СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА И ГЛИНОЗЕМА ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Полезная модель относится к области промышленного производства цемента и глинозема, более конкретно, к системе их комплексного производства из высокоглиноземистых золошлаковых отходов угольных электростанций и может найти применение, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской и Верхнетагильской ГРЭС.
Известна система производства цемента, содержащая линию с устройствами для классификации сырьевых глинистых и известняковых материалов, их смешивания и подачи во вращающуюся обжиговую печь (см. Алексеев Б.В., Барбашев Г.К. Производство цемента, 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985, с.31).
Известная система производства цемента по сухому способу включает, в том числе, оборудование для сушки, усреднения и корректировки состава шихты, охлаждения клинкера, введения добавок и измельчения клинкера. В качестве исходных сырьевых материалов на некоторых цементных заводах используют отходы различных отраслей промышленности, в том числе, доменные шлаки и нефелиновый (белитовый) шлам, который полностью заменяет глинистый компонент и на 50% известняковый.
Недостатками известной системы являются необходимость функционирования вблизи месторождений сырьевых материалов для уменьшения транспортных расходов, а также требование иметь неприкосновенный запас сырьевых материалов на случай прекращения добычи сырья и поставок других материалов на сроки от 5 до 45 суток и более.
Известна система производства глинозема, содержащая линию с устройствами для классификации алюмосодержащего рудного сырья, реагентов восстановителей, флюсующих компонентов и средств их подачи в высокотемпературную шахтную печь для углеродно-термического восстановления при температуре выше 2000°С (см. патент РФ №67992, опубл. 10.11.2007 Бюл. №31).
Известная система представляет собой металлургический комплекс, содержащий первый модуль для углеродно-термического восстановления алюмосодержащего рудного сырья в глинозем и ферросплав и второй модуль для переработки глинозема в алюминиевый сплав.
К недостаткам такой системы можно отнести сравнительно сложную конструкцию высокотемпературных шахтных печей первого и второго модулей, а также необходимость использования для производства глинозема достаточно дорогих сырьевых материалов в виде бокситов, бемитов, коалинитов, муллитов или пирофиллитов, поставляемых с удаленных месторождений.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система производства цемента и глинозема из золошлаковых отходов электростанций, содержащая первую и вторую линии для получения глиноземного концентрата и цемента, включающих устройства для классификации, флотации, магнитной сепарации, смешивания указанных отходов с известняком и вращающуюся обжиговую печь (см. Борисенко Л.Ф. и др. Перспективы использования золы угольных тепловых электростанций. - М., 2001, с.52 - прототип).
Особенностью такой системы является возможность использования аппаратов для щелочной обработки золошлаковых отходов, уже освоенных глиноземной промышленностью, в том числе, при переработке нефелинового сырья и высококремнистых бокситов. Данная технология может быть безотходной, поскольку после выделения алюминия известково-силикатный шлам представляет собой ценное сырье для производства цемента.
Однако реализация указанной технологии связана с трудностями получения необходимых количеств белитового шлама на линиях комплексного производства цемента и глинозема системы. Для преодоления указанного недостатка известной системы необходимо обеспечить использование средств и оборудования для снижения потерь реагентов на выщелачивание и карбонизацию, а также дополнительных вращающихся печей для обжига промежуточных и конечных продуктов переработки.
Решаемой задачей полезной модели является создание, на основе имеющихся достижений и опыта цементной и глиноземной промышленности достаточно эффективной и сравнительно простой системы комплексного производства высококачественной целевой продукции в виде цемента и глинозема, преимущественно, из золошлаковых отходов угольных электростанций Свердловской области, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской и Верхнетагильской ГРЭС. Дополнительными к указанной задаче являются разработка экологически чистой технологии практически полной переработки производимых золошлаковых отходов и имеющихся золоотвалов электростанций для расширения масштабов производства указанных целевых продуктов и их использования в металлургии и промышленности строительных материалов.
