Строительство Строительные материалы и изделия
Каминский Ю.Д., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук Шоева Т. Е., соискатель Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета Тимошенко Е.Н., младший научный сотрудник
(Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения Российской академии наук)
СОСТАВ И ВЫХОД ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ В ЗОЛАХ КЫЗЫЛЬСКОЙ ТЭЦ
Изучен гранулометрический, фазовый и химический состав узких фракций лежалых золошлаковых отходов Кызыльской ТЭЦ. Показаны основные направления их использования в производстве местных строительных материалов.
COMPOSITION AND OUTPUT OF VALUABLE COMPONENTS IN ASH OF KYZYL THERMAL POWER STATION
It is studied graduation, phase and a chemical composition of narrow fractions stale fly ash and slag wastes Kyzyl thermal power station. The possible directions of their use in manufacture of local building materials are shown.
Введение
На современном этапе, основным направлением в решении экологической проблемы теплоэнергетики является создание безотходных технологий, в основе которых лежат комплексные глубокие методы переработки с использованием всех его ценных составляющих путем превращения их в полезные продукты. Образование топливных зол и шлаков происходит в результате термохимических и фазовых превращений неорганической части топлива. Эти процессы способствуют появлению в их составе ряда микросферических компонентов -ценосфер. Процессы их извлечения, состав и свойства, а также пути использования широко освещены в работах [1-5]. Наряду с минеральной частью в золошлаковом материале обычно содержатся несгоревшие органические включения, количество которых может достигать до 40 масс. %. По микроструктуре углеродистые частицы аналогичны активированным антрацитам, что позволяет их использовать в качестве углеродных адсорбентов [2, 6]. Кроме того, золошлаковые материалы являются накопителями редких и редкоземельных элементов [7]. Условия и технологические схемы извлечения иттрия, скандия и германия рассмотрены в работах [8-10]. Авторами [11] были изучены возможности и определены оптимальные условия совместного извлечения радиоактивных и редкоземельных металлов.
Однако высокий уровень утилизации золошлаков достигается при использовании их в строительной индустрии. Технические требования к золе, используемой в производстве различных материалов, установлены соответствующими нормативными документами [12-16].
Таким образом, рациональное использование золошлакового сырья требует комплексного изучения его состава.
Цель данной работы исследование состава золошлаковых отходов Кызылской ТЭЦ и возможности их использования в производстве строительных материалов.
Материал и методы исследования
В качестве объекта исследования был отобран отвальной золошлаковый материал, образованный при сжигании Каа-Хемских углей. Отбор и подготовка проб велась в соответствии с ГОСТ 23148-98.
Классы крупности определялись ситовым анализом сухого материала на вибросите «Retsch». Гранулометрическая классификация осуществлялась через набор сит с размером ячеек 1.0, 0.5, 0.25, 0.125, 0.071 и 0.05 мм.
Исследование химического состава узких фракций осуществляли методом рентген-флуоресцентного полного силикатного анализа на сканирующем спектрометре фирмы ARL-9900XP. Изучение элементного состава фракций проводилось методом атомно-эмиссионного спектрального анализа с использованием спектрограф PGS-2, аппаратура - дуга постоянного тока. Оценку содержания тяжелых и драгоценных металлов осуществляли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре AAS5FL, пламя пропан-воздух. Для тяжелых элементов по методике № 155-ХС «атомно-абсорбционное определение Co, Ni, Zn, Cu, Pb, Fe, Cd, Mn, Bi, Sb в горных породах, рудах и технических растворах». Пределы обнаружения элементов: Co- 0,005-0,1 %; Ni - 0,005-0,1 %; Zn - 0,0005-0,05 %; Cu - 0,0005-0,2 %; Pb-0,02-0,2 %. Определение Ag проводилось по методике 238-C атомно-абсорбционным методом без экстракции, диапазон определяемых содержаний с 1,25 - 20 г/т, определение Au проводилось по методике 237-C с экстракцией в растворе органических сульфидов в толуоле, диапазон определяемых содержаний с 0,05 - 20 г/т. Оценка радиоактивных элементов проводилась рентгеноспектральным методом на АРФ-6.
Фазово-минеральный состав определялся методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-4. Условия получения дифрактограмм: Cuka - фильтрованное излучение. Идентификацию фаз осуществляли согласно «Рентгенометрическому определителю минералов» [17].
Морфологические особенности компонентов изучали на сканирующем электронном микроскопе HITACHI TM-1000 в режиме низкого вакуума при разрешении - 30 нм. Оптические наблюдения выполняли с помощью оптического микроскопа МБС-9.
Результаты исследования и их обсуждение
Золошлаковый материал Кызылской ТЭЦ образуется в результате сгорания угольной пыли в котлоагрегатах БКЗ-75-39ФБ при температуре факела - 1400° С. Конечные продукты, шлак и зола-уноса, поступают в пульпопровод системы ГЗУ. Свободная окись кальция, содержащаяся в золошлаке, при гидрозолоудалении растворяется в воде с образованием гидроокиси кальция. С течением времени, находясь в золоотвале, гидроокись кальция вступает в реакцию с углекислотой с образованием вторичного кальцита. При этом потери при прокаливании (п.п.п.) увеличиваются до 15 масс. %. По данным рентгенофазового анализа золош-
лак представляет собой полиминеральный материал, основными минералами которого являются в-кварц, кальцит, анортит, ортоклаз и пирофиллит.
