научная статья по теме СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОБОЛОЧКИ ЦЕНОСФЕР ЗОЛЫ-УНОСА ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОБОЛОЧКИ ЦЕНОСФЕР ЗОЛЫ-УНОСА ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 2, с. 55-64

УДК 662.74;662.613

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОБОЛОЧКИ ЦЕНОСФЕР ЗОЛЫ-УНОСА ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА1 © 2014 г. Е. В. Фоменко*, Н. Н. Аншиц**, Л. А. Соловьёв*, О. А. Михайлова*, А. Г. Аншиц**

* Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск

E-mail: fom@icct.ru ** ФГАОУВПО Сибирский федеральный университет, Красноярск E-mail: anshits@icct.ru Поступила в редакцию 31.05.2013 г.

Выполнено исследование химического, фазового состава и строения оболочки узких фракций немагнитных и магнитных неперфорированных ценосфер золы-уноса от сжигания углей марок Г и Д Кузнецкого бассейна. Показано, что фракции немагнитных ценосфер характеризуются низким содержанием Fe2O3 (2.6—3.5 мас. %) и представлены глобулами с однородной гладкой или рельефной поверхностью и оболочкой разной степени пористости. С увеличением содержания алюминия в немагнитных фракциях уменьшаются средний диаметр, толщина и пористость стеклокристалличе-ской оболочки ценосфер; при этом содержание кристаллической фазы кварца, представленной двумя модификациями с различными параметрами решетки, уменьшается. Узкие фракции магнитных ценосфер содержат 3—21 мас. % Fe2O3 и содержат глобулы с толстой пористой оболочкой, на внешней поверхности которой обнаружены гетерогенные области феррошпинельной фазы. В магнитных ценосферах с ростом содержания железа увеличивается количество феррошпинельной фазы, при этом наблюдается увеличение размера ее кристаллитов и уменьшение степени замещения железа магнием и алюминием.

Б01: 10.7868/80023117714020030

Одним из ценных компонентов зол от пылевидного сжигания углей являются полые алюмо-силикатные микросферы — ценосферы [1—4]. Стабилизация их состава и соответственно свойств, исходя из различий физических характеристик индивидуальных глобул, таких, как размер, плотность, магнитные свойства, открывает возможность использования узких фракций цено-сфер в качестве основы новых функциональных материалов, что позволяет заменить дорогостоящие синтетические микросферы.

Известно несколько направлений в создании микросферических функциональных материалов на основе узких фракций ценосфер, среди которых композитные сорбенты, в том числе с цео-лит/муллитной оболочкой [5], с нанесенным магнитным компонентом и функционализирован-ной поверхностью для извлечения фенольных соединений из водных сред [6], с капсулирован-ным сорбционно-активным компонентом для очистки жидких токсичных отходов [7], а также сенсибилизаторы промышленных эмульсионных взрывчатых веществ [8], полифункциональные пористые материалы для обращения с жидкими

1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Сибирского отделения РАН (Междисциплинарные интеграционные проекты № 52, 91).

радиоактивными отходами [9], носители рН-чув-ствительных спиновых меток для исследования молекулярных систем [10], микросферические мембраны для выделения гелия из гелийсодержа-щих газовых смесей [11, 12], металлокомпозит-ные синтактные пены [13].

В каждом случае использования ценосфер для получения функциональных материалов с прогнозируемыми свойствами обязательным условием являются определенный химический и фазовый состав, а также необходимое строение оболочки глобул (ее толщина, пористость, наличие сквозных пор определенного размера, состояние внешней и/или внутренней поверхности, степень кристалличности, размер кристаллитов и их пространственная ориентация).

В настоящей статье представлены результаты исследования химического, фазового состава, структурных особенностей кристаллических фаз и строения оболочки узких фракций неперфори-рованных ценосфер низкой плотности, выделенных из концентрата ценосфер золы-уноса от пылевидного сжигания угля Кузнецкого бассейна. Установлена взаимосвязь состава и морфологии ценосфер, на основании которой предложены маршруты образования немагнитных и магнитных глобул.

5

100 мкм

Рис. 1. Оптические снимки (проходящий свет) концентрата ценосфер (а) Новосибирской ТЭЦ-5 и узкой фракции це-носфер НМН —0.16 + 0.125 (б), выделенной из концентрата.

