Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы рационального использования отходов ТЭС как минерального сырья многоцелевого назначения 11
1.1 Оценка природных углей как сырья для теплоэнергетики 11
1.2 Вещественный состав золы и шлака ТЭС 15
1.3 Современные направления утилизации отходов ТЭС 18
1.3.1 Отходы ТЭС, как техногенное минеральное сырье 19
1.3.2 Использование золы при производстве строительных материалов и полимерных изделий 22
1.3.3 Применение золы и шлака в качестве агрономического сырья и комплексных сорбентов 26
1.4 Выводы 27
2. Особенности формирования вещественного состава золы и шлака ТЭС иркутского региона 29
2.1 Сырьевая база теплоэнергетики Иркутского региона 29
2.2 Качественный состав и условия образования углей Сибирской платформы 31
2.3 Анализ качественных преобразований минеральной части органического топлива в котлоагрегатах ТЭС 39
2.4 Золошлаковое хозяйство ТЭС Иркутского региона. Состав золошлаковых отходов на золоотвалах 45
2.5 Потенциальные области утилизации золошлаковых отходов ТЭС
Иркутского региона 48
2.6 Выводы 50
3. Исследование состава, свойств и методов переработки отходов ТЭЦ-ПИН-ИР ТЭЦ 52
3.1 Характеристика объектов исследования 52
3.1.1 Вещественный состав золошлаковых материалов 53
3.1.2 Фазово-минералогический состав отходов ТЭЦ-11 и Н-Ир ТЭЦ 57
3.1.3 Гранулометрический состав исходного материала 61
3.1.4 Плотность и агрегатная плотность золы и шлака 70
3.1.5 Изучение изменений минеральной части углей в процессе сжигания в котлоагрегатах ТЭС 72
3.2 Исследование обогатимости золошлаковых отходов ТЭЦ-ИиН-ИрТЭЦ 82
3.2.1 Разработка режима измельчения золошлаковых отходов ТЭС 84
3.2.2 Исследование обогатимости отходов ТЭС магнитными методами 88
3.2.3 Определение возможности селективной флотации алюмосиликатов из отходов ТЭС 92
3.2.4 Изучение возможности извлечения угольного недожога из отходов ТЭС методом флотации 97
3.3 Выводы 100
4. Разработка рациональной технологии обогащения техногенных отходов ТЭС 102
4.1 Оптимизация процесса обогащения золошлаковых отходов ТЭС
с помощью метода математического планирования 102
4.1.1 Изучение оптимальных режимов магнитной сепарации 102
4.1.2 Поиск условий флотации алюмосиликатов из хвостов контрольной мокрой магнитной сепарации 107
4.1.3. Определение условий флотации несгоревших угольных частиц из золошлоковых отходов ТЭС 113
4.2 Технологические испытания разработанной схемы комплексной переработки золошлаковых отходов ТЭС 119
4.3 Эколого-экономическое обоснование разработанной технологии переработки отходов ТЭС 127
4.4 Выводы 130
Заключение 131
Библиографический список 133
Приложение 152
- Использование золы при производстве строительных материалов и полимерных изделий
- Анализ качественных преобразований минеральной части органического топлива в котлоагрегатах ТЭС
- Изучение изменений минеральной части углей в процессе сжигания в котлоагрегатах ТЭС
- Поиск условий флотации алюмосиликатов из хвостов контрольной мокрой магнитной сепарации
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время, эффективность работы всех отраслей промышленности необходимо оценивать с точки зрения баланса между массой основного продукта и объемом образуемых техногенных отходов. Наиболее неблагополучными, в этом плане, являются предприятия топливно-энергетического комплекса, а именно тепловые электрические станции (ТЭС), являющиеся источниками массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходоь [55,56, 71].
На территории Иркутской области действуют 14 электростанций, работающих на твердом топливе. В зависимости от технологического оборудования, условий подготовки топлива и принятых режимов сжигания на каждую тонну угля приходится от 140 до 250 кг твердого минерального остатка, что привело к накоплению более 74 млн. т золошлаковых отходов с ежегодным увеличением объема на 1-2 млн. т. Проблема размещения и длительного хранения техногенного остатка теплоэнергетики осложняется крайне неэффективным его использованием, поскольку в переработку поступает не более 5% от общей массы, в виде добавки при производстве строительных материалов.
