Получение зольного гравия

Вопросы рационального использования золы от пылевидного сжигания угля в производстве местных строительных материалов имеют большое значение. В этом направлении имеются многие заслуживающие внимания работы. Одним из способов утилизации зол является организация производства на их основе искусственного пористого заполнителя— зольного гравия. Технология изготовления такого заполнителя разработана НИИ-200 Министерства строительства РСФСР в содружестве с работниками Ново-Каширского завода железобетонных изделий1.

Вольный гравий изготавливается из золы-уноса теплоэлектростанций путем полусухого гранулирования на тарельчатом трансляторе и последующего спекания во вращающейся печи (прямоточного действия) при 1200—1230е. Физико-механические своиства полученного зольного гравия приведены в табл. I.

Как видно из таблицы, насыпной объемный вес зольного гравия тем меньше, чем больше размер гранул.

Хорошо спекшийся зольный гравий имеет окатанную поверхность стального цвета. При пониженной температуре—буро-кирпичный цвет, зернистую поверхность и повышенный объемный вес.

По химическому составу золы-уноса от сжигания угля различных бассейнов СССР представляют собой весьма неоднородный продукт и характеризуются следующим содержанием окислов (в %): Si02—4,38—73,1, AI2O3—1,66—44,35, Fe,03—1,28— 61 19, СаО—0.41 48.15, MgO—0,15—10.72, S03 0,1—33,58, R30 0.0 10,92 п. п п.—0.3—33. Неоднородность зол является результатом не только сжигания различных видов топлива и разных режимов работы топок.

При производстве зольного гравия различие химического состава исходной золы сказывается в основном на его объемном весе Так, например, чем больше содержание в золе трехвалентного железа (в виде гематита), тем меньше объемный вес продукта.

При получении зольного гравия существенную роль играет содержание угля в исходный золе. Установлено: чем меньше в золе угля, тем лучше проходит спекание во вращающейся печи прочность получаемых гранул выше.

Для производства зольного гравия наиболее целесообразно испотьзовать старые отвасы гидрозолоудаления, так как в этом случае в золе, в результате длительного пребывания ее на воздухе и естественного процесса отучивания силоэо снижается содержание угля по сравнению с сухой золой (отобранной из циклонов). Кстати сказать, в отмученной и вылежанной золе повышается содержание гематита (FeOs) за счет окисления закисного железа (FeO).

В связи с принятым Министерством строительства РСФСР решением о строительстве первого в СССР завода по производству зольного гравия производительностью 75 тыс/м3 в год на Ново-Каширском заводе железобетонных изделий была построена опытная полупромышленная установка, на которой проверены основные технологические параметры производства гравия, а также конструктивные решения отдельных узлов.

Опытная установка состоит из четырех основных переделов: сушки, помола и гранулирование золы, обжига гранул.

Исходная зола подается к установке самосвалами и загружается транспортером в сушильный одноходовой барабан, обогрев которого осуществляется по противоточной схеме отходящими газами вращающейся печи. Подсушенная до 5—10% весовой влажности зола шнеком подается в приемный бункер бегунов.

Как показала практика, применение бегунов для измельчения золы нецелесообразно ввиду их малой производительности. Кроме того, периодическое действие бегунов не позволяет организовать непрерывную подачу золы на последующие переделы производства.

Поэтому для домола золы предусмотрена шаровая мельница непрерывного действия. Это дает возможность измельчать сырье до крупности менее 0,2 мм и передавать его по лотку непосредственно в расходный бункер. Из него зола при помощи тарельчатого дозатора подается тонкой непрерывной струен в чашу гранулятора.

Получение гранул размером 10—20 мм может быть обеспечено при угле наклона гранулятора 55—60°. При уменьшении угла наклона образуются слишком крупные гранулы, а на днище чаши налипает толстый слой слежавшейся смоченной золы. При большем же угле наклона чаши получаются гранулы диаметром до 5—6 мм.

Гранулятор смонтирован на бетономешалке емкостью 200 л, к барабану которой крепится чаша диаметром 1,35 м с переменной высотой борта. Наилучшие условия гранулирования золы обеспечиваются при высоте борта 0,3 м и скорости вращения чаши порядка 12—16 об, мин. При более быстром вращении зола прижимается к борту и условия гранулирования ухудшаются. В случае медленного вращения резко снижается производительность гранулятора. Кроме того, за его борт одновременно с гранулами выпадает значительное количество не отгранулированной золы.

Опытами установлено, что отношение высоты борта к диаметру основания чаши гранулятора должно составлять 0,22.

Производительность гранулятора (по выходу гранул) может быть рассчитана по формуле:

Полученные гранулы обладают достаточной прочностью для продвижения и перекатывания их во вращающейся печи.

