Строение и свойства топливных шлаков

Использование доменного шлака для производства бетона

Топливными отходами называют остатки, образующиеся при сжигании в топках котлов антрацита, каменного угля, бурого угля и других видов минерального топлива. Они образуются в результате обжига, сопровождающегося расплавлением, спеканием и вспучиванием тех неорганических примесей (главным образом глинистых), которые содержались в топливе шлаковые заполнители для изготовления бетона

Выход шлаков и зол, в зависимости от вида угля и условий его сжигания, составляет от 7 до 25% от веса сжигаемого угля.

Топливные шлаки и золы.

Топливные отходы можно разделить на два основных вида:

1. отходы от сжигания кускового угля топливные (котельные) доменные шлаки, состоящие в основном из сравнительно крупных кусков с примесями некоторого количества весьма мелких частиц (зола), а также частиц несгоревшего угля;

2. отходы от сжигания угля в измельченном(пылевидном)состоянии топливные золы, состоящие главным образом из оплавленных пылевидных частиц с примесью несгоревшего угля, а иногда некоторого количества сравнительно крупных вспученных или оплавленных кусков, называемых лаками, пылевидного, сжигания.

В зависимости от вида сжигаемого топлива получаются следующие доменные шлаки и золы:
антрацитовые (от сжигания антрацитов); каменноугольные; буроугольные и, в частности, подмосковные (от сжигания подмосковных углей); торфяные и т. д.

Часто встречаются смешанны шлаки, полученные or сжигания смесей различных углей (например, донецких каменных углей с подмосковными и т. п.).

Состав шлаков.

Строение и свойства топливных шлаков зависят:

а) от вида угля;

б) от минералогического состава неорганической его части;

в) от условий сжигания угля (размера кусков, температуры, развивающейся при сжигании, и т. п.).

Неорганическая часть углей и сопровождающей их «пустой породы» состоит главным образом из глинистых веществ с примесью окислов железа, кварца, небольших количеств кальцита, доломита, гипса, пирита и т. п.
Антрацит, являющийся геологически наиболее «старым» видом каменного угля, характеризуется малым содержанием неорганических и летучих органических составных частей, а благодаря этому — значительной атмосферостойкостью. Шлака в золы он дает сравнительно мало (7—-10% от веса угля), но а них содержится обычно сравнительно много несгоревших частиц угля (до 20—30%). Так как при горении антрацит дает много тепла, то антрацитовые шлаки оказываются хорошо спекшимися (оплавленными), сравнительно прочными и атмосферостойкими.

;
Наоборот, наиболее молодые угли (бурые и подмосковные) содержат сравнительно много летучих составных частей, гуминовых кислот и других веществ коллоидального характера, а также много глинистых и других неорганических примесей (иногда до 25—30’% от веса топлива). Такие угли большей частью имеют рыхлое и слоистое строение, способны легко окисляться, набухать при увлажнении и растрескиваться при высыхании. Теплотворная способность их значительно ниже, чем у антрацитов, а шлака и золы они дают в 2,5—3 раза больше. Поэтому шлаки, образующиеся при кусковом сжигании бурых и подмосковных углей, оказываются в значительной части. недостаточно спекшимися, малопрочными и нестойкими, что снижает качество шлакобетона.

использование шлака
При сжигании подмосковных углей в пылевидном состоянии получают главным образом золу, но наряду с ней некоторое количество хорошо спекшихся и стойких шлаков.
Золы обычно состоят из очень мелких частиц, обладающих свойствами активных добавок. Если золы содержат мало несгоревшего угля (менее 3%), то они могут служить дисперсной добавкой к цементным и известковым растворам, а также к бетонам невысоких марок.
Каменные угли по свойствам являются как бы промежуточными между антрацитовыми и бурыми углями, причем прочность и стойкость каменноугольных шлаков большей частью приближается к соответствующим показателям антрацитовых шлаков.

