CC BY
102
---------------------------------- © Т.Н. Александрова, К.В. Прохоров,
2010
УДК 622.77
Т.Н. Александрова, К.В. Прохоров
ОЦЕНКА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ЛУЧЕГОРСКОЙ ТЭЦ)
Обоснованы методы комплексной переработки золошлакового материала (ЗШМ). Исследован процесс магнитной сепарации с получением железосодержащего концентрата и экстракция алюминия кислотой. На основе полученной математической модели предложены оптимальные параметры процесса. Проведен сравнительный анализ ЗШМ и хвостов обогащения на содержание токсичных элементов и элементов, определяющих возможную экономическую значимость при извлечении.
Ключевые слова: золошлаковый материал, экстракция, магнитный концентрат, алюминий, железо содержащие компоненты, анализ, планирование эксперимента.
Семинар № 10
Ж~ Несмотря на постепенное увеличение доли ядерных и гидроэлектростанций, теплоэлектростанции остаются до сих пор и, видимо, останутся в ближайшем будущем основным источником энергии для производства, транспорта и быта.
Горючие ископаемые являются в настоящее время основным источником энергии. Применение угля для производства электроэнергии и тепла приводит к образованию большого количества различного рода отходов, что требует развития экономичных и безвредных для окружающей среды технологий по их использованию и утилизации. Золошлаковые отходы - один из самых распространенных отходов современной цивилизации.
Постоянное накапливание отходов теплоэнергетики приводит к отторжению значительных территорий и формированию огромных складированных, искусственно созданных минеральных масс, образующих техногенные месторождения. Наибольшую опасность пред-
ставляют золоотвалы находящиеся в непосредственной близости от населенных пунктов. К числу негативных последствий формирования техногенных массивов так же следует отнести трансформацию ландшафтов, ухудшение состояния атмосферы, сокращения площадей земель, пригодных для сельскохозяйственного пользования, загрязнения почвенного покрова, развития эрозионных процессов [1].
Поэтому рассматривать отходы любого производства нужно не только как опасный экологический фактор, но и как вторичное сырье, содержащее ценные компоненты (рис. 1). Золошлаковые материалы (ЗШМ) представляют собой такой же товарный продукт, как электроэнергия и теплота. В зарубежной практике их называют попутными продуктами сжигания угля [2].
Необходимость вовлечения их в промышленную переработку очевидна, однако разнообразие химического и вещественного состава золошлаковых отвалов, как по основным компонентам, так
и по элементам-примесям свидетельст- подхода к изучению подобного нетради-вует о необходимости комплексного ционного сырья.
Рис. 1. Подходы к формированию системы управления отходами
На решение этой актуальной научнопрактической задачи направлены исследования автора, включающие оценку возможности извлечения ценных компонентов из золы уноса ТЭЦ, разработку методов извлечения алюминия и железа, выявление возможных путей извлечения редких и благородных металлов.
Проблема и методы переработки ЗШМ все чаще встречается в научных трудах и публикациях (Булгакова Е.В., Кашковский В.И., Захаров В.И. и др.), однако вопрос мало изучен на примере ЗШМ юга Дальнего востока.
Основная цель исследования - научное обоснование комбинированных и специальных методов обогащения ценных компонентов, содержащихся в золошлаковых отходах, на основе проведения комплексных теоретических, лабораторных, натурных экспериментальных исследований. Для реализации поставленной цели были решены следующие целевые задачи: Отбор и камеральная обработка проб на объектах Хабаровского и Приморского краев, анализ современных состояния проблемы и патентной документации для обоснования методов извлечения ценных ком-
понентов, экспериментально-
теоретичес-кие исследование состава и структуры техногенных отходов с применением методов силикатного, химических и физико-химических методов анализа включающих: рентгенофлуоресцентный; атомно-адсорбционный; электронно-микроскопический и др.;
Объектом исследования явились золы Хабаровской ТЭЦ-3 и Лучегорской ГРЭС. Основным компонентом их состава является шлак черного, серого реже беловато-серого цвета, пористой, пемзовой, ноздреватой и плотной текстуры; в виде обломков размером 0,01 -3,00 мм.
Для наглядности результат анализа представлен изображениями образца ЗШМ (рис. 2) и спектра распределения элементов.
Силикатным анализом выявлено, что золы являются сосредоточением оксидов алюминия, кремния, железа, кальция, а так же цинка, никеля, свинца, бария, ванадия и т.д. Отходы ТЭС можно рассматривать как сложное техногенное сырье, пригодное для переработки известными методами, с
целью получения конечных продуктов, пригодных для народного хозяйства. Предметом извлечения могут являться окислы алюминия (содержание в сырье
20,97-24,76 %), кремния (57,05-60 %) и железа (5,33-11,32 %).
Элеменг Весовой %
О 43.13
А1 13.11
Ре 10.68
К 2.43
Са. 1.91
ЗООмкт
Рис. 2. Электронное изображение ЗШМ
В связи с этим рассмотрены следующие схемы переработки ЗШМ: мокрая магнитная сепарация для выделения концентрата железа применяемого в металлургии, кислотная экстракция алюминия, с получением сульфата алюминия, применяемые для производства глинозема и коагулянтов.
Помимо исследованных методов переработки и обогащения золошлакового материала рассматриваются схемы: установление особенностей благородной минерализации хвостов этапов обогащения и гравитационно-флотационное извлечение золота из хвостов обогащения, угольной флотации (с обоснованием оптимальных режимов и типов фло-тареагентов). Содержание угольной составляющей в золе уноса достигает 5 %.
Электронное изображение 1
В процессе исследований извлечения ценных компонентов из ЗШО использовали традиционные методы обогащения.
Исследование по извлечению магнитной фракции проводилось на электромагнитно барабанном сепараторе. Результат обогащения представлен в табл.
