СИСТЕМА ПЕРЕРАБОТКИ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Полезная модель относится к технологии разделения твердых материалов при утилизации техногенных отходов комбинированными способами, более конкретно, к системе переработки летучей золы тепловых электростанций и может найти применение при комплексной переработке золы-уноса угольных ТЭС с получением из нее алюмосиликатной, углеродной и магнитной фракции, в том числе, в виде железосодержащих микросфер.
В связи с тем, что образующиеся на ГЭС золошлаковые отходы (ЗШО) от сжигания углей накапливаются вокруг ГЭС в немалых количествах, а степень их утилизации составляет менее 10%, давно назрела задача комплексной переработки в полезную продукцию основной составляющей отходов - летучей золы. Кроме того, постоянно увеличивается экологическая нагрузка на окружающую ТЭС среду обитания, в том числе, вследствие отвода новых земель под золоотвалы. Эти проблемы можно решить, если рассматривать золошлаковые отходы как комплексное органо-минеральное сырье, включающее алюмосиликатные, углеродные и железосодержащие компоненты. Ценность летучей золы ГЭС как сырья заключается в том, что оно уже добыто, измельчено, прошло стадию термической обработки и локализовано в одном месте, т.е. затраты на его вовлечение в переработку учтены при производстве тепла и электроэнергии. Для комплексного использования летучей золы необходимо подвергнуть ее многостадийной переработке, в результате которой возможно промышленное получение белитовых шламов - основного сырья для производства портландцементного клинкера, глинозема - дефицитного сырья для производства алюминия, углеродного концентрата, который может быть возвращен в котел ТЭС на сжигание и железосодержащего концентрата для использования в металлургии и других областях промышленности.
На первых этапах переработки золы физическими методами предполагается ее классификация для отделения крупных фракций, мешающих последующим процессам обогащения. Выделение железосодержащих примесей обычно осуществляют методами магнитной сепарации, например, с помощью электродинамического ленточного сепаратора, в котором, благодаря взаимодействию индуцирующего и индуцируемого магнитных полей, обеспечивается отделение магнитных, немагнитных и токопроводящих компонентов сырья. Для извлечения углерода из золы ТЭС возможно использование методов флотации, а для переработки алюмосиликатного продукта с получением глиноземного концентрата - методов химического извлечения кремнезема (см. Делицын Л.М., Власов А.С. и др. Комплексное обогащение и переработка золы угольных электростанций в РФ // 1X Конгресс обогатителей стран СНГ. Сборник материалов. Том 1. - М.: МИСиС, 2013, с.225-230)
Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показали, что в летучей золе угольных ТЭС содержится ряд других компонентов, обладающих ценными, а в ряде случаев и уникальными технологическими свойствами, позволяющими эффективно использовать их в современных технологиях. Одним из перспективных направлений такого рода является извлечение из золы-уноса угольных ГЭС железосодержащих магнитных микросфер. Сочетание высокой термической устойчивости, механической прочности и магнитных свойств делает микросферы привлекательными в качестве современных функциональных материалов, способных заменить дорогостоящие катализаторы для окисления углеводородов, сорбенты, материалы для иммобилизации радионуклидов, биопрепараты с магнитными свойствами и композиционные материалы различного назначения.
Известна установка по обогащению отходов горнодобывающей промышленности, содержащая средства для механического, электростатического и магнитного разделения отходов на фракции (см патент РФ №43197, МПК B03C 7/00, опублик. 10.01.2005).
Особенностью известной установки является то, что она содержит узел магнитного разделения отходов на фракции в виде загрузочного устройства, конвейера с бесконечной лентой, установленной на вращающихся барабанах, магнитной системы, распределителя фракций отходов и приемника отделенной фракции отходов. Кроме того, установка снабжена дополнительно узлом электростатического разделения отходов, содержащим барабан с медным покрытием и заземлением, выполненный с возможностью вращения, снаружи барабана расположен электрод, снабженный источником питания, над барабаном установлен вибробункер, а распределитель фракций отходов под барабаном, в свою очередь под распределителем расположены параллельно друг другу два приемника для разделенных фракций отходов, при этом узел магнитного разделения фракций отходов также снабжен вибробункером для их подачи на конвейерную ленту, а магнитная система выполнена в виде магнитного ротора внутри ведомого барабана конвейерной ленты, причем магнитный ротор снабжен своим приводом, с помощью которого осуществляется вращение ротора в двух противоположных направлениях.
Известна установка для обогащения железорудного концентрата, содержащая средства для механического и электромагнитного разделения фракций (см. патент РФ 57641, МПК B03C 7/00, опублик. 27.10.2006).
