КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 18-79-00305

НазваниеКомплексная переработка золошлаковых отходов угольных электростанций соляной кислотой

РуководительВалеев Дмитрий Вадимович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2020

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые словаЗола, соляная кислота, автоклавное выщелачивание, флотация, восстановительный обжиг, распылительная сушка, глинозем, коагулянт, скандий, диоксид кремния, железо, портландцемент

Код ГРНТИ53.01.91

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Ежегодно в России сжигается более 123 млн. т. твердого топлива, при этом образуется ~ 25 млн. т золошлаковых отходов (ЗШО), на переработку поступает только 2 млн. т. в год. Количество накопленной золы оценивается в 1,5 млрд. т. Золоотвалы занимают крупные площади в пределах городских территорий (более 22 тыс. га), а транспортировка ЗШО обусловлена высоким расходом воды от 10 до 100 куб. м/т, при этом происходит отравление прилежащих территорий, что делает их непригодными для хозяйственного использования. Обустройство и эксплуатация золоотвалов требуют значительных затрат, что обусловливает увеличение себестоимости электроэнергии [1]. Комплексная переработка золы позволит улучшить экологическую обстановку за счет ликвидации источника загрязнения окружающей среды и сохранит тысячи га плодородной земли из-за отсутствия золоотвалов. В золе содержится до 33 % оксида алюминия, что делает этот вид сырья самым перспективным в качестве альтернативы бокситам при производстве глинозема, основного материала для получения металлического алюминия [2]. В настоящий момент, основная часть бокситов (~60%) поставляется из-за границы (Австралия, Ямайка, Гайана, Гвинея). Поставки алюминиевых руд с отдаленных месторождений малорентабельны ввиду постоянного роста затрат на фрахт судов и перевозку по железной дороге. Большая протяженность логистических потоков делают эту проблему еще более острой [3]. В отличие от природных видов сырья, ЗШО не требуют затрат на разведку, добычу и транспортировку из-за границы, что существенно удешевляет технологию переработки [4]. Утилизация золы на глинозем решает проблему сырьевой безопасности страны в области получения металлического алюминия. Алюминий в золе находится в виде минерала муллита. Это алюмосиликат, переработка которого по традиционной щелочной технологии возможна при использовании предварительного обжига сырья с известняком, для перевода диоксида кремния в нерастворимый в щелочи силикат кальция. Обжиг является дополнительной, сложной по технологии и аппаратурному оформлению стадией, требующей значительного расхода тепла [5]. Применение альтернативных способов позволяет перевести алюминий в раствор с переводом диоксида кремния в осадок [6]. Однако, они имеют ряд существенных недостатков. Например, использование серной кислоты приводит к осаждению сульфата кальция на поверхности частиц золы, что препятствует взаимодействию алюминия с сульфат-ионом [7], а применение фторидного способа сопряжено с ядовитыми выбросами аммиака и фтора [8]. Солянокислотный способ является самым перспективным, так как позволяет использовать сырьё любого состава и регенерировать HCl для повторного использования [9-10]. В связи с низкой реакционной способностью муллита [11], в данном проекте впервые будет использован автоклавный процесс выщелачивания ЗШО соляной кислотой. Кроме глинозема в составе ЗШО содержится значительное количество оксидов железа, которые могут быть отделены путем восстановительного обжига с последующей магнитной сепарацией. Однако, образующиеся в процессе обжига магнитные фазы, имеют слишком маленький размер и трудно отделяются от пустой породы. Для укрупнения магнитных фаз при обжиге добавляют небольшое количество сульфатов или карбонатов щелочных металлов. Такой способ нашел применение при утилизации отхода глиноземной промышленности – красного шлама [12-15]. ЗШО и красный шлам являются высокодисперсными техногенными отходами сходными по составу и физико-химическим свойствам, поэтому данный подход может быть применён с высокой эффективностью для выделения порошка железа из ЗШО. В растворы после выщелачивания помимо алюминия переходят редкоземельные металлы (РЗМ), суммарное содержание в золах может достигать 600 г/т. Сорбция РЗМ из кислых растворов активно применяется в цветной металлургии [16]. Использование данного подхода позволит выделить РЗМ в отдельный целевой продукт, что существенно повысит общую рентабельность разрабатываемой технологической схемы. После выделения РЗМ растворы будут подвергаться распылительной сушке. В зависимости от температуры процесса возможно получение полиоксихлорида алюминия (ПОХА) или аморфного оксида алюминия. ПОХА это реагент-коагулянт который используется для очистки питьевых и сточных вод. Применение ПОХА по сравнению с используемым сейчас сульфатом алюминия позволяет работать при более низких температурах (до -22 °C), с одновременным снижением удельного расхода реагента и остаточного содержания алюминия в очищенной воде [17]. Аморфный оксид алюминия в дальнейшем перерабатывается по щелочной технологии (способ Байера) с получением металлургического глинозема марки Г-0. Твердый отход солянокислотной технологии - аморфный диоксид кремния, может быть использован в качестве активной минеральной добавки в портландцемент. Это позволит увеличить прочность портландцементного камня на 10-12% в 28-суточном возрасте [18-19]. Реализация данного проекта снизит негативное влияние ЗШО на экологию и позволит получать различные виды продукции (глинозем, коагулянт, концентрат скандия, диоксид кремния, железный порошок, активная минеральная добавка в цемент) с более низкой себестоимостью, чем по существующим технологиям. [1] Л.М.Делицын и др. Редкие земли №2 (5) (2015) 126-135 [2] Z.T. Yao et al. Fuel 120 (2014) 74-85 [DOI: 10.1016/j.fuel.2013.12.003] [3] A. Senyuta et al. Minerals, Metals and Materials Series (2016) 203-208 [DOI: 10.1007/978-3-319-65136-1_36] [4] R.S. Blissett et al. Fuel 97 (2012) 1-23 [DOI: 10.1016/j.fuel.2012.03.024] [5] X.Y. Lin et al. Advanced Materials Research 512-515 (2012) 1548-1553 [6] A.G. Suss et al. Light Metals (2014) 105-109. [DOI: 10.1002/9781118888438.ch18] [7] A. Seidel et al. Chemical Engineering Science 53 (22) (1998) 3835-3852 [10.1016/S0009-2509(98)00201-2] [8] В.С. Римкевич и др. Горный информационно-аналитический бюллетень 6 (2015) 250-259 [9] Smirnov A. et al. Minerals, Metals and Materials Series (2018) 57-62 [DOI: 10.1007/978-3-319-72284-9_9] [10] G.P. Demopoulos et al. World of Metallurgy - ERZMETALL 61 (2) (2008) 89-98 [11] Q. Luo et al. Industrial & Engineering Chemistry Research 52 (51) (2013) 18184-18191 [DOI: 10.1021/ie4026902] [12] Zhu D.-Q. et al. Journal of Iron and Steel Research International 19 (2012) 1-5. [DOI: 10.1016/S1006-706X(12)60131-9] [13] Rao M.-J. Minerals, Metals and Materials Series 210869 (2016) 125-130 [DOI: 10.1007/978-3-319-65136-1_22] [14]Liu. Y et al. Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition 31 (2) (2016) 404-407 [DOI: 10.1007/s11595-016-1383-y] [15] Li G.-H. et al. Journal of Hazardous Materials 280 (2014) 774-780 [DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.09.005] [16] V. Korovin et al. Hydrometallurgy 95 (2009) 346-349 [DOI: 10.1016/j.hydromet.2008.05.011] [17] А.А. Беляк и др. Водоснабжение и санитарная техника 5 (2013) 32-36 [18] Jo B.-W. et al. Construction and Building Materials 21 (6) (2007) 1351-1355 [DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.12.020] [19] Reches Y. et al. Construction and Building Materials 167 (10) (2018) 860-873 [DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.02.032]

