5.2 Технология производства кирпича с применением золы

Беловской ГРЭС

Зола-унос тепловых электростанций образуется при пылевидном сжигании твердого топлива. При вдувании топливо-воздушной смеси в топку котлоагрегата органическая часть сгорает, а минеральные компо­ненты разлагаются, окисляются, плавятся, взаимодействуют друг с другом и в виде золы уносятся из топки газообразными продуктами горения.

В качестве примера рассмотрим проект линии по производству зольного кирпича (П=15 млн. шт./год) из техногенных продуктов Беловской ГРЭС. Предполагается использовать золу Беловской ГРЭС, известь Гурьевского завода и хлористый кальций в качестве добавки. Для получения декоративного кирпича предложено использование пигмента в виде отхода метизного производства (патент № 2296726 от 24.04.2007 «Силикатная смесь для приготовления декоративного кирпича»).

В качестве известкового активизатора запроектировано использовать известь Гурьевского завода. В производстве силикатного кирпича эффективно использовать быстрогасящуюся известь (таблица 5.7). Установлено, что время гашения гурьевской извести составляет менее 20 минут, это значит, что она быстрогасящаяся и ее можно применять для производства кирпича. Применение медленногасящейся извести снижает производительность гасильных установок. Применение пережженной извести вызывает разрушение кирпича при ТВО.

Таблица 5.7 – Технические требования к извести, для силикатного кирпича

Наименование показателей	Единица измерения	Норма
		I-й сорт	II-й сорт	III-й сорт
Содержание активных CaO и MgO, не менее	мас. %	90	80	70
Содержание активной MgO, не более	мас. %	5	5	5
Содержание углекислоты (СО2), не более	мас. %	3	5	7
Содержание непогасившихся зерен	мас. %	7	11	14
Равномерность изменения объема	––	Соответствует требованиям

Применение в производстве извести с недожогом приводит к перерасходу извести на единицу продукции. Гурьевская известь относится ко второму сорту (таблица 5.8), она является воздушной кальциевой известью, по качеству соответствует техническим условиям ГОСТ 9179-77*.

Таблице 5.8 – Химический состав извести Гурьевского завода

Наименование	Содержание оксидов, %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	SO3	ППП
Известь	5,07	1,32	80,65	1,91	0,50	0,41	11,2

Свойства золы обусловлены видом сжигаемого угля, условиями его сжигания, местом удаления за пределы котлоагрегата. В качестве топлива на Беловской ГРЭС используется каменный уголь. Зольные отходы разделяются на золу-унос – это зола из электрофильтров и золошлаковую смесь – продукт из отвала.

Основными качественными параметрами золы при использовании в производстве силикатного кирпича является минералогический, химический, гранулометрический состав, насыпная плотность (таблица 5.9).

Содержание сернистых примесей в золе Беловской ГРЭС обнаружено минимальное количество (0,89%), что положительно скажется на качестве силикатных изделий. Содержание несгоревшего топлива находится в пределах нормы. Несгоревшее топливо в силикатной смеси затрудняет процессы образования гидросиликатов кальция в процессе тепловой обработки. Насыпная плотность золы-унос 422 кг/м³, золошлаковой смеси – 915 кг/м³. Удельная поверхность золы сухого отбора составляет 2120 см²/г. Морозостойкость шлаковой составляющей по потере в массе составляет менее 5%, что отвечает требованиям.

Таблица 5.9 – Технические требования к золе, для производства

силикатного кирпича

Наименование показателей	Ед. изм.	Условия применения
		наполнитель в силикатной смеси	компонент вяжущего
Содержание SiO2, не менее	мас. %	не нормируется	50
Содержание СаО, не более	мас. %	5	не нормируется
Содержание сернистых примесей в пересчете на SO3, не более	мас. %	3	3
Равномерность изменения объема	––	соответствует требованиям	соответствует требованиям
Содержание стекловидных и оплавленных частиц, не менее	мас. %	50	50
Содержание несгоревшего топлива, не более	мас. %	12	5
Содержание органических примесей	––	Раствор не окрашивается
Устойчивость против железистого распада, потеря массы	мас. %	не более 5	не более 5
Удельная поверхность, не менее	см2/г	2000	не нормируется
Насыпная плотность	кг/м3	850…1100	не нормируется
Содержание частиц размером более 5 мм, не более	мас. %	5	5
Морозостойкость, потеря массы	мас. %	не более 5	не нормируется

