CC BY
57
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
И.И. Мнушкин,
НГАУ
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Теоретический и практический опыт в области безотходной технологии переработки зол ТЭС позволяет определить основные положения ее концепции. Суммарный выход продуктов переработки зол, направляемых на потребление, должен быть около 100% и не оказывать отрицательного воздействия на окружающую среду. Технология переработки золы должна быть направлена на получение максимальной прибыли.
Для достижения поставленной цели необходимы следующие воздействия как на исходную золу, так и на ее фазовые составляющие:
♦ регулирование фазового состава зольных продуктов производится преимущественно сепарацион-ными и физико-химическими методами воздействия на образующуюся систему;
♦ модификация фазовых составляющих золы должна обеспечивать получение продуктов с высокими потребительскими свойствами;
♦ выбор того или иного технологического процесса должен определяться техническими условиями на производимую продукцию.
Золы ТЭС являются сложной полиминеральной системой, отличающейся неравномерностью состава.
В зависимости от реакционной способности, их минерального состава, параметров топочного процесса содержание компонентов в образующейся золе изменяется в широких пределах. Так, колебание содержания углерода в золах Приднепровской и Луганской ГРЭС может составлять 12-25 % в течение нескольких часов. Поэтому ориентация на какой-то средний состав золы приводит к получению материалов и изделий ухудшенного качества и ограниченного спроса.
Для получения продуктов с заданными свойствами необходимо направленное изменение физикохимических свойств полимине-рального сырья и отдельных компонентов, включающее изменение плотности частиц и их формы, магнитной восприимчивости, тепло- и электропроводности, микротвердости, удельной поверхности, содержания серы, углерода и некоторых других элементов.
Подобные изменения происходят при высокотемпературной обработке материала в топках котлов ТЭС (при сжигании угля).
При обогащении зол применяются четыре группы методов разделения полиминеральных систем: гравитационные, магнитные, электростатические и флотационные, а также специальные, учитывающие особенности сырья и назначение получаемых продуктов.
Небольшая концентрация некоторых компонентов и их тонкая вкрапленность представляет необходимость раскрытия зерен перед процессом сепарации, что достигается воздействием реагентов и измельчением частиц.
Разработан способ основной флотации, обеспечивающий получение углеродсодержащего концентрата зольностью не более 40%.
Процесс флотации осуществляется в присутствии специфических реагентов, эффективных для разделения зол.
Получаемый при флотационном обогащении зольный кек (минеральная фракция золы) может иметь зольность 94-99 %.
Разработаны сепарационные методы, обеспечивающие извлечение микросфер, которые отличаются высокими диэлектрическими свойствами, пониженной плотностью.
Обогащение золы-уноса приводит к образованию следующих продуктов: углеродсодержащего
концентрата, зольного кека и микросфер. Углеродсодержащий концентрат основной флотации представляет собой полидисперсную смесь углерода и минеральной составляющей с зольностью не более 40 %.
Химический состав углеродсодержащего компонента позволяет использовать его в двух отраслях -энергетике и металлургии, а минеральной части - в стройиндустрии.
Углеродный концентрат имеет следующие характеристики: массовая доля углерода, %, не менее 60,0; теплота сгорания, ккал, не менее 4000,0; зольность продукта, %, не более 40,0; массовая доля влаги, %, не более 16,0; массовая доля серы, %, не более 0,5; массовая доля класса +0,5 мм, %, не более 0,5; температура плавления золы, С, не более 1400,0; выход летучих, %, не более 2,0.
Минеральная часть золы (зольный кек) должен соответствовать следующим требованиям: зольность, %, не менее 95,0; насыпная объемная масса, кг/м3, 1,21,4; массовая доля рабочей влаги, %, не более 17,0; массовая доля класса +0,5 мм, %, не более 0,5; содержание серы, %, не более 0,2.
Химический состав минеральной части продуктов обогащения практически совпадает с химическими составом золы, за исключением содержания углерода.
