Гранулирование золошлаковых отходов ТЭЦ методом окатывания

УДК 662.613

О.А. Чудинова, М.В. Сыромятникова, В.З. Пойлов, Э.Г. Сидельникова, П.В. Серый

Пермский государственный технический университет

ГРАНУЛИРОВАНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ

Определены размеры и морфология частиц исходных золошлаковых отходов, исследовано влияние вида и расхода связующего, наличия в смеси упрочняющей добавки, способа сушки на характеристики получаемых гранул методом окатывания. Найдены параметры процесса гранулирования золошлаковых отходов ТЭЦ.

Предприятия электроэнергетики ТЭЦ образуют большое количество отходов всех видов. Значительную часть составляют золошлаковые отходы (ЗШО), которые относятся к крупнотоннажным отходам и складируются на золоотвалах, являющихся одним из главных источников загрязнения окружающей среды при производстве энергии.

Эти отходы можно использовать: как добавки и наполнители при производстве строительных материалов (цемента, бетонов, растворов, кирпича, керамики); при строительстве автомобильных дорог; для производства бесклинкерных и малоклинкерных вяжущих, шлакового песка, щебня, сухих строительных смесей.

Однако применение золошлаковых отходов ТЭЦ в строительстве в виде тонкодисперсных порошков сопряжено с высокой пылимостью, потерями при хранении и транспортировке. Одно из направлений решения указанной проблемы - гранулирование тонкодисперсных порошков ЗШО.

Целью данной работы являлось исследование процесса гранулирования золошлаковых отходов методом окатывания.

Для достижения поставленной цели необходимо было исследовать:

1) размеры и морфологию частиц исходных золошлаковых отходов;

2) оптимальные параметры процесса гранулирования в зависимости от вида и расхода связующего и упрочняющей добавки;

3) влияние процесса сушки на характеристики получаемых гранул.

Объектом исследования служили золошлаки, образованные от сжигания Экибастузского угля, химический и гранулометрический состав которых приведен в табл. 1, 2. Основными компонентами золошлаковых отходов являются оксиды кремния и алюминия, содержание которых составляет 63 и 27 % соответственно (см. табл. 1).

Таблица 1

Химический состав золошлаковых отходов

Компонент Бі02 АІ2О3 РЄ2Оз СаО МйО ТІО2 К2О N 2а О 2 о со

Содержание, % 63,0 27,0 6,0 0,8 0,5 1,2 0,6 0,3 0,6

Таблица 2 Усредненный гранулометрический состав золы

Размер фракции, мм 0,5-0,25 0,25-0,125 0,125-0,063 0,063-0,04 <0,04 Средний размер частиц, мм

Содержание фракции, % 2,0 10,0 15,0 25,0 50,0 0,073

По данным табл. 2 видно, что основная масса (50 %) представлена фракцией размером -0,04 мм, средний размер частиц исходной золы не превышает 0,073 мм. Размер и морфологию исходных частиц зо-лошлаков анализировали на оптическом микроскопе БЬ и электронном сканирующем микроскопе Б-3400 N фирмы «Хитачи» (рис. 1).

Рис. 1. Микрофотография частиц золошлакового отхода

Видно, что частицы золошлаков представляют собой шарики и агрегаты компактной формы, размер частиц которых составляет от 100 нм до 500 мкм. Из приведенных данных можно сделать вывод, что эти отходы являются очень тонкодисперсными.