Длительная эксплуатация гранулятора показала, что гранулирование золы в чашечном грануляторе происходит весьма устойчиво при правильно подобранном расходе исходных составляющих шихты. Примерный расход материалов на изготовление 1 м3 зольного гравия следующий: золы-уноса (в сухом состоянии при насыпном весе 700—1100 кг/м3) 0,4—0,6 м3; воды — 85—130 л; ссб (плотностью 1,26) —13—15 л.

Необходимо, чтобы количество подаваемой в чашу золы соответствовало времени, в течение которого происходит окатка ее в гранулы требуемого размера и прочности.

Грануляция золы (рис. 1) на опытной установке производилась следующим образом. Зола, подаваемая во вращающуюся чашу, равномерно увлажнялась из форсунок (расположенных со смещением в сторону движения чаши) водным раствором сульфитно-спиртовой барды. Увлажненные частицы золы, являясь центрами грануляции, под действием центробежной силы и силы трения увлекались вверх — по радиусу чаши. Одновременно под влиянием гравитационной силы эти частицы стремились скатиться вниз.

В процессе такого сложного движения частицы золы агрегировались и окатывались Агрегированные частицы, достигая очистительного ножа, свободно скатывались по днищу чаши, в результате чего происходило дополнительное уплотнение гранул.

По мере роста величины гранул, высота каждого очередного подъема их непрерывно уменьшалась; готовые гранулы концентрировались в небольшом сегменте тарелки, откуда они выпадали за борт, Для обеспечения хорошей грануляции необходимо, чтобы гранулы не скользили по дну чаши, а совершали движение качения. Скольжение золы по дну чаши может происходить из-за несоответствия скорости вращения и угла наклона ее, иди (что чаще всего бывает) при использовании для грануляции крупной золы.

В случае переувлажнения или недоувлажнения золы гранулы получались слабыми и раскалывались в печи. Оптимальная влажность (весовая) зольных гранул колебалась от 25 до 35%.

Объемный насыпной вес сырых зольных гранул в зависимости от веса исходной золы находился в пределах 0,8—1,3 т/м3.

При необходимости снижения объемного веса зольного гравия в тарельчатый гранулятор одновременно с золой можно вводить (просеянные через сито с ячейками 1,5—2 мм) опилки в количестве 2—3% от веса золы.

Для нормального спекания гранул во вращающейся печи необходимо, чтобы они были примерно одинакового диаметра, что достигается при оптимальном режиме работы гранулятора. В том случае, когда на обжиг в печь одновременно d гранулами требуемого размера поступает неокатанная зола (при некачественной грануляции), происходит слипание гранул—образование «валюшек».

Для устранения этого нежелательного явления между гранулятором и течью было установлено реверсивное сито для отделения мелочи, после чего сырые гранулы самотеком (по лотку) попадали в короткую вращающуюся печь, работающую по прямоточной схеме.

Вращающаяся печь была установлена под углом 3°, при скорости вращения 3 об/мин. В зоне спекания поддерживалась температура 1230—1250°. Было выявлено, что при таком режиме работы печи продолжительность пребывания гранул в ней составляет 12—15 мин., иг них в зоне спекания— 5—7 мин.

Длина факела (1,5—2 м) регулировалась перемещением внутренней конусной насадки короткофакельной форсунки вдоль топливопровода; при сокращении зазора между головкой корпуба и насадкой форсунки длина факела сокращалась. Для обеспечения воздушного распыления топлива был применен вентилятор высокого давления ВВД-4.

Вращающаяся печь была смонтирована из сушильного барабана асфальтобетонной установки, удлиненного до 7 м. Футеровка печи осуществлена из шамотного клинового кирпича на растворе. Для уменьшения теплопотерь между слоем раствора и стенкой барабана уложили прокладку из асбестового картона в четыре слоя.

Отходящие газы печи отбирались для подсушки исходной сырой золы в сушильном барабане, в результате чего общий тепловой коэффициент полезного действия печи значительно увеличился.

При обжиге зольного гравия происходит выгорание органических веществ (угля, ссб) и появляется внутреннее дополнительное тепло (порядка 10% от общего поступления тепла), обеспечивающее интенсификацию прогрева гранул при высоком коэффициенте использования тепла. В случае введения в гранулы древесных опилок роль внутреннего источника тепла возрастает.

Использование прямоточной схемы движения материала (зольных гранул) и теплоносителя (продуктов сгорания топлива), а также необходимость создания в зоне спекания нейтральной или слабо восстановительной среды привели к тому, что подача воздуха в печь при работе форсунки была ограничена и коэффициент избытка воздуха составлял лишь 1,25. Таким путем охлаждающее влияние подсасываемого в печь воздуха было сведено к минимуму, что позволило обеспечить высокую температуру в начальной зоне (1240°) при относительно невысоком расходе топлива (70—80 кг на 1 м3 зольного гравия).