Микросферы образуются при определенных условиях из летучей золы при сжигании углей на тепловых электростанциях. Они
Таблица 1
Химический состав продуктов обогащения золы Луганской ГРЭС
Компонент Углеродный концентрат Зольный кек Микро- сферы
SiO2 16,73 55,76 55,67
СаО 0,81 2,70 1,87
MgO 0,53 1,76 1,88
АІ2О3 6,63 22,09 27,42
Fe2Oз 3,20 10,67 5,58
гпо 0,01 0,03 0,02
МпО 0,02 0,08 0,04
ТІ02 0,29 0,96 0,90
Na2O 0,23 0,75 1,21
К2О 1,25 4,17 5,35
V 0,01 0,02 0,02
^бщ 0,50 0,06 0,04
с 69,79 0,95 -
Сумма 100,00 100,00 100,00
представляют собой полые сферические частицы, состоящие в основном из двуокиси кремния, трехокиси алюминия, заполненные двуокисью углерода и азотом.
Форма микросфер близка к сферической, гладкая внешняя поверхность, толщина оболочек 2-30 мкм. Средний диаметр микросфер разных ТЭС изменяется от 80 до 130 мкм, пределы изменения диаметра 20-350 мкм.
Микросферы для производства композиционных материалов должны обладать следующими свойствами: насыпная плотность, кг/м3, 360,0-400,0; средняя плотность, кг/м3, 600,0; плотность минеральной оболочки, кг/м3, 2200,0; влажность, %, 0,5-0,7; удельное сопротивление, Омм, 1012-1013; диэлектрическая проницаемость 2,2-2,6; прочность при гидростатическом сжатии, МПа, 18,0-31,0; теплопроводность, ккал/(м-ч),
0,08; температура размягчения, К, 1050,0-1160,0; температура плавления, К, 1380,0.
Основными компонентами минерального состава микросфер являются стеклофаза, муллит и кварц. В виде примеси присутствуют гематит, магнетит и окись кальция. Наибольшее содержание стеклофазы обнаружено в микросферах ТЭС, сжигающих антрациты. Содержание микросфер в угольной золе разных ТЭС колеблется от
0,2 до 1,2 % (масс.), максимальное - в золе каменных углей.
Углесодержащий концентрат может быть использован в качестве топливной добавки к котельному топливу ТЭС. Теплотворная способность его достигает 5000,0 ккал/кг.
Углеродсодержащий концентрат является также эффективным сорбентом аполярных поверхностно-активных веществ (ПАВ), в том числе и нефтепродуктов. Процесс очистки вод от ПАВ с помощью углеродсодержащей фракции золы может протекать по механизму масляной агломерации, что позволяет очищать воды при высокой концентрации нефтепродуктов.
Благодаря донорно-акцептор-ному взаимодействию модифицированный углеродсодержащий концентрат является эффективным сорбентом тяжелых металлов, в том числе серебра, железа, кобальта и др. Сорбенты можно получать путем регулирования процессов сжигания в сочетании с сепарацией образующихся продуктов. Проведена идентификация сорбентов и выявлено, что они являются анионоактивными.
Углеродсодержащий концентрат может быть эффективно использован для утепления зеркала металла при разливе спокойных марок стали вместо применяемых графитовых смесей.
Проведены исследования по использованию продукта для науглероживания стали и в качестве малосернистых восстановителей пирометаллургических процессов.
Модифицированный углеродный концентрат может использоваться для создания композитов, обладающих повышенной электропроводностью и термостойко-
стью в инертной и восстановительных средах.
Также может применяться как компонент для изготовления рези-но-технических изделий.
Обезуглероженные алюмосиликаты могут найти разнообразное применение при производстве строительных материалов и изделий, композитов, в металлургии и других отраслях.
Зольный кек, а также микросферы, отличающиеся высокими диэлектрическими свойствами, могут быть использованы в качестве наполнителей полимеров. Композиционные материалы на основе микросфер характеризуются пониженной плотностью и теплопроводностью.
В 1997 г. впервые в СНГ по регламенту Национальной горной академии Украины на Луганской ГРЭС (Украина) была внедрена технология переработки золы.
