Введение к работе
Актуальность работы. Огромное количество золошлако-вых отходов скапливается в отвалах энергетических производств, нарушая тем самым экологическую обстановку в местах их размещения. Сдерживающим фактором утилизации этих отходов, имеющих в своем составе до 49-61 % БЮг, является высокая температура их плавления. В связи с тем, что в настоящее время получить расплав из силикатсодержащих отходов энергетических производств, имеющих температуру плавления порядка 1600-1700 С, с использованием традиционных технологий не представляется возможным из-за низких температур, реализуемых существующими плавильными агрегатами, возникает необходимость в использовании энергии низкотемпературной плазмы в разрабатываемой технологии, которая обладает высокой концентрацией энергии и температурой 3000-5000 С. Также использование высококонцентрированных потоков снижает энергозатраты при получении силикатного расплава за счет сокращения времени образования расплава. Актуальным является применение плазменных технологий при получении таких дефицитных материалов стройиндустрии, как минеральная вата, что позволит сделать существующие производства более экономичными и решить проблемы экологии.
Об актуальности исследований говорит тот факт, что, несмотря на некоторые успехи, широкомасштабное внедрение плазменных технологий в области производства теплоизоляционных материалов сдерживалось из-за отсутствия теоретических и технологических предпосылок по созданию специализированных высокопроизводительных аппаратов, информативных данных об их электро- и теплофизических характеристиках при получении силикатного расплава.
Работа выполнялась при поддержке гранта РФ МК. 1110.2008.8, в соответствии с программами Рособразования РФ в рамках целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме № 2.1.06 «Теплофизические и физико-химические процессы в строительных материалах при воздействии на них высококонцентрированных тепловых потоков»
№ ГР 01.200804433, а также с планами и программами НИР НИИСМ при ТГАСУ.
Объект исследования - отходы энергетических производств (зола ТЭС, отходы горючих сланцев), а также плазменные технологические процессы при получении силикатных расплавов и волокон из них.
Предмет исследования - выбор и анализ исходного сырья; исследование характеристик экспериментальной плазменной установки; энергетические показатели процесса плавления сырья; физико-химические процессы, протекающие в силикатных расплавах; темпе-ратурно-временные условия плавления сырья и волокнообразования.
Целью работы является разработка технологии получения высокотемпературных силикатных расплавов для изготовления минерального волокна с использованием устройств низкотемпературной плазмы.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
обосновать использование плазменного нагрева в процессе плавления тугоплавкой шихты;
создать эффективные плазменные устройства и установить их физические, энергетические характеристики и оптимальные рабочие режимы при плавлении тугоплавкой шихты;
разработать физико-математическую модель для установления характера распределения температурных полей в сечениях гарнисажного слоя;
исследовать физико-химические процессы структурообразо-вания, протекающие при получении расплава и волокон.
Научная новизна:
Установлено, что расчетное поле температур (1800-2000 С) при удельных тепловых потоках (q =1,8-2,6- 10б Вт/м2) соответствует условиям получения силикатного расплава на поверхности гарнисажного слоя.
Установлено, что при оптимальном режиме работы плазменного генератора (при мощности Р= 35,2-56 кВт и удельных тепловых потоках q= 1,8-2,6-10б Вт/м2) расплав гомогенизируется в плавильной печи, что обеспечивает в дальнейшем формирование волокон с минимальным количеством неоднородных включений, удельные энергетические затраты при получении расплава
составляют 1,5-2,1 кВт/кг, что в 2-2,5 раза меньше, чем в существующих технологиях.
Полученный из техногенных отходов силикатный расплав характеризуется содержанием оксида кремния более 60 %, что позволяет получать минеральные волокна, обладающие повышенными термической и химической стойкостями.
Установлена возможность повышения температуры струи расплава от 1650 до 1790 С при пропускании через нее электрического тока, что позволяет получать полностью однородный по химическому составу расплав.
Практическая значимость работы:
Расширение номенклатуры исходного сырья (отходы энергетических производств) для производства минеральной ваты с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Созданная принципиально новая плазменная установка для получения тугоплавких силикатных расплавов, техническая новизна которой подтверждена патентами РФ №2355651, №2344093.
Техническое решение, направленное на дополнительный нагрев струи силикатного расплава, реализовано на предприятии по производству минерального волокна ООО «Черниговский базальт» (г. Кемерово).
На защиту выносятся:
Обоснование выбора исходного сырья для получения минерального волокна с повышенными эксплуатационными характеристиками с учетом температурно-временных условий его плавления.
Результаты численных расчетов температурных полей по сечению гарнисажного слоя.
Способ и устройство для получения тугоплавких силикатных расплавов с использованием энергии плазмы при производстве минерального волокна и установление оптимальных режимов плавления сырьевых материалов.
Результаты исследований физико-химических процессов, протекающих при получении силикатных расплавов и волокон из них.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работ, составляющих содержание диссертации, обсуждались на совещаниях, семинарах, конференциях всероссийского и международного уровней, таких как X Международная
конференция «Плазма газового разряда и ее применение в технологиях» (Томск, 2007); VII, VIII, IX Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белоку-риха, 2007-2010); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 2008); 65-я Всероссийская научно-практическая конференция НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск, 2008); VI International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (Minsk, Belarus, 2009); III Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2009); 2-я научно-практическая конференция с международным участием «Наноматериалы и нанотехно-логии. Наноразмерные структуры в физике конденсированного состояния. Технологии наноразмерных структур» (Улан-Удэ, 2009).
По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 статей в рекомендуемых ВАК изданиях, 14 докладов в сборниках конференций, получены 3 патента на изобретения.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы из 177 наименований. Работа изложена на 145 страницах текста, содержит 39 рисунков и 8 таблиц.
