Теплоизоляционные материалы из золошлаковых отходов тепловых электрических станций, полученные с применением низкотемпературной плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Сультимова, Валентина Дампиловна

• Сультимова, Валентина Дампиловна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сультимова, Валентина Дампиловна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПОЛУЧЕНИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ.

1.1. Анализ состояния вопроса в области получения теплоизоляционных материалов.

1.1.1 Минеральная вата.

1.1.2 Базальтовая вата.

1.1.3 Шлаковата.

1.1.4 Стекловата.

1.2. Анализ установок для получения теплоизоляционных материалов.

1.3. Цель и задачи исследований.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Минерально-фазовый состав зол и шлаков и методы их исследования.

2.2. Математическое описание процесса термической переработки золо-шлаковых отходов.

2.3. Расчет процесса высокотемпературной плавки (переработки) золы и шлака.

3. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ.

3.1. Спектральный анализ минеральных волокон.

3.2 Исследование физико-химических свойств минеральной ваты.

3.2.1 Исследование среднего диаметра и водостойкости минеральной ваты.

3.2.2 Исследование содержания «корольков».

3.2.3 Исследование влажности минеральной ваты.

3.2.4 Исследование содержания органических веществ в минеральной вате.

3.2.5 Исследование модуля кислотности минеральной ваты.

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС.

4.1. Технология получения минеральной ваты из золошлаковых отходов.

4.2. Экономическая эффективность получения минеральной ваты из золошлаковых отходов.

4.3. Технология производства минераловатных плит.

4.4. Оценка и прогнозирование конкурентоспособности теплоизоляционных материалов.:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплоизоляционные материалы из золошлаковых отходов тепловых электрических станций, полученные с применением низкотемпературной плазмы»

Применение в электроэнергетике твёрдых видов топлива, предопределила образование огромного количества зол и шлаков с тенденцией к значительному их росту в будущем.

Для складирования золошлаковых отходов заняты многие тысячи гектаров плодородных земель, ветры разносят образующуюся при их хранении пыль, тем самым, усугубляя экологическую обстановку [1].

В нашей стране около 80% минеральной продукции выпускается на основе доменных шлаков. Использование золошлакоотходов для производства минеральной ваты детально не изучалось. В основном рекомендуют использовать для бетонов, различных видов золоцементов, золокирпича. Назрела необходимость исследования местных золоотходов с целью вовлечения их в производство минеральной продукции.

Потребность различных отраслей промышленности в строительных материалах, в том числе теплоизоляционных (минеральная вата, керамзит), постепенно возрастает [2]. Наибольший эффект достигается, когда технология и оборудование ориентированы на местную сырьевую базу тогда, возможным становится использование отходов местных промышленных производств.

В связи с этим исследование и получение теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов при помощи низкотемпературной плазмы является актуальной и перспективной задачей в теоретическом и практическом аспектах.

Цель работы: исследование и получение теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов тепловых электростанций с помощью низкотемпературной плазмы.

Научная новизна работы:

- исследована и выявлена эффективность использования тепловой энергии высококонцентрированных потоков низкотемпературной плазмы при получении минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электрических станций;

- проведены термодинамические исследования теплофизических свойств золы и шлака в широком диапазоне температур, на основе которых при условии термодинамического равновесия в системе определены оптимальные значения температур, удельных энергозатрат и мощности плазменного источника;

- получены новые данные по физическим и химическим свойствам минерального волокна, полученного в результате плавления золошлаков низкотемпературной плазмой:

- получено минеральное волокно с улучшенными физико-химическими свойствами, обладающее высокой химической стойкостью, долговечностью, большей упругостью и прочностью;

- разработана плазменная технология получения минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электрических станций.

На защиту выносятся:

- результаты исследования теплофизических и физико-химических свойств золошлаковых отходов для получения минеральной ваты;

- результаты исследований физических и химических свойств минерального волокна, полученного из золошлаковых отходов при помощи низкотемпературной плазмы;

- результаты расчёта процесса высокотемпературной плавки (переработки) золы и шлака;

- технология получения минеральной ваты из золошлаковых отходов ТЭС с использованием низкотемпературной плазмы;

Практическая значимость и реализация работы:

1. Разработанная технология получения теплоизоляционных материалов путем плавления золошлаков низкотемпературной плазмой позволит утилизировать золошлаковые отходы, скапливающиеся в золоотвалах;

