Способ переработки золы тепловых станций с получением железосодержащего пигментного наполнителя

 

Способ переработки золы тепловых станций с получением железосодержащего пигментного наполнителя. Золу обрабатывают в водной суспензии, содержащей 50-100 г/л серной или соляной кислоты, при 50-75^oC, осадок отделяют от жидкой фазы, суспензируют его в воде, вводят в полученную суспензию соединение железа в количестве 20-100 г/л по FeO, выдерживают при 70-90^oC и подаче воздуха в 5-10 часов, фильтруют, промывают и прокаливают. Технический результат: улучшение условий труда путем исключения выделения хлорсодержащих газов и снижение показателя укрывистости. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения железосодержащих пигментных наполнителей из отходов производства, в частности из золы тепловых станций (ЗТС), и может быть использовано в лакокрасочной и строительной промышленности для приготовления составов защитных покрытий.

Отходы только одной действующей тепловой электростанции составляют сотни тысяч тонн в год и представляют собой золошлаковую смесь, дисперсность которой изменяется в очень широких пределах. Отрицательное воздействие ЗТС на окружающую среду связано с необходимостью содержать большие площади пылящих отвалов.

Известны способы переработки ЗТС с получением стройматериалов и, в частности, бетонов ячеистых, легких, тяжелых [1] Известен также способ переработки ЗТС с получением железосодержащего пигментного наполнителя.

Данный способ предусматривает обработку ЗТС 15-20% раствором соляной кислоты, расход которой составляет 10-15% от веса ЗТС, с дальнейшим прокаливанием смеси при 200-400^oC в течение 40-120 мин. В результате получается розовый, желтый или светло-желтый продукты с показателями укрывистости на уровне 120-200 г/м² [2] К недостаткам такого способа следует отнести то, что при прокаливании смеси выделяется значительное количество хлорсодержащих газов, что вызывает сильную коррозию технологического оборудования, и ухудшает санитарные условия труда. Кроме того, продукт имеет высокий показатель укрывистости (120 200 г/м²).

Изобретение направлено на решение задачи улучшения санитарных условий производства путем исключения выделения хлорсодержащих газов за счет введения операций фильтрации и промывки осадка водой и получения пигментного железосодержащего наполнителя с более низким показателем укрывистости.

Данная задача достигается способом переработки золы тепловых станций с получением железосодержащего пигментного наполнителя, включающим обработку золы минеральной кислотой и последующее прокаливание таким образом, что обработку золы проводят в водной суспензии, содержащей 50-100 г/л серной или соляной кислоты при 50-75^oC, а образовавшийся осадок отделяют от жидкой фазы, промывают и прокаливают.

При этом отделенный от жидкой фазы осадок перед промывкой и прокаливанием суспензируют в воде, вводят в полученную суспензию соединение железа в количестве 20-100 г/л по FeO, выдерживают при температуре 70-90^oC и подаче воздуха в течение 5-10 часов и фильтруют.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. ЗТС дисперсность не более 80 мкм (преимущественно менее 50 мкм) суспензируют в воде и вводят в суспензию серную или соляную кислоту до концентрации 50-100 г/л при отношении твердой и жидкой фаз Т:Ж 1:3,5, нагревают смесь до 50-90^oC и выдерживают 3-10 часов. После указанной выдержки суспензию фильтруют, жидкую фазу (раствор серной или соляной кислоты) направляют в оборот, а осадок промывают водой и прокаливают при 800-850^oC с получением пигментного железосодержащего наполнителя. При обработке ЗТС кислотой происходит извлечение части железа в раствор и за счет этого осветление осадка и повышение его дисперсности. Продукт прокаливания (продукт 1) представляет собой бежевый тонкодисперсный порошок, который обладает невысокими пигментными свойствами, укрывистость 280-300 г/м² и может использоваться в производстве резины, линолеума и в неответственных лакокрасочных системах.