Указанная задача решается тем, что в системе производства цемента и глинозема из золошлаковых отходов электростанций, содержащей первую и вторую линии для получения глиноземного концентрата и цемента, включающих устройства для классификации, флотации, магнитной сепарации, смешивания указанных отходов с известняком и вращающуюся обжиговую печь, согласно полезной модели, система содержит третью линию для производства чистого глинозема, включающую вторую и третью вращающиеся обжиговые печи, причем первая линия содержит последовательно соединенные первое устройство для классификации отходов, второе устройство для флотационного удаления из отходов частиц несгоревшего угля и третье устройство магнитной сепарации для удаления частиц магнетита, выход которого соединен с первым входом четвертого устройства для щелочной обработки отходов раствором гидроокиси натрия, выход которого соединен с входом пятого устройства для получения глиноземного концентрата, первый выход которого по раствору силиката натрия соединен с входом шестого устройства для регенерации раствора щелочи, при этом первый выход шестого устройства по данному раствору соединен с вторым входом четвертого устройства, вторая линия содержит седьмое устройство для классификации известняка, первый выход которого соединен с первым входом восьмого устройства для смешивания известняка с силикатом кальция в виде белитового шлама и подачи смеси на вход первой вращающейся обжиговой печи для получения на ее выходе цемента, третья линия содержит девятое смешивающее устройство, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с вторым выходом пятого устройства по глиноземному концентрату и вторым выходом седьмого устройства, а выход девятого устройства соединен с основным входом второй вращающейся обжиговой печи для получения из указанных ингредиентов промежуточного продукта обжига, выход данной печи по указанному продукту соединен с первым входом десятого устройства для выделения из указанного продукта раствора алюмината натрия и белитового шлама, при этом первый выход десятого устройства соединен с первым входом одиннадцатого устройства для карбонизации раствора алюмината натрия, для чего второй вход одиннадцатого устройства соединен с дополнительным выходом второй вращающейся обжиговой печи по диоксиду углерода, первый выход одиннадцатого устройства соединен через двенадцатое устройство для смешивания растворов соды и щелочи с вторым входом десятого устройства, а второй выход одиннадцатого устройства соединен через тринадцатое устройство сушки продукта карбонизации с основным входом третьей вращающейся обжиговой печи для получения на выходе чистого глинозема, причем второй и третий входы восьмого устройства по белитовому шламу соединены, соответственно, с вторым выходом шестого и вторым выходом десятого устройств системы.
Кроме того, указанные вращающиеся обжиговые печи могут быть выполнены на рабочую температуру 1000-1500°С с возможностью работы на угле, причем первое и седьмое устройства могут содержать оборудование для измельчения золошлаковых отходов и известняка до фракции 100-200 мкм, второе устройство в качестве реагента может содержать добавки керосина, восьмое устройство может быть снабжено средствами для корректировки состава цемента дозированием вводимых ингредиентов, а десятое устройство может быть выполнено с возможностью одновременного использования регенерированных содового и щелочного растворов.
Такое выполнение системы позволяет решить указанную задачу создания достаточно эффективной, сравнительно простой, экологически чистой и безотходной промышленной технологии переработки золошлаковых отходов электростанций, работающих на Экибастузском угле, в ценную товарную продукцию в виде цемента и глинозема для использования в металлургии алюминия и промышленности строительных материалов. Решение этой задачи связано с использованием указанного дополнительного оборудования для эффективной переработки сырьевых материалов в глиноземный концентрат и белитовый шлам по совместной технологии выщелачивания и высокотемпературного обжига.
Первая вращающаяся печь второй линии, по условиям обжига сырьевой смеси и получения цементного клинкера, должна быть выполнена на рабочую температуру 1400-1500°С. Вторая вращающаяся печь третьей линии для получения промежуточного продукта обжига должна быть выполнена на рабочую температуру 1200-1350°С, а третья вращающаяся печь для получения чистого глинозема - на температуру 1000-1050°С. Указанные диапазоны рабочих температур трех вращающихся печей определяются соответствующими технологическими условиями непрерывной переработки сырьевых материалов.
При этом оптимальный фракционный состав указанных продуктов переработки для эффективной работы оборудования системы должен находиться в диапазоне 100-200 мкм за счет использования соответствующих устройств классификации. Дополнительными факторами, обеспечивающими решение поставленной задачи, могут являться возможность работы обжиговых печей на угле, использование добавок керосина в качестве реагента во втором устройстве, применение дозаторов вводимых ингредиентов в восьмом устройстве для корректировки состава цемента и одновременного использования в технологическом процессе регенерированных содового и щелочного растворов.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы производства цемента и глинозема из золошлаковых отходов электростанций.
Система содержит первую, вторую и третью линии для получения глиноземного концентрата, цемента и чистого глинозема, оборудование которых очерчено пунктирными линиями.
Первая линия системы содержит последовательно соединенные первое устройство 1 для классификации золошлаковых отходов (ЗШО), второе устройство 2 для флотационного удаления из отходов частиц несгоревшего угля и третье устройство 3 магнитной сепарации для удаления частиц магнетита. Выход устройства 3 соединен с первым входом четвертого устройства 4 для щелочной обработки отходов раствором гидроокиси натрия, выход которого соединен с входом пятого устройства 5 для получения глиноземного концентрата. Первый выход устройства 5 по раствору силиката натрия соединен с входом шестого устройства 6 для регенерации раствора щелочи, при этом первый выход устройства 6 по данному раствору соединен с вторым входом устройства 4.
