Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Полые алюмосиликатные микросферы в золах-уноса электростанций 9
1.1 Предшественники и ближние аналоги 10
1.2 Микросферы в золах-уноса , 24
1.3 Постановка задачи 37
Глава 2. Процессы формирования полых микросфер в золах-уноса электростанций 39
2.1 Фракционирование золы-уноса по плотности, состав золы и доля микросфер в золах-уноса 40
2.2 Влияние химического и минералогического состава примесей в углях на образование микросфер 57
2.3 Процессы газовыделения при образовании полых микросфер 64
2.4 Влияние температурных условий сжигания углей, реологических свойств и дисперсного состава исходных минеральных частиц на содержание микросфер в золах уноса 73
2.5 Модельные эксперименты по изготовлению полых микросфер из частиц минеральных компонентов углей 83
Глава 3. Технический мониторинг на электростанциях Российской Федерации по микросферам из зол-уноса 92
3.1 Распространенность источников микросфер в регионах России 92
3.2 Методика определения производственного ресурса электростанции по микросферам 100
3.3 Скопления микросфер на золоотвалах электростанций 103
Глава 4. Свойства микросфер из зол-уноса и методы контроля 116
4.1 Структурно механические свойства 117
4.2 Взаимодействие с агрессивными средами 133
4.3 Теплофизические свойства 137
4.4 Диэлектрические характеристики 148
4.5 Удельная эффективная активность естественных радионуклидов 152
4.6 Компьютерная база данных «Зольные микросферыРоссийской Федерации» 155
4.7 Функциональные особенности зольных микросфер в сравнении с материалами аналогами 157
4.8 Направления использования микросфер из зол уноса в разработках РФЯЦ-ВНИИЭФ 161
Основные Выводы 175
Заключение 178
Список литературы 181
Приложения 194
- Влияние химического и минералогического состава примесей в углях на образование микросфер
- Модельные эксперименты по изготовлению полых микросфер из частиц минеральных компонентов углей
- Методика определения производственного ресурса электростанции по микросферам
- Компьютерная база данных «Зольные микросферыРоссийской Федерации»
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях современной индустрии производство основных материалов, изделий или услуг все в большой степени оценивается по параметрам, характеризующим количество образующихся отходов. Поэтому прогрессивной тенденцией в материалоемких отраслях является превращение промышленных отходов в сырье, пригодное для индустриального использования. Это в полной мере относится и к зольным отходам электростанций, которых в России ежегодно образуется не менее 25 млн. тонн.
Одним из наиболее ценных компонентов зольных уносов являются пористые частицы-микросферы (или ценосферы) - легкая фракция золы уноса, представляющая собой мелкодисперсный, сыпучий порошок, состоящий из полых тонкостенных частиц сферической формы, алюмосиликатного состава, диаметром в несколько десятков или сотен микрон. На электростанциях, где зольные отходы удаляются в виде водной пульпы, микросферы, имея плотность менее 1 г/см3, в результате естественной флотации всплывают на поверхность водных бассейнов золоотвалов и находятся там длительное время в виде «пенных слоев» различной толщины.
В США, Евросоюзе, а также в ряде других стран создана определенная индустрия утилизации зольных микросфер в различных отраслях промышленности. Чаще всего они применяются в качестве наполнителей разнообразных композиционных материалов на основе органических и неорганических связующих. Их стоимость может составлять до 70(Ы200$ США за тонну.
Однако анализ публикаций по проблеме утилизации зольных микросфер, а также анализ характера деятельности предприятий - производителей микросфер позволяет определить резервы развития этого, в техническом отношении перспективного и экологически оправданного вида деятельности. К настоящему времени отсутствуют систематизированные сведения о ресурсах и качественных показателях зольных микросфер российских электростанций. Предприятия-производители не контролируют значительную часть основных свойств микросфер, по-видимому не обладая разработанными методиками контроля. Отсутствует классификация зольных микросфер, ставящая в соответствие технические параметры микросфер и области их применения. Исследователи зольных микросфер практически не касаются вопросов образования микросфер, а отсутствие сведений об основных физико-химических закономерностях, влияющих на формирование полой сферы, вносит элемент случайности в деятельность по утилизации и сдерживает возможность управления процессами образования микросфер в золах уноса. Эти обстоятельства определяют актуальность проведенных исследований.
