ГлавнаяМеханизм и кинетика выгорания углерода при обжиге стеновых изделий на основе зол ТЭС изучались нами на цилиндрах различных размеров (диаметр 50, 40, 30 мм, высота соответственно 100 (50), 80, 60 мм), полученных пластическим способом — формованием из шихт на основе золы Алма-Атинской ГРЭС с добавками глин различной пластичности и состава. Ниже представлены составы исследуемых шихт: шихта № 1 — 85% алма-атинской золы, 15% высокопластичной айнабулакской глины; шихта № 2 — соответственно 67 и 33%; шихта № 3 — 50 и 50%; шихта № 4 — 67% алма-атинской золы, 33% среднепластичной сасык-карасуской глины; шихта № 5 — 67% алма-атинской золы и 33% малопластичного бурундайского суглинка; шихта № 6 — 60% алма-атинской золы, 10% айнабулакской глины и 30% бурундайского суглинка.
Одной из важных характеристик зол ТЭС, используемых в качестве основного сырья для производства керамических стеновых материалов, является температура воспламенения их горючей части, которая определялась термогравиметрическим и термографическим методами.
В методиках при определении температуры воспламенения различных топливосодержащих отходов, запрессованных в керамических массах, в качестве эталонов используются предварительно обожженные образцы, изготовленные из тех же материалов. При этом не учитывается наложение процессов, характерных для пластифицирующих добавок глин, содержащихся в шихте.
При нагреве зологлиняных образцов происходит наложение горения углерода и фазовых, химических превращений, характерных для глин.
Для исключения влияния теплового эффекта глин на процесс воспламенения в качестве эталона был взят сырой зологлиняный образец, но из предварительно прокаленной при 1100°C (до полного выжигания углерода) золы.
Выбор такого эталона позволил провести обжиг испытуемого образца и эталона в одинаковых условиях — воздушной среде, что исключило трудности с созданием в печной камере нейтральной атмосферы по известной методике. Для определения температуры воспламенения углерода термографическим методом нами измерялась разность температур поверхности в средней части испытуемого образца и эталона, нагреваемых при квазистационарном режиме.
Кинетика выгорания углерода исследована на специально изготовленной установке. Образцы обжигались в электрической печи при температурах 450—1050 и 1050—1150°С соответственно с интервалами 100 и 50°С, изотермической выдержкой 2 ч и скоростью подъема температуры 240°С/ч. Установлено, что углерод из золокерамических материалов вначале выгорает в поверхностных слоях образца, затем постепенно перемещается внутрь. Поэтому золокерамические образцы на различных стадиях обжига в поперечном изломе имели три ярко выраженные зоны, различающиеся по окраске; центральная часть образца, где углерод еще не выгорел, черного цвета, вокруг нее наблюдается переходная зона светло-серого цвета, а наружная часть образца, где коксовый остаток выгорел полностью, окрашена в светло-коричневый цвет. Это позволило изучить механизм углубления зоны горения на различных стадиях обжига и провести качественную оценку степени выгорания углерода путем изучения образцов в поперечном разрезе.
Механизм перемещения зоны горения углерода в первом приближении можно принять аналогичным механизму углубления поверхности испарения при сушке влажных твердых тел. Рассмотрим этот процесс применительно к неограниченному цилиндру.
Обозначив расстояние нижней поверхности слоя горения от поверхности цилиндра ξ, потенциалопроводность переноса связанного вещества через аm можно записать:
где R — радиус образца, м; ω(r, τ) — концентрация углерода (%) на расстоянии г от оси цилиндра в момент времени τ; ω0 — начальная концентрация углерода в образце, %; τ — время, ч.
Приближенно принимаем, что концентрация углерода в зоне горения уменьшается по закону прямой линии, тогда
т. e. углубление поверхности слоя горения описывается по законам параболы. На основе данных экспериментов, зная механизм углубления зоны горения (ξ) в образце, из уравнения (4.6) определяем потенциалопроводность переноса массы золокерамического материала.
Физико-механические свойства золокерамических материалов изучались на образцах высотой и диаметром 50 мм, обожженных при температурах от 550 до 1150°С в тех же условиях, в каких исследовались кинетика и механизм выгорания углерода.
Совмещенные кривые изменения массы зологлиняного образца и образца-эталона приведены на рис. 45, б. Температура воспламенения углерода коксового остатка соответствует точке расхождения кривых (320—340°С). На дифференциальной кривой (изменение разности температур поверхности образца и эталона) эта точка характеризуется резким подъемом (рис. 45, а).
На рис. 46, а приведена кинетика потери массы зологлиняных образцов из шихт № 1 и 6 в процессе обжига при различных температурах. Так как зола ТЭС является силикатным сырьем, уже прошедшим высокотемпературную обработку, то уменьшение массы зологлиняных образцов с малым содержанием глины (15%) в процессе обжига практически связано с выгоранием углерода коксового остатка. С повышением содержатая глины (40%) в зологлиняной массе наложение процессов, характерных для глин, становится значительным.