Особенностью известной установки является то, что она содержит загрузочное устройство, наклонный конвейер с бесконечной транспортерной лентой, установленной на вращающихся барабанах, магнитную систему, выполненную в виде магнитного ротора внутри ведомого барабана конвейерной ленты с возможностью вращения ротора в двух противоположных направлениях, причем магнитная система выполнена в виде внутреннего магнитного барабана и внешнего диэлектрического барабана, расстояние между внешним диаметром внутреннего магнитного барабана и внутренним диаметром внешнего диэлектрического барабана составляет от 2 до 100 мм, а наклонный конвейер выполнен с возможностью движения бесконечной транспортерной ленты в двух противоположных направлениях.
К недостаткам известных установок для первичного обогащения промышленных отходов следует отнести неполное разделение отходов на фракции за один цикл переработки. В случае разделения материалов при утилизации техногенных отходов, в частности, золы-уноса угольных ТЭС, необходимы дополнительные средства для гидравлической сепарации, фильтрации, сушки и классификации сырья с целью получения продуктов в виде алюмосиликатной, углеродной и магнитной фракций. При промышленном производстве глиноземного концентрата из высокоглиноземистых золошлаковых отходов ТЭС, кроме указанных, могут использоваться методы обжига и щелочной обработки указанных отходов.
Известна система производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций, содержащая оборудование для классификации, флотации, магнитной сепарации, обжига и щелочной обработки ЗШО (см. патент РФ №102607, C01K 7/00. опублик. 10.03.2011).
Особенностью известной системы является то, что вход вращающейся обжиговой печи соединен с выходом линии для классификации, флотации и магнитной сепарации ЗШО, а выход обжиговой печи соединен с первым входом реактора для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, причем второй вход реактора соединен с выходом дозатора для регулируемой подачи в реактор раствора с фиксированным содержанием оксида натрия, а выход реактора через вакуумный фильтр и устройство для промывки пульпы при фиксированном значении pH раствора соединен с устройством для сушки полученного глиноземного концентрата. При этом вращающаяся обжиговая печь может быть выполнена на рабочую температуру 800-1300°C, реактор для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия может быть выполнен на рабочую температуру 85-100°С и снабжен средствами для перемешивания материала, дозатор может быть снабжен средствами для поддержания количества оксида натрия в растворе гидрооксида натрия в диапазоне 100-200 г/л, устройство для промывки пульпы может быть снабжено средствами для перемешивания материала и поддержания pH раствора в диапазоне 7-8, а устройство для сушки полученного глиноземного концентрата может быть выполнено на рабочую температуру 80-250°C.
Известная система переработки ЗШО электростанций отличается сложностью высокотемпературной переработки сырья во вращающающейся обжиговой печи и технологии химического разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, при этом решается лишь частная задача производства глиноземного концентрата из золы ТЭС.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для реализации способа переработки отходов тепловых электростанций, включающая средства для разделения отходов на легкую и тяжелую фракции в разделяющей среде (см. патент РФ №2129470, МПК B03B 7/00, опублик. 27.04.1999 - прототип).
Установка для реализации указанного способа включает разделительную пульсационную колонну с завихряющей насадкой и средства для непрерывной подачи исходного материала в среднюю часть колонны в восходящий поток разделяющей среды. При этом установка содержит средства для наложения на поток в его сечении магнитного поля напряженностью 800-1200 Гс, средства для ввода разделяемых отходов на расстоянии 0,2-1,5 м относительно уровня столба восходящего потока с разбивкой по высоте на чередующиеся участки с резкопеременными гидродинамическими режимами ламинарного и турбулентного течений, а также средства для дополнительного воздействия на восходящий поток многократной пульсацией с возможностью устанавки частоты пропорционально времени осаждения фракции фазы с максимальным соотношением плотность/удельная поверхность частиц в участках с ламинарным течением.
Известное техническое решение не обеспечивает комплексной переработки летучей золы угольных электростанций и ориентировано, преимущественно, на выделение из золы ТЭС магнитных микросфер в виде продуктов широкой дисперсности и состава, при этом сложно обеспечить стабильность свойств получаемого целевого продукта, что требует его дальнейшей очистки и фракционирования.
