В статье обобщен материал по исследуемой теме — перспективы использования в дорожном строительстве золошлаковых отходов, образующихся при сжигании углей на ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 в г. Омске. Дана оценка экономической эффективности. Основное содержание исследования составляет анализ нормативных документов, регламентирующих применение золы и шлака в дорожном строительстве и позволяет выявить варианты использования золошлаковых отходов в качестве заменителей традиционных дорожно-строительных материалов.
Ключевые слова: золоминеральная смесь, золоотвал, золошлаки
На современном этапе научно-технической революции дальнейшее развитие промышленности связано с необходимостью тщательного учета экологической ситуации. Наша страна располагает значительными запасами сырья, тем не менее реализация вторичных материальных и энергетических ресурсов необходима, за счет этого стабилизируется и улучшается общая экологическая обстановка. Одними из самых распространенных видов твердых отходов являются металлургические и топливные шлаки. Проблема переработки промышленных отходов, с учетом ухудшения экологической обстановки в г. Омске является — актуальной. В регионе накопилось огромное количество отходов в виде зол и шлаков, которые занимают большие площади сельскохозяйственных земель, ухудшающую экологическую обстановку и наносят вред омичам.
Особенностью сжигания экибастузских углей на ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 является большой объем твердых отходов в виде золошлаков до 37 %. В зависимости от вида и свойств золошлаковых отходов их можно использовать в земляном полотне, при строительстве дорожных одежд, а так же при изготовление различных строительных материалов для промышленного и гражданского строительства.
Ежегодный объем сброса золы от Омской ТЭЦ-5 составляет около 1 050 тыс. м3, от Омской ТЭЦ-4 — около 540 тыс. м3. В настоящее время на золоотвалах Омских ТЭЦ скопилось более 20 млн. т. отходов. [1]
Для строительства автомобильных дорог требуется большое количество дорожно-строительных материалов. Так для строительства 1 км автомобильной дороги в зависимости от ее категории и местных условий требуется:
− для сооружения земляного полотна от 6 до 60 тыс. м3 грунта (золошлаков);
− для создания дренирующих и морозозащитных слоев от 1,6 до 6 тыс. м3 песка;
− для строительства дорожного основания от 0,8 до 5,4 тыс. м3 — щебня или грунта, укрепленного вяжущими материалами;
− для строительства дорожных покрытий от 1,1 до 4,7 тыс. т асфальтобетона.
Заменой грунтов, песков щебеночных материалов могут быть отходы промышленности.
К таким отходам относятся золы и шлаки — продукты от сжигания тепловых электростанциях (ТЭС).
Следует различать:
− золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей;
− золошлаковую смесь гидроудаления, когда золошлаковые отходы в виде золопульпы удаляется в золоотвалы.
Химический и минерально-фазовый составы, строение и свойства золошлаковых материалов (ЗШМ) зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа их улавливания и удаления, места отбора из отвалов. При высоких температурах (1200–1600°С) сжигания топлива минеральные примеси претерпевают изменения; в них протекают сложные физико-химические процессы: выделяется химически связанная вода силикатов и алюмосиликатов; разлагаются карбонаты; идут реакции в твердой фазе; происходят плавление, кристаллизация, силикатообразование, стеклообразование и др. Поэтому золы и шлаки ТЭЦ имеют сложный химический и минералогический составы.
Омские ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 работают на Экибастузских углях. Золошлаковые отходы этих ТЭЦ относятся к кислым неактивным и не могут быть использованы в чистом виде в качестве самостоятельного вяжущего.
