CC BY
74
----------------------------- © К.В. Прохоров, Р.В. Богомяков,
2009
УДК 622.7
К.В. Прохоров, Р.В. Богомяков
ИСЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Минеральное техногенное сырье - золошлаковый материал (ЗШМ) представляет минеральную часть угля и является остатком после химической трансформации всех минеральных веществ, находящихся в угле, происшедшей под влиянием высокой температуры и окислительных процессов.
На рис. 1 представлена классификация химических элементов при термической переработке ископаемых углей [1].
Ежегодное увеличение различного рода отходов при сжигании угля на теплоэлектростанциях (ТЭЦ), расположенных на территории Хабаровского края и соседних регионов, актуализирует задачу переработки минерального сырья техногенного происхождения. Одним из направлений переработки является извлечение металлов, которыми так богата зола.
В связи с этим целью исследования явилось оценка возможности извлечения ценных компонентов из золы уноса ТЭЦ и разработка методов извлечения алюминия и железа. Исходя из цели, определены следующие задачи: анализ, обобщение и систематизация литературных данных и материала патентного поиска; экспериментальная оценка объекта как источника ценных компонентов с применением современных химических и физико-химических методов анализа: рентгено-флуоресцен-тных; атомно-адсорбционных; электронно-микроскопических и др.; разработка технологических методов и режимов, направленных на обеспечение максимального извлечения ценных компонентов.
Объектом исследования явились золы Хабаровской ТЭЦ-3 и Лучегорской ГРЭС. Минералогическое изучение подтверждает сходство проб золы по многим параметрам. Основным компонентом их состава является шлак черного, серого реже беловатосерого цвета, пористой, пемзовой, ноздреватой и
Экологически опасные при сбросе в окружающую среду
Рис. 1. Классификация некоторых химических элементов при термической переработке ископаемых углей
плотной текстуры; в виде обломков размером 0,01 - 3,00 мм (рис. 2).
Для проведения локального качественного и количественного химического анализа минералогических объектов применен энергодисперсионный спектрометр (EDX) «ГNCA-ENERGY». Результаты анализа представлены в табл. 1.
Силикатным анализом установлено, что золы являются сосредоточением окиси алюминия, кремния, железа, кальция, и т.д. Среднее содержание некоторых компонентов ЗШМ представлено в табл. 2.
Предметом извлечения могут являться окислы алюминия (содержание в сырье 20,97-24,76%), кремния (57,05-60%) и железа (5,33 -11,32%).
Таким образом, для извлечения алюминий и железосодержащих компонентов, возможная технологическая схема переработки золошлакового материала включает:
бмкт
Рис. 2. Электронное изображение ЗШМ
1. Кислотную экстракцию (выщелачивание) алюминия, с получением сульфата и гидрооксида алюминия, применяемые для производства глинозема и коагулянтов.
2. Операцию мокрой магнитной сепарации для выделения концентрата железа с последующей флотацией алюмосиликатов на хвостах мокрой магнитной сепарации.
В данной работе был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) по кислотной экстракции.
Таблица 1
Элементарный состав локальных точек анализа
Элемент Весовой % (спектр 1) Весовой % (спектр 2) Весовой % (спектр 3) Весовой % (спектр 4) Весовой % (спектр 5) Весовой % (спектр 6)
Кислород 19,38 56,43 57,45 49,52 48,14 59,71
Железо 78,96 4,79 10,49 28,43 1,89
Алюминий - 9,98 4,64 5,98 8,68 12,34
Кальций 1,67 - - 19,07 - -
Калий - 2,66 1,42 - 0,91 1,97
Кремний - 26,14 36,49 11,70 13,83 23,21
Магний - - - 3,24 - -
Итого 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
Таблица 2
Силикатный анализ пробы
Компонент Среднее содержание, % Компонент Среднее содержание, %
SiO2 58,86 MgO 1,57
Л1203 22,20 к2о 1,79
Fe2Oз 9,21 Ыа20 0,76
СаО 2,62 ТЮ2 0,56
Примечание: Силикатный анализ выполнен в центральной лаборатории ФГУГГП «Дальгеофизика» - аттестат аккредитации Госстандарта России № РОСС Ш. 0001. 511545 действителен до 24.12.2012 г.
Параметром оптимизации являлся выход алюминия. Определение количества алюминия велось фотометрическим методом с алюминоном.
ПФЭ проводился по 3 факторам: температура, время и концентрация кислоты.
С помощью методов математической статистики, по методу наименьших квадратов была построена модель оптимального отклика.
