2830

На правах рукописи

Киушкин Эдуард Владимирович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМА ХИМВОДОПОДГОТОВКИ ТЭЦ

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород— 2002

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор В.П. Сучков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.Н. Губанов,

кандидат химических наук, ст. науч. сотр. К.М. Элькинд

Ведущая организация

ОАО «Научно-исследовательский технологический институт автоматизации производства»

Защита состоится «25 » 2002 г. в «13» часов на заседании

диссертационного совета Д 212.162.02 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «21» марта 2002 г.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа посвящена утилизации жидких отходов - шламов химводоподготовки ТЭЦ. Данные шламы образуются на стадии предварительной очистки воды, которая включает в себя осветление воды, а также снижение щёлочности и частичное её умягчение. Экспериментальная часть выполнена на шламах Автозаводской и Новогорьковской ТЭЦ Нижегородской области, образующихся в количестве до 20 тонн в сутки на каждом предприятии. Учитывая, что на долю тепловых электростанций в России приходится около 77 % вырабатываемой электроэнергии, масштабы образуемых шламовых отходов при технологии химической подготовки воды являются существенными для организации промышленной переработки.

Токсичность отходов связана не только с их химическим составом. Степень экологической опасности зависит от агрегатного состояния отходов (твердые, жидкие, газообразные). Твердые отходы сравнительно легко фиксируются и хранятся на местности. Имеется большое количество решений по улавливанию газообразных отходов. Самыми опасными отходами являются «мокрые» - суспензии, пульпы, осадки сточных вод - шламы.

В результате исследований разрабатывается экологически безопасная технология утилизации шламов химводоподготовки ТЭЦ за счет комплексного использования сырьевых ресурсов при технологии получения электроэнергии на теплоэлектростанциях. Данный принцип должен улучшить геоэкологическую обстановку на данных предприятиях и обеспечить в конечном итоге понижение себестоимости электроэнергии. По данной технологии предусматривается получение на базе шламов сульфатсодержащих вяжущих веществ, что будет способствовать решению, кроме геоэкологических задач, также проблем поиска новых альтернативных взамен более энергоемких

видоввяжущих.

Цель и задачи, исследований. Целью работы является разработка Экологически безопасной технологии утилизации шлама химводоподготовки ТЭЦ, обеспечивающей геоэкологический подход в том плане, что утилизация

техногенных отходов должна быть рациональной, проводиться по энергосберегающим, малоотходным технологиям и максимально использовать потенциальные возможности данного продукта.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд конкретных задач:

1.Изучить физико-химические свойства шлама, его влияние на экологию

среды;

2.С учетом химического и фазового составов шлама проанализировать

возможные технологии утилизации, которые позволяют получать вяжущие

вещества и предложить наиболее экологически безопасную технологию;

3.Изучить технологические параметры производства. Предложить и исследовать механохимическую активацию шлама с целью оптимизации химического состава и придания большей энергетической активности и реакционной способности;

4.Установить режимы тепловой обработки шлама для оптимизации процесса его обезвоживания и получения вяжущих веществ;

5.Выполнить производственную проверку и внедрение результатов исследований. Разработать рекомендации по использованию шлама в качестве вяжущего. Дать экономическое обоснование целесообразности применения вяжущего на базе шлама.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-изучены физико-химические свойства шламов химводоподготовки ТЭЦ с позиции влияния на экологию среды и проявления вяжущих свойств;

-теоретически обосновано и экспериментально подтверждено решение экологической проблемы, связанной с образованием и хранением шламов химводоподготовки ТЭЦ, за счет разработки экологически безопасной и безотходной технологии утилизации шлама;

-теоретически и экспериментально обоснован способ получения вяжущего из шлама химводоподготовки ТЭЦ и отхода серной кислоты;

-выявлены закономерности формирования структуры вяжущего на базе механохимической активации шлама;

-разработана технология производства вяжущего на основе шлама химводооподготовки ТЭЦ;

-изучены свойства полученного вяжущего и строительных растворов на его основе.