Проектная мощность установки, смонтированной на ТЭС, составляет 400 тыс. т в год. Установка включает узлы сгущения, флотации (основной и перечист-ной), фильтрования и сушки. Управление процессом флотации производится с помощью системы САРФ-3, позволяющей регулировать расход реагентов, нагрузку на флотацию, содержание твердой фазы в пульпе и другие параметры.
Наработана промышленная партия угольного концентрата (10 тыс. т) зольностью 22-25% и с содержанием серы 0,5-0,6% (извлечение более 90%). Полученные продукты направляются соответствующим потребителям (металлургия, энергетика и др. отрасли).
В процессе эксплуатации были выявлены трудности подачи золы на установку, связанные с тем, что содержание твердой фазы в золовой пульпе, направляемой на сгущение, в 2,5-3 раза ниже проектного из-за резкого снижения мощности ТЭС. В связи с этим возникла необходимость разработки золоотвала с помощью земснаряда, что позволило стабилизировать нагрузку на установку и обеспечить ее проектную производительность.
Установка работает в сопряженном со станцией режиме. Сброс отходов за пределы системы станция-установка не предусмотрен. Осветленная вода возвращается для использования в технологических процессах станции.
Анализ работы установки переработки золы показывает, что развитие инфраструктуры, в частности, строительство завода керамических изделий, позволит использовать основную массу продуктов сепарации. Это даст возможность решить проблему ути-
лизации всей золы Луганской ГРЭС и отказаться в перспективе от эксплуатации отвала.
Разработанная технология переработки зол, полученных при сжигании малореакционных углей, может найти применение на ряде ТЭС Украины и России.
© И.И. Мнушкин
Г.Н. Малухин,
МГГА
ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ В МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ ГИДРОТЕХНОЛОГИИ
Всасывание и пульпоприготовление является первичным звеном во всех гидротранспортных и массообменных процессах (выщелачивание, сорбция, перемешивание и т.д.) и определяет производительность всей технологической системы.
В добычных гидротранспортных системах всасывание осуществляется либо с поверхности (свободное всасывание) или «из под слоя» (с погружением всасывающего органа в слой грунта).
При гидротранспортировании несоответствие расчетной и действительной консистенции гидросмеси в транспортном трубопроводе приводим к нестабильности работы системы. Гидросмесь транспортируется (или всасываемся) с небольшим удельным количеством твердого с одной стороны и могут иметь место закупорки твердым трубопровода из-за недостаточного количества воды - с другой стороны, не обеспечивается тем самым надежность процесса гидротранспортирования (рабочая скорость должна превышать критическую для данного грунта У<р, т.е. ^>У<р).
Изучение процесса всасывания и его оптимизация в добычных гидротранспортных системах позволяет увеличить консистенцию гидросмеси, т.е. увеличить производительность по твердому; повысить надежность гидротранспортирования твердого, возможность работы при постоянном завале твердым.
В массообменных аппаратах (пачуках) всасывание осуществляется «из под слоя». При выщелачивании, перемешивании, сорбции в емкостях с применением эрлифта, гидроэлеватора, загрузочно-обменных емкостей как правило материал используется тонкодисперсный с небольшим содержанием его в пульпе. Таким образом эти процессы связаны со всасыванием суспензии, т.к. всасывание зернового материала затруднительно. Анализ всасывающей способности системы показывает, что можно работать с материалом значительной крупности, ограниченной только диаметром пульповода; консистенция перемешиваемой гидросмеси в обменно-загрузочных емкостях может достигать 50-55%, а в отдельных случаях 60% по объему.
При всасывании «из под слоя» одним из основных геометрических параметров является высота порового слоя твердого (песка, гравия, угля) над всасывающим наконечником, поскольку в динамике процесса фильтрации активной жидкости при всасывании имеют место значительные потери напора. По этой причине возникает несоответствие расчетной производительности добычной установки по воде и необходимой водопроницаемости порового слоя.
Масштаб турбулентности при взаимодействии движущейся жидкости и перемещаемого твердого определяет внутреннюю структуру всасываемого потока: твердое перемещается во взвешенном состоянии в объеме гидросмеси; часть зернового состава твердого перемещается скачками (сальтацией), а при всасывании крупнокускового материала имеет место донное движение твердого в состоянии объемного псевдоожижения.
