Co se stane, když do betonu přidáte popel?

Vápenopopelový cement je hydraulické pojivo získané buď společným mletím suchého palivového popela nebo strusky s vápnem (rychlým, hašeným nebo hydraulickým), nebo důkladným suchým promícháním stejných odděleně drcených materiálů.

Hmotnostní obsah vápna ve vápeno-popelovém cementu se pohybuje přibližně ve stejných mezích jako ve vápenno-pucolánových cementech. Pro zlepšení vlastností vápenocementového cementu je povoleno přidání až 5 % sádry.

Uhlí z řady ložisek jsou úzkou směsí hořlavých látek, jílu a některých nečistot. Palivové strusky a popel se od sebe výrazně liší složením a strukturou v závislosti na druhu spalovaného paliva, stupni jeho disperze, konstrukci spalovacích zařízení, rychlosti ochlazování a řadě dalších faktorů. Hlavními složkami palivových strusek a popela jsou spálené jílovité hmoty, sklovitá složka, křemen, roztavené kuličky obsahující krystaly magnetitu, nespálené uhlí a organické hmoty, které impregnují porézní zrna. Kvalita popela jako aktivní minerální přísady snižuje příměs nespáleného uhlí.

Vápeno-popelový cement se příznivě liší od vápeno-jílového cementu tím, že popel nevyžaduje speciální výpal a potřebuje pouze mletí.

Popílek, získaný spalováním uhlí v pecích na práškové uhlí při vysokých teplotách, nemá téměř žádné vlastnosti aktivní minerální přísady. Proto se pojivo na jeho bázi při běžných teplotách vytvrzování vyznačuje nízkou aktivitou. Popílek je však účinným materiálem pro výrobu produktů vystavených tepelnému a vlhkému zpracování, zejména zpracování v autoklávu.

Vápenopopelový cement je pomalu tuhnoucí a pomalu tvrdnoucí pojivo. Obsahuje více oxidu hlinitého než vápeno-pucolánové cementy, a proto je při skladování na vzduchu poměrně odolnější. Jeho síla však postupně klesá. Pro dosažení odporu vzduchu musí být obsah vápna ve vápno-popelovém pojivu minimálně 30 %.

Podle mechanické pevnosti se vápenocementový cement dělí podle normy do dvou tříd: 25 a 50. Po 7 dnech musí mít cementy těchto jakostí pevnost v tlaku minimálně 10 a 20 kg/cm 2 a pevnost v tahu -2, resp. 4 kg/cm cm 2 pro jakost 25 a 50. Zbývající požadavky normy pro vápenocementový cement jsou podobné požadavkům na vápenno-pucolánový cement. Stupně 25 a 50 získané při zkoušení vápenocementového cementu v pěchovaných vzorcích z roztoků tuhé konzistence odpovídají přibližně jakostům 15 a 25 při zkoušení vzorků z roztoků plastické konzistence.

Měrná hmotnost vápenopopelového cementu se pohybuje v rozmezí 2,4-2,8. Barva tohoto cementu je tmavě šedá kvůli přítomnosti nespálených zbytků uhlí.

Vápenopopelový cement se používá ve stejných případech jako ostatní cementy vyráběné na bázi vápna a hydraulických přísad.

Účinnějším pojivem je pojivo vyrobené z palivového popela a strusek obsahujících alespoň 15 % CaO, například popílek z ropných břidlic. Takový popel, rozdrcený na prášek, má schopnost samo ztvrdnout.

Na základě popela estonského břidlicového kukersitu lze v závislosti na podmínkách spalování získat různá kukermitová pojiva. Anorganická část břidlice (kukersit) obsahuje 50-70 % uhličitanu vápenatého; 25-35 % jílových inkluzí a jemnozrnného křemene, přibližně 3 % uhličitanu hořečnatého; 3-4% pyrit, sádra a další materiály. Při hoření břidlice se spálí její anorganická část za vzniku dikalciumsilikátu a monokalcium hlinitanu. Do břidlicového popela se přidává 20-30% aktivních minerálních přísad, jejichž pozitivní efekt je způsoben tím, že kukermity obsahují volné vápno, které spolupůsobí s hydraulickými přísadami, čímž dochází ke vzniku hydrokřemičitanů vápenatých a hydroaluminátů. Pro urychlení tuhnutí a zvýšení mrazuvzdornosti se do hydraulických kukermitů přidává 25 nebo 50 % cementu.

