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 21-79-00295

НазваниеУтилизация золошлаковых отходов Рефтинской ГРЭС бисульфатом аммония

Руководитель Валеев Дмитрий Вадимович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «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 Золошлаковые отходы, магнитная сепарация, флотация, бисульфат аммония, автоклавное выщелачивание, аморфный диоксид кремния, горячее прессование, карбид кремния, сорбция, удаление железа(III), осаждение, гидроксид алюминия глинозем.

Код ГРНТИ53.01.91

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В 2019 году в России было сожжено более 100 млн. т. твердого топлива, при этом образовалось ~ 20 млн т золошлаковых отходов (ЗШО), на переработку поступает не более 8% от этого количества. Золоотвалы занимают крупные площади в пределах городских территорий, 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. Около 10% от выручки угольных электростанций идет на обустройство и эксплуатацию золоотвалов [1]. На здоровье человека также оказывается негативное влияние, так как вдыхание мелких частиц ЗШО может приводить к хроническим заболеваниям легких [2]. Комплексная переработка ЗШО позволит улучшить экологическую обстановку за счет ликвидации источника загрязнения окружающей среды и сохранит тысячи га плодородной земли из-за отсутствия золоотвалов. В золе Рефтинской ГРЭС содержится 25-27 мас.% оксида алюминия, что делает этот вид сырья весьма перспективным в качестве источника продукции для металлургии: карбида кремния - SiC и оксида алюминия – Al2O3 – глинозема. Керамика на основе карбида кремния обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать ее в жестких, даже «экстремальных» условиях. Данный вид керамики стоек к окислению, выдерживает длительное механическое воздействие и высокие температуры (до 1800 ºС). Совокупность физико-механических свойств делает керамику на основе карбида кремния перспективной для применения в качестве деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, режущего инструмента, подшипников скольжения и качения, нагревательных элементов [3]. Другим продуктом, который весьма востребован в России будет глинозем. Помимо получения из него металлического алюминия в процессе электролиза, глинозем используют для создания специальных керамических изделий-катализаторов [4], пористых воздушных фильтров [5] и лейкосапфиров [6]. По данным ОК РУСАЛ в России существует дефицит глинозема, который покрывается импортом из Европы [7]. Существующие щелочные технологии (способ Байера и способ спекания) не позволяют эффективно перерабатывать алюмосодержащее сырье с высоким содержанием диоксида кремния, так как происходит потеря реагента (щелочи) в процессе выщелачивания. Для предотвращения потерь щелочи используют предварительный обжиг сырья с известью для связывания диоксида кремния в силикат кальция, который не растворяется в щелочных растворах [8]. Для сырья с содержанием кремнезема более 50% разрабатываются кислотные технологии, главным преимуществом которых является перевод алюминия в раствор без растворения диоксида кремния. В настоящее время наиболее активно разрабатываются солянокислотный и бисульфатный способы [9]. Соляная кислота обладает большей реакционной способностью [10], однако, в процессе кристаллизации из алюмохлоридного раствора соли гексагидрата хлорида алюминия (ГХА) и последующего термогидролиза с получением глинозема, частицы оксида алюминия содержат до 0,15 мас.% хлора и при этом сохраняют форму ГХА (длинные гексагональные кристаллы). Полученный порошок невозможно использовать в процессе электролиза из-за низкой текучести [11]. Для получения шарообразной формы с минимальным содержанием хлора необходимо использовать щелочную перекристаллизацию [12], что является дополнительной стадией, увеличивающей себестоимость глинозема. Использование бисульфатного способа позволит осаждать гидроксид алюминия (гиббсит) из сульфатных растворов газообразным аммиаком. В этом процессе будут образовываться шарообразные частицы, которые после прокаливания не поменяют своей формы. Бисульфатный способ является замкнутым процессом, в котором регенерируется как выщелачивающий реагент, так и аммиак для осаждения гиббсита [13]. Бисульфатный способ активно развивается с 2010-х годов, особенно в Китае, где на ТЭЦ ежегодно образуется более 550 млн т ЗШО. Однако, все исследования предусматривает обжиг ЗШО при Т = 400-450 ºС и дальнейшее выщелачивание спёка [14-15]. Обжиг является дополнительным трудо- и энергозатратным переделом. В данном проекте впервые будет исследован