CC BY
194
УДК 669.712:66.07
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-11111
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В ГЛИНОЗЕМНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
И. И. Шепелев, доктор техн. наук, профессор кафедры «Экология и природопользование» Красноярского государственного аграрного университета, Ekoing@mail.ru, г. Красноярск, Россия, О. В. Пиляева, канд. техн. наук, доцент кафедры агроинженерии, Ачинский филиал Красноярского государственного аграрного университета, olga_pilyaeva@mail.ru, г. Ачинск, Россия,
Е. Н. Еськова, канд. биол. наук, заведующий кафедрой «Экология и природопользование» Красноярского государственного аграрного университета, nikeskov@mail.ru, г. Красноярск, Россия, Е. В. Кирюшин, аспирант кафедры «Экология и природопользование», Красноярский государственный аграрный университет, 2549007@mail.ru, г. Красноярск, Россия
В данной работе рассмотрены экологические проблемы, возникающие в процессах спекания нефелиновой руды, и результаты физико-химических исследований твердых загрязняющих веществ, образуемых в выбросах печей спекания глиноземного производства. Проанализирован химический состав неорганической пыли на выходе из электрофильтров различных печей спекания. Изучены гранулометрический состав, микроструктура и морфогеометрия пыли газоочистных сооружений печей спекания АО «РУСАЛ Ачинск». Исследован химический состав подшламовой воды, отобранной до и после «мокрой» очистки газов. Предложены обоснованные технические решения по дополнительной «мокрой» очистке газов, обеспечивающих снижение выбросов загрязненных газов в атмосферу. Проведенные физико-химические исследования подтвердили, что образуемый шлам после «мокрой» очистки не токсичен и может размещаться на шламохранилище. Отработанная подшламовая вода используется в оборотных системах на технологические нужды глиноземного производства.
The paper discusses the environmental problems that arise in the sintering processes of nepheline ore, and the results of physical and chemical studies of solid pollutants formed in the emissions of sintering furnaces in alumina production. The chemical composition of inorganic dust at the outlet of electro filters in various sintering furnaces is analyzed. The granulometric composition, microstructure and morphogeometry of the dust in the gas treatment equipment of the sintering furnaces in JSC "RUSAL Achinsk" were studied. The chemical composition of the sub-sludge water selected before and after the "wet" gas treatment was studied. The reasonable technical solutions for additional "wet" gas treatment that reduce the emissions of polluted gases into the atmosphere are proposed. Physical and chemical studies have confirmed that the generated sludge after "wet" gas treatment is non-toxic and can be placed on the sludge storage. The spent sub-sludge water is used in circulating systems for the technological needs of alumina production.
Ключевые слова: глиноземное производство, «мокрая» очистка газов, химический анализ, физико-химические исследования, пыль, электрофильтры.
Keywords: alumina production, "wet" gas treatment, chemical analysis, physical and chemical research, dust, electrofilters.
Введение. В промышленных газовых выбросах содержатся частицы, которые очень разнообразны по составу, агрегатному состоянию, имеют различную дисперсность. К газоочистным установкам относится оборудование, осуществляющее операции по доочистке газов, отходящих из технологических теплоэнергетических установок. Ни одно современное металлургическое производство не может работать сегодня в безотходном режиме, и если отсутствуют отходы материального значения, то выбросы вредных компонентов загрязняющих веществ в атмосферу имеются практически повсеместно [1].
