EA011293B1 - Применение угольной золы для безопасной утилизации минеральных отходов - Google Patents

Abstract

Описан способ применения угольной золы для утилизации минерального отхода, включающего токсичный минеральный отход, включающий получение расплавленной смеси минерального отхода и угольной золы и отверждение расплавленной смеси для получения твердого продукта, такого как стекло, стеклокерамика или мраморовидное стекло.

Description

Область техники, к которой относится изобретение, и уровень техники

Настоящее изобретение относится к области утилизации отходов и, конкретнее, к способу, в котором в качестве стеклообразующего агента используют угольную золу, чтобы безопасно нейтрализовать и утилизировать минеральные отходы, в особенности токсичные минеральные отходы. Настоящее изобретение также относится к области материалов и, конкретнее, к способу производства стекла, стеклокерамик и мраморовидных стекол из комбинации угольной золы и минеральных отходов. Настоящее изобретение также относится к использованию отхода скруббера в качестве флюсующего агента в производстве стекла.

Угольная зола представляет собой образованный твердыми частицами отход, представляющий собой, по существу, несгораемый остаток, остающийся после сожжения угля на угольных электростанциях, в топочных камерах и другом промышленном оборудовании. Получают угольную золу двух типов: грубый, напоминающий песок шлак, извлекаемый из нижней части топочных камер, и напоминающую тальк золу уноса с частицами, имеющими размер частиц ила или глины. В стандартной сжигающей уголь установке получается примерно одна тонна шлака на каждые пять тонн полученной золы уноса.

Количество произведенной угольной золы обычно составляет от 5 до 13% массы несожженного угля. Минеральный состав угольной золы зависит от композиции угля. Обычно шлак и зола уноса из одного источника содержат, по существу, одни и те же минеральные вещества. Однако тогда как угольный шлак, по существу, не содержит углерода, угольная зола уноса имеет значительное содержание несожженного углерода. В зависимости от эффективности процесса горения и природы сжигаемого угля содержание углерода в угольной золе уноса обычно доходит до примерно 12% углерода по массе, хотя нередко встречаются значения вплоть до 25% углерода по массе.

В таблице представлен минеральный состав зол, образующихся при озолении различных углей, импортируемых в Израиль. Необходимо отметить, что в таблице приведены массовые соотношения минеральных компонентов угольной золы, а не весовой процент, включающий углерод.

Таблица Минеральный состав угольной золы, получающейся при сожжении угля, ________импортированного в Израиль (1999/2000) (массовые соотношения)________

	США (С0П6О1 ВаПеу)	Индонезия (Ка1Е1т Рг1та)	Польша (Иед1ококз)	Австралия	Колумбия	Южноафриканская Республика
зю2	50,3	54,4	41, 3	50, 2-70, 9	59-62	38-54
№<>,	15,1	8, 6	11,2	4,0-11,7	7-8, 5	2, 8-5,5
ВД	24,4	22,5	28,1	19-35,4	18-24,1	25, 6-36
Т1О2	1, 1	0,9	1, 1	0,8-1,4	0,9-1,2	1-2
СаО	2, 9	3,2	3,8	0, 6-3, 5	2,2-3,0	3,5-14
МдО	0,7	3,2	2,6	0,5-1,7	1,3-1,9	0,7-2,5
ЗОз	1,6	3,5	3,4	0,2-3	1,4-2,4	1, 2-4
Ца2О	0, 6	1,0	1,2	0,2-0,5	0,5-0,7	0,2-0,5
К2О	1,е	1, 9	2,0	0,5-2,9	1,1-1,9	0,1-0,6
Р2О5	0, 5	0, 5	2,5	0,2-1,7	0,2	1,5-2,3

Утилизация угольного шлака не считается серьезной проблемой. Благодаря тому, что угольный шлак имеет частицы крупного размера и производится в относительно небольших количествах, его транспортируют в открытых транспортирующих средствах с малыми затратами и используют, например, в качестве заменителя гравия в областях применениях, включающих производство бетона, укладку дорожных покрытий, при создании земляного полотна дорог и в качестве наполнителя насыпей.

Напротив, утилизация угольной золы уноса представляет собой большую проблему. Угольная зола уноса представляет собой совокупность частиц мелкого размера, которая, как пыль, легко распространяется, загрязняя воздух, поверхностную воду и больше площади земельных участков. Транспортировку угольной золы уноса необходимо осуществлять в герметизированных транспортирующих средствах, таких как танкеры. Утилизация путем захоронения представляет собой наиболее распространенный способ утилизации угольной золы уноса. Поскольку утилизация путем захоронения становится все более экономически невыгодной, внедряются альтернативные способы утилизации угольной золы уноса, включая применение золы уноса в качестве заменителя портландцемента при производстве бетона, в качестве строительного наполнителя вместо песка, при выполнении дорожных работ, в качестве промежуточной грунтовой засыпки на мусорных свалках или в кирпичах в качестве заменителя глины.

Предприняты попытки найти применения угольной золе уноса, характеризующиеся высокой добавленной стоимостью.

В патенте США 2576565, автор Вго\тп. описан полученный спеканием керамический продукт, образованный по меньшей мере на 80% по массе угольной золой уноса, служащей матрицей, улавливающей шамот, образованный угольным шлаком. Золу уноса и шлак смешивают с водой для получения формовочной композиции, которую прессуют в форму. Затем сформованную композицию обжигают при примерно 900°С для спекания золы уноса (но не шлака), получая продукт, который пригоден в качестве строительного материала.

В патенте России ВИ 2052400, авторы Баякин и др., описана стеклокомпозиция, которая изготовле

- 1 011293 на из шлака. Добавление графита в количестве от 3 до 8% по массе к расплавленному шлаку приводит к восстановлению оксидов металлов до карбидов в ходе стеклообразования. Помимо использования в строительстве изготовленное стекло пригодно для применения в магнитооптике.

В патенте США 6342461, авторы Κί-Саид и др., описана композиция, включающая угольную золу уноса в количестве от 15 до 45 мас.ч., глину в количестве от 5 до 55 мас.ч. и твердый отход производства (например, шлак электрической дуговой печи, стальной шлак, бумажную золу, алюминиевый шлак) в количестве от 5 до 75 мас.ч., которую прессуют в форму и обжигают при температуре от 900 до 1300°С для спекания композиции, изготавливая керамические блоки, пригодные для применения в строительной промышленности.

Стеклокерамики и мраморовидные стекла представляют собой композиции, содержащие кристаллическую фазу или фазы, внедренные в аморфную фазу, где данную кристаллическую фазу или фазы получают, охлаждая расплавленную стеклокомпозицию до температуры, которая вызывает кристаллизацию части композиции, тогда как остаток затвердевает в аморфном состоянии. В стеклокерамиках на кристаллическую фазу или фазы приходится по меньшей мере 50 мас.% композиции. В мраморовидных стеклах (марблит) на кристаллическую фазу или фазы приходится от примерно 15 до 50 мас.% композиции.

По физическим свойствам, таким как прочность, твердость, термостойкость, инертность к химическому, окислительному и атмосферному воздействию, стеклокерамики превосходят стекло. По физическим свойствам мраморовидные стекла занимают промежуточное положение между стеклом и стеклокерамиками.

Стеклокерамики изготовляют из композиции-предшественника стекла, включающей компонент, который действует как агент зародышеобразования. Композицию-предшественник стекла расплавляют и варят при температуре обычно выше 1300°С для формирования гомогенной расплавленной стеклокомпозиции. Затем стекло выдерживают в расплавленном состоянии в течение периода времени при температурном режиме для того, чтобы сделать возможным расстекловывание, о чем сказано ниже. В ходе расстекловывания компоненты композиции кристаллизуются вокруг агента зародышеобразования. В конечном счете, образуются кристаллические фазы определенной стехиометрии, внедренные в аморфную фазу.

Обычно физические свойства стеклокерамик и мраморовидных стекол зависят от ряда свойств материала. Первым свойством являются индивидуальные особенности кристаллической фазы или фаз. Вторым свойством является соотношение кристаллической фазы и аморфной фазы: обычно, чем выше доля кристаллической фазы, тем более твердым и менее хрупким является продукт. Третьим свойством является размер кристаллов. Чем меньше кристаллы, тем сложнее трещине распространиться по структуре стеклокерамики, и в этом случае такая структура является более прочной. Обычно считается, что размер кристалла менее чем 1 мкм подходит для большинства применений.

Размер кристаллов и содержание кристаллов в стеклокерамиках или мраморовидных стеклах зависят по меньшей мере от двух параметров процесса расстекловывания: от скорости образования зародышей кристаллизации (которое происходит с максимальной скоростью при некоторой температуре Т_тах1) и скорости роста кристаллов (который происходит с максимальной скоростью при некоторой температуре Т_тах2, где Т_тах2 > Т_тах1). В идеале, когда известны Т_тах! и Т_тах2, можно разработать режим кристаллизации, см. чертеж. На практике, однако, трудно с точностью подвергнуть стекло воздействию теоретических температур Т_тах1 и Т_тах2 в кристаллизационной печи, причем проблема осложняется тем фактом, что фактические температуры печи флуктуируют в зависимости от многих условий.