Химический состав золы Беловской ГРЭС представлен в таблице 5.10

Таблица 5.10 – Химический состав золы Беловской ГРЭС

Наименование	Содержание оксидов, %
	SiO2	Al2O3	TiO2	CaO	MgO	Fe2O3	SO3	FeO+ MnO	K2O+ Na2O	ппп
Зола-унос	61,33	20,68	–	4,81	1,76	5,28	–	–	4,34	1,75
Золошлаковая смесь	54,75	25,81	0,47	3,76	1,53	6,25	0,87	1,25	1,63	3,64

Свойства золосодержащих компонентов характеризуются коэффициентом качества К, модулем основности М_о, модулем активности М_а и коэффициентом основности К_осн (таблица 5.11), расчетные формулы для которых рассмотрены в разделе 2.3 формулы 2.4 – 2.7 и 2.9. Зола соответствует техническим условиям ГОСТ 25592-91**.

Таблица 5.11 – Характеристики, определяющие качество золы

Сырье	Наименование характеристики
	Коэффициент качества, К	Модуль основности, Мо	Модуль активности, Ма	Коэффициент основности, Косн	Примечание
Зола-унос	0,44	0,08	0,34	-0,07	ультракислая
Золошлаковая смесь	0,56	0,07	0,47	-0,08	ультракислая

Установлено, что зола Беловской ГРЭС относится к ультрокислой (М_о≤1; К_осн≤1), активность золы невысокая (М_а<2,5; К=1). Для активизации золы необходимы мероприятия: тонкий помол, введение добавок-активизаторов и тепловая обработка при получении изделий.

Для ускорения процесса набора прочности, уменьшения водопотребности смеси и ускорения процесса гашения извести рекомендуется использовать поверхностно-активное вещество в виде хлористого кальция (CaСl₂). Свойства хлористого кальция должны соответствовать требованиям ГОСТ 450-77* «Кальций хлористый технический. Технические условия». Рекомендуется использовать его в количестве 0,5 % от массы смеси, применение большего количества может привести к резкому уменьшению прочностных характеристик готового изделия.

Красящий пигмент – отход метизного производства образуется при химическом удалении окалины с поверхности стальных изделий. После сушки красный порошок (S_уд=5000…7000 см²/г) рекомендован как пигмент в силикатную массу для придания декоративности. По минералогическому составу порошок представлен в основном гематитом (до 97 %). Для придания окраса изделию, без снижения прочности, добавку рекомендуется вводить в размере 2…6 % по массе.

Вода соответствует требованиям ГОСТ 27384-87. Для затворения смеси применяют пресные воды без примесей нефтепродуктов, сахаров, жиров и органических кислот (таблица 5.12).

Таблица 5.12 – Характеристика воды

Наименование	Значение
Содержание органических, сахаров, фенолов, мг/л	Менее 10
Пленки нефтепродуктов, жиров, масел	Нет
Окисляемость воды, мг/л	Менее 15
Водородный показатель (pH)	4…12,5

Расчет состава зольного вяжущего можно произвести, исходя из значения коэффициента основности золы сухого отбора (золы-унос). Необходимо рассчитать, какое количество извести нужно добавить в золу для повышения К_осн от 1,2…1,6 [9]. Именно такой К_осн необходим для производства вяжущего.

Для нахождения соотношения компонентов решается следующее уравнение:

где n – заданное для шихты значение К_осн (К_осн=1,2);

х – количество массовых частей сырья с К_осн>1 на одну весовую часть сырья с К_осн<1.

Химический состав компонентов шихты без учета потерь при прокаливании (ППП) приведен в таблице 5.13.

Таблица 5.13 – Химический состав компонентов шихты без учета ППП

Наименование	Содержание оксидов, %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	SO3	K2O+Na2O
Зола-унос	62,45	21,06	4,89	1,79	5,37	–	4,42
Известь	5,64	1,48	89,78	2,14	0,56	0,46	–

По результатам расчета установлено, что на 1 часть золы-унос необходимо добавить 0,88 части извести с Гурьевского завода, т.е. вяжущее на 53 % состоит из золы и на 47 % – из извести. В запроектированном производстве компоненты в вяжущем принимаются в соотношении 1 : 1.