С целью обеспечения санитарно-гигиенических нормативов качества атмосферного воздуха печные газы подвергаются последовательной очистке в пылеулавливающих установках. Для получения более высокой степени очистки газов, помимо пылевых камер и электрофильтров, могут быть предусмотрены еще и «мокрые» скрубберы. «Мокрую» очистку газов от пыли применяют, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые частицы достаточно хорошо смачиваются водой. Этот способ очистки основывается на контакте запыленного газа с промывной жидкостью. Если улавливаемые ч астицы пыли не смачиваются жидкостью, то очистка газа в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В таких случаях для увеличения смачиваемости частиц и степени очистки к промывной жидкости добавляют поверхностно-активные вещества. В АО «РУСАЛ Ачинск» в качестве жидкости в опытно-промышленной установке «мокрой» очистки газов применили оборотную подшламовую воду. «Мокрая» очистка газов позволяет одновременно улавливать твердые частицы и газообразные компоненты. Взвешенные в
газе частицы пыли смачиваются, утяжеляются, а затем выводятся из газового потока под действием гравитационных сил или сил инерции либо захватываются жидкостью и удаляются в виде шлама. Газ не только очищается, но и одновременно охлаждается. Промышленные установки для «мокрой» очистки газовых выбросов имеют ряд достоинств:
— сравнительно небольшую стоимость изготовления;
— высокую эффективность улавливания частиц пыли;
— возможность их использования при высокой температуре и повышенной влажности газов, а также в случае опасности самовозгорания или взрыва очищаемых газов или улавливаемой пыли;
— возможность одновременного осуществления очистки г азов от взвешенных ч астиц и извлечения газообразных примесей (абсорбция) и охлаждения газов (так называемый «контактный теплообмен») [2].
В ходе промышленных испытаний по мокрой очистке газов опробованы были различные расходы орошаемой жидкости и объемы очищаемых газов.
Целью настоящих исследований явилась разработка технических решений для повышения эффективности процесса последовательной очистки отходящих газов в пылевых камерах, электрофильтрах и скрубберах. Для решения поставленных задач были проведены физико-химические исследования пыли газоочистных сооружений печей спекания и выполнен анализ изменения химического состава подшламовой воды до и после установки «мокрой» очистки газовых выбросов от печей спекания.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования является тонкодисперсная неорганическая пыль, образуемая в газоочистных сооружениях различных печей спекания. Для обработки и визуализации экспериментальных дан-
ных использованы различные методы, такие как: химический анализ, рентгенофазовый анализ, метод электронной микроскопии. Отобранные пробы пыли подвергались рентгенофазовому анализу на рентгеновском дифрактометре ДРОН-Зм (напряжение 36 кВ, ток 14 мА) в СиКа-излуче-нии с использованием для расшифровки спектров программы ЕС-1020 и рентгенографической картотеки и с помощью поисково-информационной системы РФА-«Фазан» [3]. Фазовый состав минеральных продуктов определяли на мессбау-эрском спектрометре электродинамического типа с радионуклеидом57Со в хромовой матрице — МИКХ-1 с интенсивностью 500 мБк. Химический фазовый и элементный анализ минеральных продуктов проводили по известным методикам [4]. Электронно-микроскопические исследования проводили на низковакуумном сканирующем электронном микроскопе ТМ3000 (Hitachi, Япония) со встроенным энергодисперсионным спектрометром и системой рентгеновского микроанализа Quantax70 (Bruker) в обратно отраженных электронах. Изображения получали в обратно отраженных электронах при ускоряющем напряжении 15 кВ [5].
Результаты и обсуждение. На первом этапе был выполнен химический анализ пыли неорганической с содержанием до 20 % SiO2 на выходе из электрофильтров различных печей спекания. Результаты химического анализа пыли электрофильтров печей спекания приведены в табл. 1.
Анализ данных табл. 1 показал, что на выходе из электрофильтров печей спекания содержание отдельных соединений сильно различается. Так, основной состав пыли электрофильтров печей спекания № 1, 7, 9 представлен в основном кальцитом (СаСОз) и оксидом кальция (СаО), пыль электрофильтров печей спекания № 2, 4, 5, 6 содержит в большей степени сильвинит (КС1) и га-лит (NaCl), что подтверждают данные рентгено-фазового анализа.