В начале 90-х годов, в связи с расширением в РФЯЦ-ВНИИЭФ конверсионной деятельности, накопленный опыт работ с микросферами для физических экспериментов позволил начать исследования по микросферам, применяющимся в промышленности. В последние 10 лет в РФЯЦ-ВНИИЭФ проведен целый комплекс работ по микросферам из природных силикатов и, в частности, по микросферам из зол-уноса электростанций, причем некоторые работы выполнены в Российской Федерации впервые.
5 Так, например, под руководством автора впервые проведен технический мониторинг по микросферам из зол-уноса на территории Российской Федерации. Обследованы золоотвалы 40 крупнейших электростанций России, сжигающих угли различных месторождений. Собраны данные о региональном распределении источников зольных микросфер, объемах образования микросфер и скоплении микросфер на золоотвалах. При выполнении работы был накоплен большой объем практической информации. В связи с этим создана компьютерная программа-база данных «Зольные микросферы Российской Федерации». Технический мониторинг позволил выявить основные закономерности, способствующие образованию полых алю-мосиликатных микросфер в золах-уноса. Был проведен анализ влияния химического и фазово-минералогического состава минеральных примесей на формирование микросфер, рассмотрены процессы газовыделения при термических превращениях, приводящие к образованию в минеральных частицах внутренних полостей, рассмотрено влияние условий термического воздействия на величину доли микросфер в золах уноса. На специальном высокотемпературном стенде с порошками каолинита, монтмориллонита и иллита были проведены модельные эксперименты по получению полых микросфер. Были получены микросферы, по своим свойствам идентичные микросферам из зол-уноса. На этой основе предложена феноменологическая модель образования микросфер в золах-уноса электростанций. Актуальность проведенных исследований подтверждается наличием в «Перечне критических технологий федерального уровня» в разделе 3. (Новые материалы и химические технологии) направления работ, соответствующего характеру проведенных исследований - «Новые виды армирующих
элементов (нитевидных кристаллов, волокон, микросфер, дисперсных частиц, п. 3.7.2)». Кроме того, выполненная работа поддержана проектами Международного Научно - Технического Центра: проекты №№ 214, 478, 1582 (), а результаты востребованы в разработках РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Цель работы. Создание методов для комплексного изучения микросфер, содержащихся в золах-уноса электростанций РФ, установление физико-химических закономерностей их образования, оценка ресурсов и исследование их свойств, а также выявление областей применения этого материала.
Автор защищает:
физико-химические закономерности образования полых микросфер в процессе промышленного сжигания углей;
данные технического мониторинга, включающие в себя региональное распределение источников зольных микросфер на территории России, ресурсы микросфер и их свойства;
технические подходы к исследованию свойств зольных микросфер, позволяющие охарактеризовать их и провести сравнительные исследования с материалами-аналогами.
Научная новизна:
впервые установлен механизм физико-химических процессов образования полых микросфер при промышленном сжигании энергетических углей;
выявлено влияние состава минеральных компонентов углей, а также условий их сжигания на формирование зольных микросфер;
- исследован состав газов, содержащихся в полости зольных микросфер,
рассмотрены процессы газовыделения, приводящие к образованию в минеральных продуктах сжигания внутренних полостей. Практическая ценность:
предложена методика оценки количества образующихся микросфер в зависимости от объемов сжигаемого угля и состава минеральных продуктов сжигания;
впервые в Российской Федерации проведен технический мониторинг по оценке содержания микросфер в золах-уноса, получены данные о ресурсах, свойствах и региональном распределении источников микросфер на электростанциях России; создана база данных о зольных микросферах в Российской Федерации.
