Результат интеллектуальной деятельности: Способ переработки золошлаковых отходов тепловых электростанций для производства строительных изделий

Изобретение относится к области переработки золошлаковых отходов (ЗШО) текущего выхода тепловых электростанций и теплоэлектроцентралей, работающих на каменноугольных топливах, с целью крупнотоннажной промышленной утилизации переработанных ЗШО в качестве активных минеральных добавок для цемента, бетона и других материалов при производстве строительных изделий.

Известен способ переработки дисперсных промышленных отходов (золы-уноса) на угольных тепловых электростанциях для последующего складирования и (или) промышленной утилизации, включающей подготовку и измельчение золы-уноса, смешение измельченной массы с вяжущим, в качестве, по меньшей мере, одного из компонентов которого используют часть шлаковой составляющей указанных отходов, перемешивание размолотых твердых отходов и вяжущего при дозированной подаче воды, гранулирование и термообработку полученных сырцовых гранул до требуемой прочности по условиям складирования и перевозки [О современных технологиях складирования дисперсных промышленных отходов. / Уфимцев В.М. // Горный журнал, 1997, №11-12, с. 220-227]. Положительным моментом в указанном способе является переработка золовых отходов в больших объемах с возможностью их длительного хранения. При этом складированные в отвал гранулированные (окомковыванные) золовые отходы спустя 3-5 лет приобретают необходимые для промышленной утилизации потребительские свойства, а спустя 10-12 лет в поверхностных слоях отвала образуется песок толщиной 1-3 мм, также длительное время сохраняющий высокую прочность, что позволяет использовать площадки таких отвалов для сооружения на них зданий.

К недостаткам способа можно отнести то, что промышленная утилизация касается только дисперсных отходов и возможна лишь после их многолетней выдержки в отвалах. При необходимости утилизации золы-уноса текущего выхода на ТЭС, использующих в качестве топлива каменный уголь, простое измельчение шлака не позволяет использовать в полной мере его потенциальные вяжущие свойства и будут требовать применения в большом количестве общепринятых вяжущих (цемент, клинкер и др.) для получения гранул требуемого для утилизации отходов размера. Указанный способ не позволяет достаточно эффективно решить задачу утилизации золы-уноса и шлаков текущего выброса в полезный конечный продукт, например, в заполнители и (или) наполнители для стройматериалов, требуя для этого использования большого количества дорогих вяжущих материалов.

Известен способ переработки золошлаковых отходов на угольных тепловых электростанциях, оборудованных котлами с жидким или твердым шлакоудалением, для последующей их промышленной утилизации и/или складирования, характеризующийся тем, что жидкий шлак текущего выхода при жидком шлакоудалении или расплавленный твердый шлак при твердом шлакоудалении переводят в способное к промышленной утилизации и/или складированию состояние путем быстрого охлаждения шлакового расплава воздушно-водяными струями при его аэрогидродинамическом распылении, после чего его при необходимости сепарируют, а для получения вяжущего компонента переработки золы-уноса производят тонкий сухой помол необходимого количества полученного твердого гранулированного шлака при необходимости совместно с добавками активаторов твердения типа извести или цементного клинкера с последующим смешением продукта размола при интенсивном перемешивании с водой и золой-уноса, которую также при необходимости предварительно сепарируют, при следующем соотношении компонентов: зола-унос 72-81 мас. %, шлаковое вяжущее 18-9,0 мас. %, вода - не более 10 мас. %, добавки-активаторы твердения - до 0,5 мас. %, причем одновременно с интенсивным перемешиванием указанных компонентов осуществляют гранулирование смеси, затем осуществляют термообработку полученных сырцовых гранул переработанной золы-уноса паром, образующимся при охлаждении указанного шлакового расплава [Патент РФ №2515786, С04В 18/10, опуб. 20.05.2014 Бюл. №14. Авторы: Ерихемзон-Логвинский Л.Ю., Нойбергер Николаус, Рахлин М.Я., Целыковский Ю.К., Зыков A.M. «Способ переработки золошлаковых отходов тепловых электростанций для производства строительных изделий»] - прототип.

Основным недостатком прототипа является сложность его применения.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение его применения с учетом наилучших доступных технологий.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки золошлаковых отходов текущего выхода на тепловых электростанциях, работающих на каменноугольных топливах, оборудованных котлами с жидким или твердым шлакоудалением, путем быстрого охлаждения жидкого шлака или шлакового расплава воздушно-водяными струями при его аэрогидродинамическом распылении, после чего его, при необходимости, сепарируют, производят тонкий сухой помол шлака до тонины с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г совместно с золой-уноса, при необходимости, с добавками активаторов твердения типа извести или цементного клинкера, при этом золу-уноса для обработки отбирают непосредственно из бункеров, установленных под золоуловителями котлов электростанции, быстрому охлаждению подвергают, предварительно интенсивно перемешанную, смесь жидкого шлака или шлакового расплава с золой-уноса, отбираемую непосредственно из бункеров, установленных под золоуловителями котлов электростанции, а после быстрого охлаждения, полученную золошлаковую смесь сушат до влажности менее 1%. Сепарируют, по меньшей мере, на две фракции - до 80-160 мкм и более 80-160 мкм, с последующим совместным помолом золошлаковой смеси фракции более 80-160 мкм и добавок активаторов твердения типа извести или цементного клинкера до тонины с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г. При этом после совместного помола золошлаковой смеси и добавок активаторов твердения производят сепарирование полученной молотой смеси по замкнутому циклу путем разделение молотой смеси на готовую смесь и крупку, которая возвращается после сепарации на помол, после чего все полученные компоненты перемешивают при следующем соотношении, мас. %: сепарированная и молотая золошлаковая смесь 84-91, добавки активаторы твердения 8-15, вода остальное, полученную, готовую к промышленной утилизации, смесь складируют. Для подачи золы-уноса, отбираемой из бункеров для интенсивного перемешивания с жидким шлаком или шлаковым расплавом, используют сжатый воздух. Сушку золошлаковой смеси производят с помощью печной системы регенеративной с теплоносителем в виде горячих газов. Отработавшие газы печной системы регенеративной применяют для нагрева сжатого воздуха, который используется для подачи золы-уноса. Часть сепарированной золошлаковой смеси фракции до 80-160 мкм отдельно складируют как готовый к промышленной утилизации кондиционный зольный продукт.

Упрощение применения способа переработки золошлаковых отходов тепловых электростанций для производства строительных изделий, с учетом наилучших доступных технологий, обеспечивается за счет:

- быстрого охлаждения, предварительно интенсивно перемешанной, смеси жидкого шлака или шлакового расплава с золой-уноса;

- сушки полученной золошлаковой смеси до влажности менее 1%;

- сепарации сухой золошлаковой смеси, по меньшей мере, на две фракции - до 80-160 мкм и более 80-160 мкм, с последующим совместным помолом золошлаковой смеси фракции более 80-160 мкм и добавок активаторов твердения типа извести или цементного клинкера до тонины с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г;

- сепарирования по замкнутому циклу молотой смеси, полученной совместным помолом золошлаковой смеси и добавок активаторов твердения;

- складирования части сепарированной золошлаковой смеси фракции до 80-160 мкм как готовый к промышленной утилизации кондиционный зольный продукт;

- перемешивания всех полученных компонентов при следующем соотношении, мас. %: сепарированная и молотая золошлаковая смесь 84-91, добавки активаторы твердения 8-15, вода остальное;

- подачи золы-уноса, отбираемой из бункеров, для интенсивного перемешивания с жидким шлаком или шлаковым расплавом с использованием сжатого воздуха;

- сушки золошлаковой смеси с помощью печной системы регенеративной с теплоносителем в виде горячих газов, при этом отработавшие газы этой печной системы применяют для нагрева сжатого воздуха, который используется для подачи золы-уноса, отбираемой из бункеров.

Пример осуществления способа.

На фигуре представлена принципиальная технологическая схема переработки золы-уноса и шлаков по способу согласно изобретению, где цифрами внутри прямоугольников обозначены исходные материалы: жидкий шлак 1, зола-уноса 2, вода и воздух 3; получаемые конечный и (или) промежуточный продукты - золошлаковая смесь 4 фракции до 80-160 мкм - кондиционный зольный продукт (КЗП), золошлаковая смесь 5 фракции более 80-160 мкм; добавки активаторы твердения: негашеная известь или цементный клинкер 6; соответствующие процессы переработки: интенсивное перемешивание 7 смеси шлака с золой-уноса, быстрое охлаждение 8 смеси шлака с золой-уноса, сушка 9 полученной золошлаковой смеси (ЗШС), сепарирование 10 сухой ЗШС, складирование 11 части сепарированной ЗШС фракции до 80-160 мкм как готового продукта КЗП, совместный помол 12 ЗШС фракции более 80-160 мкм и добавок активаторов твердения, сепарирование 13 полученной молотой смеси по замкнутому циклу, перемешивание 14 всех полученных компонентов, готовую к промышленной утилизации смесь складируют 15 с последующей отгрузкой потребителям.

В качестве примера осуществления способа согласно изобретению рассмотрим способ утилизации золошлаковых отходов, которые образуются при сжигании Экибастузского угля с твердым шлакоудалением.

Способ, согласно заявленному изобретению, технологически осуществляется постадийно:

- первая стадия - интенсивное перемешивание 7 (фиг.) смеси жидкого шлака 1 или шлакового расплава с золой-уноса 2, которую отбирают непосредственно из бункеров, установленных под золоуловителями котлов электростанции. Подавать золу-унос 2 из бункеров на смешение со шлаком 1 можно по аэрожелобам с использованием сжатого воздуха. При этом температура шлака 1 текущего выхода 1400-1700°С, а температура золы-уноса 2 текущего выхода перед смешением со шлаком, с учетом температуры сжатого воздуха, в случае использования аэрожелобов для подачи золы-уноса на смешение, находится в пределах 150-250°С. Усредненные удельные теплоемкости шлаков 1 и золы-уноса 2 отличаются незначительно. Например, при сжигании Экибастузского угля с твердым шлакоудалением выход шлака составляет 20÷25%, а золы - 80÷85% золошлакового материала, т.е. на каждые 2,5 тонны шлака выход золы-уноса составляет 10 тонн, а при их смешении средняя температура золошлаковой смеси (ЗШС) приблизительно составит 400-440°С;

- вторая стадия - быстрое охлаждение 8 (фиг.), предварительно интенсивно перемешанной 7, смеси жидкого шлака 1 или шлакового расплава с золой-уноса 2, т.е. производится быстрое охлаждение 8 золошлаковой смеси - смеси шлака 1 и золы 2, средняя температура которой составляет 400-440°С. Быстрое охлаждение 8 золошлаковой смеси производится воздушно-водяными струями 3 при ее аэрогидродинамическом распылении;

- третья стадия - сушка 9 (фиг.) полученной золошлаковой смеси до влажности менее 1%. Сушка 9 ЗШС может производиться с помощью печной системы регенеративной с теплоносителем в виде горячих газов, при этом отработавшие газы печной системы регенеративной применяют для нагрева сжатого воздуха, который используется для подачи золы-уноса 2;

- четвертая стадия - сепарирование 10 сухой ЗШС, по меньшей мере, на две фракции - до 80-160 мкм и более 80-160 мкм, при этом часть сепарированной ЗШС 4 фракции до 80-160 мкм может отдельно складироваться 11 (фиг.) как готовый к промышленной утилизации кондиционный зольный продукт (КЗП);

- пятая стадия - совместный помол 12 золошлаковой смеси 5 фракции более 80-160 мкм и добавок активаторов 6 (фиг.) твердения типа извести или цементного клинкера до тонины с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г, при этом после совместного помола 12 золошлаковой смеси 5 и добавок активаторов 6 твердения производят сепарирование 13 полученной молотой смеси по замкнутому циклу путем разделение молотой смеси на готовую смесь и крупку, которая возвращается после сепарации 13 на помол;

- шестая стадия - перемешивание 14 всех полученных компонентов при следующем соотношении, мас. %: сепарированная и молотая золошлаковая смесь 84-91, добавки активаторы твердения 8-15, вода остальное. Затем полученную, готовую к промышленной утилизации смесь, складируют 15 с последующей отгрузкой потребителям.

Для оценки эффективности предлагаемого технического решения приготовлены контрольный и основной образцы тяжелого бетона В30, Ж2 по ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия». Золошлаковые отходы получены от сжигания Экибастузского угля. Расход портландцемента ПЦ 500-Д0 в основном образце составил Ц_основ.=240 кг на 1 м³, а в контрольном образце Ц_контр.=340 кг/м³. Образцы испытывали по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». В основной образец вместо 100 кг портландцемента (Ц_основ.=Ц_контр.-100=340-100=240 кг), который имеет объем 32,6 литра, в бетонную смесь вводили 75 кг смеси (с истинной плотностью ρ=2300 кг/м³), приготовленной предлагаемым способом, т.е. смесь золошлаков и негашеной извести при следующем соотношении, мас. %: для замеса №1 - золошлаковая смесь 91, негашеная известь 8, вода остальное; для замеса №2 - золошлаковая смесь 89, негашеная известь 10, вода остальное; для замеса №3 - золошлаковая смесь 84, негашеная известь 15, вода остальное. По результатам предварительных пробных замесов основных образцов бетона было решено в качестве КЗП использовать перемешанную смесь зольных продуктов фракции до 160 мкм, полученных путем просеивания через сито 016, и молотую фракцию свыше 160 мкм. Соотношение классифицированной фракции до 160 мкм и молотой фракции свыше 160 мкм составляло 70 мас. % и 30 мас. % соответственно. При этом наблюдался тот факт, что классифицированные переработанные золошлаковые отходы фракций до 80 мкм, до 120 мкм, до 160 мкм практически не оказывали влияния на рост или уменьшение прочности на сжатие основных образцов твердения в нормальных условиях (н.у.) на 28 сутки, если их сравнивать между собой, но на 7сутки твердения в н.у. прочность на сжатие была незначительно больше у образца, в который вводили КЗП фракции до 80 мкм, что связано с более высокой реакционной способностью дисперсных частиц КЗП. А при вводе КЗП фракции 200 мкм и выше без помола, наблюдалось существенное снижение темпов набора прочности и прочности через 28 суток твердения образцов бетона.

Через 28 суток твердения бетона в нормальных условиях была определена прочность на сжатие основных образцов 3-х замесов: R_cж¹=52,2 МПа; R_сж²=57,3 МПа; R_сж³=66,3 МПа. Через 28 суток прочность на сжатие контрольного образца составила R_сж=48,5 МПа. Во всех трех образцах снизили расход портландцемента на 100 кг на 1 м³ бетонной смеси, а прочность на сжатие основных образцов превышала контрольный в 1,08-1,37 раза. Также были проведены испытания чистого КЗП, при этом прочность основных образцов была немного больше контрольного, но при этом также снизили расход портландцемента на 100 кг на 1 м³, а при испытании образцов бетона, в которых вводилась приготовленная смесь с содержанием негашеной извести 20%, они показали более низкие результаты прочности. Это связано с эффектом разупрочнения бетона от избытка гидроксида кальция, образованного при гидратации негашеной извести.

По предлагаемому способу возможна безотходная переработка ЗШО с использованием наилучших доступных технологий, используемые, например, в цементной промышленности [Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 6-2015 «Производство цемента». - М.: Бюро НДТ, 2015. - 305 с.]. На существующем смесительном, сушильном, классифицирующем и помольном оборудовании возможна переработка всей массы шлака и золы-уноса текущего выхода тепловой электростанции, что в годовом исчислении позволяет перерабатывать в КЗП и, готовую к промышленной утилизации, смесь золошлаков и активаторов твердения, до нескольких миллионов тонн и более ЗШO.