А между тем, работами Рубана В.А., Шпирта М.Я., Иткина Ю.В., Мелен-тьева В.А., Пантелеева В.П., Юровского А.З. доказано, что золы углей представляют собой сырье богатое оксидами алюминия (15- 25%), железа (6-15%), кремния (40-60%), а так же содержащее, в виде микродобавок около 50 элементов периодической системы. По сложности и многокомпонентности вещественного состава, отходы ТЭС соответствуют техногенным месторождениям, которые возможно перерабатывать известными обогатительными методами, с извлечением ценных компонентов и использованием полученных продуктов для нужд народного хозяйства. Разработка данного техногенного месторождения может иметь реальный экономический эффект поскольку:
отсутствует необходимость создания и развития инфраструктуры горного предприятия, так как решены вопросы подвода электроэнергии, воды и существует транспортная развязка;
полезные компоненты нахоцятся в измельченном состоянии на поверхности земли;
- возможна организация селективной выемки золошлакового материала
обогащенного минералами черных, редких и цветных металлов, сосредоточен
ных в различных зонах намыва;
- продукты, полученные при переработки золошлака несомненно найдут
применение и расширят ресурсный потенциал Иркутского региона.
Основная проблема освоения техногенных отвалов ТЭС - отсутствие перспективных технологий, позволяющих безотходно их перерабатывать.
Для решения данной проблемы необходимо проведение комплексных исследований системы «минеральное сырье - пылевидное топливо - зола-унос -шлак - золошлаковыи материал - техногенная залежь» относительно углей и отходов ТЭС Иркутского региона.
Представленная работа выполнена в рамках госбюджетной темы 47 «Разработка эффективных технологий переработки минерального сырья, в том числе техногенного, с целью комплексного и безотходного его использования с учетом требований экологии», при финансовой поддержке гранта министерства образования РФ (шифр 4.3.-954) «Исследование физико-химических характеристик углей на стадии сжиганш' и в результате техногенных воздействий в золоотвалах с целью решения экологических и технологических проблем комплексного использования отвалов ТЭС».
Основная идея. Изучение вещественного состава и технологических характеристик золошлаковых отходов ТЭЦ-11 и Н-Ир ТЭЦ в системе «минеральное сырье-пылевидное топливо - зола-уноса - шлак -золошлаковыи материал -техногенная залежь» с целью вовлечения их в эффективную переработку.
Цель работы. Разработка технологии комплексной переработки золошлаковых отходов ТЭЦ-11 и Ново-Иркутской ТЭЦ.
Основные задачи исследования:
Анализ объемов накопления отходов теплоэнергетики Иркутского региона, определение и систематизация существующих направлений использования золошлаковых материалов.
Определение основных параметров, влияющих на формирование фазо-во-минералогического и элементного состава отходов ТЭС в системе «минеральное сырье — пылевидное топливо - зола-уноса - шлак - золошлаковый материал в системах гидрозолоудаления - техногенная залежь».
Комплексное изучение качественного состава и физико-механических характеристик исследуемых отходов с учетом структурных изменений, происходящих с минеральной частью топлива в процессе сжигания в котлоагрегатах ТЭС.
Разработка комбинированной технологии безотходной переработки золошлаковых материалов с получением угольного, железо- и алюминий содержащего концентратов, а также наполнителей для производства строительных материалов.
Объекты исследования. Твердые отходы ТЭЦ-П(Усолье-Сибирское) и Н-Ир ТЭЦ (Иркутск), включая:
золошлаковый материал - продукт сжигания смеси углей Сибирской платформы в топках ТЭЦ-11, хранящийся на открытом золоотвале;
зола-уноса и шлак ТЭЦ-11, изъятые до момента смешения в системах ГЗУ;
золошлаковый материал из золоотвала Н-Ир ТЭЦ - продукт сжигания Канско-Ачинских углей и углей Иркутского бассейна, хранящийся на открытом золоотвале;
зола-уноса и шлак Н-Ир. ТЭЦ, изъятые до момента смешения в системах ГЗУ.
Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использованы современные методы исследования: информационный анализ; спектральный, рентгенофазовый, химический, минералогический, термограви-
метрический, ситовой, седиментационныи анализы, методы математического моделирования процессов обогащения.
Исследование на обогатимость техногенных золошлаковых отходов ТЭС осуществляли методами мокрой магнитной сепарации и флотации.
Достоверность. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается представительностью и достаточным количеством изучаемых проб, сходимостью результатов лабораторных и укрупненных испытаний.
Научная новизна:
1. Выявлена зависимость изменения качественного состава золошлако
вых отходов теплоэлектростанций Иркутской области от технологических ха
рактеристик исходного топлива и условий его сжигания.
2. Установлены закономерности форм нахождения и количественное рас
пределение промышленно значимых компонентов золошлаковых отходов теп
лоэнергетики, определяющие их ценность как техногенного минерального сы
рья.
3. Разработан комбинированный способ извлечения оксидов железа,
алюминия и угольного недожога из золошлаковых отходов Усольской ТЭЦ-11 и
Ново-Иркутской ТЭЦ, основанный на рациональном сочетании методов мокрой
магнитной сепарации и флотации.
Практическая значимость работы:
Разработана рациональная технология переработки золошлаковых отходов (на примере ТЭЦ-11 и Н-Ир ТЭЦ АОЭиЭ «Иркутскэнерго»), обеспечивающая эффективное извлечение оксидов железа, алюминия и угольного недожога, позволяющая получить эколого-экономический эффект за счет реализации дополнительной товарной продукции и снижения платы за размещение твердых отходов в размере 72319,79 тыс.руб/год и 74970,10 тыс.руб/год для ТЭЦ-11 и Н-Ир ТЭЦ соответственно.
Разработанные рекомендации по комплексной переработке золошлаковых отходов включены в учебное пособие «Проектирование обогатительных
фабрик» (глава «Переработка техногенного сырья»), допущенное учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области горного дела для студентов, обучающихся по специальности 090300 «Обогащение полезных ископаемых», 2005 г.
Научные положения, выносимые на защиту:
Закономерности формирования минеральных комплексов золошлако-вого остатка в процессе пылевидного сжигания на примере черемховских и азейских углей.
Комплексная оценка качественного состава и технологических характеристик отходов теплоэнергетики, определяющая их промышленную значимость и возможные направления эффективной переработки.
Создание эффективного способа извлечения оксидов железа, алюминия и угольного недожога при переработке золошлаковых отходов ТЭС, основанного на рациональной комбинации процессов мокрой магнитной сепарации и флотации.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: международной конференции «Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья» (1998 г., Иркутск); Ш-м конгрессе обогатителей стран СНГ (март 2001г., Москва); П-м международной научно-практической конференции «Человек, среда, вселенная» (ноябрь 2001 г., Иркутск); Всеросссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (2002 г., Иркутск); международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья» (сентябрь 2002 г., Чита); Ш-й международной научной конференции «Экология, и безопасность жизнедеятельности (декабрь 2003 г., Пенза); научно-практической конференции, посвященной памяти СБ. Леонова «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (апрель 2004 г., Иркутск); международном научно-практическом семинаре школы молодых ученых «Леоновские чтения-2004» (июнь 2004 г.,
Иркутск); IV-й международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровья людей» (сентябрь 2004 г., Пенза); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии» (октябрь 2004 г., Санкт-Петербург).
Публикации. По теме диссертации в технических журналах, сборниках научных трудов и тезисов докладов опубликовано 18 работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 150 страниц основного текста, 30 рисунков, 47 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 183 наименований и 3 приложений.
Использование золы при производстве строительных материалов и полимерных изделий
Строительство и стройиндустрия - это те рациональные области, где применение золошлаковых материалов обеспечит получение устойчивых экономических результатов за счет замены природного минерального сырья отходами ТЭС.