предложен комплекс методик, всесторонне описывающий свойства зольных микросфер, на его основе проведен сравнительный анализ параметров микросфер и их материалов-аналогов, определяющий перспективы применения микросфер во многих отраслях промышленности;
- результаты исследований по зольным микросферам используются в разработках РФЯЦ-ВНИИЭФ: созданы негорючие теплоизоляционно-конструкционные материалы, нашедшие применение в конструкциях изделий; на основе зольных микросфер синтезированы неорганические сорбенты для очистки жидких радиоактивных отходов; путем расчетно-экспериментальных исследований определены защитные свойства зольных микросфер при демпфировании ударных и инерционных воздействий.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях и семинарах: Tenth Target Fabrication Specialists' Meeting, USA, 1995 г.; Первый португало-российский семинар по применению микросфер в эмульсионных энергетических материалах гражданского назначения, Португалия, 1997 г.; Microspheres-Microcapsulation. Laser Targets. Special Technologies. Fundamental and Aplied Research, Россия, 1997 г.; Семинар специалистов LANL и РФЯЦ-ВНИИЭФ по методам получения и применения микросфер из зол-уноса электростанций, США, 1998 г.; 7th International Symposium on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production, Italy, 2002 г.; 8th International Symposium on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production, Turkey, 2004 г.; VIII Международная конференция «Безопасность ядерных технологий: обращение с радиоактивными отходами, Россия, 2004 г.; II Международная научно-практическая конференция. Экология в энергетике 2005, Россия, 2005 г.; International Conference World of Coal Ash, USA, 2005 r.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 научных трудах, включая патент на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы из 136 источников. Работа изложена на 193 страницах, включая 37 рисунков, 48 таблиц, 4 приложения.
Влияние химического и минералогического состава примесей в углях на образование микросфер
Ассоциация минералов в углях не очень обширна и в основном соответствует составу осадочных пород. В соответствии с геохимическими данными осадочные породы на 80 85 % состоят из кремния и алюминия, остальные 15 20 % приходятся на железо, кальций, магний, калий, натрий и титан /69/. Основные минеральные компоненты осадочных пород - это глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды), кварц, полевой шпат, оксиды и гид-роксиды железа, кремния и алюминия.
Но минеральная часть углей, поставляемых на электростанции, состоит не только из минеральных компонентов самого топлива (осадочных пород), но и так называемых вмещающих пород - почва и кровля угольных пластов, крупные минеральные образования в пластах. Вмещающие породы близки по составу к среднему составу осадочных пород, отличаясь от последних несколько меньшим содержанием железа и кальция. Минералогический состав так же похож, это в основном те же глинистые минералы (каолинит и монтмориллонит), кварц, полевой шпат, гидрооксиды железа, кремния и алюминия /67/.
В таблице 15 приведен состав вмещающих пород по некоторым угольным бассейнам и средний состав осадочных пород /67/. Химический и минералогический состав золы в основном определяется составом минерального вещества топлива и теми изменениями, которые оно претерпевает при высокотемпературной обработке. Но при этом нельзя отождествлять минеральные примеси и образующуюся золу - уноса, т.к. изменения при термическом воздействии могут быть значительными.
Так, например, глинистый минерал каолинит -Al2Si205(OH) - при температуре 100-120С теряет абсорбированную воду, содержание которой составляет 1-2%. В интервале температур 450-600С с потерями около 10% исходной массы вещества выделяется кристаллизационная вода и происходит разрушение кристаллической решетки с образованием рентгеноаморфной фазы-метакаолинита. В интервале температур 900-1100С характерны кристаллохи-мические переходы, связанные с образованием кремниевой шпинели, а затем силлиманита и кремнезема. При более высоких температурах отмечается полная трансформация силлиманита в более стабильную фазу - муллит, а затем образование конечного продукта обжига - оксидов алюминия и кремния, в виде корунда и кварца. Об этих процессах дают представление следующие уравнения:
По аналогичным схемам происходят термические превращения других глинистых минералов, например монтмориллонита, а также гидрослюд (иллита, хлорита, мусковита и т.д.) Существенное влияние могут оказывать примесные компоненты: кварц, пирит FeS2, окислы железа, кальцит СаС03, доломит CaMg(C03)2, гипс CaS04-2H20, анатаз Ті02. Один из важных эффектов минералов-примесей - выделение флюсующих ионов, а именно Na, К, Са, Mg. В присутствии этих ионов точка плавления системы понижается. В результате их участия в реакциях с Si02 уже при 1000С образуется вязкий расплав, который при охлаждении не кристаллизуется, а затвердевает в виде аморфной фазы (или стеклофазы). Таким образом, после термического воздействия золы-уноса и микросферы в том числе представляют собой композицию кристаллической и аморфной фазы достаточно сложного химического и вещественного состава. В таблице 16 представлена информация по минеральному составу примесей в углях [68,70, 71, 72]. Из анализа соответствия оксидного состава минералов и микросфер можно сделать вывод, что основными предшественниками микросфер являются частицы преобладающих минералов с участием минералов с высоким содержанием Si02. Необходимо также отметить, что плотность указанных минералов близка к плотности вещества, образующего стенку микросфер. Химический состав (по золообразующим элементам) минеральных веществ изученных углей практически соответствует химическому составу зольных уносов, уловленных при их сжигании, но состав микросфер несколько иной. В таблице 17 приведены значения химического состава зол-уноса основных угольных бассейнов, взятых на конкретных электростанциях, и химический состав микросфер с этих же электростанций.