Техническим результатом предложенной полезной модели является устранение недостатков известных технических решений и обеспечение комплексной переработки золы-уноса угольных ТЭС с получением на выходе системы алюмосиликатной, углеродной и магнитной фракции в виде железосодержащих магнитных микросфер контролируемого размерного ряда.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе переработки летучей золы тепловых электростанций, включающей средства для ее разделения на легкую и тяжелую фракции в разделяющей среде, согласно полезной модели, средства для разделения золы на легкую и тяжелую фракции содержат первое устройство для электродинамической сепарации золы в нисходящей разделяющей среде на магнитную и немагнитную фракции, первый выход которого по магнитной фракции соединен через последовательно соединенные второе устройство для оттирки остаточной немагнитной фракции, третье устройство для гидравлической классификации магнитной фракции в восходящей разделяющей среде, четвертое устройство для фильтрации магнитной фракции на ленточном вакуум-фильтре и пятое устройство для ее сушки в барабанной сушилке с входом шестого устройства для сухой классификации магнитной фракции на ситах по размерному ряду, причем второй выход первого устройства по немагнитной фракции соединен с входом седьмого устройства для флотационного разделения немагнитной фракции на алюмосиликатный и углеродсодержащий продукты.
Кроме того, первое устройство для электродинамической сепарации золы может быть выполнено в виде наклонного конвейера с бесконечной транспортерной лентой, установленной на верхнем ведущем и нижнем ведомом барабанах с возможностью перемещения рабочего участка транспортерной ленты снизу вверх и подачи разделяющей среды в виде воды на верхнюю, а золы из загрузочного бункера на нижнюю рабочую часть транспортерной ленты, причем нижний ведомый барабан наклонного конвейера выполнен полым из диэлектрического материала, внутри которого размещен магнитный ротор с возможностью независимого вращения.
Кроме того, выходы шестого устройства для сухой классификации магнитной фракции на ситах могут быть соединены по каждому размерному ряду с входами магнитных сепараторов, выполненных в виде вертикальных разделительных колонн, снабженных магнитными ловушками для классификации магнитных микросфер по диаметру.
Такое выполнение системы переработки летучей золы тепловых электростанций обеспечивает устранение недостатков известных технических решений и комплексную переработку летучей золы угольных ГЭС с получением на выходе системы алюмосиликатной, углеродной и магнитной фракции в виде железосодержащих фракций контролируемого размерного ряда и магнитных микросфер различного диаметра.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы, на фиг.2 показана конструктивная схема устройства для электродинамической сепарации золы.
Система переработки летучей золы тепловых электростанций содержит (фиг.1) загрузочный бункер 1, снабженный средствами для подачи золы на вход первого устройства 2 для электродинамической сепарации золы в нисходящей разделяющей среде на магнитную и немагнитную фракции. Первый выход устройства 2 по магнитной фракции соединен через последовательно соединенные второе устройство 3 для оттирки остаточной немагнитной фракции, третье устройство 4 для гидравлической классификации магнитной фракции в восходящей разделяющей среде, четвертое устройство 5 для фильтрации магнитной фракции на ленточном вакуум-фильтре (не показан) и пятое устройство 6 для ее сушки в барабанной сушилке (не показана) с входом шестого устройства 7 для сухой классификации магнитной фракции на ситах (не показаны) по размерному ряду. Выходы устройства 7 для сухой классификации магнитной фракции на ситах соединены с входами магнитных сепараторов, выполненных в виде вертикальных разделительных колонн 8, снабженных магнитными ловушками 9 для классификации магнитных микросфер по диаметру. Каждая из магнитных ловушек 9 может быть выполнена с возможностью регулирования напряженности магнитного поля в рабочем объеме колонны 8 магнитного сепаратора. При этом второй выход первого устройства 2 по немагнитной фракции соединен с входом седьмого устройства 10 стандартного типа для флотационного разделения немагнитной фракции на углеродсодержащий и алюмосиликатный продукты.
Первое устройство 2 для электродинамической сепарации золы выполнено в виде наклонного конвейера 11 (фиг.2) с бесконечной транспортерной лентой 12, установленной на верхнем ведущем и нижнем ведомом барабанах 13, 14 с возможностью перемещения рабочего участка транспортерной ленты 12 снизу вверх и подачи разделяющей среды в виде воды на верхнюю, а золы из загрузочного бункера 1 на нижнюю рабочую часть транспортерной ленты 12. Нижний ведомый барабан 14 наклонного конвейера 11 выполнен полым из диэлектрического материала, внутри которого размещен магнитный ротор 15 с возможностью независимого вращения. Загрузочный бункер 1 на выходе снабжен наклонным лотком 16 для равномерной подачи золы в сухом или влажном состоянии к транспортерной ленте 12. На фиг.2 поз.17 обозначен сопловой насадок для равномерной подачи воды на транспортерную ленту 12, а поз.18 и 19 обозначены электродвигатели приводов ведущего барабана 13 и магнитного ротора 15. Устройство 2 также снабжено приемными бункерами 21, 22 для сбора магнитной и немагнитной фракций.