Для улучшения качества железосодержащего пигментного наполнителя в предлагаемом способе предусмотрено проведение процесса в две стадии. На первой стадии золу обрабатывают кислотой и на второй стадии отделенный осадок после кислотной обработки суспензируют в воде, добавляют в суспензию соединения железа (+2), например, FeSO₄ · 7H₂O, в количестве, соответствующем содержанию 20-100 г/л по FeO, и при перемешивании с пропусканием воздуха или просто воздухом выдерживают при температуре 70-90^oC в течение 5-10 часов. Затем суспензию фильтруют, жидкую фазу используют в обороте на операции суспензирования осадка после кислотной обработки, а осадок промывают и прокаливают при температуре 600-850^oC, получая продукт П. Содержание Fe₂O₃ в пигментном наполнителе - 15-25% Цвет продукта красно-коричневый или желто-коричневый. Укрывистость продукта 30-40 г/м², что в 3-6 раз меньше, чем по прототипу.

Верхний предел концентрации кислоты 100 г/л H₂SO₄ или HCl обусловлен тем, что при повышении этого показателя наблюдается заметное снижение фильтруемости суспензии и растет расход кислоты. При концентрации кислоты менее 50 г/л конечный цвет пигмента имеет грязноватый оттенок (ухудшается цвет конечного продукта). Продолжительность перемешивания более 10 часов, также как и повышение температуры выше 75^oC нецелесообразно, т.к. практически не влияет на фильтруемость суспензии и цвет наполнителя. При выдержке смеси менее 3-х часов и температуре ниже 50^oC не достигается нужный эффект осветления золы, что снижает качество пигментного наполнителя.

При получении пигментного железооксидного наполнителя (продукта П) концентрация железа не должна быть ниже 20 г/л по FeO, т.к. при меньшей концентрации железа не образуется равномерное покрытие из железогидроксидной пленки на поверхности осадка и конечный продукт теряет яркость окрашивания, при концентрации железа более 100 г/л по FeO наблюдается значительный избыток этого компонента в отработанном растворе, что экономически невыгодно. Пределы температурного режима 70-90^oC и продолжительность выдержки 5-10 ч обосновываются образованием в этих условиях необходимой модификации гидроксида железа (+3), что в свою очередь обеспечивает яркость окраски пигментного наполнителя и улучшение показателя укрывистости. Предпочтительные пределы отношений Т: Ж при обработке ЗТС кислотой или смесью кислоты с соединениями железа или при обработке осадка на второй стадии соединениями железа равны 1: 3-5. При меньшем расходе жидкой фазы суспензии становятся очень густыми и ведение процесса затрудняется. При расходе жидкой фазы более 5 объемов на 1 весовую часть твердой фазы растут потоки, объемы аппаратов и энергетические затраты на процесс.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1 кг ЗТС дисперсностью менее 50 мкм, содержащей (основные компоненты, масс): SiO₂ 54-55, Al₂O₃ 16-17, Fe₂O₃ 13-14, MgO 2,3-2,4, CaO 1,8-2,0, FeO 1,3-1,4, TiO₂ 1, суспензируют в 3 л воды и вводят в суспензию серную кислоту из расчета 50 г/л H₂SO₄, смесь нагревают до 75^oC и выдерживают 3 часа, после чего отделяют осадок от жидкой фазы (скорость фильтрации 1 м³/м² час), осадок промывают водой с расходом T:Ж=1:5 и прокаливают его при температуре 850^oC. В результате получается продукт 1 0,98 кг бежевого пигментного наполнителя с укрывистостью 285 г/м².

Пример 2. Берут 1 кг ЗТС дисперсностью менее 50 мкм, суспензируют в 5 л воды и вводят в суспензию серную кислоту из расчета 100 г/л, смесь нагревают до 50^oC и выдерживают 10 часов при перемешивании; после чего отделяют осадок (скорость фильтрации 0,3 м³/м²·час), промывают его водой и прокаливают при 850^oC. В результате получается продукт 1 - светло-бежевый пигментный наполнитель (0,95 кг) с укрывистостью 280 г/м².

