CC BY
23
Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 268-272. Transactions Ко1а Science Centre. Chemistry and Materials. Series 5. 2021. Vol. 11, No. 2. P. 268-272.
Научная статья УДК 662.613.11
D0l:10.37614/2307-5252.2021.2.5.053
АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ
Мухайё Абраловна Хошимхонова1М, Аминжон Нуриллоевич Бозоров2
12ГУП «Фан ва тараккиёт» при Ташкентском государственном техническом университете им. И. Каримова, г. Ташкент, Узбекистан 1, 2amin_ 109@inbox.ru
Аннотация
В статье исследуется сорбционный метод извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из золошлаковых отходов Ново-Ангренской ТЭС. В связи с этим возможность извлечения РЗЭ из кислых растворов на катионите Purolite C100-H была исследована на примере одного из РЗЭ — лантана. Кроме того, была изучена зависимость сорбции лантана на катионите Purolite C-100N от pH раствора, а также зависимость сорбции лантана на катионите Purolite C-100H от концентрации равновесного раствора. Кроме того, сорбция лантана рассчитывалась по разнице концентраций в исходном и равновесном растворах. Ключевые слова:
редкоземельные элементы (РЗЭ), кислотный реагент, катионит, сульфогруппа, статическая обменная емкость, сорбент
Original article
ANALYSIS OF THE CHEMICAL COMPOSITION AND TECHNOLOGICAL PROCESS OF PROCESSING ASH AND SLAG WASTE FROM CHPP
M. A. KhoshimkhonovaA. N. Bozorov2
State Unitary Enterprise "Fan va tarakkiyot" at Tashkent State Technical University the named after I. Karimov, Tashkent, Uzbekistan 12amin_109@inbox.ru
Abstract
This article studies sorption method of extraction of rare earth elements (REEs) from ash and slag waste of Novo-Angren TPP. In this regard, the possibility of extracting REE from acidic solutions on the Purolite C100-H cation exchanger was investigated in the example of one of the REEs, lanthanum. Furthermore, dependence of the sorption of lanthanum on Purolite C-100N cation exchanger on pH of solution and dependence of the sorption of lanthanum on the Purolite C-100H cation exchanger on the concentration of the equilibrium solution were studied. In addition, lanthanum sorption was calculated from the difference in concentrations in the initial and equilibrium solutions. Keywords:
rare earth elements (REEs), acidic reagent, cation exchanger, sulfo group, static exchange capacity, sorbent
Техногенные отходы, образующиеся в результате сгорания твердого топлива в ТЭС-золошлаковые отходы (ЗШО), представляют мировую проблему (рис. 1).
Узбекистан входит в число других стран по накоплению ЗШО с общим объемом более 12,5 млн т. Согласно данным руководства АО "Yangi Angren IES", ТЭС является единственным крупным энергопредрприятием, потребляющим от 2,5 до 3,0 млн т в год бурого угля Ангренского угольного месторождения и образующим 130 тыс. т в год золошлаковых отходов.
В настоящее время в золоотвалах этих теплостанций уже заложено на хранение порядка 12,0 млн т отходов (рис. 2).
Золошлаковые отходы ТЭС наиболее широко используются в цементной промышленности в качестве медленнотвердеющего самостоятельного вяжущего для дорожного строительства — как активная гидравлическая добавка в сочетании с неорганическими, битумными или полимерно-битумными вяжущими, в качестве наполнителя или малоактивной добавки взамен части цемента [1-6].
За счет технической реконструкции Ново-Ангренской ТЭС, вызванной необходимостью увеличения доли сжигаемого угля в топливном балансе станций, золошлаковые отходы будут достигать 1,2 млн т в год.
© Хошимхонова М. А., Бозоров А. Н., 2021
Это, в свою очередь, потребует выделения более значительных земельных площадей под золоотвалы, использования еще большего количества воды, установки трубопроводов, насосных агрегатов для перекачки золошлаковой пульпы до места утилизации и, как следствие, приведет к ухудшению экологической обстановки региона. Кроме того, их содержание требует больших эксплуатационных затрат, влияющих на повышение себестоимости производства энергоносителей.
Вместе с тем отвальные золошлаки содержать значительные количества ценных компонентов, таких как железо, алюминий, редкие и редкоземельные металлов и др., их комплексная переработка может существенно расширить сырьевую базу для производства этих металлов.
