Инновационные методы утилизации зольной пыли

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

§4

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Алюминиевая промышленность во всём мире с каждым годом ощущает всё большую потребность в высококачественном бокситовом сырье, запасы которого ограничены. В то же время мировые запасы низкокачественного алюминиевого сырья - высококремнистых бокситов, каолиновых глин, лейцитов, алунитов, сланцев, нефелинов и других руд очень велики, однако эффективная технология их переработки отсутствует.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГЛИНОЗЕМА ИЗ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ

Алюминиевая промышленность во всём мире с каждым годом ощущает всё большую потребность в высококачественном бокситовом сырье, запасы которого ограничены. В то же время мировые запасы низкокачественного алюминиевого сырья - высококремнистых бокситов, каолиновых глин, лейцитов, алунитов, сланцев, нефелинов и других руд очень велики, однако эффективная технология их переработки отсутствует.

Переработка высококремнистого глинозёмсодержащего сырья щелочным способом (способ Байера) не рациональна, поскольку двуокись кремния в технологическом процессе вступает в химическое взаимодействие со щёлочью и на её связывание теряется большое количество как щёлочи, так и алюминия (на 1 кг SiO₂ в сырье теряется до 0,6 кг Na₂O и до 1 кг Al₂O₃ при расчёте на состав гидроалюмосиликата натрия Na₂O ? Al₂O ₃ ? SiO₂ ? Н₂О). Для такого сырья более перспективной является кислотная технология, при которой в качестве химического агента используется та или иная кислота: серная, сернистая, соляная или азотная, с которой двуокись кремния не вступает во взаимодействие.

Сопоставление двух способов производства глинозёма - щелочного и кислотного для переработки высококремнистого сырья свидетельствует о значительных преимуществах последнего, среди которых на передний план выдвигается возможность устранения ограничений на состав перерабатываемого сырья (содержание окиси кремния). В эксплуатацию могут быть введены различные месторождения высококремнистого алюминиевого сырья, реальная ценность которых при переработке щелочными способами проблематична. При применении кислот исключается стадия обогащения сырья, использование известняка и соды, обескремнивание растворов, в большинстве способов, и значительно уменьшается материальный поток.

В качестве сырья для получения глинозема кислотным способом нами использован аргиллит Волчанского угольного разреза, который представляет собой отходы угледобычи.

камневидная глинистая, порода серого цвета. По данным рентгенофазового анализа аргиллит Волчанского угольного разреза включает кварц, силиманит, каолинит, анортит, альбит, галлуозит, нонтронит.

Химический состав используемого нами аргиллита следующий (%): Si0₂-51,13, Al₂O₃-24,7, Fe₂O₃ -7,5, CaO-0,58, Na₂O+K₂O-1,29, TiO_2>-0,95, п.п.п. 13,85. Переработка такого сырья щелочным методом не рациональна, в связи с высоким содержанием двуокиси кремния, поэтому нами предлагается комплексный азотнокислотный метод переработки аргиллита на глинозем, железоокисный пигмент, азотные удобрения и сиштоф с регенерацией азотной кислоты

Предлагаемый способ включает в себя 5 основных переделов:>

1. Первичная обработка руды, заключающаяся в дроблении, помоле аргиллита с последующим обжигом

2. Перевод оксида алюминия в раствор азотной кислотой

3. Выделение и очистка нитрата алюминия

4. Термический гидролиз Al(NO₃)₃ и получение Al₂О₃

5. Регенерация реагентов, применяемых на предыдущих стадиях

Выщелачивание не прокаленной породы азотной кислотой не дало положительных результатов: извлечение Al₂O₃ не превышало 27%, а Fe₂O₃ - 75%, также происходит образование большого количества бурого газа вследствие окисления органических веществ и двухвалентного железа, что приводит к существенным потерям азотной кислоты.

Оптимальная температура прокаливания, обеспечивающая наиболее полное вскрытие породы, 650-750 ⁰С (исходя из данных дериватограммы). Из прокаленного таким образом сырья в течение 3-х часов в раствор переходит не менее 83% глинозема, имеющегося в сырье, при выщелачивании 40%-ной кислотой в стехиометрическом количестве.

Полученная пульпа подвергается фильтрации, кремнеземистый остаток промывается водой и в дальнейшем возможно его использование для производства строительных материалов, а раствор, содержащий нитраты алюминия, железа, щелочных и щелочноземельных металлов подвергается обезжелезиванию.

Очистка Al(NO₃₃ от железа является наиболее сложной стадией. Разделение соединений этих элементов представляет определенные трудности, поскольку по свойствам они очень близки, так гидроксиды алюминия и железа образуют трудно фильтрующиеся, практически нерастворимые в воде осадки. Однако растворимость их значительно различается, так ПР(Al(OH)₃) = 5,1·10^-33, а ПР(Fe(OH)₃) = 3,8·10^-38. Исходя из этого можно полагать, что равновесие в реакции (1)

Fe³⁺ + Al(OH)₃« Fe(OH)₃ ? + Al³⁺ (1)

будет сдвинуто вправо.

Учитывая рН начала гидратообразования (Al(OH)₃ значительно выпадает в осадок при рН » 4, а Fe(OH)₃ - при рН » 2), можно полагать, что реакция (1) даст возможность отделить железо от алюминия. Кроме того, железо (III) не образует с нитрат ионом комплексных частиц и поэтому гидролиз в нитратном растворе будет идти лучше, чем в серно- и солянокислых растворах.

Получение чистого Al(OH)₃ трудоемко, а Al(OH)₂NO₃ - аналогичный по своему обезжелезивающему эффекту, синтезируется термическим разложением нитрата алюминия.

Осаждение железа велось основным нитратом алюминия. Расчет необходимого количества осадителя велся исходя из рН раствора и количества железа.