Химический анализ зол-уноса и микросфер проводился на электронно-зондовом микроанализаторе фирмы «JEOL». Химический состав зольных уносов и микросфер по набору основных компонентов практически совпадает, но количественное содержание компонентов различно. Так для микросфер характерно повышенное содержание (в расчете на оксид) алюминия, калия (натрия) и в большинстве случаев кремния, но пониженное содержание железа и кальция.
При анализе данных таблицы 17 обращает на себя внимание резкое отличие химического состава зол-уноса и микросфер Канско-Ачинского угольного бассейна. По соединениям Si и А1 зола-уноса и микросферы отличаются в 2 раза, по соединениям Mg и Fe - в 5+6 раз, по соединениям Са - в 10 раз.
Особенностью этих углей является их низкая минеральная зольность и высокое содержание в составе органической массы гумматов кальция, которые при термическом разложении образуют значительные количества неорганических соединений кальция, составляющих основную массу золы, но не участвующих в процессах образования микросфер. Это объясняет тот факт, что доля микросфер в золах Канско-Ачинского бассейна самая низкая (таблица 12). Необходимо также отметить, что микросферы всех угольных месторождений близки по химическому составу, а различия можно объяснить региональными особенностями минерального состава сжигаемых углей.
Как следует из термохимических превращений, образовавшееся вещество стенки микросфер может представлять собой композицию аморфной и кристаллической фазы. Состав его зависит как от исходных минералов, так и от достигнутого уровня температур в камерных топках, причем минералы-примеси могут оказывать в некоторых случаях каталитическое воздействие на образование тех или иных фаз. Было отмечено, что доля микросфер в золах-уноса тем выше, чем больше аморфного вещества в стенке микросфер (таблица 18).
Модельные эксперименты по изготовлению полых микросфер из частиц минеральных компонентов углей
Иллюстрацией к вышеприведенным рассуждениям о процессах формирования полых микросфер в золах могут служить модельные эксперименты, которые были проведены на специальном высокотемпературном стенде с порошками основных компонентов угольных минеральных примесей /80/.
Стенд для получения микросфер состоит из одной высокотемпературной зоны порошкового питателя, обеспечивающего введение гранул порошка в рабочую зону печи, газовой и вакуумной систем, пульта управления печью и системы для наблюдения за полетом частиц шихты в печи /81/.
Высокотемпературная зона стенда представляет собой вертикально расположенную электропечь сопротивления (см. рис.16) с графитовым трубчатым нагревателем. Нагреватель поз.1 изготовлен из графита марки ЭГО; его длина 1000мм и внутренний диаметр 70мм. Эти размеры определяют рабочее пространство печи. Теплоизоляцией является графитовый войлок марки ПМ 15 поз.2, расход на одну зону 1 кг. По торцам нагревателя расположены токопод-воды поз.9. Электроконтакт между токоподводами и нагревателем, а также его фиксирование осуществляется при помощи графитовых втулок поз.4. Корпус печи сварной, выполнен из нержавеющей стали марки 12х18Н10Т. Конструктивно корпус представляет цилиндр с двумя стенками. В межстеночном пространстве поз.9 циркулирует охлаждающая жидкость (вода). Температура в печи измеряется вольфрам-рениевой термопарой поз.6.
На верхнем токопроводе крепится порошковый питатель поз.7, в нижней части печи - холодильник поз.8 и сборник микросфер поз.9. Печь герметична, все соединения имеют вакуумные уплотнения. Порошковый питатель поз.7 и сборник микросфер поз.9 могут отделяться от высокотемпературного модуля вакуумными затворами поз. 10. Питающее напряжение на установку подается от понижающего трансформатора ОСУ-100/0,5. На вторичной обмотке трансформатора напряжение изменяется при помощи регулятора напряжения РН-600, которым в программном режиме управляет программатор МК-31. Напряжение с вторичной обмотки трансформатора по медным шинам подается на токопро-воды поз.З. и изменяется от 0 до 24 В; потребляемая мощность при этом составляет около 40 кВт, что обеспечивает рабочую температуру до 2000С.
