ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ БОКСИТОВ СРЕДНЕГО ТИМАНА СОВМЕСТНО С ПОЛУПРОДУКТАМИ СПЕКАТЕЛЬНОГО ПЕРЕДЕЛА В ПРОЦЕССЕ БАЙЕР-СПЕКАНИЕ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Актуальность работы
В настоящее время в мире производится около 100 млн тонн глинозема ежегодно, из них более 90% получают из высококачественных гиббситовых бокситов при помощи процесса Байера, оставшуюся часть - кислотными или пирометаллургическими способами.
Отсутствие запасов высококачественных бокситов в России привело к необходимости разработки в СССР альтернативных технологий получения глинозема из собственного сырья. Так был изобретен способ Байер-спекание, который был использован при запуске Уральских алюминиевых заводов в 30 - 40-х годах ХХ века. По данной технологии одновременно осуществляется переработка низкокачественных и высококачественных диаспор-бемитовых бокситов на разных ветках: ветка Байера и ветка спекания.
Комбинированный процесс позволяет использовать преимущества, как процесса Байера, так и способа спекания: экономичность и способность перерабатывать низкокачественное сырье. Несмотря на это, себестоимость глинозема, получаемого способом Байер-спекание, на 20% выше, чем у зарубежных заводов, работающих по классическому способу Байера.
Высокая себестоимость глинозема, получаемого комбинированным способом, связана с большими энергетическими затратами на спекании. Следовательно, в существующих рыночных условиях отечественным заводам тяжело конкурировать с зарубежными поставщиками и необходимо совершенствовать технологию Байер-спекание.
Как показали работы, выполненные Логиновой И.В. совместно с другими сотрудниками кафедры Металлургии легких металлов Уральского федерального университета, одним из наиболее перспективных способов совершенствования процесса Байер-спекание является дальнейшая интеграция двух процессов, лежащих в основе комбинированной технологии
- применение полупродуктов спекательного передела при выщелачивании ветви Байера.
Одним из таких полупродуктов является огромное количество пыли, образующееся при спекании бокситовых шихт. Как показали предварительные исследования, данный материал не только приводит к потерям ценной каустической щелочи с отходящими газами, но также , из-за высокой кратности пылевозврата, значительно снижает КПД печи спекания.
Целью диссертационной работы является исследование возможности совершенствования способа Байер-спекание путем использования пылей электрофильтров печи спекания при автоклавном выщелачивании бокситов, а также изучение влияния пыли электрофильтров на седиментационные свойства красного шлама.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить физико-химические характеристики пыли электрофильтров спекательного передела и их поведение при выщелачивании в воде и щелочно-алюминатных растворах.
2. Исследовать влияние добавки пыли электрофильтров печи спекания на выщелачивание бокситов и совместное выщелачивание бокситов и бокситовых спеков в оборотных алюминатных растворах.
3. Изучить влияние высокотемпературного выщелачивания на совместную переработку бокситов, спеков и пылей электрофильтров в ветке Байера.
4. Изучить физико-химические свойства красного шлама, полученного при выщелачивании бокситов и бокситовых спеков в присутствии пыли электрофильтров печи спекания.
Научная новизна:
Впервые определены физико-химические свойства пылей электрофильтров отделения спекания Уральских глиноземных заводов, в их составе обнаружено минеральное соединение 3СаО-А12О3-пСО2-11Н2О типа гидрокарбоалюмината кальция, которое обладает коагулирующими свойствами, что положительно сказывается на седиментационных свойствах красных шламов.
Впервые показано, что при выщелачивании пылей электрофильтров в щелочно-алюминатных растворах при температурах 260-280оС образуются алюможелезистыегидрогранаты.
Достоверность полученных результатов подтверждается всесторонним изучением информации связанной с комбинированными способами производства глинозема, использованием современных физических и физико-химических методов анализа: ИК-спектроскопия, рентгенофазовый анализ, рентгеноспектральный флуоресцентный анализ, термические методы анализа (ДТА и ТГА) и классический химический анализ. Кроме того применялись стандартные отраслевые методики определения химического состава алюминатного раствора и твердой фазы. Полученные данные соответствуют известным из литературы данным по образованию алюможелезистыхгидрогранатов при высокотемпературном выщелачивании процесса Байера.