процесс выщелачивания ЗШО бисульфатом аммония в автоклавных условиях. Это позволит отказаться от предварительного обжига сырья, при этом интенсифицировать процесс выщелачивания за счет использования реактора высокого давления. Для удаления ионов железа, которые являются основной примесью в кислотной технологии, будет исследован процесс сорбции с использованием смолы марки Purolite S957. Ранее эту смолу в основном использовали для очистки кислых технологических растворов от железа в металлургии меди, никеля, кобальта и цинка [16]. В данном проекте, впервые будет исследовано удаление железа из сульфатных растворов алюминия. В проекте предусматривается изучение всех металлургических переделов от этапа обогащения ЗШО до получения металлургического глинозема. В связи с этим, особое внимание будет уделено исследованию процессов кристаллизации гидроксида алюминия из сульфатных растворов алюминия, прокаливанию полученного порошка с получением металлургического глинозема и регенерации сульфатных растворов с получением бисульфата аммония и газообразного аммиака. Изучение этих процессов позволит создать замкнутый цикл по бисульфату аммония и получить глинозем согласно ГОСТ 30558-2017. Реализация данного проекта снизит негативное влияние ЗШО на экологию Свердловской области и позволит получать различные виды продукции (керамику на основе карбида кремния и глинозем) с более низкой себестоимостью, чем по существующим технологиям. [1] Делицын Л.М. и др. Редкие земли. 2015 №2 (5) 126-135 [2] Amster, E. Public health impact of coal-fired power plants: A critical systematic review of the epidemiological literature. Int. J. Environ. Health Res. 2019, 1-23. DOI:10.1080/09603123.2019.1674256 [3] Perevislov S.N. et al. The Influence of Dispersed Composition of SiC on the Physico-Mechanical Properties of Reactive-Sintered Silicon Carbide // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2020 (49) 6 511-517. DOI: 10.3103/S1052618820060072 [4] Vanchurin V.I. et al. Technology of Cordierite Ceramics for the Production of Catalysts. Refract Ind Ceram. 2019 (60) 399-404. DOI: 10.1007/s11148-019-00375-1 [5] Лвин А.С. и др. Высокопористые ячеистые материалы на основе оксида алюминия. Успехи в химии и химической технологии. 2019 ХХХIII (4) 104-105. [6] Коробанова Е.В. и др. Исследование процесса гранулирования искусственного керамического вяжущего на основе глинозема. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова 2017 (12) 141-146. DOI: 10.12737/article_5a27cb9d8c6fa3.01008426 [7] UC RUSAL - Annual report 2019 [https://rusal.ru/upload/iblock/b5c/b5c1bfaee0b83bdc5602cd8ee5f9c6bb.pdf] [8] Jing Liet el. A review on the applications of coal combustion products in China, Int. Geol. Rev. (2018) (60) 5-6 671-716. DOI: 10.1080/00206814.2017.1309997 [9] Z.T. Yao et al. A review of the alumina recovery from coal fly ash, with a focus in China. Fuel. 2012 (120) 74-85. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.12.003 [10] Li, S.Y. et al. An efficient approach for lithium and aluminum recovery from coal fly ash by pre-desilication and intensified acid leaching processes. Metals. 2017 (7) 272. DOI: 10.3390/met8070533 [11] Suss, A.et al. The quality of alumina produced by the hydrochloric acid process and potential for improvement. In Proceedings of the ICSOBA, Dubai, UAE, 2015 (44) 1–8. [12] Valeev, D. et al. Acid and acid-alkali treatment methods of al-chloride solution obtained by the leaching of coal fly ash to produce sandy grade alumina. Metals. 2020 (10) 585. DOI: 10.3390/met10050585 [13] Khamizov R.K. et al. Feasibility of acid–salt processing of alumina-containing raw materials in a closed-loop process, Russ. J. Appl. Chem. 2020 (93) 1059-1067. DOI: 10.1134/S1070427220070174 [14] Doucet F.J. et al. Thermochemical processing of a South African ultrafine coal fly ash using ammonium sulphate as extracting agent for aluminium extraction. Hydrometallurgy. 2016 (166) 174-184. DOI: 10.1016/j.hydromet.2016.07.017 [15] Xin H. et al. Effects of ammonium sulfate/sulfuric acid system on Al2O3 extraction of different fly ashes. Journal of Central South University (Science and Technology). 2020 (51) 1, 8-13. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.01.002 [16] McKevitt, B. et al. A comparison of various ion exchange resins for the removal of ferric ions from copper electrowinning electrolyte solutions Part II: Electrolytes containing antimony and bismuth. Hydrometallurgy. 2009 (98) 122-127. DOI: 10.1016/j.hydromet.2009.04.007

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---