Физико-химические свойства золы-уноса от сжигания экибастузских углей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-химические свойства золы-уноса от сжигания экибастузских углей

Потапов Семен Олегович,

Свиридова Марина Николаевна,

Танутров Игорь Николаевич,

Толокнов Денис Андреевич

Аннотация

Физико-химические свойства золы-уноса от сжигания экибастузских углей

Потапов Семен Олегович, Свиридова⁺ Марина Николаевна, Танутров* Игорь Николаевич, Толокнов Денис Андреевич

Институт металлургии УрО РАН. Ул. Амундсена, 101.

г. Екатеринбург, 620016. Россия. E-mail: intan38@live.ru.

*Ведущий направление; ⁺Поддерживающий переписку.

В данной работе изучены физико-химические свойства золы-уноса от сжигания экибастузских углей методами: атомно-адсорбционного и рентгено-флуоресцентного анализов - для определения элементного состава; дифракцией лазерного излучения - для определения гранулометрического состава; низкотемпературной адсорбции азота - для определения удельной поверхности; рентгеновским - для определения фазового состава. Результаты подтвердили целесообразность использования золы сухого золоудаления для получения коагулянта и разработке эффективных способов концентрирования галлия.

Ключевые слова: золоудаление, зола-унос, радиоактивность, насыпная плотность, фазовый состав, коагулянт.

Abstract

The physics-chemical properties of fly-ash from the burning of ekibastuz coals

Simeon O. Potapov, Marina N. Sviridova,⁺ Igor N. Tanutrov,* Denis A. Toloknov

Institute of Metallurgy of Ural Branch of Russian Academy of Sciences. Amundsen St., 101. Ekaterinburg, 620016. Russia. E-mail: intan38@live.ru.

*Supervising author; ⁺Corresponding author

The physicо-chemical properties of fly-ash from burning of Ekibastuz coals have been investigated by atomic absorption and X-ray-fluorescence (to determine the element composition), laser diffraction (to determine the granulometric composition), low-temperature adsorption by nitrogen (to determine the special surface), X-ray (to determine the phase composition) methods in this work. The results have been confirmed a practicability of using dry ash-removal to produce a coagulant and the development of effective ways of gallium concentrating.

Key words: ash-removal, fly-ash, radioactivity, bulk density, phase composition, coagulant.

In the Russian version of this article, the Reference Object Identifier - ROI: jbc-01/16-45-3-36.

Введение

К числу возможных сырьевых источников рассеянных элементов относятся зольные уносы от сжигания углей. В то же время этот материал является наиболее масштабным видом промышленных отходов Уральского региона [1]. В регионе действует ряд крупных тепловых электростанций, из которых крупнейшая тепловая электростанция в России - Рефтинская ГРЭС, работающая на твёрдом топливе [2]. Выработка электроэнергии составляет более 20 млрд. кВт·ч/ год. Установленная мощность составляет 3800 МВт, тепловая мощность - 350 Гкал/час. Основное топливо - экибастузский каменный уголь с теплотворной способностью 16,3 МДж/кг, влажностью 6-9 %, зольностью на сухую массу 43.3 %. В настоящее время на Рефтинской ГРЭС сжигается до 1000 т экибастузскогоугля в сутки. При факельном сжигании углей минеральные компоненты угля переходят в золу-унос (80 %) и шлак (20 %). Зола-унос содержит, %: 61.5 SiO₂; 27.3 Al₂O₃; 5.65 FeO; 1.17 CaO; 0.49 MgO; 1.49 TiO₂; 0.42 K₂O; 0.32 Na₂O; 0.52 P₂O₅; 0.17 MnO; 0.52 SO₂.

На Рефтинской ГРЭС используются два способа золоудаления: гидравлический (с 1970 г.) и сухой (с 2012 г.). Система гидроудаления золы и шлака (ГЗУ) замкнутая с транспортировкой золы и шлака по золопроводам на золоотвалы. В эксплуатации находится золоотвал №2 площадью 1008 га. Золоотвал №1 площадью 440 га выведен из строя и полностью рекультивирован в 2008 году. Производительность ГЗУ составляет 193 тыс. м³/сут.