Топливные шлаки состоят из следующих компонентов:

  1. собственно шлаков пористых кусков различной крупности, получившихся в результате спекания или плавления (сопровождаемого вспучиванием) неорганической части угля; эти куски и являются важнейшей составляющей шлаков;
  2. зол пылевидных, неспекшихся между собой частиц этой же неорганической части угля; к золам обычно относят частицы мельче 0,15 мм; большое количество золы в шлаке ведет к понижению прочности и морозостойкости шлакобетона;
  3. кусков несгоревшего угля разной крупности, являющихся нежелательной примесью; бурые, подмосковные и некоторые другие виды каменных углей резко понижают стойкость шлакобетона, так как их объем изменяется при изменении влажности и температуры среды; куски же несгоревшего антрацита благодаря своей плотности и стойкости мало влияют на прочность и стойкость шлакобетонов;
  4. кокса — пористых частиц, образующихся при сухой перегонке некоторых каменных углей; такие частицы, потерявшие наиболее легко окисляемые компоненты, менее вредны для бетона, чем несгоревший каменный уголь;
  5. недостаточно обожженных (неспекшихся)кусков неорганической части угля и пустой породы, сопровождающей уголь; эти куски состоят большей частью из глинистых пород, которые при недостаточном обжиге дают плохо спекшиеся и не прочные составляющие шлака, способные при увлажнении размягчаться и набухать, при высыхании растрескиваться, а при замерзании во влажном состоянии пучиться (увеличиваться в объеме и разделяться на слои); они чаще всего встречаются в буроугольных и подмосковных шлаках присутствие их резко уменьшает прочность и стойкость шлакобетона.

В шлаках могут встречаться и другие вредные примеси: легко растворимые соли (особенно сернокислые CaSO4 и др.). включения свободных СаО и MgO, а также FeS2. Легко растворимые соли дают выцветы, способные разрушать бетон. Сернокислые соли могут разрушать портландцемент, вступая с ним во взаимодействие, а включения свободных СаО и MgO, гасящихся в бетоне, вызывают его растрескивание. Пирит (FeS2) лри окислении в присутствии воды увеличивается в объеме и также способен разрушать бетон.

Лучшими видами топливных шлаков являются антрацитовые

и хорошо спекшиеся каменноугольные шлаки, так как они состоят главным образом из вспучившихся остеклованных кусков, а несгоревшие частицы угля, антрацита или кокса, сравнительно атмосферо- и морозостойки.
К шлаку, применяемому в качестве заполнителя для шлакобетона, предъявляют следующие основные требования:
а) он не должен содержать землистых и глинистых примесей, кусков металла, случайного мусора, излишка золы и других примесей; б) содержание несгоревшего угля, определяемое прокаливанием, не должно превышать:
20% от общего веса материала в антрацитовых шлаках (более высокое содержание недопустимо, главным образом, из экономических соображений)
15%—в каменноугольных шлаках;
10% —в шлаках подмосковных и бурых углей (чем меньше, тем лучше).

Топливные шлаки, предназначенные для армированного бетона

(легкого железобетона), должны удовлетворять более строгим требованиям для того, чтобы стальная арматура не ржавела. Так как уголь с железом могут давать гальваническую пару, в которой разрушается железо (сталь), то необходимо, чтобы в смеси крупного и мелкого шлака общее содержание несгоревшего угля не превышало бы 5% от веса сухой смеси. Кроме того, необходимо, чтобы содержание сернокислых и сернистых соединений (в пересчете на SO3) не превышало 3%, так как эти соединения также могут вызывать коррозию стали при наличии влаги в пористом бетоне.
Для уменьшения содержания угля в смеси заполнигелей, а также для уменьшения расхода цемента мелкий шлак иногда заменяют (полностью или частично) обычным песком. Бетоны на таких смесях называют песчаными шлакобетонами.
Чтобы уменьшить содержание растворимых солей и обезвредить примеси CaO, MgO и FeS2, топливные шлаки до применения выдерживают в отвалах по крайней мере несколько месяцев. При этом примеси нестойких углей (например, подмосковных, бурых и некоторых каменных) окисляются и выгорают, растворимые соли вымываются из шлаков дождями, включения СаО и MgO гасятся, а серный колчедан разлагается.
Выдержанные в отвалах шлаки просеивают, разделяя их на шлаковый песок (с частицами менее 5 мм) и на шлаковый щебень (с частицами более 5 мм). Шлакобетон может быть хорошим лишь при надлежащем зерновом (гранулометрическом) составе, т. е. при определенных соотношениях мелкого и крупного заполнителей и при ограниченном содержании золы.