Как видно на рис. 46. а, интенсивность выгорания углерода повышается с ростом температуры обжига до 1050°С. При этом с увеличением продолжительности выдержки при различных температурах несколько снижается скорость перемещения зоны горения вглубь образца. Наиболее интенсивно углерод выгорает при 950—1050°С. При температуре выше 1100°C интенсивность горения заметна снижается, что, по-видимому, можно объяснить появлением в образце жидкой фазы — расплава минеральной части, которая изменяет характер его пористости и затрудняет доступ кислорода внутрь тела. Сравнение кривых потери массы образцов различного диаметра при одинаковой скорости подъема температуры среды (рис. 46, б) показывает, что наиболее интенсивно углерод сгорает в образцах малых размеров. Обожженные образцы изучались визуально в поперечном разрезе.
На рис. 47, а показаны изменения отношения диаметра темной сердцевины к полному диаметру образца после обжига при разных температурах в течение 2 ч. Как видно, наименьшие значения этой величины относятся к температурам 950—1050°C, что подтверждает результаты изучения кинетики массопотери. При этом с увеличением содержания глины в зологлиняной массе интенсивность процесса горения углерода в образце снижается.
Кривые 1—6 рис. 47, б, близкие к параболам, характеризуют механизм углубления зоны горения углерода в различных образцах по времени выдержки при температуре 1050°С. При этом с увеличением плотности образца и содержания глины скорость распространения зоны горения вглубь образца снижается, а с уменьшением диаметра образца повышается (табл. 44).
Как видно, потенциалопроводность переноса массы с углублением зоны горения углерода внутрь образца уменьшается, а с уменьшением плотности и диаметра образцов увеличивается.
На рис. 48 показано изменение концентрации углерода в поперечном слое цилиндрического образца в процессе обжига при 1050°С.
В табл. 45 приведены физико-механические свойства зологлиняных образцов из шихт № 1 и 6, обожженных при разных температурах (650—1150°С). Как видно, с повышением температуры обжига увеличивается прочность при сжатии, а плотность до 850°С несколько снижается вследствие интенсификации массопотери при незначительной усадке. При температуре 1050—1150°С плотность образцов вновь увеличивается за счет сравнительно большой усадки образцов при незначительной массопотере. На рис. 49 показан поперечный разрез образцов из шихт № 1 на различных стадиях обжига.
В результате выполненных экспериментальных работ установлены качественная и количественная картины механизма и кинетика выгорания углерода в золокерамических материалах, а также пути его интенсификации. Особенности учтены при разработке режима обжига стеновых изделий из зол ТЭС. Разработанный режим обжига для изделий из шихты № 6 опробован в промышленных условиях.
Зольный кирпич обжигался в туннельной печи (конструкции Союзгипрострома) Бурундайского ЗСМ при максимальной температуре 1080°C и продолжительности 36 ч. Установлено, что в зависимости от расположения кирпича при садке на печные вагонетки углерод в нем выгорает в различной степени. Так, наиболее полно он сгорает в кирпичах, которые минимально соприкасаются с другими кирпичами.
Для полного выгорания остаточного топлива в полнотелом зольном кирпиче требуется значительная изотермическая выдержка при высоких температурах (950—1050°С), что приводит к продлению производственного цикла и дополнительному расходу топлива.
Поэтому исследование влияния несгоревшей части топливa, содержащегося в черепке, на свойства изделий обжиг-образцов из золы с добавками 15 и 33% айнабулакской и 33% сасык-карасуской глин проводилось по двум различным режимам:
— подъем температуры со средней скоростью 5°С/мин до 1150°С с изотермической выдержкой при этой температуре в течение 2 ч;
— подъем температуры со средней скоростью 5°С/мин до 1050°С с изотермической выдержкой при этой температуре в течение 2 ч для полного сжигания остаточного топлива в образце. Затем подъем температуры со средней скоростью 5°С/мин до 1150°С с выдержкой при ней 2 ч.
В изломе образцов, обожженных по первому режиму, в середине имеется черная сердцевина, обусловленная несгоревшим углеродом. В образцах, обожженных с изотермической выдержкой при 1050°C, темная зона отсутствует, что подтверждает полное выгорание остаточного топлива. Физико-механические свойства зольных образцов приведены в табл. 46.
Из таблицы видно, что оставшаяся в обожженном образце часть топлива (в виде кокса) существенно не влияет на его физико-механические свойства.
Результаты экспериментальных исследований подтвердились при испытании зольного кирпича в условиях Бурундайского ЗСМ. Зольный кирпич, обожженный в туннельной печи по разработанному режиму (длительность цикла 36 ч) для шихты №6, имел в изломе - зональную структуру, в середине — черную сердцевину, обусловленную содержанием углерода, по краям — светло-коричневые тона. Испытания показали, что кирпич обладает высокими физико-механическими свойствами: предел прочности при сжатии 12—15 МПа, плотность 1250—1350 кг/м3, водопоглощение 10—18%, морозостойкость более 30 циклов.
Таким образом, в результате выполненных экспериментальных работ установлены качественная и количественная картины механизма и кинетики выгорания углерода в золокерамических материалах и пути его интенсификации.
При этом выявлено, что наибольший эффект от использования золы в качестве сырья для производства обжиговых стеновых материалов может быть получен при изготовлении кирпича и керамических камней с щелевыми пустотами.
Установлено, что при обжиге полнотелого зольного кирпича оставшаяся часть топлива в черепке в виде кокса не оказывает существенного влияния на его физико-механические свойства, что подтверждается результатами исследований. Поэтому разработка рациональных режимов обжига этих изделий прежде всего связана с изучением процессов тепло- и массопереноса при нагревании сырьевых материалов.