Исходя их особенностей химического состава золошлаковых отходов, возможно, их применение как одного из основных компонентов шихты цементного производства. В большинстве случаев зольные уносы могут заменить (полностью или частично) алюмосиликатные и кремнистые составляющие (глину, песок, пиритные огарки). Золы и гранулированные шлаки могут быть использованы для производства: известково-зольных или иззестково-шлаковых бесклинкерных или малоклинкерных (клинкера до 25%) цементов марок 25, 50, 100 и выше [13-16]; портлант-цементов марок 500-600 с введением в них в качестве добавок зол и шлаков в количестве до 40% [17, 18]; золопортлант-цементов марок 300-500 с содержанием до 20-50% золы и шлака [19]; портлант-цементов марок 500-600 с применением зол и шлаков в качестве кислого (глинистого) или малоизвесткового компонента сырьевой смеси при обжиге клинкера.
Однако для изготовления качественных цементов пригодны золы, обладающие свойствами самостоятельного гидравлического твердения, что характерно при значительном содержании окиси кальция.
Для получения аглопирита применяются низкокальцевые пылевидные золы, удовлетворяющие следующим требованиям: содержание несгоревшего топлива не более 10%; содержание окислов железа не менее 10%; содержание окислов кальция и магния не более 5% [21-25], [111]. Вредными примесями при этом являются оксиды щелочных металлов, вопрос их выделения требует дальнейшей отдельной проработки.
Кроме того, отходы твердого топлива нашли применение при производстве искусственных заполнителей легких бетонов, в частности зольного гравия и керамзита.
Сырьем для получения керамзита являются легкоплавкие вспучивающиеся глинистые породы. Оптимальное содержание органического вещества в них должно быть в пределах 0,5-1,5%, а наиболее благоприятный химический состав глины: железа (II) и (III) не менее 4%, кальция не более 6%, глинозема до 20% [26]. Золы ТЭС, удовлетворяющие данным требованиям, могут использоваться в качестве мелкого заполнителя (взамен керамзитового песка) для легких бетонов ограждающих конструкции зданий [27-29]. Глинозольный керамзит получают вспучиванием зол при обжиге с добавлением глины, качество получаемого материала регламентируется ГОСТом 9759-83 [30]. Применение зо-лошлакового материала приводит к сокращению расхода керамзитового гравия на 15-20%, цемента на 10-15%, что позволяет снизить себестоимость керамзи-тобетона, повысив при этом его прочность.
Применение золошлаковых огаодов при производстве легкого и ячеистого бетона [31, 32, 67, 112], газозолобетона [33, 34], шлакозолобетона [35-37] обусловлено низкой стоимостью, небольшой плотностью, хорошими теплоизоляционными свойствами и эксплуатационной надежностью данных строительных конструкций относительно изделий, с использованием традиционных наполнителей.
Золы и отчасти шлаки, содержащие значительное количество несгорев-шего топлива (более 10%), целесообразно использовать в производстве кирпича в качестве отощающей и выгорающей добавки, что позволит повысить массо-обменные характеристики сырца, ускорить процесс сушки с одновременным снижением расхода топлива (до 20-40%), повысить прочность кирпича и снизить процент брака после его сушки [38-40], [70].
В производстве силикатного кирпича наблюдается значительная экономия извести (до 20%) при одновременном повышении прочности сырца и самого кирпича после термообработки [41].
Однако, золошлаки в отличие от традиционно применяемых видов сырья, являются поликомпонентными и требуют более четкого контроля при составлении шихты и выборе технологических параметров (тонкость помола, сушка, режим обжига и т.д.) при производстве кирпича. Этот контроль осуществляется при помощи количественного рентгенофазового анализа (КРФА), так как позволяет диагностировать большинство минералов входящих в состав золошла-ков [42].