В качестве компромисса в данной области техники при производстве стеклокерамики или мраморовидного стекла из расплавленной стеклокомпозиции используется либо одноступенчатый режим расстекловывания, либо двухступенчатый режим расстекловывания.

В одноступенчатом режиме расстекловывания расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в печи, настроенной на единственную температуру, лежащую посередине между Т_тах1 и Т_тах2, причем единственная температура дает приемлемый компромисс свойств.

В двухступенчатом режиме расстекловывания расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в печи, настроенной на первую температуру, причем первая температура ориентировочно равна Т_тах1. По прошествии некоторого количества времени, которого, как полагают достаточно для формирования достаточного числа зародышей кристаллизации, температуру печи повышают до второй более высокой температуры, причем вторая температура ориентировочно равна Т_тах2.

Стеклокерамическая композиция-предшественник стекла обычно включает 8ίΘ₂ в количестве от примерно 30 до 75% по массе и А1₂О₃ в количестве от примерно 7 до 35% по массе, и дополнительный компонент, который действует как агент зародышеобразования. Типичные агенты зародышеобразования включают СеО₂, Сг₂О₃, МпО₂, Р₂О₅, 8иО₂, Т1О₂, У₂О₅, ΖηΟ и ΖγΟ₂, а также анионы, такие как Р^-, 8^2- и 8О4^2-. Часто к композиции-предшественнику стекла добавляют флюсующие агенты. Типичные флюсующие агенты включают СаО, К2О, Ыа₂О, Ь1₂О, РЬО, МдО, МиО и В₂О₃. Часто к композициипредшественнику стекла добавляют осветлители. Типичные осветлители включают А§₂О₃ и 8Ь₂О₃. Другие компоненты, обычно находимые в стеклокерамических композициях-предшественниках стекла,

- 2 011293 включают Ее₂О₃, ВаО, ΖηΟ, Мп₃О₄, N10, СоО и оксиды Ое, Оа, Зе, ΝΒ и 8Ь.

Мягкие требования, предъявляемые стеклокерамическими композициями-предшественниками стекла, позволяют использовать дешевые и загрязненные исходные материалы для производства стеклокерамик. Например, в данной области техники описан ряд способов утилизации угольной золы посредством использования угольной золы в качестве компонента стеклокерамики.

В патенте Великобритании ОВ 1459178, автор Эо51а1. описано применение угольной золы уноса для производства стекол и стеклокерамик. В патенте описана композиция-предшественник стекла, включающая угольную золу уноса в количестве от примерно 10%, но предпочтительно по меньшей мере 50% и вплоть до 90%. Для достижения желаемых свойств конечного продукта описано добавление различных материалов к золе уноса, включающих песок, МдО (как МдСО₃ или МдО), СаО (как СаСО₃ или Са(ОН)₂), ΖηΟ (как Ζη) и ВаО (как ВаЩО₃)₂). На первой стадии перед добавлением других компонентов описана стадия озоления, в ходе которой углерод удаляется в виде СО2.

В патенте Франции ЕК 2367027, автор 8апИ, описано применение угольной золы уноса, красного отхода (материалов богатых железом), угольного аспидного сланца, цинкового шлака, свинцового шлака, красного шлама, образующегося при производстве А1₂О₃ или Т1О₂, каждого в качестве компонента композиции-предшественника стекла, которая используется для производства стекла или стеклокерамических продуктов. Желаемые соотношения минеральных компонентов получены добавлением песка, СаО, МдО, №₂СО₃, шлака доменных печей, натриевого полевого шпата или фонолита. В одном осуществлении золу уноса в количестве 50% по массе смешивают с СаО в количестве 30% и с натриевым полевым шпатом в количестве 20% для получения композиции-предшественника стекла.

В патенте США 5935885, авторы Нпа! и др., описана композиция-предшественник стекла, включающая золу уноса в количестве от 60 до 100% по массе (включая золы уноса, получаемые при сожжении угля, из мусоросжигателей муниципальных твердых отходов и из остатков переработки автомобильного лома) и другие добавки, такие как известняк, природный гипс, доломит, диоксид кремния, стеклянный бой, диоксид титана, диоксид циркония и шлак электрической дуговой печи в количестве от 0 до 40% по массе. Наиболее важной стадией, описываемой в патенте, является окисление органических материалов и металлических загрязнителей, которые препятствуют образованию стеклокерамики достаточного качества на первой стадии, проводимое при температуре от 1000 до 1500°С суспензионным окислением.

В патенте США 6825139 авторы настоящего изобретения описывают способ утилизации угольной золы путем смешения угольной золы со стеклообразующим агентом (например, с карбонатом кальция, оксидом алюминия или оксидом магния) и агентом зародышеобразования для получения стеклокерамической композиции-предшественника стекла. Во всех примерах описана стадия, где углерод золы уноса окисляется и удаляется в виде СО2.

Несмотря на все вышеизложенные применения угольной золы, большие количества угольной золы остаются неосвоенными. Например, из приблизительно 130 миллионов тонн продуктов сожжения угля, производимых ежегодно в Соединенных Штатах, используется примерно только одна треть, тогда как остальная часть, главным образом угольная зола уноса, удаляется на полигонах для захоронения отходов.

Помимо угольной золы современное общество порождает большие количества различных минеральных отходов, включая указанные, но не ограничиваясь ими, асбест, золу, получаемую из остатков переработки автомобильного лома, батареи, загрязненные почвы, мусор от сноса зданий и сооружений, шлак электрической дуговой печи, геологические отходы рудников (такие как аспидный сланец), отходы больниц и системы медицинского обслуживания, золу осадков сточных вод, золу мусоросжигателей твердых муниципальных отходов, лакокрасочные отходы, использованные вспомогательные фильтрующие материалы водоочистных сооружений и отходы промышленности производства металлов и полупроводниковой промышленности (включая шлак, красный шлам, отходы электролитического осаждения). Важно, что такие минеральные отходы часто являются токсичными вследствие относительно высоких концентраций соединений и тяжелых металлов, таких как асбест, сурьма, мышьяк, барий, кадмий, хром, кобальт, медь, свинец, магний, марганец, ртуть, молибден, никель, осмий, фосфор, селен, серебро, сера, торий, олово, вольфрам, уран, ванадий и цинк.

Одна из характеристик минеральных отходов заключается в том, что они сильно различаются по составу. Например, поскольку зола мусоросжигателей твердых бытовых отходов представляет собой результат сожжения муниципальных отходов, мусора и отбросов, то композиция золы мусоросжигателей твердых муниципальных отходов является недостаточно определенной и включает минеральные компоненты из многих и разнообразных источников, включая батареи, строительные материалы, мусор от сноса зданий и сооружений, краски, фотографический мусор, асбест, ковры, резины, велосипеды, швейные машины, механические приборы, электроприборы и чернила. Например, поскольку металлолом представляет собой результат плавки металла и металлического мусора придорожных территорий и свалок лома, то композиция металлолома является недостаточно определенной и включает, в зависимости от того извлекают ли из лома чистые металлы или нет, большой процент цинка из оцинкованного отхода, магний, железо и свинец из выброшенных автомобилей, относительно высокое содержание серы и галогенов из пластмассовых и резиновых деталей, а также многочисленные неорганические компоненты из

- 3 011293 красок, автомобильных покрытий, автомобильных жидкостей (например, молибден) и экзотический металлолом.

Безопасная утилизация токсичного минерального отхода представляет собой значительную проблему. Основным способом утилизации токсичного отхода является интернирование в земляных насыпях. Недостатки интернирования токсичных отходов хорошо известны и включают необходимость преобразования больших площадей земли в токсичные пустыри, опасные условия работы на участках интернирования, просачивание токсичного отхода в грунт, потенциальное загрязнение водоносного слоя и связанные с транспортировкой отхода к отдаленным участкам затраты и риски. Кроме того, известно, что, в конечном счете, населенные пункты растут, сближаясь с участками интернирования отходов, что вызывает необходимость передислоцировать опустошенную и загрязненную почву на новые и еще более отдаленные участки интернирования. Очевидно, что предпочтительно постоянно проводить нейтрализацию токсичного минерального отхода.

Один подход, известный в области нейтрализации токсичного минерального отхода, представляет собой производство материала, включающего матрицу, в которой уловлены токсичные компоненты минерального отхода. В некоторых случаях произведенному материалу придают такую форму, что он может быть использован как полезный продукт. В других случаях проводят захоронение произведенного материала.

В патенте США 5008503, авторы Набитою и др., описан способ объединения полученных из осадков сточных вод зол с глиной, тонкодисперсными порошками водогранулированных агрегатов, речным песком, пылью стенового кафеля, полевым шпатом и обжига объединенного продукта при 1100°С для получения спеченного продукта, пригодного в качестве материала для дорожного покрытия.

В патенте США 4112033, автор Ыпд1, описан кирпич, изготовленный обжигом смеси осадка сточных вод, содержащегося в количестве от 30 до 50% по массе, с глиной при примерно 1100°С для получения спеченного продукта, улавливающего токсичные компоненты осадка.

