Полые микросферы в золах уноса электростанций

 
 
ФГУП 
«РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР – ВНИИЭФ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОЛЫЕ МИКРОСФЕРЫ  
В ЗОЛАХ УНОСА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 
 
 
Сборник научных статей 
 
Под редакцией 
кандидата технических наук  В. С. Дрожжина 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров, 2009 

 

УДК 621.311 
ББК 31.277 
      П53 
 
Полые микросферы в золах уноса электростанций: Сборник 
научных статей / Под ред. В. С. Дрожжина. – Саров: ФГУП "РФЯЦВНИИЭФ", 2009. – 125 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0112-7 
 
Представлен научно-практический материал по вопросам получения и применения полых микросфер из зол уноса 
электростанций. Описаны процессы образования микросфер, 
рассмотрены их свойства, приведены технические и коммерческие показатели, а также охарактеризованы области применения и новые материалы, созданные на основе микросфер. 
Издание предназначено для научных работников, инженеров и специалистов, занимающихся и интересующихся 
технологиями изготовления и использования полых микросфер. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0112-7                      © ФГУП «Российский федеральный  
                                                                  ядерный центр – ВНИИЭФ», 2009 
 
 

 
 

Предисловие 
 
При сжигании углей на тепловых электростанциях (ТЭС) образуются сферические полые частицы – застывшие капли минерального расплава, содержащие в своем объеме газовые полости. Такие 
частицы в отечественной литературе получили название зольные 
микросферы, а в зарубежной – cenospheres (ценосферы). Впервые 
термин «ценосферы» был введен учеными в 20-х годах прошлого 
века для полых сферических частиц, обнаруженных в продуктах 
сжигания углей (H. E. Newell, F. S. Sinnatt: 1924 г. и 1926 г.). Слово 
«ценосфера» происходит от двух греческих слов: kenos («полая»)  
и sphaira («сфера»). Впоследствии этот термин был использован 
специалистами для обозначения частиц, найденных в промышленных дымовых выбросах угольных электростанций, а также частиц, 
плавающих на поверхности водных бассейнов золоотвалов электростанций (E. Raask, 1968 г.). В отличие от основной массы золы и 
шлака микросферы имеют истинную плотность от 0,5 до 0,7 г/см3 
(при плотности золы и шлака 2,1–2,5 г/см3), что является их наиболее характерной чертой и обеспечивает им низкую теплопроводность. Кроме того, микросферы не горючи, не токсичны, не являются канцерогенами, обладают химической устойчивостью природного минерала и низкими показателями дисперсности – 20– 
300 мкм. Вследствие специфического набора свойств зольные микросферы являются товарным продуктом на международном рынке, 
они используются в разнообразных тепло- и звукоизоляционных 
материалах, в облегченных конструкциях, в качестве наполнителей 
композиционных материалов на основе органических и неорганических связующих. Основными производителями микросфер  
являются страны, в энергетическом балансе которых велика доля 
угля. Это Англия, Польша, США, а в последнее время Китай,  
Индия и Россия. Цены на классифицированные по крупности микросферы находятся в пределах от 400 до 1200 дол. США за тонну. 
В результате сжигания углей на ТЭС России ежегодно образуется более 25 млн. тонн золошлаковых отходов, которые могут являться источниками промышленного производства большого количества микросфер. Анализ публикаций по проблеме утилизации 

Предисловие 
4

зольных микросфер, а также анализ характера деятельности предприятий-производителей микросфер позволяет определить резервы 
развития этого в техническом отношении перспективного и экологически оправданного вида деятельности. К настоящему времени 
отсутствуют систематизированные сведения о ресурсах и качественных показателях зольных микросфер российских электростанций. Предприятия-производители не контролируют значительную часть основных свойств микросфер, по-видимому, не обладая 
разработанными методиками контроля. Отсутствует классификация зольных микросфер, ставящая в соответствие их технические 
параметры и области применения. Исследователи зольных микросфер практически не касаются вопросов физико-химических закономерностей формирования микросфер, что сдерживает возможность управления этим процессом. Данные обстоятельства и определяют актуальность публикации работ, выполненных в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научноисследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦВНИИЭФ). 
В начале 90-х годов в связи с расширением в РФЯЦ-ВНИИЭФ 
конверсионной деятельности накопленный опыт работ с микросферами для физических экспериментов позволил провести комплексные исследования по микросферам, применяющимся в промышленности, и, в частности, по микросферам из зол уноса электростанций. Эти исследования были проведены в содружестве со специалистами Института горючих ископаемых – Научно-технического центра по комплексной переработке твердых горючих ископаемых (ФГУП ИГИ) и Института органической химии РАН 
(ИОХ РАН), а также были поддержаны Международным научнотехническим центром (МНТЦ). 
На электростанциях Российской Федерации впервые был проведен технический мониторинг по микросферам из зол уноса, в результате которого обследованы золоотвалы 40 крупнейших электростанций, сжигающих угли различных месторождений. Собраны 
данные о региональном распределении источников зольных микросфер, объемах образования микросфер и скоплении микросфер на 
золоотвалах. Предложена методика оценки производственного ресурса электростанций по микросферам. Всесторонне исследованы 
характеристики зольных микросфер. Проведен анализ химического 