Для утилизации золошлаков на ГРЭС работает установка по отгрузке сухой золы производительностью до 300 тыс. тонн в год. Основными потребителями золы являются предприятия ООО "ПСО "Теплит" и ОАО "Завод ЖБИ "Бетфор", выпускающие изделия из автоклавного газозолобетона. Зола-унос также может быть использована и при производстве цемента, строительной керамики, бетонных и железобетонных изделий, строительстве автомобильных дорог и другие. Пригодность золошлаковых материалов в качестве сырья для производства строительных материалов определяется отсутствием или ограниченным содержанием в них вредных компонентов, ухудшающих физико-механические и эксплуатационно-технические свойства изделий или затрудняющих технологические процессы их производства и ограничивающих область применения [3]. Выход золы и шлака составляет 6 млн. т/год.

Ранее разработана технология утилизации золы с получением коагулянта (сульфата алюминия) и диоксида кремния, позволяющая покрыть потребности региона и заменить дорогой глинозем [4]. В предложенной технологии галлий не извлекается.

Целью работы является поиск наиболее перспективных путей комплексной переработки золы-уноса, в частности, дополнение технологической схемы получения коагулянта из золы-уноса экибастузских углей стадией выделения галлия, что позволит улучшить технико-экономические показатели за счет получения попутного продукта (галлиевого концентрата).

Результаты и их обсуждение

Для исследования физико-химических свойств золы-уноса использованы:

Ш атомно-адсорбционный и рентгено-флуоресцентный методы-для элементного состава;

Ш дифракции лазерного излучения - для определения гранулометрического состава;

Ш низкотемпературной адсорбции азота - для определения удельной поверхности;

Ш рентгеновский - для определения фазового состава.

Физико-химические свойства золы-уноса были неоднократно изучены. Исследования показали [3], что зола-унос Рефтинской ГРЭС характеризуется достаточно однородным гранулометрическим и химическим составом и удовлетворяет требованиям ГОСТ 34-70-542-2001 "Зола-унос тепловых электростанций. Нормативные характеристики". Зола имеет следующий гранулометрический состав: 7-20 % менее 0.01 мм; 40-50 % от 0.01 до 0.04 мм; 20-30 % от 0.04 до 0.10 мм; 10-25 % от 0.10 до 0.25 мм; 2-5 % более 0.25 мм. Ее влажность до 0.5 %, удельная поверхность 300-400 м ²?кг, насыпная плотность 900-950 кг/мі. Химический состав золы следующий, %: 58-62 SiO₂; 25-28 A1₂O₃; 4-8 Fe₂O₃; 1-3 CaO; до 1.5 MgO; до 1.5 R₂O; до 1.0 SO₃; 1-4 потери при прокаливании. Результаты химического анализа показывают сопоставимость по составу золы с глинами, применяемыми в производстве керамических изделий и портландцементного клинкера. Компонентный состав золы представлен до 70 % стеклом, а также кварцем, муллитом, оксидами железа и коксовыми остатками.

В соответствии с руководящим документом РД 34.09.603-88 "Методические указания по организации контроля состава и свойств золы и шлаков, отпускаемых потребителям тепловыми электростанциями" по химическому составу зола Рефтинской ГРЭС является кислой (модуль основности - менее 1.0), с низким содержанием горючих (потери массы при прокаливании менее 5.0 %), высокодисперсной (удельная поверхность более 300 м ²?кг) и тугоплавкой (температура плавления выше 1400 ^оС). По основным свойствам она удовлетворяет требованиям ГОСТ 25818-91"Зола-унос тепловых электростанций для бетона. Технические условия", относится к 3 виду, то есть может применяться в производстве ячеистых бетонов.

Рефтинская ГРЭС отгружает золу-унос потребителям в соответствии с техническими условиями ТУ 5717-004-79935691-2009. Результаты определения физических свойств и химического состава золы и соответствие их требованиям данных технических условий приведены в табл. 1.

