УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСФЕР ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Изобретение относится к способам и устройствам для переработки золы, образующейся при сжигания угля, и может быть использовано для получения из золошлаковых отходов теплоэлектростанций (ТЭС) алюмосиликатных микросфер, которые применяются в качестве наполнителей для сухих строительных смесей и материалов, при производстве пластмасс, в фармацевтике, для производства тампонажных растворов при обустройстве нефте- и газодобывающих скважин и т.п.

При сжигании углей в топках котлов ТЭС из минеральных примесей образуются алюмосиликатные полые микросферы - легкий сыпучий мелкодисперсный порошок, состоящий из отдельных сферических полых прочных частиц. Содержание полых микросфер в золошлаковых отходах на различных тепловых электростанциях (ТЭС) изменяется от десятых долей процента до нескольких процентов. Размер микросфер изменяется от 5 до 500 мкм. Преобладающее количество микросфер имеет диаметр 50-150 мкм. Несмотря на то что микросферы являются незаменимым компонентом в строительных материалах и многих других ценных материалах, в настоящее время зольные микросферы вместе с золой уноса выводят на золоотвалы, где они скапливаются в больших количествах и создают дополнительную экологическую напряженность в районах электростанций. Одной из причин того, что микросферы на сегодняшний день не извлекаются в полном объеме из золошлаковых отходов, является отсутствие надежного и эффективного способа их выделения.

Известен способ получения алюмосиликатных микросфер из золошлаковых отходов теплоэлектростанций [RU 2263634 C1, С01В 33/26, С10В 1/10, 10.11.2005], по которому отделяют алюмосиликатные микросферы от золошлаковых отходов путем погружения названных отходов в жидкость, собирают алюмосиликатные микросферы с поверхности жидкости и сушат, при этом сушку осуществляют в две стадии, причем на первой стадии сушки выдерживают алюмосиликатные микросферы при температуре не ниже 2°С до достижения ими остаточной относительной влажности не более 30%, а на второй стадии сушки нагревают алюмосиликатные микросферы до температуры 100-300°С в печи барабанного типа путем прямого контакта осушаемых алюмосиликатных микросфер с нагретыми от внешнего источника стенками барабана названной печи до достижения ими относительной влажности не более 3%.

Известна также печь для сушки алюмосиликатных микросфер, которая используется при реализации описанного выше способа, включающая сушильную камеру, имеющую вход и выход, выполненную в форме полости цилиндрического барабана, установленного с возможностью вращения вокруг собственной оси, причем вход сушильной камеры снабжен средством подачи в нее осушаемого материала, а выход снабжен средством удаления из нее осушенного материала, при этом ось названного цилиндрического барабана расположена под углом к горизонтали таким образом, что вход сушильной камеры располагается выше ее выхода, цилиндрический барабан установлен на двух соосно расположенных валах, выполненных с возможностью вращения вокруг собственной оси, с каждым из которых он неподвижно соединен, при этом первый вал расположен со стороны входа сушильной камеры, а второй вал расположен со стороны выхода сушильной камеры и выполнен полым, причем снаружи цилиндрического барабана установлен внешний источник тепла таким образом, чтобы нагревались стенки барабана, средство подачи осушаемого материала в сушильную камеру выполнено в форме вибролотка, а средство удаления осушенного материала из сушильной камеры выполнено в форме шнека, установленного в полости названного второго вала.

Недостатком этого способа и соответствующего ему устройства является относительно низкая оперативность относительно способа и относительно низкая производительность относительно устройства, поскольку, во-первых, длительный срок естественного испарения влаги с невозможностью осуществления непрерывного технологического процесса, а во-вторых, при указанных температурах в сушильной печи фактически невозможно получить влажность микросферы меньше 3%. В то же время, основным требованием потребителей микросферы является ее влажность не более 0,5%.

Кроме того, известен способ сбора микросфер из золы-уноса [RU 2407875 С2, Е02В 15/04, 27.12.2010], включающий операции гидросепарации водной суспензии и извлечение микросфер и их обезвоживание, при этом сбор микросфер производят с помощью плавающих бонов и тяговой лебедки, для сбора микросфер с поверхности золоотвала используют центробежную мотопомпу, на дамбе под фильтрующим контейнером устанавливают водоотводящий желоб, суспензия с которого поступает в дополнительный фильтрующий контейнер, производят окончательный водоотжим и дополнительное бонирование зоны сброса водной суспензии.