Для коагуляции выделяющегося Fe(OH)₃ использовались флокулянты Praestol 2500, Praestol 2510, Praestol 611ВС и полиакриламид.

Исследование показало, что добавление всего рассчитанного количества Al(OH)₂NO₃ приводит к образованию гидроксида железа (III) в виде коллоидных частиц, не подвергающихся агрегации при добавлении флокулянтов. Дробное добавление (5-10 порций) осадителя позволяет получить крупные частицы, хорошо осаждаемые при добавлении флокулянта.

Исследование качества обезжелезивания в растворах с различной исходной концентрацией Al(NO ₃)₃ в пересчете на Al2 O3 показало, что наиболее удобными для работы являются растворы с концентрацией 40-45г/л Al₂O₃. При более высокой концентрации степень обезжелезивания снижается вследствие увеличения вязкости и снижения подвижности системы.

В ходе проведенной работы исследована зависимость обезжелезивания от количества осадителя. Наиболее оптимальным является стехиометрическое количество, уменьшение количества введенного осадителя приводит к снижению качества очистки растворов от железа, увеличение количества Al(OH)₂ NO₃ существенно не влияет на обезжелезивание.

Оптимальной температурой проведения очистки растворов от железа является температура кипения. В этих условиях удается получить растворы со степенью обезжелезивания порядка 93 % от исходного содержания железа. При снижении температуры ведения обезжелезивания остаточная концентрация железа в растворе увеличивается и полностью прекращается при 60 ⁰С.

В ходе проведенной работы исследована зависимость обезжелезивания от рН исходных растворов, и установлено, что более полное обезжелезивание протекает при рН от 0 и не более 1,5. При ведении процесса в растворах с рН менее 0 требуется существенно большее количество основного нитрата алюминия, что приводит к увеличению концентрации Al₂O₃ в растворе и снижению подвижности системы, как следствие - снижение качества очистки. Если же рН раствора превышает 1,5, то в нем возникает большое количество центров кристаллизации, что в конечном итоге приводит к образованию мелких коллоидных частиц гидроокиси железа не подвергающихся агрегации при действии флокулянта.

Исследована также зависимость обезжелезивания растворов содержащих 40,5 г/л Al₂ O₃ от исходного количества железа в растворе. Эксперименты показали, что в растворах содержащих менее 0,6 г/л Fe₂ O₃ коагуляции гидроокиси не наблюдается. При содержании Fe₂ O₃ более 10 г/л качество очистки снижается, остаточная концентрация Fe₂O₃ достигает 0,67 г/л, в то же время при концентрации железа в пределах 0,6 - 10 г/л остаточная концентрация Fe₂ O₃ составляет 0,38 - 0,09 г/л.

Суспензия после введения флокулянта фильтруется. Осадок промывают водой, прокаливают с получением железоокисного пигмента.

Предложенный метод позволяет производить лишь частичное обезжелезивание азотнокислых растворов алюминия. Для проведения дальнейшей очистки от железа использован нитратный крокус - активированная окись железа, полученная путем разложения нитрата железа(III) при температуре 260-280 ⁰С. Двадцатикратный избыток нитратного крокуса по сравнению с имеющимся в растворе Fe₂O₃ введенный в раствор и выдержанный в течение часа при температуре кипения обеспечивает требуемую очистку от железа (mFe₂ O₃

Суспензия подвергается центрифугированию, осадок поступает на регенерацию, а раствор упаривают.

Полученная кристаллическая масса, содержащая нитраты алюминия, кальция, магния, калия и натрия подвергается термическому гидролизу при температуре не выше 300 ⁰С. Часть полученного продукта идет на первое обезжелезивание, оставшаяся часть промывается горячей водой. В раствор переходят нитраты щелочных и щелочноземельных металлов, которые после упаривания и соответствующего сбалансирования могут быть использованы в качестве азотных удобрений

Глиноземсодержащий продукт прокаливается при температуре 1000 ⁰С получением товарного продукта - глинозема.

Регенерация выщелачивающего агента - азотной кислоты происходит в ходе термического гидролиза.

Таким образом, разработанная схема представляет собой замкнутый производственный цикл, позволяющий получить из низкокачественного сырья - аргиллита глинозем, азотные удобрения, железоокисный пигмент и сиштоф с регенерацией азотной кислоты, пускаемой в оборот. Процесс для выделения алюминия из зольной пыли, содержащей железо, кремний и читан, включает следующие операции:

а) хлорирование золы в атмосфере кислорода и отгонка парообразного хлорида железа из образовавшейся смеси;

б) хлорирование остатка стадии а в восстановительной атмосфере (в присутствии оксида углерода) с добавкой хлорида кремния для подавления реакции хлорирования кремния и отгонкой парообразных хлоридов алюминия, кремния, титана и остаточного хлорида железа;

в) разделение и извлечение индивидуальных отогнанных хлоридов селективной конденсацией; обработка остатка стадии б серной кислотой с превращением хлорида кальция в гипс и регенерацией хлорирующего и связующего раствора для гранулирования подаваемой зольной пыли.

Зольная пыль вместе с продукции сгорания из бойлеров, обогреваемых углем, собирается в бункере. Собираемая зола периодически транспортируется в накопительный бункер. Сухая зольная пыль может подвергаться магнитной сепарации. Как правило, при этом отделяется 50--60 % магнетитового железа. Далее зола подается на стадию грануляции, где добавляется солянокислый связующий раствор; при этом получают тяжелые прочные гранулы. Гранулы далее высушиваются при 300 °С в туннельных печах при непосредственном контакте с пламенем. Сухие гранулы используются в качестве исходного материала для хлорирования. Зольная пыль может измельчаться перед гранулированием, однако измельчение не влияет на выход выделяемого металла. Гранулирование является обязательным при использовании шахтных реакторов.