Если по исследованию гидротранспортирования взвесенесущих потоков опубликовано значительное количество статей и монографий, то процесс всасывания изучался менее активно.
При всасывании происходит взаимодействие потока воды и частиц с критическими скоростями, соответствующими гидравлической крупности данного материал. Но не всегда количество жидкости при всасывании необходимо достаточно для создания этих скоростей. Это связанно со значительным сопротивлением формы наконечника и порового слоя. Для управления расходом воды устанавливаются две соосные трубы расчетного диаметра и длины, внутренней из которых является всасывающая, а кольцевой канал - подпитывающим. Таким образом можно эффективно управлять сопротивлением порового слоя, через который движется поток жидкости с градиентом давления Др, определяемым из баланса сил всасывающей линии:
1 V
Ар = р0 gHразр. + (Н - \ )р0 g - рп gH - 1 + — + Рп g
V2
2g
(1)
где ро - плотность воды, кг/м3; g- ускорение свободного падения, м/с2; рп- плотность пульпы, кг/м3; ^- высота переподъема, м; Н- полная высота подъема, м; Нразр- разряжение создаваемое гидродобычным агрегатом, м; Dxр- диаметр пульповода, м; Хп- коэффициент сопротивления по длине трубопровода для пульпы; |-коэффициент лобового сопротивления; V- скорость в трубопроводе, м/с.
Для устойчивой работы гидродобычной установки градиент давления должен быть больше или равен сопротивлению порового слоя, которое определяется:
АР = К
К
V-
-Р0 g
(2)
Vэкв 2 g
hсл - высота порового слоя, м; Хсл - коэффициент со противления каналов порового слоя; Dэкв - эквивалент
ный диаметр каналов порового слоя, м 2 £
(^экв = ~ и~--------); е - порозность слоя; V,, - ско-
3 1 - £
рость движения жидкости в поровых каналах слоя; dк -диаметр куска твердого в слое.
При проектировании гидротранспортных систем, процессов связанных с выщелачиванием, сорбцией необходимы исходные параметры, организующие процесс всасывания: необходимая консистенция всасываемой пульпы, расход фильтруемой жидкости при всасывании «из под слоя», гранулометрический состав материала, геометрия порового слоя, интенсивность циркуляции пульпы.
© Г.Н. Малухин
К.И. Лукина, доц., к.т.н., МГОУ
В.П. Шилаев, проф., к.т.н., МГОУ
ТЕХНОЛОГИЯ УДАЛЕНИЯ ГОРЮЧЕЙ МАССЫ ИЗ ОТВАЛЬНЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИХ В ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Одним из источников использования техногонного сырья для цементной промышленности является зола ТЭЦ. Однако ее применения ограничивается присутствием несгоревших частиц топлива и других составляющих компонентов.
К золам, применяемым в цементной промышленности, предъявляются требования, регламентируемые ГОСТами и техническими условиями. Так, по данным НИИ-цемента, предусматривается содержание компонентов в исходном сырье: двуокиси .кремния не менее 45
Рис. 1. Схема флотации золы Молдавской ГРЭС %, окислов алюминия не менее 12
%; потерь после прокаливания (п.п.п») не более 16% [1]. Московским государственным открытым университетом (МГОУ) и НИИ-цементом разработана технология переработки золоотвалов ГРЭС и ТЭЦ методом флотации. Из золь: различной качественной характеристики (Молдавская ГРЗС и Московская
Рис. 2. Схема флотации золы Московской ТЭЦ
ТЭЦ) по указанной технологии получена алюмо-силикатная масса, пригодная для производства цементного клинкера.
Исследования показали, что золы ГРЭС и ТЭЦ по гранулометрической характеристике и минеральному составу адекватны угольным шламам. Анализ технологии по алотации угольных шламов предопределил условия обогащения отвальных отходов
ГРЭС и ТЭЦ [2, 3]:
1) плотность пульпы составляет 17-25 % твердого;
2) собирателями обычно являются: керосин, ААР и другие апо-лярные реагенты при их расходе 1-2,2 г/т;
3) в качестве пенообразователей используют пенореагент или Т-66 при их расходе от 50 до 300 г/т.