Газовая и вакуумная системы. Для создания в печи необходимой газовой атмосферы с давлением от 1 до 760 мм рт. ст. служат газовая и вакуумная системы, показанные на рис. 17. Для изготовления микросфер в печи создается атмосфера инертного газа или азота. Наполнение печи осуществляется следующим образом. Первоначально вакуумным насосом поз Л (НВЗ-63) в печи поз.2 создается разряжение 1 мм рт.ст. Затем из газового баллона поз.З через редуктор поз.4 вентиль поз.6 и ротаметр поз.8 газ подается в печь. Давление в печи измеряется вакуумметром поз. 10 и поз 15. В момент подачи частиц шихты в печь газовая и вакуумная системы работают одновременно, создавая в пе-чи ламинарный поток газа. Расход газа может составлять до 2,3 м /час и измеряется ротаметрами поз.8 и поз. 14 (РМ-2,5 ГУЗ), скорость движения газа может достигать 1 м/сек.
Газовый поток, образуемый газовой веткой через вентиль поз.5 и ротаметр поз.7 (РМ-0,25 ГУЗ) предназначен для ввода частиц шихты в канал печи, расход газа составляет до 0,2 м3/час. Электромагнитный клапан поз. 17 предохраняет печь от попадания в нее атмосферного воздуха при аварийной остановке вакуумного насоса поз. 1. Вакуумный затвор поз. 11 служит для перекрывания входного отверстия в печь при засыпке новой партии частиц шихты в порошковый питатель поз. 9. Вакуумный затвор поз. 12 закрывает выходное отверстие печи при вынимании полученных микросфер из сборника поз. 13.
Для засыпки шихты в бункер поз. 13 снимается крышка поз.7 посредством отвинчивания гайки поз.6. Через отверстия в крышке бункера поз. 15 шихта попадает в нижнюю часть бункера. Крышка поз.7 и гайка поз.6 устанавливаются на свои места. Через штуцер поз.З и поз. 18 газ подается в подсеточную камеру поз. 14. Шихта, находящаяся на сетке, расположенной в нижней части бункера поз. 13, подхватывается этим потоком и создает газодисперсную смесь в камере поз. 16 и через отверстие поз. 12 по каналу поз. 11 попадает в камеру поз.2. Для создания в канале печи газодисперсного потока необходимой скорости формируется сопутствующий поток газа. Через штуцер поз.З газ попадает в камеру поз.2, которая является верхней частью рабочего канала печи, переходящей в высокотемпературную зону. Этот газовый поток является основным, определяющим скорость движения частиц шихты в печи. В этот поток в камере поз.2 вводится газодисперсный поток, содержащий частицы шихты из канала поз. 11. Образовавшийся общий газодисперсный поток поступает в высокотемпературную зону. Для облегчения поступления частиц шихты к сетке камеры поз. 14 предусмотрена возможность вертикальной вибрации бункера поз. 13. Вертикальная вибрация бункера поз. 13 осуществляется электродвигателем поз.5 с эксцентричной посадкой, вибрация от электродвигателя передается бункеру поз. 13 посредством толкателя поз.4. Производительность порошкового питателя может изменяться от 0,8 до 200 г в минуту.
Методика определения производственного ресурса электростанции по микросферам
При обследовании золоотвалов электростанций возник естественный вопрос об оценке возможных объемов образования микросфер и о связи этой величины с какими-либо основными параметрами работы электростанции. Такой подход позволил бы количественно оценить образование микросфер, а в перспективе исследовать эти процессы в зависимости от условий работы основных агрегатов электростанции, провести необходимые статистические анализы. На основе экспериментального опыта наиболее приемлемым вариантом может быть установление связи между количеством сжигаемого на электростанции угля и количеством образующихся микросфер. NM - количество микросфер, образующихся на электростанции в единицу времени, производственный ресурс (тонн); Ny - количество угля, сжигаемого на электростанции в единицу времени (тонн); К3 - безразмерный коэффициент зольности угля; Кш - безразмерный коэффициент шлакования минеральных примесей, который показывает долю минеральных примесей, удаляемых из котла в виде шлака; (1 - Кш) - доля минеральных примесей, удаляемая в виде золы; Км - безразмерный коэффициент образования микросфер, доля микросфер в золе уноса.