Соляная и серная кислоты представляют собой подходящие связующие компоненты для гранулирования без добавок углерода. В отсутствие связующих компонентов в результате спекания при 300 "С зольная пыль дает гранулы с малой прочностью. Наличие углеродсодержащих материалов также снижает прочность гранул. Гранулы высушиваются в форсуночных печах или за счет использования тепла высокотемпературных отходящих газов окислительных хлораторов.

Как видно из рис. 3, за стадией окислительного хлорирования следует восстановительное хлорирование. Установлено, что наиболее эффективно удаление железа путем селективного хлорирования на стадии окислительного хлорирования с последующей отгонкой и конденсацией образующегося хлорида железа. До 98 % железа отгоняется без заметного хлорирования и отгонки других металлов. Весьма важно, что на этой стадии не образуется и не отгоняется хлорид алюминия. В процессе хлорирования для уменьшения расхода хлора необходимо подавить хлорирование других металлов, в первую очередь кремния, содержание которого в золе может быть >25 %.

Установлено, что степень хлорирования диоксида кремния в процессе восстановительного хлорирования значительно уменьшается при использовании в качестве восстановителя одного оксида углерода вместо смеси углеродсодержащих материалов. Оксид углерода значительно повышает селективность хлорирования алюминия по сравнению с кремнием. Введение хлорида кремния в реакционную газовую смесь оксида углерода и хлора приводит к практически полному подавлению процесса хлорирования кремния (например, при 950 °С).

В процессе хлорирования происходит также хлорирование щелочных и щелочноземельных металлов. Подавлению хлорирования этих металлов не уделяется специального внимания, так как найдены эффективные способы переработки остатка, содержащего хлориды этих металлов. Оптимальные условия для уменьшения хлорирования натрия и магния реализуются при проведении хлорирования в отсутствие углерода и температуре 950 °С.

Окислительное хлорирование с целью селективного выделения железа предпочтительно проводить в шахтных хлораторах при использовании в качестве сырья гранул со связующим компонентом. Попытки удалить железо из гранул путем перхлорирования в восстановительных или нейтральных условиях оказались неосуществимыми вследствие одновременного хлорирования избытка оксида алюминия.

Для реализации процесса целесообразно использовать несколько периодических шахтных хлораторов, работающих в циклическом режиме, обеспечивающем максимальную рекуперацию тепла. Сырье предварительно нагревают до требуемой температуры горячими нейтральными газами угольных топок. Смесь хлора и кислорода затем циркулирует через реактор в течение 3 ч, в результате чего 90-95 % содержащегося железа удаляется в виде паров хлорида. Летучий хлорид железа собирается в воздушном конденсаторе. Затем следует стадия восстановительного хлорирования.

В реактор добавляется оксид углерода; реакция в ее присутствии достаточно экзотермична и не требует наружного обогрева. Хлорирование продолжается 4-8 ч, причем остаточный хлорид железа собирают в конденсаторе первой стадии, а высокочистый хлорид алюминия - в конденсаторе второй стадии.

Около 3 % (объемн.) хлорида кремния вводится в реактор в процессе восстановления с целью подавления хлорирования кремния. В конденсаторе третьей стадии собирают хлориды титана и кремния. Хлоратор охлаждается и очищается от остатков хлора путем продувки воздухом, а выходящие газы поступают в следующий хлоратор для нагревания и взаимодействия с остаточным хлором и хлористым кремнием.

Для введения хлорида кремния предпочтительно пропускать хлор, подаваемый в реактор через жидкий хлорид кремния. Охлажденные выработанные гранулы подаются на стадию выщелачивания, где отделяются водорастворимые хлориды и кальциевые соли переводятся в гипс под действием серной кислоты. Твердый осадок отфильтровывают, моют и удаляют в виде отходов. Солянокислый раствор выпаривают и возвращают на стадию грануляции для использования в качестве связующего компонента и хлорирующего агента.

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ПУТЕМ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ

Значительные количества зольной пыли получаются в результате сжигания измельченного угля в топках тепловых электростанций. Удаление этой пыли -- серьезная проблема. Зольная пыль представляет собой отход с высоким содержанием металлов, особенно алюминия; стандартная зола содержит до 14 % А1 (по массе). В меньших количествах присутствуют железо, титан и другие металлы.

На сегодняшний день не существует достаточно экономичного способа выделения металлического алюминия требуемой чистоты из золы вследствие трудности его отделения от других металлов, особенно железа. Выделение алюминия из смеси

путем хлорирования с образованием хлористого алюминия является эффективным процессом, но только в том случае, когда получается хлорид алюминия достаточно высокой чистоты. Например, при переработке хлорида алюминия в электролизерах типа «Алкоа» содержание Fe₂0₃ должно быть <0,03 %. Далее, в процессе хлорирования возможно образование побочных продуктов, например SiCl₄; эти процессы необходимо подавлять с целью уменьшения расхода хлора, иначе процесс становится неэкономичен. Другая проблема заключается в удалении накапливающихся хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов.

Процесс, предложенный Дж.E. Рейнольдсом, A.P. Вильямсом (патент США 4159310, 2 июня 1979 г., фирма и Паблик Сервис Компани оф Нью Мексика»), для выделения алюминия из зольной пыли, содержащей железо, кремний и читан, включает следующие операции:

а) хлорирование золы в атмосфере кислорода и отгонка парообразного хлорида железа из образовавшейся смеси;

б) хлорирование остатка стадии а в восстановительной атмосфере (в присутствии оксида углерода) с добавкой хлорида кремния для подавления реакции хлорирования кремния и отгонкой парообразных хлоридов алюминия, кремния, титана и остаточного хлорида железа;

в) разделение и извлечение индивидуальных отогнанных хлоридов селективной конденсацией; обработка остатка стадии б серной кислотой с превращением хлорида кальция в гипс и регенерацией хлорирующего и связующего раствора для гранулирования подаваемой зольной пыли.