В зарубежной и отечественной литературе имеются сведения о положительных результатах использования отходов переработки твердых горючих ископаемых в производстве керамических изделий (стеновых материалов, дренажных труб) [43-47] и стеклокерамики [48-50]. Определены технологические режимы и основные свойства изделий строительного назначения из золы-уноса. Намечены области применения изделий, рассчитаны сырьевые и энергетические затраты на их производство [106].
Однако отходы переработки углей могут быть использованы в производстве строительных материалов, если не обладают токсичностью. Токсичность может быть обусловлена исходным составом золошлаков, что вызывает необходимость проведения полного качественного анализа их состава. От ряда вредных токсичных элементов можно избавиться, проведя операции предварительного обогащения для удаления тяжелой железистой фракции.
Еще одним из направлений использования золошлаковых материалов является применение их в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве. Весьма эффективно при этом использование золы ТЭС в сочетании с цементом (4-5%) и известью (10-15%) для укрепления несцементированных, обломочных, песчаных и супесчаных грунтов [9]. При этом заметно повышается прочность и морозостойкость грунтов, что позволяет использовать подобные смеси при строительстве дорог в северных регионах.
При изготовлении асфальтобетона в качестве наполнителя наиболее часто применяют какую-либо горную породу, измельченную в шаровых мельницах до требуемой тонины. Замена искусственно получаемого наполнителя отходами энергетической промышленности, не требующими помола, является целесообразной и экономически выгодной. Мелкодисперсная зола-унос многих электростанций отвечает требованиям, которые предъявляются к наполнителям асфальтобетона [19]. Однако при использовании золошлаковых материалов для дорожного строительства необходимо соблюдать нормы санитарного контроля и степень воздействия полученных покрытий на окружающую среду.
В настоящее время, исследователями МГОУ и МГАТХТ им. Ломоносова М.В. разработан и внедрен новый технологический процесс утилизации золошлаковых отходов ТЭС [162]. В основу данного метода положено модифицирование и просеивание зольного остатка от сжигания твердого топлива для получения радиационно-безопасного тонкодисперсного минерального продукта, который является альтернативным наполнителем в производстве резиновых изделий. Данное решение позволило получить заметную экономическую прибыль при замене белой сажи БС-120 на зольный наполнитель при изготовлении протекторной резины. Однако данная технология рассчитана на утилизацию тонких классов углеотходов, в частности, золы-уноса, а оставшиеся шлаки остаются в качестве техногенного балласта.
Анализ качественных преобразований минеральной части органического топлива в котлоагрегатах ТЭС
При сжигании твердых горючих ископаемых их минеральные компоненты (за исключением серы) образуют так называемые золошлаковые отходы, которые содержат некоторое количество недожога (продуктов неполного сгорания органической массы). Обычно это твердые отвальные продукты классифицируют на две группы: шлаки, удаляемые из нижней части топки в виде крупных - кусков (твердое шлакоудаление) или расплавы (жидкое шлакоудаление) и золы или зольные уносы, выносимые из высокотемпературных зон в виде высокодисперсных частиц (1-50 мкм) вместе с газообразными продуктами и улавливаемые после охлаждения последних.
Выход шлака, обозначаемый часто как коэффициент шлакоулавливания, зависит главным образом от конструкции топочного устройства и частично определяется свойствами исходного топлива и режимом сжигания. Тепловые электрические станции, относящиеся к системе «Иркутскэнерго», работают в основном в режиме факельного сжигания. Для этого режима характерен предварительный перевод топлива в пылевидное состояние с последующей подачей в топочную камеру вместе с необходимым для горения количеством воздуха. Количество образовавшихся при этом зольных уносов составляет в среднем 80-85% от всего количества золошлаковых отходов.
По данным Государственного комитета природы Иркутской области ежегодный выход твердых золошлаковых отходов составляет более 1 млн.тонн, утилизируется при этом 2-5% (табл. 2.6). При изучении физико-механических свойств золошлаковых материалов необходимо учитывать, что исходный материал, который выдается непосредственно из шлаковых и золовых бункеров, и золошлаковый материал, находящийся на золоотвалах, имеют разную структуру, химический и фазово-минералогический составы. Свойства исходного материала интересны, в первую очередь, для изучения минеральных преобразований исходных углей, происходящих при сжигании в топках ТЭС.