Практическая значимость
Разработана усовершенствованная технология комплексной переработки бокситов Среднего Тимана способом Байер-спекание параллельный вариант с введением пыли электрофильтров в ветвь Байера, что позволяет повысить сквозное извлечение глинозема на 1-2% и снизить потери каустической щелочина 0,2-0,9% от оборота в пересчете на Иа2Ок.
Подтверждена возможность совместного выщелачивания спеков бокситовых шихт с бокситами Среднего Тимана, как нового и малоизученного сырья. Уставлено, что повышение температуры совместного выщелачивания до260-280оС позволяет снизить концентрацию оборотных растворов по На2Окс 300 г/л до 280-250 г/л, а время выдержки - с 120 мин до 90-60 мин соответственно.
Показано, что добавка пыли электрофильтров в систему промывки красного шлама спекательного передела позволяет получить светлый слив уже после первой стадии отмывки без применения коагулянт-флокуллянтов.
Исследовано влияние пыли электрофильтров на совместное выщелачивание бокситов и бокситовых спеков при высоких температурах, а также влияние пыли электрофильтров на последующее сгущение красного шлама.
Положения, выносимые на защиту:
1. Пыль электрофильтров является балластом, снижающим КПД печи.
2. Наибольшее количество каустической щелочи содержится в пылях электрофильтров, и она безвозвратно теряется с отходящими газами .
3. Химический состав пыли электрофильтров и спека значительно отличаются друг от друга. В первую очередь, это связано с незавершенностью процесса спекания пыли, которая достаточно легкая и очень быстро проходит горячие зоны печи.
4. При выщелачивании пыли электрофильтров при 240 оС в оборотном алюминатном растворе образуются алюможелезистые гидрогранаты.
5. Использование пыли электрофильтров в качестве дополнительного компонента при выщелачивании бокситов по способу Байера позволяет повысить степень извлечения глинозема в раствор на 1-2%, снизить количество добавляемой извести, снизить на 0,2-0,9% содержание щелочи в красном шламе.
6. Высокотемпературное выщелачивание при совместном выщелачивании бокситов, бокситовых спеков и пыли электрофильтров позволяет снизить концентрацию оборотного раствора на 50-70 г/л, а продолжительность выщелачивания на 30 минут без снижения степени извлечения глинозема.
7. Добавка пыли электрофильтров при выщелачивании бокситов в цикле Байера практически не ухудшает седиментационных свойств красного шлама, а негативные последствия снимаются уже на 3 стадии промывки.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: Международная научно-техническая конференция «Металлургия легких и тугоплавких металлов» (Екатеринбург, 2008 г.), Международная научно-практическая конференция «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» (Москва, 2009 г.), Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения» (Москва, 2010 г.), II Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.).
Личный вклад автора состоит в планировании и проведении всех экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке публикаций по результатам исследования.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК; 1 патент Российской Федерации на изобретение; 4 статьи в сборниках материалов международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (143 наименования работ отечественных и зарубежных авторов), содержит 115 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 15 таблиц.
В настоящее время в мире производится около 100 млн тонн глинозема ежегодно, из них более 90% получают из высококачественных гиббситовых бокситов при помощи процесса Байера, оставшуюся часть - кислотными или пирометаллургическими способами.
Отсутствие запасов высококачественных бокситов в России привело к необходимости разработки в СССР альтернативных технологий получения глинозема из собственного сырья. Так был изобретен способ Байер-спекание, который был использован при запуске Уральских алюминиевых заводов в 30 - 40-х годах ХХ века. По данной технологии одновременно осуществляется переработка низкокачественных и высококачественных диаспор-бемитовых бокситов на разных ветках: ветка Байера и ветка спекания.
Комбинированный процесс позволяет использовать преимущества, как процесса Байера, так и способа спекания: экономичность и способность перерабатывать низкокачественное сырье. Несмотря на это, себестоимость глинозема, получаемого способом Байер-спекание, на 20% выше, чем у зарубежных заводов, работающих по классическому способу Байера.
Высокая себестоимость глинозема, получаемого комбинированным способом, связана с большими энергетическими затратами на спекании. Следовательно, в существующих рыночных условиях отечественным заводам тяжело конкурировать с зарубежными поставщиками и необходимо совершенствовать технологию Байер-спекание.
