энергетической политики России, разработанной в 1992-93 г.г., основными угледобывающими районами определены Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны [2]. Значительными преимуществами последнего являются низкая зольность и малое содержание серы в углях, а также благоприятные геологические условия их залегания. Из 600 млрд. т. разведанных запасов 140 доступны для разработки открытым способом [3, 4].

Особенностью бурых углей Канско-Ачинского бассейна, а также горючих сланцев Прибалтики, является высокое содержание до 40-60 % в его минеральной части оксида кальция. Выход ВКЗ и шлака только на одной Березовской ГРЭС-1 КАТЭКа может составить 1,2-2,0 млн. т, а при переводе ряда ТЭС на Урале и в центральной части России на канско-ачинские угли в целом ожидается до 25 млн. т золошлаков в год [5]. Решение проблемы их утилизации имеет большое народно-хозяйственное значение, так как золошлаковые отвалы занимают тысячи гектаров полезных земель, загрязняя окружающую среду, требуются значительные капитальные затраты на удаление и складирование ЗШО. Гидрозолоудаление, применяемое на большинстве ТЭС, не позволяет более полно и эффективно использовать золошлаки в строительстве [6, 7]. С другой стороны, оно не исключает возможность попадания щелочного фильтрата из отвала в окружающие водоемы и подземные воды. Указанные недостатки могут быть устранены внедрением на ТЭС сухих способов удаления и складирования ЗШО, которые обеспечивают более широкое их использование в строительстве [8-11].

Одним из перспективных направлений использования ВКЗ в строительных материалах является производство на их основе вяжущих веществ, например, в качестве компонента сырьевой смеси клинкера, минеральной добавки при помоле цемента, а также в составе растворов и бетонов нормального и автоклавного твердения [7, 13-30]. Однако, применение зол на практике невелико, что обусловлено, в частности, недостаточной изученностью и значительными колебаниями их химико-минерального состава и свойств, высоким содержанием СаОсв, который находится в малоактивном состоянии и частично покрыт стекловидной или кристаллической оболочкой, способствующих вызывать деструктивные явления при твердении зольного камня [13, 14]. Несмотря на расположение составов ВКЗ в той же области диаграммы состояния СаО-А12Оз-Fe203-Si02, поле C2S, что и цементного клинкера, вследствие поздней гидратации закрытого различными фазами СаОсв они не могут быть сразу использованы в качестве самостоятельного вяжущего материала или добавки в цемент и бетон. Это предопределило применение ряда специальных приемов для улучшения потребительских свойств золы, таких как дополнительный помол, введение химических добавок, предварительная гидратация, или карбонизация, автоклавирование, пропаривание, обжиг и др. [13, 14, 20-34]. Однако, многие из них дороги и сложны в технологии, малопроизводительны, не пригодны для многотоннажной переработки ВКЗ и относительно эффективны для составов с СаОсв до 9 % [14, 23, 34]. Золы с более высоким содержанием извести, которые представляют значительную экологическую опасность для окружающей среды, в производстве строительных материалов не используются. Отсюда следует, что проблема применения ВКЗ в строительстве может быть решена через изучение физико-химических процессов структурообразования в псевдосистеме СаО-оксиды покрывающей его оболочки-другие компоненты золы и разработку простых и эффективных способов повышения потребительских свойств золы. Автором данной работы в качестве одного из них предлагается гранулирова ниє ВКЗ, которое может быть использовано в технологии экологически безопасного золошлакоудаления на ТЭС и обеспечит наиболее полную их утилизацию в строительстве.

Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках Союзных и Республиканских комплексных научно-технических программ "Энергия", "Человек и окружающая среда", "Переработка отходов производства и потребления", "Строительство", отраслевой программы по расширению использования золы и шлака ТЭС, а также ряда инициативных и бюджетных тем. Цель работы - изучение структурных изменений и фазообразования при твердении и обжиге гранулированых ВКЗ, разработка технологий их окомкова-ния и использования в производстве вяжущих материалов. Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

- изучение влияния способа сжигания бурых углей Канско-Ачинского бассейна на химико-минеральный состав, физико-технологические свойства и комкуемость золы-уноса;

- исследование физико-химических процессов в зольных гранулах в зависимости от условий их получения, твердения и обжига, глубины залегания и длительности атмосферного хранения в золоотвале;

