Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Досмухамедов Н.К. 1 Жолдасбай Е.Е. 1

---

1 Сатбаев Университет

Использование угля на ТЭЦ и малых котельных установках Казахстана для выработки тепла и электроэнергии сопровождается большим выходом золы, что заставляет искать новые решения и рациональные способы ее переработки. В условиях дефицита вырабатываемой электроэнергии и усиления экологической безопасности утилизация отходов золы ТЭЦ в Казахстане является стержневым государственным приоритетом. В настоящей работе на основании результатов ранее проведенных исследований осуществлены оценка и анализ возможности использования инновационной технологии для утилизации накопленных отходов золы ТЭЦ Казахстана. В результате проведенных опытов получен материал, содержащий 99,9% Al2O3 с удельной поверхностью 8–10 м2/г, с размером кристаллов µ=0,5–0,7. Содержание чистого оксида алюминия (α-Al2О3) в полученном материале – более 90%. Предлагаемая технология может стать альтернативой для производства глинозема и кремнезема в странах, где отсутствуют месторождения боксита, пригодного для производства глинозема способом Байера, и нет природных источников для производства чистого кремнезема. Также предлагаемая технология может использоваться для переработки золы, получаемой на малых котельных установках, работающих на угле и находящихся в черте крупных городов-мегаполисов. Развитие производства по переработке золы расширит ассортимент товарной продукции в традиционной энергетической отрасли и повысит ее экспортный потенциал.

Статья в формате PDF

409 KB

зола

обжиг

хлорид кальция

выщелачивание

соляная кислота

металлы

формы нахождения

чистый кремнезем

чистый оксид алюминия

1. Максимова А.М. Извлечение редких и редкоземельных металлов из техногенных объектов как путь к рациональному освоению недр // Науковедение. 2016. № 8(5). С. 1-11.

2. Elliot Roth and other. Distributions and Extraction of Rare Earth Elements from Coal and Coal By-Products. 2017 World of Coal Ash Conference in Lexington, 2017, May 9-11.

3. Aakash Dwivedi, Manish Kumar Jain. Fly ash – waste management and overview: A Review // Recent Research in Science and Technology. 2014. № 6(1). Р. 30-35.

4. Suhas V. Patil, Suryakant C. Nawle, Sunil J. Kulkarni. Industrial Applications of Fly ash: A Review, International Journal of Science // Engineering and Technology Research (IJSETR). 2013. Vol. 2, Is. 9. Р. 1659-1663.

5. Черкасова Т.Г., Черкасова Е.В., Тихомирова А.В., Бобровникова А.А., Неведров А.В., Папин А.В, Угольные отходы как сырье для получения редких и рассеянных элементов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 6. С. 185-189.

6. Ахмедьянов А.У., Киргизбаева К.Ж., Туреханова Г.И. Вторичная переработка отходов (золошлаков) промышленных предприятий // Технические науки. Горное дело. 2018. № 10. С. 7-14.

7. Gupta S., Singh Pahwa M., Gupta A. Innоvative Price Adjustments Technique fоr Thermal Cоal: A Study оf оperatiоn Functiоn under Changing Technо Envirоnment // Glоbal Jоurnal оf Management and Business Research Finance. 2013. № 13 (4). Р. 8-15.

8. Yao Z.T. and other. A comprehensive review on the applications of coal fly ash // Earth-Science Reviews. 2015. Vol. 141. Р. 105–121.

9. Dosmukhamedov N., Kaplan V., Zholdasbay E., Daruesh G., Argyn A. Alumina and Silica Produced by Chlorination of Power Plant Fly Ash Treatment // JOM. 2020. Vol. 72(10). P. 3348-3357.

10. Досмухамедов Н.К., Даруеш Г.С., Жолдасбай Е.Е. Особенности поведения компонентов золы в условиях хлорирующего обжига // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2020. № 2. С.91-98.

11. Досмухамедов Н.К., Каплан В.А., Жолдасбай Е.Е., Даруеш Г.С., Аргын А.А. Выделение железа в железосодержащий продукт из золы от сжигания Экибастузских углей // Уголь. 2021. № 1. С.56-61.

