Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

USE OF HEAT ENGINEERING WASTE FOR MANUFACTURING CHANNELS FOR PIPE INSTALLATION

Research article
Medvedeva G.A.
Giniyatova K.R.
Minikaeva K.R.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.013
Issue: № 6 (120), 2022
Published:
2022/06/17
PDF

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.013

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАНАЛОВДЛЯ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ

Научная статья

Медведева Г.А.1, *, ГиниятоваК.Р.2, Миникаева К.Р.3

1 ORCID: 0000-0002-3507-606X;

1, 2, 3 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (medvedevaga79[at]mail.ru)

Аннотация

Как показала мировая практика, использование отходов золошлаков тепловых электростанций (ЗШО) при производстве строительных материалов позволяет совмещать решение острых экологических проблем путем утилизации отходов с производством высокоэффективных строительных материалов, что очень актуально на сегодняшний день. Одним из способов переработки отходов золы тепловой энергии является получение пористых теплоизоляционных бетонов. Но высокая пористость этих материалов приводит к крайне низкой прочности и высокому водопоглощению. В последнее время, как в стране, так и за рубежом, большое внимание исследователи уделяют методу сжатия пористой полости бетона путем пропитки пористой полости мономерами или олигомерами, а затем полимеризации пористой структуры бетона. В результате пропитки пропитываются бетонные полимеры, обладающие высокопрочными свойствами, плотностью, морозостойкостью и повышенной устойчивостью к некоторым агрессивным средам. Однако высокая стоимость мономеров, их нехватка и сложная технология изготовления бетонных полимеров ограничивают их практическое применение. Кроме того, мономеры и олигомеры имеют ряд недостатков. Поэтому разработка новых, более дешевых и недостаточно пропитанных составов является важной задачей.

Целью проведенного исследования является частичное замещение компонентов материалов золошлаковыми отходами (ЗШО) при изготовлении стен канала и изучение эффективности и ресурсосбережения данного материала.

В данной работе были исследованы свойства бетонов: предел прочности на сжатие, плотность и теплопроводность. Произведен расчет толщины теплоизоляции с учетом изготовления стен канала из материала с добавлением ЗШО и расчет тепловых потерь через изолированную поверхность трубопроводов тепловых сетей при подземной прокладке в непроходных каналах из материала с добавлением ЗШО.

Исследование показало, что материал, изготовленный из отходов золы ТЭЦ-2 и пропитанный серой, имеет низкий коэффициент теплопроводности, удовлетворительные значения прочности и водопоглощения.

Ключевые слова: сера, золошлаковые отходы ТЭЦ, тепловые потери, композиционный материал.

USE OF HEAT ENGINEERING WASTE FOR MANUFACTURING CHANNELS FOR PIPE INSTALLATION

Research article

Medvedeva G.A.1,  *, GiniyatovaK.R.2, Minikaeva K.R.3

1 ORCID: 0000-0002-3507-606X

1, 2, 3 Kazan State University of Architecture and Civil Engineering, 420043, Kazan, Russia

* Corresponding author (medvedevaga79[at]mail.ru)

Abstract

As world practice has shown, the use of ash waste from thermal power plants (ash dump) in building materials production makes it possible to combine the relevant environmental problems solution with the high-efficiency building materials production by recycling waste, which is very relevant today. One of the ways of heat energy ash waste processing is to produce porous thermal-insulating concrete. But the high porosity of these materials leads to extremely low endurance and high water absorption. These days, both home and abroad, researchers have paid a lot of attention to the method of the concrete porous cavity compression by saturating the porous cavity with monomers or oligomerics, and then polymerizing it. As a result, concrete polymers saturate with high endurance properties with, density, frost resistance and increased resistance to certain corrosive media. However, the high cost of monomers, their scarcity and the complexity of concrete polymer manufacturing technology limit their practical use. Besides, monomers and oligomerics have a number of disadvantages. The development of new, cheaper and insufficiently saturated solutions is therefore an important task.

The aim of the research is to partially replace the components of materials with ash waste (ash dumb) in the manufacture of channel walls and to study their efficiency and resource conservation.

In this work, the features of concrete were studied: compressing strength, density and thermal conductivity. The thickness of thermal insulation has been calculated taking into account the construction of the channel walls from material with ash dumb, as well as thermal losses through the insulated pipeline surface of thermal networks with the underground construction in crawlways built of material with ash dumb.

The study showed that the material made of TPP-2 ash waste and saturated with sulfur has a low thermal conductivity, satisfactory strength and water absorption rates.

