Ввод золошлаков при помоле цемента

5.  Обоснование способа производства

 

Важным этапом на пути использования  зольного и шлакового сырья является его классификация, в основу которой положены наиболее характерные критерии качества материала:

• модуль основности (гидравлический модуль) – М_о;
• силикатный (кремнеземистый) модуль – М_с;
• коэффициент качества (гидравлическая активность) – К.

Модуль основности (гидравлический модуль) представляет собой отношение содержания основных оксидов к сумме кислотных оксидов. При М_о > 1 золошлаки – основные и обладают вяжущими свойствами; при М_о < 1 золошлаки – кислые, могут служить гидравлической добавкой. Для учета влияния щелочных компонентов в формулу модуля основности включены оксиды натрия и калия.

 

     М_о = CaО + MgO + K₂O + Na₂O / SiO₂ + Al₂O₃

 

Силикатный (кремнеземистый) модуль показывает отношение количества оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа. Физический смысл силикатного модуля состоит в следующем. Силикатный модуль, являясь соотношением SiO₂ (необходимым для образования C₂S и C₃S) к Al₂O₃ + Fe₂O₃ (необходимых для образования C₃A и C₄AF), пропорционален, таким образом, отношению минералов (силикатов) к минералам (плавням).

 

     M_с = SiO₂ / Al₂O₃  + Fe₂O₃

 

Гидравлическая активность оценивается коэффициентом качества.

 

     K = CaO + Al₂O₃ + MgO / SiO₂ + TiO₂

 

В числителе стоят  оксиды, повышающие гидравлическую активность, в знаменателе – снижающие  ее. Следовательно, чем выше коэффициент  качества, тем выше гидравлическая активность золошлака. Значение модулей и коэффициента качества колеблются в определенных пределах. Однако, чем больше значение модуля основности, тем выше вяжущие свойства материала, тем больше его прочность при затвердевании. При прочих равных условиях и при повышенном силикатном модуле материал схватывается и твердеет медленно, но прочность его через определенное время возрастает.

Следовательно, указанные три показателя являются важными классификационными признаками материала, дающими информацию об определенных свойствах и показывающими соотношение главных компонентов.

На основании исследований золошлаковых отходов многих электро- и теплостанций, сжигающих топливо различных  месторождений, все золошлаки в  зависимости от состава были поделены на три группы: активные, скрытоактивные, инертные.

К первой группе (I) отнесены золошлаковые материалы эстонского сланца, углей Канско-Ачинского бассейна, ангренского угля, некоторых видов торфа. Эти золошлаковые материалы характеризуются общим содержанием оксида кальция в пределах 20 … 60 % и свободного оксида кальция до 30 %. Такой состав обеспечивает высокие значения модулей и коэффициента качества: М_о - 0,5 – 2,8;  М_с – 1,5 – 7,8;  К – 1,0 – 3,6. Золошлаковые материалы указанных топлив обладают свойством самостоятельного твердения. Такие золошлаки могут применяться для возведения дамб золошлакоотвалов без специальных мероприятий (введение вяжущих веществ), а также для производства изделий на их основе, преимущественно автоклавного твердения.

Ко второй группе (II) отнесены золошлаковые материалы с общим содержанием оксида кальция от 5 до 20 %. Свободный оксид кальция не превышает 2 %, а модуль основности – не более 0,5. К этой группе, характеризующейся меньшей активностью, чем первая, относятся золошлаковые материалы львовско-волынского, райчихинского, богословского, азейского и других углей. Основное направление использования золошлаков этой группы – производство изделий, твердеющих при тепловой обработке с активизаторами.

В третью группу (III) включены золошлаковые материалы углей: экибастузского, подмосковного, кузнецкого, донецкого, карагандинского. Они характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и низким содержанием оксидов кальция и магния. Свободного оксида кальция, являющегося активизатором процесса твердения, в некоторых золошлаках данной группы может не быть совсем, а максимальное его содержание не превышает 1 %. В связи с этим основным направлением использования золошлаковых материалов третьей группы являются дорожное строительство, производство кирпича, зольного гравия.

Для наиболее рационального решения  вопроса утилизации золошлаков ТЭЦ  необходимо знать их свойства, которые  зависят от вида, марки угля, от топочного  режима на ТЭЦ, а также от места  отбора золы на пути происхождения  дымовых газов.

Как следствие этого, химическая природа, физические, а, следовательно, и технические свойства тех или  иных зол могут быть различны. Обращает на себя внимание то, что золы от сжигания одного и того же вида угля  часто характеризуются различными показателями химического состава и физических свойств.