В патенте США 5175134, авторы Капеко и др., описан способ нейтрализации полужидких отходов объединением затвердевшей расплавленной золы сожженного шлака полужидких отходов с агальматолитом и глиной и обжигом смеси для получения спеченного кафеля.

В патенте США 4120735, автор διηίΐΐι. описан спеченный продукт, изготовленный из композиции золы мусоросжигателя муниципальных отходов, угольной золы уноса и связующего вещества (например, силиката натрия), обожженной при температуре вплоть до 1230°С. Аналогично, в патенте США 4977837, авторы К.оо8 и др., описан спеченный продукт, изготовленный из композиции золы уноса мусоросжигателя муниципальных отходов и стеклообразующего агента, такого как стеклянный бой или глина, обожженной при температуре вплоть до 1180°С.

В патенте США 4911757, авторы Ьупп и др., описано улавливание тяжелых металлов в подобном бетону материале на основе угольной золы уноса и других компонентов.

В патенте США 4988376, авторы Мазоп и др., описано спекание богатой диоксидом кремния почвы, загрязненной тяжелыми металлами, такими как свинец, в присутствии флюсующего агента (например, троны, оксида бария, оксида кальция, оксида лития) при температуре вплоть до примерно 1200°С. В случаях, когда почва имеет недостаточное содержание диоксида кремния, добавляют стеклянный бой или кварц. Некоторые металлы (например, свинец, золото, серебро, платину) отделяют от стекла и извлекают, добавляя восстановители (например, пшеничную муку, древесный уголь, серу).

Вышеперечисленные и другие способы приводят к улавливанию токсичного отхода в сплавленной матрице, по существу, в неизменном виде, так что остается опасность воздействия токсичного отхода.

В данной области техники предпочтительный способ улавливания токсичного отхода заключается в полном стекловании в противоположность улавливанию в спеченном материале, как описано выше. При стекловании токсичные компоненты гомогенно смешиваются внутри водонепроницаемого стекла. К сожалению, химический состав большинства токсичных промышленных отходов таков, что стеклование не представляет собой лишь нагревание отхода до подходящей температуры. Часто отход разлагается до достижения температуры стеклообразования или же температура стеклообразования является настолько высокой, что способ становится нерентабельным. В результате большинство способов стеклования отходов требуют добавления относительно дорогих агентов стеклообразования, например, оксида алюминия, бетона, доломита, известняка, фонолита и песка.

В патенте США 4666490, автор Эгаке, описана нейтрализация водного потока (например, жидкого отхода установки нанесения гальванопокрытий), включающего токсичные минеральные загрязнители, нагреванием потока для удаления воды и вслед за этим для превращения содержащихся в нем соединений в неорганические оксиды в расплаве стеклообразной фритты при температурах вплоть до 1400°С для обеспечения полного стеклования, что сопровождается испарением летучих компонентов, и затем охлаждением расплава с формированием стекла, улавливающего нелетучие токсичные компоненты.

В патенте США 2217808, автор Муе, описан способ превращения топочного шлака в стеклоподобную композицию добавлением диоксида кремния к расплавленному шлаку, поступающему из топочной камеры, при температуре примерно 1400-1500°С.

Часто наблюдаемая проблема, сопутствующая обработке токсичного минерального отхода, имеет

- 4 011293 место, когда отход содержит большой процент газообразующих компонентов, таких как галогениды (фториды, хлориды, бромиды, иодиды), соединения серы и соединения фосфора, которые лишь слабо растворимы в расплавленных стеклокомпозициях. При обработке таких отходов стеклованием образуются большие объемы токсичных, вызывающих коррозию и оказывающих вредное воздействие на окружающую среду отходящих газов, таких как НС1, С1₂, НВг, Вг₂, 8О₂ и 8О₃. Выработка данных газов приводит к необходимости выброса данных газов в окружающую среду (делая бессмысленным данный способ) или к необходимости установки дорогих систем скрубберов, что создает новый токсичный минеральный отход. Кроме того, образование данных газов затрудняет манипулирование горячей, вызывающей коррозию, токсичной пеной, которая представляет собой значительную опасность с точки зрения техники безопасности на рабочем месте.

В патенте США 5035735, авторы Р1ерег и др., описан способ стеклования отходов с высоким содержанием газообразующих компонентов (таких как асбест, строительный мусор и мусор от сноса зданий и сооружений, осадок сточных вод, лаковая масса, золы и пыль фильтра очистки от пыли) путем формирования слоя варочной пены, плавающего на слое расплавленного стекла для абсорбции большой части высвобожденных газов. Стеклование и образование слоя варочной пены достигается за счет введения в отход материалов, таких как Са8О₄, СаС1₂, Мд8О₄, МдС1₂, фонолит, песок диоксида кремния или стеклянный бой.

В РСТ-патентной заявке РСТ/С892/00025, опубликованной как АО 93/05894, авторы У1сек и др., описан способ стеклования пылевого отхода, такого как богатая серой зола уноса мусоросжигателя, совместно с боем желтого железосодержащего стекла. Железо стеклянного боя восстанавливает анионы серы до серы, предотвращая образование сульфатной пены.

Как обсуждалось выше, токсичный минеральный отход часто стеклуют для долгосрочного размещения. Стеклование токсичного отхода включает смешение токсичного отхода со стеклообразующим материалом с тем, чтобы произвести стеклуемую смесь. В большинстве случаев необходимо, чтобы достаточное количество стеклообразующего материала было добавлено к отходу, чтобы имело место полное улавливание токсичных материалов. Достаточное количество стеклообразующего материала зависит от композиции отхода. В некоторых случаях, когда токсичные компоненты не очень хорошо растворимы в стекле, достаточное количество является весьма большим. Смесь плавится и при охлаждении затвердевает с образованием стекла. Стекло нерастворимо в воде и как таковое представляет собой подходящую матрицу для улавливания токсичных отходов. Однако известно, что металлы выщелачиваются из стекол. Кроме того, стекла являются хрупкими и мягкими и не являются ни стойкими к эрозии, ни износоустойчивыми, и данные обстоятельства вызывают обеспокоенность относительно долгосрочной безопасности токсичного отхода, хранящегося в стекле. Такая обеспокоенность безопасностью многократно возрастает, поскольку стеклованный токсичный отход представляет собой, по существу, загрязненное стекло, причем токсичный отход увеличивает хрупкость стекла и делает такое стекло менее износоустойчивым по сравнению с другими стеклами.

Было бы предпочтительно располагать способом утилизации минеральных отходов, таких как угольная зола и токсичные отходы, свободным от недостатков, присущих способам известного уровня техники. Более конкретно, желательно располагать способом безопасной утилизации угольной золы уноса для захоронения или использовать угольную золу для изготовления продуктов с высокой добавленной стоимостью. Желательно располагать безопасным способом долгосрочного хранения минеральных отходов, в котором преодолены проблемы, связанные с газообразующими компонентами минерального отхода, но не используются дорогие стеклообразующие добавки. Предпочтительно, чтобы такой способ позволял улавливать токсичные компоненты с большей безопасностью, чем при использовании стекла.

Краткое изложение сущности изобретения

По меньшей мере, некоторые из вышеуказанных задач решены в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Принципы настоящего изобретения предусматривают утилизацию минерального отхода и угольной золы стеклованием минерального отхода совместно с угольной золой для получения твердого материала. В предпочтительных осуществлениях на стадии расстекловывания получают стеклокерамический материал или мраморовидный стекломатериал.

Согласно принципам настоящего изобретения предоставлен способ применения угольной золы, включающий: а) получение расплавленной стеклокомпозиции, включающей первую часть, образованную угольной золой, и вторую часть, образованную минеральным отходом; Ь) выдерживание расплавленной стеклокомпозиции в расплавленном состоянии в течение периода времени для того, чтобы восстановить компоненты композиции-предшественника стекла; и с) отверждение расплавленной стеклокомпозиции для того, чтобы получить твердый материал.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения получение расплавленной стеклокомпозиции включает: ί) смешение угольной золы с минеральным отходом для получения композициипредшественника стекла; и ίί) плавление композиции-предшественника стекла для получения расплавленной стеклокомпозиции.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения расплавленная стеклокомпозиция вклю

- 5 011293 чает восстановитель, предпочтительно углерод. В одном варианте осуществления настоящего изобретения восстановитель представляет собой углеродный компонент минерального отхода. В одном варианте осуществления настоящего изобретения восстановитель представляет собой углеродный компонент угольной золы.

