Введение к работе
Актуальность работы.. Проблема расширения сырьевой базы и производства глинозема, а также коагулянтов является весьма актуальной в связи с отсутствием в Российской Федерации месторождений высококачественных бокситов и утратой ряда крупных предприятий по их получению в связи с распадом Советского Союза. В токе, время основное количество алюминиевых заводов осталось на ее территории, что требует необходимого количества глинозема.
Одним из перспективных видов сырья для производства глинозема, коагулянтов, строительных материалов могут явиться золы от сжигания углей на тепловых олектростанциях.
В настоящее время количество образующихся зол составляет по Российской Федерации 80 млн.тонн в год и с каждым годом будет возрастать в связи с.ухудшением качества добываемых углей. По ожидаемым прогнозам количество золы должно к 2000'году возрасти
в 1,5 раза, что приведет к увеличению площади полезных земель, -
занятых поц-золоотвалы;.к- возрастанию затрат на её транспорта- ,
ровку; строительство новых золоотвалов и их содержание. Необхо--
димо учитывать, что на колдую мощную тепловую электростанцию рас
ходуется до 400-300 га плодородных земель под эолоотпалы. Кроме
того, из-за своего дисперсного состава золы подвержены значитель
ному пылеобраэовакию, что,является источником загрязнения окру
жающей среды. ' -.'''-,'.
Сейчас объем используемых зол ТЗС в промышленном и сельско- ' хозяйственном производстве'составляет лииь около I0JS от общего, количества, что крайне недостаточно. Возможности комплексной переработки золы благоприятствует ряд факторов. Некоторое золы, например Подмосковных углей, являются ценным минеральным сырь- ..' ем с повышенным содержанием оксида олкиания в', пределах 25-34. . а также редких металлов, таких.как галлий, лантан, цирконий, скандий,, иттрий я другие. -В отличие от природных видов сырья золы.не -требуют затрат на' разведку я' добычу: Оки рредставлшт собой мелкодисперсный материал, поэтому отпадает необходимость, - ' в дроблении в процессе переработки.
Разработанная нами технология комплексной.переработки зол"Подмосковных -1ЭС- позволяет поЛучат'ь глинозем способом соцо-
известкового спекания, а из шламов после выщелачивания - строительные материалы. Представляет также интерес получение дефицитной в настоящее время продукции - коагулянтов ( сульфата, гицроксосульфата, гидроксохлоріца алюминия ) для очистки питьевых и сточных вод путем взаимодействия раствора минеральной кислоты с высокореакционнкм гндроксидом алюминия, выделенным низкотемпературной карбонизацией необескремненных алгаминатных растворов.
Разработка технологии получения глинозема, коагулянтов и строительных материалов позволяет не только расширить их сырьевую базу, но и улучшить экологическую обстановку в регионе,освобождая золоотвалы и ликвидируя источник загрязнения окружающей среды.
Диссертационная работа выполнялась по теме 3.1.1-І "Физико-химические основы технологии комплексного использования руд, концентратов и отходов", в которую входила разработка технологии комплексного использования зол от сжигания углей Подмосковья с получением глинозема, -соагулянтов и строительных материалов.
Цель и задачи работы. Целью работи является исследование физико-химических основ и разработка комплексной технологии переработки глинооемсоцерка>цих зол Подмосковных углей катодом содо-;:о часткового спекания на ае:-;т:е продукты - гсг.юзом, коагулянты, строительные материалы. Для достикеппя поставленной цели решали следующие задачи:
выполнение термодинамического анализа взаимодействия основных компонентов, оходяцих в состав золы, с"карсіонєтаїіи натрия ;: кальция;
определение блияннп условий процесса спекания - температуры продолжительности, состапа вихтц, на извлечение оксида алюминия
г раствор и математическое описание этого процессе с применением вероятностно-детерминированного планирования эксперимента;
изучение механизма взаимодействия золи Подмосковных углей с карбонатами натрия и кальция;
разработка способа переработки золы на глинозем,коагулян -ты - сульфат, гидроксосульфат, гидроксохлорид алюминия, строительные материалы;
проведение укрупненной проверки в опытно-заводских условиях и технико-экономическая оценка технологической схемы комплексной переработки золы Подмосковных углей.
Научная, новизна. Впервые разработаны физико-хшическяе ос-ноаы комплексней перзрзботки золы от сжигания углей Подмосковья, способом спекания а содой и известняком.
Проведен термот^тнаміческий анализ взаимодействия золы с карбонатам;! натрия и кальция в диапазоне температур 573-1673 К, "то позволило определить равновесный фазовый состав я равновесные термоцинакические параметры исследуемых систем.