Popel jiných druhů paliv může také získat adstringentní vlastnosti, pokud je před spalováním smíchán s vápencem a oba materiály musí být jemně mlety. Spalováním uhlí s přídavkem vápence je možné v tepelných elektrárnách získat pojivo zvané TEC cement. Způsob výroby posledně jmenovaného byl vyvinut E.Z. Yudovichem a P.D. Složení tohoto pojiva zahrnuje částice popela, volný CaO, silikáty, hlinitany a ferity vápenaté vznikající při spalování prašné směsi uhlí a uhlí. vápenec jako výsledek interakce mezi vápnem a složkami popela. Tento cement se vyznačuje nerovnoměrnými objemovými změnami za normálních podmínek tuhnutí v důsledku značného obsahu volného oxidu vápenatého.

Cementový materiál podobný vápenopopelovému cementu lze získat pomocí zbytků nístěje cihlářských pecí, což je popel získaný ze spalování paliva, s trochou cihlového odpadu. Jak ukázala práce Všeruského vědeckého výzkumného ústavu Stroma, po rozemletí zbytků jádra spolu s vápnem se získá vápeno-jádrový cement s vyšší pevností než klasický vápeno-popelový cement, zvláště když je jemně namletý. Z jádrových zbytků prstencových pecí na pálení vápna lze mletím bez přidání vápna získat cement vyhovující kvality.

Je obtížné studovat proces tuhnutí vápeno-popelových pojiv. To se vysvětluje jejich příslušností ke komplexnímu systému: CaO-A l ₂О₃-Fe₂О₃-Ano₂-TAK₃ – H₂O, ve kterém vznikají různé stabilní a metastabilní sloučeniny.

V počátečním období tvrdnutí vápenopopelových pojiv za normálních teplot (20 0 C) v případě přídavku nebo přítomnosti sádry vzniká hydrosulfoaluminát vápenatý (3CaO*Al).₂О₃*3 CaSO₄* 31H₂O) a v nepřítomnosti sádry – hydrohlinitanu vápenatého (4CaO*Al₂О₃* 13H₂Ó). Při dalším kalení se objevují hydrosilikáty vápenaté a uhličitan vápenatý.

Napařování (při 95 0 C) vede k tvorbě hydrohlinitanu vápenatého 3CaO*Al₂О₃*6H₂O nebo (v přítomnosti sádry) 4CaO*AI tuhý roztok₂О₃*13H₂O a 3CaO*AI₂О₃*CaS0₄*12H₂A. Spolu s těmito sloučeninami se tvoří také hydrokřemičitany vápenaté.

Při autoklávovém zpracování (175 0 C a více) vznikají hydroaluminosilikáty vápníku – hydrogranáty typu 3CaO*A l ₂О₃ * n Si0₂ (6-2n) N₂O a hydrosilikáty tobermoritové skupiny s částečnou náhradou Si0₂ na AI₂О₃. Množství oxidu křemičitého vázaného v hydrogranetech se zvyšuje se zvyšující se teplotou a prodlužující se dobou zpracování v autoklávu.

Odolnost výrobků z vápeno-popelových pojiv je dána odolností hydrátových formací, které vznikají při jejich tvrdnutí, vůči působení oxidu uhličitého. Hydrosulfoalumináty a hydroalumináty vápenaté se relativně rychle rozkládají vlhkým oxidem uhličitým. Hydrogranáty jsou naproti tomu sloučeniny, které jsou odolné vůči působení vlhkého oxidu uhličitého a odolnost hydrogranátů se zvyšuje se zvyšujícím se obsahem oxidu křemičitého. Autoklávové produkty, ve kterých se tvoří hydrogranáty a hydrokřemičitany, jako je tobermorit s částečnou náhradou Si0₂ k Al₂О₃, jsou zcela vzduchotěsné.

PRODUKTOVÝ KATALOG

• Stavební směsi ve velkých vacích
• Suché směsi v námořních velkých vacích
• Stavební směsi v pytlích
• Tepelně izolační suché směsi
• Lepidlo na pokládku bloků
• Cement (v pytlích, velkých pytlích)
• Zboží ve výprodeji
• Spotřeba suchých směsí

O možné likvidaci popílku shromážděného v cyklonech a elektrických odlučovačích při spalování uhlí bylo napsáno obrovské množství materiálu. Problém byl zaznamenán před půl stoletím. Během této doby byla města, zejména megaměsta na Sibiři, doslova pokryta odpadem, jehož hlavní částí byl popel. Nebylo však dosaženo žádných významných výsledků.