Keywords: sulfur, TPP ash waste, thermal losses, composite material.

Введение

B процессе временного или постоянного складирования зoлoшлaкoвoгo материала (ЗШМ) oбpaзyeтcя фильтрационный поток, содержащий находящиеся в зoлoшлaкoвыx материалах водорастворимые соединения, многие из которых являются токсичными (соединения мышьяка, селена, ванадия, фтора, хрома). Дaнный пoтoк oкaзывaeт нeблaгoпpиятнoe вoздeйствиe кaк нa зoлooтвaл в цeлoм, включaя eгoocнoваниe, тaк и нaoкpyжaющyю cpeдy [1]. Пoчвы иcпытывaют воздействия золоотвала за счет осаждения пыли из атмосферного воздуха.

В связи с тем, что при складировании золошлаков выбросы загрязняющих веществ в атмосферу являются незначительными, специальных мер по контролю над загрязнением воздуха не предусмотрено. Схема воздействия золоотвалов ТЭЦ на окружающую среду представлена на рисунке 1 [2].

1

Рис. 1 – Принципиальная схема воздействия золошлакоотвалов ТЭЦ на окружающую природную среду

В золоотвалах накоплено по разным оценкам от 1,5 до 1,8 млрд т золошлаковых отходов (ЗШО). Среднегодовой выход шлаков достиг 30 млн. т. и в связи с ухудшением качества топлива имеет тенденцию к росту. Это создает экологические проблемы, поскольку увеличиваются производственные затраты и стоимость природоохранных мероприятий [3].

Существует 5 основных направлений переработки ЗШМ (в порядке убывания популярности) (рис. 2) [4]:

  • строительные материалы (цемент, кирпич, блоки) [5], [6], [7];
  • дорожное строительство (наполнители для дородного полотна);
  • строительные проекты (стеновой материал);
  • производство различных наполнителей;
  • сельское хозяйство (стабилизаторы почвы).
1

Рис. 2 – Направления переработки ЗШО

На нынешнем этапе строительства основным направлением экономии ресурсов является использование вторичных материалов, то есть производственных отходов. Новые правила энергосбережения требуют более высоких коэффициентов теплового сопротивления наружных ограждающих конструкций. Такие свойства трудно или невозможно достичь с помощью традиционных материалов, используемых в отечественном производстве. Поэтому создаются новые технологии многослойных конструкций с использованием эффективных изоляционных материалов [8]. В ходе этой исследовательской работы было дано описание нового теплоизоляционного материала, изготовленного из отходов ЗШО Казанской ТЭЦ-2. В исследовании представлено описание экономического обоснования изготовления образцов этого материала, его физико-механических свойств и пригодности изготовления и применения в строительстве. Этот композитный материал представляет собой цементный материал с защитным покрытием (полученным при пропитке расплавом серы) или без него, содержащий отходы золы.

Исследование показало, что материал, изготовленный из отходов золы ТЭЦ-2 и пропитанный серой, имеет удовлетворительные параметры с точки зрения основных показателей, т.е.:

  1. Поскольку он обладает низкой теплопроводностью и может использоваться в качестве теплоизоляционного материала, он энергоэкономный;
  2. Прочность действует как конструктивный материал, поскольку обладает удовлетворительными параметрами прочности;

Кроме того, одним из главных аргументов в пользу использования этого материала является его экологический аспект. Многие экологические проблемы, связанные с утилизацией этих отходов, будут решены, если золошлаки различных отраслей промышленности, особенно электростанций, получат перспективный метод вторичного использования [9].

Изготовление композиционного материала

Композиционный материал из золоотходов ТЭЦ-2 представляет собой цементный материал с защитным покрытием (полученным при пропитке расплавом серы) и без него содержащим отходы золы.

Исходными материалами являлись:

1) Цемент класса прочности 42,5Н (ГОСТ 31108-2003)

2) Сера-отход (ГОСТ 127-03).

3) Строительный песок (ГОСТ 8736-93)

4) ЗШО – отходы ТЭЦ-2 г. Казань состава (табл. 1):

Таблица 1 – Материалы, содержащие отходы золы

Наименование Мас.%
SiO2 46,8-51,8
CaO+MgO 4,5
R2O 1,77-19,11
Al2O3+TiO2 22,03-24,32
Fe2O3 5,1-5,8
SO3 0,19

Методом просеивания отходы золы делились на компоненты золы и шлака. В исследовании использовался компонент золы с размером частиц менее 1 мм.