Подбор шихты для силикатного кирпича. Для производства силикатного кирпича используется известково-зольное вяжущее (ИЗВ) в соотношении зола : известь равно 1 : 1 и заполнитель – гидроудаленная золошлаковая смесь (ЗШС) из отвала. Для нахождения оптимального соотношения компонентов силикатной шихты в лабратории был проведен ряд испытаний. Были изготовлены опытные образцы (цилиндрики с диаметром 50 мм и высотой 65 мм) разных составов, которые проверялись по ряду характеристик (таблица 5.14).

Принят оптимальный состав №2. Результаты испытаний по подбору состава силикатной шихты показали, что оптимальным соотношением между декоративным зольным вяжущим и золошлаковым заполнителем составляет 1 : 3, т.е. количество ИЗВ составляет 25 %, а золошлакового наполнителя – 75 %.

Силикатный кирпич оптимального состава имеет следующие показатели: прочность на сжатие R_сж = 19,2 МПа, что соответствует марке М150, средняя плотность ρ = 1385 кг/м³, марка по морозостойкости F25.

Таблица 5.14 – Основные характеристики зольного кирпича

Состав шихты, %			Основные показатели
ИЗВ	ЗШС	CaCl2	Прочность на сжатие, Rсж, МПа	Средняя плотность, ρ, кг/м3	Марка по прочности	Марка по морозостойкости
20	80	0,5	16,7	1405	150	не менее 25
25	75	0,5	19,2	1385	150	не менее 25
30	70	0,5	18,2	1380	150	не менее 25

Технология изготовления зольного кирпича. Производительность проектируемого цеха по производству зольного кирпича 30 тыс. м³ в год, что соответствует 15 млн. шт. условного кирпича. Характеристика изделий приведена в таблице 5.15.

Таблица 5.15 – Характеристика силикатного кирпича

Наименование изделий	Марка, типоразмер	Размер, мм			Масса изделия, кг	Расход сырья на 1 изделие, %			Программа выпуска продукции, шт. условного кирпича
						ИЗВ	Заполнитель	CaCl2	в год, млн.	в сутки, шт	в смену, шт	в час, шт
силикатный кирпич	200	250	120	65	2,73	25	75	0,5	15	59289	29645	3706

В зависимости от типа оборудования для гашения извести различают силосный и барабанный способы производства силикатного кирпича. В работе принят барабанный способ [13], при котором находящаяся в массе известь гасится во вращающихся гасильных барабанах при давлении 3…4 атм. Остальные технологические операции при этом способе такие же, как и при силосном.

Технологическая схема производства зольного кирпича. Предусматривается доставка, хранение, подготовка и подача сырья, дозирование и помол золы-унос и комовой извести и получение вяжущего; дозирование ЗШС, перемешивание и увлажнение шихты, гашение массы в гасильном барабане, прессование и автоклавирование кирпича-сырца, складирование готовой продукции. Допустима тепловая обработка (ТВО) изделий.

Известь комовая негашеная доставляется на предприятие автотранспортом. Разгрузка извести осуществляется на склад в приемный бункер. Запас извести на складе обеспечивается на 5…10 дней работы цеха. Во избежание карбонизации не рекомендуется оставлять известь на открытом воздухе. В цех известь доставляется автотранспортом, разгрузка осуществляется в расходный бункер извести.

Доставка золошлаковой смеси (ЗШС) с отвалов ГРЭС в естественно-влажном состоянии производится автотранспортом на склад, где производится подсушка материала в бункерах оборудованных электротенами. В цех ЗШС доставляется автотранспортом, разгрузка осуществляется в приемный бункер золошлаковой смеси. При разгрузке в приемный бункер ЗШС проходит через сетку с ячейкой 30 мм, установленное в верхней части бункера, для грубой очистки от крупных инородных включений (камней, веток, травы, комков глины и др.), которые могут привести к поломке оборудования и снижению качества кирпича. В случае доставки золы в зимнее время в смерзшемся состоянии должно обеспечиваться ее размораживание естественным или принудительным путем (с помощью паровых регистров).