Предисловие 
5

состава, структурно-механических, теплофизических, диэлектрических свойств, стойкости в агрессивных средах и уровня естественной радиоактивности, а также выявлены основные закономерности, 
определяющие процессы формирования полых алюмосиликатных 
микросфер в золах уноса электростанций при сжигании энергетических углей. Представлен анализ влияния химического и минералогического состава минеральных примесей на формирование микросфер, рассмотрены процессы газовыделения при термических 
превращениях, приводящие к образованию в минеральных частицах внутренних полостей, оценено влияние условий термического 
воздействия на величину доли микросфер в золах уноса. Результаты 
исследований 
по 
зольным 
микросферам  
были использованы при создании целого ряда материалов, предназначенных для решения совершенно разнородных задач, что свидетельствует о многофункциональном характере применения зольных микросфер. 
Данные технического мониторинга позволяют утверждать, что 
для крупных российских электростанций суммарный производственный ресурс зольных микросфер может составлять более  
120 тыс. тонн в год. Зольные микросферы, по сути, являются побочным продуктом работы электростанций, и их промышленная 
утилизация имеет реальные перспективы. 
Авторы надеются, что проведенный комплекс исследований 
будет способствовать созданию феноменологии зольных микросфер, а также участвовать в формировании научно-методического 
задела для введения в хозяйственный оборот нового ценного сырья 
для многих отраслей промышленности. 
 
 
 
В. С. Дрожжин,  
кандидат технических наук, 
 
 
начальник лаборатории микротехнологии материалов, 
 
 
технологического отделения РФЯЦ-ВНИИЭФ 
 

 
 

ТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПО МИКРОСФЕРАМ  
ИЗ ЗОЛ УНОСА НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
В. С. Дрожжин1, И. В. Пикулин1, М. Д. Куваев1, С. А. Редюшев1,  
М. Я. Шпирт2 
 
1РФЯЦ-ВНИИЭФ, 607188, г. Саров, Нижегородская область 
2Институт горючих ископаемых – Научно-технический центр  
по комплексной переработке твердых горючих ископаемых,  
117911, г. Москва 
 
Прогрессивной тенденцией в материалоемких отраслях является превращение промышленных отходов в сырье, пригодное для индустриального использования. Это в полной мере относится и к микросферам из зол 
уноса, которые по своей сути являются побочным промышленным продуктом электростанций. В период с 1996 года по 2002 год специалисты 
РФЯЦ-ВНИИЭФ провели на электростанциях Российской Федерации, 
использующих энергетические угли основных месторождений, технический мониторинг по микросферам из зол уноса. Основной целью мониторинга являлось изучение процессов образования микросфер, определение 
ресурса микросфер на золоотвалах электростанций, а также исследование 
основных потребительских характеристик микросфер. На основании технических параметров работы электростанций были определены те из них, 
которые потенциально могут являться источниками микросфер, и проведены исследования их золоотвалов. На электростанциях, где сбор микросфер перспективен в коммерческом отношении, были отобраны пробы 
микросфер и изучены их основные свойства. В результате исследований 
накоплен обширный материал. Анализ полученной информации, а также 
опыт индустриальных стран дает основание полагать, что в Российской 
Федерации имеются реальные перспективы промышленной утилизации 
микросфер из зол уноса электростанций. 
 