Практическое значение работы. Разработанная технология позволяет полностью утилизировать отход производства с минимальным ущербом для окружающей среды. Полученное вяжущее на основе шлама химводоподготовки ТЭЦ позволяет использовать его в кладочных и штукатурных растворах в качестве основного вяжущего вещества. При химической активации шлама применяется отработанная аккумуляторная серная кислота, что позволяет утилизировать и данный продукт.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы при выпуске опытной партии вяжущего и штукатурного раствора в ОАО «ВолгоВятремстрой».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции-школе-семинаре «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» в г. Белгороде в 1998 г., международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» в г. Ростов-на-Дону в 2000 г., научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство 2000» в г. Нижнем Новгороде в 2000 г.

На защиту выносятся:

-способ улучшения экологической обстановки за счет утилизации шлама химводоподготовки ТЭЦ с получением на его основе сульфатсодержащего вяжущего вещества;

-способ механохимической активации шлама химводоподготовки ТЭЦ с целью активаций его вяжущих свойств;

4

- технология производства сульфатсодержащего вяжущего на базе шлама химводоподготовки ТЭЦ и отработанной аккумуляторной кислоты, результаты исследований основных строительно-технических свойств вяжущего, а также результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний предлагаемого материала.

Публикации. По материалам выполненных исследований подана 1 заявка на получение патента РФ и опубликовано 12 печатных работ, в том числе 10 статей и 2 материала в виде тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа имеет общий объем 171 страницу машинописного текста, содержит 25 таблиц, 33 рисунка, список литературы из 189 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, отмечена ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проводится аналитический обзор зарубежного и отечественного опыта утилизации осадков сточных вод - шламов. Особое внимание при этом уделено анализу влияния шламов химводоподготовки ТЭЦ на геоэкологическую обстановку и способам их утилизации.

Отмечено, что способы хранения шламовых отходов, наиболее практикуемые в настоящее время, имеют ряд недостатков. Шламовые отходы захороняются в поверхностных хранилищах, не оборудованных средствами защиты окружающей среды от фильтрационных вод, испарений и пылевых выбросов, к тому же не имеющих средств выгрузки пульпы или слежавшегося осадка. Несмотря на то, что в данных шламах не содержится высокотоксичных веществ, как например в глиноземсодержащих, остаются проблемы с их складированием. При этом происходит отчуждение больших площадей, сельскохозяйственных угодий, создается угроза их засоления, повышения

минерализации подземных вод прилегающих территории и ухудшения гидрохимического режима близлежащих водоемов. Все это влечет за собой изменение устойчивости геологической среды и снижения эстетического потенциала.

Внастоящее время не существует универсального метода обработки и утилизации шламовых осадков. Во многих экономически и технически развитых государствах отказываются от накопления осадков в шламонакопителях, представляющих угрозу окружающей среде. На многих предприятиях сушка и сжигание шламов является одним из основных методов ликвидации данных отходов. Такой способ является экологически не безопасным, поскольку требуется очистка выбрасываемых газов от загрязняющих веществ, создает трудности с дополнительной очисткой образуемых в системе промывки газов суспензий. Также расходуется значительное количество энергии, а проблема утилизации отхода остается, поскольку остается минеральная часть осадка.

Решить данную задачу наиболее полно можно за счет применения шламов

вкачестве сырья самой материалоемкой отрасли народного хозяйства — строительной индустрии. Разнообразие продукции этой отрасли позволяет найти рациональное направление утилизации практически каждого вида отходов данной группы.

Анализ современного опыта показал, что использование шламов химводоподготовки ТЭЦ ограничивается применением их в качестве второстепенных компонентов при добавлении в смеси строительного назначения. Значительно меньшее внимание уделено активизации данных продуктов и получению на их основе систем, самостоятельно обладающих вяжущимисвойствами.

Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов и описаны методики экспериментальных исследований.