Количество сжигаемого на электростанции угля фиксируется по регламенту работы в виде суточного, недельного, месячного, квартального или годового расхода. Коэффициенты К3, и Кш являются постоянными для данного вида угля величинами. Коэффициент Км определяется экспериментально в каждом конкретном случае. Для этого берут пробы сухой золы-уноса с электрофильтров или пробы золовой пульпы и разделяют по плотности в воде. Отношение масс плавающей и тонущей фракций показывает долю микросфер в золе-уноса. Коэффициент Км является довольно обобщенной характеристикой образования микросфер, т.к. на количество микросфер в золе влияют и условия сжигания топлива, и конструкционные особенности оборудования, и сезонные режимы работы электростанции. Углубленные исследования изменения во времени коэффициента Км могут послужить ключом для достаточно объективного решения задачи - образования микросфер на электростанциях.
Годовой производственный ресурс по микросферам и результаты расчетов по соотношению (28) для некоторых электростанций представлены в таблице 24.
По приведенной выше схеме были оценены возможные объемы образования микросфер практически на всех электростанциях, сжигающих значительное количество угля (в соответствии с критериями отбора, см. п. З.1.). Проведенный анализ в целом подтверждает результаты наблюдений, сделанных в экспедициях на электростанции в период 1996 - 2002 гг.
Действительно, на золоотвалах электростанций, сжигающих угли Канско-Ачинского месторождения, микросферы практически не встречаются. Они были выделены в небольших количествах в лабораторных условиях из проб золы, отобранных на этих электростанциях. Крайне низкая зольность углей, высокий коэффициент шлакования и незначительное содержание минеральных примесей, образующих стеклофазу, не способствует формированию микросфер и накапливанию их на золоотвалах. Максимальной "производительностью" по микросферам обладают электростанции, сжигающие кузнецкие угли. Это хорошо иллюстрируют данные по Томь-Усинской ГРЭС. При средней зольности (0,22), имея низкий коэффициент шлакования (0,1- 0,05), золы кузнецких углей обладают самым высоким коэффициентом образования микросфер. Для Томь Усинской ГРЭС Км = 3,35 %, что обеспечивает значительное образование микросфер.
Приведенные оценки подтверждают наблюдения, сделанные на золоотва-лах кузбасских электростанций. В частности, на Томь-Усинской ГРЭС скопле-ния микросфер достигают 1,5 млн. м . В полном объеме результаты проведенного анализа содержаться в базе данных «Зольные микросферы Российской Федерации» (гл. 4).
В результате сжигания твердого топлива содержащиеся в нем минеральные примеси выводятся на золоотвалы либо в виде золы, либо в виде шлака. Количество шлака и золы, которое необходимо удалять из котлов большой производительности, работающих на многозольном топливе, составляет сотни тонн в сутки, поэтому золошлакоудаление является достаточно трудоемким процессом. В настоящее время на электростанциях применяются в основном две системы золоудаления: напорный гидравлический транспорт и пневматический транспорт.
Суть пневматического транспорта состоит в том, что сухая зола от электрофильтров котла по золопроводам передается к местам переработки или складирования с помощью сопутствующего воздушного потока, создающегося специальными компрессорами. Подобные системы золошлакоудаления применяются на многих тепловых электростанциях. Зачастую в непосредственной близости от ТЭС находятся и предприятия по переработке золошлаковых отхо дов в строительные материалы. При таком подходе к транспорту золы микросферы самопроизвольно не выделяются из общей массы.
В случае применения гидравлического транспорта зола и шлак смешиваются с водой, и образовавшаяся пульпа насосами перекачивается по трубопроводам на золоотвалы /90/. Золошлакоотвал включает в себя территорию, на которой производится гидравлическая укладка (намыв) золошлакового материала и отстойный пруд - водоем, служащий для осветления сточных вод перед возвратом их на ТЭС для повторного использования в цикле золоудаления. Площадь таких гидротехнических сооружений может составлять на крупных электростанциях до 200 500 га с максимальной высотой дамбы до 35 40 м. На рис.22 представлены типичные устройства золоотвалов электростанций.
Золошлаковая пульпа сбрасывается в бассейн золоотвала. Тонущая фракция оседает на дно бассейна, а плавающая фракция-микросферы распределяется по поверхности воды. Толщина плавающего слоя зависит как от количества микросфер в золе данной электростанции, так и от конструкции инженерных сооружений на золоотвале. На электростанциях, где применяется оборотное водоснабжение, вода с золоотвала через сливные колодцы (см. рис. 22.а) поступает в промежуточный бассейн осветленной воды и уже из этого бассейна насосами перекачивается на электростанцию для повторного использования.
