Многолетний опыт показал, что  золошлаки от сжигания углей Канско-Ачинского бассейна пригодны для получения строительных материалов и  изделий: цемент; рядовой, модульный, пустотный силикатный кирпич; плотный, мелкозернистый и легкие неармированные бетоны марок 50-200, при морозостойкости более 15 циклов; шлаковое литьё, глинозём и др. При этом в качестве заполнителей могут быть использованы как природные материалы, так и отходы металлургических производств (шлаки, «горелая земля», «хвосты») и обогатительных фабрик.

2.1  МЕЛКОШТУЧНЫЕ ПРЕСОВАННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ  ИЗДЕЛИЯ 

Из золы котельной Красноярского машиностроительного завода и «горелой земли» была изготовлена опытно-промышленная партия кирпича М75 плотностью 1700 кг/м³.

Из отходов Красноярского электровагонного ремонтного завода (золошлки и карбидный ил) была изготовлена партия прессованного кирпича (см. приложение №1) и начато проектирование цеха мощностью 1,5 млн. шт. кирпича в год. Работа не закончена из-за прекращения финансирования.

Получено заключение Центра ГСЭН в Красноярском крае, согласно которому прессованный кирпич может использоваться для строительства жилых и общественных зданий, а также для других видов строительства без ограничения по радиационному фактору (см. приложение №2).

Для ОАО «Красфарма» из золы собственной котельной была изготовлена опытно-промышленная партия зольно-кислотного кирпича марки 100 и 75; разработаны и утверждены технические условия (см. приложение №3); получен сертификат радиационного качества  минерального сырья, строительных материалов, изделий и конструкций (см. приложение №4). Выполнен рабочий проект цеха по изготовлению кирпича мощностью 2,0 млн. шт. в год. Начатое строительство, освоенное до 45% капвложений, было приостановлено из-за прекращения финансирования.  

2.2. ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

     Ячеистые бетоны автоклавного твердения на основе золошлакового вяжущего получали по типовым схемам с заменой цемента или части извести активированным золошлаковым вяжущим. В качестве газообразователя использовали, как правило, алюминиевую пудру.

Из золы котельной Красноярского машиностроительного завода и «горелой земли» этого же предприятия была изготовлена опытно-промышленная партия блоков из ячеистого бетона. В качестве газообразователя использовали алюминиевую пудру марки ПАП-1. Отформованные изделия (блоки) подвергались автоклавной обработки. Показатели готовой продукции соответствовали ГОСТ 21520-76, а именно:

- объемная плотность 600…700 кг/м³;
- прочность на сжатие не менее 2,5 МПа;
- морозостойкость 25 циклов.

Для СПМУ-3 (г. Красноярск)  была изготовлена опытно-промышленная партия блоков из ячеистого бетона по следующей технологии: в турбулентный смеситель подавались известковое «молочко», вода; осуществлялась засыпка золы и цемента и производилась перемешивание компонентов в течение 2…3 минут, затем вводилась алюминиевая суспензия. Общее время перемешивания массы составило 5,5…6 минут. Затем готовую массу разливали в формы и выдерживали. После срезания «горбушки» готовые блоки подвергали тепловой обработке при температуре 80…95 оС.

Из опытно-промышленной партии блоков, полученной по вышеописанной технологии, было построено складское помещение.

2.3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ  ИЗ  АКТИВНЫХ  ЗОЛ    

          Известесодержащие золы относятся к гидравлически активным золам, но их гидравлическая активность невелика. Однако этот показатель нетрудно увеличить за счет подшихтовки к золе извести и спекания композиции при температуре 1400 … 1450⁰С.

     В лабораторных условиях  были получены цементы из зол Бородинских, Назаровских и Березовских углей.

     Несмотря на то, что все золы принадлежат бурым углям КАТЭК, они различаются по химическому составу. Если эта разница для зол Березовских и Назаровских углей незначительна, то химический состав Бородинских зол отличается существенно. Ниже представлен средний химический состав зол.

     Если применяли золу Бородинских углей, то на 1 т золы подшихтовывали 2,32 т известняка, а выход клинкера составлял 2,21 т.

     Особенностью клинкеров, полученных из зол трех видов углей, является весьма малое количество стеклофазы и четырехкальцевого алюмоферрита, что связано с малым содержанием Al₂O₃ на фоне относительно большого содержания Fe₂O₃. Это же обстоятельство обуславливает наличие в клинкере ферритов кальция СаО Fe₂O₃ и 2 СаО Fe₂O₃, которые практически не обладают вяжущей способностью.

