AP09259637 Разработка высокоэффективной безотходной технологии для утилизации золы от сжигания угля с получением товарных продуктов

Годы работы над проектом: 2021-2023 гг.

Актуальность:

Создание и развитие новых наукоемких производств высоких переделов (5,6 и 7 переделы) требует расширения производства и применения редких и редкоземельных металлов. В настоящее время эти металлы вполне могут быть получены из угля или его отходов, в том числе из накопленных золошлаковых отходов. При этом подход, направленный на извлечение из золы исключительно РЗМ не представляется перспективным, так как в этом случае, теряется смысл комплексности использования сырья. Учитывая, что основными компонентами золы являются оксиды алюминия, кремнезема и железа, необходимо учитывать возможность извлечения всего спектра металлов. В рассматриваемом ракурсе большой интерес для практики может представлять высокоэффективная технология переработки золы с комплексным извлечением кремнезема, оксида алюминия, железа и РЗМ в товарные продукты. Вопросы, затрагиваемые изучения теоретических аспектов данной технологии, представляют большой интерес.

Цель:

Создание инновационной экологически чистой, высокоэффективной безотходной технологии переработки золы от сжигания углей с получением кремнезема особой чистоты, специального чистого оксида алюминия (Tabular Alumina), железосодержащего продукта и РЗМ.

Ожидаемые результаты:

• обеспечение сокращения отходов золы путем их полной утилизации с получением товарных продуктов с высокой добавленной стоимостью;
• исключение использования дорогостоящих материалов и реагентов;
• исключение образования дополнительных твердых и/или жидких отходов;
• повышение эффективности ТЭЦ за счет вовлечения в переработку отходов золы в качестве дополнительного источника сырья для получения товарных продуктов;
• расширение ассортимента товарной продукции;
• снижение издержек ТЭЦ за счет снижения объема накопленной золы и сокращения существующих энерго- и материальных затрат, расходуемых на складирование и хранение золы;
• обеспечение стабильных условий комплексной переработки золы за счет использования новых технических решений («ноу-хау»).

Полученные результаты по 1 этапу календарного плана:

1) Получены новые данные по термодинамике реакций взаимодействия компонентов золы с хлоридом кальция. Установлена высокая вероятность разложения муллита хлоридом кальция в окислительной атмосфере до геленита (Ca₂Al₂SiO₇). Установлено, что свободная энергия Гиббса изученной реакции с ростом температуры с 1073 до 1373 К резко увеличивается с ∆G_1073K = -1226,0 кДж/моль до ∆G_1373K = -2317,57 кДж/моль. Показано, что образование геленита увеличивается в присутствии воды, о чем свидетельствуют высокие значения свободной энергии Гиббса, которые при 1073 и 1373 К составляют: ∆G_1073K = -1309,74 кДж/моль и ∆G_1373K = -2524,42 кДж/моль.  

2) Показано, что образование анортита носит менее значимый характер, ввиду низких отрицательных величин свободной энергии Гиббса, которые для температур 1073 и 1373 К составляют: ∆G_1073K = -46,39 кДж/моль и ∆G_1373K = -55,74 кДж/моль.                      

3) Получены новые данные по термодинамике и кинетике процесса выщелачивания огарка соляной кислотой. Установлен механизм процесса выщелачивания, который описывается реакцией взаимодействия анортита и геленита с HCl с образованием AlCl₃ c дальнейшим переходом его в маточный раствор. Установлено, что скорость реакций взаимодействия анортита и геленита с HCl усиливается при температуре 60 ºС и Т:Ж=1:3.

4) Экспериментально доказана возможность обогащения железа из золы (до 80 %) магнитной сепарацией с получением товарного железосодержащего продукта с высоким содержанием железа ~50 %. Составлен материальный баланс процесса, определены элементный и фазовый состав магнитной и немагнитной фракции золы.

5) Определены оптимальные параметры обжига немагнитной фракции золы совместно с хлоридом кальция в окислительной атмосфере: температура – 1100 ºС, расход CaCl₂ – в 2 раза превышающий его стехиометрический расход необходимый для разложения муллита, продолжительность обжига, τ=60 мин. Достигнуто максимальное более 98 % разложение муллита до легко растворимых соединений алюминия – геленита и анортита.