Угольная зола включает угольную золу уноса, угольный шлак или комбинацию обоих. В одном варианте осуществления настоящего изобретения углеродный компонент угольной золы присутствует в угольной золе в количестве более чем примерно 0,5%, более чем примерно 1%, более чем примерно 5% или даже более чем примерно 10% по массе.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения угольная зола включает 8ίΘ₂ в количестве от примерно 30 до примерно 75% или от примерно 40 до примерно 71% по массе, не включающей углерод.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения угольная зола включает А1₂О₃ в количестве от примерно 10 до примерно 40% или от примерно 15 до примерно 35% по массе, не включающей углерод.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения угольная зола включает Ре₂О₃ в количестве от примерно 2 до примерно 20% или от примерно 3 до примерно 16% по массе, не включающей углерод.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения минеральный отход включает отход, выбираемый из группы отходов, состоящей из алюминиевого шлака, асбеста, остатка переработки автомобильного лома, батарей, шлака доменных печей, цементного отхода, аспидного сланца угольных шахт, загрязненных почв, мусора от сноса зданий и сооружений, шлака электрической дуговой печи, отхода установок нанесения гальванопокрытий, дымового газового отхода десульфуризации, геологических отходов рудников, содержащего тяжелые металлы отхода, отхода мусоросжигателей системы медицинского обслуживания, золы мусоросжигателей, неорганических фильтрационных материалов, ионообменных смол, свинцового шлака, остатка мусоросжигателей муниципальных отходов, образованного красками отхода, бумажной золы, фотографического отхода, красного отхода, резинового отхода, отхода скруббера, золы осадка сточных вод, металлолома, твердых компонентов шлама, твердого остатка потоков сточных вод, использованных вспомогательных фильтрующих материалов, стального шлака, кафельной пыли, городского отхода, образованного лаками отхода, цеолитов, цинкового шлака и их смесей.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения минеральный отход, по существу, представляет собой отход, выбираемый из группы отходов, состоящей из алюминиевого шлака, асбеста, остатка переработки автомобильного лома, батарей, шлака доменных печей, цементного отхода, аспидного сланца угольных шахт, загрязненных почв, мусора от сноса зданий и сооружений, шлака электрической дуговой печи, отхода установок нанесения гальванопокрытий, дымового газового отхода десульфуризации, геологических отходов рудников, содержащего тяжелые металлы отхода, отхода мусоросжигателей системы медицинского обслуживания, золы мусоросжигателей, неорганических фильтрационных материалов, ионообменных смол, свинцового шлака, остатка мусоросжигателей муниципальных отходов, образованного красками отхода, бумажной золы, фотографического отхода, красного отхода, резинового отхода, отхода скруббера, золы осадка сточных вод, металлолома, твердых компонентов шлама, твердого остатка потоков сточных вод, использованных вспомогательных фильтрующих материалов, стального шлака, кафельной пыли, городского отхода, образованного лаками отхода, цеолитов, цинкового шлака и их смесей.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения минеральный отход включает газообразующие компоненты (такие как компоненты, включающие по меньшей мере один атом фосфора, серы или галогена) в количестве более чем примерно 2, 4, 6, 10 или даже 20% по массе.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения доля первой части равна более чем примерно 30%, более чем примерно 50%, более чем примерно 80%, более чем примерно 100% или даже более чем примерно 150% по массе доли второй части.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения добавляют флюсующий агент для получения композиции-предшественника стекла. Предпочтительно, флюсующий агент представляет собой отход производства, такой так отход скруббера.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения в тот период времени, когда расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в расплавленном состоянии, температура расплавленной стеклокомпозиции составляет более чем примерно 1200°С, более чем примерно 1250°С, более чем примерно 1300°С или даже более чем примерно 1350°С. В одном варианте осуществления настоящего изобретения в тот период времени, когда расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в расплавленном состоянии, температура расплавленной стеклокомпозиции составляет менее чем примерно 1600°С или даже выше чем примерно 1500°С. В одном варианте осуществления настоящего изобретения период времени, в течение которого расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в расплавленном состоянии, составляет более чем примерно 1 ч, более чем примерно 2 ч или даже более чем примерно 3 ч.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает охлаждение расплавленной стеклокомпозиции, так что полученный материал пред

- 6 011293 ставляет собой стекло. В одном варианте осуществления настоящего изобретения стекло является отлитым, прокатным, выдувным, прессованным или вытянутым.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает расстекловывание расплавленной стеклокомпозиции.

Предпочтительно, расстекловывание включает выдерживание расплавленной стеклокомпозиции в расплавленном состоянии в течение периода времени, достаточного для обеспечения кристаллизации по меньшей мере части расплавленной стеклокомпозиции. В одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает расстекловывание расплавленной стеклокомпозиции, так что полученный твердый материал представляет собой мраморовидное стекло. В одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает расстекловывание расплавленной стеклокомпозиции, так что полученный твердый материал представляет собой стеклокерамику.

Согласно принципам настоящего изобретения также предоставлен твердый материал, по существу, полученный по способу настоящего изобретения.

Согласно принципам настоящего изобретения также предоставлен продукт, причем продукт включает твердый материал, изготовленный по способу настоящего изобретения. В вариантах осуществления настоящего изобретения твердый материал представляет собой стекло, стеклокерамику или мраморовидное стекло.

Согласно принципам настоящего изобретения также предусматривается использование отхода скруббера в качестве флюсующего агента.

Согласно принципам настоящего изобретения также предусматривается использование отхода скруббера в качестве флюсующего агента при производстве стекла.

Если не оговорено особо, то все использованные здесь технические и научные термины имеют такой же смысл, который вкладывает в них обычный специалист в данной области техники, к которой относится данное изобретение. Хотя при реализации на практике или тестировании настоящего изобретения могут быть использованы способы и материалы, подобные или эквивалентные здесь описанным, подходящие способы и материалы описаны ниже. В случае противоречия описание патента, включая определения, будет превалировать. Кроме того, материалы, способы и примеры являются лишь иллюстративными и не предполагаются как ограничивающие.

Краткое описание чертежа

Изобретение описано здесь только в виде примера со ссылкой на прилагаемый чертеж. Специально обращаясь к подробному описанию чертежа, следует подчеркнуть, что изложенные здесь подробности приведены только в виде примера и в целях пояснительного обсуждения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, и представлены, чтобы предоставить описание, которое, как полагают, представляет собой наиболее полезное и легко понимаемое описание принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении, попытка показать структурные детали изобретения более подробно, чем необходимо для принципиального понимания изобретения, не предпринималась, причем описание вместе с чертежом делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как на практике могут быть реализованы несколько форм изобретения.

На чертеже (известный уровень техники) представлена диаграмма зависимости между температурой и скоростью образования зародышей (штриховка) и скоростью кристаллизации (сплошная линия).

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение дает способ применения угольной золы для утилизации минерального отхода стеклованием смеси минерального отхода и угольной золы в восстановительных условиях. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения углерод угольной золы используют для восстановления компонентов отхода, в особенности газообразующих компонентов, предотвращая, таким образом, образование опасных газов. Следовательно, принципы настоящего изобретения предоставляют способ утилизации минерального отхода, который является более простым, более дешевым и более безопасным, чем способы известного уровня техники.

Во многих вариантах осуществления настоящего изобретения найдено, что произведенное стекло подходит для расстекловывания с целью производства стеклокерамик и мраморовидных стекол. Расстекловывание приводит к улавливанию внутри кристаллических фаз некоторых, если не всех, токсичных компонентов, к улавливанию, которое признано лучшим по сравнению с другими формами улавливания. Кроме того, улучшенные физические свойства и эстетическая привлекательность произведенных стеклокерамик и мраморовидных стекол в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения делают возможным либо более безопасное долгосрочное интернирование, либо производство продуктов с высокой добавленной стоимостью.

Настоящее изобретение также дает способ использования отхода скруббера в качестве флюсующего агента при производстве стекла.

Принципы и применения принципов настоящего изобретения могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемому описанию и чертежу. При внимательном рассмотрении описания и чертежа, представленных здесь, специалист в данной области техники может внедрить принципы настоящего изо

- 7 011293 бретения без излишних усилий или экспериментирования.

Прежде чем приступить к подробному изложению по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения, необходимо отметить, что изобретение не ограничено в своем применении описанными здесь частностями. Изобретение может быть реализовано в других вариантах осуществления и может быть внедрено на практике или реализовано различными способами. Также ясно, что использованная здесь фразеология и терминология служат целям описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

В целом, использованная здесь номенклатура и лабораторные методики, использованные в настоящем изобретении, включают технические приемы из областей химии и техники. Данные технические приемы досконально объяснены в литературе. Если не оговорено особо, то все использованные здесь технические и научные термины имеют такой же смысл, который вкладывает в них обычный специалист в данной области техники, к которой относится данное изобретение. Кроме того, описания, материалы, способы и примеры являются лишь иллюстративными и не предполагаются как ограничивающие. Способы и материалы, подобные или эквивалентные здесь описанным, могут быть использованы при реализации на практике или тестировании настоящего изобретения. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие упомянутые ссылки включены во всей полноте посредством ссылки так, как если бы они были полностью здесь изложены. В случае противоречия описание патента, включая определения, будет превалировать.

Использованные здесь термины содержащий и включающий или их грамматические варианты следует рассматривать как уточняющие установленные признаки, целые числа, стадии или компоненты, не исключая, однако, добавление одного или нескольких дополнительных признаков, целых чисел, стадий, компонентов или их групп. Данный термин заключает в себе термины состоящий из и состоящий по существу из.

Использованную здесь фразу состоящий по существу из или ее грамматические варианты следует рассматривать как уточняющие установленные признаки, целые числа, стадии или компоненты, не исключая, однако, добавление одного или нескольких дополнительных признаков, целых чисел, стадий, компонентов или их групп, если только дополнительные признаки, целые числа, стадии, компоненты или их группы не изменят существенным образом основные и оригинальные характеристики заявленной композиции, устройства или способа.