     Несмотря на перечисленные особенности были получены цементы из зол Березовских, Назаровских, Бородинских углей марок 400 и 500.

     Наличие относительно небольшой доли жидкой фазы в зоне спекания позволяет существенно упростить процесс обжига клинкера, применив шахтные печи.

2.4. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ  ИЗ  ИНЕРТНЫХ  ЗОЛ 

     Большинство отечественных углей при сжигании дают инертную золу. Несмотря на богатейшие запасы бурых углей КАТЭК, дающих известесодержащую золу, в регионе имеется несколько месторождений каменных углей, зола которых к активным не относится. Наиболее известны два угольных месторождения – это Черногорское и Саяно-Партизанское.

     На основе золы от сжигания Черногорских углей в лабораторных условиях были получены образцы портландцементного клинкера.

     Средний статистический  химический  состав золы,  принятый в эксперименте:  SiO₂ – 61 %; Al₂O₃ – 18,4 %; Fe₂O₃ – 3,4 %; CaO – 3,9 %; R₂O – 8,5 %; прочие – 4,8 %.

       Модуль основности золы равен 0,16, что свидетельствует о его «кислых свойствах».

     Гидравлическая активность золы (ГОСТ 3476-74), выраженная коэффициентом качества, составляет 0,36.

     Оба показателя свидетельствуют о высоком качестве алюмосиликатного компонента для составления цементной шихты.

     В качестве известкового компонента брали известняк Красноярского месторождения с СаО – 92 %.

     Для получения 1 кг шихты следует брать 0,23 кг золы (сухой) и 0,77 кг известняка

     При обжиге при температуре 1450⁰С из 1 кг шихты получили 0,65 кг цементного клинкера следующего минерального состава:
     - алит (С₃S)                                                         56,8 %
     - белит (С₂S)                                                       19,6 %
     - трехкальцевый алюминат (С3А)                         15,2 %
     - четырехкальцевый алюмоферрит (С4АF)            3,7 %
     - прочие                                                              4,7 %
                                                                              ________
                                                                                100 %    

     При совместном помоле клинкера с 5 % гипса до тонкости, характеризующейся удельной поверхностью 2800 … 3200 см²/г, получили цемент марки 400.

     Углубление диспергирования до SУД = 3800 … 4000 см²/г обеспечило получение цемента марки 500. Измельчение клинкера до SУД = 5000 см²/г позволило получить портландцемент марки 600.

     Отдельно провели опыты с использованием в качестве известкового компонента отходы мрамора предприятия «Саянмрамор». Получили практически идентичные (см. выше) результаты.

     Разработана Декларация намерений «Мини-завод по производству цемента из отходов Саяно-горского мрамора и золы Черногорских углей».  

             При мощности завода по цементу 100 тыс. тонн в год, его себестоимость составляет 1100 руб/т, а чистая прибыль более 80 млн. руб. в год. При этом капитальные затраты не превышают 100 млн. руб.

2.5. ИЗДЕЛИЯ  ИЗ  ШЛАКОВОГО  РАСПЛАВА

     Золы от сжигания бурых углей КАТЭК, нагретые до температуры 1500 0С, полностью переходят в жидкое состояние и имеют вязкость, пригодную для разлива и формования. В период с 2000 по 2006 гг.  выполнены поисковые научно-исследовательские работы в направлении получения из зольно-шлакового расплава: ситаллов, литых изделий, шлаковой пемзы, шлаковаты.

     Затраты энергии на приготовление 1 кг расплава в лабораторных условиях составили 760 ккал. В промышленных условиях реальные энергозатраты могут лежать в пределах 850 … 950 ккал.

 2.5.1. С и т а л л ы 

      Плиты размером 30 х 30 х 1 см, характеризуются следующими показателями:

- плотность, кг/м³                               2500 … 2550
- прочность при сжатии, МПа               650 …   680
- прочность при изгибе, МПа                  80 …  100
- термостойкость, ⁰С                                   до 200
- водостойкость, %                                          100
- щелочестойкость, %                           75 …    80
- кислотостойкость, %                           99 …   100

      Опытные ситалловые плиты применялись для выполнения полов в административных зданиях и промышленных цехах. За 10 лет эксплуатации изделия показали высокую ударную стойкость и стойкость к истиранию.

  2.5.2. Ш л а к о в о е   л и т ь е 

      Выполнялись работы по получению литых изделий для использования при строительстве метро и подземных переходов.