Рис. 2. Карта расположения ЗШО Ангренской и Ново-Ангренской ТЭС
Выполненные нами исследования показали, что в отдельных пробах золы обнаружено высокое содержание редких, благородных, редкоземельных и попутных элементов в золах ТЭС Ангрена (по данным рентгенофлуоросцентного и пробирного анализа): Си — 500 г/т, Мо — 50-100 г/т, La — 150 г/т, Y — 1000 г/т, ТО — 100 г/т, Ge — 10-100 г/т.
По химическому и вещественному составу топливные шлаки представляют собой гетерогенную систему с переменным составом; где главными компонентами является кислотный SiO2 и основные оксиды СаО, Fe реже MgO, а также нейтральные АЬОз.
При комплексной переработке 100 тыс. т ЗШО при среднем содержании оксида железа в 22-24 %, двуокиси кремния 36-42 % при переработке 100 тыс. т и сквозного извлечения 80 % можно получить:
• ЙО2 — 32 тыс. т;
• вторичный уголь — до 10-12 тыс. т;
• железорудный концентрат — до 1,5-2,0 тыс. т;
• драгоценные металлы — 20-60 кг.
Рис. 1. Объемы образования ЗШО, млн т
Однако техногенные месторождения существенным образом отличаются от природных месторождений. За счет воздействия климатических условий происходит трансформация отходов и их формирование в совершенно иные. Накопленные за многие годы техногенные отходы обладают уникальным минеральным составом и зачастую имеют сложное, нехарактерное для природных месторождений распределение полезных компонентов.
Аналогичные исследования выполнены для установления элементного и минералогического состава ЗШО. По данным рентгенофлюоресцентного и пробирного анализа установлено содержание редких, благородных, редкоземельных и попутных элементов в золах ТЭС Ангрена:
Аu — > 0,2 г/т (пробирный анализ), 10 г/т (спектральный анализ);
Ag — 2 г/т (пробирный анализ), 20 г/т (спектральный анализ);
^ — 500 г/т; Zn — 0,2 %; Pb — 0,3 %; Mo — 50-100 г/т; La — 150 г/т; Y — 1000 г/т;
Yb — 100 г/т; Ge — 10-100 г/т; V — 0,014%.
По данным рентгенофазового анализа (рис. 3) установлено наличие в исходной золе следующих фаз основных золообразующих элементов:
• аморфная фаза (характерные размытые пики);
• фаза а-кварца (основной пик 22 град.);
• фаза алюмосиликатов типа силлиманита — AhOз • SiO2 или муллита — 3AhOз • 2SiO2).
~3 ' 10 ' 15 ' 20 ' 25 ' 30~ 20 Рис. 3. Дифрактограмма ЗШО
При гидрощелочной обработке увеличивается количество а-кварца и, одновременно, уменьшается количество аморфной фазы. Более высокая реакционная способность аморфной части золы позволяет прогнозировать эффективность гидрощелочной обработки золы по количеству аморфной составляющей.
Таким образом, в результате проведенных систематических исследований установлены физико-химические особенности отходов, представляющих собой технологическую минералогию техногенных отходов. Последнее является научной основой для разработки комплексной технологии переработки.
В составе золошлаковой смеси кроме золы и шлака постоянно присутствуют частицы несгоревшего топлива (недожог), количество которого составляет порядка 20 %. Количество золы уноса, в зависимости от типа котлов, вида топлива и режима его сжигания может составлять до 70 % от массы смеси, шлака 10 %., в том числе белой пены, состоящей из алюмосиликатных полых микросфер. Благодаря правильной сферической форме и низкой плотности, микросферы обладают свойствами прекрасного наполнителя в самых разнообразных изделиях.
Исходя из технолого-минералогических особенностей разработанная комплексная технология переработки ЗШО предусматривает использование ряда технологических операций, включающих флотацию для отделения несгоревшего угля (недожог) являющийся товарным продуктом, мокрую магнитную сепарациюдля отделения железа и фторидную технологию получения двуокиси кремния — «белой сажи» исходного сырья для получения кремния (рис. 4). Оставшиеся после удаления углерода, кремнезема, железа, глинозема шламы содержат редкие и редкоземельные металлы с высокой концентрацией.