Термин способ относится к приемам, средствам, методикам и операциям, служащим для решения данной задачи, включая, без ограничения указанными, такие приемы, средства, методики и операции, которые либо известны специалистам, работающим в химической, фармакологической, биологической, биохимической и медицинской областях, либо легко выводимы из известных приемов, средств, методик и операций этими специалистами. Реализация способов настоящего изобретения включает выполнение или решение намеченных задач или шагов вручную, используя автоматическое управление или комбинацией обоих вариантов.

Настоящее изобретение включает применение двух отходов производства, угольной золы и минерального отхода, для производства твердого материала, который безопасен для интернирования или, предпочтительно, для использования в производстве продуктов с высокой добавленной стоимостью.

Здесь термин минеральный отход подразумевает композицию отхода, содержащую органические компоненты в количестве менее чем примерно 70, или 60, или 50, или 40, или 30% по массе. Часто минеральный отход представляет собой продукт сожжения неминерального отхода.

Стадия способа настоящего изобретения включает получение расплавленной стеклокомпозиции, включающей первую часть, образованную угольной золой, и вторую часть, образованную минеральным отходом. Расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в расплавленном состоянии в течение некоторого периода времени для того, чтобы сделать возможным восстановление компонентов композициипредшественника стекла. В конечном счете, расплавленную стеклокомпозицию отверждают для того, чтобы получить твердый материал.

Расплавленную стеклокомпозицию получают любым из множества различных способов. Например, в одном варианте осуществления настоящего изобретения сначала расплавляют минеральный отход, а затем добавляют угольную золу. В одном варианте осуществления настоящего изобретения сначала расплавляют угольную золу, а затем добавляют минеральный отход. В другом осуществлении настоящего изобретения определенное количество угольной золы смешивают и расплавляют совместно с некоторым количеством минерального отхода и затем добавляют (периодически или одновременно) большее количество как угольной золы, так и минерального отхода до получения расплавленной стеклокомпозиции, состоящей из первой части, образованной угольной золой, и второй части, образованной минеральным отходом.

Предпочтительное осуществление получения расплавленной стеклокомпозиции настоящего изобретения включает смешение угольной золы (предпочтительно первая часть) с минеральным отходом (предпочтительно вторая часть) для получения композиции-предшественника стекла и последующее плавление композиции-предшественника стекла для получения расплавленной стеклокомпозиции.

Вслед за этим расплавленную стеклокомпозицию выдерживают в расплавленном состоянии при

- 8 011293 определенной температуре варки (обычно более чем примерно 1200°С, более чем примерно 1250°С, более чем примерно 1300°С или даже более чем примерно 1350°С, но обычно менее чем примерно 1600°С и более предпочтительно менее чем примерно 1500°С) в течение периода времени (обычно более чем 1 ч, более чем 2 ч или даже более чем 3 ч), в течение которого обеспечивается полное стеклование стеклокомпозиции, летучие компоненты высвобождаются из стеклокомпозиции, а компоненты расплавленной стеклокомпозиции восстанавливаются.

В общем, для того, чтобы восстановить компоненты стеклокомпозиции, расплавленная стеклокомпозиция включает восстановитель, предпочтительно углерод.

Здесь термин восстановитель обозначает агент, способный восстанавливать оксиды серы (такие как 8О₄ и/или 8О₃) и/или оксиды фосфора и/или один или более галогенов в условиях, наблюдающихся в расплавленной стеклокомпозиции.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения источником углерода является углеродный компонент минерального отхода. Однако в известном в настоящее время наилучшем варианте реализации принципов настоящего изобретения источником углерода является угольная зола, см. ниже.

Цель вариантов осуществлений настоящего изобретения заключается в том, чтобы безопасно уловить токсичные компоненты минерального отхода. Поскольку принципы настоящего изобретения рассчитаны на то, чтобы являться общеприменимыми, то если и существуют, то незначительные ограничения, относящиеся к природе и характеру минерального отхода. Обычно предпочтительно удалять воду из отхода, имеющего высокое водосодержание для того, чтобы избежать образования больших объемов пара. Предпочтительно, минеральный отход, используемый для получения расплавленной стеклокомпозиции, включает или по существу представляет собой минеральный отход, включающий, но не ограниченный названными, алюминиевый шлак, асбест, остаток переработки автомобильного лома, батареи, шлак доменных печей, цементный отход, аспидный сланец угольных шахт, загрязненные почвы, мусор от сноса зданий и сооружений, шлак электрической дуговой печи, отход установок нанесения гальванопокрытий, дымовой газовый отход десульфуризации, геологические отходы рудников, содержащий тяжелые металлы отход, отход мусоросжигателей системы медицинского обслуживания, золу мусоросжигателей, неорганические фильтрационные материалы, ионообменные смолы, свинцовый шлак, остаток мусоросжигателей муниципальных отходов, образованный красками отход, бумажную золу, фотографический отход, красный отход, резиновый отход, отход скруббера, золу осадка сточных вод, металлолом, твердые компоненты шлама, твердый остаток потоков сточных вод, использованные вспомогательные фильтрующие материалы, стальной шлак, кафельную пыль, городской отход, образованный лаками отход, цеолиты, цинковый шлак и их смеси.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что летучие формы газообразующих компонентов (например, компонентов, включающих фосфор, серу и галогены) восстанавливаются до нелетучих форм, которые улавливаются твердым материалом или его частью, произведенным по способу настоящего изобретения. Таким образом, по сравнению со способами известного уровня техники настоящее изобретение уменьшает количество токсичных газов за счет восстановления газообразующих компонентов в форму, которая остается уловленной в произведенном твердом материале. В осуществлениях настоящего изобретения минеральный отход включает газообразующие компоненты, главным образом фосфор, серу и галогены, в количестве более чем примерно 2%, более чем примерно 4%, более чем примерно 6%, более чем примерно 10% и даже более чем примерно 20% по массе. В связи с этим массовый процент газообразующих компонентов определяют как потерю массы минеральным отходом после нагревания при 1500°С в присутствии кислорода в течение периода времени, достаточного для стабилизации массы.

Основное назначение угольной золы, использованной при получении расплавленной стеклокомпозиции настоящего изобретения, заключается в том, чтобы выступать стеклообразующим агентом для стеклования минерального отхода. Преимущества угольной золы как стеклообразующего агента для минерального отхода многочисленны и включают тот факт, что композиция угольной золы такова, что многие различные минеральные отходы эффективно стеклуются при использовании угольной золы. Кроме того, найдено, что угольная зола имеет подходящую композицию для того, чтобы сделать возможным эффективное расстекловывание, когда необходимо произвести стеклокерамику или мраморовидное стекло. Кроме того, разные золы имеют различающиеся композиции (см., например, таблицу), что тем самым дает возможность подобрать конкретную золу или зольную смесь для того, чтобы обеспечить наиболее эффективное стеклование данного минерального отхода или произвести твердый материал, имеющий желаемые свойства. Не менее важен и тот факт, что угольная зола является дешевой (представляя собой отход производства, доступный практически в неограниченных количествах), что позволяет использовать, по существу, любое количество угольной золы для стеклования данного количества минерального отхода.

Как видно из данных таблицы, хотя наблюдаются значительные различия в композициях различных зол, все они имеют одинаково высокое содержание диоксида кремния и оксида алюминия, а также значительное содержание железа и щелочных земель. Данные свойства делают угольную золу подходящим стеклообразующим агентом для утилизации минерального отхода.

- 9 011293

Предпочтительно, угольная зола, пригодная для реализации принципов настоящего изобретения, включает 8ίΘ₂ в количестве от примерно 30 до примерно 75% по массе, не включающей углерод, или даже включает 8ίΘ₂ в количестве от примерно 40 до примерно 71% по массе, не включающей углерод.

Предпочтительно, угольная зола, пригодная для реализации принципов настоящего изобретения, включает А1₂О₃ в количестве от примерно 10 до примерно 40% по массе, не включающей углерод, или даже включает А1₂О₃ в количестве от примерно 15 до примерно 35% по массе, не включающей углерод.

Предпочтительно, угольная зола, пригодная для реализации принципов настоящего изобретения, включает Ее₂О₃ в количестве от примерно 2 до примерно 20% по массе, не включающей углерод, или даже включает Ее₂О₃ в количестве от примерно 3 до примерно 16% по массе, не включающей углерод.

В общем, зола уноса, шлак или смесь обоих пригодны для осуществления принципов настоящего изобретения. При этом, как уже было указано выше, предпочтительно, чтобы расплавленная стеклокомпозиция настоящего изобретения включала восстановитель, главным образом углерод. Поскольку угольная зола уноса по своей природе богата углеродом, в предпочтительном способе настоящего изобретения применяемой угольной золой является угольная зола уноса или смесь угольной золы уноса и зольного шлака, которая обладает достаточным содержанием углерода. Достаточное содержание углерода представляет собой функциональный термин, как описано ниже. При этом согласно принципам настоящего изобретения углеродный компонент угольной золы присутствует в угольной золе в количестве более чем примерно 0,5% по массе, более чем примерно 1% по массе, более чем примерно 5% по массе и даже более чем примерно 10% по массе.

В предпочтительном варианте осуществления точную композицию используемой угольной золы, а также соотношение первой части (используемой угольной золы) и второй части (используемого минерального отхода) подбирают таким образом, чтобы гарантировать минимальную утечку токсичных компонентов в виде летучих выбросов в ходе стадий плавления и стекловарения способа настоящего изобретения и чтобы подобрать свойства производимого материала. Найдено, что в целом предпочтительно до обработки партии минерального отхода произвести сначала ряд маломасштабных экспериментов с переменными отношениями первой части, образованной угольной золой, ко второй части, образованной минеральным отходом, до получения приемлемого результата. Такие предварительные эксперименты не являются излишним исследованием, поскольку необходимость в предварительных экспериментах обусловлена тем фактом, что как композиция угольной золы, так и композиция минерального отхода, как правило, являются недостаточно определенными и изменяются на регулярной основе, а определение точных композиций представляет собой требующую больших затрат времени и дорогостоящую задачу.

Найдено, что хотя любое количество угольной золы является потенциально достаточным для получения приемлемых результатов, однако, предпочтительно, чтобы количество первой часть составляло более чем примерно 30% по массе, более чем примерно 50% по массе, более чем примерно 80% по массе, более чем примерно 100% по массе или более чем примерно 150% по массе количества второй части в зависимости от композиции угольной золы, содержания углерода в угольной золе и композиции минерального отхода.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает охлаждение расплавленной смеси, так что полученный твердый материал представляет собой стекло. Затем стекло обрабатывают способами известного уровня техники, включающими такие способы, как литье, прокатка, дутье, прессование и вытягивание.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отверждение расплавленной стеклокомпозиции включает расстекловывание расплавленной стеклокомпозиции.

Расстекловывание обычно включает выдерживание расплавленной стеклокомпозиции в расплавленном состоянии в течение периода времени, достаточного для того, чтобы сделать возможной кристаллизацию по меньшей мере некоторой части расплавленной стеклокомпозиции, или сделать возможным первоначальное получение твердого стекла и затем повторное плавление твердого стекла для расстекловывания.

Расстекловывание расплавленной стеклокомпозиции настоящего изобретения обычно проводят, применяя либо одноступенчатый, либо двухступенчатый температурный режим. В осуществлениях настоящего изобретения расстекловывание проводят для получения мраморовидного стекла. Найдено, что мраморовидные стекла, изготовленные согласно принципам настоящего изобретения, обладают исключительными эстетическими характеристиками и, таким образом, подходят для использования в качестве альтернатив мрамору. В осуществлениях настоящего изобретения расстекловывание проводят для получения стеклокерамики.

Один весьма распространенный и трудный для обработки токсичный отход включает использованные батареи. Использованные батареи считаются настолько токсичными, что это служит основанием для их отделения от других форм хозяйственно-бытовых отходов и отдельного интернирования в качестве токсичного отхода. Все этапы манипулирования батареями, включая сбор у домашних хозяйств, специальную транспортировку, дорогостоящее интернирование и дорогостоящие образовательные программы, направленные на то, что убедить потребителей отделять батареи, указывают на высокий уровень токсичности, приписываемый батареям. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения

- 10 011293 батареи рассматривают как токсичный минеральный компонент композиции-предшественника стекла настоящего изобретения. Батареи добавляют к угольной золе либо как целое, либо частями, например, в размолотом виде.

Флюсующие агенты являются важными компонентами в производстве стекла и родственных продуктов. Добавление флюсующего агента к композиции-предшественнику стекла приводит к значительному снижению температуры плавления, уменьшая затраты энергии и, следовательно, затраты на производство стекла. Кроме того, флюсующие агенты понижают вязкость расплавленной стеклокомпозиции, предоставляя возможность упрощенного манипулирования расплавленным стеклом. Известные флюсующие агенты включают СаО, К₂О, Иа₂О, Ь1₂О, РЬО, МдО, МпО и В₂О₃. В вариантах осуществления настоящего изобретения флюсующие агенты добавляют к композиции-предшественнику стекла.

Ясно, что недостатком добавления флюсующего агента является дополнительная цена, обусловленная тем, что необходимо предоставить сам флюсующий агент. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения флюсующим агентом, добавляемым к композициипредшественнику стекла, является отход производства, главным образом минеральный отход, например, отход скруббера.

Скрубберы представляют собой, по существу, устройства, применяемые для понижения уровня токсичных дымовых газов, таких как газы, содержащие оксиды серы, выбрасываемые в атмосферу различными предприятиями, такими как угольные электростанции. Определенные типы скрубберов используют щелочные соединения, такие как СаО, СаСО₃, ИаОН, Мд(ОН)₂ или Са(ОН)₂, для взаимодействия с отходящими газами, такими как 8О₂, перед их сбросом в атмосферу. Одним предпочтительным типом скруббера является мокрый скруббер системы десульфуризации дымовых газов (РОИ). Системы РОИ вводят в дымовой газ неорганическое щелочное соединение в виде водного распыляемого материала. Например, когда неорганическое щелочное соединение представляет собой СаО, то СаО реагирует с отходящим газом и оседает в виде водного шлама сульфита кальция (Са8О₃) или сульфата кальция (Са8О₄). Часто шлам системы РОИ включает значительный процент угольной золы уноса. Утилизация шлама системы РОИ представляет собой основную экологическую проблему и обычно включает окисление труднообрабатываемого сульфита кальция в сульфат кальция.

Отход скруббера, включая шлам системы РОИ, представляет собой исключительно подходящий тип отхода для переработки согласно принципам настоящего изобретения. Шлам системы РОИ добавляют к угольной золе и серосодержащим компонентам, восстановленным до элементарной серы и СаО, причем СаО действует как флюсующий агент в расплавленной стеклокомпозиции. В некоторых осуществлениях настоящего изобретения содержание угольной золы уноса и, следовательно, содержание углерода в шламе системы РОИ таково, что шлам системы РОИ представляет собой источник как угольной золы, так и минеральных отходных компонентов расплавленной стеклокомпозиции.

Другим аспектом настоящего изобретения является применение отхода скруббера в качестве флюсующего агента при производстве стекла, стеклокерамик, мраморовидных стекол и т.п. В общем, когда отход скруббера представляет собой главным образом СаО, СаСО₃ или т.п., то отход скруббера непосредственно добавляют как флюсующий агент. Летучие примеси удаляются, а токсичные примеси остаются уловленными в образующемся, в конечном счете, твердом материале. Когда отход скруббера включает значительную долю соединений, таких как Са8О₃ или Са8О₄, то первую восстановительную стадию проводят с тем, чтобы получить требуемый флюсующий агент.

Основное преимущество использования отхода скруббера в качестве флюсующего агента в соответствии с принципами настоящего изобретения заключается в замене относительного дорогого чистого флюсующего агента дешевым отходом производства.

Принципы настоящего изобретения характеризуются производством твердого материала из угольной золы и минерального отхода. Принципы настоящего изобретения в целом являются пригодными и применимыми практически для любого типа минерального отхода.

В области утилизации отходов настоящее изобретение позволяет использовать достаточное количество дешевой угольной золы в качестве стеклообразующего агента для безопасного улавливания токсичного минерального отхода. Как обсуждалось во введении, в данной области техники известно смешение минерального отхода с предшественником стекла с целью получения смеси-предшественника стекла, которую затем стеклуют. Например, в патенте США 4820328 описано использование стеклянного боя и каустической соды в качестве стеклообразующего агента. Известные стеклообразующие агенты, как правило, дорогостоящи и, безусловно, являются более дорогими, чем угольная зола. Тот факт, что стеклообразующий агент настоящего изобретения представляет собой широко распространенный отход производства, дает дополнительное, психологическое, преимущество, которое трансформируется в важное экономическое преимущество. В случае некоторых минеральных отходов необходимо добавлять относительно большое количество стеклообразующего агента. Поскольку стеклообразующие агенты известного уровня техники являются дорогостоящими, недобросовестные операторы склонны экономить на стеклообразующем агенте, производя потенциально токсичный стеклопродукт, принимаемый за нетоксичный. В противоположность этому, поскольку стеклообразующий агент, используемый при реализации принципов настоящего изобретения, представляет собой отход производства, то нет мотивации для такого

- 11 011293 недобросовестного поступка.

В осуществлениях настоящего изобретения произведенный материал представляет собой не стекло, а стеклокерамику или мраморовидное стекло. Поскольку оксиды многих тяжелых металлов выступают как агенты зародышеобразования (например, СеО₂, Сг₂О₃, ΜηΟ₂, Р₂О₅, 8ηΟ₂, ΤίΟ₂, ν₂Ο₅, ΖηΟ и ΖγΘ₂), то после расстекловывания относительно большая доля токсичных компонентов минерального отхода становится неотъемлемой частью кристалла и как таковая, по существу, невосприимчивой к выщелачиванию. Токсичные компоненты более эффективно нейтрализуются улавливанием в расстеклованном материале, чем в стекле и, таким образом, кристаллические материалы, такие как стеклокерамики и мраморовидные стекла настоящего изобретения являются предпочтительными для долгосрочного интернирования токсичного отхода. Благодаря превосходным физическим характеристика и улучшенным свойствам нейтрализовать токсичные отходы, стеклокерамики, производимые в соответствии с принципами настоящего изобретения, пригодны для производства изделий конечного потребления с высокой добавленной стоимостью, а не только для интернирования. Весьма предпочтительным является применение таких стеклокерамик при строительстве дорог и бетонных конструкций (в качестве заменителя гравия) и в качестве строительных изделий, например, облицовочного материала (в качестве заменителя мрамора) или как кафель.

Принципы настоящего изобретения также характеризуются повышенной безопасностью. Уменьшение и даже предотвращение образования горячих, токсичных, коррозионно-активных газов и пен уменьшает риски для работников, реализующих принципы настоящего изобретения.

Принципы настоящего изобретения также характеризуются тем, что являются малозатратными и экономически выгодными, факт, который обусловлен применением дешевых отходов производства в качестве субстратов. В предпочтительных осуществлениях даже флюсующие агенты, полезные для понижения температуры стеклообразования композиции-предшественника стекла настоящего изобретения и, таким образом, для снижения энергозатрат, представляют собой отход производства. Кроме того, тот факт, что компоненты стеклокомпозиции восстанавливаются, ведет к сокращению до минимума образования дополнительных отходов производства, производимых по способу настоящего изобретения. Поскольку производство токсичных газов уменьшено, то при практическом осуществлении принципов настоящего изобретения количество произведенного отхода скруббера (или токсичных газов, выброшенных в атмосферу) значительно снижено.

Поскольку угольная зола уноса представляет собой тонкодисперсный, напоминающий тальк, порошок, транспортировка угольной золы уноса предпочтительно проводится в герметизированном контейнере, что является фактором, увеличивающим стоимость утилизации угольной золы уноса. В предпочтительном осуществлении принципы настоящего изобретения осуществляют на практике вблизи источника угольной золы уноса, такого как угольная электростанция. Поскольку угольная зола уноса доступна без необходимости ее транспортировки и поскольку источник энергии, необходимой для стеклования композиции-предшественника стекла настоящего изобретения, находится поблизости, то необходимой является только транспортировка минерального отхода-субстрата. Осуществление принципов настоящего изобретения вблизи источника угольной золы уноса снижает расходы и увеличивает безопасность, по существу, дешевого и безопасного способа настоящего изобретения в еще большей степени.

Настоящее изобретение также характеризуется исключительно бережным отношением к окружающей среде. Настоящее изобретение утилизирует отход, включая токсичный отход, превращая его в безопасные и полезные формы. Настоящее изобретение предполагает относительно умеренные потребности в энергии в случае использования подходящих отходов производства в качестве флюсующих агентов. Настоящее изобретение снижает выбросы токсичных и загрязняющих газов.

Как обсуждалось выше, способ настоящего изобретения приводит к получению твердого материала, как правило, стекла, мраморовидного стекла или стеклокерамики. В осуществлениях настоящего изобретения произведенный твердый материал подвергают захоронению. В предпочтительных осуществлениях настоящего изобретения произведенный твердый материал используют для фасонирования многочленных и разнообразных полезных продуктов, включая названные, но не ограничиваясь ими, кафельные плитки, плитки для пола, облицовочные материалы, плиты, строительные материалы и заменяющий гравий материал для использования, например, при строительстве дорог, земляных полотен автодорог и на полигонах захоронения мусора.

Примеры.

Далее приведена ссылка на нижеследующий пример, который вместе с вышеприведенным описанием иллюстрирует изобретение неограничивающим образом.

Материалы.

Две разные угольные золы уноса были получены от электростанции РШепЬегд Ро\тег ΡΙηηΙ (Ашкелон, Израиль).

Первая угольная зола уноса, получающаяся в результате сожжения угля из Южноафриканской Республики, имела минеральный состав, образованный

8Ю₂ (38-44 частей по массе),

Ре₂О₃ (4,5-5,5 частей по массе),

- 12 011293

Л1₂0з (32-36 частей по массе),

Т10₂ (1,0-1,5 части по массе),

СаО (10-14 частей по массе),

МдО (1,8-2,5 части по массе),

8О₃ (2,0-4,0 части по массе),

Να₂0 (0,3-0,5 части по массе),

К₂О (0,1-0,5 части по массе) и углеродом в количестве приблизительно 13% по массе.

Стеклование данной золы при 1500°С в течение 2 ч приводило к потере золой приблизительно 30% массы.

Вторая угольная зола уноса, получающаяся в результате сожжения угля из Австралии, имела минеральный состав, образованный 8ί0₂ (60-62 частей по массе), Ре₂О₃ (8,0-9,0 частей по массе), А1₂О₃ (19-20 частей по массе), Т1О₂ (0,8-1,5 части по массе), СаО (2,5-3,5 части по массе), МдО (1,0-1,7 части по массе), 8О₃ (2,0-3,0 части по массе), Να₂0 (0,3-0,5 части по массе) и К₂О (1,5-2,0 части по массе) и углеродом в количестве приблизительно 10% по массе. Стеклование данной золы при 1500°С в течение 2 ч приводило к потере золой приблизительно 25% массы.

Утилизация токсичного промышленного отхода.

Порошкообразный токсичный промышленный отход предоставила организация, занимающаяся удалением отходов. Токсичный отход представлял собой объединенный отход из многих источников, но накладная, сопровождавшая отход, указывала, что отход состоял из А1₂О₃ в количестве до 50%, 8 в количестве до 35%, 81О₂ в количестве до 7%, СбО в количестве до 4%, N10 в количестве до 2%, Сг₂О₃ в количестве до 1%, Вг в количестве до 2% и С1 в количестве до 4%. Стеклование золы при 1500°С в течение 2 ч приводило к потере золой приблизительно 40% массы.

Десять разных смесей-предшественников стекла получали смешением токсичного промышленного отхода с первой угольной золой уноса в соотношениях (отход/зола), равных 34:66, 33:67, 32:68, 31:69, 30:70, 29:71, 28:72, 27:73, 26:74 и 25:75.

кг каждой из десяти смесей-предшественников стекла расплавляли для формирования стеклокомпозиции и нагревали до температуры в диапазоне от 1450 до 1550°С в течение примерно 4 ч в камерной печи №1Ьег111егш НТ 12/17 (№1Ьег111егш СшЬН, Бремен, Германия).

Каждую смесь отливали в виде плиты размером 20 смх20 см и расстекловывали в двухступенчатом режиме. Для формирования центров зародышеобразования смесь охлаждали со скоростью 60°С/ч до 800°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 800°С. Затем смесь нагревали со скоростью 60°С/ч до 1100°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 1100°С.

Полученные стеклокерамические плиты имели узор в виде тонкодисперсных светло-коричневых и темно-коричневых структур. Все стеклокерамические пластины имели плотную и плотно упакованную кристаллическую фазу. Плита, включающая только 25% токсичного отхода, содержала кристаллы размером приблизительно 1 мкм и обладала механическими свойствами и внешним видом, подходящими для использования в качестве половой плитки. Было найдено, что плиты, включающие больший процент токсичного отхода, имеют кристаллы размером приблизительно 10 мкм. Все пластины являлись кристаллическими и как таковые пригодными для безопасного захоронения токсичного отхода.

Важно, что суммарная потеря массы для смеси - предшественника стекла с соотношением 34:66, служащей для формирования стеклокерамики, составляла только приблизительно 9% суммарной объединенной массы, что указывает на то, что газообразующие соединения, такие как галогены, соединения серы и соединения фосфора восстановились и не были выброшены в атмосферу. Кроме того, можно допустить, что, по меньшей мере, некоторые металлы восстановились до карбидов.

Утилизация отхода, образованного металлоломом.

Уайиба Р1або1 (Ашдод, Израиль) предоставила три типа порошкообразного токсичного минерально го отхода. Первый тип токсичного минерального отхода представлял собой продукт плавленого металлолома. Накладная металлолома указывала на композицию, образованную 0,75-0,90% А1₂О₃, 0,06-0,10% ВаО, 5,90-7,40% СаО, 0,25-0,30% СиО, 18,3-21,7% Ре₂О₃, 1,25-1,55% К₂О, 1,0-1,7% МдО, 1,8-2,4% МпО, 1,4-1,7% №_;О. 0,06-0,10% Р₂О₅, 4,5-6,3% РЬО, 0,5-0,7% 8О₂, 0,3-0,6% 81О₂, 0,06-0,10% 8пО и 55,0-61,0% Ζη0. Второй тип токсичного отхода представлял собой богатый магнием отход, включающий магний в количестве по меньшей мере 96% по массе. Третий тип токсичного отхода представлял собой загрязненный оксид кальция из скрубберов плавильной печи. Было указано, что плавильная печь при нормальной работе производила три типа отхода в массовом соотношении 10:1:1.

Тринадцать разных смесей-предшественников стекла получали смешением металлолома, второй угольной золы уноса, токсичного отхода скруббера и богатого магнием отхода в соотношениях (отход/зола/отход скруббера/Мд), равных 50:50:0:0, 45:55:0:0, 40:60:0:0, 35:65:0:0, 30:70:0:0, 25:75:0:0, 20:80:0:0, 50:50:10:0, 20:80:10:0, 50:50:0:10, 20:80:0:10, 50:50:10:10 и 20:80:10:10.

кг каждой из смесей расплавляли и нагревали до температуры в диапазоне от 1350 до 1450°С в течение примерно 3 ч в камерной печи №1Ьег111егш НТ 12/17 (№Ьег111егш СшЬН, Бремен, Германия). Найдено, что как загрязненный отход скруббера, так и богатый магнием отход действовали как флюсующие

- 13 011293 агенты, понижая температуру стеклообразования на величину вплоть до 50°С.

В некоторых случаях расплавленное стекло гранулировали в воде. Было найдено, что полученный черный стеклогранулят представляет собой подходящий материал для мощения или для безопасного удаления захоронением.

В других случаях расплавленную стеклосмесь отливали в виде плиты размером 20 смх20 см и расстекловывали в двухступенчатом режиме. Для формирования центров зародышеобразования смесь охлаждали со скоростью 60°С/ч до 800°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 800°С. Затем смесь нагревали со скоростью 60°С/ч до 1100°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 1100°С. Полученные стеклокерамические плиты имели узор в виде тонкодисперсных серых, светло-коричневых, темно-коричневых и черных структур.

Важно, что во всех случаях суммарная потеря массы смесями-предшественниками стекла, служащими для формирования стеклокерамики, составляла не более чем приблизительно 10% суммарной объединенной массы, что указывает на то, что газообразующие соединения, такие как галогены, соединения серы и соединения фосфора восстановились и не были выброшены в атмосферу.

Утилизация остатка мусоросжигателя муниципальных отходов.

Остаток мусоросжигателя муниципальных отходов (Μ\νΐΚ.) был предоставлен городом Ашкелон. Анализ отхода показал, что Μ\νΐΚ. состоял из Ре₂О₃ в количестве до 62%, А1₂О₃ в количестве до 23%, МдО в количестве до 7%, Να₂Ο в количестве до 2,2%, К₂О в количестве до 5%, МпО₂ в количестве до 1%, Сг₂О₃ в количестве до 0,2%, В₂О₃ в количестве до 0,3%, ΖηΟ в количестве до 0,2% и СиО в количестве до 0,1%, а также Ь1, V, Со, Νί, 8п, V и РЬ, суммарное количество которых составляло 0,4%.

Пять разных смесей-предшественников стекла получали смешением Μ\νΐΚ. с первой угольной золой уноса в соотношениях (отход/зола), равных 34:66, 32:68, 30:70, 28:72 и 25:75.

кг каждой из десяти смесей-предшественников стекла расплавляли и нагревали до температуры примерно 1500°С в течение времени вплоть до примерно двух часов в камерной печи №1Ьег111егт НТ 12/17 (№1Ьей11егт ОтЬН, Бремен, Германия).

Каждую смесь отливали в виде плиты размером 20 смх20 см и расстекловывали в двухступенчатом режиме. Для формирования центров зародышеобразования смесь охлаждали со скоростью 60°С/ч до 900°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 900°С. Затем смесь нагревали со скоростью 60°С/ч до 1100°С и выдерживали в течение 2 ч при температуре 1100°С.

Полученные стеклокерамические плиты имели очень красивый узор в виде тонкодисперсных светло-зеленых и темно-зеленых структур. Все плиты обладали механическими свойствами, подходящими для использования плит в качестве половых плиток.

Важно, что во всех случаях суммарная потеря массы смесями-предшественниками стекла, служащими для формирования стеклокерамики, составляла не более чем приблизительно 8% суммарной объединенной массы, что указывает на то, что газообразующие соединения, такие как галогены, соединения серы и соединения фосфора восстановились и не были выброшены в атмосферу.

Утилизация батарей.

кг рассортированных использованных батарей смешивают с 9 кг второй угольной золы уноса. Смесь батарея/зола нагревают до температуры примерно 1500°С в течение времени вплоть до примерно 2 ч в газовой стеклоплавильной печи. Расплавленную смесь отливают в виде плиты размером 20 смх 20 см и расстекловывают в двухступенчатом режиме, как описано выше.

В целом, использованная здесь номенклатура и лабораторные методики, использованные в настоящем изобретении, включают технические приемы из областей биологии, химии и техники. Данные технические приемы досконально объяснены в литературе.

Понятно, что определенные элементы изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных осуществлений, также могут быть объединены в единственном осуществлении. Наоборот, разные элементы изобретения, которые для краткости описаны в контексте единственного осуществления, также могут быть представлены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.

Хотя изобретение описано в связи с его конкретными осуществлениями, ясно, что многочисленные альтернативы, модификации и варианты будут очевидны специалистам в данной области техники. Соответственно, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает все данные альтернативы, модификации и варианты, которые находятся в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения. Все публикации, патенты и заявки на патенты, упомянутые в данном изобретении, включены в описание во всей их полноте посредством ссылки в той же степени, как если бы требовалось конкретным и индивидуальным образом включить каждую отдельную публикацию, патент или заявку на патент в описание посредством ссылки. Кроме того, цитирование или идентификация любой ссылки в данном патенте не должна интерпретироваться как признание того факта, что данная ссылка выступает в качестве ограничительной части настоящего изобретения.

Claims (27)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ применения угольной золы, включающий:

   a) получение расплавленной стеклокомпозиции, включающей первую часть, образованную угольной золой, и вторую часть, образованную минеральным отходом;

   b) выдерживание указанной расплавленной стеклокомпозиции в расплавленном состоянии в течение некоторого периода времени так, чтобы восстановить компоненты указанной расплавленной стеклокомпозиции; и

   c) отверждение указанной расплавленной стеклокомпозиции для того, чтобы получить твердый материал.
2. 2. Способ по п.1, где получение расплавленной стеклокомпозиции включает:

   ί) смешение указанной угольной золы с указанным минеральным отходом для получения композиции-предшественника стекла; и ίί) плавление указанной композиции-предшественника стекла для получения указанной расплавленной стеклокомпозиции.
3. 3. Способ по п.1, где указанная расплавленная стеклокомпозиция включает восстановитель.
4. 4. Способ по п.3, где указанный восстановитель представляет собой углерод.
5. 5. Способ по п.4, где указанный углерод представляет собой углеродный компонент указанного минерального отхода.
6. 6. Способ по п.4, где указанный углерод представляет собой углеродный компонент указанной угольной золы.
7. 7. Способ по п.6, где указанный углеродный компонент указанной отельной золы составляет более чем примерно 0,5 мас.% указанной угольной золы.
8. 8. Способ по п.1, где указанная угольная зола включает угольную золу уноса.
9. 9. Способ по п.1, где указанная угольная зола включает δίθ₂ в количестве от примерно 30 до примерно 75% по массе, не включающей углерод.
10. 10. Способ по п.1, где указанная угольная зола включает А1₂О₃ в количестве от примерно 10 до примерно 40% по массе, не включающей углерод.
11. 11. Способ по п.1, где указанная угольная зола включает Ре₂О₃ в количестве от примерно 2 до примерно 20% по массе, не включающей углерод.
12. 12. Способ по п.1, где указанный минеральный отход включает газообразующие компоненты в количестве более чем примерно 2 мас.%.
13. 13. Способ по п.1, где количество указанной первой части составляет более чем примерно 30 мас.% количества указанной второй части.
14. 14. Способ по п.1, дополнительно включающий добавление флюсующего агента для получения указанной композиции - предшественника стекла, где указанный флюсующий агент представляет собой отход производства.
15. 15. Способ по п.1, где во время указанного выдерживания указанная стеклокомпозиция, по сущест- ву, полностью стеклуется.
16. 16. Способ по п.1, где во время указанного выдерживания температура указанной расплавленной стеклокомпозиции составляет более чем примерно 1200°С.
17. 17. Способ по п.1, где указанный период времени превышает примерно 1 ч.
18. 18. Способ по п.1, где указанное отверждение включает расстекловывание указанной расплавленной стеклокомпозиции.
19. 19. Изделие, содержащее твердый материал, изготовленный способом по п.1, где указанный твердый материал выбран из группы, состоящей из стеклокерамики и мраморовидного стекла.
20. 20. Способ по п.1, где указанные компоненты указанного быть восстановлены, включают оксиды серы.
21. 21. Способ по п.1, где указанные компоненты указанного быть восстановлены, включают оксиды фосфора.
22. 22. Способ по п.1, где указанные компоненты указанного быть восстановлены, включают галогены.
23. 23. Способ по п.20, где указанные оксиды серы включают §О₂.
24. 24. Способ по п.20, где указанные оксиды серы включают 8О₃.
25. 25. Способ по п.1, где указанный период времени составляет приблизительно более 1 ч.
26. 26. Способ по п.1, где указанный период времени составляет приблизительно более 2 ч.
27. 27. Способ по п.1, где указанный период времени составляет приблизительно более 3 ч.

    стеклянного стеклянного стеклянного расплава, расплава, расплава, которые которые которые могут могут могут