CC BY
170
---------------------------------------- © Е.Ю. Фомина, О.С.Артемова,
2011
УДК 658.567.1
Е.Ю. Фомина, О.С.Артемова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Проведено исследование возможности получения глинозема из золошлаковых отходов. Ключевые слова: экология, термостат, глинозем, шихта, выщелачивание, обескремни-
вание, электростанция.
^ олошлаковые отходы (ЗШО) — побочный продукт деятельности электростанций, твердые отходы, образующиеся при сжигании твердого топлива. К ним относятся шлак и зола, транспортируемые по системам пневмогидроудаления и хранящиеся в специально подготовленных отвалах.
Проблема утилизации ЗШО ТЭС существует многие десятилетия, и до сих пор не найдено ее оптимальное решение. Суммарное количество накопленных ЗШО ТЭЦ ОАО «Иркутсэнерго» составляет свыше 80,0 млн т, свыше70,0 млн т располагаются в зоне особо охраняемой Байкальской природной территории. При суммарном годовом выходе ЗШО 1,6—1,8 млн т используется их около 20 %, в том числе сторонним организациям не более 11 %.
Одним из крупнотоннажных направлений использования ЗШО может стать переработка золы металлургическими методами с получением глинозема. Для этого можно использовать и золу-уноса, и золошлаковые материалы из отвалов ТЭЦ. Например, предприятие по переработке порядка 1,5 млн т ЗШО в год будет определенно обладать высокими технико-экономическими показателями. Достигается этот эффект во многом бла-
годаря значительному содержанию (до 30 %) А12О3 в ЗШО.
На кафедре обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии ИрГТУ проведено исследование возможности получения глинозема из золошлаковых отходов.
В качестве основных объектов исследования при изучении извлечения глинозема из золошлаковых отходов методом спекания как трехкомпонентной шихты, так и двухкомпонентной шихт были приняты образцы золы-уноса Ново-Иркутской ТЭЦ, золошлаковый материал ТЭЦ-9, а также хвосты после операции мокрой магнитной сепарации, характеристика которых приведена в табл. 1.
Методика исследования заключалась в следующем: компоненты шихты взвешивали с точностью до 0,001 г и тщательно перемешивали вручную в фарфоровой ступке. Шихта в корундовых тиглях помещалась с холодную печь и нагревалась до температуры спекания, при которой выдерживалась заданное время. Скорость нагрева составляла 8— 10° в минуту. После выдержки спек охлаждали до 600° за 1-1,5 часа, а затем до комнатной температуры в эксикаторе.
Выщелачивание спеков, измельченных до крупности -0,25 мм, осуществ-
Таблица 1
Характеристика ЗШО и хвостов ММС
Наименование проб ЗШО ТЭЦ-9 Хвосты ММС ТЭЦ-9 ЗШО Н-ИрТЭЦ Хвосты ММС Н-ИрТЭЦ
БЮ2 55,40 57,87 53,66 54,06
ТЮ2 0,811 0,833 0,894 0,965
Л12О3 28,13 28,17 24,6 27,93
Fe2O3 общий 5,2 4,36 9,31 4,69
МпО 0,058 0,051 0,105 0,084
MgO 1,378 1,385 2,158 2,134
СаО 4,979 5,035 6,862 6,697
Ка2О < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20
К2О 0,658 0,731 1,311 1,381
Р2О5 0,124 0,123 0,132 0,149
Ва+Се 0,037 0,039 0,068 0,072
Бг 0,0338 0,0342 0,065 0,072
Zn 0,0343 0,0356 0,0302 0,0308
п.п.п. 3,14 1,31 0,67 1,66
Сумма 99,99 99,99 99,93 99,95
лял ось при интенсивном перемешивании в стеклянном закрытом сосуде, помещенном в термостат. Сосуд был снабжен обратным холодильником. Выщелачивание проводилось при температуре 70° в течение 30 мин содощелочным раствором, содержащим 1 моль №2Оу и 0,25 моль Ка2Ок на 1 моль А1203 спека и отношении Ж:Т= 5:1. При этих условиях содощелочной раствор для выщелачивания спеков содержал А г/л №2Оу и В г/л Ка2Ок.
По окончании выщелачивания алюминатный раствор отделялся от шлама фильтрованием. Шлам промывался на фильтре горячей водой. Извлечение глинозема и щелочи из спе-ков определялось по данным химического анализа растворов и по данным рентгенофлуоресцентного силикатного анализа. На растворах отдельных опытов проведено обескремнивание с получением глинозема.