Этот процесс схематически показан на рис. 3. Зольная пыль вместе с продуктами сгорания из бойлеров, обогреваемых углем, собирается в бункере. В частности, Для переработки использовалась зольная пыль тепловых станций, работающих а Lan-Хуанском угле, добываемом в районе Фор-Корнер, США. Содержание леталла в зольной пыли существенно меняется в зависимости от места добычи угля.

Собираемая зола периодически транспортируется в накопительный бункер. Сухая зольная пыль может подвергаться магнитной сепарации. Как правило, при этом отделяется 50--60 % магнетитового железа. Далее зола подается на стадию грануляции, где добавляется солянокислый связующий раствор; при этом получают тяжелые прочные гранулы. Гранулы далее высушиваются при 300 °С в туннельных печах при непосредственном контакте с пламенем. Сухие гранулы используются в качестве исходного материала для хлорирования. Зольная пыль может измельчаться перед гранулированием, однако измельчение не влияет на выход выделяемого металла. Гранулирование является обязательным при использовании шахтных реакторов.

Соляная и серная кислоты представляют собой подходящие связующие компоненты для гранулирования без добавок углерода. В отсутствие связующих компонентов в результате спекания при 300 °С зольная пыль дает гранулы с малой прочностью. Наличие углеродсодержащих материалов также снижает прочность гранул. Гранулы высушиваются в форсуночных печах или за счет использования тепла высокотемпературных отходящих газов окислительных хлораторов.

За стадией окислительного хлорирования следует восстановительное хлорирование. Установлено, что наиболее эффективно удаление железа путем селективного хлорирования на стадии окислительного хлорирования с последующей отгонкой и конденсацией образующегося хлорида железа. До 98 % железа отгоняется без заметного хлорирования и отгонки других металлов. Весьма важно, что на этой стадии не образуется и не отгоняется хлорид алюминия. В процессе хлорирования для уменьшения расхода хлора необходимо подавить хлорирование других металлов, в первую очередь кремния, содержание которого в золе может быть >25 %.

Установлено, что степень хлорирования диоксида кремния в процессе восстановительного хлорирования значительно уменьшается при использовании в качестве восстановителя одного оксида углерода вместо смеси углеродсодержащих материалов. Оксид углерода значительно повышает селективность хлорирования алюминия по сравнению с кремнием. Введение хлорида кремния в реакционную газовую смесь оксида углерода и хлора приводит к практически полному подавлению процесса хлорирования кремния (например, при 950 °С).

В процессе хлорирования происходит также хлорирование щелочных и щелочноземельных металлов. Подавлению хлорирования этих металлов не уделяется специального внимания, так как найдены эффективные способы переработки остатка, содержащего хлориды этих металлов. Оптимальные условия для уменьшения хлорирования натрия и магния реализуются при проведении хлорирования в отсутствие углерода и температуре 950 °С.

Окислительное хлорирование с целью селективного выделения железа предпочтительно проводить в шахтных хлораторах при использовании в качестве сырья гранул со связующим компонентом. Попытки удалить железо из гранул путем перхлорирования в восстановительных или нейтральных условиях оказались неосуществимыми вследствие одновременного хлорирования избытка оксида алюминия.

Для реализации процесса целесообразно использовать несколько периодических шахтных хлораторов, работающих в циклическом режиме, обеспечивающем максимальную рекуперацию тепла. Сырье предварительно нагревают до требуемой температуры горячими нейтральными газами угольных топок. Смесь хлора и кислорода затем циркулирует через реактор в течение 3 ч, в результате чего 90--95 % содержащегося железа удаляется в виде паров хлорида. Летучий хлорид железа собирается в воздушном конденсаторе. Затем следует стадия восстановительного хлорирования.

В реактор добавляется оксид углерода; реакция в ее присутствии достаточно экзотермична и не требует наружного обогрева. Хлорирование продолжается 4-- 8 ч, причем остаточный хлорид железа собирают в конденсаторе первой стадии, а высокочистый хлорид алюминия -- в конденсаторе второй стадии.

Около 3 % (объемн.) хлорида кремния вводится в реактор в процессе восстановления с целью подавления хлорирования кремния. В конденсаторе третьей стадии собирают хлориды титана и кремния. Хлоратор охлаждается и очищается от остатков хлора путем продувки воздухом, а выходящие газы поступают в следующий хлоратор для нагревания и взаимодействия с остаточным хлором и хлористым кремнием.

Для введения хлорида кремния предпочтительно пропускать хлор, подаваемый в реактор через жидкий хлорид кремния. Охлажденные выработанные гранулы подаются на стадию выщелачивания, где отделяются водорастворимые хлориды и кальциевые соли переводятся в гипс под действием серной кислоты. Твердый осадок отфильтровывают, моют и удаляют в виде отходов. Солянокислый раствор выпаривают и возвращают на стадию грануляции для использования в качестве связующего компонента и хлорирующего агента.

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПУТЕМ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛЬНОЙ ПЫЛИ

Способ предназначен для получения легкого заполнителя путем обработки зольной пыли и шлама сточных вод. Зольная пыль и шлам очистки сточных вод смешиваются вместе и затем агломерируются в окатыши с использованием связующего или без него. Окатыши могут иметь покрытие, затем они высушиваются. Высушенные окатыши вводят во вращающуюся обжиговую печь в направлении, параллельном с потоком топлива и воздуха через печь. Окатыши в печи затвердевают и подвергаются полному обжигу, так же как и в различной степени пиролизу и спеканию. Полученный из печи продукт является шаровидным материалом с низкой плотностью, но с твердой и пористой структурой. Продукт из печи затем поступает в холодильник. Смесь зольной пыли и шлама очистки сточных вод имеет значительную калорийность топлива, что можно использовать в печи. Кроме того, тепловую калорийность отходящих из печи газов можно использовать для сушки материала. 4 с. и 9 з.п. ф-лы, 8 табл., 2 ил.