Зола-унос доставляется цементовозами в силосный склад рассчитанный на 5…10 дней работы цеха. Хранение золы с влажностью более 3…5% по массе не допустимо во избежание ее слеживания и уплотнения. Далее загрузка осуществляется в расходный бункер золы.

Добавки: CaCl₂ и отходы метизного производства (ОМП) доставляются автотранспортом в упаковках по 25 кг на склад добавок. В цех доставляются автопогрузчиком, разгрузка осуществляется в расходные бункера.

Из расходного бункера комовая известь конвейером подается в молотковую дробилку, где осуществляется грубое дробление: на входе от 100…250 мм до 5…13 мм на выходе. Далее дробленая известь направляется в бункер известково-зольного вяжущего.

Из расходных бункеров зола-унос и добавки пневмотранспортом подаются в приемный бункер известково-зольного вяжущего.

Известково-зольное вяжущее (ИЗВ) получают совместным помолом в двухкамерной трубной шаровой мельнице. Дробленая известь, зола-унос и добавки измельчаются до удельной поверхности не менее 5000…5500 см²/г (остаток на сите 008 не более 3…5% по массе). Соотношение известь : зола в вяжущем равно 1 : 1.

Помол золы используется для ее механической активации с целью повышения прочности кирпича, увеличения скорости и глубины прохождения реакций синтеза гидросиликатов кальция при автоклавировании или ТВО.

Полученное известково-зольное вяжущее при помощи пневмотранспорта подается в расходный бункер ИЗВ рассчитанный на 2 дня работы цеха.

В качестве активизатора смеси применяется хлористый кальций. Активизаторы в малых количествах вводятся перед совместным помолом вяжущего для достижения требуемой однородности смеси.

Для производства декоративного кирпича в смесь добавляется отход метизного производства в количестве 2…6 %, в зависимости от необходимого конечного окраса изделия. Установлено, что использование большего количества пигмента приводит к значительному снижению прочности.

В качестве заполнителя при получении кирпича использована ЗШС. Из приемного бункера ЗШС конвейером направляется в молотковую дробилку, далее золошлаковая смесь элеватором подается в расходные бункера рассчитанные на 2 дня работы цеха.

Увлажненная масса из известково-зольного вяжущего и ЗШС перемешивается в смесителе до однородного состояния в течение 5…10 минут. Недостаточно перемешанная смесь неоднородна по активности и влажности, плохо прессуется, возможно расслоение кирпича-сырца при образовании водяных прослоек.

Общий расход воды на технологический процесс составляет в среднем 13…15 % от массы сухих веществ и определяется в зависимости от гранулометрического состава и влажности используемой золы. Расход воды распределяется следующим образом (%): на гашение извести – 2,7…3,0; на испарение при гашении – 1…3; на увлажнение смеси – 9…11.

Увлажненная смесь подается в гасильный барабан где происходит гашение в течение 50…60 минут до полного гашения активного оксида кальция СаО и образования гидрата окиси кальция Ca(OH)₂. В случае использования в качестве добавки хлористого кальция возможно снижение продолжительности гашения до 25 минут.

После выдерживания смесь вторично перемешивается с помощью смесителя, где происходит растирание комков зольной смеси и поддержание ее во взвешенном состоянии. При необходимости смесь увлажняется до формовочной влажности 9…11%, после чего подается на формование.

Формование кирпича осуществляется на прессе при удельном давлении 20 МПа. Во время прессования необходимо следить за тем, чтобы кирпич-сырец получался одинаковой плотности и прочности, а для этого поддерживать постоянную глубину наполнения пресс-форм. Прочность кирпича-сырца после прессования должна быть не менее 0,5 МПа.

Отформованные кирпичи снимаются со стола пресса автоматом-укладчиком, укладываются на пропарочные вагонетки в штабель и направляются для твердения. Одинарный кирпич-сырец укладывается на вагонетку в 10 рядов. Количество кирпичей в одном штабеле – 916 штук. После загрузки очередной вагонетки, включатся цепной толкатель и груженая тележка передается в камеру, а на ее место встает порожняя вагонетка.