Как показали работы, выполненные Логиновой И.В. совместно с другими сотрудниками кафедры Металлургии легких металлов Уральского федерального университета, одним из наиболее перспективных способов совершенствования процесса Байер-спекание является дальнейшая интеграция двух процессов, лежащих в основе комбинированной технологии
- применение полупродуктов спекательного передела при выщелачивании ветви Байера.
Одним из таких полупродуктов является огромное количество пыли, образующееся при спекании бокситовых шихт. Как показали предварительные исследования, данный материал не только приводит к потерям ценной каустической щелочи с отходящими газами, но также , из-за высокой кратности пылевозврата, значительно снижает КПД печи спекания.
Целью диссертационной работы является исследование возможности совершенствования способа Байер-спекание путем использования пылей электрофильтров печи спекания при автоклавном выщелачивании бокситов, а также изучение влияния пыли электрофильтров на седиментационные свойства красного шлама.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить физико-химические характеристики пыли электрофильтров спекательного передела и их поведение при выщелачивании в воде и щелочно-алюминатных растворах.
2. Исследовать влияние добавки пыли электрофильтров печи спекания на выщелачивание бокситов и совместное выщелачивание бокситов и бокситовых спеков в оборотных алюминатных растворах.
3. Изучить влияние высокотемпературного выщелачивания на совместную переработку бокситов, спеков и пылей электрофильтров в ветке Байера.
4. Изучить физико-химические свойства красного шлама, полученного при выщелачивании бокситов и бокситовых спеков в присутствии пыли электрофильтров печи спекания.
Научная новизна:
Впервые определены физико-химические свойства пылей электрофильтров отделения спекания Уральских глиноземных заводов, в их составе обнаружено минеральное соединение 3СаО-А12О3-пСО2-11Н2О типа гидрокарбоалюмината кальция, которое обладает коагулирующими свойствами, что положительно сказывается на седиментационных свойствах красных шламов.
Впервые показано, что при выщелачивании пылей электрофильтров в щелочно-алюминатных растворах при температурах 260-280оС образуются алюможелезистыегидрогранаты.
Достоверность полученных результатов подтверждается всесторонним изучением информации связанной с комбинированными способами производства глинозема, использованием современных физических и физико-химических методов анализа: ИК-спектроскопия, рентгенофазовый анализ, рентгеноспектральный флуоресцентный анализ, термические методы анализа (ДТА и ТГА) и классический химический анализ. Кроме того применялись стандартные отраслевые методики определения химического состава алюминатного раствора и твердой фазы. Полученные данные соответствуют известным из литературы данным по образованию алюможелезистыхгидрогранатов при высокотемпературном выщелачивании процесса Байера.
Практическая значимость
Разработана усовершенствованная технология комплексной переработки бокситов Среднего Тимана способом Байер-спекание параллельный вариант с введением пыли электрофильтров в ветвь Байера, что позволяет повысить сквозное извлечение глинозема на 1-2% и снизить потери каустической щелочина 0,2-0,9% от оборота в пересчете на Иа2Ок.
Подтверждена возможность совместного выщелачивания спеков бокситовых шихт с бокситами Среднего Тимана, как нового и малоизученного сырья. Уставлено, что повышение температуры совместного выщелачивания до260-280оС позволяет снизить концентрацию оборотных растворов по На2Окс 300 г/л до 280-250 г/л, а время выдержки - с 120 мин до 90-60 мин соответственно.
Показано, что добавка пыли электрофильтров в систему промывки красного шлама спекательного передела позволяет получить светлый слив уже после первой стадии отмывки без применения коагулянт-флокуллянтов.
Исследовано влияние пыли электрофильтров на совместное выщелачивание бокситов и бокситовых спеков при высоких температурах, а также влияние пыли электрофильтров на последующее сгущение красного шлама.
Положения, выносимые на защиту:
1. Пыль электрофильтров является балластом, снижающим КПД печи.
2. Наибольшее количество каустической щелочи содержится в пылях электрофильтров, и она безвозвратно теряется с отходящими газами .
3. Химический состав пыли электрофильтров и спека значительно отличаются друг от друга. В первую очередь, это связано с незавершенностью процесса спекания пыли, которая достаточно легкая и очень быстро проходит горячие зоны печи.