Устройство 3 для оттирки остаточной немагнитной фракции представляет собой емкость, заполненную технической водой и снабженную перемешивающим устройством (не показано). Вход устройства 3 соединен с выходом приемного бункера 21 для сбора магнитной фракции, а выход устройства 3 по очищенному от немагнитной взвеси соединен с входом устройства 4 для гидравлической классификации магнитной фракции в восходящей разделяющей среде. Устройство 4 представляет собой гидросепаратор кипящего слоя, состоящий из емкости, заполненной водой. В нижней части емкости имеется перфорированное днище для подачи восходящего потока очищенной воды и каналы для вывода тяжелой магнитной фракции. В верхней части емкости устройства 4 расположен приемный патрубок, соединенный с выходным патрубком устройства 3 для оттирки остаточной немагнитной фракции, а также выходной патубок для вывода легкой фракции в виде взвеси, оставшейся части немагнитной фракции.
Выход третьего устройства 4 соединен с входом четвертого устройства 5 для фильтрации магнитной фракции известным образом на ленточном вакуум-фильтре, после которого осушенная магнитная фракция поступает на вход пятого устройства 6, выполненного в виде барабанной сушилки, для завершающей сушки. Выход устройства 6 соединен с входом шестого устройства 7 для сухой классификации магнитной фракции на нескольких видах сит различного размерного ряда. Выходы устройства 7 после каждого из сит соединены с входами разделительных колонн 8 с магнитными ловушками 9 для классификации магнитных микросфер по диаметру.
Система переработки летучей золы тепловых электростанций функционирует следующим образом.
Отходы ТЭС в виде сухого или влажного тонкодисперсного материала летучей золы подаются в загрузочный бункер 1, снабженный средствами (фиг.2) для подачи золы в сухом или влажном состоянии в верхнюю часть наклонного лотка 16 для ее распределения равномерным слоем на нижней рабочей части транспортерной ленты 12. Одновременно с помощью соплового насадка 17 на верхнюю рабочую часть транспортерной ленты 12 равномерным слоем подают техническую воду, выполняющую роль разделяющей среды. Для более качественного разделения материала при обработке нисходящим потоком разделяющей среды принимают соотношение твердой и жидкой фаз 1:5. До подачи на транспортерную ленту 12 золы и разделяющей среды подключают электропитание к электродвигателям 18, 19 приводов ведущего барабана 13 и магнитного ротора 15, размещенного внутри полого ведомого барабана 14. Фракционируемый материал в нижней рабочей части транспортерной ленты 12 попадает под воздействие переменного магнитного поля, образованного вращением магнитного ротора 15. Частицы магнитной и немагнитной фракций золы приобретают при этом различные траектории движения относительно транспортерной ленты 12. Частицы магнитной фракции под воздействием вихревых токов преимущественно притягиваются к транспортерной ленте 12, движущейся вверх навстречу потоку разделяющей жидкости, после чего попадают в приемный бункер 21 для сбора магнитной фракции. Частицы немагнитной фракции отделяются в устройстве 2 для электродинамической сепарации золы и попадают в приемный бункер 22, выход которого соединен с входом седьмого устройства 10 стандартной флотационной машины механического типа или флотатора типа реактор - сепаратор для флотационного разделения немагнитной фракции на углеродсодержащий и алюмосиликатный продукты. Эксплуатация устройств 1-10 и вспомогательных узлов системы для переработки летучей золы тепловых электростанций производится при нормальных условиях на открытом воздухе или в помещении.
Ниже приведены примеры реализации предложенной полезной модели
2
3
2
2
3
3
2
Пример 1. Классификации подвергли 3 кг летучей золы Троицкой ГРЭС, содержащей, % масс: AlO 27,4; SiO 56,3; FeO 4,74; 2,74% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 26%: 10-40 мкм - 40%; 40-100 мкм - 24%; >100 мкм - 10%; средний диаметр частичек золы 42 мкм, медианное сечение - 26 мкм; плотность 2,0-2,4 г/см; удельная поверхность 1,94 м/г; фазовый состав: стеклофаза (70%), муллит (17%), кристобалит (5%), магнетит (5%), магнезиоферрит (2%).
В результате по примеру 1 получены три вида продуктов.
2
3
2
2
3
Углеродный продукт, содержащий, % масс: углерода 49-51%; AlO 15,5; SiO24,0; FeO 5,5; средний диаметр частичек 51 мкм, медианное сечение 37 мкм; выход углеродного концентрата 6,8%; извлечение углерода в концентрат 68,2%.