Автоклавная обработка изделий. Автоклавирование является завершающей операцией производства кирпича, во время которой в смеси, содержащей свободные CaO и SiO₂, при высокой температуре и наличии воды в жидкокапельном состоянии происходят реакции синтеза гидросиликатов кальция. В процессе автоклавной обработки кирпича-сырца различают три периода:

1. Впуск пара и повышение давления до рабочего значения (8…10 атм). На этой стадии происходит растворение компонентов с образованием ионов Ca⁺², ОН^– и кремниевой кислоты, а также образование высокоосновных гидросиликатов кальция. Продолжительность подъема давления должна составлять не менее 1,5 часа. Во избежание разрушения кирпича-сырца необходимо обеспечивать плавный впуск пара.

2. Изотермическая выдержка в течение 6…8 часов. На этой стадии проходит перекристаллизация первичных образований с преобразованием их в низкоосновные гидросиликаты кальция. Не допускаются резкие колебания давления среды внутри автоклава (не более 0,01 МПа за 5 минут) во избежание нарушения процессов синтеза, что может привести к значительному снижению прочности кирпича.

3. Прекращение подачи пара и снижение давления. На этой стадии завершается кристаллизация и по мере испарения влаги система приобретает твердость (прочность). Для обеспечения испарения оставшейся влаги в изделиях необходимо обеспечить равномерно ускоренный выпуск пара из автоклава в течение 1…1,5 часов.

Для съема кирпича с пресса и укладки его на вагонетки рационально использовать автомат-укладчик. Поддоны с кирпичом отправляют на склад готовой продукции. Освободившиеся вагонетки с помощью передаточных устройств доставляются к началу автоклава. Технология производства вяжущего и кирпича приведена на рисунках 5.2 и 5.3.

В зависимости от производителя стоимость зольного кирпича находится в пределах от 4800 до 5200 рублей за 1000 штук кирпича.

Основное технологическое оборудование, необходимое для производства силикатного кирпича на основе золы Беловской ГРЭС, представлено в таблице5.16.

Основной параметр, на котором базируется система автоматизации работы трубных шаровых мельниц это частота шума, издаваемая агрегатом в процессе помола – использование электроакустического метода контроля загрузки. Для регулирования загрузки мельниц используют электроакустический метод. По величине загрузки регулируют подачу шлама в гидроциклоны и добавок в мельницу.

Рисунок 5.2 – Технология приготовления декоративного известково-зольного вяжущего

Р исунок 5.3 – Технология производства силикатного кирпича

Таблица 5.16 – Ведомость технологического оборудования

Наименование	Марка или тип	Паспортная производительность	Требуемая производительность	Единица измерения	Требуемое количество мест
Дробилка	ШЛ-314	11	8,75	т/ч	2
Дозатор ЗШС	СБ – 26	20	8,75	т/ч	1
Дозатор извести	СМС – 93	до 20	1,23	т/ч	1
Дозатор золы-унос и ИЗВ	СБ – 71	5 – 20	3,13	т/ч	2
Дозатор добавок	черпаковый	2	0,65	т/ч	2
Дозатор воды	ДБЖ – 400	9,6	1,08	т/ч	1
Трубная шаровая мельница	СМ-1456А	8	3,13	т/ч	1
Сепаратор Д 3,2		15	3,13	т/ч	1
Смеситель	СМК – 125	до 18	11,4	м3/ч	2
Гасильный барабана Д-2,5м		15	11,4	м3/ч	1
Пресс	СМС – 152	3070	3706	шт/ч	2
Автомат-укладчик	СМ-1030А	3400	3070	шт/ч	2
Электропередаточный мост	СМС – 167	20	20	Число перевозимых тележек	2
Автоклав 2  19 м	СМС-246А	60	60	м3	5

Автоматизация процесса сухого помола сырья в трубной шаровой мельнице. Для производства ИЗВ сухим способом нужно подготовить сырьевую массу необходимой тонкости и минимальной влажности. Это достигается в мельницах, работающих по замкнутому циклу с промежуточным отбором готовой фракции.