В проводимых опытах оптимальными условиями флотации золы Молдавской ГРЭС приняты:
1) содержание твердого в исходной пульпе - 20 %,
2) расход керосина - 600 г/т;
3) расход вспенивателя 1-66 -
260 г/т;
4) время флотации, мин: а) ос-
Результаты флотации золы Молдавской ГРЭС сравниваемых вариантов
схем обогащения
новной и контрольной - по 3; пе-речистной операции - 2.
Результаты исследований сведены в табл. 1-3.
Анализ табл.2 показывает, что для получения кондиционных хвостов возможны два варианта схем обогащения: 1) с одной операцией (основная флотация); 2) две операции (основная и контрольная флотации).
По данным табл. З следует, что из золы с содержанием потерь после прокаливания 28,2 % методом флотации возможно получение продуктов с различной качественной характеристикой, которые могут быть использованы в соответствующих технологиях переработки сырья. Так, в рассматриваемых вари антах массовая доля потерь после прокаливания в хвостах ниже нормативной для клинкера при получении цемента (норма до 16% п.п.п.) и составляет соответственно 6,96 и 1,32 %, Выход этого продукта - 60,37 и 49,395% соответственно при применении одной и двух операций флотации.
Исследования, проведенные на золе Московской ТЭЦ, показывают, что применение флотации позволяет также получить продукты с различной качественной характеристикой.
Массовая доля п.п.п. в продуктах классификации Московской ТЭЦ колеблется в пределах от 30,05 до 39,38 % (табл. 4). Наиболее богаты горючей массой нижние классы (-20 и -60+20 мкм), выход которых составляет 62,36 %.
Опыты флотации золы Московской ТЭЦ проводились с применением основной, перечистной и двух контрольных флотаций (рис.2)
Оптимальные условия флотации: 1) содержание твердого в исходной пульпе - 25 %;
2) расход керосина (собирателя) - 400 г/т;
3) расход вспенивателя Т-66 -200 г/т;
4) время флотации, мин: основной и контрольных операций -по 3; перечистной - 2.
Результаты флотации золы Московской ТЭЦ представлены в табл. 5-6.
Таблица 6
Результаты флотации золы Молдавской ГРЭС сравниваемых вариантов схем обогащения
74
Анализ табл. 5 показывает, что для получения более бедных хвостов по содержанию п.п.п. и богатых концентратов возможны два варианта схем обогащения: 1) основная флотация и две контрольные операции; 2) основная флотация, две контрольные и перечист-ная операции (табл. 6)
Из данных табл.6 следует, что из золы Московской ТЭЦ с массовой долей потерь после прокаливания 35,616 % получены продукты с различной качественной характеристикой:
1) концентрат с массовой долей п.п.п. 73,53-65,58 %, выход которого составляет соответственно 35,37 и 51,47 %,
2) выход хвостов в сравниваемых вариантах составляет 48,53 %; массовая доля потерь после прокаливания в хвостах - 3,84 %.
Таким образом, из золы Московской ТЭЦ с массовой долей п.п.п. 35,616 % получены хвосты, удовлетворяющие требованиям цементной промышленности по потерям после прокаливания (3,84% при норме 6-16 %.
Обогащение золоотвалов Москвы и Московской области позволит решить вопрос их комплексного и безотходного производства, а также освободить территорию и улучшить экологию окружающей среды.
Рекомендовано использовать хвосты флотации (камерный продукт) в качестве компонентных добавок при получении цемента, аглопорита и бетона. Пенный продукт (концентрат) может быть топливом при пылевидном сжигании на ТЭЦ или в виде брикетов в коммунальном хозяйстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мещеряков Н.Ф., Лукина К.И., Ватутина Л.С., Ксенофонтов Б.С. Использование отходов ТЭЦ в цементной промышленности. Цветная металлургии, 1995, №6, с .43-44.
2. Бедрань Н.Г. Обогащение углей. М., Недра, 1988, 206 с. 3. Справочник по обогащению углей. М., Недра» 1984 614 с.
© К.И. Лукина, В.П. Шилаев
ГИАБ
б і 1999
75