     В работе использовали золу ТЭЦ-2. Впервые применили термоформы, в которых отлитые изделия не подвергались специальному отжигу, но охлаждались длительное время (5 … 7 часов) до остаточной температуры 50 … 70 0С. Изделия характеризовались следующими показателями:

- плотность, кг/м³                               2400 … 2500
- прочность при сжатии, МПа               120 …   135
- прочность при изгибе, МПа                 10 …     12
- водостойкость, %                                90 …    98
- щелочестойкость, %                           70 …    76
- кислотостойкость, %                           98 …   100

      Было принято решение по рекомендации Ленметростроя построить участок по выпуску литых нижних опорных панелей под шпалы колеи. Однако в связи с отсутствием финансирования в Крастоннельметрострое, проект не был реализован.

    
 2.5.3. Ш л а к о в а я   п е м з а 

     Шлаковую пемзу (термозит) получали, вспучивая расплав в ванне, через дно которой подавали воду. Получали щебень фракции 5 … 20 мм. Насыпная плотность зольного термозита 700 … 1100 кг/м³, предел прочности при сжатии 1,2 … 8,8 МПа, водопоглощение 8 … 20 %.     

     Шлаковую пемзу применяли в опытных образцах легкого бетона. Так были получены легкие бетоны плотностью 1400, 1600, 1800 кг/м³, характеризовавшиеся соответственно прочностью при сжатии 5,0 … 5,5 МПа, 9,6 … 11,5 МПа, 16,6 … 19,3 МПа.

  2.5.4. Ш л а к о в а т а 

     Шлаковату получали из зольного расплава путем раздува сжатым воздухом. Количество волокон в раздуве составляло 25 … 28 % при среднем диаметре волокон 2,5 мкм.  Остальное представляли «корольки», среди которых 50 % составляли капли диаметром до 0,5 мм.

     Из шлаковаты прессовали полужесткие плиты на битумной связке. Плотность плит 250 … 260 кг/м³. Коэффициент теплопроводности 0,056 … 0,058 ккал/м.ч.градус.

      Такими плитами была утеплена часть плоской крыши главного корпуса института. За 5 лет эксплуатации (в 2002 г. в связи с сооружением двухскатной крыши утеплитель сняли) полужесткие плиты не показали каких-либо признаков разрушения. 

2.6. ГЛИНОЗЁМ ИЗ ЗОЛЫ

Настоящее техническое предложение относится к получению глинозёма из алюминатных зол, в составе которых  Al₂O₃ содержится в количествах, превышающих 24% по массе.

Способ добычи глинозема из зол не нов. Он появился практически одновременно со щелочным способом переработки бокситов как альтернативный. Вместе с золами исследовались возможности, и небезуспешно, получения глинозема из каолиновых глин.
Собственно, технология получения глинозема из нефелинового сырья, включающая операции: размол нефелиновой породы и известняка, спекание массы, выщелачивание алюмината натрия, очистка его и выделение глинозема отличается от зольной технологии единственно заменой нефелинов на золы.

Выгода зольного способа очевидна. Вместо дорогой горной породы используется техногенный продукт, стоимость которого в 12 … 15 раз ниже. Высокая дисперсность зольного компонента существенно снижает энергозатраты помольного процесса. Сода, введенная в рабочую шихту, снижает на 150 … 200 0С температуру обжига, экономит топливо. Наконец, выгодно прорисовывается экологический аспект – ТЭЦ, направляющие золу на переработку, функционируют без отходов.
.
Были выполнены экспериментальные работы по извлечению глинозема из алюмосиликатных зол по щелочной технологии.

Положительные результаты позволят предложить несколько вариантов утилизации золы крупных энергопредприятий, использующих в качестве топлива угли, золы которых содержат не менее 24% Al₂O₃.

Первый вариант.

При ГРЭС, производящих алюминатную золу, сооружаются мини-заводы по производству глинозема мощностью 140 … 620 тыс. т в год с утилизацией шлама в цемент.

При сооружении 13 мини-заводов ориентировочные капитальные вложения – 6,04 млрд. долларов при чистом ежегодном денежном доходе 2,165 млрд. долларов и окупаемости капитальных вложений за 2,1 … 4 года.

Второй вариант.

При ГРЭС, производящих алюминатную золу, сооружается цех утилизации золы, превращающий ее в зольно-известковый спек пригодный для выщелачивания алюмината натрия. Спек транспортируется на специализированное предприятие, где из спека извлекается глинозем.

Специализированное предприятие является, по сути, укороченной щелочной технологией получения глинозема (без спекательного отделения). Капитальные вложения в данный проект оцениваются в 5,7 млрд. долларов при ежегодных чистых денежных доходах 2,2 … 2,24 млрд. долларов. Окупаемость капитальных вложений 1,2 … 3,7 года.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».

www.newchemistry.ru