у = 7.23 + 2.06х1 + 0.62х2 - 0.54х3
где: x1(температура), x2 (время проведения опыта), x3 (концентрация кислоты).
Анализ модели показывает, что наибольшее влияние на параметр оптимизации (выход алюминия) оказывает температура,
Рис. 3. Поверхность оптимального отклика модели
фактор времени экстракции влияет на функцию отклика слабее (более чем в три раза), концентрация кислоты оказывает отрицательное влияние на процесс экстракции. Коэффициент x3 имеет отрицательное значение, и означает, что при увеличении концентрации, извлечение сульфата алюминия падает. Однако, этот вывод справедлив только на исследуемом интервале.
Проверка адекватности по критерию Фишера дала положительный результат. Модель адекватна, линейная, парные коэффициенты не учитываются т.к. не прошли проверку значимости. Графически модель (рисунок 3) представляет плоскость, является по-
верхностью оптимального отклика, полученная с помощью программы MathCAD.
Для нахождения оптимума рекомендуется движение по градиенту [2]. В пределах исследования выявлено извлечение компонентов 60 %, что составляет 80 % от теоретически возможного.
Таблица 3
Итоговая таблица продуктов обогащения
Продукт Выход
г %
Магнитная фракция, концентрат ммс 32,7 3,45
Магнитная фракция, концентрат доводки хвостов 13,8 1,46
Итого м/ф 46,5 4,91
Промежуточный продукт 78,8 8,31
Хвосты КК 820,00 86,48
Подрешетный КК 0,25 0,02
Углистые 2,65 0,28
Итого 948,2 100,00
Вторая возможная технологическая схема переработки включает операцию мокрой магнитной сепарации для выделения концентрата железа с последующей флотацией алюмосиликатов на хвостах мокрой магнитной сепарации. При условиях опыта получены: магнитный концентрат, с содержанием железа 63-65%; глиноземный концентрат, с содержанием оксида алюминия 62% и отвальные хвосты, с содержанием железа 0,62% и оксида алюминия 9%.
Исследование по извлечению магнитной фракции проводилось двумя способами. Первый опыт заключался в первоначальном разделении с использованием магнитного сепаратора, с последующей концентрацией тяжелых компонентов хвостов мокрой магнитной сепарации (ммс) на концентраторе Нельсона (КЫ). Концентрат, выделенный на Нельсоне, в последующем подвергался доводке на магнитном сепараторе. Результат обогащения представлен в табл.
3.
Второй опыт заключался в первоначальной концентрации тяжелых компонентов на концентраторе Нельсона и последующей доводке на магнитном сепараторе. По итогам двух проведенных опытов установлено, что первый опыт является более продуктив-
ный по выходу магнитной фракции и является экономически более выгодным при перенесении на промышленные масштабы переработки. Схемный опыт с большой навеской, воспроизводится. Выход магнитной фракции соответствует пробному опыту.
Минералогическое изучение показало, что магнитная фракция представлена:
1. Магнетитом черного цвета, шаровидной формы, размером 0,01 - 0,02 мм;
2. Магнитными серебристо-серыми шарами и сфероидами размером 0,01 - 0,2 мм, нередко полыми, тонкостенными, хрупкими;
3. Стекловидными шарами с включением магнетита;
4. Обломками шлака с включениями сфероидов магнетита;
5. Остроугольными реже оплавленными обломками магнетита размером 0,1 - 3 мм.
Поскольку концентраты железа содержат хром, никель молибден, ванадий, то их можно использовать в качестве сырья для металлургической промышленности, получая при этом сплавы с определенными свойствами. Коллективный алюмосиликатный концентрат может служить сырьем при производстве глинозема или других кислородных соединений алюминия щелочным способом.
Таким образом, можно сказать, что золошлаковые отходы Хабаровского и Приморского края являются выгодным и перспективным сырьем. Они могут быть отнесены к техногенному минеральному сырью, которое, в отличие от природного, со временем накапливается, а не истощается, что повышает перспективность их изучения. Перенос технологии извлечения полезных компонентов в промышленные масштабы позволит решить проблемы связанные со складированием и хранением золошлаковых материалов.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пашков Г.Л. Золы природных углей - нетрадиционный сырьевой источник редких элементов // Соровский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7. - № 11. -С. 67-72.
2. Адлер Ю.Н. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. -279 с. шгЛ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Прохоров К.В. - инженер,
Богомяков Р.В. - стажер - исследователь,
Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.
E-mail: adm@igd.khv.ru
E-mail: bogomyakov@mail.ru