Jedním z hlavních důvodů je heterogenita a nestálost složení produkovaného popela, které při likvidaci ve stavebnictví, hlavním potenciálním spotřebiteli, neposkytuje spolehlivý příznivý účinek. Zpracování gigantických objemů popela produkovaného v okolí velkoměst pomocí známé technologie – třídičů a mlýnů, s přihlédnutím k nízkým nákladům na spotřebitele a velkému nesouladu v načasování výroby a spotřeby, je zaručeně nerentabilní výrobou.

Popel je nedostatkové zboží

Neúplná spotřeba vyprodukovaného popela dělá energetikům jen problémy, protože v tomto případě je nutné udržovat dva systémy odstraňování popela. Odstraňování popela a údržba skládky dříve tvořily přibližně 30 % nákladů na energii a teplo z tepelných elektráren. Vezmeme-li však v úvahu tržní hodnotu ztracených pozemků v blízkosti velkoměst, snížení hodnoty pozemků a nemovitostí ve značné vzdálenosti od stanic a skládek popela, přímé škody na lidském zdraví a přírodě, zejména znečištění vzduchových nádrží prachem a rozpustnými solemi a alkáliemi nádrží a podzemních vod, pak je tento podíl reálný, měl by být výrazně vyšší.

Popílek ve vyspělých zemích je stejná komodita a je vzácná jako teplo a elektřina. Vysoce kvalitní popílek, který splňuje normy a je vhodný pro použití do betonu jako přísada, která váže přebytečné vápno a snižuje náklady na vodu, například v USA, na stejné úrovni jako portlandský cement, ~60 $/t.

Myšlenka vývozu recyklovaného uhelného popela do Spojených států může být chytrá. Nekvalitní popílek, například z nízkoteplotních „ekologických“ fluidních kotlů spalujících nekvalitní uhlí s vysokým obsahem síry (stanice Zeran ve Varšavě), je nabízen za zápornou cenu v řádu -5 $ /t, ale za podmínky, že spotřebitel převezme vše z ní. V Austrálii je situace podobná. Zpracování popela tak může být rentabilní pouze tehdy, pokud se díky technologii objeví řada kvalitnějších produktů, které si najdou spotřebitele v plném nebo téměř plném množství na omezeném území v blízkosti místa výroby. Při standardním použití popílku jako přísady do betonu nebo stavební keramiky nelze problém zásadně řešit z důvodu omezené kapacity místního trhu. Navíc přidávání popela nestabilního složení do betonu je možné bez ztráty kvality pouze ve velmi omezeném množství, což činí celý tento podnik bezpředmětným.

Vyhlídky na zpracování

Z chemického hlediska je nepoužívat popílek absurdní. Rozlišujeme minimálně 3 druhy popela, které jsou perspektivní pro zpracování:
1) popely s vysokým obsahem vápníku ze spalování hnědého uhlí (LBC), například z uhelné pánve Kansk-Achinsk, s vysokým obsahem oxidu vápenatého a síranu, t.j. složením podobné portlandskému cementu a s vysokým chemickým potenciálem – uložená energie;
2) kyselý popel ze spalování černého uhlí (HCC), sestávající převážně ze skla, včetně mikrokuliček;
3) popel s vysokým obsahem prvků vzácných zemin.

Je třeba poznamenat, že v přírodě neexistují dva stejné uhlíky, a proto neexistují stejná zla. Vždy bychom měli hovořit o místní technologii zpracování popílku v konkrétní oblasti, protože hlavní spotřebitelé by se měli nacházet poblíž zdroje popílku. Jakákoli nejpozoruhodnější technologie se uskuteční pouze v případě, že místní trh dokáže „spolknout“ všechnu nebo téměř celou masu zpracovaného popela.

Pro komplexní zpracování popílku se navrhuje využít schopností nové třídy zařízení – tzv. elektrohmotových třídičů (EMC). Tato technika je založena na relativně nedávno objeveném novém jevu – tvorbě hustých nabitých aerosolů (plynoprachového plazmatu) v rotujících turbulentních proudech plynů a jejich separaci ve vnitřních elektrických polích.

Fenomén tribochargingu částic při tření nebo nárazu je lidstvu znám odnepaměti, ale až dosud věda nedokáže předpovědět ani znaménko náboje.

Výhody EHR

Přes extrémní složitost tohoto jevu je technika EMC navenek velmi jednoduchá a má výhody ve všech ohledech ve srovnání s konvenčními vzduchovými separátory nebo tryskovými mlýny, dezintegrátory.