Исследования проводились в рамках грантового финансирования Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2021–2023 годы по приоритетному направлению «Геология, добыча и переработка минерального и углеводородного сырья, новые материалы, технологии, безопасные изделия и конструкции» проекта № АР09259637 «Разработка высокоэффективной безотходной технологии для утилизации золы от сжигания угля с получением товарных продуктов».

Использование угля на ТЭЦ и малых котельных установках Казахстана для выработки тепла и электроэнергии сопровождается большим выходом золы, что заставляет искать рациональные меры и новые решения по ее переработке.

Обращает на себя внимание, что технологии известных в научной литературе работ по переработке золы строятся исходя, в основном, из конъюнктуры мировой ценовой политики извлекаемых металлов. В работах [1, 2, 3] показаны пути извлечения редкоземельных металлов (РЗЭ). Большинство других известных работ посвящены описанию способов локального извлечения глинозема и иного, хотя накопленные золы по объему и содержанию в них широкого спектра ценных металлов [4, 5, 6] вполне можно рассматривать как дополнительный источник сырья для их получения.

В условиях дефицита вырабатываемой электроэнергии и усиления экологической безопасности утилизация отходов золы ТЭЦ в Казахстане является стержневым государственным приоритетом. Огромные накопления золы [7, 8] ввиду отсутствия рациональной технологии их переработки не утилизируются, а продолжают расти с каждым годом. Развитие новых технологий сдерживается наличием больших капитальных затрат, высокой стоимостью транспортной доставки золы до места утилизации и др. Представляется перспективной разработка высокотехнологичных, эффективных инновационных технологий, направленных на комплексное извлечение ценных металлов и легко интегрируемых в существующие технологии ТЭЦ.

С технолого-экономической точки зрения важность решения данного вопроса обусловлена тем, что:

• в золах содержание алюминия и кремния часто превышает их содержание в разрабатываемых месторождениях;

• стоимость ценных сопутствующих металлов, которые могут быть получены из золоотходов, соизмерима, а порой и превосходит (например, в алюминиевом производстве получение галлия, ванадия) стоимость основной продукции предприятия;

• золы не требуют специальных затрат на добычу и транспортировку, составляющих наибольшую часть в структуре себестоимости конечной продукции;

• настоящее положение дел, в условиях истощения первичных запасов ряда ценных металлов, характеризуется значительными потерями ценных металлов, которые могли бы быть извлечены из золы, используемой в качестве дополнительного источника сырья.

В настоящей работе на основании результатов ранее проведенных исследований проведены оценка и анализ возможности использования инновационной технологии для утилизации накопленных отходов золы ТЭЦ Казахстана.

Материалы и методы исследования

Объект исследования – пробы золы, полученные в результате сжигания Экибастузских углей на ТЭЦ-2 г. Алматы. Были отобраны и исследованы 28 представительных проб золы, что позволило уточнить результаты, представленные в ранее опубликованных работах [9]. Приведенные в работе усредненные составы химического и фазового анализа пробы золы позволят принять их за основу при организации процесса обжига и выщелачивания. Полученные результаты по формам нахождения металлов в золе имеют важное значение для подбора расхода реагентов, температуры и других технологических параметров, определяющих распределение металлов между продуктами и качество получаемых продуктов.

Для исследования вещественного и фазового состава золы в работе использованы: атомно-абсорбционной спектрофотометрии PerkinElmer 5100, оборудованной графитовой камерой сжигания; XcaliburXRFLtd, USA; рентгеновский дифрактометр Rigaku, UltimaIIIdiffractometer (RigakuCorporation, USA).

Нахождение металлов в исследуемой пробе проведено с использованием электронной микроскопии образцов Leo-Supra (CarlZeissAG, Germany).

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследований элементного состава усредненной пробы золы показаны в таблице 1.

Результаты фазового состава золы представлены на рисунке 1 и в таблице 2.

В таблице 3 приведен расчетный рациональный состав усредненной пробы золы.

Результаты сравнения элементного и фазового состава усредненной пробы золы с ранее опубликованными данными показывают незначительные их отклонения (+/–0,05% абс.) по основным металлам (Ca, Al, SiO2), что свидетельствует об отлаженном технологическом режиме сжигания угля, применяемом на ТЭЦ-2 г. Алматы.