С целью установления оптимального состава для каждого образца ЗШО были
испытаны несколько шихт, отличавшихся друг от друга дозировкой соды и углекислого кальция, вводимых для связывания окислов железа и титана в ферриты и титанаты натрия и кальция. При этом количество №2СО3 и СаС03 во всех случаях было достаточным для образования алюмината натрия и двухкальциевого силиката. В табл. 2 приведены результаты экспериментов по спеканию ЗШО ТЭЦ -9 и Н — ИрТЭЦ.
Проведенные опыты позволили установить, что двухкомпонентные шихты позволяют извлекать глинозем в раствор из полученных спеков не более чем на 57 %. Наиболее высокие показатели получены на трехкомпонентной шихте. Так, максимальное извлечение глинозема из ЗШО ТЭЦ-9 составило 83,68 % на шихте состава СаО:БЮ2=2; Ш2О: (Al2Oз+Fe2Oз)=1
при спекании в течение 1 часа при температуре 1200 0С, в таких же условиях для золы Н-ИрТЭЦ получено максимальное извлечение — 87,07 %.
№ Параметры исследования Выход % Содержание Al2Oз % Извле-
п\п Шихта Темпе- ратура Время спекания Спека Кека выще- лачи- вания Исходный мате-риал Кек вы-щела-чивания чение Al2Oз в рас-твор%
ТЭЦ — 9
1 СаО^Ю2=2 ; Na2O:(AІ2Oз+F е203)== 1 1200 1 час 83,69 87,62 28,13 4,90 82,58
2 СаО^Ю2=2 ; Na2O:(AІ2Oз+F е203)== 1 1200 1 час 86,46 85,24 28,13 4,59 83,68
3 СаО^Ю2=1 ; Na2O:(AІ2Oз+F е203+ +SiO2)=1 1200 1 час 70,54 81,22 28,13 4,63 83,54
4 CaO:SiO2=1 ; Na2O:(Ai2Oз+F е203+ +SiO2)=1 1200 1 час 69,36 80,64 28,13 4,82 82,87
Н — ИрТЭЦ
5 СаО^Ю2=2 ; Na2O:(Ai2Oз+F е203)== 1 1200 1 час 84,82 81,47 24,6 6,88 72,03
6 СаО^Ю2=1 ; Na2O:(Ai2Oз+F е203+ +SiO2)=1 1200 1 час 84,49 77,93 24,6 4,68 80,98
7 СаО^Ю2=2 ; Na2O:(Ai2Oз+F е203)== 1 1200 1 час 67,48 77,88 24,6 3,18 87,07
8 СаО^Ю2=1 ; Na2O:(Ai2Oз+F е203+ +SiO2)=1 1200 1 час 69,47 78,45 24,6 3,84 84,39
Проведенные исследования показали, что получение саморассыпающихся спеков, пригодных для последующего выщелачивания из исследованных проб ЗШО, возможно только на трехкомпонентных шихтах.
Важнейшими характеристиками алюминатных спеков, определяющими их поведение при выщелачивании, кинетику и полноту извлечения полезных компонентов и свойства шламов, являются пористость, крупность, удельная поверхность и твердость. Плотность, пористость и твердость спеков взаимо-
связаны и определяются, главным образом, температурой спекания. Существенное изменение пористости спека происходит при температуре выше 1200 оС, также на плотность спека влияет состав шихты и продолжительность спекания. Если эти режимы подобраны не оптимально, уменьшается пористость спека, происходит его усадка; в результате образуется сплав, не пригодный для выщелачивания. Изменение физических свойств спеков с ростом температуры и продолжительности спекания более ярко выражено для спеков с повышенным со-
Объект Шихта Температура Продолжительность
ТЭЦ9 Ыа2О:^е2О3 +ТЮ2)=0,5 1250 1час
ТЭЦ9 СаО:^е2О3 +ТЮ2)=10 1200 1 час
Н-ИрТЭЦ Ыа2О:( Fe2О3 +ТЮ2)=1 1250 1 час
Н-ИрТЭЦ N 2О:( Fe2О3 +ТЮ2)=0,5 1250 1 час
Н-ИрТЭЦ N 2О:( Fe2О3 +ТЮ2)=1 1150 1 час
Н-ИрТЭЦ Ыа 2О:( Fe2О3 +ТЮ2)=2 1150 1 час
Н-ИрТЭЦ СаО:( Fe2О3 +ТЮ2)=4 1200 1 час
Н-ИрТЭЦ СаО:( Fe2О3 +ТЮ2)=6 1200 1 час
Н-ИрТЭЦ СаО:( Fe2О3 +ТЮ2)=2 1200 2 часа
Н-ИрТЭЦ СаО:( Fe2О3 +ТЮ2)=2 1200 2 часа
Н-ИрТЭЦ СаО:( Fe2О3 +ТЮ2)=2 1200 2 часа
Н-ИрТЭЦ CaO:(Fe 2О 2+ТЮ 2)=2 1200 2 часа
держанием окиси железа (Н-ИрТЭЦ: содержание Fe2O3 общего составляет 9,31 %; ТЭЦ- 9: содержание Fe2O3 общего — 5,2 %). В табл. 3 приведены результаты экспериментов, в которых получены сплавы. Поскольку в продукте Н-ИрТЭЦ содержание железа выше, чем в продукте ТЭЦ-9, то и количество экспериментов с образованием в результате спекания сплавов больше.