В качестве устройства для промежуточного отбора в установке применяют сепаратор, который разделяет поступающею в него сырьевую смесь. Готовый материал, имеющий нужную тонкость, направляется в емкость для хранения, а крупная фракция возвращается в мельницу на домол через течку. Таким образом, осуществляется замкнутый цикл помола.

Раздробленное сырье дозаторы подают в сушильную камеру, где смесь разбрасывается лопастями и подсушивается потоком горячих газов, а затем измельчается мелющими шарами. Пройдя первую и вторую камеру, материал через разгрузочное устройство попадает в центробежный сепаратор для разделения на фракции. Мелкие частицы – готовый продукт – по аэрожелобу поступают в пневмонасосы, которые их транспортируют в силосы, а крупная фракция подается во вторую размольную камеру мельницы, заполненную мелющими телами – цильпебсом. После вторичного измельчения сырье вновь поступает в сепаратор.

Для изучения мельницы как объекта регулирования и построения основных технологических зависимостей с помощью системы контроля и дистанционного управления определяются связи между технологическими величинами. Так, на рисунке 5.4 приведены зависимости сигнала уровнемера в зоне дробления L от производительности мельницы W при различном гранулометрическом составе материала, который является одним из показателей размалываемости.

о

1 – легко размалываемый материал, 2 – средне размалываемый материал, 3 – наиболее крупный и трудно размалываемый материал, 4 – линия постоянного значения тонкости помола

Рисунок 5.4 – Зависимости сигнала в зоне дробления от

производительности

Уровень загрузки первой камеры мельницы материалом в зоне дробления зависит не только от производительности мельницы, но и от размалываемости сырья. При неизменной производительности мельницы трудно размалываемый материал недоизмельчается, а легко размалываемый измельчается до чрезвычайно малых частиц. В то же время поддержание постоянного уровня загрузки первой камеры L приводит к обратному явлению: подача в мельницу легко размалываемого сырья столь велика, что шлам на выходе будет грубого помола. Вынесенная на график линия 4 является линией постоянного значения тонкости помола р.

Таким образом, стабилизация заданной тонкости помола достигается путем поддержания определенного соотношения между изменениями величин сигнала ∆L первой камеры и производительности W.

Тонкость помола зависит как от расхода сырья, подаваемого в мельницу, так и от его размалываемости. Расход сырья контролируется дозаторами. Измерение размалываемости сырья представляет значительные трудности. Поэтому для контроля факторов, связанных с размалываемостью, применяют косвенные методы. Одним из таких факторов является уровень заполнения мельницы материалом, поскольку при неизменной производительности он зависит от размалываемости сырья.

Уровень материала в шаровой мельнице измеряют электроакустическим методом. В его основе лежит зависимость характеристик шума, издаваемого мельницей, от количества находящегося в ней материала. Чем меньше уровень загрузки мельницы материалом, тем интенсивнее вибрационный сигнал и наоборот. Устройство, контролирующее уровень загрузки мельницы материалом, устанавливается в начале первой камеры в так называемой зоне дробления. Здесь воспринимается сигнал изменения количества и размалываемости материала.

Сигналы от устройства контроля загрузки мельницы 1д и датчика расхода сырья 1г (дозатора) подаются на вход регулирующего прибора загрузки мельницы материалом. При соответствующих параметрах настройки регулирующий прибор поддерживает определенное соотношение сигналов датчиков 1г и 1д благодаря чему колебания тонкости помола шлама становятся меньшими, чем при ручном управлении процессом.

При изменении уровня загрузки первой камеры материалом изменяется величина сигнала 1д подаваемого на регулирующий прибор, который воздействует на исполнительный механизм ИМ и перемещает датчик дозатора до тех пор, пока сигнал обратной связи по положению расходомера сырья не сбалансирует регулирующий прибор. Соотношение сигналов датчиков, поддерживаемое регулирующим прибором, при этом остается неизменным. Схема автоматического регулирования помола ИЗВ в трубной шаровой мельнице приведена на рисунке 5.5.

Автоматизация оборудования позволяет увеличить его производительность, сократить затраты материалов, топлива и энергии за счет более рационального их использования, а также сократить количество обслуживающего персонала и сохранять качество продукции.

Рисунок 5.5 – Схема автоматического регулирования помола ИЗВ в

трубной шаровой мельнице