Образцы состава готовили путем смешивания исходных компонентов (отходов цемента, песка и золы). Наиболее подходящим с точки зрения прочностных свойств материала является соотношение цемента: наполнитель (песок и песок) 1:3. Поэтому соотношение этих компонентов в работе полностью сохранилось. Полученные смеси были направлены на формование путем заливки образцов в формы размером 2х2х6 см. После оттаивания формочек (через 28 дней) изделия сушат при 100°C в течение 2 часов.

Попадание отходов золы в состав цементного бетона позволяет улучшить изоляционные свойства бетона. При добавлении в состав ЗШО теплопроводность образцов снижается с 0,311 Вт/м°C до 0,24 Вт/м°C, что объясняется образованием пористой структуры.

Увеличение доли отходов золы в наполнителе приводит к снижению прочности в 2,5 раза. Образцы, в которых наполнитель – это только отходы золы, имеют чрезвычайно низкую прочность и даже при небольшом усилии разрушаются. Это связано с образованием рыхлой, пористой структуры образцов и отсутствием адгезии между вяжущим и наполнителем. Декомпозиция может быть вызвана отсутствием адгезии между вяжущим и наполнителем. Уменьшается и плотность состава, что связано с низкой удельной плотностью наполнителя золы и наличием в материале большого количества пор и полостей. Наличие открытых пор в образцах, заполненных отходами золы, является причиной высокого водопоглощения. Таким образом, для цементного состава этот показатель составлял 10%, что неприемлемо для использования в строительстве.

Образцы, полученные для изготовления балок с защитным покрытием, загружали в расплавленный серный контейнер при температуре 120-130°С и пропитывали серой в течение 1 часа. После этого продукты извлекали из пропитанной камеры и охлаждали до температуры окружающей среды. Процесс охлаждения сопровождался кристаллизацией расплава в пористой полости и изменой свойства материала.

После замены образцов в расплаве серы их прочность значительно возросла, прочность на сжатие увеличилась примерно в 8 раз. Прочность на сжатие материала на основе оптимального состава составляла 4,2 МПа, пропитанного серным материалом – 35,7 МПа. Они также стали плотнее, плотность увеличилась с 1,44 г/см3 до 2,178 г/см3 и водопоглощение снизилось до 7 %. Теплопроводность образцов также несколько снизилась: от 0,15 Вт/м°С до 0,128 Вт/м °С.

Таким образом, анализ свойств композитного материала на основе композиционного материала на основе ЗШО без пропитки и пропитанного серой и сравнения с традиционным материалом можно сказать, что теплопроводность этого материала низкая, с точки зрения традиционных теплоизоляционных материалов, но калибровочная прочность 35,7 МПа, пропитанный серным на основе композитного материала приближается к традиционному красному кирпичу марки М300, прочность на сжатие которой составляет 30 МПа. Поэтому можно сделать вывод, что пропитанный серой композитный материал можно считать несущим материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.

Одной из возможных областей применения этого материала является строительство каналов для тепловых сетей. Стены каналов будут служить защитной конструкцией и дополнительной изоляцией, что позволит уменьшить объем необходимого обычного теплоизоляционного материала.

Тепловая изоляция трубопроводов и оборудования должна отвечать требованиям энергоэффективности, эксплуатационной надежности и обеспечивать долгий срок службы оборудования. Из-за низкого качества теплоизоляции, во внутридомовых теплопроводах теряется значительная часть выработанной теплоты, что приводит к ощутимому перерасходу топливноэнергетических ресурсов [10].

Расчет толщины теплоизоляции с учетом изготовления стен канала из материала с добавлением ЗШО

При добавлении золошлаковых отходов ТЭЦ в материал стенок канала их термическое сопротивление возрастает, поскольку коэффициент теплопроводности уменьшается. Если учесть термическое сопротивление стенок канала при расчете температуры воздуха внутри канала, то формула будет следующей [11]:

1

1

Расчет тепловых потерь через изолированную поверхность трубопроводов тепловых сетей при подземной прокладке в непроходных каналах из материала с добавлением ЗШО

  1. Определим термическое сопротивление изоляции подающего и обратного трубопровода:

1

  1. Термические сопротивления теплоотдаче от поверхности изоляции подающего и обратного трубопровода:

1

1

1

1

1

Заключение

  1. Ресурсосбережение. Частичное замещение традиционных наполнителей в бетонах золошлаковыми отходами ТЭЦ ведет к ресурсосбережению и экономической эффективности при производстве материала.
  2. Эффективность стен канала из материала с наполнителем из ЗШО составляет 8%.
  3. Стены канала с золошлаковыми отходами играют роль дополнительного теплоизоляционного материала, благодаря чему появляется возможность уменьшить толщину теплоизоляции Цилиндр ТЕХНО 80 компании «ТехноНИКОЛЬ» для подающего теплопровода на 10 мм, для обратного на 40 мм, что при использовании в тепловых сетях большой протяженности дает хорошую экономическую выгоду.
Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Caлoмaтoв B.B. Иcпoльзoвaниe зoлoшлaкoвыx oтxoдoв TЭЦ / B.B. Caлoмaтoв // Hayкa и тexникa. ‒ 2014. ‒ № 4. ‒ С. 40–45.
  2. Косарев А.С. Оценка возможности использования золошлаковых отходов теплоэнергетики при производстве гранулированного пористого заполнителя для легких бетонов и теплоизоляционных засыпок / А.С. Косарев, В.А.Смолий, А.В. Скориков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. ‒ 2018. ‒ № 3.‒ С. 67–71.
  3. Худякова Л.И. Использование золошлаковых отходов тепловых электростанций. XXI век / Л.И. Худякова, А.В. Залуцкий, П.Л. Палеев // Техносферная безопасность. ‒ 2019. ‒ № 4. ‒ С. 30–34.
  4. Семке А.П. Получение пористых теплоизоляционных материалов на основе золошлаковых отходов / А.П. Семке, О.В. Казьмина // Национальный исследовательский Томский политехнический университет. ‒ Томск. ‒ 2018. ‒ № 1. ‒ С. 79–83.
  5. Shi1 D. Study on the durability of concrete using granulated blast furnace slag as fine aggregate / D. Shi1, Q. Liu1, X. Xue1 // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. ‒ 2018. ‒ № 322. ‒ Pp. 21–22.
  6. Пат. 2667940 Российская Федерация, МПК С 04 В 18/10. Способ переработки золошлаковых отходов тепловых электростанций для производства строительных изделий / В.А. Краснов; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие «Модификация цементных систем» (RU). ‒ №2017113034; заявл. 15.04.2017; опубл. 25.09.2018, Бюл. № 27 ‒ С. 4.
  7. KaзьминaO.B. Пoлyчeниe пeнocтeкoльныx мaтepиaлoв нaocнoвe зoлoшлaкoвыxoтxoдoв тeплoвыx элeктpocтaнций / О.В. Kaзьминa, Н.А. Bepeщaгин, В.П. Kaзьмин // Извecтия Toмcкoгo пoлитexничecкoгoyнивepcитeтa.‒ Томск. ‒ 2011. ‒ T. 319. ‒ № 3. ‒ С. 55–58.
  8. Медведева Г.А. Переработка отходов теплоэнергетики в водостойкие теплоизоляционные материалы строительного назначения / Г.А. Медведева, Р.Т. Ахметова, Ю.Н. Пятко // Журнал Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на промышленных предприятиях, в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве: Сб. статей XII Межунар. науч.-практич. конференции. – Пенза. – 2012. ‒ № 1. – С.30–35.
  9. Ахметова Р.Т. Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ при изготовлении серных бетонов в присутствии хлорида фосфора / Р.Т. Ахметова, А.А. Юсупова, Г.А. Медведева // Современные наукоемкие технологии. ‒ 2018. ‒ № 11. ‒ С. 43–47.
  10. Низамов И.И. Использование современных видов изоляции трубопроводов для повышения энергетической эффективности инженерных систем / И.И. Низамов, Р.Р. Самигуллин, Г.М. Ахмерова // Тенденции развития науки и образования. ‒ 2018. ‒ № 44 ‒ С. 54–55.
  11. СП 61.13330.2012. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов: Свод правил. – Москва : [б.и.], 2013. – 53с.