Пример 3. Берут 1 кг ЗТС дисперсностью менее 50 мкм, суспензируют в 4 л воды и вводят в суспензию соляную кислоту из расчета 75 г/л, смесь нагревают до 60^oC и выдерживают 7 часов при перемешивании; после чего отделяют осадок (скорость фильтрации 0,75 м³/м²·час), промывают его водой и прокаливают при 800^oC. В результате получается 0,96 кг светло-бежевого пигментного наполнителя с укрывистостью 300 г/м².

Пример 4. Берут 1 кг ЗТС, обрабатывают ее по примеру 1, а осадок после отделения жидкой фазы суспензируют в 3 л воды, вводят в суспензию сульфат железа (+2) из расчета 20 г/л по FeO и при пропускании через смесь воздуха выдерживают при 70^oC в течение 5 часов. По окончании процесса отделяют фильтрацией осадок, промывают его водой и прокаливают при 850^oC с получением продукта П 1,1 кг желто-коричневого пигментного наполнителя, содержащего 18% Fe₂O₃, укрывистость продукта 38,1 г/м².

Пример 5. Берут 1 кг ЗТС, обрабатывают ее по примеру 2, а осадок после отделения жидкой фазы суспензиpуют в 3 л воды, вводят в суспензию сульфат железа (+2) из расчета 100 г/л по FeO и при пропускании через смесь воздуха выдерживают при 90^oC в течение 10 часов. По окончании процесса отделяют фильтрацией осадок, промывают его водой и прокаливают при 800^oC с получением 1.11 кг коричневого железосодержащего пигментного наполнителя, содержащего 25% Fe₂O₃, укрывистость продукта 30,5 г/м².

Пример 6. Берут 1 кг ЗТС, обрабатывают ее по примеру 3, а осадок после отделения жидкой фазы суспензируют его в 3 л воды, вводят в суспензию сульфат железа (+2) из расчета 60 г/л по FeO и при пропускании через смесь воздуха выдерживают при 80^oC в течение 7 час. По окончании процесса отделяют фильтрацией осадок, промывают его водой и прокаливают при 600^oC с получением 1,05 кг красно-коричневого железосодержащего пигментного наполнителя, содержащего 21% Fe₂O₃, укрывистость продукта 31,5 г/м².

В таблице приведены результаты, полученные при осуществлении предлагаемого способа по примерам 1-8 и с запредельными значениями параметров (примеры 9-14), а также в соответствии с условиями прототипа (пример 15).

Из анализа экспериментальных данных, приведенных в таблице, следует, что наиболее благоприятные условия для получения из ЗТС светло-бежевого пигментного наполнителя и железоокисного пигментного наполнителя следующие: введение в водную суспензию ЗТС минеральной кислоты (H₂SO₄, HCl) в количестве 50-100 г/л; выдержка суспензии при температуре 50-75^oC, продолжительность выдержки 3-10 часов; введение в суспензию отделенного осадка соединений железа (+2) из расчета 20-100 г/л по FeO, выдержка суспензии при пропускании воздуха и при температуре 70-90^oC, продолжительность выдержки 5-10 часов.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет улучшить санитарные условия труда, а также получать пигментные наполнители с улучшенными показателями укрывистости, в 3-6 раз меньшими, чем по прототипу.

Возможность использования получаемых продуктов по предлагаемому способу в составе лакокрасочных материалов подтверждены внешней организацией (Ярославским научно-исследовательским институтом "Спектр ЛК"). В настоящее время подготовлена документация по созданию опытно-промышленного производства пигментных наполнителей.

Формула изобретения

1. Способ переработки золы тепловых станций с получением железосодержащего пигментного наполнителя, включающий обработку золы минеральной кислотой и последующее прокаливание, отличающийся тем, что обработку золы проводят в водной суспензии, содержащей 50 100 г/л серной или соляной кислоты, при 50 75^oС, а образовавшийся осадок отделяют от жидкой фазы, промывают и прокаливают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделенный от жидкой фазы осадок перед промывкой и прокаливанием суспендируют в воде, вводят в полученную суспензию соединение железа в количестве 20 100 г/л по FeO, выдерживают при 70 90^oС и подаче воздуха в течение 5 10 ч и фильтруют.

РИСУНКИ

Рисунок 1