Химический состав отходов Омских ТЭЦ представлены в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ-4 иТЭЦ-5г. Омска
|
Золошлаковые отходы |
Содержание оксидов,% по массе |
||||||||
|
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Na2O |
K2O |
ПЛП |
|
|
ТЭЦ-4 |
51,3 |
11,54 |
27,7 |
1,6 |
0,8 |
0,79 |
0,02 |
--- |
5,98 |
|
ТЭЦ-5 |
54,5 |
9,6 |
22,4 |
2,45 |
2,77 |
0,26 |
4,25 |
2,52 |
15,73 |
В настоящее времяГОСТ 25818–91иГОСТ 25592–91определили требования к химическому составу ЗШМ, применяемым для производства различных видов бетонов и строительных растворов. Нормируется содержание оксидов — CaO,MgO,SO3,Na2OиК2О:
− оксида кальцияСаО — 10 %, чтобы обеспечить равномерность изменения объема при твердении, свободногоСаО — 5 %;
− оксида магнияMgO — неболее 5 %;
− верхний предел сернистых и сернокислых соединений в пересчете наSO3по требованиям сульфатостойкости — 3–6 % (в зависимости от вида исходного топлива);
− суммарное содержание щелочных оксидовNa2Oи К2О — 1,5–3 % (в зависимости от вида сжигаемого топлива) во избежание деформаций при их реакции с заполнителями.
В зависимости от вида топлива и условий его сжигания в ЗШМ могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Потеря массы при прокаливании (п. п. п.) должна быть не выше 3–25 % в зависимости от вида исходного топлива.
Важнейшимифизическими свойствамиЗШМ являются зерновой состав, насыпная и истинная плотности, водонасыщение и способность к морозному пучению.
Зерновой состав зол сухого улавливания представлены в таблице 2.
Таблица 2
Зерновой состав некоторых зол сухого улавливания
|
Вид топлива |
Содержание, %,зерен размером, мм |
||||||
|
5–2 |
2–1 |
1–05 |
0,5–0,25 |
0,25–0,1 |
0,1–005 |
<0,05 |
|
|
Экибастузский бассейн ТЭЦ-4 |
- |
- |
- |
0,5 |
95 |
340 |
560 |
Зерновой состав зол золошлаковых отходов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Зерновой состав золошлаковых смесей золоудаления
|
Вид топлива |
Расстояние от места слива, м |
Содержание,%, зерен размером, мм |
|||||||||
|
>20 |
20–10 |
10–5 |
5–2 |
2–1 |
1–0,5 |
0,5–0,25 |
0,25–0,1 |
0,1–0,05 |
<0,05 |
||
|
Экибастузский уголь ТЭЦ-4 |
- |
3,2 |
13,8 |
17,4 |
16,0 |
5,2 |
7,2 |
9,8 |
13,0 |
11,0 |
3,4 |
Системы гидроудаления золы и шлака направляют в отвалы полидисперсные шлакозольные смеси. Вблизи места выпуска пульпы образуется шлаковая зона отвала, в которой преобладают частицы крупнее 0,25 мм, в отдалении — мельче 0,25 мм. От зернового, химического и фазового составов золы зависит ее насыпная плотность, которая может составлять от 0,6 до 1,3 г/см3. Плотность золы колеблется от 1,75 до 3,5 г/см3, составляя в среднем 2,1–2,4 г/см3. Физические характеристики Экибастузских зол приведены втаблице 4.
Таблица 4
Физические свойства зол
|
Уголь |
ТЭЦ, |
Плотность, г/см3 |
Насыпная плотность, г/см3 |
Удельная поверхность, см2/г |
Водопотребность,% |
|
Экибастузский |
Омская ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 |
2,21 |
0,92 |
2500 |
54 |
Заслуживает внимание применение золошлаковых отходов в золоминеральных смесях, которые применяются при строительстве оснований дорожных одежд взамен привозного щебня.
В 1993 г. на кафедре строительство и эксплуатация дорог СибАДИ, совместно с работниками Треста «Спецстрой» разработаны Технические условия ТУ 5716–001–52–1П-0117–08, в которых приведены требования к золоминеральным смесям [2].
Золоминеральные смеси представляют собой материал в состав которых входят щебень, песок, золошлаковые отходы ТЭЦ, известь и вода. Правильный подбор состава золоминеральной смеси позволяет получать материалы по своим свойствам превосходящие используемые для дорожного строительства щебень и песок.