Список литературы на английском языке / ReferencesinEnglish

  1. Calomatov B.B. Icpol'zovanie zoloshlakovyx otxodov TjeC [Use of TTP ash waste] / B.B. Calomatov // Hayka i texnika [Science and technology]. ‒ 2014. ‒ № 4. ‒ Pp. 40–45. [in Russian]
  2. Kosarev A.S. Ocenka vozmozhnosti ispol'zovanija zoloshlakovyh othodov teplojenergetiki pri proizvodstve granulirovannogo poristogo zapolnitelja dlja legkih betonov i teploizoljacionnyh zasypok [Assessment of the possibility of using ash heat waste and power engineering in the production of granulated porous aggregate for light concrete and heat-insulating backfill] / A.S. Kosarev, V.A. Smolij, A.V. Skorikov // Izvestija vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki [University bulletin. The North Caucasus region. Technical sciences]. ‒ 2018. ‒ № 3.‒ Pp. 67–71. [in Russian]
  3. Hudjakova L.I. Ispol'zovanie zoloshlakovyh othodov teplovyh jelektrostancij. XXI vek [Use of ash waste of thermal stations. XXI century] / L.I. Hudjakova, A.V. Zaluckij, P.L. Paleev // Tehnosfernaja bezopasnost' [Technosphere safety]. ‒ 2019. ‒ № 4. ‒ Pp. 30–34. [in Russian]
  4. Semke A.P. Poluchenie poristyh teploizoljacionnyh materialov na osnove zoloshlakovyh othodov [Production of porous heat-insulating materials based on ash waste] / A.P. Semke, O.V. Kaz'mina // Nacional'nyj issledovatel'skij Tomskij politehnicheskij universitet [National Research Tomsk Polytechnic University]. ‒ Tomsk. ‒ 2018. ‒ № 1. ‒ Pp. 79–83. [in Russian]
  5. Shi1 D. Study on the durability of concrete using granulated blast furnace slag as fine aggregate / D. Shi1, Q. Liu1, X. Xue1 // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. ‒ 2018. ‒ № 322. ‒ Pp. 21–22.
  6. 2667940 Rossijskaja Federacija, MPK S 04 V 18/10. Sposob pererabotki zoloshlakovyh othodov teplovyh jelektrostancij dlja proizvodstva stroitel'nyh izdelij [Method for ash waste processing from thermal stations for construction products manufacture] / V.A. Krasnov; zajavitel' i patentoobladatel' Obshhestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju "Maloe innovacionnoe predprijatie «Modifikacija cementnyh sistem» (RU). ‒ № 2017113034; zajavl. 15.04.2017; opubl. 25.09.2018, Bjul. № 27 ‒ P. 4. [in Russian]
  7. Kaz'mina O.B. Polychenie penoctekol'nyx matepialov na ocnove zoloshlakovyx otxodov teplovyx jelektpoctancij [Sponge-glass materials production based on thermal stations waste ash] / O.V. Kaz'mina, N.A. Bepeshhagin, V.P. Kaz'min // Izvectija Tomckogo politexnicheckogo ynivepciteta [National Research Tomsk Polytechnic University Bulletin]. ‒ Tomsk. ‒ 2011. ‒ T. 319. ‒ № 3. ‒ Pp. 55–58. [in Russian]
  8. Medvedeva G.A. Pererabotka othodov teplojenergetiki v vodostojkie teploizoljacionnye materialy stroitel'nogo naznachenija [Recycling of heat and power waste into water-resistant thermal insulation materials for construction] / G.A. Medvedeva, R.T. Ahmetova, Ju.N. Pjatko // Zhurnal Jekologija i resurso- i jenergosberegajushhie tehnologii na promyshlennyh predprijatijah, v stroitel'stve, na transporte i v sel'skom hozjajstve [Ecology and resource- and energy-saving technologies in industrial enterprises, construction, transport and agriculture]: Collection of articles XII International scientific and practical conference. – Penza. – 2012. ‒ № 1. – Pp.30–35. [in Russian]
  9. Ahmetova R.T. Utilizacija zoloshlakovyh othodov TJeC pri izgotovlenii sernyh betonov v prisutstvii hlorida fosfora [Utilization of TTP ash waste in the production of sulfur concrete with presence of phosphorus chloride] / R.T. Ahmetova, A.A. Jusupova, G.A. Medvedeva // Sovremennye naukoemkie tehnologii [Modern science technologies]. ‒ 2018. ‒ № 11. ‒ Pp. 43–47. [in Russian]
  10. Nizamov I.I. Ispol'zovanie sovremennyh vidov izoljacii truboprovodov dlja povyshenija jenergeticheskoj jeffektivnosti inzhenernyh sistem [Use of modern types of pipelines insulation to improve the energy efficiency of engineering systems] / I.I. Nizamov, R.R. Samigullin, G.M. Ahmerova // Tendencii razvitija nauki i obrazovanija [Science and education development tendencies]. ‒ 2018. ‒ № 44 ‒ Pp. 54–55. [in Russian]
  11. SP 61.13330.2012. Teplovaja izoljacija oborudovanija i truboprovodov [Thermal insulation of equipment and pipelines]. – Mosсow : 2013. – 53 p. [in Russian]