В зависимости от вида сжигаемого угля (антрацит, каменный, бурый) дисперсность, плотность, форма, цвет частиц золы, а также содержание окислов колеблется в больших пределах.

Данные по химическому  составу зол свидетельствуют о том, что содержание отдельных оксидов, а также топлива в золе, получаемой от пылевидного сжигания различных видов угля, имеет значительные отклонения. Это предопределяет свойства золы и область ее использования в производстве строительных материалов.

Например, золы уноса, образующиеся при сжигании Канско-Ачинских бурых  углей имеют колебания в химическом составе (в %): SiO₂ - 20 …40; Al₂O₃ – 8 … 11; Fe₂O₃ – 10 … 15; TiO₂ – 0,6 … 0,8; CaO (общ.) – 25 …50; CaO (своб.) – 2 … 13; MgO – 2 … 4; SO₃ – 1 … 3; щелочи – до 2 %. Из минералов, способных к гидратации и твердению, в золах присутствуют CaO, CaO . Al₂O₃, 3CaO . Al₂O₃, MgO, 4CaO . Al₂O₃ . Fe₂O₃.

Минералогический состав золы всех проб по каждой ТЭЦ представлен  в основном аморфизованным глинистым веществом, стеклом бесцветным и окрашенным, остатками угля и кристаллической фазой в виде кварца, муллита, магнезита и изредка полевого шпата. По показателю потерь в массе при прокаливании золы, условно характеризующего  содержание остатков горючего, отмечаются значительные колебания по различным пробам золы по каждой станции в пределах от 7 до 15 %.

Все золы характеризуются  близким химическим составом минеральной  части, но резко отличаются по гранулометрическому составу и удельной поверхности, при этом золы большинства ТЭЦ имеют величину удельной поверхности от 3000 до 5000 см²/г.

Несмотря на высокую  удельную поверхность всех зол гидравлически  активные минералы зачастую находятся  внутри капель стекла либо покрыты  стеклом, затрудняющим контакт минералов  с водой. Поэтому при использовании золы уноса для получения вяжущих материалов необходимо разрушение стекла для вскрытия активных минералов, т.е. нужен помол золы.

Для получения вяжущего материала и изделий на его  основе с высокими физико-механическими  свойствами (без ограничения условий эксплуатации) необходимо введение добавок-активаторов или применение механохимической активации золы.

В период с 25.01.09 по 15.03.09 года проводился эксперимент по вводу  золошлаков ТЭЦ в производство цемента  на ТОО «Цементный завод «Семей»». Шлаковая шихта готовилась в следующем порядке: 4 ковша с шихты с граншлаком + 1 ковш с котельным шлаком, что составило 20 %  котельного шлака от общего ввода граншлака. С данной загрузкой работали цементные мельницы № 1, 2, 9, были получены следующие показатели прочности:

 

    С вводом  котельного шлака

 

№ м-цы	Т.п.	SO3	Доб.	пропарка	3 сут.	28 сут.
1 м - ца	7,0	2,95	10,2	267	192	412
2 м - ца	7,7	3,04	11,5	269	168	396
9 м - ца	9,5	2,88	11,5	257	190	401

 

    Без ввода  котельного шлака

 

№ м-цы	Т.п.	SO3	Доб.	пропарка	3 сут.	28 сут.
1 м - ца	6,9	2,94	10,4	264	202	422
2 м - ца	7,7	2,74	10,8	263	207	417
9 м - ца	8,2	2,83	11,1	266	20,3	412

 

По результатам данного  эксперимента видно, что при вводе  золошлаков ТЭЦ активность цемента  в 28-ми суточном возрасте ниже на 8 – 12 кг с/см² по сравнению с активностью цемента, когда вводился грашлак. Ввод золошлаков ТЭЦ при помоле цемента возможен в целях экономии гранулированного доменного шлака в количестве до 20 %.

 

Экономический эффект от ввода золошлаков ТЭЦ в цемент марки ПЦ 400 Д 20.

 

Ввод гранулированного шлака в цемент марки ПЦ 400 Д 20 составляет 12 %, то есть на  1 тонну цемента приходится 0,12 тонн гранулированного шлака.

Средневзвешенная стоимость граншлака  составляет 2910,7 тенге за тонну.

Если вместо гранулированного шлака ввести в цемент котельный шлак в количестве 20 % от граншлака (0,12 * 20 % = 0,024 тн/цемент), то можно просчитать экономию:

 

              0,024 * 2910,7 = 69,9 тенге на 1 тонну цемента.