1. В процессе обогащения было установлена благородная минерализация хвостов обогащения на содержание золота. В связи с этим, была проведена флотация хвостов обогащения на флотомашинах и концентрация промежуточного продукта на концентрационном столе.
Таблица 1
Итоговая таблица продуктов обогащения магнитной фракции
Таблица 2
Порог «токсичности» содержаний малых элементов
Ве V Cd Мп As № РЬ Sb Т1 Zn Сг
Порог, г/т 50 100 1.2 1000 300 100 1 50 6 0,3 200 100
Новый отвал
Содержание в золе, г/т 4 100 15 600 300 20 сле- ды 10 15 5 40 3000
в хвостах обогащения, г/т нд сле- ды 720 следы сле- ды сле- ды 18 20 нд 1140 110
Старый отвал
Содержание в золе, г/т 6 40 15 2000 300 10 сле- ды 30 15 5 100 1000
в хвостах обогащения, г/т нд - сле- ды 270 следы 40 сле- ды 35 20 нд 1075 110
Продукт Выход, %
Магнитная фракция, концен- 3,45
трат ммс
Магнитная фракция, концен- 1,46
трат доводки хвостов
Итого м/ф 4,91
Промежуточный продукт 8,31
Хвосты КМ 86,48
Углистые 0,3
Итого 100,00
В итоге получено до 5 % магнитного концентрата с содержанием железа 48 %. Магнитная фракция представлена: магнетитом черного цвета, шаровидной формы, магнитными серебристо-серы-ми шарами и сфероидами.
В концентрате флотации хвостов обогащения обнаружено содержание золота 0,4 г/т, а в концентрате стола -10-30 г/т.
Дальнейшая переработка ЗШМ включает кислотную экстракцию полезных компонентов. Особую важность представляет извлечение алюминия. В работе был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) по кислотной экстракции [3]. Экстракцию проводили в стеклянном реакторе, оборудованном
мешалкой. Температуру поддерживали с точностью до 0,5 °С. Параметром оптимизации являлся выход алюминия. Определение количества алюминия велось фотометрическим методом с алюминоном по ГОСТ 18165-89 [4].
Обработку экспериментальных данных проводили методом наименьших квадратов, а в качестве математической модели использовали линейную модель
у = 7,23 + 2,06х1 + 0,62х2 - 0,54х3.
С использованием значений порогов «токсичности» элементов справочника «Ценные и токсичные элементы в товарных углях России» [5], проведен сравнительный анализ содержания токсичных элементов золы. Результаты анализа приведены в табл. 2.
Анализ и сопоставление данных полученных элементным и др. анализами показал, что большинство элементов (V, Cd, Мп, As, РЬ, Sb, Т1, Zn, Сг) определяющих токсические свойства отходов, превышают на локальных участках порог токсичности.
С точки зрения экономической целесообразности переработки необходим допустимый минимум содержания ме-
Таблица 3
Минимальные содержания малых элементов, определяющие возможную промышленную значимость
Be V Hf Au In Cd Pt Tl Zr Y
Минимальное содержание 20 150 25 0.1 1 5 0.025 5 б00 75
Новый отвал
Содержание в золе, г/т 4 100 30 3 2 15 3 5 б0 20
Содержание в хвостах обогащения, г/т нд - - 3 нд следы следы нд 74 следы
Старый отвал
Содержание в золе, г/т б 40 30 3 2 15 3 5 100 10
Содержание в хвостах обогащения, г/т нд - - 3 нд следы следы нд 17б следы
талла в руде. С использованием значений минимального содержания, проведен анализ минимальных содержаний элементов (помимо железа и алюминия), представляющих промышленный интерес. Результаты приведены в табл. 3. Количество большинства малых (за исключением благородных металлов) элементов содержащихся в ЗШО не представляют выгоды при известных методах и технологиях извлечения.
Поэтому необходима разработка более новых, менее энергозатратных методов извлечения так называемых малых элементов ЗШМ.
К тому же извлечение как ценных, так и токсичных элементов может оказаться менее затратным, нежели последующая нейтрализация вредного воздействия таких элементов
1. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду / М.А. Пашкевич. -СПб. - 2000. - 230 с.
2. Обращение с отходами производства и потребления: учеб. пособие / В.М. Болтруш-ко, Г.А. Волосникова, И.В. Гладун и др.; под общ. ред. Л.П. Майоровой, И.В. Гладуна. -Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 2004. - 207 с.
3. Адлер Ю.Н. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 279 с.
на окружающую среду в процессе их выщелачивания [6].
Таким, образом, на основании системного анализа выявлено, что практически не изученной в Хабаровском крае оказалась проблема использование золы и шлаков местной промышленностью. При этом установлено, что зола является источником большого количества ценных компонентов, в особенности металлов. В результате экспериментально-теорети-ческих исследований установлена зависимость выхода полезных компонентов от параметров и условий процесса обогащения. Обоснованы рациональные методы извлечения алюмо-и железосодержащих компонентов, а также металлов благородной группы из зольных отходов ТЭС.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. ГОСТ 18165-89 «Вода питьевая. Метод определения массовой концентрации алюминия».
5. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России. Справочник / Ю.Н. Жаров, Е.С. Мейтов, И.Г. Шарова и др. М.: Недра, 1996. - 239с
6. Rupper L.F., Finkelman R.B. Byproduct recovery of coal waste products - Can it work in the United States? // Impact of Hazardous air pollutants on mineral produces and cost-burning plants in the
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Александрова Т.Н. - доктор технических наук, заведующая лабораторией, Институт горного дела ДВО РАН, [email protected]
Прохоров К.В. - аспирант, Институт горного дела ДВО РАН, [email protected]