Рис. 4. Схема цепи аппаратов по получению Fe и SiO2:
1, 2 — бункер; 3 — смеситель; 4 — печь; 5 — емкость для воды; 6 — магнитный сепаратор; 7 — реактор для гидролиза; 8 — фильтр; 9 — выпарная установка; 10 — сушильная установка
Список источников
1. Распределение РЗЭ в нетрадиционных видах сырья / Т. О. Камолов [и др.] // Композиционные материалы: науч.-техн. и производств. журн. 2017. Вып. 4.
2. Структурный состав и морфологические особенности золы уноса / Т. О. Камолов [и др.] // Композиционные материалы: науч.-техн. и производств. журн. 2018. Вып. 2.
3. Кинетические закономерности извлечения ценных компонентов из золы уноса углей Ангрен-Алмалыкского рудного района / Т. О. Камолов [и др.] // Композиционные материалы: науч.-техн. и производств. журн. 2018. Вып. 3.
4. Электронно-микроскопическое исследование золошлаковых материалов / Т. О. Камолов [и др.] // Композиционные материалы: науч.-техн. и производств. журн. 2019. Вып. 1.
5. Coupling geochemical, mineralogical and microbiological approaches to assess the health of contaminated soil around the Almalyk mining and smelter complex / N. Shukurov [et al.] // Uzbekistan. Science of the Total Environment. 2014. №. 476-477. Р. 447-459. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.01.031.
6. Pen-Mouratov S., Shukurov N., Steinberger Y. Soilfree-living nematodes as indicators of both industrial pollution and grazing activity in Central Asia // Ecological Indicators. 2016. №. 10. Р. 955-967. https://doi.org/10.1016/ j.ecolind.2010.02.005.
References
1. Kamolov T. O., Sharipov H. T., Hoshimhonova M. A., Trusebekov A. H. Raspredelenie RZE v netradicionnyh vidah syr'ya [Distribution of REE in non-traditional types of raw materials]. Kompozicionnye materialy [Composite materials], 2017, Vol. 4.
2. Kamolov T. O., Sharipov H. T., Ochilov M. T., Ahmedova F. S., Ikramova M. G., Rahmatova N. Strukturnyj sostav i morfologicheskie osobennosti zoly unosa [Structural composition and morphological features of fly ash]. Kompozicionnye materialy [Composite materials], 2018, Vol. 2.
3. Kamolov T. O., Ahmedova F. S., Abdullaev O. H., Navryzov F. M. Kineticheskie zakonomernosti izvlecheniya cennyh komponentov iz zoly unosa uglej Angren-Almalykskogo rudnogo rajona [Kinetic regularities of extraction of valuable components from the fly ash of coals of the Angren-Almalyk ore region]. Kompozicionnye materialy [Composite materials], 2018, Vol. 3.
4. Kamolov T. O., Hoshimov U. F., Razhabov B. N., Hoshimhanova M. A. Elektronno-mikroskopicheskoe issledovanie zoloshlakovyh materialov [Electron microscopic examination of ash and slag materials]. Kompozicionnye materialy [Composite materials], 2019, Vol. 1.
5. Shukurov N., Kodirov O., Peitzsch M., Kersten M., Pen-Mouratov S., Steinberger Y. Coupling geochemical, mineralogical and microbiological approaches to assess the health of contaminated soil around the Almalyk mining and smelter complex. Uzbekistan. Science of the Total Environment, 2014, No. 476-477, рр. 447-459. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.01.031.
6. Pen-Mouratov S., Shukurov N., Steinberger Y. Soilfree-living nematodes as indicators of both industrial pollution and grazing activity in Central Asia. Ecological Indicators, 2016, No. 10, рр. 955-967. https://doi.org/10.1016/ j.ecolind.2010.02.005
Сведения об авторах
М. А. Хошимхонова — самостоятельный соискатель;
А. Н. Бозоров — младший научный сотрудник.
Information about the authors
M. A. Khoshimkhonova — Independent Applicant;
A. N. Bozorov — Junior Researcher.
Статья поступила в редакцию 20.03.2021; одобрена после рецензирования 01.04.2021; принята к публикации 05.04.2021.
The article was submitted 20.03.2021; approved after reviewing 01.04.2021; accepted for publication 05.04.2021.