6) Получены новые данные по выщелачиванию огарка соляной кислотой с селективным переводом алюминия, кальция, железа, цветных металлов и РЗМ в маточный раствор и выделением кремнезема в виде товарного продукта. Определены оптимальные параметры процесса выщелачивания – Т:Ж=1:3, температура, Т=60 °C, время выщелачивания, τ=60 мин. Достигнуто максимальное извлечение алюминия в раствор и кремнезема в товарный продукт – 99,92 и 99,8 %, соответственно.

7) Впервые получены новые данные по формам нахождения основных компонентов золы в огарке и продуктах выщелачивания.  Установлено, что при обжиге золы с CaCl₂, количественное соотношение образующихся легкорастворимых соединений – геленита и анортита в огарке, составляет 5:1.

8) Получены новые данные по распределению Al, Ca, Fe, цветных металлов и РЗМ между твердым осадком кремнезема и маточным раствором. Установлено, что в условиях оптимального режима ведения выщелачивания лишь кремнезем выделяется в осадок, а остальные металлы, практически полностью, переходят в маточный раствор.         

9) В результате переработки золы ТЭЦ по схеме «магнитная сепарация – обжиг немагнитной фракции золы совместно с CaCl₂ – выщелачивание огарка соляной кислотой», получен железосодержащий товарный продукт и чистый кремнезем состава, % масс: 99,5 SiO₂; 0,02 Al; 0,07 Ca; 0,02 Fe. Белизна осадка – 92 %, удельная поверхность (БЭТ) – 165 м²/г, насыщение маслом (льняное масло) 140 г / 100 г.

Список исполнителей:

1. Досмухамедов Нурлан Калиевич - научный руководитель
2. Каплан Валерий Аронович - главный научный сотрудник
3. Егизеков Максут Гусманулы - ведущий научный сотрудник
4. Жолдасбай Ержан Есенбайулы - старший научный сотрудник
5. Курмансейтов Мурат Бауыржанулы - старший научный сотрудник

Список публикаций:

1. Kaplan V., Dosmukhamedov N., Zholdasbay E., Daruesh G., Argyn A. Alumina and Silica Produced by Chlorination of Power Plant Fly Ash Treatment // JOM. – 2020. – Vol. 72(10). – P. 3348–3357. (Web of Science, Scopus, Q-2, Процентиль-84-й.)
2. Досмухамедов Н.К., Каплан В.А., Жолдасбай Е.Е., Даруеш Г.С., Аргын А.А. Выделение железа в железосодержащий продукт из золы от сжигания Экибастузских углей // Уголь. – 2021. – №1. – С. 56-61. (Scopus, Q-3, Процентиль-30-й.)
3. N. Dosmukhamedov, V. Kaplan. Flue gas purification from SO2 and NOx using molten mixture of alkali metal carbonates // International Journal of Coal Preparation and Utilization. – 2021. – P. 1-12. (Web of Science, Scopus, Q-3, Процентиль-58-й.)
4. Досмухамедов Н.К., Егизеков М.Г., Жолдасбай Е.Е., Курмансейтов М.Б., Аргын А.А. Поведение NOx при очистке отходящих газов ТЭС карбонатным расплавом щелочных металлов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 1. – С. 30-35. (РИНЦ, IF-0,58)
5. Досмухамедов Н.К., Каплан В.А., Жолдасбай Е.Е., Курмансейтов М.Б., Аргын А.А. Электрохимическое восстановление CO2 до СО в условиях электролиза карбоната лития при 900 ºС // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 3. – С. 59-66. (РИНЦ, IF-0,58)
6. Dosmukhamedov N.K., Zholdasbay E.E., Daruesh G.S., Argyn A.A., Kurmanseitov M.B. Study of the mechanism of pre-burned ash leaching by hydrochloric acid // Complex Use of Mineral Resources. – 2021. – Volume 4, Issue 319. – Р. 72-80.
7. Жолдасбай Е.Е., Курмансеитов М.Б., Даруеш Г.С., Аргын А.А., Досмухамедов Н.К., Егизеков М.Г. Концепция технологии комплексной переработки золы на основе хлорирующего обжига // II Международная научно-практическая конференция International scientific innovations in human life, 25-27 августа 2021 года Манчестер, Великобритания. – С. 130-136
8. Жолдасбай Е.Е., Даруеш Г.С., Курмансеитов М.Б., Аргын А.А., Досмухамедов Н.К. К комплексной технологии переработки золы: Термодинамика хлорирующего обжига // III Международная научно-практическая конференция Modern scientific research: achievements, innovations and development prospects, 29-31 августа 2021 года Берлин, Германия. – С. 94-102