Таблица 1
Результаты испытаний пыли электрофильтров печей спекания АО «РУСАЛ Ачинск»
Определяемые показатели Массовая доля компонента, %
Печь № 1 Печь № 2 Печь № 4 Печь № 5 Печь № 6 Печь № 7 Печь № 8 Печь № 9 Печь № 11
SiO2 7,94 5,44 2,71 2,62 3,48 10,71 6,26 11,61 7,1
CaO 17,78 8,41 2,44 2,79 7,0 22,93 11,34 27,58 14,1
MgO 0,5 0,6 0,5 0,15 0,6 0,8 0,6 0,6 0,5
Fe2O3 1,11 1,05 0,63 0,73 0,59 1,5 1,37 1,57 1,27
AI2O3 6,63 4,08 2,04 1,91 2,61 7,4 4,46 8,93 5,17
SO3 8,29 8,38 9,93 10,75 10,99 11,15 8,61 6,1 8,1
Хлориды 11,64 23,68 26,94 27,6 25,67 10,93 19,5 5,04 6,03
Потери при 12,19 7,22 5,34 14,8 5,0 19,8 8,36 22,9 9,79
прокаливании
В последующих экспериментах были изучены гранулометрический состав и проведены исследования микроструктуры и морфогеометрии пыли газоочистных сооружений печей спекания АО «РУСАЛ Ачинск». Гранулометрический анализ пыли неорганической с содержанием до 20 % $Ю2 глиноземного производства АО «РУСАЛ Ачинск» приведен в табл. 2.
На рис. 1 представлено СЭМ изображение частиц пыли электрофильтров печей спекания шихты № 1—5.
Как видно из рис. 1, кальцит представлен неровными обломочными частицами (30—50 мкм). Прослеживаются массивные (до 100 мкм) частицы галита, вмещающие м елкие (1—10 мкм) кубики сильвинита.
На следующем этапе настоящих исследований считалось целесообразным изучить изменение химического состава раствора, который используется в качестве орошающей жидкости в установке «мокрой» очистки газовых выбросов от печей спекания. Для очистки газовых выбросов в данной установке применяется подшламовая вода. Химический состав подшламовой воды, отобранной до и после установки «мокрой» очистки (УМО) газов печи спекания № 11, приведен в табл. 3.
Анализ табл. 3 показывает, что при направлении отходящих газов от электрофильтров и прохождении их через раствор подшламовой воды в инерционном скруббере установки УМО происходит карбонизация каустической соды по реакции:
2КаОИ + С02 = Ка9С03 + Н20.
^Шгг . у Жл^шК, уг " т Г А
ЩРЯ
■ 1 щ ® ИИ? 1
ТМ3000_ 4692 2015—05—26 А Б6,7 х200 500 ит
2С03
12°
Рис. 1. СЭМ изображение частиц пыли электрофильтров печей спекания шихты № 1—5 (присыпка на проводящий углеродный скотч), увеличение х200
При взаимодействии подшламовой воды, в которой присутствует алюминат натрия, с углекислым газом содержание каустической щелочи уменьшается, это ведет к снижению стойкости алюминатного раствора и выделению гидроксида алюминия в осадок по реакции:
КаА1(0И)4 + С02 = А1(0И)3^ + КаИС03.
Массовая концентрация каустической щелочности в подшламовой воде в пересчете на оксид натрия (Ка20ку) раствора, подаваемого на «мокрую» очистку, находилась в пределах 7,5—8,0 г/дм3. При взаимодействии подшламовой воды с углекислым газом содержание каустической щелочи в нем уменьшилось до 6,5 г/дм3, это показал проведенный химический анализ
Таблица 2
Гранулометрический состав пыли глиноземного производства АО «РУСАЛ Ачинск»
Наименование образца пыли Массовая доля частиц по фракциям, %
Фракции, менее мкм
0,6 1,0 2,0 3,0 5,0 10,0 15,0 30,0 50,0 Сред.