4. При выщелачивании пыли электрофильтров при 240 оС в оборотном алюминатном растворе образуются алюможелезистые гидрогранаты.
5. Использование пыли электрофильтров в качестве дополнительного компонента при выщелачивании бокситов по способу Байера позволяет повысить степень извлечения глинозема в раствор на 1-2%, снизить количество добавляемой извести, снизить на 0,2-0,9% содержание щелочи в красном шламе.
6. Высокотемпературное выщелачивание при совместном выщелачивании бокситов, бокситовых спеков и пыли электрофильтров позволяет снизить концентрацию оборотного раствора на 50-70 г/л, а продолжительность выщелачивания на 30 минут без снижения степени извлечения глинозема.
7. Добавка пыли электрофильтров при выщелачивании бокситов в цикле Байера практически не ухудшает седиментационных свойств красного шлама, а негативные последствия снимаются уже на 3 стадии промывки.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: Международная научно-техническая конференция «Металлургия легких и тугоплавких металлов» (Екатеринбург, 2008 г.), Международная научно-практическая конференция «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» (Москва, 2009 г.), Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения» (Москва, 2010 г.), II Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.).
Личный вклад автора состоит в планировании и проведении всех экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке публикаций по результатам исследования.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК; 1 патент Российской Федерации на изобретение; 4 статьи в сборниках материалов международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (143 наименования работ отечественных и зарубежных авторов), содержит 115 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 15 таблиц.
В диссертационной работе, посвященной высокотемпературному вы-щелачиванию бокситов Тимана совместно с полупродуктами печей спекания, получены следующие основные научные и практические результаты:
1. Показано, что пыль спекательных печей является балластом и дополнительным источником потерь щелочи. При этом если вывести пыль электрофильтров из системы пылевозврата, то можно повысить КПД печи спекания.
2. Методами рентгенофазового и дифференциально-термического анализа выявлено, что содержание каустической щелочи в пылях спекательных печей увеличивается по мере уменьшения размеров частицы. Наибольшее количество каустической щелочи обнаружено в пылях электрофильтров.
3. Доказано, что при выщелачивании пыли электрофильтров при 240 оС в оборотном алюминатном растворе в шламе появляются алюможелезистые гидрогранаты. Это подтверждает принципиальную возможность использования пыли электрофильтров для уменьшения потерь каустической щелочи и глинозема при выщелачивании бокситов.
4. Выявлено, что использование пыли электрофильтров в качестве дополнительного компонента при выщелачивании бокситов по способу Байера позволяет повысить степень извлечения глинозема в раствор на 1-2%, снизить количество добавляемой извести. Увеличение степени извлечения глинозема достигается вследствие образования в присутствии спека или пыли электрофильтров алюможелезистых гидрогранатов, наличие которых в красных шламах подтверждается физико-химическими методами анализа. Образование алюможелезистых гидрогранатов также снижает на 0,2-0,9% содержание щелочи в красном шламе.
5. Доказано, что высокотемпературное выщелачивание можно применять в параллельном варианте Байер-спекание для совместного выщелачивания бокситов Среднего Тимана, бокситовых спеков и пыли электрофильтров. При этом удается снизить концентрацию оборотного раствора на 50-70 г/л,а продолжительность выщелачивания на 30 минут без снижения степени извлечения глинозема.
6. Показано, что использование пыли электрофильтров в качестве добавки для выщелачивания боксита позволяет снизить затраты кальцинированной соды, вводимой в процесс для восполнения потерь каустической извести. Это достигается не только снижением содержания каустической щелочи в красном шламе, но также и возвратом каустической и карбонатной щелочи в процесс вместе с пылью электрофильтров.
7. Изучено влияние пыли электрофильтров на сгущение красных шламов после их совместного выщелачивания с бокситами. При этом показано, что добавка пыли электрофильтров при выщелачивании бокситов в цикле Байера практически не ухудшает седиментационных свойств красных шламов, а негативные последствия снимаются уже на 3 стадии промывки. Снижение скорости сгущения красных шламов в присутствии пыли электрофильтров, по-видимому, связано с возросшим количеством сырья, поступившим на выщелачивание.