- определение оптимальных технологических параметров окомкования ВКЗ и свойств зольных гранул, разработать рекомендации к технологии удаления и складирования золошлаков на ТЭС с предварительной грануляцией золы;

- разработка теоретических основ технологий получения зольных вяжущих, белитового клинкера и строительных бетонов из гранулированной ВКЗ, определить их строительно-технические свойства;

- опытно-промышленная проверка основных положений и разработка нормативно-технической документации для их внедрения в производство.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы и предложен механизм формирования C3S при быстром неравновесном обжиге ВКЗ, заключающиеся в кристаллизации алита из высокоосновного расплава, полученного локальным растворением C2S в алюмосиликатном стекле и обогащения его катионами кальция. Резкое охлаждение таких глиноземсодержащих низкоосновных составов приводит к образованию C3S, ct -CaS, С3А и C4A3S, более мелкой кристаллизации и повышенной дефектности силикатов кальция, увеличению активности клинкера.

Выявлено распределение в составе клинкерных минералов каждого из входящих в ВКЗ основных ионов. Установлено, что ионы магния, титана и марганца размещаются преимущественно в алюмоферритах, обогащенных железом, сульфат-ион - силикатах кальция, щелочные катионы, в отличие от порт-ландцементного клинкера, в основном входят в состав АФСФ.

Установлены основные физико-химические превращения и процессы структурообразования в гранулированных ВКЗ, определены наиболее существенные факторы, на них влияющие и упрочняющие зольный камень.

Изучена кинетика образования продуктов гидратации и изменения физико-механических свойств при твердении зольных гранул в атмосферных условиях и предложен способ их кондиционирования. Показано, что СаОсв в зольном камне связывается в нерастворимые в воде соединения, ВКЗ становится инертной и не выделяет вредных для окружающей среды веществ при хранении в золоотвале.

Показано, что зольный белитовый клинкер в композиции с портландце-ментным обеспечивает получение быстротвердеющих и высокопрочных смешанных цементов с повышенной коррозионной стойкостью и долговечностью.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны новая ресурсосберегающая низкотемпературная технология получения низкоосновного клинкера с активностью 30-50 МПа из гранулированной ВКЗ скоростным обжигом по методу просасывания, технологический регламент по его производству на агломерационной машине. Выпущены опытные партии бели-тового клинкера в полупромышленных (УПИ им. СМ. Кирова) и промышленных условиях (ОПТП "Энерготехпром").

Разработаны технология и технологический регламент, проведены промышленные испытания по окомкованию ВКЗ на тарельчатом грануляторе (01ГШ "Энерготехпром") и дырчатых вальцах (полигон СибВНИИГа). Составлены рекомендации по окомкованию золы с разным содержанием СаОсв, складированию и атмосферному хранению гранул, обеспечивающих их кондиционирование при отсутствии выделения стоков из золоотвала ТЭС.

Разработана технология и нормативно-техническая документация по получению смешанных клинкерных цементов и строительных бетонов с использованием гранулированной и обожженной ВКЗ.

Технология окомкования ВКЗ использована в рабочих проектах систем золошлакоудаления с предварительной грануляцией золошлаков на Березовских ГРЭС-1 и ГРЭС-2, Омской ТЭЦ-6, Барнаульской ТЭЦ-3, Абаканской ТЭЦ, Кировской ТЭЦ-6, Ижевской ТЭЦ-3, Курганской ТЭЦ-2, Марийской ГРЭС и Губкинской ТЭЦ. Ожидаемый экономический эффект от замены традиционного гидрозолошлакоудаления на сухое удаление и складирование гранулированных золошлаков, использования их в технологии вяжущих материалов только для одной ГРЭС КАТЭКа составляет 964 тыс. руб. в год (в ценах 1984 г.), а при получении гранулированной ВКЗ, вяжущих и строительных изделий на основе золошлаков на опытно-промышленном комплексе Омской ТЭЦ-6 -260 млн. руб. в год (в ценах 1991 г.). Внедрение разработанных технологий существенно улучшит экологическую обстановку в регионе электростанций, значительно сократит затраты по удалению и хранения ЗШО, уменьшит площади территорий, отводимых под золоотвалы. Эффективность и оригинальность работы подтверждена награждением автора бронзовой медалью Всесоюзной выставки достижений народного хозяйства.