Исследования по гранулированию проводили на установке, которая включала в себя: барабанный гранулятор с рубашкой, имеющий скорость вращения до 40 об/мин, электрический привод и термостат. Для поддержания постоянного температурного режима в рубашку гранулятора подавали воду, предварительно нагретую в термостате до заданной температуры. Методика эксперимента по исследованию процесса гранулирования заключалась в следующем: исходный золошлак смешивали с расчетным количеством связующего. Смесь тщательно перемешивали до получения однородного пластифицированного материала, а затем продавливали через сито с размером ячеек +5 мм. Полученный материал загружали в гранулятор, предварительно нагретый до температуры 90 °С, которая во всех опытах была постоянной. Продолжительность гранулирования составляла 180 с. Эти параметры были установлены экспериментально при гранулировании других тонкодисперсных материалов. После истечения заданного промежутка времени гранулы выгружали на поддон, высушивали на воздухе в течение суток, после чего определяли гранулометрический состав и измеряли статическую прочность гранул по известной методике [1]. Процесс гранулирования оценивали по следующим показателям: выход товарной фракции +0,75,0 мм, статическая прочность и средний размер гранул.

Важными параметрами проведения процесса являлись вид и расход связующего. В качестве связующего использовали: воду, 10 и 20 % водный раствор соединения кремния (СК), 10 % водный раствор поли-винилацетата (ПВА), 0,1 % водный раствор карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Результаты исследований влияния вида и расхода связующего приведены в табл. 3.

Приведенные данные показывают, что максимальный выход гра-нулята достигается при использовании в качестве связующего СК. Однако прочность гранул при естественной сушке гранул составляла менее

0,1 кгс/гранула. В химических производствах в основном применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках. Для увеличения прочности гранул была проведена серия опытов с использованием конвективного вида сушки при температурах 150 и 200 °С. Результаты исследований процесса сушки приведены в табл. 4.

Таблица 3

Влияние вида и расхода связующего на характеристики гранул

Расход связующего % Гранулометрический состав, %, при размере фракции, мм Выход гранул товарной фракции, % Средний размер гранул, мм

+5,0 +2,0-5,0 +0,7-2,0 -0,7

10 % водный раствор СК

1,25 22,58 52,67 14,03 10,72 66,70 3,76

1,29 27,54 48,74 17,61 6,11 66,35 4,03

1,67 4,02 63,67 25,59 6,72 89,26 2,90

2,07 4,49 77,92 14,83 2,75 92,76 3,27

2,41 18,95 74,59 4,96 1,51 79,54 4,10

2,50 16,71 65,44 12,61 5,23 78,06 3,73

2,68 15,39 65,44 9,52 9,65 74,96 3,61

3,40 16,53 67,30 5,85 10,32 73,14 3,71

20 % водный раствор СК

2,40 - 15,13 9,47 75,39 24,61 0,92

3,20 1,12 29,70 22,26 46,92 51,95 1,59

4,00 9,51 70,38 17,44 2,67 87,82 3,42

4,40 60,90 32,50 2,43 4,16 34,94 5,75

0,1 % водный раствор КМЦ

0,01 1,74 63,60 26,93 7,74 90,53 2,75

0,02 9,35 62,67 23,81 4,17 86,48 3,23

0,03 14,64 77,13 7,81 0,42 84,94 3,90

0,03 3,51 69,26 22,20 5,03 91,46 3,00

0,03 12,31 75,65 10,74 1,30 86,39 3,72

10 % водный раствор ПВА

1,29 2,19 60,96 14,46 22,38 75,43 2,57

2,07 9,07 78,08 11,75 1,10 89,83 3,58

2,96 8,77 77,11 14,05 0,78 91,17 3,55

4,00 20,68 62,22 13,45 3,04 75,67 3,92

По данным исследований можно сделать вывод, что сушка при повышенной температуре положительно влияет на прочность гранул. С увеличением температуры прочность гранул увеличивается. Максимальная прочность гранул 1,54 и 1,61 кгс/гранула была достигнута при использовании в качестве связующего 20 % раствора СК, расходом 4 % при температуре 150 и 250 °С соответственно.

Кроме повышения температуры сушки, прочность гранул можно увеличить за счет специальных упрочняющих добавок. В научной и патентной литературе приводится большое количество добавок, способствующих повышению прочности гранулируемого материала [2].