Установлена последовательность и химизи образования соединений при взаимодействии голы Подмосковных углей с карбонатага натрия и кальция с образованием промежуточных соединений -ЗСаО'А1203, Г?'а20-А1203'2^/% , 2СзО-А1203 <<% , 3CaO-Fe203' 2-5/ в интервале тетжератур 573-1173 К, основных продуктов спекания -??a20'AI203, ZC&O-
Методами математического моделирования и аероятностно-детер-шнпровянного плакирования эксперимента получены частные зависимости ті натематическая модель процесса спєкашія золы с карбоната-ш натрия к кальция, устанавливающая влияние состгэз тгихти ' целостно?!, бесцелоччой к с попиленным содержанием карбоната нат-рія), продолжительности и температуры на степень перехода оксида алкленгая з раствор, а такгхе проведена оптимизация процесса спекания.
Еперзке исследованы кинетические особенности уплотнения продуктов взакмодейстЕйя золы Подмосковных угле!! с карбонатам! натрия и кальция. Предложен возкожуй механизм уплотнения при спекании компонентов пихта.
Достезорпость получеяісгх результатов.Торю д^нагзічзскни анализ из аитот действия золи Подіюскоеннх углей с карбонатаг-зт натрия и кальция; зкяолкегї с использованием 3D" и эвтогг^тпзироггпшП систем тср'одппгд-шесгстх данных и расчетов равновесных состояний "АСТРА". Для описания ?нзико-хииичеаскх заксненерюстеи і; определения оптимальных рзгзімоа в работе применены методы математического моделирования и планирования эксперимента,математической статистики, обработки сложных зависимостей с применением ЭВМ.
Для анализа описания кинотики был использован дилатометрический метод исследования. Лрі изучении химизма реакции, идентификации фазового состава исходных материалов я продуктов исполь-
зованы рентгенофазовый, дифференциально-термический, кристаллооп-тический методы анализа. Химический состав фаз установлен с применением стандартных методик химического анализа. Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением данных, полученных с использованием математических, химических, физических методов анализа.
Практическая значимость. Разработана технология комплексной переработки золы Подмосковных углей на глинозем, строительные материалы с попутным извлечением редких металлов. Проведены испытания основных переделов предлагаемой технологии с получением глинозема, соотвествущего марке Г-0.
Разработан способ выделения высокореакционного гидроксида алюминия для получения различных видов коагулянта. Проведена оценка коагулирующих свойств полученных коагулянтов - сульфата, гидрок сосульфата, гицроксохлорица алюминия и сравнение их с эталонными образцами. Наиболее эффективным коагулянтом по сравнению с другими показал себя гипроксохлорид алюминия. Белитовый шлам, полученный от выщелачивания алюминатных спеков, был использован для производства строительных материалов - цемента марки 500 и силикатного кирпича.
Основные переделы разработанной технологии прошли укрупненные опытно-заводские испытания и показали экономическую целесообразность переработки золы Подмосковных углей методом соцо-извест-кового спекания на глинозем, строительные материалы и коагулянты. Тульской областной администрацией в настоящее время прорабатывается вопрос о создании установки по получению коагулянтов и строительных материалов на основе зол Подмосковных углей.
На защиту выносятся следующие положения:
последовательность и химизм образования соединений при взаимодействии золы Подмосковных углей с карбонатами натрия и кальция;
математическая модель и оптимальные условия спекания при взаимодействии золы с содой и известняком;
кинетические особенности взаимодействия золы от сжигания углей с карбонатами натрия и кальция;
разработанная технологическая схема комплексной переработки золы на глинозем, коагулянты, строительные материалы, основанная на. щелочном спекании алюминийсодержащих зол Подмосковья при пони-
женном содержании соды в шихте.
Апробация работы. Материалы диссертацинной работы докладывались на Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Производство глинозема, алюминия и легких сплавов" (г.Ленинград, 1990г.), на Международном семинаре "Промышленные и токсичные отходы: оценка риска, минимизация образования, переработка и захоронение" ( г.Москва,1992. г.), на Международной научно-практической конференции "Проблемы развития угольной промышленности" ( г.Караганда, 1993 г.), на Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд"(«,>, 0,^,-^,--^/ Т; и благородные металлы) (г.Санкт-Петербург, 1994 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получено положительное решение на выдачу авторского свидетельства.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на /2S страницах машинописного текста, соцер- . жит рисунков, 2ty таблиц, библиография включает /^наименований.