Соответствующее этому способу устройство включает скрепленные между собой полипропиленовые боны длиной около 30 м и шириной около 0,5 м, снабженные в нижней части приспособлением для удержания утяжелителя, тяговую лебедку и центробежную мотопомпу, при этом на дамбе под фильтрующим контейнером установлен водоотводящий желоб, с возможностью поступления суспензии в дополнительный фильтрующий контейнер.

Недостатком этого технического решения также является относительно низкая оперативность относительно способа и относительно низкая производительность относительно устройства.

Помимо указанных выше технических решений, известно устройство для выделения полых микросфер из золошлаковой пульпы [RU 2047379 C1, В03В 5/62, 10.11.1995], содержащее конический корпус с патрубками для подвода и отвода золошлаковой пульпы и приспособление для сбора микросфер с поверхности воды, причем приспособление для сбора микросфер представляет собой шарнирно закрепленное на корпусе коромысло, одно плечо которого снабжено подвешенной к нему приемной емкостью с дроссельным отверстием и кинематически соединено с клапаном, установленным в воронке трубопровода, соединяющего внутреннюю полость корпуса с приемной емкостью, а другое плечо снабжено противовесом и кинематически соединено с клапаном, установленном в патрубке, для отвода золошлаковой пульпы.

Недостатком этой конструкции является сложность регулировки клапанов и их выход из строя в результате остаточной микросферы, удаление которой из клапана в процессе работы проблематично, а также способ и место установки самого устройства, которое должно устанавливаться непосредственно в зольной канавке котла ТЭС. Это может создать препятствие в виде нарушения технологического режима работы ТЭС. К недостаткам также относится отсутствие приспособления или способа для принудительного отделения микросферы от частичек прилипшей золы, что значительно уменьшает объем извлеченной микросферы, которая уносится вместе с золой. Кроме того, данное устройство эффективно может работать только при высокой концентрации микросферы в пульпе.

Известен способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций [RU 2013410 C1, С04В 18/10, В03В 5/64, 30.05.1994], включающий гидросепарацию водной суспензии при скорости нисходящего потока 5-7 м/ч, съем всплывших микросфер и их обезвоживание, причем содержание твердой фазы в суспензии 8-25 мас. %.

Этот способ отражает результаты исследований, согласно которым установлено, что при скорости нисходящего потока суспензии 5-7 м/ч гидросепарация в нем происходит наиболее эффективно - наблюдается максимальный выход микросфер без применения флокулянта, а микросферы, скорость всплытия которых больше скорости нисходящего потока, концентрируются в верхнем слое суспензии и их извлечение составляет более 80%.

К примесям, загрязняющим микросферы, относятся частицы несгоревшего угля, частицы золы и микросферы плотностью более 1000 кг/м³, от их содержания зависит качество материалов, в которых используются микросферы. Из практики известно, что допустимое содержание примесей, загрязняющих микросферы, не должно превышать 2%. Наилучшие результаты при гидросепарации в нисходящем потоке суспензии достигаются при содержании твердого 8-25%, так как происходит максимальное выделение примесей.

Экспериментальным путем установлены и зависимости показателей извлечения микросфер, удельной производительности по жидкому аппарата для гидросепарации и относительной производительности его по выделению микросфер от скорости нисходящего потока суспензии. Оптимальные значения этих показателей получены при скорости нисходящего потока суспензии 5-7 м/ч - извлечение микросфер составляет более 80%, относительная производительность аппарата для гидросепарации по выделению микросфер близка к единице, удельная производительность его по жидкому составляет q_ж=5-7 м³/ч м².

Недостатком данного способа является ограниченность его применения содержанием твердой фазы в суспензии в пределах 8-25 мас. % (максимальная производительность при содержании золы 25 мас. %), в то время, как фактическое содержание золы (твердая фаза) в золосбросах различных ТЭС может находиться в гораздо меньших пределах. Кроме того, угольный недожог, разбитые микросферы и другие примеси не удаляются из продукта данным способом, а емкости для гидросепарации рекомендовано устанавливать на технологической площадке на территории ТЭС, что является недопустимым. К недостатку данного способа относится также отсутствие описания надежного процесса обезвоживания и сушки микросферы для получения требуемой влажности.