2. Разработан экономичный и экологически чистый метод производства минераловатной продукции;

3. За счет малой инерционности плазменных процессов открывается реальная возможность автоматического управления производством минеральной ваты;

4. За счет исключения дефицитных энергоисточников (кокс, природный газ и т.д.) и сокращения некоторых звеньев в традиционных технологиях упрощается и удешевляется процесс производства минеральной ваты;

5. Полученные результаты могут быть применены в технологическом процессе производства теплоизоляционных материалов.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Восточно-Сибирского государственного технологического университета (г. Улан-Удэ, 1999-2004 гг.); Бурятского государственного университета (г. Улан-Удэ, 2001 г); 3-ей международной научно-технической конференции «Плазменно-энергетические процессы и технологии» (г. Улан-Удэ, Гусиноозерск, 2000г); международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии на Байкале» (г. Улан-Удэ, 2001,2003 гг.).

Научные публикации:

Основное содержание работы и её результаты опубликованы в 11 печатных работах и подана заявка на изобретение.

Структура и объём диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 109 наименований. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, .включает 35 рисунков, 34 таблицы и 3 приложения на 11 страницах.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Сультимова, Валентина Дампиловна

Основные выводы'

Данная работа посвящена исследованию и разработке плазменной технологии получения минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электростанций и позволяет сделать следующие выводы:

1. Исследована и выявлена эффективность использования тепловой энергии высококонцентрированных потоков низкотемпературной плазмы при получении минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электрических станций.

2. Проведены термодинамические исследования теплофизических свойств золы и шлака в широком диапазоне температур, на основе которых при условии термодинамического равновесия определены оптимальные значения температур, удельных энергозатрат и мощности плазменного источника.

3. Исследованы физико-химические свойства минерального волокна, полученного при плазменной переработке золошлаковых отходов. При этом получено минеральное волокно с улучшенными физико-химическими свойствами, обладающее высокой химической стойкостью, долговечностью, большей упругостью и прочностью.

4. Разработана технология получения минеральной ваты из золошлаковых отходов ТЭС с помощью низкотемпературной плазмы, которая позволяет утилизировать золошлаковые отходы с исключением • индукционного периода плавления, упрощает и дает возможность автоматизировать процесс производства минеральной ваты.

5. Проведено прогнозирование конкурентоспособности и экономической эффективности теплоизоляционных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сультимова, Валентина Дампиловна, 2004 год

1. Карпенко Е.И., Буянтуев Б.Л., Ибраев Ш.Ш., Мессерле В.Е. Плазменноэнергетические процессы и аппараты в решении природоохранных задач. Улан-Удэ, 1992. с. 3, 32-41.

2. Стекло и керамика. 2001, № 2. с. 26-27.

3. Arc Plasma processes. A Maturing Technology in Industry. UIE Arc Review. Paris, 1988.

4. Plasma Energy Waste Processing System: Booklet. Mason and Hanger National, Inc. USA, Atlanta, 1993.

5. Camacho S.L. Plasma Pyrolysis of Hydrocarbon Wastes: Proc. Of the BNCE Technical Conf. at Wadham College, Oxford, England, 25-27 September 1990.

6. Чаус K.B., Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Стройиздат,1988.-с. 422-427.

7. Бобров Ю.Л. Долговечность теплоизоляционных минерал оватных материалов. 1987. 168 с.

8. Попова В.В. Материалы для теплоизоляционных работ. 1978. с. 20-37

9. Горяйнов К.Э., Коровникова В.В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. М.: 1975. 130 с.

10. Горлов Ю.П. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы. М.: Стройиздат, 1976.-с. 116-141.

11. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989. — 384 с.

12. Болдырев А.С., Золотов П.П. Строительные материалы: Справочник. М.:1989.-530 с.

13. Грушман Р.П. Справочник теплоизолировщика. Л.: Стройиздат, 1980. -120 с.

14. Бобров IO.JI. Новые минераловатные теплоизоляционные материалы в современном строительстве. М.: 1981. — с. 3-16.

15. Мчедлов-Петросян О.П., Софронов B.C., Савина В.Г. Температуростойкость минеральной ваты. Тез. докл. к совещ. по производству высокотемпературных теплоизоляционных материалов и изделий для промышленной изоляции. М.: ВНИИтеплопроет, 1965. с. 27-33.