Как известно, на сжигание, т.е. на термоокислительную обработку при температурах от 800С до 1500С направляется основное количество добываемого угля. Содержание минеральных компонентов в природных углях влияет на параметры и конструктивное оформление процесса эффективного сжигания, а также на формирование и состав зольного остатка [166, 170].
На процесс формирования минерального остатка влияют зольность природных углей и технологические параметры их сжигания, такие как: максимальная температура в топке, время пребывания угольных частиц в зонах высоких температур, степень измельчения топлива, состав газовой фазы в различных температурных зонах.
Горение частиц угля в топках электростанций осложняется пиролизом, в результате которого происходит активное выделение летучих, разбухание частиц, образование золы за счет присутствия глинистых (иллит, серицит, каолинит), карбонатов (кальцит, сидерит, доломит). Эффект горения усиливают органические компоненты присутствующие в угле, так называемые мицералы: вит-ринит, селивитринит, инертинит, липтинит. Они отличаются друг от друга микротвердостью, теплотой сгорания, содержанием серы и летучих.
Следует отметить, что золообразующие элементы дают при сжигании соединения в конденсированных фазах (зольные уносы, шлак жидкого и сухого удаления), а сера переходит главным образом в газообразные соединения. При сжигании практически вся органическая и дисульфидная сера, рассматриваемая как нежелательный компонент углей, окисляется, а сульфат в зоне высоких температур восстанавливается до диоксида серы. В потоке отходящих газов происходит взаимодействие оксидов серы с минеральными компонентами углей, с соединениями кальция и железа.
На формирование соединений золообразующих элементов (и частично серы) влияет присутствие газообразных продуктов сжигания (SO2, SO3, СО, СОг) и кислорода. Образующиеся продукты, представляют собой многофазные и многокомпонентные системы следующего вида Si02-Al20- SiOr-Fe203(FeO) -СаО. При этом, можно отметить, что в интервале температур от 1000С до 1200С подавляющее количество макрокомпонентов образует кислородные соединения с высшей (за исключением серы и железа) валентностью. Первичные продукты превращения минералов при нагреве в окислительной среде представлены в табл. 2.7. [151,164, 165].
Алюминий в золошлаках присутствует в основном, в виде оксида А120з, количество которого мало изменяется в интервале температур до 1300С. Кроме этого в небольших количествах присутствует Al2SiC 5, но при повышении температуры выше 1300С его содержание в 10 раз ниже, чем А12Оз. С увеличением температуры до 1500С появляются соединения алюминия с железом в форме Al2Fe04., содержание которого незначительно.
Соединения железа входят в состав стеклообразного вещества и кристаллических фаз. При максимальных температурах сжигания ( 1500С) основным соединением железа является FeO, при температурах сжигания 1000С -Fe2C 3, а в интервале 1000-1500С появляется Fe3C 4. При температурах выше 2130С появляется свободное железо. Основным соединением кремния в золошлаковом материале является диоксид кремния Si02. Характерно, что формирование этого соединения возможно при температурах до 1700С. При повышении температуры выше 1900С он начинает переходить в оксид кремния SiO. В значительно меньших количествах по сравнению с Si02 в золах присутствуют силикаты — CaSi03 и MgSiC 3. Силикат магния при температуре выше 1900С начинает распадаться на MgO и Si02. Кальций присутствует обычно в виде «свободного» оксида кальция - СаО и в виде карбоната.
Изучение изменений минеральной части углей в процессе сжигания в котлоагрегатах ТЭС
При пылевидном сжигании в топках теплоэлектростанций минеральная часть топлива подвергается воздействию высоких температур в определенных условиях, определяющих значительные изменения фазово-минералогического состава топлив. Изучению происходящих процессов посвящены работы Шпирта М.Я., Рубана В.А., Иткина Ю.В. и других ученых. Однако полученные данные нельзя считать исчерпывающими, поскольку даже в относительно простых одно- и двухкомпонентных системах пироснликатные реакции приводят к образованию различных конечных продуктов в зависимости от температуры и соотношения этих компонентов.