Если антрацитовые и каменноугольные шлаки содержат сравнительно много несгоревшего угля, который можно использовать как топливо, то выгодно отделять уголь от шлака. Это можно сделать с помощью магнитных сепараторов, действие которых основано на том, что хорошо спекшиеся куски шлака обычно содержат магнитную окись железа.

Самым простым способом уменьшения содержания угля в антрацитовых и каменноугольных шлаках является отсев от них мелких фракций шлака и последующая замена отсеянной мелочи обычным песком или дробленым шлаком. Отсеянный мелкий шлак, содержащий несгоревший уголь, является так называемым «шлаковым топливом, применяемым при производстве пористо-пустотелых видов кирпича и керамики эффективных керамических материалов для кладки стен).
Однако описанные выше способы не позволяют улучшить качество подмосковных и других недостаточно спекшихся шлаков. Хотя при длительном выдерживании таких шлаков в крупных отвалах большая часть угля в них выгорает, однако вследствие недостаточно высокой температуры, развивающейся при этом процессе, в отвале остается много неспекшихся слоистых кусков, а количество золы даже увеличивается. Поэтому лучшим способом подготовки таких шлаков является вторичный их обжиг до спекания на специальных спекательных устройствах (агломерация).

Агломерированные шлаки и золы.

Способы агломерации шлаков и зол дают возможность не только выжечь из шлаков вредный уголь, но и получить прочный и стойкий пористый заполнитель вторичный шлак (агломерат), пригодный для легкого бетона и железобетона. Этот метод позволяет также получить пористый кусковой заполнитель из зол ТЭЦ или из смесей их со шлаками.
При спекании на агломерационных машинах смесей, содержащих около 10% угля, в спекаемом материале развивается очень высокая температура (до 1400—1600°), обеспечивающая не только выжигание угля и других вредных примесей (в частности, соединений серы), но и хорошее спекание. Поэтому пористые заполнители, полученные спеканием шлаков и зол, практически угля не содержат. Количествр других вредных примесей в них также незначительно.
Процесс спекания не требует затраты дополнительного топлива; он происходит благодаря сгоранию угля, содержащегося в шлаке или золе.
Спеканию подвергают дробленые шлаки или золы в смеси со шлаками и небольшим количеством глиняного молока, которое вводится для того, чтобы зола при смешивании с глиняным молоком скатывалась в комочки а получалась смесь с надлежащей воздухопроницаемостью.
Подготовленную смесь направляют на спекательные решетки, через которые просасывается воздух, поступающий в спекаемый слой сверху и обеспечивающий интенсивное горение угля. В результате смесь спекается и отчасти вспучивается, давая пористую массу; после охлаждения ее дробят и рассеивают, получая крупный и мелкий заполнитель, называемый вторичным шлаком.

Разработан способ механизированного получения такой шлаковой пемзы

Расплавленный шлак поступает из доменной печи или из шлаковозных ковшей в специальные машины, в которые подается через мелкие отверстия вода, пар или воздух. Пористость шлака можно регулировать, изменяя количество подаваемой воды или пара. Вспученный и затвердевший шлак поступает в дробилку, а затем его рассеивают с помощью вибрационных сит на мелкий и крупный заполнитель.