2
3
2
3
2
3
2
Магнетитовый концентрат, содержащий, % масс: FeO 62,6%; AlO 12,5; SiO29,0; 0,5% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 2,6%: 10-40 мкм - 28,0%; 40-100 мкм - 39%; >100 мкм - 29%; средний диаметр магнетитовых шариков 86 мкм, медианное сечение 30 мкм; плотность 3,4-3,8 г/см; удельная поверхность 1,05 м/г; фазовый состав: магнетит, гематит, вюстит, стеклофаза, муллит, кварц; выход магнетитового концентрата 6%; извлечение железа в концентрат 64%.
2
3
2
2
3
3
2
Алюмосиликатный продукт, содержащий, % масс: AlO 29,2; SiO 58,3; FeO1,1; 1,26% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 21%: 10-40 мкм - 40%; 40-100 мкм - 29%; >100 мкм - 10%; средний диаметр частичек золы 49 мкм, медианное сечение - 30 мкм; плотность 2,0-2,2 г/см; удельная поверхность 1,98 см/г; фазовый состав: стеклофаза (76%), муллит (17%), кристобалит (5%), магнетит (1%).
2
3
2
2
3
3
2
Пример 2. Классификации подвергли 26 кг летучей золы Каширской ГРЭС, содержащей, % масс: AlO 21,5; SiO 50,0; FeO 7,44; 13,0% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 11,3%: 10-40 мкм - 26,9%; 40-100 мкм - 29,2%; >100 мкм - 32,6%; средний диаметр частичек золы 86,2 мкм, медианное сечение - 57,3 мкм; плотность 2,2-2,5 г/см; удельная поверхность 1,9-2,2 м/г; фазовый состав: стеклофаза, глаукофан, муллит, кварц, магнетит, гематит, вюстит.
В результате по примеру 2 получены три вида продуктов.
2
3
2
2
3
3
2
Углеродный продукт, содержащий, % масс: углерода 63,4; AlO 9,2; SiO 18,2; FeO 1,5; фракционный состав: <10 мкм - 16,0%: 10-40 мкм - 47,1%; 40-100 мкм - 21,1%; >100 мкм - 15,8% средний диаметр частичек 51,3 мкм, медианное сечение 36,6 мкм; плотность 1,9-2,0 г/см; удельная поверхность 6,5 м/г; фазовый состав кроме углерода присутствуют муллит, кварц, глаукофан, стеклофаза; выход углеродного концентрата 18,1%; извлечение углерода в концентрат 71,9%.
2
3
2
3
2
2
3
3
2
Магнетитовый концентрат, содержащий, % масс: FeO 62,6%; AlO 11,5; SiO26,0; 0,5% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 2,6%: 10-40 мкм - 28,0%; 40-100 мкм - 39%; >100 мкм - 29%; средний диаметр магнетитовых шариков 86 мкм, медианное сечение 30 мкм; плотность 3,8-4,1 г/см; удельная поверхность 0,5 м/г; фазовый состав: магнетит, гематит, вюстит, стеклофаза, кварц; выход магнетитового концентрата 8%; извлечение железа в концентрат 54%. В классифицированных по размеру шариков фракциях магнетитового концентрата содержание FeO 86,5-92,3% масс
2
3
2
2
3
3
2
Алюмосиликатный продукт, содержащий, % масс: AlO 25,5; SiO 58,3; FeO3,1; 1,76% углерода; фракционный состав: <10 мкм - 21%: 10-40 мкм - 40%; 40-100 мкм - 29%; >100 мкм - 10%; средний диаметр частичек золы 70,4 мкм, медианное сечение 43,4 мкм; плотность 2,0-2,2 г/см; удельная поверхность 2,02 см/г; фазовый состав: стеклофаза, глаукофан, муллит, кварц.
Предложенное техническое решение обеспечивает комплексную переработку золы-уноса ТЭЦ. Результаты пилотных испытаний позволяют утверждать о возможности создания высокоэффективных производств, обеспечивающих комплексную переработку золы-уноса ТЭЦ. Основные устройства и агрегаты предложенной системы переработки летучей золы тепловых электростанций прошли успешные испытания на экспериментальной базе ОИВТ РАН и ООО «Экозола».
Селективное извлечение указанных минералов с магнитными и немагнитными свойствами с использованием предложенного технического решения способствует повышению эффективности обогащения отходов угольных ТЭС до 98%, а также улучшает экологическую безопасность в связи с возможностью ликвидации золоотвалов путем их вторичного использования.