16. Махова М.Ф., Медалович Н.П. Теплопроводность базальтовых волокон. Строит. Материалы и конструкции, 1977, №4. с. 40-41.

17. Пелех Б.Л., Махова М.Ф., Джигирис Д.Д. Методы исследований базальтовых волокон и их физико-химические свойства. — Сборник научных трудов. Киев: Изд. "Наукова думка", 1980. с. 106.

18. Kaswant. Современные установки для производства минеральных волокон по методу раздува. Sprechssal für Keramik - Class — Email, 1958.-с. 19-21.

19. Горяйнов К.Э. Изготовление базальтовой ваты в Польской Народной Республике. Строит, материалы, 1965, №11. - с. 40-41.

20. Школьников Я.А., Кочаров Э.П., Бородашкина В.В. Опыты по получению волокна из базальта. Стекло и керамика, 1954, № 9. - с. 912.

21. Дубровский В.А., Махова М.Ф., Рычко В.А. и др. Свойства расплавов основных магматических горных пород Украины и волокон на их основе. — В кн.: Волокнистые материалы из базальтов Украины. Киев: Техшка, 1971. с. 5-12.

22. Дубровский В.А., Рычко В.А. и др. Базальтовые расплавы для формирования штапельного волокна. Стекло и керамика, 1968, №2. - с. 18-20.

23. Мясников A.A., Асланова М.С. Выбор составов горных базальтовых пород для получения волокон различного назначения. Стекло и керамика, 1965, №3. - с. 12-15.

24. Заварицкий А.Н., Соболев B.C. Физико-химические оснс?вы пертографии изверженных горных пород. М.: Госгеологтехиздат, 1961. с. 384.

25. Thomas W. Physics and Chemistry of Classes. №1, February, 1960. c. 25.

26. Китайгородский И.И. и др. Технология стекла. M.: Госстройиздат, 1967. -с. 45.

27. Школьников Я.А., Полик Б.М. и др. Стеклянное штапельное волокно. М.: Химия, 1969.-с. 270.

28. Панасюк В.И. Химический анализ стекла и сырьевых материалов. М.: Стройиздат, 1971. с. 279.

29. Аппен A.JL Химия стекла. Д.: 1974. 250 с.

30. Запорожцев В.Б., Щеглова М.Д., Лещенко Е.Д., Зданович И.Г., Любчич М.Ф., Харьков В.В., Зельдин B.C. Стекло для получения минеральной ваты. A.c. СССР, кл. С 03 С 13/00, № 581104, заявл. 24.03.76, № 2337687,опубл. 30.11.77.

31. Балашов В.Н., Школьников Я.А. Исследование процесса получения супер-ультратонкого штапельного стеклянного волокна. Стрит, материалы, 1968, №6. с. 19-22.

32. Спирин Ю.П., Устенко А.А., Володина М.Н. Некоторые эксплуатационные свойства теплоизоляционного волокна. Строит, материалы, 1968, №6. с.24-25.

33. Вельсовский В.Н. О температуроустойчивости минеральной ваты. — В кн.: Тез. докл. к совещ. по производству высокотемпературных материалов и изделий для промышленной изоляции. М.: ВНИПИ теплопроект, 1965. с. 43-50.

34. Зевин Л.С., Хейкер Д.М. Рентгеновские методы исследования строительных материалов. М.: Стройиздат, 1965. — с. 362.

35. X-ray Diffraction date published by the American Society for Testing Materials, 1970.-е. 18.

36. Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов. М.: Госгеолтехиздат, 1957.-е. 868.

37. Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: 1982. 203 с.

38. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов. М.: 1980. -164 с.

39. Соков В.Н., Лабзина Ю.В., Федосеев Г.П. Лабораторный практикум по технологии отделочных, теплоизоляционных материалов и гидроизоляционных материалов. М.: Высшая школа, 1991. с. 46-54.

40. Бакин A.M., Куприянов Г.Н., Гребенюк Д.С., Войтенко В.В. Устройство для изготовления стеклянной ваты. A.c. 1011571 А, СССР. Заявл. 21.08.81, № 3331304/29-33, опубл. в Б.И., 1983, № 14. МГИ С 03 В 37/06.

41. Жуков М.Ф. Электродуговые нагреватели газа. М.: Наука, 1973. 310 с.

42. Моссэ А.Л., Буров И.С. Обработка дисперсных материалов в плазменных реакторах. Минск: Наука и техника, 1980. с. 14.