Jednou z hlavních výhod je naprostá šetrnost k životnímu prostředí, protože procesy probíhají v uzavřeném prostoru, to znamená, že EMC nevyžaduje žádná další zařízení, jako jsou kompresory nebo systémy sběru prachu – cyklony nebo filtry, a to ani při práci s nanoprášky. Tenká část aerosolu, nabitá stejným znaménkem, je z aerosolu odstraněna Coulombovou silou přes střed, proti působení Stokesovy viskozitní síly a odstředivé síly. Částice jsou vybíjeny na stěnách sběrné komory nebo prostřednictvím nabitých iontů v atmosféře a náboj se vrací do komory pro vytváření aerosolu.

V technice EMC se tedy provádí proces separace prášků na neomezený počet frakcí s cirkulací vsázky. Při separaci heterogenních systémů, včetně popela, je možné separovat nejen podle velikosti částic, ale i podle dalších fyzikálních vlastností.

Další důležitou výhodou EMC je schopnost současně realizovat několik různých operací v jednom průchodu (například separace s mechanickou aktivací nebo mletí), a to jak v kontinuální, tak diskrétní verzi. Obrovské masy popela s vysokým obsahem jemných částic nelze oddělit známou technologií, protože sběr prachu právě těch jemných částic, které mají nejvyšší hodnotu a zároveň představují největší nebezpečí pro lidi a životní prostředí, je neúčinný.

Separace jemné frakce z popílku pomocí EMC umožňuje efektivně kontinuálně oddělovat hrubou frakci podle dalších parametrů, např. velikosti částic, magnetické susceptibility, hustoty, tvaru částic a elektrických vlastností. Výkonový rozsah technologie EMC nemá obdoby: od porce 1 gramu až po 10 tun/hod v kontinuálním režimu s průměrem rotoru maximálně 1,5 m Široký je i rozsah rozptylu separovaných materiálů: od stovek mikronů až ~0,03 mikronů – EMC také daleko převyšuje všechny známé typy technologií a blíží se mokré separaci pomocí odstředivek.

Technologie zpracování popela

Schopnosti EMC umožňují implementovat flexibilní „chytrou technologii“ pro zpracování popela se zaměřením na tržní potenciál jeho jednotlivých komponent. Detailní studie řady popílků, včetně CHPP-3 a CHPP-5 v Novosibirsku, umožnila vyvinout optimální schémata pro jejich zpracování a navrhnout technologie výroby stavebních materiálů s využitím sypkých hmot. produktů z popela.

BUZ, získaný zejména na CHPP-3, sestává převážně ze skleněných kulovitých částic s různým obsahem vápníku a železa. Tyto částice mají adstringentní vlastnosti a při reakci s vodou reagují pomaleji než portlandský cement, ale tvoří cementový kámen. Spolu s nimi jsou však částice nespáleného uhlí ve formě koksu, jehož obsah může dosahovat až 7 %, zrna oxidu vápenatého CaO (5-30 %) a síranu vápenatého CaSO4 (5-15 %), pokrytý sklem, neaktivní minerály – křemen a magnetit. Koks má jednoznačně negativní vliv na pevnost kamene, podobně jako makropóry.

Nejnegativnější roli ale hrají zrna CaO, zvláště velká. Tato zrna reagují s vodou s výrazným nárůstem objemu a znatelně pomaleji než většina popela, a to i v důsledku zapouzdření skla.

Účinek velkých částic CaO lze přirovnat k časované bombě. Pevnost kamene na bázi popela je obvykle nízká a pohybuje se v průměru kolem 10 MPa (100 kg/cm2), ale kvůli nestabilnímu složení se pohybuje od 0 do 30 MPa. Spotřebitelské náklady jsou určeny spodní hranicí, tedy rovny nule. Pro výběr popela vhodného složení je nutná rychlá analýza, která vyžaduje drahý spektrometr. Vybírat k likvidaci pouze část popela není zajímavé.

Uvedené problémy řeší mechanické zpracování popela na EMC v režimu mechanické aktivace povrchu částic se současnou separací cca 50 % jemné frakce menší než 60 mikronů.

Optimální trvanlivost aktivované jemné frakce popela s dodatečným zvýšením pevnosti kamene o ~5 MPa je 1–5 dní, poté se trhliny uzavřou s poklesem aktivity pod výchozí.

Tato vlastnost pojiva popela vyžaduje zpracování popela především samotnými spotřebiteli. Pevnost kamene za optimálních podmínek aktivace a skladování již neklesá pod 10 MPa a při malých přídavcích cementu řádově 10 % a chloridu vápenatého CaCl2 přibližně 1 % (tzv. zimní přísada, která aktivuje reakce s drobnými zrnky písku), z popelového pojiva se stává kompletní, ale levný materiál pro přípravu nesmršťovacího nekvalitního betonu M100-M300.