Компьютерная база данных «Зольные микросферыРоссийской Федерации»
В процессе проведения мониторинга и исследования свойств микросфер накоплен обширный материал о местонахождении источников зольных микросфер в Российской Федерации, возможных объёмах их утилизации, технических характеристиках микросфер, а также разработаны методы контроля этих характеристик. Для удобства работы с таким большим объёмом информации, обеспечения к ней оперативного доступа, представления данных в наглядной форме разработана компьютерная программа «Зольные микросферы Российской Федерации. База данных». Информационная часть базы данных имеет два раздела - технический и библиографический.
Технический раздел содержит информацию о местонахождении источников зольных микросфер, фактические данные о скоплении микросфер в бассейнах осветлённой воды, сведения о свойствах зольных микросфер - химическом составе, структурно-механических, теплофизических свойствах, химической стойкости, уровне естественной радиоактивности зольных микросфер 19 электростанций Российской Федерации, а также о методах их определения. Библиографический раздел содержит данные о 200 литературных источниках по зольным микросферам - их свойствам и областях использования. Поиск информации может осуществляться через алфавитные и предметные каталоги. Каждый литературный источник снабжён аннотацией и списком ключевых слов.
Разработанная программа управления позволяет формировать данные для просмотра на экране компьютера в удобном для пользователя виде, осуществлять операции ввода-вывода, поиска и сортировки. Управляющая программа базы данных разработана в двуязычном варианте, оболочка управляющей программы и информация базы данных могут быть использованы как на русском, так и на английском языках. В программе предусмотрены защита данных, экспорт информации в файлы других форматов. Программное обеспечение пред назначено для работы под управлением операционной системы WINDOWS 95 на персональном компьютере типа IBM PC (см. Приложение).
Современной тенденцией в материаловедении является разработка легких, прочных и недорогих композиционных материалов, обеспечивающих высокий уровень конструкционных свойств. В этой связи зольные микросферы целесообразно рассматривать, как аналог дисперсных наполнителей композиционных материалов. Зольные микросферы, по-видимому, стремятся занять промежуточное положение между искусственными стеклянными микросферами и легковесными дисперсными строительными материалами. По ряду параметров, таким, как технология получения и свойства, они примыкают к стеклянным микросферам, вместе с тем, по возможным объемам производства и стоимостным показателям они ближе к легковесным строительным материалам. С одной стороны, зольные микросферы используют как наполнители пластмасс, а это традиционная область применения стеклянных микросфер. С другой стороны, известно их применение в облегченных бетонах, строительных растворах, а это область таких материалов, как керамзит, вспученный перлит и т.д. Этот процесс не случаен и объясняется специфическим набором потребительских свойств микросфер из зол уноса электростанций. В таблицах 44 и 45 приводятся основные свойства микросфер в сравнении с их материалами аналогами.
Анализ данных таблиц 44 и 45 дает основание полагать, что зольные микросферы могут широко использоваться в современной индустрии. Вариации диаметра и толщины стенки микросфер дают возможность получения материалов с заданными свойствами. Высокая дисперсность обеспечивает гомогенность структуры материалов. Алюмосиликатный состав придает инертность и химическую стойкость материалам. Низкая плотность позволяет получать легкие и теплоизоляционные материалы. Сферическая форма и алюмосиликатный состав обеспечивают высокую прочность материалов на изотропное сжатие.
Среди имеющихся в промышленности легковесных наполнителей зольные микросферы выделяются высокой прочностью, термической и химической стойкостью. Высокая прочность зольных микросфер может обеспечить не только создание прочных облегченных материалов, выполняющих функции несущих конструкций, но и использовать при этом высокопроизводительные технологии с интенсивным механическим воздействием - экструзия и литье под давлением. Высокая температура размягчения свыше 1200С позволяет использовать зольные микросферы в жаростойких материалах и конструкциях. Наличие хороших теплоизоляционных свойств, на уровне широко распространенных материалов, в том числе и асбестовых, дает возможность создания экологически чистых заменителей асбестовых материалов. Высокие показатели химической стойкости обеспечивают возможность применения зольных микросфер в агрессивных средах, строительных материалах, в качестве носителей катализаторов и сорбентов.