Близким аналогом предложенного технического решения является устройство [RU 2013410 C1, С04В 18/10, В03В 5/64, 30.05.1994], которое содержит первую пирамидальную емкость, предназначенную для подачи в нее водной суспензии летучей золы, а также вторую и третью емкости, в которые последовательно подается водная суспензия из первой емкости, причем в каждой из емкостей отработанная суспензия в количестве примерно 33% от исходной суспензии на линию самотеком разгружается через выполненные в них разгрузочные отверстия и подается в золоотвальный водоем, а вредные примеси независимо от их крупности полностью выносятся нисходящим потоком суспензии в отходы, а микросферы, скорость всплытия которых больше скорости нисходящего потока, всплывают и переносятся горизонтальным потоком жидкости в последнюю пирамидальную емкость, где их снимают с помощью скребка и направляют на обезвоживание в вакуум-фильтр, где обезвоживают до содержания влаги не более 40% с последующей подачей в сушилку 3, где сушку осуществляют при температуре до 300°С с последующим затариванием готового продукта.

Недостатком этого устройства является относительно низкая эффективность извлечения микросферы из водно-зольного потока, подаваемого из водных отстойников ТЭС.

Это вызвано тем, что при достаточной глубине отстойника происходит естественная флотация микросферы, т.к. ее объемный вес значительно меньше, чем у воды. Однако таким образом удается собрать лишь незначительную часть образовавшихся при сгорании угля микросфер и только в теплое время года - от 5 до 6 месяцев. Кроме того, в естественном состоянии всплывают не все микросферы, а от 0,5% до 1% от количества сжигаемого угля, такие микросферы существенно загрязнены и имеют примеси аналогичных легких части, а также несгоревших частиц угля.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является установка для получения микросфер из суспензий летучей золы тепловых электростанций гидросепарацией [KZ 28201 А4, В03В 5/64, С04В 18/10, 17.03.2014], содержащая резервуары для суспензии, устройства съема микросфер, их обезвоживания и сушки, а также резервуар-накопитель исходной суспензии, соединенный с закрытым резервуаром, имеющим в его нижней части патрубки подачи воздуха и пара и который связан с резервуаром-отстойником для съема микросфер.

В установке реализован способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций гидросепарацией при скорости нисходящего потока 5-7 м/час, включающий съем микросфер, обезвоживание и сушку. Для этого из резервуара-накопителя исходную суспензию подают на обработку в закрытых резервуарах под давлением 1-2,5 атм с подачей смеси сжатого воздуха и пара при их соотношении 1:1 в направлении, противоположном нисходящему потоку, после чего в резервуаре-отстойнике осуществляют съем микросфер. Отношение суммарной секундной подачи смеси сжатого воздуха и пара к объему закрытого резервуара составляет 1:(240-480). Подачу исходной суспензии в резервуар-накопитель осуществляют непосредственно из труб золопровода тепловых электростанций. Закрытый резервуар и резервуар отстойник установлены каскадно для перетекания суспензии самотеком. Установка содержит несколько параллельных технологических линий, содержащих закрытые резервуары и резервуары отстойники, соединенные с резервуаром накопителем исходной суспензии. Для регулирования объема и скорости истекающего потока из резервуаров на выходе они имеют затворы.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность извлечения микросферы из водно-зольного потока, подаваемого из водных отстойников ТЭС.

Задачей, решаемой в предложенном изобретении, является повышение эффективность извлечения микросферы за счет повышения производительности устройства путем увеличения выхода извлеченного продукта при одновременном повышении его чистоты.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности извлечения микросферы за счет повышения производительности устройства при одновременном повышении чистоты извлеченного продукта.

Кроме того, целью предлагаемого изобретения является создание стационарной установки, которая располагается не на технологической территории ТЭС, а в районе золосброса и работает, в том числе, и в зимнее время года, забирая водно-зольный раствор золосброса ТЭС, перерабатывая его и возвращая на золоприемник.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее общий приемный резервуар, входной патрубок которого соединен с трубопроводом подачи водно-зольной смеси из золопровода, первую емкость для извлечения микросфер, трубопровод подачи водно-зольного раствора, в которую соединен с выходным патрубком общего приемного резервуара, вторую емкость для извлечения микросфер, соединенную трубопроводом подачи водно-зольного раствора из первой емкости, третью емкость для извлечения микросфер, соединенную трубопроводом подачи водно-зольного раствора из второй емкости, последовательно соединенные сушилку микросфер и печь окончательной сушки микросфер, а также общий отстойник водно-зольной смеси, первый выходной патрубок которого соединен трубопроводом возврата водно-зольной смеси с золопроводом, а входной патрубок соединен с трубопроводом подачи водно-зольного раствора из третьей емкости, согласно изобретению, введен отстойник микросфер, первый входной патрубок которого соединен трубопроводом подачи микросфер из общего отстойника водно-зольной смеси со вторым выходным патрубком общего отстойника водно-зольной смеси, а выходной патрубок соединен с входом сушилки микросфер, а второй, третий и четвертый входные патрубки соединены с трубопроводами подачи микросфер, соответственно, из первой, второй и третьей емкости для извлечений микросфер, которые оснащены песковыми насосами для подачи микросфер в трубопроводы подачи микросфер из первой, второй и третьей емкости для извлечений микросфер, соответственно, установленными в нижней части шламовыми насосами для подачи водно-зольного раствора в соответствующие трубопроводы подачи водно-зольного раствора из первой, второй и третьей емкости, соответственно, а также размещенными в верхней части каждой из них наклонными сетками, к нижней части которых примыкают входные патрубки соответствующих песковых насосов, выходные патрубки которых соединены с соответствующими трубопроводами подачи микросфер из первой, второй и третьей емкости для извлечений микросфер, соответственно, при этом наклонные сетки первой, второй и третьей емкостей для извлечений микросфер установлены под углом 25-35° к горизонтали с размерами ячеек 450-430 мкм у наклонной сетки первой емкости для извлечений микросфер, 200-220 мкм у наклонной сетки второй емкости для извлечений микросфер и 45-55 мкм у наклонной сетки третьей емкости для извлечений микросфер.

Общий приемный резервуар необходим для сглаживания пульсаций потока, поступающего от ТЭЦ. Кроме того, он выполняет функции объединения водно-зольных потоков в случае, когда зола удаляется с ТЭС по нескольким трубопроводам и для сглаживания пульсации потоков в этом случае. Как правило, зола удаляется с ТЭС по двум или трем трубам.

Практика использования подобных устройств показала, что на большинстве возможных для золоудаления скоростях водно-зольного потока, наибольшее количество микросферы удается собрать именно на первых трех резервуарах (первая, вторая и третья емкости для извлечения микросфер). Если использовать четвертую емкость, то в ней собирается менее 5% микросфер, на пятом менее 1,5% и т.д. Поэтому строительство и эксплуатация более трех емкостей экономически не выгодна. Однако при использовании только двух емкостей невыделенными оказывается до 17% микросфер, поэтому три емкости являются оптимальным значением для функций, выполняемых заявленным устройством.

В каждой из емкостей для извлечения микросфер помещена сетка для выделения микросфер определенного размера. Весь спектр размеров алюмосиликатных микросфер можно разделить на три условные группы: 5 -50 мкм, 50-250 мкм, 250-500 мкм. Исходя из этого, размеры ячеек составляют 450-430 мкм у наклонной сетки первой емкости для извлечений микросфер, 200-220 мкм у наклонной сетки второй емкости для извлечений микросфер и 45-55 мкм у наклонной сетки третьей емкости для извлечений микросфер. Угол наклона сетки к горизонту в емкостях определялся на полупромышленной модели экспериментально исходя из следующих соображений: большой угол приводит к увеличению вертикального размера емкости, малый угол приводит к уменьшению объема надсеточного пространства и, как следствие, к неоправданным потерям микросферы. И то, и другое отрицательно сказывается на экономических показателях устройства. Поэтому определен оптимальный угол в 25-35° к горизонтали.

На чертеже представлена общая схема устройства для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций.

Устройство для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций содержит первую емкость 1 для извлечения микросфер, соединенную с трубопроводом 2 подачи водно-зольного раствора в первую емкость, вторую емкость 3 для извлечения микросфер, соединенную трубопроводом 4 подачи водно-зольного раствора из первой емкости, третью емкость 5 для извлечения микросфер, соединенную трубопроводом подачи водно-зольного раствора из второй емкости 3.

Устройство для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций содержит также последовательно соединенные сушилку 6 микросфер и печь 7 окончательной сушки микросфер.

Кроме того, устройство для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций содержит общий приемный резервуар 8, входной патрубок которого соединен с трубопроводом 9 подачи водно-зольной смеси из золопровода 10, а выходной патрубок соединен с трубопроводом 2 подачи водно-зольного раствора в первую емкость, общий отстойник 11 водно-зольной смеси, первый выходной патрубок которого соединен трубопроводом 12 возврата водно-зольной смеси с золопроводом 10, а входной патрубок соединен с трубопроводом 13 подачи водно-зольного раствора из третьей емкости, отстойник 14 микросфер, первый входной патрубок которого соединен трубопроводом 15 подачи микросфер из общего отстойника со вторым выходным патрубком общего отстойника 11 водно-зольной смеси, а выходной патрубок соединен с входом сушилки 6 микросфер, а второй, третий и четвертый входные патрубки соединены, соответственно, с трубопроводом 16 подачи микросфер из первой емкости для извлечений микросфер, с трубопроводом 17 подачи микросфер из второй емкости для извлечений микросфер и с трубопроводом 18 подачи микросфер из третьей емкости для извлечений микросфер.

В устройстве для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций первая 1 емкость для извлечения микросфер оснащена песковым насосом 19 для подачи микросфер в трубопровод 16 подачи микросфер из первой емкости для извлечений микросфер, вторая 3 емкость для извлечения микросфер оснащена песковым насосом 20 для подачи микросфер в трубопровод 17 подачи микросфер из второй емкости для извлечений микросфер, а третья 5 емкость для извлечения микросфер оснащена песковым насосом 21 для подачи микросфер в трубопровод 18 подачи микросфер из третьей емкости для извлечений микросфер.

Кроме того, в устройстве для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций первая емкость 1 для извлечения микросфер оснащена установленным в нижней части шламовым насосом 22 для подачи водно-зольного раствора в трубопровод 4 подачи водно-зольного раствора из первой емкости, вторая емкость 3 для извлечения микросфер оснащена установленным в нижней части шламовым насосом 23 для подачи водно-зольного раствора в трубопровод подачи водно-зольного раствора из второй емкости, а третья емкость 5 для извлечения микросфер оснащена установленным в нижней части шламовым насосом 24 для подачи водно-зольного раствора в трубопровод 13 подачи водно-зольного раствора из третьей емкости.

Дополнительно к указанному в устройстве для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций в верхней части первой емкости 1 для извлечения микросфер размещена наклонная сетка 25, к нижней части которой примыкает входной патрубок соответствующего пескового насоса 19, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом подачи микросфер из первой емкости для извлечений микросфер, в верхней части второй емкости 3 для извлечения микросфер размещена наклонная сетка 26, к нижней части которой примыкает входной патрубок соответствующего пескового насоса 20, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом подачи микросфер из второй емкости для извлечений микросфер, а в верхней части третьей емкости 5 для извлечения микросфер размещена наклонная сетка 27, к нижней части которой примыкает входной патрубок соответствующего пескового насоса 21, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом подачи микросфер из третьей емкости для извлечений микросфер, причем наклонные сетки первой 1, второй 3 и третьей 5 емкостей для извлечений микросфер установлены под углом 25-35° к горизонтали с размерами ячеек 450-430 мкм у наклонной сетки первой емкости 1 для извлечений микросфер, 200-220 мкм у наклонной сетки второй емкости 3 для извлечений микросфер и 45-55 мкм у наклонной сетки третьей емкости 5 для извлечений микросфер.

Работает устройство для получения микросфер из золошлаковых отходов тепловых электростанций следующим образом.

В водно-зольный раствор в виде потока из золопровода 10 ТЭС по трубопроводу 9 подается в общий приемный резервуар 8, откуда насосом по трубопроводу 2 подается в первую емкость 1 для извлечения микросфер.

Сетка 25 фильтрует водно-зольный раствор, выделяя микросферы относительно большого размера, и происходит предварительное обезвоживание микросфер, которые откачивается песковым насосом 19, а частично профильтрованный водно-зольный раствор откачивается шламовым насосом 22 во вторую емкость 3 для извлечения микросфер. В ней происходят процессы, описанные для первой емкости 1, но во второй емкости 3 выделяются и откачиваются микросферы среднего размера, а в третьей емкости 5 - малого размера, поскольку ячейки наклонных сеток последовательно уменьшаются.

Освобожденный от микросфер водно-зольный раствор подается в общий отстойник 8, откуда невыделенные прежде микросферы также подаются в отстойник микросфер, а профильтрованный водно-зольный раствор подается по трубопроводу 12, возвращается в золопровод 10. Таким образом, замыкается цикл подачи водно-зольного раствора от ТЭС в золоприемник, а в отстойнике 14 остаются извлеченные микросферы, которые подаются в сушилку 6, выполненную, например, в виде аэрофонтанной сушилки микросферы, а затем в печь 7 окончательной сушки и далее для затаривания.

Предлагаемая установка может присоединяться к трубам золосброса ТЭС в любом месте, работает непрерывно в течение года, из водно-зольного потока извлекается практически вся микросфера и за счет этого количество собираемой микросферы увеличивается минимум в 2,5 раза по сравнению с существующими техническими решениями, а после обезвоживания в аэрофонтанной сушилке и сушки в печах влажность микросферы может быть снижена до 0,5% и, при необходимости, ниже.