43. Под ред. Жукова М.Ф. Электродуговые плазмотроны. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1980. 83 с.

44. Дресвин C.B. и др. Физика и техника низкотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

45. Жуков М.Ф., Калиненко P.A., Левицкий A.A., Болак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука, 1990. 200 с.

46. Сергеев П.В. Электрическая дуга в электродуговых реакторах. Алма-Ата: Наука КазССР, 1978.140 с.

47. Шевцов В.П. и др. Плазменная активация горения углей. Алма-Ата: КазНИИЭ, 1989. с. 150 - 168.

48. Шевцов В.П. и др. Высокотемпературные энерготехнологические процессы и аппараты. М.: Энергосетьпроект, 1980. с. 131 — 135.

49. Сурис А.Л. Плазмохимические процессы и аппараты. М.: Химия, 1989, 304 стр.

50. Болотов A.B., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. Алма-Ата: Мектен, 1983. с. 256.

51. Под общей ред. Болотова A.B. Электротехнология: Межвуз. сб. науч. трудов АЭИ. Алма-Ата: АЭИ, 1992. с. 12 19.

52. Ибраев Ш.Ш. Плазменные реакторы для переработки измельченных материалов: Плазменная активизация горения углей. Алма-Ата: 1989. -С.119- 134.

53. Евтюкова И.П. и др. Электротехнологические промышленные установки. М.: Энергоиздат, 1982. 450 с.

54. Fauchais P. Applications physico-chimiques des plasmas d'arc // Revue de physique appliqué / France: 1984.-T.19. № 12.-P. 1013-1045.

55. Моссэ А.Л., Печковский B.B. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ. Минск: Наука и техника, 1973. — с. 216.

56. Drouet M.B. La technologiel des plasmas potential des d'appelication an Canada. Pevue generale d'electricite. 1986, №1. -p. 51-56.

57. Ибраев Ш.Ш., Сакипов З.Б. Электродуговые реакторы совмещенного типа и методика их расчета. Алма-Ата: Гылым, 1991.-е. 11-16.

58. Карпенко Е.И., Буянтуев С.Л. Плазменные технологии топливоиспользования и снижение выбросов в окружающую среду. Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 1992. с. 24, 37.

59. Тумановский А.Г. Пути решения экологических проблем на тепловых электростанциях России. Международный семинар Новые технологии и техника в теплоэнергетике // доклады, ч.2. Новосибирск — Гусиноозерск: 1995. - с. 3.

60. Чистяков Б.З., Лялинов А.Н. Использование минеральных отходов промышленности в производстве строительных материалов. Л.: 1984. -с. 14.

61. Соболев Л.Д. Шлаки ценное сырье. Волгоград, 1982. - с. 22.

62. Романенко А.Г. Металлургические шлаки. М.: 1977. с. 75.

63. Под ред. Федынина Н.И. Применение металлургических зол и шлаков электростанций в строительстве. Кемерово, 1970. — с. 68.69. Алехин Ю.А. Использование отходов тепловой энергетики иметаллургии в производстве строительных материалов. М.: 1990. 150 с.

64. Жмойдин Г.И. Атлас шлаков: справочное издание. М.: Металлургия, 1985.-370 с.

65. Зезин В.Г., Кирюшечкина Л.И. Эффективность 'применения в строительстве теплоизоляционных материалов. М.: 1974. — с. 127.

66. Чередниченко B.C., Казанов A.M., Аныиаков A.C., Яцков М.И., Фалеев В.А. Современные методы переработки твердых бытовых отходов. Новосибирск, 1995. с. 8.

67. Павлова Н.С. Использование золы тепловых электростанций в строительстве. М.: 1972. с. 34.

68. Гинда Я.П. Технология переработки шлаков. М.: Стройиздат, 1991.-е. 8

69. Владимирова Л.А. Свойства и переработка шлаков в строительные материалы и изделия. Челябинск: 1971. — с. 71. •

70. Волженский A.B. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1984. — с. 5-20.

71. Под ред. Волженского A.B. Бетоны и изделия из шлаковых и зольных материалов. М.: Стройиздат, 1969. с. 25-32.

72. Мелентьев В.А. Золошлаковые материалы и золоотвалы. М.: «Энергия», 1978, с. 6-11, 19-22, 23-33.