Пыль электрофильтров печей спекания № 1—5 1,4 6,8 16,1 23,1 32,0 47,5 62,2 96,7 100 11,0
Пыль электрофильтров печи спекания № 9 (поле 2) 1,6 4,5 9,9 13,8 23,2 50,3 72,6 97,8 100 9,3
Пыль электрофильтров печи спекания № 9 (поле 4) 2,5 9,6 19,6 29,4 48,5 68,8 78,5 99,5 100 6,5
Таблица 3
Химический состав используемой подшламовой воды до и после установки «мокрой» очистки газовых выбросов от печи спекания № 11
Наименование
Содержание компонентов, г/дм3
исследуемого раствора Al2Oз №2Оку Na2Oобщ Твердый осадок С1—
Подшламовая вода исходная 3,03 7,6 14,92 0,034 2,26 0,23
Подшламовая вода после УМО 3,0 6,5 18,0 0,15 2,7 0,2
Рис. 2. Фрагмент дифрактограммы шлама после «мокрой» очистки газов печи спекания № 11 с указанием
идентифицированных фаз:
V - кальцит (СаС03, й = 3,86; 3,04; 2,29 А, ЮРББ, 47-1743); ▼ - давсонит (МаА1С03(0Н)2, й = 5,66; 2,79; 2,15 А, КРББ, 45-1359); • - микроклин (КАШ308, й = 4,20; 3,70; 3,35 А, КРББ, 22-678); х - байерит (р-А1(0Н)3, й = 4,72; 4,36; 2,23 А, ЮРББ, 12-457)
жений печей спекания № 1—5. В меньших количествах присутствуют фазы давсонита и байерита. Образование давсонита (КаА1С03(0Н)2) и байерита (3А1(0Н)3) в шламе после установки «мокрой» очистки подтверждают рентгенограммы определенных фаз шлама (рис. 2) [6].
Идентифицировано также присутствие в малых количествах силикатного минерала — микроклина (КА181308). С применением электронной микроскопии было подтверждено наличие вышеприведенных минералов в образце шлама (рис. 3). Вместе с тем в шламе, кроме давсонита, определено наличие минералов нефелина и лар-нита, что обусловлено их присутствием в малых количествах в спековой пыли. В другом образце этого же шлама идентифицирован в основном кальцит с примесью тонкодисперсных минералов.
Проведенные физико-химические исследования показали, что концентрация каустической щелочи в подшламовой воде после пропускания ее через установку «мокрой» очистки снижается. Это обусловлено прежде всего тем, что происходит карбонизация каустической соды и поглощение раствором карбоната натрия углекислого газа с образованием бикарбоната. Снижение стойкости алюминатного раствора, содержащегося в под-шламовой воде, ведет к выделению гидроксида алюминия и кальцита в осадок. С увеличением
растворов. Содержание твердого в подшламовой воде после прохождения через скруббер «мокрой» очистки увеличилось с 0,034 до 0,15 г/дм3.
Наиболее высокое содержание в шламе после «мокрой» очистки имеет кальцит. Присутствие кальцита (СаС03) в шламе в основном обусловлено его наличием в пыли газоочистных соору-
TM3000_0844 2019-11-07 17:04HLD5,4 x1,0k100 um Obtained by FRC KSC SB RAS
Рис. 3. СЭМ изображение частиц шлама газоочистки (углеродный скотч, присыпка). Кубические и обломочные частицы кальцита. Крупные обломочные частицы давсонита и микроклина
количества циклов при взаимодействии подшла-мовой воды с углекислым газом концентрация каустической щелочи еще более уменьшается и возрастает количество твердой фазы. Образуемый в процессе «мокрой» очистки газовых выбросов шлам содержит в основном кальцит, который присутствовал в пыли электрофильтров. В шламе отмечено также наличие и других м инералов, которые образовались при взаимодействии пыли, подшламовой воды и углекислого газа. Учитывая, что шлам после «мокрой» очистки газов образуется в малых количествах, не содержит токсичных соединений, а по минералогии сходен с нефелиновым шламом, предложено его направлять на шламохранилище [1].
Заключение. Исследован минералогический состав шлама, образуемого в процессе «мокрой» очистки газовых выбросов на печах спекания. При попадании отходящих газов в инерционный скруббер, орошаемый подшламовой водой, происходит взаимодействие пыли спека со щелочью.
Присутствие кальцита (СаС03) в шламе в основном обусловлено его наличием в пыли газоочистных сооружений печей спекания. В меньших количествах присутствуют фазы давсонита и байерита. Наличие данных минералов в шламе подтверждают рентгенограммы идентифицированных фаз и результаты электронной микроскопии. Вместе с тем в шламе определено, кроме давсонита, наличие минералов нефелина и лар-нита, что обусловлено их наличием в малых количествах в спековой пыли.