Заявитель(и): Майнерджи Корп. (US) Автор(ы): Некватал Тимоти М.[US]; Хейан Гленн А.[US] Патентообладатель(и): Майнерджи Корп. (US) Описание изобретения: Изобретение относится к способу обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, способу получения легкого заполнителя и легкому шарообразному пористому заполнителю.Зольная пыль является побочным продуктом, полученным при сжигании угля и особенно пылевидного битуминозного угля. Углесжигающие электростанции обычно производят очень большое количество зольной пыли, которую необходимо удалить приемлемым для окружающей среды способом. Уже известно, что зольная пыль может быть обработана для создания строительных изделий (патент США N 1942769, 09.01.34 Пеффера и др.), и что из обработанной зольной пыли могут быть созданы практичные легкие (легковесные) заполнители (патент США 2948848, 16.08.60. Дуплина и др., патент США 3702257, 07.11.72. Конинга и патент США N 3765920, 16.10.73. Хамфри). В процессе обработки зольной пыли типичным приемом является нагрев смеси зольной пыли, и этот нагрев часто осуществляется во вращающейся обжиговой печи.

Шламы сточных вод являются побочным продуктом очистки сточных вод. Шлам представляет собой твердые плотные частицы осадка, накопленные и затем отделенные от струи жидкости в течение различных этапов процесса очистки сточных вод. Шлам может быть от первичного или повторного осаждения или активным илом. Шлам может быть в виде необработанного канализационного ила, вываренного шлама или обезвоженного шлама. Характеристики шлама очень зависят от стадии обработки, из которой их извлекают, а также от того проведена ли такая обработка, как вываривание. Однако общей характеристикой шлама является то, что он содержит значительное количество органического вещества.Шлам обычно уничтожают сжиганием с последующим захоронением инертной золы в почве, образованием лагун и насыпей, разбрасыванием по почве как удобрение или для кондиционирования грунта и сбрасыванием в океан, там где это возможно. Экономичное и безвредное для окружающей среды избавление как от зольной пыли, так и от шлама сточных вод представляет значительную проблему.

Гринвольтом (Greenwalt) в пат. США N 1895159, 24.01.33 было предложено уничтожать шлам сточных вод смешиванием его с впитывающим воду материалом, таким как золы. Полученная масса спекалась на проницаемом поле для образования твердого ячеистого брикета, который было бы удобно использовать как заполнитель для бетона. Другой способ избавления от шлама очистки сточных вод был предложен Бебстером (Webster et all) и др., в пат. США N 4028130, от 07.06.77, в котором вываренный шлам сточных вод смешивался с известью, зольной пылью и любым щелочноземельным металлом, сульфатами или грунтом для образования застывающей на воздухе структуры, которую можно разместить на открытом атмосфере участке, и которая через некоторое время вулканизируется, чтобы работать как земляная насыпь или как материал для фундамента (подошвы) дорог.

Патент США N 3600476 раскрывает способ производства легковесных заполнителей, которые по существу образуют окатыши из смеси зольной пыли и шлама сточных вод. В этом патенте не раскрывается обработка агломерированной смеси пропусканием через печь, используя параллельный поток горячего газа.

Наиболее близким способом является способ обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, включающий смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси, нагрев агломерированной смесь во вращающейся обжиговой печи с получением шарообразного продукта и охлаждение полученного продукта (ЕВ 2142006).Основной задачей, решаемой изобретением, является создание легковесного легкого заполнителя, образованного из обработанных и нагретых зольной пыли и шлама очистки сточных вод.

Сформулированная задача решается за счет того, что в способе обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, включающем смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси, нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжиговой печи с получением шарообразного продукта, зольную пыль и шлам очистки сточных вод смешивают в количествах от 35 до 85 мас. % и от 20 до 65 мас.%. (на сухое), соответственно, и нагрев агломерированной смеси осуществляют во вращающейся обжиговой печи при пропускании агломерированной смеси через печь параллельного потоку горячих газов в печи.В смесь зольной пыли и шлама очистки сточных вод дополнительно вводят связующее в количестве до 20 мас.% (на сухое).

Агломерированная смесь перед нагреванием ее во вращающейся печи может быть высушена до содержания влаги менее 5 мас.%.

Сформулированная задача решается также за счет того, что в способе обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси, нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжиговой смеси с образованием пористого шарообразного продукта и извлечение его из печи, при смешивании используют шлам очистки сточных вод с высокой теплотворной способностью для замены более половины топлива, расходуемого на нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжиговой печи до температуры ниже температуры плавления смеси. Сформулированная задача решается также за счет того, что в способе получения легкого заполнителя, включающем смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси окомковыванием, нагрев окомкованной смеси во вращающейся обжиговой смеси и охлаждение, зольную пыль и шлам очистки сточных вод смешивают в количествах от 35 до 99 мас.% и от 1 до 65 мас.% (на сухое), соответственно, и нагрев осуществляют при пропускании окомкованной смеси через обжиговую печь параллельно потоку горячих газов в печи. В смесь зольной пыли и шлама очистки сточных вод дополнительно может быть введено связующее в количестве до 20 мас.% (на сухое). Агломерированную смесь перед нагревом ее во вращающейся обжиговой печи, сушат до содержания влаги менее 5 мас.%.

