Комплексная переработка золошлаковых отходов угольных электростанций соляной кислотой

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 проекта 18-79-00305

НазваниеКомплексная переработка золошлаковых отходов угольных электростанций соляной кислотой

Руководитель Валеев 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

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

Код ГРНТИ53.01.91

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]

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Валеев Д.В., Кунилова И.В., Алпатов А.В., Михайлова А.Б., Гольдберг М.А., Кондратьев А.В. Complex utilisation of ekibastuz brown coal fly ash Iron & carbon separation and aluminum extraction Journal of Cleaner Production, Volume 218, Pages 192-201 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jclepro.2019.01.342

2. Валеев Д.В., Кунилова И.В., Алпатов А.В., Варнавская А.Д., Чу Диан-Чун Magnetite and Carbon Extraction from Coal Fly Ash Using Magnetic Separation and Flotation Methods Minerals, 2019, 9(5), 320 (год публикации - 2019)
10.3390/min9050320

3. Валеев Д.В., Варнавская А.Д. Изучение способов обогащения и солянокислотное выщелачивание зол угольных электростанций Труды Кольского научного центра РАН, №1 (3), Том 10, с.37-43 (год публикации - 2019)
10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.37-43

4. Валеев Д.В., Кунилова И.В., Алпатов А.В. Михайлова А.Б., Гольдберг М.А., Кондратьев А.В. Complex utilisation of ekibastuz brown coal fly ash Iron & carbon separation and aluminum extraction Journal of Cleaner Production, Volume 218, Pages 192-201 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jclepro.2019.01.342

5. Валеев Д.В., Шопперт А.А., Михайлова А.Б., Кондратьев А.В. Acid and Acid-Alkali Treatment Methods of Al-Chloride Solution Obtained by the Leaching of Coal Fly Ash to Produce Sandy Grade Alumina Metals, V. 10 (5), P. 585 (год публикации - 2020)
10.3390/met10050585

6. Валеев Д.В., Кунилова И.В., Шопперт А.А., Салазар-Конча К., Кондратьев А.В. High-pressure HCl autoclave leaching of coal ash to extract Al into a chloride solution with further use as a coagulant for water treatment Journal of Cleaner Production (год публикации - 2020)

7. Валеев Д.В., Шопперт А.А. Извлечение глинозема из зол угольных электростанций с помощью соляной кислоты Цветные Металлы и Минералы - 2019, С. 153-162 (год публикации - 2019)

8. Валеев Д.В., Шопперт А.А. Extraction of Alumina from the Coal Fly Ash by Hydrochloric Acid Proceedings of the 37th International ICSOBA Conference and XXV Conference «Aluminium of Siberia», TRAVAUX 48, AA30, p.417-426 (год публикации - 2019)

Публикации