Золы и топливные шлаки

Золы и топливные шлакиЗОЛЫ И ТОПЛИВНЫЕ ШЛАКИ, остатки от сжигания минеральных топлив или мусора в котельных установках и в различного рода топках. Эти остатки в зависимости от химического состава минеральной части топлива и достигнутой температуры при сжигании получаются или в виде рыхлого порошка, или в виде частично оплавленных кусков, или же в виде расплавленной массы пузыристого строения. В процессе сжигания топлива сначала происходит удаление влаги в нем, затем его газификация и выгорание органической части, или собственно сжигание топлива. В то же время по мере повышения температуры в минеральной части топлива идут реакции разложения карбонатов (CaCО3, MgCО3) и других соединений, затем в зависимости от наличия других компонентов и их количества и при существовании определенных термических условий совершаются реакции образования новых соединений, а именно: моно- и даже бисиликатов, алюминатов и др.

Указанные новообразования, а также не вошедшие в новые соединения компоненты в зависимости от наличия плавней, образуя легкоплавкие смеси, или эвтектики, дают или полное расплавление, или спекание и начало размягчения, или же совершенно не спекшуюся рыхлую массу; все эти виды образований вследствие неравномерного распределения температуры в разных местах топки могут получаться одновременно. Помимо того в случае нарушения в процессе сжигания к золе и шлакам подмешивается несгоревшее топливо. Так протекает процесс при сжигании на колосниковых решетках; в случае сжигания топлива в пылевидном виде происходит быстрое и полное сгорание частиц топлива и достигается более высокая температура, что и обусловливает больший процент спекания и оплавления минеральных топливных остатков. При сжигании топлива на колосниковых решетках уносится (унос) с приходящими газами незначительная часть рыхлой золы в виде тонкой пыли, при сжигании же в пылевидном виде уносится не менее 50% ее.

По химическому составу и строению золы и топливные шлаки должны быть отнесены к соединениям силикатов. Химический их состав приводится в таблице.

Химический состав золы и топливных шлаков

Главными составными частями в золах и шлаках являются SiO2, Аl2O3, СаО и Fe2O3, в силу чего к ним можно применить все результаты и выводы изучения диаграммы трех и четырех веществ на основе методов физико-химического анализа. 3олы и топливные шлаки в зависимости от своего химического состава и полученных при сжигании топлива соединений обладают различной температурой и разделяются (по Киршу) на огнеупорные (с температурой выше 1200°С) и легкоплавкие (с температурой ниже 1200°С). Объемный вес каменноугольного шлака в зависимости от его пористости колеблется в пределах 800—650 кг/м3 и торфяного 800—1000 кг/м3.

По химическому составу золы представляют собой силикаты и, обладая тем или другим процентом активной, способной к растворению кремнекислоты, являются искусственными пуццоланическими веществами (по ОСТ внесены в число кислых, искусственных и гидравлических добавок). Степень гидравличности зол зависит также от происхождения и рода топлива. На гидравлические свойства зол влияет еще способ золоудаления из топок (сухой или мокрый), а также степень и скорость их охлаждения. Зола горючих сланцев при условии определенного химического состава и соответствующего количества извести, СаО, а также достигнутых температур (не выше 1100°С) является гидравлическим вяжущим веществом, способным самостоятельно схватываться и твердеть. Таковы золы горючих сланцев Веймарнского месторождения, содержащие 38—39% СаО, а также некоторых сланцев Кашпирского месторождения. Получаемое из них гидравлическое вяжущее вещество по своим свойствам очень близко к роман-цементу. Присутствие серного ангидрида, SО3, в них д. б. учитываемо во всех случаях применения как гидравлических добавок или вяжущих веществ (сланцевый цемент).

Золы благодаря своим гидравлическим свойствам применимы или в качестве гидравлических добавок при изготовлении известково-зольных цементов или же в качестве самостоятельного гидравлического вяжущего вещества. Шлаки топливные благодаря своей пористости и невысокому объемному весу (650—1 000 кг/м3) применяются в качестве легкого (теплого) заполнителя при изготовлении легких бетонов и изделий из них, например, искусственные безобжиговые теплобетонные камни. Шлаки из газогенераторов оказались пригодными для обесфеноливания сточных вод. За последние годы выявлено значение золы как катализатора благодаря наличию щелочей и солей, особенно железа.