Třída betonu je určena jeho pevností po 28 dnech zrání, ale beton s pojivem popela dále získává pevnost a zvyšuje ji 2-3krát (v běžném betonu – pouze o 30%). Velkou frakci lze snadno zpracovat: separací podle velikosti částic nebo na triboelektrickém separátoru vzniká velká frakce koksu, kterou lze vrátit zpět do kotle na magnetickém separátoru, separuje se frakce kulovitých částic magnetitu, kterou lze využít; , například jako speciální pigment. Zbytek po smíchání s vodou po dobu 1-2 týdnů je omítka nebo malta.

Bion z popela

Obrázek ukazuje pevnost kamene při různém poměru pojiva cementu a popela. Lze rozlišit tři oblasti: nízkohodnotný beton na bázi popelového pojiva s malým přídavkem cementu, běžný beton s malým přídavkem 3-10 % popelového pojiva a beton maximální pevnosti s přídavkem 20-25 % popelového pojiva. Pokud se jako přísada použije pojivo popela, pak celý trh v metropoli bude schopen spotřebovat jen malou část vyrobeného popela.

Výroba betonu s velkým přídavkem popelového pojiva až 50% je i přes svou atraktivitu vysoce rizikovou oblastí. Je to dáno tím, že podíl síranu vápenatého CaSO4 v popelu kolísá do 5 a jeho vysoký obsah může při reakci s hlinitou složkou cementu vést k tvorbě ettringitu s velkým nárůstem objemu po vzniku a silný kámen. V tomto ohledu se tvorba ettringitu nazývá mor na betonu.

Relativně snáze se hledá využití pro nekvalitní beton. V tomto případě bude maximální objem pojiva popela, např. z popela CHPP-3, 60 tisíc tun ročně, z čehož lze připravit 200 tisíc metrů krychlových. m betonu. Bude stačit postavit 3000 nízkopodlažních samostatných domů nebo pokrýt 200 km místních komunikací o šířce 8 m popel lze skladovat v suchu libovolně dlouho, takže rozpor v načasování výroby a spotřeby nijak neovlivní kvalitu zpracování popela na staveništi.

Zpracování kyselého oxidu uhličitého, což jsou především skleněné kulovité částice včetně dutých mikrokuliček, a zbytky nespáleného uhlí ve formě koksu do 5 %, je také snadno realizovatelné pomocí technologie EMC. Mikrokuličky, které tvoří asi 5 % popela, mají mnoho speciálních aplikací, včetně medicíny.

Hlavními odběrateli KUZ jsou vedle výrobců betonu cihelny. Bohužel jsou jíly v Rusku obvykle řídké a přidání popela není nutné. Potenciální kapacita regionálního trhu pro produkty z HRSG je stále několikanásobně nižší než objem vyprodukovaného popela. Je třeba počítat s možností vývozu popílkových produktů do vyspělých zemí.

Ve Spojeném království se nekvalitní odpad ukládá na úpatí silnic. Až 10–20 % vyrobeného HUZ lze účelně využít jako flokulant při výrobě půdních bloků při organizované výstavbě individuálních nízkopodlažních bytů v poloautonomních eko-vesnicích. Holistický koncept výstavby dostupného a pohodlného bydlení založeného na místních zdrojích a odpadu je nastíněn v projektu „Nové nízkopodlažní Rusko“ a je dostupný na internetu. Obecně platí, že trh pro KUS se musí formovat během několika let, v závislosti na dostupnosti investic.

Proč je potřeba recyklace?

Bohužel jak silniční výstavba, tak individuální výstavba prostřednictvím pozemkových vztahů je zcela závislá na úřednících. Tyto oblasti jsou tradičně nejméně transparentní, což umožňuje rozkvět korupce. Inovace v těchto oblastech jsou skutečně nemožné bez politické vůle úřadů.

Bezodpadové využívání fosilního uhlí je pro stát výhodné zejména ze strategického hlediska, neboť bez dodatečných nákladů se objem výroby pojiva zdvojnásobí a navíc se vlivem uhlí zvýší spotřeba plynu v rámci republiky. výrazně sníží, což zvýší objem jeho prodeje v zahraničí. Výroba alternativního pojiva na bázi popela poskytne konkurenci v sektoru nízkokvalitního betonu regionálním monopolistům – výrobcům cementu.

Zyryanov Vladimir Vasilievich,

Energetika a průmysl Ruska