На основании токсикологической оценки золошлаковые отходы Рефтинской ГРЭС характеризуются как "вещества умеренно опасные", то есть относятся к III классу опасности. Исследование радиоизотопного состава выявили присутствие в золе урана 238, тория 232 и калия 40 в незначительных количествах, что обуславливает ее некоторую радиоактивность. Суммарная удельная эффективная активность естественных радионуклидов золы составляет 95.1 Бк/кг, и она практически не превышает естественный фон и в несколько раз ниже нормативного значения.

Анализ элементного и радиоизотопного состава показал, что экибастузская зола может использоваться в качестве сырья для производства строительных материалов и в строительстве. Измерения радиоактивности газозолобетона на основе золы Рефтинской ГРЭС (А = 40.33 Бк/кг) показали, что по радиационной безопасности он соответствует ГОСТ 25485 89 "Бетоны ячеистые. Технические условия" и может применяться без ограничения при строительстве гражданских и производственных зданий и сооружений [4, 5].

Приведенные выше данные относятся к золе, отобранной из золоотвала ГЗУ, то есть подвергнутой длительному воздействию влаги и контакту с атмосферой. Для изучения свойств золы, полученной сухим способом, от ООО "ПСО "Теплит" получена представительная проба материала, результаты исследования свойств которого приведено ниже.

Табл. 1. Свойства золы-уноса Рефтинской ГРЭС

Табл. 2. Результаты химического анализа образца золы-уноса

Табл. 3. Результаты атомно-эмиссионного анализа золы-уноса

Рис. 1. Дифрактограмма золы уноса. Условные обозначения: о - Al4.75Si1.25O9.63(муллит); x - SiO2(кварц)

а) б)

Рис. 2. Распределение частиц золы-уноса по размерам в дифференциальной (а) и интегральной (б) форме

Химический состав по основным компонентам золы-уноса (табл. 2, 3) соответствует среднему для золы ГЗУ, а из примесей (табл. 3) определенный интерес представляют галлий, титан, вольфрам, иттрий и цирконий. Содержание оксида алюминия находится на верхнем пределе среднего, определенного ранее для золы-уноса ГЗУ, что подтверждает целесообразность использования золы сухого золоудаления для получения коагулянта. Содержание галлия в исследованном образце золы - 54 г/т, напротив, находится на нижнем пределе среднего содержания, что требует разработки эффективных способов концентрирования.

РФА образца (рис. 1) подтвердили данные фазового состава, приведенные в [3]. Основными компонентами являются стекло, муллит и кварц. Средний размер частиц золы по данным дифракции лазерного излучения составил 27 мкм (рис. 2), а удельная поверхность по данным низкотемпературной адсорбции азота - 0.9 м ²/г, что отличается примерно втрое от данных для золы-уноса ГЗУ. Насыпная плотность золы-уноса равна 0.7-0.8 г/см³. зола уголь галлий коагулянт

Выводы

Подтверждена целесообразность использования золы сухого золоудаления для получения коагулянта и разработке эффективных способов концентрирования галлия посредством комплексной переработки золы-уноса от сжигания экибастузских углей.

Благодарности. Работа выполнена в рамках Государственного задания ИМЕТ УрО РАН по теме № 0396-2014-0007.

Литература

[1] Смирнов Л.А., Сорокин Ю.В., Снятиновская Н.М., Данилов Н.И., Еремин А.Ю. Переработка техногенных отходов (по материалам программ по переработке техногенных образований Свердловской области). Екатеринбург: ООО "УИПЦ". 2012. 607 с.

[2] Крупнейшие энерго- и теплоэнергетические объекты России. http://www.raexpert.ru/researches/energy/electroenerg_1999/part_1,2.

[3] Капустин Ф.Л. Технологические и экологические аспекты применения золы-уноса Рефтинской ГРЭС при производстве строительных материалов. Сб. докл. III науч.-практического семинара "Применение автоклавного газозолобетона в современном строительстве". Екатеринбург. УрФУ. 2010. С. 1-3.

[4] Танутров И.Н., Шолохов В.М., Макарова Н.М., Коновалова Т.Е. Способ получения алюмосодержащего коагулянта. Патент РФ № 2053200. Бюлл. изобретений. 1996. №3.

Размещено на Allbest.ru