Вторая линия системы содержит седьмое устройство 7 для классификации известняка, первый выход которого соединен с первым входом восьмого устройства 8 для смешивания известняка с силикатом кальция в виде белитового шлама и подачи смеси на вход первой вращающейся обжиговой печи для получения на ее выходе цемента.
Третья линия содержит девятое смешивающее устройство 9, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с вторым выходом пятого устройства 5 по глиноземному концентрату и вторым выходом седьмого устройства 7, а выход устройства 9 соединен с основным входом второй вращающейся Обжиговой печи для получения из указанных ингредиентов промежуточного продукта обжига.
Выход данной печи по указанному продукту соединен с первым входом десятого устройства 10 для выделения из указанного продукта раствора алюмината натрия и белитового шлама. При этом первый выход устройства 10 соединен с первым входом одиннадцатого устройства 11 для карбонизации раствора алюмината натрия, для чего второй вход устройства 11 соединен с дополнительным выходом второй вращающейся обжиговой печи по диоксиду углерода. Первый выход устройства 11 соединен через двенадцатое устройство 12 для смешивания растворов соды и щелочи с вторым входом устройства 10. При этом второй выход устройства 11 соединен через тринадцатое устройство 13 сушки продукта карбонизации с основным входом третьей вращающейся обжиговой печи для получения на выходе чистого глинозема.
Одновременно второй и третий входы восьмого устройства 8 по белитовому шламу соединены, соответственно, с вторым выходом шестого и вторым выходом десятого устройств 6, 10 системы. Первая вращающаяся обжиговая печь второй линии обозначена поз.14, соответственно вторая и третья вращающиеся обжиговые печи обозначены поз.15 и 16.
Для функционирования предложенной системы ЗШО необходимо подвергнуть предварительному обогащению и освободить от посторонних примесей, шлаковых сростков, для чего они должны быть подвергнуты классификации, например, по классу 100-200 мкм. После этого из золы необходимо удалить углеродную фракцию (недожог), так как для большинства видов сырья важное значение имеет такой показатель, как потери при прокаливании, значение которого не должно превышать 2%. Эффективным способом извлечения углерода из золы является флотационное обогащение с применением флотореагентов, например, керосина, позволяющих перевести в пенный продукт до 80% углерода, который можно вернуть в котел на дожигание. После этого отходы необходимо освободить от магнитной фракции, которая может создавать определенные трудности при дальнейшей переработке. Магнитная фракция, состоящая в основном из окислов железа (до 70% магнетита), может быть выделена методом магнитной сепарации, Магнитная фракция, в свою очередь, может использоваться в металлургии для производства окатышей, агломерата или ферросилиция. Кроме того, в магнитной фракции обычно концентрируется ряд редких элементов (галлий, кобальт, хром, ванадий, цирконий и др.) и она может представлять интерес как сырье для их извлечения.
Переработка золы на глинозем и цемент может осуществляться при спекании ЗШО с известняком. Этот метод аналогичен технологии переработки нефелинового концентрата, существующей на Пикалевском заводе и на Ачинском глиноземном заводе, где в качестве нефелинового сырья используются уртиты Кия-Шалтырского месторождения. Готовыми продуктами при этом методе переработки золы являются глинозем, пригодный для использования в алюминиевой промышленности и белитовый шлам, который очень выгодно использовать в цементной промышленности для производства цементного клинкера.
2
3
2
В предложенной системе производства цемента и глинозема из отходов электростанций используется комбинированная технология переработки ЗШО, включающая химическое обогащение сырья и обжиг продукта во вращающихся высокотемпературных печах. Суть технологии химического обогащения заключается в обработке ЗШО едкой щелочью с получением раствора силикатов натрия и обогащенного глиноземом алюминиевого сырья (AlO до 50% и SiO до 40%).
Затем силикаты натрия обрабатываются гидроокисью кальция, в результате чего образуются едкая щелочь и белитовый шлам. Едкая щелочь направляется в голову процесса (рециркуляция щелочи), а алюминиевое сырье и белитовый шлам используются обычным образом. Для повышения качества глиноземного сырья вначале проводится химическое обогащение ЗШО, а затем обогащенный продукт обрабатывается по технологии обжига.
Предложенная система производства цемента и глинозема из ЗШО электростанций функционирует следующим образом.
На вход устройства 1 первой линии системы поступают ЗШО для их классификации до фракции 100-200 мкм. При достижении фракционного состава 100-200 мкм ЗШО направляют на вход устройства 2 для флотационного удаления из отходов частиц несгоревшего угля С, при этом добавки керосина К интенсифицируют процесс флотации. Затем сырье поступает через устройство 3 для магнитной сепарации и удаления частиц магнетита М на вход устройства 4 для щелочной обработки отходов раствором гидроокиси натрия Щ, регенерированного в устройстве 6. Далее в устройстве 5 осуществляется фильтрация продукта для отделения осадка в виде обогащенного глинозема Г и раствора Р силиката натрия для его регенерации известковым молоком И в устройстве 6. Одновременно на вход устройства 7 второй линии системы поступает известняк для классификации до фракции 100-200 мкм, который смешивается в устройстве 8 с силикатом кальция в виде белитового шлама, полученного в устройствах 6, 10 системы. Полученная смесь поступает на вход первой вращающейся обжиговой печи 14 (температура 1400-1500°С) для получения на ее выходе цемента.