Как и при обжиге керамзита, потери тепла с отходящими газами при спекании гранул во вращающейся печи достаточно велики и расход тепла на сушку золы лишь на 10,8% снижает эти потери.

В проекте завода по производству зольного гравия предусмотрена возможность дополнительной утилизации тепла отходящих газов для нужд производства (подогрев воды, отопление цеха и т. п.). Тепло, теряемое с выгружаемой продукцией (14,5%), будет использовано для нагрева воздуха дутья (при применении охлаждающих продукцию вращающихся барабанов — холодильников).

На основании работы, проведенной на опытной установке, была разработана совместно с ПИ-2 Министерства строительства РСФСР производственная технология и подготовлены рекомендации по комплектованию оборудования для цеха зольного гравия, строящегося на Ново-Каширском заводе железобетонных изделий.

Принята следующая технологическая схема производства зольного гравия. Зола из отвалов гидрозолоудаления поступает в сушильный барабан, оттуда в магнитный сепаратор и далее — в шаровую мельницу. Измельченная зола окатывается в гранулы на тарельчатом грануляторе, в который подается вода с растворенной в ней ссб. Сюда же поступают опилки.

Отделение необкатанной золы от гранул производится на реверсивном сите, после чего она снова направляется в шаровою мельницу, а гранулы — на обжиг во вращающуся печь прямоточного действия. Спекшиеся гранулы охлаждаются в барабанном холодильнике и затем сбртируются на виброгрохоте (гранулы крупнее 40 мм подвергаются дроблению).

По внешнему виду зольный гравий напоминает керамзит (рис. 2).

Ориентировочная стоимость 1м3 зольного гравия, D зависимости от производительности завода, составит от 3 до 4 руб.

Исследования показали, что зольный гравий может быть использован для производства бетона объемным весом 800—1000 кг/м3 и прочностью при сжатии 30—75 кг/см2; легкого конструктивного бетона соответственно 1800 кг/м3 и прочностью до 200 кг/см2 и выше; мелкого легкого заполнителя для штукатурок; жароупорного легкого бетона и т. д.

В частности, на основе зольного гравия, полученного на установке, были изготовлены опытные панели покрытия ПКЖ-3, самонесущие сзеновые панели и другие изделия.

Легкие бетоны на зольном гравии были всесторонне исследованы. Они морозостойки — коэффициент морозостойкости их равен единице. Величина модуля упругости отвечает требованиям СНИПа. Так, например, при марке бетона 35 модуль упругости равен 72 000 кг/сжм2, а при марке 150— 200 000 кг!см1 При применении в качестве крупного заполнителя зольного гравия могут быть получены бетоны марок 35—150 с объемным весом 900—1700 кг/м3 (табл. 2).

Вес плиты покрытия ПКЖ-3 из легкого бетона на зольном гравии составил 1000 кг вместо 1540 кг при применении обычного тяжелого бетона. Испытание этой плиты на жесткость и прочность по ГОСТ 7740—55 показали, что при приложении равномерно-распределенной нагрузки (2600 кг) с превышением нормативной на 16% прогиб плиты составил 15,3 мм, при допустимом — 20 мм. При перегрузке плиты на 73% она не разрушалась. Кроме того, была изготовлена самонесущая стеновая панель размером «на комнату», экспонируемая на ВДНХ СССР. В этом случае был применен легкий бетон на зольном гравии с объемным весом 950 кг/м3 и прочностью 50 кг/см2. Коэффициент теплопроводности этого бетона составил 0,26 ккал/м град час, что при толщине панели в 35 см обеспечило термическое сопротивление стены 1,35 м2 град час/ккал.

Опытная проверка в полупромышленных условиях технологии производства зольного гравия, а также полученные данные о физико-механических свойствах зольного гравия и бетонов на его основе позволяют рекомендовать организацию производства этого вида пористого заполнителя в ряде экономических районов СССР, особенно в тех районах Союза, где используются еще дорогостоящие привозные заполнители.

Техническим и архитектурным советом Госстроя РСФСР принято решение о выполнении в 1962 г. ПИ-2 привязки типового проекта дома серии 1-464 для строительства его из бетона, изготовленного на зольном гравии, а также о разработке ПИ-2 совместно с НИИ-200 типовых проектов стационарного завода по выпуску легких бетонов на зольном гравии производительностью 100 тыс. м3 в год и передвижной установки для зольного гравия производительностью 20—25 тыс. м3 в год.