Окатыши перед сушкой могут быть покрыты порошком.Температура во вращающейся обжиговой печи может равняться 800-1200^oC. Тепло отходящих газов утилизируют при сушке шлама перед смешиванием и при сушке окатышей.

Тепло, удаляемое из окатышей в процессе охлаждения, используют для сушки окатышей.

Получаемый заявленным способом легкий заполнитель характеризуется плотностью 700 - 900 кг/м³.

Полученный окомкованный шаровидный продукт после охлаждения может быть использован как легковесный заполнитель для бетона, каменной кладки или в целях изоляции, может использоваться для других коммерческих целей, или же от него можно избавиться любым безвредным для окружающей среды и экономичным способом. В зависимости от количества шлама в смеси сжигание органической части шлама обеспечит существенный вклад в общую тепловую энергию, необходимую для печи и для других стадий процесса. Шлам также приводит к значительной потере веса агломерируемой смеси за счет образования пор в заполнителе после улетучивания или сгорания органической части шлама в обжиговой печи.

Дополнительное снижение плотности заполнителя обеспечивается за счет разбухания гранул вследствие удерживания внутри гранул заполнителя газов от сгорания летучих органических веществ, связанного углерода и реакций кальцинации.

Смесь может содержать от 35 до 99% зольной пыли в сухом весе. Предпочтительнее, чтобы смесь содержала от 65 до 95% зольной пыли в сухом весе и от 5 до 35% шлама в сухом весе.Важнейшими характеристиками обработки внутри вращающейся обжиговой печи являются параллельное движение окатышей и газа, размещение основной горелки на загрузочном конце печи, совершенно ровный температурный профиль вдоль всей длины печи, максимум температур газа порядка 800-1200^oC в зонах сжигания и спекания в печи, и состав и скорость течения газа через печь, которые обеспечивают достаточную температуру, кислород и время выдержки для полного выгорания углерода и летучих органических компонентов.

Высокая тепловая энергия отходящих из печи газов позволяет использовать их для сушки агломерируемой смеси пыли и шлама или сушки шлама, предшествующей смешиванию его с зольной пылью.Упомянутые выше и другие цели и преимущества изобретения поясняются дальнейшим подробным описанием предпочтительного способа выполнения изобретения. Зольная пыль может изменяться по составу в зависимости от источника ее получения, а также может меняться и в случае получения ее из одного и того же источника в зависимости от специфических условий работы, практикуемых на силовой установке. Типичная зольная пыль, используемая в настоящем изобретении, представляет собой пыль, получаемую на нескольких углесжигающих электростанциях среднего Запада. Содержание углерода, доля потерь на обзоливание и теплотворная способность зольной пыли меняются в широких пределах. Это частично зависит от степени неполного сгорания угля, из которого получают зольную пыль, и также от типа сжигаемого угля. Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что потери на обзоливание не являются особо важным параметром, в связи с чем может успешно использоваться широкий ряд сортов зольной пыли. Потери на обзоливание типичной зольной пыли составляют 0-20% и зольные пыли такого типа могут успешно использоваться. Однако, когда есть несколько источников зольной пыли, целесообразнее смешивать зольную пыль от различных источников для получения конечной смеси, имеющей потери на обзоливание порядка 5-10%. Шлам очистки сточных вод также широко меняется по составу и характеристикам. Также очень сильно меняется влажность в зависимости от уровня обработки на средствах обслуживания сточных вод. Примерами типичного шлама также являются шламы, полученные на средствах обслуживания сточных вод на верхнем среднем Западе. Перед смешиванием с зольной пылью влажность шлама должна быть уменьшена до такого уровня, чтобы влажность смеси пыли и шлама была пригодной для агломерации. В зависимости от исходной влажности такой, шлам досушивают общепринятыми и широко известными способами механической и термической сушки шлама.

Исходный высушенный шлам затем может требовать снижения крупности для разрушения любых твердых комков, образовавшихся в процессе сушки и способствования равномерному рассредоточению в смеси с зольной пылью.

Зольная пыль и шлам смешиваются на участке приготовления материала, который может включать дозированное или непрерывное смешивание. Влажность смешиваемых пыли и шлама должна быть порядка 5-25% для облегчения смешивания и последующей агломерации смеси. Пыль и шлам смешивают в соотношении около 35-99% пыли в сухом весе и около 10-65% шлама в сухом весе. Внутри эти пределов предпочтительным соотношением является около 65-95% пыли в сухом весе и около 5-35% шлама в сухом весе. Как свойственно агломерации, может быть необходимым и желательным добавлять такое связующее как бентонит для способствования образованию смешанных частиц. Такое связующее не должно превышать порядка 20% от общего сухого веса полученной смеси и предпочтительно не должно превышать 5%.

В зависимости от когезионной способности и целостности необработанной агломерируемой смеси в связующем может не возникнуть необходимости. Смесь смешиваемых пыли и шлама со связующим или без него подается в первый агломератор, агломерирующий смесь в небольшие окатыши с диаметром порядка 1/8 - 3/4 дюйма (0,3175 - 1,905 см). Сырые окатыши, полученные в первом агломераторе, подаются во второй агломератор, в котором сырые окатыши могут быть покрыты кроющим материалом для предотвращения спекания их друг с другом в процессе тепловой обработки во вращающейся обжиговой печи. Предпочтительно покрытие из зольной пыли с низкими потерями на обзоливание. Альтернативно в качестве покрытия могут использоваться доломит, известняк, портландцемент и другие материалы. В зависимости от тенденции спекания окатышей в обжиговой печи в покрытии может не быть необходимости.Сырые окатыши с покрытием или без него затем сушат в сушилке, с подвижными решетками. Сырые окатыши высушивают до влажности менее 5%. Высушенные окатыши затем вводят во вращающуюся обжиговую печь. Высушенные окатыши поступают в тот же конец печи, через который снаружи через горелки вводят топливо и воздух, либо воздух вводят через воздушные фурмы. Окатыши будут медленно перемещаться через наклонную вращающуюся обжиговую печь в том же направлении, в котором через печь движется поток горячих газов (т.е. в параллельном с потоком газов направлении), максимальная температура в печи должна быть в пределах 800-120^oC, и температурный профиль по всей длине обжиговой печи должен быть относительно ровным (или плоским). Окатыши в печи затвердеют. Окатыши пройдут полное прокаливание и будут подвергнуты в различной степени пиролизу и спеканию. На наружной поверхности окатышей будет образовываться оболочка, задерживающая газы, образующиеся внутри окатышей, в результате чего окатыши раздуваются. Это формирует пористую внутреннюю часть (внутренность). Полученный продукт является шаровидным материалом с низкой плотностью, но с твердой и пористой структурой.