Проведенные исследования подтвердили эффективность дополнительной ступени «мокрой» очистки газовых выбросов печей спекания глиноземного производства. Образуемый шлам после орошения в скрубберах подшламовой водой не содержит токсичных примесей и может быть размещен на шламовом поле совместно с нефелиновым шламом. Отработанная подшламовая вода направляется в систему водооборота на технологические нужды цеха гидрохимии.
Библиографический список
1. Гузаев В. А. Технические решения по повышению эффективности и надежности электрофильтров ФИНГО / В. А. Гу-заев, А. А. Троицкий // Сб. докладов IV Междун. межотраслевой конференции «Пылегазоочистка-2011». — Москва: ООО «ИНТЭКО», 2011. - С. 16-18.
2. Гумерова Г. Х., Дебердеева С. В. Проблема очистки промышленных газовых выбросов и пути ее решения // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 16. - С. 320-322.
3. Хамский Е. В. Кристаллизация и физико-химические свойства кристаллических веществ. - Л.: Наука, 1969. - 268 с.
4. Бондарев В. Л. Основы минералогии и кристаллографии с элементами петрографии. - М.: Высшая школа, 1986. -287 с.
5. Масленицкий Н. Н. Химический фазовый анализ алюминиевого сырья и неметаллических полезных ископаемых. -М.: Недра, 1983. - 178 с.
6. Фекличев В. Г. Диагностические спектры минералов. - М.: Недра, 1977. - 288 с.
SOLVING THE PROBLEMS OF CLEANING GAS EMISSIONS IN ALUMINA PRODUCTION
I. I. Shepelev, Ph. D. in Engineering, Dr. Habil., Professor, the Department of Ecology and nature management, Krasnoyarsk State Agrarian University, Ekoing@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia,
O. V. Pilyaeva, Ph. D. in Engineering, Associate Professor, the Department of Agricultural engineering, Achinsk Branch of Krasnoyarsk State Agrarian University, olga_pilyaeva@mail.ru, Achinsk, Russia,
E. N. Eskova, Ph. D. in Biology, Head of the Department of Ecology and nature management, Krasnoyarsk State Agrarian University, nikeskov@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia,
E. V. Kiryushin, Postgraduate student, the Department of Ecology and nature management, Krasnoyarsk State Agrarian University, 2549007@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia
References
1. Guzaev V. A. Tehnicheskie reshenija po povysheniju jeffektivnosti i nadezhnosti jelektrofil'trov FINGO. Sb. dokladov IV Mezhdun. mezhotraslevoj konferencii "Pylegazoochistka-2011". [Technical solutions for improving the efficiency and reliability of FINGO electric filters. Collected papers. IV international intersectoral conference "Dust and gas Cleaning-2011"]. Moscow, OOO "INTJeKO". 2011. P. 16-18 [in Russian].
2. Gumerova G. H., Deberdeeva S. V. Problema ochistki promyshlennyh gazovyh vybrosov i puti ejo reshenija. Vestnik Kazan-skogo tehnologicheskogo universiteta. [The problem of cleaning industrial gas emissions and ways to solve it. Bulletin of the Kazan technological University.]. 2011. No. 16. P. 320—322 [in Russian].
3. Khamskiy E. V. Kristallizacija i fiziko-himicheskie svojstva kristallicheskih veshhestv. [Crystallization and physical and chemical properties of crystalline substances.]. Leningrad, Nauka, 1969. 268 p. [in Russian].
4. Bondarev V. L. Osnovy mineralogii i kristallografii s jelementami petrografii. [Fundamentals of Mineralogy and crystallography with elements of petrography.]. Moscow, Vysshaja shkola, 1986. 287 p. [in Russian].
5. Maslenitskiy N. N. Himicheskij fazovyj analiz aljuminievogo syr'ja i nemetallicheskih poleznyh iskopaemyh [Chemical phase analysis of aluminum raw materials and non-metallic minerals.]. Moscow, Nedra. 1983. 178 p. [in Russian].
6. Feklichev V. G. Diagnosticheskie spektry mineralov [Diagnostic spectra of minerals.]. Moscow, Nedra. 1977. 288 p. [in Russian].