Особенностью процесса сжигания топлива является высокая скорость нагрева угольных частиц - до 1000-1200 град/с, вследствие чего реакции минеральной части, происходящие при медленном разогреве в разных температурных интервалах, накладываются друг на друга. При этом реакции происходят в присутствии газообразных продуктов сгорания органической части (СО, СОг, SO2, НгО), которые при медленном нагреве успевают покинуть частицу до наступления изменений в минеральной части. Кроме этого, для процесса пыле-угольного сжигания характерно очень короткое время выгорания угольных частиц и пребывания летучей золы в зоне высоких температур при отсутствии контакта между отдельными частицами. В результате сложных явлений (размягчения и плавления), происходящих при высокотемпературном окислительном обжиге, происходит образование новых соединений, не существовавших в минеральной части исходных углей.
Для выявления закономерностей, определяющих изменение минеральной части твердых горючих ископаемых, а соответственно и химического состава золошлакового материала в процессе нагрева, был использован комплексный дифференциально-термографический анализ (ДТА) угольных образцов и химический анализ зольного остатка. Современная аппаратура ДТА (дериватографы) представляет собой совокупность приборов для определения нескольких физических свойств вещества, фазовые превращения которых в процессе нагрева сопровождаются эндо- или экзотермическими эффектами, и приборов автоматической записи изменений.
Использование ДТА для идентификации полиминеральной части, какой является зола топлива, основано на том, что фазовые превращения, происходящие в одном из компонентов механической смеси, не зависят от присутствия других компонентов [143]. Исследования выполняли на дериватографе марки MOM (Венгрия, Gio 1200) на базе лабораторий ВАМИ. В качестве инертной субстанции, относительно которой с помощью дифференциальной термопары сравнивали температуру исследуемого вещества, применяли химически чистый оксид алюминия, среда - окислительная (N2+O2), расход воздуха составлял 200 см /мин, масса навески 40 мг.
В качестве опытных образцов использовали пробы необогащенных углей Азейского и Черемховского месторождений, технические характеристики углей представлены в табл. 3.12. Данный выбор был не случаен, а основывается на том, что данное сырье определяет топливный баланс ТЭС Иркутской области. Для определения химического состава проб углей применяли метод мягкого озоления с последующим проведением химического анализа (табл. 3.13).
Первая зона характеризуется потерей гигроскопическщй влаги для минералов каолиновой группы, содержание которой обычно невелико (-1-2%), что выражается эндотермическим эффектом при температуре 125 С для Азейского и 160 С для Черемховского углей. Экзоэффект при 362 Си381 С для Азейского и Черемховского углей соответственно характеризует начало горения органического вещества. Температура, соответствующая полному выгоранию органической массы тем выше, чем больше содержание последней и скорость нафева образца (в нашем случае скорость разофева равна 7,5 фад/мин).
Третья температурная зона (450С для Азейского и 460С для Черемховского угля) определяет эндотермический эффект, характеризующийся диссоциацией сидерита Ре[СОз] с образованием магнетита Fe304 и FeO. Начало ступенчатого разложения пирита FeS2 и марказита FeS2 До FeS.
Четвертый температурный пик отчетливо появляется эндоэффектом в области 515 С (Азейский уголь) и 545 С (Черемховский уголь) и связан с дегидратацией и аморфизацией каолинита, т.е. начинается разрушение кристаллической решетки и переход кварца из a-SiCb в 0- SiC 2. Убыль массы при этом объясняется потерей кристаллизационной влаги глинистыми минералами. Пятый пик - 745С (Азейский уголь) и 780С (Черемховский уголь) характеризует эндоэффект, вызванньй диссоциацией магниевых составляющих доломита CaMg[C03]2.