Таблица 4

Влияние температуры сушки на прочность гранул

Расход связующего, % Гранулометрический состав, %, при размере фракции, мм Выход гранул товарной фракции, % Сред. прочность гранул при сушке, кгс/гранула Средний размер гранул, мм

+5,0 +2,0-5,0 +0,7-2,0 -0,7 150 °С 250 °С

10 % водный раствор СК

2,07 4,49 77,92 14,83 2,75 92,76 0,36 0,40 2,85

3,40 16,53 67,30 5,85 10,32 73,14 0,33 0,34 3,72

20 % водный раствор СК

3,2 1,12 29,70 22,26 46,92 51,95 0,84 1,12 1,59

4,00 9,51 70,38 17,44 2,67 87,82 1,54 1,61 3,42

0,1 % водный раствор КМЦ

0,016 1,74 63,60 26,93 7,74 90,53 0,1 0,1 2,75

0,032 3,51 69,26 22,20 5,03 91,46 0,1 0,1 3,00

10 % водный раствор ПВА

1,6 5,31 75,02 17,95 1,71 92,98 0,1 0,1 3,27

3,2 8,77 77,11 14,05 0,78 91,17 0,1 0,1 3,55

Исследованиями, ранее проведенными на кафедре ТНВ, было установлено, что в качестве упрочняющих добавок целесообразно использовать фосфаты натрия различной степени замещения. Выбор данных соединений объясняется структурными особенностями фосфат-ионов.

Результаты исследований по влиянию добавок приведены на рис. 2, 3. В этой серии опытов в качестве связующего использовали 10 % раствор СК.

^ 100,00

I 70,00 --------------------------------------------------------------------

и

3

*

га 60,00 і------------------------------------------------------------------

0,5 1 1,5 2 2,5 3

Расход добавки, %

-♦-Ыа(Р03)„ -ш- Ыа,Р04 -^-(ЫН.) РО.; ЫаН2Р04

Рис. 2. Зависимость выхода гранул товарной фракции от вида и расхода упрочняющих добавок

Проанализировав зависимости на рис. 2, 3, можно видеть, что эффективной добавкой является фосфат натрия, которая позволяет увеличить прочность и выход гранул товарной фракции. Так, при использовании фосфата натрия выход гранул товарной фракции увеличивается на 10 %, а прочность - в 4,3 раза.

§ 0,6 т X

0,5 -! 0,4 -£ 0,3 -

(Я &

* 0,2 -н I 0,1 -

Г О

с 0І о

№(РО,)6 -СН№,Р04 -Д-(КН4)3Р04 -«-№Н2Р04

Рис. 3. Зависимость прочности гранул от вида и расхода упрочняющих добавок

Выводы:

1. С помощью электронного сканирующого микроскопа установлено, что частицы золошлаков представляют собой шарики и агрегаты компактной формы, размер частиц которых составляет от 100 нм до 500 мкм.

2. Исследовано влияние вида и расхода связующего и условий окатывания гранул золошлаковых отходов на выход, гранулометрический состав и прочность гранул. Установлено, что наилучшие характеристики гранул были получены при использовании в качестве связующего 20 % водного раствора СК.

3. Изучено влияние вида и расхода упрочняющей добавки на характеристики получаемых гранулятов. Установлено, что эффективной добавкой является фосфат натрия, который позволяет увеличить прочность и выход гранул товарной фракции.

4. Сушку гранул, полученных при гранулировании золошлаков методом окатывания, необходимо проводить в диапазоне температур 150— 250 °С, что позволяет увеличить прочность до 1,54—1,61 кгс/гранула.

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Расход добавки, %

Список литературы

1. Влияние связующих реагентов различной природы на прочность гранул хлорида калия / Д.В. Чередниченко, Е.В. Воробьева, Н.П. Крутько [и др.] // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. Вып.9.

2. Процессы гранулирования в промышленности / Н.Г. Вилесов, В.Я. Скрипко, В.Л. Ломазов, И.М. Танченко. М.: Техника, 1976. 192 с.

Получено 17.06.2009