Экспериментальная часть

В качестве сырья для получения узких фракций ценосфер определенного состава и строения оболочки использовали концентрат ценосфер золы-уноса от пылевидного сжигания каменного кузнецкого угля марки Г и Д на Новосибирской ТЭЦ-5 в топке парового котла ТПЕ-214/А при температуре в ядре факела 1500°С. Концентрат ценосфер был собран с поверхности отстойного пруда золоотвала. Химический состав исходного концентрата ценосфер (мас. %): 8Ю2 — 64.64; А1203 - 20.85; Бе203 - 4.05; СаО - 2.24; М§0 -1.85; 803 - 0.24; Ш20 - 0.93; К20 - 3.19; 1Ю2 -0.31; п.п.п. - 0.72.

Выделение узких фракций немагнитных и магнитных неперфорированных ценосфер проводили с использованием технологической схемы [14], включающей несколько стадий. На первой стадии использовалось гидродинамическое разделение концентрата ценосфер по плотности с отделением от перфорированных глобул; в результате были выделены неперфорированные ценосферы с насыпной плотностью 0.3-0.4 г/см3. Далее полученный продукт был разделен гранулометрической сепарацией на три фракции размером -0.5 + + 0.25; -0.18 + 0.08 и <0.08 мм.

На следующей стадии фракции ценосфер размером -0.5 + 0.25 и -0.18 + 0.08 мм подвергали "сухой" магнитной сепарации при разной напряженности магнитного поля с использованием электромагнитного сепаратора марки 138Т. В результате последовательного разделения при напряженности магнитного поля 0.48, 0.8, 1.18, 2.2, 5.08, 8.15 и 9.33 Кэ были получены узкие фракции магнитных ценосфер (маркировка МН) с разным содержанием железа. Для получения продуктов пониженной насыпной плотности фракцию це-носфер размером <0.08 мм подвергали дополнительному разделению в гексане.

Узкие фракции немагнитных ценосфер были получены на стадии гранулометрической сепарации из немагнитной при напряженности магнитного поля 5.08 Кэ составляющей фракции —0.18 + + 0.08 мм (маркировка НМН) и из продукта пониженной плотности, выделенного разделением в гексане из фракции <0.08 мм (маркировка Н). Для отделения осколков, образующихся на стадиях магнитной и гранулометрической сепарации, водную пульпу ценосфер подвергали дополнительному гидростатическому разделению после предварительного вакуумирования.

Контроль чистоты полученных фракций осуществляли с помощью оптической микроскопии. Для примера на рис. 1 приведены оптические снимки используемого концентрата ценосфер (а) и узкой фракции немагнитных ценосфер размером —0.16 + 0.125 мм (б), выделенной из этого концентрата.

Для каждой выделенной узкой фракции были определены химический и фазовый составы, насыпная плотность, распределение глобул внутри фракции по размерам, средний диаметр глобул и толщины их оболочки (табл. 1), а также содержание глобул каждого морфологического типа.

Химический состав выделенных узких фракций ценосфер, включающий содержание оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия, натрия, титана и серы, а также потери при прокаливании (п.п.п.), определяли по стандартной методике [15].

Фазовый состав и микроструктурные характеристики узких фракций ценосфер определены с применением полнопрофильного анализа по методу Ритвельда [16] с минимизацией производной разности [17]. Дифракционные данные получены на порошковом рентгеновском дифракто-метре X'Pert Pro MPD (PANalytical) с твердотельным детектором PIXcel и вторичным графитовым монохроматором для Си^а-излучения, а также на

Таблица 1. Физико-химические характеристики узких фракций ценосфер

X К £ К ¡ч

н и

и

й й

о м о

н

о §

к

и

>

£ ы

ы о

Физические хар актери стики

Химический состав, мае. %

Фазовый состав, мае. %

«^иразец, фракция, мм насыпная плотность, г/см3 средний диаметр, мкм толщина оболочки, мкм ппп О с/з го О 3 го О СаО МБО О Л О О Р ГО О С/3 кварц Яс/Э Л „ « м О- кальцит ферро-шпинель муллит стекло-фаза 8Ю2/А1203*