При этом на первый и второй входы смешивающего устройства 9 третьей линии из устройств 5 и 7 поступают глиноземный концентрат и известняк. Смесь подается на основной вход второй вращающейся обжиговой печи 15 (температура 1200-1350°С) для получения из указанных ингредиентов промежуточного продукта П обжига сложного состава. Последний поступает на первый вход десятого устройства 10 для содово-щелочного выщелачивания и выделения из указанного продукта раствора Р алюмината натрия и белитового шлама БШ. Раствор алюмината натрия карбонизируется в устройстве 11 диоксидом углерода, поступающим из дополнительного выхода второй вращающейся обжиговой печи 15. Полученный содовый раствор Р смешивается в устройстве 12 с 10% раствором щелочи и подается на второй вход устройства 10. Полученный осадок продукта карбонизации в виде гидроокиси алюминия поступает через устройство 13 сушки на основной вход третьей вращающейся обжиговой печи 16 (температура 1000-1050°С) для получения на ее выходе чистого глинозема.
2
3
Зола Экибастузских углей по содержанию глинозема (25-28% АlO) практически сопоставима с нефелиновым концентратом, который производит ОАО "Апатит" для Пикалевского завода. В тоже время она характеризуется более высоким содержанием кремнезема и отсутствием щелочей. По сравнению с бокситами в золе содержится меньше железа и титана. При комплексном ее использовании возможно дополнительное извлечение галлия. Низкое содержание в золе железа, в отличие от бокситов, является благоприятным фактором для производства цемента в предложенной системе производства.
Для указанных конструктивных характеристик предложенной системы и физико-химических условий производства цемента и глинозема из сырья ЗШО электростанций в ОИВТ РАН были проведены необходимые экспериментальные исследования и расчеты определяющих параметров процесса получения указанных целевых продуктов.
Приведем характерные оценки существующей ситуации в данной области. В настоящее время в России существует дефицит производства глинозема и цемента. Объемы производства этой продукции не покрывают потребности алюминиевой промышленности в глиноземе и строительной индустрии в цементе. При этом цены на глинозем и цемент постоянно увеличиваются. Существующая отечественная сырьевая база алюминиевого производства, основанная на эксплуатации бокситовых месторождений Урала и Архангельской области не может обеспечить запросы в данном сырье. По этой причине бокситовое сырье ввозится из-за границы. Сложившийся дефицит цемента и цены на него также сдерживают темпы и стоимость строительства зданий и сооружений. В этой связи становятся очевидными перспективы использования высокоглиноземистой золы ГРЭС Свердловской области для промышленного производства глинозема, цемента и некоторой сопутствующей продукции. На сегодняшний день в золоотвалах Рефтинской ГРЭС находится 116 млн. тонн золы, а Верхнетагильской - 38 млн. тонн, что суммарно составляет 154 млн. тонн. По химическому составу указанная зола может служить источником сырья для переработки на глинозем и цемент, ее количество будет непрерывно увеличиваться, т.к. на ближайшие 20 лет энергетическим топливом на ГРЭС будет оставаться уголь Экибастузского бассейна.
При таких значительных запасах глиноземного и кремнеземного сырья возможно создание предложенной системы по производству цемента до 6 млн. тонн в год и глинозема до 1 млн. тонн в год со сроком эксплуатации не менее 50 лет.
При этом на базе предложенной системы в качестве дополнительной продукции можно организовать производство до 0,2 млн. тонн аглопорита, 0,05 млн. тонн сульфата алюминия и до 1 млн. тонн сверхтонкой классифицированной по фракционному составу 1-5 мкм золы для производства золо-цементной бетонной смеси. Помимо вышеуказанного, на ГРЭС резко улучшается экологическая обстановка в связи с прекращением складирования золы в отвалах, прекращаются платы за использование земли, прекращаются платы за загрязнение окружающей среды, прекращаются работы по поддержанию золоотвалов в безопасном состоянии и др.
Инвестиционные расходы для организации указанного производства по предложенной схеме рядом с источниками ЗШО составят около 1,2 млрд. долларов США. При этом суммарная стоимость конечной продукции в ценах 2005 г. составит около 1,1 млрд. долларов США. За вычетом затрат на сырье, энергетические расходы, оплату труда и др. капитальные вложения в строительство комбината по предложенной схеме полностью окупаются за 2 года.