Материалы работы используются в курсах "Экология производства строительные материалы и изделия", "Техногенные отходы в производстве строительных материалов", "Основы производства строительных материалов и изделий", а также в дипломном проектировании студентов специальностей 250800 "Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов", 290600 "Производство строительных материалов, изделий и конструкций".

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на IX и XIII Международном симпозиуме по силикатным строительным материалам "Ibausil" (Германия, 1985 и 1997 г.), Международном симпозиуме по использованию золы в бетонах (Китай, 1991 г.), Международных научно-технических конференциях "Резервы производства строительных материалов" (г. Барнаул, 1997 г.), "Композиционные материалы" (г. Киев, 1998 г.), "Экологические проблемы промышленных регионов" (г. Екатеринбург, 2000 г.), "Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов (г. Белгород, 2000 г.), "Экология энергетики 2000" (г. Москва, 2000 г.), II Международном совещании по химии и технологии цемента (г. Москва, 2000 г.) и более чем 25 Всесоюзных, республиканских и региональных научно-технических совещаниях и конференциях, а также научных семинарах в различных предприятиях и вузах.

Публикации. Результаты работы изложены в 68 публикациях, получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных выводов, изложена на 333 страницах, содержит 62 таблицы, 71 рисунок, библиографический список из 275 наименований и 11 приложений.

На защиту выносятся:

- результаты комплексного исследования химико-минерального состава и свойств ВКЗ разных способов сжигания бурых углей Канско-Ачинского бассейна, закономерности их изменения от температуры горения и основности минеральной части топлива;

- механизм образования C3S в неравновесных условиях быстрого обжига и резкого охлаждения низкоосновных составов ВКЗ;

- распределение по минералам низкоосновного клинкера примесных элементов, входящих в состав ВКЗ;

- закономерности физико-химических превращений и упрочнения гранулированных ВКЗ при твердении в различных условиях, наиболее существенные факторы их регулирующие;

- механизм и кинетику гидратации активных фаз ВКЗ при твердении в атмосферных условиях, научно обоснованные способ и рекомендации по ее кондиционированию в золоотвале ТЭС;

- новую ресурсосберегающую технологию получения белитового клинкера из ВКЗ с высокой гидравлической активностью;

- оптимальные составы и энергосберегающие технологии получения смешанных клинкерных цементов и строительных бетонов на основе гранулированной ВКЗ.

Вклад автора в разработку проблемы. Автору принадлежат формулировка и обоснование цели работы, выбор объектов исследования. Им выполнены эксперименты, обработка и анализ результатов, их внедрение. Ряд исследований проводились совместно с В.М. Уфимцевым, Б.Л. Вишней, И.К. Доманской, ценная консультативная помощь оказана В.А. Пьячевым и м .Н. Кайбичевой.

Подобные работы
Шашкина Галина Алексеевна
Получение кальций-фосфатного покрытия микродуговым методом. Структура и свойства биокомпозита на основе титана с кальций-фосфатными покрытиями
Чапская Анастасия Юрьевна
Получение керамических пигментов на основе шпинелей методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Тарасова Ирина Даниловна
Низкотемпературный синтез жидкого стекла и получение теплоизоляционных материалов на его основе
Галлямов Ринат Талгатович
Разработка технологии получения и исследование свойств уплотнительных срабатываемых покрытий на основе стабилизированного диоксида циркония
Самойлов Владимир Маркович
Получение тонкодисперсных углеродных наполнителей и разработка технологии производства тонкозернистых графитов на их основе
Минин Роман Владимирович
Технология получения гексагональных оксидных ферримагнетиков с W-, M- и Z-структурами методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Чухланов Владимир Юрьевич
Разработка научных основ получения легких полимербетонов и защитных покрытий на основе кремнийорганических связующих
Битуева Эльвира Борисовна
Биотехнология йодсодержащих БАД органической природы: теоретические основы получения и применения в технологии пищевых продуктов
Тухтаев Сайдиахрал
Физико-химические основы получения комплексных удобрений, содержащих микроэлементы, физиологически активные вещества, и дефолиантов
Белкина Елена Ильинична
Физико-химические основы получения чистых фосфорсодержащих солей

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net