Висследованиях использовались пробы основного утилизируемого компонента шлама химводоподготовки двух ТЭЦ Нижегородской области:

Автозаводской и Новогорьковской. Химический состав данных шламов приведен в табл. 1.

В качестве нейтрализующего шлам компонента использовались:

- техническая серная кислота со стабильными свойствами по ГОСТ 667-

73*;

- отходы аккумуляторной серной кислоты.

Другие материалы применялись для модельных исследований поведения сульфатной фазы и рекомендаций для утилизации шламов химводоподготовки ТЭЦ при получении на его основе сульфатсодержащих вяжущих веществ. Использовались материалы с различной морфологией и разным соотношением сульфатной фазы: природные продукты (природный гипсовый камень, природный ангидритовый камень); отходы производств (десульфогипс).

Исследование свойств проводилось как по стандартным методикам, так и по специально разработанным. Процесс перекристаллизации сульфатных систем при тепловой обработке контролировался визуальным методом, установка для которого разработана на кафедре строительных материалов ННГАСУ.

В третьей главе исследуется процесс образования шлама химводоподготовки ТЭЦ, его состав и свойства, а также факторы, влияющие на

них.

Объем и состав осадка, образуемого при химводоподготовке на ТЭЦ, определяются технологией очистки, видом и концентрацией химических реагентов, качеством применяемой воды.

В большинстве случаев химводоподготовку на ТЭЦ производят с использованием наиболее дешевых компонентов: коагулянта (железный купорос) и осадителя (гашеная известь). Если брать во внимание железный купорос, то он выпускается химической промышленностью по ГОСТ 6981 -94 и является достаточно стабильным по качеству продуктом. В отличие от него качество извести является весьма различным. Известь в качестве нейтрализующего агента применяется довольно широко, однако до сих пор нет соответствующих нормативов, регламентирующих ее состав и свойства как осадителя, что приводит в случае применения обычной строительной извести к большому ее перерасходу, что отражается на фазовом составе шлама.

Имеющиеся отличия в качестве исходной воды различных водоемов, а также сезонные колебания данного качества существенно коррелируются меньшим или большим расходом реагентов.

Фазовый состав шлама и его интервалы варьирования представлены на рис.1.

Органика (5-10%)

SiO2 (2-3%) CaSO4 2H2O (3-5%)

Ca(OH)2+Mg(OH)2 (2-4%

Fe(OH)3 (5-10%)

Рис. 1. Фазовый состав шлама химводоподготовки ТЭЦ

8

Рисунок 1 показывает, что шлам представлен, в основном, карбонатом кальция, в качестве примесей — соединения магния и железа, гипс, кремнезем, органика. Химико-минералогический состав шлама имеет различия, который учитывался при разработке технологии утилизации.

Важным технологическим показателем при утилизации шлама является его гранулометрический состав. Высушенный шлам представляет собой тонкодисперсный порошок, так как почти 100 % проходят через сито № 008 и более 80 % пробы составляют частицы размером (О ... 2O).10-6 м; на частицы размером > 20.10-6 м приходится всего 4 - 10 % (рис. 2). С помощью микроскопического метода определено, что очертания диаметром 0,2 ... 1,5 мкм принадлежат гидроксидам железа. Зерна субмикрокристаллов извести имеют диаметр 2,5 ... 5 мкм. Средние и крупные зерна (5 ... 20 мкм) имеют характерную для карбонатов кальция и магния, доломитов ромбоэдрическую форму или вытянутую игольчатую, типичную для гипсов. Частицы размером от 2 ... 5 мкм до 50 ... 100 мкм и более - механические примеси кварца и кусочков глины. Сопоставляя результаты микроскопических исследований и фазового состава, выявлены изменения гранулометрического состава шламов различных

ТЭЦ.

10 20 40 60 80 100

Размер частиц, мкм

Рис. 2. Гранулометрический состав шлама химводоподготовки ТЭЦ: 1 - Новогорьковской; 2 - Автозаводской