73. Мелентьев В.А. Состав и свойства золы и шлака ТЭС. Л.:Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1985, с. 72-74.

74. Данилович И.Ю. Использование топливных шлаков и зол для производства строительных материалов. М.: ВШ, 1988. — с. 55.

75. Пентелеев В.Г., Потапченко H.A. Определение оптимальной плотности и влажности золошлакового материала. — Энергетическое строительство, 1982, с.72-73.

76. Мелентьев В.А. Песчаные и гравелистые грунты намывных плотин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 164 с.

77. Гофман М.В. Прикладная химия твердого топлива. М.: Металлургиздат,1963.597 с.

78. Теплотехнический справочник, т.1. M.-JL: Госэнергоиздат, 1957. 728 с.

79. Материалы и изделия из природного камня СНиП I-B. 8-62. Введ. 1.10.1962. М. Госстройиздат, 1962. 24 с.

80. Козлова В.К. Использование зол тепловых электростанций в производстве строительных материалов. Барнаул, 1975. с. 65-70.

81. Горшков B.C. Комплексная переработка и ■ использование металлургических шлаков в строительстве. М.: Стройиздат, 1985. — с. 120-125.

82. Гончаров B.JI. Теория приближения и интерполирование функций. Гостехиздат, 1954. с. 5-120.

83. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Москва, Наука, 1967. с. 3-24.

84. Синярев Г.Б., Ватолин H.A., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлугрических процессов. М.: Наука, 1982.-263 с.

85. Ватолин H.A., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. 352 с.

86. Сакипов З.Б., Мессерле В.Е., Ибраев Ш.Ш. Электротермохимическая подготовка углей к сжиганию. Алма-Ата: Гылым, 1993. 259 с.

87. Мессерле В.Е., Сакипов З.Б., Синярев Г.Б., Трусов Б.Г. Термодинамический анализ плазмохимической переработки углей. Химия высоких углей, 1985, т. 19, №2. с. 160 - 162.

88. Мессерле В.Е., Сакипов З.Б., Трусов Б.Г. Удельные энергозатраты при высокотемпературной газафикации низкосортных углей. Изв. СО АН СССР, 1989, №18, вып. 5. с. 95 - 98.

89. Мессерле В.Е., Сакипов З.Б., Трусов Б.Г. Определение стандартной теплоты образования равновесного состава продуктов и удельныхэнергозатрат при термической переработке топлива. Химия твердого топлива, 1989, №6. -с. 12-16.

90. Blackburn P.R. Ignition of Pulverized Coal with Arc-heated Air. Energy, 1980, vol. 4, №2.-p. 98-99.

91. Meidel B. Mullberge in Flammen. Kurzes Innovations Panorama. Umwelt Magazin, 1994, Oktober. - c. 8.

92. Vorst F. Grober. Nachholbedarf der themischen Verwertung. Umwelt Magazin, 1994, Oktober. c. 27.

93. Vogl J. Bayerns Weg gegen den Mull. Umwelt Magazin, 1994, Oktober. c. 6.

94. ЮО.Волокитин Г.Г., Борзых B.O., Козлова B.K., Березин В.И. Плазменные технологии в промышленности строительных материалов. // Тезисы докладов. 1993. с. 27-29.

95. Волокитин Г.Г., Борзых В.О., Скришникова Н.К. Плазменные технологии в производстве. // Сопряженные задачи физической механики и экология: материалы международного совещания — семинара. 1994.-е. 12-16.

96. Под ред. Павлушкина Н.М. Химическая технология стекла. 1983. с. 6575.

97. Под ред. Мчедлова-Петросяна О.Н. Термодинамика силикатов. 1972. — с. 70-76.

98. Дмитриев С.А., Стефановский С.В., Князев И.А., Моссе A.JI. Синтез стекол различных составов в плазмохимических аппаратах. Тепло- и массоперенос в плазменных аппаратах, 1990. с. 83-89.

99. Кролл, А. Никольс, А. Трайвелпис. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975.-е. 101-125.

100. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979. с. 264-285.

101. Крапивина С.А. Технология плазмохимических производств. Учебноепособие. Л.: 1980. с. 3-20.

102. Пирогов Н.Л., Сушон С.П., Завалко А.Г. Вторичные ресурсы эффективность, опыт, перспективы. М.: Экономика, 1987. — с. 127.

103. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко Л.А. Технология теплоизоля ционных материалов. М.: 1980. 399 с.