Согласно данным гранулометрического состава основную массу золошлаков (87 %) составляют частицы с размерами <0,25 мкм. Узкие фракции дополнительно разделили на магнитный и силикатный продукты (табл. 1).
Таблица 1
Продукты разделения по классам крупности
Класс крупности, мм Содержание, %
исходная магнитная немагнитная
+1 1,63 0.3206 1.3094
-1+0,5 3,16 0.7172 2.4428
-0,5+0,25 8,15 1.9249 6.2251
-0,25+0,125 18,03 4.3632 13.6668
-0,125+0,071 25,76 7.8568 17.9032
-0,071+0,05 31,77 7,9425 23,8275
-0,05 11,50 2,967 8,533
Из источника [7] известно о способности мелких фракций золы концентрировать редкие и редкоземельные элементы (РЗЭ), поэтому узкие фракции изучили на предмет их содержания. Результаты химического и элементного составов представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Распределение золообразующих оксидов по классам крупности
Оксид Содержание, масс. %
+1 -1+0,5 0,5+0,25 0,25+0,12 5 0,125+0,07 1 0,071+0,0 5 -0,05
Б1О2 40,94 42,3 50,96 48,26 49,47 43,42 45,09
АЬОэ 16,17 15,73 15,64 17,93 19,44 19,83 20,28
СаО 13,46 10,7 11,07 11,12 11,28 11,52 12,39
МgО 4,75 3,85 3,62 4 4,62 5,07 5,06
Бе203 0,18 0,28 0,54 0,66 0,14 0,32 0,71
МпО 0,12 0,1 0,12 0,15 0,15 0,14 0,19
№20 0,65 1,24 1,5 0,7 0,63 0,56 0,6
К2О 1,37 2,69 1,05 1,04 0,3 2,74 1
ИО2 0,66 0,49 0,7 0,75 0,89 0,75 0,94
Р2О5 0,02 0,02 0,01 0,01 0.01 0,02 0.01
П.п.п. 21,01 20,00 14,79 13,97 13,44 14,12 13,22
Химический анализ показал, что распределение основных золообразующих оксидов происходит по-разному. В направлении уменьшения размера фракции содержание оксида алюминия увеличивается до 20,28 %; оксида магния - до 5,06 %, оксида титана - до 0,94 %. Изменение содержания оксида калия происходит скачкообразно, а двуокиси кремния, оксида кальция, фосфора почти не меняется. В характере изменения величины п.п.п. наблюдается тенденция ее снижения с уменьшением размера фракции.
Таблица 3
Распределение микроэлементов по классам крупности
Элем-т Содержание, масс. %
+1 -1+0,5 0,5+0,25 0,25+0,12 5 0,125+0,07 1 0,071+0,0 5 -0,05
Ве <2*10-4 <2*10-4 <2*10-4 <2*10-4 <2*10-4 <2*10-4 <2*10-4
В1 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
Сё <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
Оа <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
1п <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
РЬ <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
Рё <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
Бп <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3 <1*10-3
Ое <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
Мо <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
№ <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
Р! <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
БЬ <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
Те <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
Т1 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2 <1*10-2
ЛБ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
Та <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
<0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
Содержание РЗЭ в золе находится ниже пределов их обнаружения.
Содержание тяжелых, радиоактивных и благородных металлов представлено в табл. 4. Результаты исследований показали, что содержание в общей пробе тяжелых металлов: меди, цинка и никеля не превышает Кларка [18], свинца превышает в 10 раз, кобальта - в 1,5 раза; содержание радиоактивных металлов: урана в золошлаковых отходах превышает Кларк в 3,44 раза, содержание тория и рубидия в пределах нормы.
Таблица 4
Содержание тяжелых, радиоактивных элементов и благородных металлов
Проба Содержание элементов, %
Тяжелые металлы Радиоактивные металлы Благородные металлы
Си РЬ 2п Со N1 и ТЬ ЯЬ Ли Л8
Зола 0,004 1 <0,02 0,006 1 0,003 0,004 0,0011 0,0007 0,0049 <5-10-6 <1-10-8
Кларк 0,005 7 0,002 0,008 0,002 0,009 5 0.0003 2 0.0011 0,02 1-10-7 1-10-5
Изучение узких фракций под оптическим микроскопом МБС-9 выявило, что в каждой из них присутствуют неизмененная минеральная часть (кварц, полевые шпаты), углеродистые частицы. Частицы кварца - угловатые, неправильной формы; встречаются в виде вытянутых иголок, прозрачны. Полевые шпаты отмечаются в виде таблитчатых, угловатых обломков. Недожог входит в состав всех фракций. Форма частиц как ценосферическая (сетчатая) (рис. 1а) и плотная (рис. 1б); цвет черный с блеском. Частицы х
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.