Шестой пик проявляется при температуре около 900С и 938С для Азейского и Черемховского углей соответственно экзоэффектом, характерным для всех минералов каолинитовой и карбонатной фупп. Этот экзоэффект связан с полным распадом метакаолина с образованием смеси кристаллических продуктов - кварца, силлиманита и муллита. При дальнейшем увеличении температуры уменьшается количество силлиманита и растет содержание муллита. При температурах, близких к 1100 С образуется смесь слабокристаллизованных а-кварца. Ранее образовавшийся магнетит РезС 4 при температурах 800-900С
Поиск условий флотации алюмосиликатов из хвостов контрольной мокрой магнитной сепарации
Практика показывает, что алюмосиликаты при флотации в машинах механического и пневмомеханического типа успешно флотируются жирно-кислотными собирателями при крупности -0,2+0 мм, однако наличие тонких шламов снижает показатели процесса обогащения, нарушая качество концентратов. Для определения влияния крупности и плотности пульпы на результаты флотации провели серию опытов при следующих постоянных условиях: собиратель - олеат натрия (600 г/т); депрессор - крахмал (250 г/т); вспениватель — сосновое масло (50 г/т); время флотации - 6 мин. С каждым из выбранных режимов было проведено по три параллельных опыта. Продукты флотации подвергались сушке и анализировались на содержание АЬОз, усредненные результаты по каждой серии опытов представлены в таблице 4.3. Анализ таблицы показывает, что оптимальной плотностью для класса -0,5+0,05 можно считать 350 г/л, для класса -0,05+0 мм - 250 г/л.
Данные зависимости следует учесть при определении постоянных условий ведения исследований по матрице трехфакторного эксперимента. Для выявления оптимального реагентного режима, позволяющего получить стабильные показатели процесса обогащения в матрицу были заложены определяющие факторы: расход собирателя (х\), расход депрессора пустой породы (хг) и показатель щелочности пульпы (х3) матрица ПФЭ и качественные показатели процесса флотации представлены в табл. 4.4. Постоянные условия ведения флотационных опытов: плотность пульпы 350 г/л крупность питания -0,5+0,05 мм вспениватель - сосновое масло (50г/т); время флотации - 6 мин. Результаты флотации свидетельствуют о том, что наиболее эффективным реагентным режимом является: олеат натрия - 600 г/т; крахмал - 250 г/т; сосновое масло - 50г/т; рН=8. При этом извлечение АСгОз в концентрат составило 82,08 % при содержании АгОз 78,36%, извлечение А2Оэ в хвостах 17,92% при содержании АгОз 4,97%. Данный режим можно принять за основной при отработке технологической схемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ. При оценке адекватности модели и выявления значимых факторов ведения флотационного процесса в качестве функции отклика был так же выбран критерий эффективности Е (по Ханкоку), табл. 4.5. Анализ модели проведенный на основании сравнения расчетного критерия Фишера и его табличного значения показал, что модель адекватна и может использоваться для оптимизации процесса флотации алюмосиликатов (расчет оптимизации модели в приложении 2.2). Экспериментально полученный реагентный режим (олеат натрия - 600 г/т; крахмал - 250 г/т; сосновое масло - 50г/т; рН=8) необходимо принять за основу при разработке технологии утилизации. На процесс флотации угольных частиц влияют подготовленность пульпы к флотации, ситовой состав исходного материала, содержание твердой фазы в пульпе, время флотации, степень аэрации и реагентный режим [73].
На фабриках обогащающих угли методом флотации в качестве собирателей применяют реагенты АФ-2 или керосин, а в качестве вспенивателей высшие спирты, масло X, Т-66 и пенореагент. Поэтому при выборе рационального реагентного режима чрезвычайно важно определить не только расход, но и способ подачи практически нерастворимых маслообразных реагентов, образующих в воде крупные капли. Для повышения эффективности действия таких реагентов и снижения их расхода целесообразно вводить реагенты в виде гидрозолей или аэрозолей. Стойкость гидрозолей должна быть не менее 10 мин. Влияние концентрации водородных ионов рН на процесс флотации углей зависит от степени их метаморфизма, окисленности, свойств сопутствующих пород и характера используемых реагентов. В свою очередь, степень влияния рН на показатели флотации углей разной стадии метаморфизма зависит от содержания в них функциональных групп (особенно группы ОН").
