Технические науки/1. Металлургия

Кокаева Г.А., Адылканова М.А., Кошкимбаева К.С., Ахметжанова А.А., Бектурганова М.Д. , Капашева М.С.

Восточно-Казахстанский государственный технический

университет им. Д. Серикбаева, Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПО ВЫДЕЛЕНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ МИКРОСФЕР ИЗ ЗОЛЫ КАЗАХСТАНСКИХ ТЭЦ

При сжигании определенных марок каменных углей на тепловых электростанциях (ТЭЦ) образуются силикатные микросферы. Микросферы ТЭЦ насыпной плотностью 0,2-0,4 г/см³ с выходом от 0,2 до 2,5 кг с каждой тонны сжигаемого угля вместе с золой поступают в гидрозолоотвалы, где тяжелая зола выпадает в осадок, а легкие микросферы концентрируются на поверхности воды.

Цвет микросфер зависит от их природы и может быть белым, светло-зеленым, темно-серым и черным.

Типичный химический состав микросфер:

SiO₂ – 60-80 %, Na₂O - 5-16 %, CaO – 5-25 %, K₂O+Li₂O – 5-16 %, MgO – 0-15 %, MnO₂ – 0-10 %, B₂O₃ - 0-20 %, P₂O₅ – 0-5 %.

Рисунок 1 – Общий вид микросфер ТЭЦ

В летний период микросферы подсыхают разносятся ветром и загрязняют воздух городов и поселков.

Проведенные на ряде ТЭЦ исследования по определению выхода и качества микросфер показали, что благодаря ряду свойств они могут найти применение в различных отраслях промышленности.

Так, благодаря высокой кислотоупорности (93-95%) и химической стойкости, низкой плотности (0,25-0,36 г/см³), высокому сопротивлению разрушению (при гидростатическом давлении – до 14 МПа), повышенной морозо- и жаростойкости, шаровой форме и реальной сырьевой базе в Казахстане открылась широкая возможность использования микросфер в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в качестве удешевляющего и армирующего наполнителя кислотостойких мастик (замазок) и лакокрасочных материалов.

Ежегодно в печах по производству цинка, меди, серной кислоты драгоценных металлов и редких металлов АО «Казцинк» защищается от воздействия средне- и сильноагрессивных жидкостей и газов около 4000 м² металлической поверхности оборудования и строительных конструкций.

Важнейшее место при этом занимают состав и технология нанесения грунтовочного покрытия. Наибольшее распространение получили эпоксидные грунтовки типа ЭП-0199 и эмали ЭП-0010. Основным методом нанесения лакокрасочных материалов являлось окрашивание пневматическим распылением.

Сущность метода заключается в распылении материалов сжатым воздухом и нанесении его в виде жидкого дисперсионного материала на защищаемую поверхность. Установка для нанесения материалов этим методом обычно состоит из краскораспылителя различного типа, нагнетательного бака, воздухоочистителя и рукавов.

Основными недостатками пневматического метода распыления являются: большие потери лакокрасочного материала на туманообразование (от 25 до 50 % в зависимости от сложности окрашиваемых поверхностей), большой расход растворителей, необходимость установки мощной системы вытяжной вентиляции.

С учетом высокой стоимости эпоксидных грунтовок, больших потерь лакокрасочных материалов при пневматическом методе нанесения и малым срокам службы грунтовочного покрытия в контактах с кислотами или электролитом (не более 4 месяцев) лабораторией композиционных материалов ВНИИцветмета в содружестве со специалистами АО «Казцинк» и малого предприятия «ЛИК» разработан новый состав лакокрасочного материала и предложено распылять этот материал с помощью установки безвоздушного распыления при высоком давлении без нагрева.

Сущность метода заключается в том, что распыление лакокрасочного материала происходит под воздействием высокого гидравлического давления (12-20 МПа). Сжатый воздух используется только для привода насоса, создающего высокое давление на лакокрасочный материал.

Производительность при нанесении покрытия по новой технологии увеличилась в 7 раз по сравнению с ручным способом, экономия материала за счет исключения потерь на туманообразование по сравнению с методом воздушного распыления составляет в среднем 20 %. Для штатной технологии без микросфер срок службы 4 месяца , для новой с микросферами ТЭЦ - 12 месяцев.

Другой областью применения микросфер является изготовление битумно-рулонной изоляции. Битумная композиция состоящая из битума БН 50/50 или БН 70/30 или 90/10 и цельных микросфер ТЭЦ используется при устройстве битумно-рулонной изоляции аппаратов контактирующих с агрессивными растворами соляной кислоты.

Ввод микросфер в битум позволяет увеличить в 1,5-2 раза прочностные свойства битума и повысить его термостойкость и кислотоупорность. Приготовленную битуминоль используют в качестве клеевого состава для закрепления рубероида на защищаемой от коррозии металлической поверхности, а затем в качестве шпатлевки оклеенной площади.

Данные химического состава микросфер явились предпосылкой к оценке возможности их использования в кислотоупорных мастиках (замазках).

На основе цельных микросфер и смеси цельных и измельченных микросфер разработаны три состава кислотоупорной мастики для футеровочной кладки и покрытий.

Первоначально новая мастика испытывалась в аффинажном цехе. Для этого образцы мастики в виде кубиков размером 4 × 4 × 4 см закладывались на 10 суток воздушной выдержки с определением предела прочности на сжатие, затем на 10 суток в раствор «царской водки» и в керосин. Мастика из смеси цельных и измельченных микросфер отвечает требованиям кислотоупорности (по норме кислотоупорность должна быть не ниже 93 %). Мастика на основе микросфер ТЭЦ обладает антикоррозионными свойствами при контакте металлического изделия с раствором «царской водки».

С учетом результатов лабораторных испытаний в аффинажном цехе были проведены крупномасштабные испытания. Для этого промежуточная емкость из стали объемом 1,5 м³ была изнутри покрыта 2-3 слоями мастики и залита раствором «царской водки». Из емкости раствор перекачивался в технологию извлечения золота и серебра. Емкость размещалась снаружи производственного здания цеха. Срок эксплуатации такой емкости с антикоррозионным покрытием составил 4 месяца вместо 24 часов без покрытия.

В результате проведенной работы установлена техническая возможность и экономическая целесообразность замены импортируемых андезитовой муки и диабазового порошка на микросферы из золы ТЭЦ в качестве наполнителя кислотостойких лакокрасочных материалов и покрытий.

Таким образом, благодаря специальным свойствам микросфер ТЭЦ и их реальной сырьевой базе в Казахстане открылась широкая возможность их использования в металлургической и химической промышленности. Кроме большого народнохозяйственного эффекта утилизация микросфер ТЭЦ имеет важное природоохранное значение в деле предотвращения загрязнения ими воздушного бассейна городов и поселков.