Обожженный продукт поступает в охладитель, который может охлаждаться водой или воздухом, для снижения температуры продукта до температуры, при которой затем он может транспортироваться и штабелироваться. Тепло из охладителя может быть уловлено и использовано для различных технологических приемов, включая сушку сырых окатышей в сушилке с подвижными решетками.Добавка шлама существенно увеличивает калорийность смеси в печи и значительно снижает количество внешнего топлива, такого как природный газ, который требуется для зажигания печи. Как будет показано, количество топлива в виде природного газа, которое необходимо добавить в печь для получения той же самой скорости продукта в коротких тоннах в час (короткая тонна = 907,18 кг) снижается до примерно 85% за счет использования смеси пыли и шлама в сравнении с полностью пылью. Кроме того отходящие из печи газы обладают значительной колорийностью, и эта тепловая энергия может использоваться для сушки шлама, предшествующей смешиванию, для сушки свежих окатышей и для утилизации энергии и других целей, все как показано на фиг. 1. Охладитель и/или отходящие из печи газы могут быть поданы в сушилку с подвижными решетками в качестве источника тепла для процесса сушки. Неиспользованные газы проходят газоочистку и выходят через выводную трубу 26.

На опытной установке проведены испытания различных смесей зольной пыли и шлама сточных вод, включая сравнительные тесты с пылью без шлама. Параметры работы печи также изменялись. Разнятся используемые смеси пыли и шлама. Почти во всех случаях в качестве связующего использовался бентонит. Кроме того, в таблице 6 показаны используемые в некоторых тестах покрытия, и покрытием в каждом образце служила зольная пыль С. Зольная пыль, использованная в каждой смеси, сама была смесью зольных пылей из различных источников. Соотношения различных компонентов в смесях пылей были выбраны с целью достижения определенного процентного содержания потерь на обзоливание. В тестах 1 и 2 процентное содержание потерь на обзоливание составило 10 и 12,8% соответственно. Для всех тестов с 3 по 18 процентное содержание потерь на обзоливание в дозирующем смесителе 30, который придает интенсивное аксиальное и радиальное движение материалу вибратором с высокой скоростью смешения.Смесь поступала в лотковый окомкователь с диаметром 101 см и глубиной 16,5 см, вращающийся со скоростью порядка 15-20 об/мин под углом 45^o-50^o к горизонтали. Сырые шарики из первого лоткового окомкователя поступали во второй лотковый окомкователь с аналогичными характеристиками, и сухие покрывающие материалы, если это необходимо, подавались во второй лотковый окомкователь. Пробы агломерированного материала со стадии окомкования собирались и анализировались на влажность, насыпную плотность, количество 45,7 см шариков во фракции, прочность на сжатие в сухом и влажном состоянии и калибр для определения качества полученных сырых шариков. Сырые окатыши поступали в решетчатую сушилку, утилизирующую текущий вниз к плотным частицам теплообменника поток газа. Нагрузочное поперечное сечение сырых окатышей 27,9 см в ширину, 15,2 см в глубину с длиной активной сушки 1,22 м и скоростью решетки менялась от 2,54 до 10,1 см/мин. Температура сушки поддерживалась в зоне 150-200^oC. Технологический поток газа регулировался для поддержания влажности в осушаемых шариках ниже 5%.

Высушенные окатыши поступали во вращающуюся обжиговую печь с внутренним диаметром 57,8 см и длиной 3,96 м. Подача осуществлялась в том же направлении, что и зажигание во вращающейся печи, так чтобы поток технологического газа перемещался в одном направлении с потоком твердых частиц. В загрузочном конце печи входящие из сушилки окатыши сначала сушились и подогревались, некоторые органические составляющие испарялись, и начиналось удаление горючих веществ. В следующей зоне испарялись оставшиеся органические вещества, обжигались негорючие вещества в окатышах, и полностью завершалась головка слоя. В последней греющей зоне плотные твердые частицы и газ в течение определенного времени обеспечивают высокие температуры, гарантирующие полный обжиг и последующее затвердевание окатышей.

Две горелки для природного газа и две воздушные фурмы размещены на загрузочном конце. Вторая горелка не использовалась во всех опытах. Печь работала со скоростью 2-3,9 об/мин для обеспечения времени выдержки порядка 30-60 мин. Уклон печи составлял 1,04 см/м. В таблице 7 представлены скорость работы печи, расход природного газа и температуры в четырех точках от Т-1 до Т-4 по длине печи.В таблице 8 представлены значения теплотворной способности смесей, используемых в каждом опыте и насыпная плотность шариков и полученного шарообразного продукта.

Шарообразный продукт из печи передавался во вращающийся холодильник 44, внутренний диаметр которого равен 38,1 см и длина равна 3,66 м.