Ожидаемые результаты
По завершении проекта предполагается получить следующие основные результаты: 1 год: – оптимальные параметры процесса электромагнитной сепарации магнетита от золы в зависимости от напряженности магнитного поля и процесса флотации для выделения углеродного концентрата (недожога); – термодинамический анализ поведения компонентов магнитной фракции ЗШО в процессе восстановительного обжига; – оптимальные параметры низкотемпературного восстановительного обжига (температура обжига, количество добавок, время выдержки); – оптимальные условия автоклавного выщелачивания золы (температура, концентрация соляной кислоты, соотношение жидкого к твердому и продолжительность выщелачивания); – кинетические закономерности взаимодействия минерала муллита с соляной кислотой в автоклавных условиях; – оценка влияния добавок аморфного диоксида кремния на прочностные свойства портландцемента. 2 год – характеристики процесса распылительной сушки растворов (температура, мощность ультразвукового распыления); – оценка коагулирующей способности полиоксихлорида алюминия для снижения мутности, цветности и перманганатной окисляемости природных вод, содержащих взвешенные и органические вещества. – баланс редкоземельных металлов по полупродуктам технологической схемы; – условия сорбции РЗМ в зависимости от кислотности среды и типов ионитов, оптимальные реагенты для промывки и десорбции, а также данные по распределению основных примесей (алюминия и железа) на всех стадиях процесса сорбции; – характеристики процесса выщелачивания аморфного диоксида алюминия с последующим образование гидроксида алюминия методом карбонизации; – характеристики физических свойств глинозема, полученного кальцинацией гидроксида алюминия (фазовый состав, удельная поверхность, средний размер частиц). Ожидаемые результаты отвечают мировому уровню исследований и позволят существенно расширить способы переработки зол. Реализация данной технологии не потребует существенных затрат на проектирование новых металлургических аппаратов, так как отдельные переделы уже успешно внедрены в химической промышленности (автоклавное разложение гидроксида алюминия в соляной кислоте при производстве полиоксихлорида алюминия в ОАО «АУРАТ» (г. Москва). Щелочная ветка разрабатываемой технологии может с успехом использоваться на уже существующих заводах по производству металлургического глинозема, что позволит не только отказаться от импортного сырья, но и предотвратить закрытие градообразующих предприятий из-за низкой рентабельности существующих технологий. Использование аморфного диоксида кремния в качестве активной минеральной добавки в портландцемент позволит утилизировать весь объем золы без образования дополнительных отходов. Внедрение разработанного процесса даст толчок к комплексному использованию золошлаковых отходов, позволит существенно снизить себестоимость глинозема и других попутных продуктов, что приведет к повышению конкурентоспособности металлургических комбинатов России на мировом рынке.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---