 
В условиях современной индустрии производство основных 
материалов и изделий все в большей степени оценивается по параметрам, характеризующим количество образующихся отходов. 
Прогрессивной тенденцией в сырьевых и материалоемких отраслях 

Технический мониторинг по микросферам из зол уноса… 
7

является превращение промышленных отходов в сырье, пригодное 
для индустриального использования. Это в полной мере относится 
и к зольным отходам электростанций, которых, например, в России 
ежегодно образуется не менее 25 млн. тонн.  
Одним из наиболее ценных компонентов зольных уносов являются микросферы (или ценосферы) – легкая фракция золы уноса, 
представляющая собой мелкодисперсный сыпучий порошок, состоящий из полых тонкостенных частиц сферической формы 
алюмосиликатного состава диаметром от несколько десятков до 
сотен микрометров [1, 2, 3]. На электростанциях, где зольные отходы удаляются в виде водной пульпы, микросферы, имея плотность 
менее 1 г/см3, самопроизвольно всплывают на поверхность водных 
бассейнов золоотвалов и находятся там длительное время наподобие «пенных слоев» различной толщины. 
В разное время систематизацией фактических материалов по 
микросферам из зол уноса занимались специалисты Англии [4], 
США [5, 6], Польши [7], Индии [8] и Украины [9], и к настоящему 
времени в этих странах существует определенная индустрия утилизации зольных микросфер. В Российской Федерации также ведутся 
исследования по микросферам из зол уноса [10, 11, 12, 13, 14], что, 
несомненно, будет способствовать развитию их промышленного 
использования. 
В период с 1996 года по 2002 год специалисты Российского 
федерального ядерного центра Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) 
провели на электростанциях Российской Федерации технический 
мониторинг по микросферам из зол уноса электростанций. Основной целью мониторинга являлось изучение процессов образования 
микросфер, а также исследование ресурса микросфер на золоотвалах электростанций. На этой основе предполагалось получить ответ 
на три ключевых вопроса: где, в каком количестве и какого качества образуются микросферы на территории России?  
На электростанциях России в основном применяется гидравлический транспорт золошлаковых отходов. Зола и шлак смешиваются с водой, и образовавшаяся пульпа насосами перекачивается по 
трубопроводам на золоотвалы. Тяжелая фракция отходов оседает 
на дне водных бассейнов, а плавающая фракция – микросферы – 
распределяется по поверхности воды. Толщина плавающего слоя 

Полые микросферы в золах уноса электростанций 
8

зависит от содержания микросфер в золе, от продолжительности 
работы электростанции и от конструкции инженерных сооружений 
на золоотвале. 
Поскольку предварительная информация о влиянии каких-либо 
факторов на процессы образования микросфер была противоречива, то основным критерием при выборе электростанций был определен объем сжигаемого угля. Из работы [3] было известно, что 
доля микросфер в золе может составлять 1–3 % от всего сожженного в промышленной установке угля, поэтому электростанции, сжигающие 200–300 тысяч тонн угля и менее, представлялись малоперспективными в последующем промышленном отношении. Для 
европейской части России, где сконцентрированы электростанции 
средней мощности, был установлен порог по сжигаемому углю не 
менее 400–500 тысяч тонн угля в год. Для Урала, Сибири и Дальнего 
Востока, где основой энергетики являются крупные электростанции, 
порог был определен в 800–1000 тысяч тонн угля в год. Объем выборки составил 42 электростанции. Выделенные электростанции 
сжигают угли всех основных угольных месторождений бывшего 
СССР: кузнецкие, донецкие, экибастузские, канско-ачинские, печорские, подмосковные и угли месторождений Приморья. 
На рис. 1 приведена карта-схема расположения электростанций, которые были выбраны в соответствии с вышеназванными 
критериями.  
На основе экспериментальных работ предложен подход, устанавливающий связь между количеством сжигаемого на электростанции угля и количеством образующихся микросфер: 
 
Nм = Nу Kз (1 – Кш) Км, 
 
где Nм – количество микросфер, образующихся в единицу времени; 
Nу – количество угля, сжигаемого в единицу времени; Кз – безразмерный коэффициент зольности угля; Кш – безразмерный коэффициент шлакования минеральных примесей, который показывает 
долю минеральных примесей, удаляемых из котла в виде шлака;  
(1 – Кш) – доля минеральных примесей, удаляемых в виде золы; Км – 
безразмерный коэффициент образования микросфер, доля микросфер в золе уноса. 

Ростов-на-Дону

Тула
Рязань

Москва
Вологда

С.-Петербург

Архангельск 

Инта

Челябинск 

Екатеринбург

Омск
Новосибирск

Барнаул

Кемерово

Хабаровск

Владивосток

Красноярск

Иркутск

Чита

 

Рис. 1. Схема расположения электростанций, обследованных в 1996–2002 годах: 
– электростанции, на которых обнаружены микросферы;     – электростанции, на которых микросферы  
отсутствуют. Угольные бассейны: 
 
Печорский                     Донецкий                    Канско-Ачинский 
 
Подмосковный                Кузнецкий                   Приморский