Вращающийся холодильник с косвенным охлаждением охлаждал плотные частицы до температуры ниже 65^oC. Косвенное охлаждение являлось результатом прохождения тепла через стенки кожуха к постоянно увлажняемой наружной поверхности. Уклон холодильника также составлял 1,04 см/м и его скорость поддерживалась постоянной и равной 6 об/мин для обеспечения времени выдержки около 30 мин. Полученный на опытной установке продукт удовлетворяет стандарту А ТМ для легковесных заполнителей бетона (марка СЗЗ0), для легковесных заполнителей блоков кирпичной кладки (марка С331) и легковесных заполнителей бетонной изоляции (марка С332). Эти стандарты обеспечивают максимальную насыпную плотность порядка 880-112,2 кг/м³, в зависимости от степени распределения заполнителя в смеси.

Формула изобретения: 1. Способ обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, включающий смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси, нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжоговой печи с получением шарообразного продукта и охлаждение полученного продукта, отличающийся тем, что зольную пыль и шлам очистки сточных вод смешивают в количествах 35 - 80 мас. % и 20 - 65 мас.% (на сухое) соответственно и нагрев агломерированной смеси осуществляют во вращающейся обжиговой печи при пропускании агломерированной смеси параллельно потоку горячих газов в печи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смесь зольной пыли и шлама очистки сточных вод дополнительно вводят связующее в количестве до 20 мас.% (на сухое).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что агломерированную смесь перед нагреванием ее во вращающейся обжиговой печи высушивают до содержания влаги менее 5 мас.%.

4. Способ обработки зольной пыли и шлама очистки сточных вод, включающий смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси, нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжиговой печи с образованием пористого шарообразного продукта и извлечение его из печи, отличающийся тем, что при смешивании используют шлам очистки сточных вод с высокой теплотворной способностью для замены более половины топлива, расходуемого на нагрев агломерированной смеси во вращающейся обжиговой печи до температуры ниже температуры плавления смеси.

5. Способ получения легкого заполнителя, включающий смешивание зольной пыли и шлама очистки сточных вод, агломерирование смеси окомковыванием, нагрев окомкованной смеси во вращающейся обжиговой печи и охлаждение, отличающийся тем, что зольную пыль и шлам очистки сточных вод смешивают в количествах 35 - 99 мас. % и 1 - 65 мас.% (на сухое) соответственно и нагрев осуществляют во вращающейся обжиговой печи при пропускании окомкованной смеси через вращающуюся обжиговую печь параллельно потоку горячих газов в печи.6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в смесь зольной пыли и шлама очистки сточных вод дополнительно вводят связующее в количестве до 20 мас.% (на сухое).

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что агломерированную смесь перед нагревом ее во вращающейся обжиговой печи сушат до содержания влаги менее 5 мас.%.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что окатыши перед сушкой покрывают порошком.

9. Способ по любому из пп.5 - 8, отличающийся тем, что температура во вращающейся обжиговой печи равна 800 - 1200^oС.10. Способ по любому из пп.5 - 9, отличающийся тем, что тепло отходящих газов утилизируют.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что тепло отходящих газов используют для сушки шлама перед смешиванием и для сушки окатышей.12. Способ по любому из пп.5 - 11, отличающийся тем, что тепло, удаляемое из окатышей в процессе охлаждения, используют для сушки окатышей.13. Легкий шарообразный пористый заполнитель, полученный способом по любому из пп.1 - 12, характеризующийся плотностью 700 - 900 кг/м³.

ЛИТЕРАТУРА

зольная пыль шлам переработка

1. Наркевич И.П., Печковский В.В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

2. Экологические проблемы химического предприятия/О.Г. Воробьев, О.С. Балабеков, Ш.М. Молдабеков, Б.Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984. 172 с.

3. С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С. Калверта и Г.М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с,

4. Техника защиты окружающей средьт/Н.С, Торочешников, А.И. Родионов, Н.В. Кедьцев, В.Н. Клушин. М.: Химия, 1981. 368 с,

5. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.; Высшая школа, 1988. 272 с.

6. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М,: Химия, 1972, 248 с.

7. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М,: Химия, 1981. 616 с.

8. Быстрое Г.А., Гслыгерин В.М., Титов Б.И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982. 264 с.

9. Т.А. Семенова, И.Л. Лейтес, Ю.В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т.А. Семеновой. М; Химия, 1977. 488 с.

10. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979. 344 с.

11. Алтыбаев М.А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожи-женном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. ... д-ра техн. наук, Ташкент, 1989. 406 с.

12. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрекий/Э.Я. Тарат, О.Г, Воробьев, О.С. Балабеков, В.И. Быков, О.Г. Ковалев/Под ред. Э.Я. Тарата. Л.: Химия, 1979. 208 с.

13. А.А. Соколовский, Т.И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, --М.: Химия, 1977. 376 с.

14. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И.П. Мухленов, О.С. Ковалев, А.Ф. Туболкин, О.С. Балабеков и др./ Под ред. И.П. Мухленова и О.С. Ковалева. М.: Химия, 1987. 208 с.

15. Бесков С.Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966. 520 с.

16. Коузов П.А., Малыгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воз-духа в химической промышленности. Л,: Химия, 1982. 256 с.

17. Бродский Ю.Н, Определение эк он ом ико-экологи ческой эффективности систем газоочистки и пылеулавливания//Хиническое н нефтяное машиностроение. 1986. № 2. С. 3--4.

18. 2!. Stalrmand С.J, Chemical Engineer, СЕ. 310 (1965).

19. Карнаухов И.А., Доронин В.И.. Цирульников П.Г. Экономический анализ технологических параметров каталитического обезвреживания газовых выбросов//Хим. пром-сть. 1988. № I. С. 55--56.

Размещено на Allbest