Немагнитные ценосферы

Н-0.05+ 0.04 0.34 49 2.1 0.72 62.88 25.03 2.63 1.40 2.05 0.84 2.89 0.46 0.31 3.5 1.1 0.3 7.5 87.6 2.4

Н-0.063 + 0.05 0.34 59 2.5 0.20 64.75 24.67 3.20 1.01 1.64 0.88 3.09 - 0.16 1.2 1.8 0.6 <0.1 3.7 92.7 2.5

Н-0.071 + 0.063 0.33 68 2.8 0.77 63.80 23.91 2.75 1.40 1.80 0.87 2.96 0.46 0.49 4.4 1.1 0.4 5.8 88.3 2.5

Н-0.1 +0.071 0.35 78 3.4 0.32 64.64 22.73 2.97 2.33 1.51 1.08 2.90 0.40 0.32 5.6 0.7 <0.1 4.3 89.1 2.6

НМН -0.1 +0.071 0.36 88 3.9 0.56 66.36 21.73 3.03 1.89 1.60 0.68 3.30 0.58 0.24 2.7 2.9 0.3 <0.1 2.2 91.9 2.8

НМН -0.125 + 0.1 0.35 116 5.0 0.12 66.80 19.64 2.64 2.45 2.55 1.42 2.89 0.46 0.44 2.6 3.4 0.2 <0.1 1.7 92.0 3.1

НМН -0.16 + 0.125 0.38 147 6.9 0.20 67.52 21.27 3.46 1.21 1.71 0.97 3.37 0 0.17 3.2 3.5 0.3 <0.1 1.5 91.5 2.9

Магнитные ценосферы

МН 9.33-0.18+ 0.08 0.39 142 6.9 0.56 66.76 21.25 3.04 1.96 1.91 0.65 2.80 0.43 0.11 1.4 4.3 0.4 <0.1 1.6 92.3 2.9

МН 8.15-0.18+ 0.08 0.38 137 6.5 0.40 66.50 20.71 3.67 2.10 1.90 0.65 2.85 0.45 0.13 1.7 4.4 0.3 <0.1 1.6 92.0 2.9

МН 5.08 -0.18 + 0.08 0.40 147 7.3 0.32 65.64 20.46 4.64 2.59 2.20 0.60 2.65 0.36 0.19 2.6 5.4 0.2 0.4 2.2 89.2 2.8

МН 2.2 -0.18 + 0.08 0.41 156 7.8 0.28 62.48 19.78 8.49 2.87 2.15 0.70 2.70 0.23 0.36 2.9 4.3 0.2 2.2 1.9 88.5 2.8

МН 1.18-0.18+ 0.08 0.42 149 7.6 0.28 60.88 18.98 9.97 3.08 2.11 0.72 2.73 0.35 0.33 2.3 5.4 0.5 6.0 1.7 84.1 2.8

МН (0.41)-0.18+ 0.08 0.41 150 6.9 0 52.00 16.75 21.04 3.08 2.30 0.90 2.58 0.36 0.10 .8 0.3 21.0 3.0 70.9 2.8

МН 9.33-0.5+ 0.25 0.39 236 11.4 0.44 67.72 20.27 3.55 2.10 1.91 0.65 2.80 0.35 0.15 2.9 4.0 0.3 <0.1 1.1 91.7 3.0

МН 8.15-0.5+ 0.25 0.41 - - 0.24 65.56 19.98 4.64 3.01 2.17 0.55 2.60 0.54 0.09 2.4 4.6 0.3 <0.1 1.1 91.6 2.9

МН 5.08 -0.5 + 0.25 0.39 - - 0.60 64.56 19.69 5.67 3.15 1.95 0.58 2.75 0.40 0.11 2.6 4.4 0.3 0.4 0.8 91.5 2.9

МН 2.2 -0.5 + 0.25 0.41 325 16.2 0.24 63.14 18.67 7.62 3.64 2.71 0.54 2.65 0.29 0.10 2.3 4.0 0.3 1.1 0.6 91.7 3.0

МН 1.18-0.5+ 0.25 0.40 224 10.8 0.04 61.48 18.16 9.40 3.96 2.52 0.95 2.62 0.45 0.42 1.9 4.1 0.2 2.6 0.6 90.6 3.1

МН 0.8-0.5+ 0.25 0.41 254 12.3 0.04 58.9

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»