Зола. Исследование золы сводится к определению химического состава, температуры, реже - ее химической активности. В СССР определяют (в %) SiО2; Аl2О3; Fe2O3; ТiO2; МnО; СaО; MgO; SO3; P2O5; Na2O+K2O и иногда редкие элементы. Об определении золы см. Каменный уголь, Методика исследования каменных углей. Распределение золы констатируется рентгеновскими снимками. На базе химического состава предложены формулы для подсчета коэффициента огнеупорности золы Простом (1897 г.), Донатом (1924 г.) и др. Формула Проста оказалась непригодной для золы с высоким % железа. Все формулы дают только примерное представление о степени плавкости золы, определяемой исключительно экспериментальным путем при действии высоких температур на пирамидки из золы в особых печах или микропирометрическим методом нагрева небольших количеств золы на платиновой пластинке. Констам (1913 г.) применял криптоновую печь. Bureau of Mines (в Америке) исследовало влияния степени измельчения золы, размеров сформированных пирамидок, склеивающего материала (декстрина), скорости нагрева и особенно газовой среды, играющей очень важную роль, и выработало американский стандартный метод исследования золы, применяемый и у нас. В общих чертах исследование ведется следующим образом. Изготовленная в лаборатории зола формуется с раствором декстрина в пирамидки (20 мм высоты, 7 мм основание), помещается на огнеупорной пластине после подсушивания и прокаливания при 600°С в печь; ВТИ пользуется как газовой, так и криптоновой печью; подогрев ведется в полувосстановительной среде с постепенным подъемом температуры (примерно 5°С в мин.); наблюдение ведется через боковую трубку с помощью оптического пирометра типа Курльбаума и Хольборна или измерением термопарой платина - платина-родий. Точность измерений - до 10°С; при этом отмечается: 1) температура начала деформации (закругления острой вершины и наклоны ее), 2) температура размягчения (при которой пирамидка сплавляется в шарик или верхушка наклоняется, опускаясь до подставки), 3) температура жидкоплавкого состояния, когда вся масса растекается по подставке. Характерны как эти температуры, так и интервалы между ними. При таком способе не получается полной картины изменения золы. Хюблей еще в 1914 г. предложил аппарат «фюзиометр», дающий графическое изображение процесса плавления золы. В последнее время в Германии применяется прибор Бунте-Баума-Риринга, построенный на этом же принципе. Испытуемый стержень из золы при подогреве передает с помощью сложного механизма гамму изменений пишущему прибору, при этом вычерчивается кривая, характеризующая поведение золы вплоть до достижения жидкоплавкого состояния. Одни золы дают сначала медленно, затем быстро загибающуюся вниз кривую при температуре около 1200°С (температура откладывается по оси абсцисс), другие показывают плавное понижение кривой и лишь около 1500°С быстрый наклон и т. д. Метод дает сходимость до 5°С и ценные указания, но для практических целей он слишком сложен. Микропирометрический способ по Дольху и Пехмюллеру дает результаты в несколько мин. Пробу золы помещают на расширенный спай термопары платина - платина-родий в небольшой печи из огнеупорного материала и подогревают лучистой теплотой вольтовой дуги, установленной над спаем. Усиление или ослабление нагрева достигается перемещением вольтовой дуги вверх или вниз, наблюдение осуществляется с помощью лупы (этим прибором сделано, между прочим, интересное наблюдение улетучивания части золы подмосковного угля при температуре около 900°С). Проверка метода показала, что он принципиально верен, но в приборе получаются неточные определения.

Вопросы влияния золы топлив при высоких температурах на огнеупорные материалы и методы лабораторного испытания на химическую активность были освещены в работах ВТИ. Были испытаны методы плавкостей смесей золы и огнеупорных материалов и взаимного поверхностного воздействия. Принцип метода ВТИ заключается в определении степени коррозии в зоне, соприкасающейся с золами и шлаками. В кирпиче высверливалось углубление с определенным объемом, которое заполнялось известным количеством золы или шлака; после нагрева поворачивали кирпич вниз и повторно нагревали до расплавления золы, которую затем удаляли, измеряя по охлаждении изменение объема. Кривые изменений объема в зависимости от температуры характеризуют степень стойкости материала. Такие кривые получены были для шлака и золы антрацитового штыба, торфа и уноса при воздействии их на кирпичи 8 марок. Характер кривых для золы антрацита отличается от таковых для золы торфа и уноса. Они значительно выше, причем разница в температуре размягчения доходит иногда до 300°С. В общем шамотные кирпичи не показали значительной разницы между марками при воздействии золы торфа, резко реагируя лишь на температуру выше 1300°С. Ошима и Фукуда наблюдали различное влияние золы для некоторых видов топлива: удаление ее из коксов усиливало реакционную способность, из древесного угля, наоборот, уменьшало ее. Долгое время золу считали только балластом, затрудняющим техническое использование топлива и понижающим экономический эффект. Несомненно, что зола иногда вызывает зашлаковывание топок, облипание металлических частей, разрушение кладки. Зола кокса обусловливает увеличенный расход материалов, уменьшение производительности доменных печей. Перевозка, удаление золы, тепловые потери от нее дают сотни млн. руб. убытков для народного хозяйства. Иногда зола является даже угрозой окружающему. Например, крупная электроцентраль с суточным потреблением 120 вагонов угля при 20% золы (при пылевидном сжигании, когда получается до 70% летучей золы) покроет за год пространство диаметром в 2 км зольным покровом в 5 см. Мерами борьбы является снижение зольности топлива путем обогащения. Для борьбы с вредным влиянием золы в топках и газогенераторах применяется охлаждение колосников, подбор типа генераторов со спуском расплавленной золы, правильный подбор топки и т. д.

Зола находит себе применение, во-первых, как добавка при изготовлении цементов, во-вторых, после извлечения горючих частей для изготовления плит, пустотелых кирпичей.

Удаление из золы и шлаков остатков топлива достигается сухим или мокрым путем или комбинированием их, также электромагнетическими способами. Распространены сепараторы, например, типа «Колумбус», с применением тяжелых жидкостей или воды со взмученной глиной. По германским данным в каменноугольной золе промышленных топок находится до 30, а на паровозных и до 45% несгоревших частиц. Лабораторным путем выявлена в Мосхимэнергострое возможность использования золы бобриковских углей для комплексной переработки ее.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.

Еще по теме: