Технология кондиционирования золы ТЭС и использование ее для производства огнеупорных изделий
ШУМИЛОВ Т.И., канд. техн. наук. КУРОЧКИН А.А., ЯГУНИНА Л.А., канд. техн. наук. Рязанская ГРЭС — ВТИ (лаборатория топлив и масел)
Использование золы ТЭС — одна из основных экологических проблем теплоэнергетики. В последние годы количество утилизируемой золы снизилось, это связано в первую очередь с экономическими проблемами. Зола традиционно используется вместо дешевых строительных материалов — леска, глины. Экономический эффект от замены этих материалов ею невелик. При отсутствии государственного поощрения предприятий строительной индустрии, применяющих промышленные отходы, и увеличении железнодорожных тарифов на перевозки их использование становится невыгодным.
В СНГ производство огнеупоров организовано на 34 специализированных предприятиях. В России в Подмосковье и Центре находится девять предприятий. Подмосковные заводы по производству огнеупоров не имеют своей сырьевой базы, а поставки огнеупорной глины и обожженного шамота с Украины в настоящее время резко сократились. Цены сильно возросли, например, высококачественная огнеупорная глина продается по цене 135 долл. США за тонну.
В связи с нестабильностью поставок огнеупорного сырья для покрытия сложившегося дефицита требуется разработка новых месторождений глины и большие капиталовложения. Слабые строительные мощности огнеупорных предприятий и непрочное финансовое положение не позволяют в короткие сроки создать новую сырьевую базу, и в настоящее время это экономически нецелесообразно. Поэтому в ВТИ предложено новое направление утилизации тугоплавких зол ТЭС — в огнеупорной промышленности взамен дорогостоящего и дефицитного материала шамота.
Шамотом называют обожженную глину, а шамотными — изделия, изготовленные из огнеупорных глин или каолинов с обогащением их непластичной, не размокающей в воде глинистой породой или шамотом. Это самый распространенный вид огнеупорных материалов; около 75% всех выпускаемых в стране огнеупоров составляют шамотные. Содержание оксида алюминия в них находится в пределах 28—45%.
Сущность нового направления утилизации тугоплавких зол заключается в предварительном обогащении золы методом магнитной сепарации. После этого элементный состав золы стабилизируется по содержанию магнитных компонентов, огнеупорность немагнитной фракции повышается, химический и фазовый состав обогащенной золы фактически соответствует составу шамотных огнеупоров. В результате зола разделяется на две части; магнитную с содержанием оксида железа до 65% по массе и немагнитную с содержанием 28—42% оксида алюминия и не более 5% оксида железа. Тот и другой продукт представляют собой ценное сырье для ряда отраслей промышленности и могут без дополнительной обработки целиком утилизироваться.
Экономические расчеты показали, что себестоимость тонны немагнитной фракции обогащенной золы в 5 раз ниже себестоимости шамота того же класса.
Немагнитная фракция обогащенной золы подмосковного угля с высоким содержанием оксида алюминия может использоваться не только в огнеупорной промышленности, но и как сырье для производства алюминия и коагулянтов. Эти направления утилизации золы высокорентабельны, но требуют больших капитальных вложений на строительство новых или реконструкцию действующих предприятий.
По инициативе ВТИ на Рязанской ГРЭС было проведено совместное совещание администрации ГРЭС и руководителей Подольского, Внуковского, Домодедовского, Новомосковского, Суворовского, Щекинского, Снегиревского заводов, выпускающих огнеупоры, и представителей концерна "Росогнеупор". Протоколом совещания подтверждена потребность заводов в немагнитной фракции обогащенной золы Рязанской ГРЭС в количестве 300 тыс. т в год.
Зола подмосковного угля представляет собой многокомпонентный материал сложного фазового состава. Поэтому реализация предложенного направления стала не просто практической инженерной задачей, она потребовала существенных научных разработок.
Необходимо было:
определить значения магнитной восприимчивости исходных материалов и продуктов магнитного разделения;
изучить вещественный состав исходных продуктов и загрязняющих примесей, концентрации естественных радионуклеидов, редкоземельных и других ценных компонентов в исходном сырье и продуктах магнитной сепарации;
исследовать теоретические основы магнитного разделения тонкодисперсных сред со средним содержанием магнитных компонентов в исходном продукте;
изучить влияние основных параметров процесса (магнитной восприимчивости, индукции магнитного поля, крупности исходного продукта, скорости подачи и др.) на эффективность магнитного разделения, а также возможности разработки технологической схемы с применением магнитной сепарации для извлечения механических и естественных магнитных примесей из золошлаковых отходов и золы текущего выхода подмосковных углей (Алексинская ТЭЦ, Рязанская и Новомосковская ГРЭС) с получением немагнитной фракции, содержащей менее 5% оксида железа, переработки золы, содержащей 60—65% по массе оксида железа.
Первый этап исследований включал изучение вещественного состава, магнитных и физико-механических свойств исходных и конечных продуктов. Были определены теоретические основы магнитного разделения тонкодисперсных материалов со средним содержанием магнитных примесей, а также влияние основных параметров процесса (магнитной восприимчивости, индукции магнитного поля, крупности и скорости подачи литания и др.) на эффективность магнитного разделения двух типов ферромагнитных матриц (шариковой и пластинчатой).
На втором этапе были проведены укрупненные испытания магнитных высокоградиентных сепаратов на пробах текущего выхода из золоотвала Рязанской ГРЭС в непрерывном режиме с наработкой опытной партии сырья для дальнейшего передела.
Зола по дисперсности отличается от применяемого в огнеупорной промышленности шамота, поэтому в ходе работы были решены технологические задачи, опробованы составы огнеупорных изделий с различным содержанием немагнитной фракции обогащенной золы, исследовано влияние дисперсности золы на свойства изделий, изучены фазово-минералогический состав золошамотных огнеупоров и их технические характеристики: плотность, открытая пористость, механическая прочность, огнеупорность, термостойкость, деформация под нагрузкой и др.
Наиболее действенным переменным фактором в производстве шамотных изделий является зерновой состав шамота, регулируя который можно изменять их свойства, например, получить плотный и прочный огнеупор повышенной шлакоустойчивости или менее плотный зернистого строения, но термически стойкий.
В работе испробованы составы огнеупорных изделий, содержащие до 100% золы без других компонентов.
В обычных шамотных массах плотность укладки зерен шамота не обеспечивает получения изделий высокой плотности. Увеличение количества связующей глины в отличие от многошамотных масс нарушает распределение и укладку зерен шамота максимальной плотности. Введение в состав композиции обогащенной золы, даже независимо от увеличения крупности зерен шамота, повышает прочность, плотность и газонепроницаемость изделий. Термическая стойкость при этом несколько снижается. Положительная роль золы объясняется тем, что она, перемешиваясь со связующей глиной, является ее отощителем. Связующей и спекающей частью массы становится глина, обогащенная тем или иным количеством золы. Если золы достаточно, то обогащенная глина в сушке и обжиге претерпевает умеренные объемные изменения и в меньшей степени отрывается от связываемых ею более крупных шамотных зерен. Таким образом, использование золы дает не только экономические преимущества, но и технологические. Использование обогащенной золы в шамотных изделиях повышает их плотность и механическую прочность, снижает пористость, при этом исключаются тонкий помол и рассев шамота.
Большое количество нормальных шамотных изделий применяется для футеровки тепловых агрегатов, температура эксплуатации которых не превышает 1200°С. В связи с отсутствием в стране производства тугоплавкого кирпича, выпуск которого намечалось организовать на предприятиях промышленности строительных материалов еще в 60-е годы, многие потребители применяют для кладки котельных, сушилок, тепловых колодцев и других агрегатов огнеупорные высококачественные изделия класса "А" с нормированной температурой эксплуатации более 1500°С, вызывая ненужный перерасход огнеупоров. По оценке концерна "Росогнеупор" потребность в тугоплавком кирпиче превышает 500 тыс. т в год. Поэтому, за исключением тех мест, где требуются огнеупорные изделия класса "А" с температурой эксплуатации 1700;—1730°С, возможно применение обогащенной золы вместо шамота. Аналогичная ситуация складывается и с применением фасонных изделий.
При производстве легковеса, который используется в основном при отсутствии высоких температур в защитном теплоизоляционном слое для сокращения потерь тепла, зола также может использоваться вместо шамота.
Зола подмосковного угля, обогащенная методом магнитной сепарации, была опробована в жаростойких и теплоизоляционных бетонах для специальных сооружений. По заключению специалистов одного из НИИ Министерства обороны РФ полученные материалы обладают высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками и могут быть использованы как в огнеупорной промышленности, так и на объектах специального назначения.
Магнитная фракция золы с содержанием оксида железа 60—65% по массе была опробована в качестве компонента сырьевой шихты для производства цементного клинкера. Второе направление ее использования — подшихтовка железорудных окатышей в черной металлургии, оно испытано на Новолипецком металлургическом комбинате. Михайловский цементный завод, расположенный в 80 км от Рязанской ГРЭС, готов применять железосодержащую фракцию обогащенной золы вместо ныне используемых пиритных огарков, привозимых из Казахстана. При участии ВТИ составлен протокол о взаимных намерениях между руководством Михайловского цементного завода и Рязанской ГРЭС. Таким образом, магнитная и немагнитная фракции обогащенной золы полностью утилизируются.
Положительные научные результаты и заинтересованность промышленности потребовали создания опытно-промышленного участка по обогащению золы на Рязанской ГРЭС. В короткие сроки здесь было организовано опытно-промышленное обогащение золы сухого отбора в две стадии. На магнитном сепараторе с постоянным магнитом проводится скальпирование — выделение сильномагнитной фракции из золы, заключительная очистка от железосодержащих примесей осуществляется высокоградиентным магнитным сепаратором.
Пуск опытного участка обогащения золы позволил вести отработку технологии на промышленном оборудовании. Она была организована на Внуковском заводе огнеупорных изделий. Было выпущено несколько опытно-промышленных партий золосодержащих шамотных изделий, о чем получены акты. Промышленная апробация подтвердила соответствие золошамотных изделий требованиям государственного стандарта на шамотные огнеупоры.
Разработаны и утверждены технические требования на обогащенную методом магнитной сепарации золу подмосковного угля, а также технологический регламент производства золошамотных изделий.
Взаимная заинтересованность потребителей и поставщиков обогащенной золы позволила Рязанской ГРЭС приступить к промышленной реализации результатов работы ВТИ. На базе данных ВТИ по магнитному обогащению золы спроектирован и изготовлен магнитный сепаратор производительностью по исходной золе 40 т/ч. В настоящее время на Рязанской ГРЭС действует участок по магнитному обогащению золы.
Технология магнитного обогащения золы и ее утилизации в огнеупорной и цементной промышленности может быть реализована и в других регионах СНГ, где положение с сырьевой базой для огнеупорной промышленности еще хуже, чем в Центре.
Использование тугоплавкой золы в огнеупорной промышленности позволяет утилизировать золу в высокорентабельном направлении, без больших капитальных затрат. По проведенным специалистами экономическим исследованиям срок окупаемости технологии меньше полутора лет. Необходимо также учесть эффект, получаемый в результате сохранения природных ресурсов — огнеупорных глин, а также расширения сырьевой базы для огнеупорщиков.