Для спеков, полученных в опытах с максимальным извлечением А12О3 (опыты №2 для ТЭЦ-9 и №7 для Н-ИрТЭЦ в табл. 2) были проведены исследования по обескремниванию, карбонизации растворов и кальцинации с получением конечного продукта — глинозема.
В проведенных экспериментах использовали способ двустадийного обес-кремнивания с выделением основной массы БЮ2 в виде ГАСН на первой стадии и небольшой части ее в виде кальциевых соединений на второй. Первую стадию обескремнивания алюминатных растворов проводили в автоклаве при температуре 160°С и интенсивном перемешивании, продолжительность опыта составила 2,5 ч. Обескремненный алюминатный раствор после фильтрации направляли на вторую стадию обес-
кремнивания (продолжительность 2,2 ч; температура 90°, расход извести 4,0 г/л).
Пульпу после второй стадии подвергали фильтрации. Отфильтрованный раствор отправляли на карбонизацию. Карбонизацию проводили в течение 6 ч при 70—80°С. В проведенном эксперименте глинозем получали прокалкой гидроокиси алюминия при 1150— 1200°С в течение 30 мин.
В результате исследований получен глинозем, соответствующий по составу металлургическому глинозему по содержанию оксидов алюминия, цинка, железа, фосфора, натрия и калия.
На основании проведенных нами исследований разработаны схемы переработки ЗШО с получением глинозема. Подобные технологические схемы переработки способом спекания кольских нефелиновых концентратов и нефелиносиенитовой породы Сибири освоены на трех предприятиях России: на Волховском алюминиевом и Пикалевском глиноземном заводах и Ачинском глиноземном комбинате.
Согласно рекомендованной нами схеме исходные ЗШО подаются на приготовление шихты вместе с дробленым известняком, свежей содой, оборотным
содовым раствором и оборотными продуктами (шламами обескремнивания, известковый шлам). Готовую шихту подают на спекание в трубчатую печь. Спек после печи направляют в охладитель, откуда выгружают на выщелачивание оборотным содощелочным раствором. Шлам после выщелачивания направляют в отвал или для дальнейшей переработки при производстве цемента или пенобетона, а алюминатный раствор подвергают обескремниванию первой стадии в автоклавной установке. Далее растворы фильтруют, полученный шлам направляют на спекание с исходной золой, а алюминатный раствор подвергают глубокому обескрем-ниванию обработкой известью. Раствор сгущают, фильтруют и подвергают карбонизации, а известковый шлам
используют в обороте схемы. Карбонизация осуществляется барботирова-нием через раствор смеси газов, содержащих СО2. Получаемую гидроокись алюминия отделяют сепарацией и фильтрацией от раствора и промывают. Промытую гидроокись алюминия кальцинируют прокалкой в трубчатых вращающихся печах. В результате кальцинации получают готовую продукцию — глинозем.
Таким образом, проведенные нами исследования показали возможность повышения уровня утилизации ЗШО ТЭС с целью сокращения их накопления, улучшения экологической обстановки в районе расположения ТЭС, а также получения дохода от реализации продукции, полученной из золошлаковых отходов.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------
Фомина Е.Ю., Артемова О. С. — Иркутский государственный технический университет, cpk@istu.edu
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ХРИСАНОВ Павел Евгеньевич Обоснование параметров технологии отработки запасов мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства 25.00.22 к.т.н.