В Омске силами ЗАО УМ-7 (генеральный директор Таршилов Л. М) построены основания из золоминеральной смеси на городских дорогах, на разворотной площадке троллейбусов, на левом берегу г. Омска, уширение дороги Омск — Тюмень и др.
В зависимости от интенсивности движения и категории дороги устраивали однослойные и двухслойные основания из золоминеральной смеси, толщиной от 18 до 34 см с последующим устройством трехслойного покрытия.
Технология строительства золоминеральных оснований следующая: Золоминеральная смесь приготавливается на базе (АБЗ или ЦБЗ) в грунтосмесительной установках (типа ДС-50А, ДС-109) производительностью 120м3/час, готовая смесь вывозится на дорогу автосамосвалами, укладывается универсальным укладчиком на всю ширину дороги и уплотняется самоходными пневмокатками за 12–16 проходов по одному следу, коэффициент уплотнения должен составлять не менее 0,98. Уход за готовым основанием из золоминеральной смеси разливаем битумной эмульсией в количестве 0,4 л/м2 автогудронатором. По готовому слою из золоминеральной смеси рекомендуется укладывать асфальтобетонное покрытие. В случае если такое покрытие не укладывается, по основанию не допускается движение транспорта в течении 5–7 дней за этот период. Прочность золоминеральной смеси достигнет 70 % от марочной прочности.
Проектная конструкции дорог представлены на рис. 1
Рис. 1. Проектная конструкция дорожных одежд
Рекомендуемая конструкция дорожной одежды с ЗМС на рис. 2.
Рис. 2. Рекомендуемая конструкция дорожных одежд
Обследование построенных участков показало, что основания дорожных одежд с применением золоминеральных смесей более прочные и долговечные по сравнению с щебеночными основаниями.
Нами при реконструкции ул. Ленина и благоустройстве площадей у Драмтеатра в г. Омске предложено использовать золоминеральные смеси взамен щебня при строительстве тротуаров и при уширении проезжих частей дорог.
Проектная конструкция пешеходных дорожек и тротуаров представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Проектная конструкция пешеходных дорожек и тротуаров
Рекомендуемая конструкция пешеходных дорожек и тротуаров представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Рекомендуемая конструкция пешеходных дорожек и тротуаров
Замена щебня на рассматриваемых объектах г. Омска позволит получить экономично щебня до 630 м3за счет применения золошлаковых отходов ТЭЦ, а так же сократить транспортные расходы и использовать отходы промышленности, тем самым улучшая экологическую обстановку в городе Омске.
Опыт строительства и эксплуатации оснований из ЗМС показывает следующее:
- Необходимо тщательно подбирать состав смеси и следить за качеством составляющих, входящих в ее состав, с соблюдением всех требований ТУ.
- Приготавливать ЗМС лучше всего в смесительных установках с принудительным перемешиванием.
- Приготовленные в установке золоминеральные смеси можно заготавливать впрок и хранить в штабелях в течение срока до 7 суток, а затем вывозить на дорогу и укладывать в основание.
- Недопустимо пересыхание смеси в период укладки основания и укладки по нему вышележащих слоев покрытия.
- Нельзя оставлять основание из ЗМС без покрытия, т. к. это приводит к его истиранию, пылению и разрушению основания.
- Асфальтобетонное покрытие рекомендуется устраивать сразу же после устройства основания из ЗМС.
- Основание из ЗМС продолжает набирать прочность и после 90 суточного возраста в течение нескольких лет (6 лет и более).
- Для слоев из ЗМС переувлажненные основания насыпи не являются опасными, наоборот, материал более интенсивно набирает прочность.
Литература:
- Акционерное общество «Территориальная генерирующая компания № 11».
- В. Г. Степанец, Л. М. Таршилов, Л. А. Семенова «Смеси золоминеральные для дорожного строительства. Технические условия. ТУ 5716–001–52–1П-0117–93» Омский центр стандартизации и метрологии г. Омск.