Таблица 1

Элементный состав усредненной пробы золы

Таблица 2

Полуколичественный рентгенофазовый анализ золы

Рис.1. Штрих-диаграмма пробы золы

Таблица 3

Рациональный состав исходной золы

Концепция разрабатываемой технологии включает извлечение чистого кремнезема и получение глинозема высокого качества. Ядром технологии являются взаимоувязанные между собой стадии обжига золы совместно с хлоридом кальция, выщелачивания огарка соляной кислотой, выделения кристаллогидрата хлористого алюминия (AlCl3·6H2O) с дальнейшим термическим его разложением до получения аморфного оксида алюминия (γ-Al2О3). Детальное обсуждение теоретических основ и экспериментальных результатов каждой операции подробно изложено нами в работах [9, 10, 11]. Ниже, на основании дополнительно проведенных опытов по обжигу, рассмотрена возможность доведения полученного аморфного оксида алюминия до более высокого качества.

Аморфный оксид алюминия, пригодный для производства алюминия, подвергали обжигу до получения глинозема модификации – α-Al2О3, который широко используется при производстве керамики. Обжиг проводили при температуре 1200°С в атмосфере инертного газа (Ar). Продолжительность опыта – 60 мин.

В результате проведенных опытов получен материал, содержащий 99,9% Al2O3 с удельной поверхностью 7–9 м2/г, с размером кристаллов µ=50–700. Содержание чистого оксида алюминия (α-Al2О3) в полученном материале более 90%.

Элементный состав оксида алюминия приведен в таблице 4.

Для получения оксида алюминия особого сорта Tabular Alumina чистый оксид алюминия (α-Al2О3) подвергали высокотемпературному обжигу (1200°С) в течение 45 мин в атмосфере аргона.

Результаты микроструктурного анализа показали наличие кристаллов больших размеров (50–700 µ) глинозема α-Al2О3, аналогичных по свойствам особому сорту Tabular Alumina, который используется в производстве важных и специальных сортов керамики.

Таблица 4

Химический состав и свойства чистого оксида алюминия (α-Al2О3)

На фотографии микроструктуры обычного и особо чистого сорта оксида алюминия (рис. 2) видно, что в микроструктуре Tabular Alumina практически нет открытой пористости, причем поверхность материала плотно закрытая и в нем нет мелких кристаллов (рис. 2В).

Основным преимуществом технологии является одновременное решение двух серьезных проблем. Первая – экологическая, связанная с сокращением отвалов угольной золы, накопленные объемы которых существенно загрязняют окружающую среду за счет рассеивания ветром мелкой части золы крупностью менее 20–40 µ. Вторая проблема – техническая, связанная с получением высококачественных продуктов: глинозема, не содержащего примеси натрия, что особенно важно при производстве качественной керамики, и чистого кремнезема для использования в качестве добавки при производстве так называемых зеленых, экологически чистых шин.

Рис. 2. Фотографии микроструктуры обычного оксида алюминия (А) и сорта Tabular Alumina (Б). х500

Предлагаемая к разработке технология может стать альтернативой для производства глинозема и кремнезема в странах, где отсутствуют месторождения боксита, пригодного для производства глинозема способом Байера, и нет природных источников для производства чистого кремнезема.

Особый интерес применение предлагаемой технологии может представлять для переработки золы, получаемой на малых котельных установках, работающих на угле и находящихся в черте крупных городов-мегаполисов.

Выводы

1. Полученные результаты позволят научно обосновать методологические и технологические подходы по изучению и внедрению в производство новой безотходной хлорирующей технологии для утилизации золы с получением товарных продуктов с высокой добавленной стоимостью.

2. Результаты будут использованы в энергетической отрасли с целью вовлечения в переработку многокомпонентной золы в качестве дешевого, дополнительного источника сырья для получения новых видов товарной продукции.

3. Развитие производства по переработке золы расширит ассортимент товарной продукции в традиционной энергетической отрасли и повысит ее экспортный потенциал.

Библиографическая ссылка