8. По результатам исследования предложена технологическая схема параллельного варианта процесса Байер-спекание с утилизацией пыли электрофильтров в ветви Байера, которая позволит объединить несколько участков в один: участок обескремнивания исключается, так как обескремниваться пульпа будет в автоклаве; сгущение и промывка будут объединены в одну линию, без разделения на Байеровский шлам и спекательный; выпарка будет работать на одном растворе, который благодаря обескремниванию в автоклаве, с образованием таких соединений, как ГАСН типа-канкренит сульфатно-карбонатной формы, станет значительно чище.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Учитывая положительные результаты, приведенные в диссертационной работе, рекомендовано применение разработанного усовершенствования для внедрения на Уральских глиноземных заводах. Далее планируется продолжить исследования в области усовершенствования процесса Байер- спекание параллельный вариант, а именно гидрохимической части процесса. Как отмечено выше мы добились результата при увеличении температуры и снижении концентрации растворов. Поэтому следующим этапом будет являться поиск способов дальнейшей интенсификации процесса выщелачивания, например применение ультразвукового излучения.
1. Показано, что пыль спекательных печей является балластом и дополнительным источником потерь щелочи. При этом если вывести пыль электрофильтров из системы пылевозврата, то можно повысить КПД печи спекания.
2. Методами рентгенофазового и дифференциально-термического анализа выявлено, что содержание каустической щелочи в пылях спекательных печей увеличивается по мере уменьшения размеров частицы. Наибольшее количество каустической щелочи обнаружено в пылях электрофильтров.
3. Доказано, что при выщелачивании пыли электрофильтров при 240 оС в оборотном алюминатном растворе в шламе появляются алюможелезистые гидрогранаты. Это подтверждает принципиальную возможность использования пыли электрофильтров для уменьшения потерь каустической щелочи и глинозема при выщелачивании бокситов.
4. Выявлено, что использование пыли электрофильтров в качестве дополнительного компонента при выщелачивании бокситов по способу Байера позволяет повысить степень извлечения глинозема в раствор на 1-2%, снизить количество добавляемой извести. Увеличение степени извлечения глинозема достигается вследствие образования в присутствии спека или пыли электрофильтров алюможелезистых гидрогранатов, наличие которых в красных шламах подтверждается физико-химическими методами анализа. Образование алюможелезистых гидрогранатов также снижает на 0,2-0,9% содержание щелочи в красном шламе.
5. Доказано, что высокотемпературное выщелачивание можно применять в параллельном варианте Байер-спекание для совместного выщелачивания бокситов Среднего Тимана, бокситовых спеков и пыли электрофильтров. При этом удается снизить концентрацию оборотного раствора на 50-70 г/л,а продолжительность выщелачивания на 30 минут без снижения степени извлечения глинозема.
6. Показано, что использование пыли электрофильтров в качестве добавки для выщелачивания боксита позволяет снизить затраты кальцинированной соды, вводимой в процесс для восполнения потерь каустической извести. Это достигается не только снижением содержания каустической щелочи в красном шламе, но также и возвратом каустической и карбонатной щелочи в процесс вместе с пылью электрофильтров.
7. Изучено влияние пыли электрофильтров на сгущение красных шламов после их совместного выщелачивания с бокситами. При этом показано, что добавка пыли электрофильтров при выщелачивании бокситов в цикле Байера практически не ухудшает седиментационных свойств красных шламов, а негативные последствия снимаются уже на 3 стадии промывки. Снижение скорости сгущения красных шламов в присутствии пыли электрофильтров, по-видимому, связано с возросшим количеством сырья, поступившим на выщелачивание.
8. По результатам исследования предложена технологическая схема параллельного варианта процесса Байер-спекание с утилизацией пыли электрофильтров в ветви Байера, которая позволит объединить несколько участков в один: участок обескремнивания исключается, так как обескремниваться пульпа будет в автоклаве; сгущение и промывка будут объединены в одну линию, без разделения на Байеровский шлам и спекательный; выпарка будет работать на одном растворе, который благодаря обескремниванию в автоклаве, с образованием таких соединений, как ГАСН типа-канкренит сульфатно-карбонатной формы, станет значительно чище.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Учитывая положительные результаты, приведенные в диссертационной работе, рекомендовано применение разработанного усовершенствования для внедрения на Уральских глиноземных заводах. Далее планируется продолжить исследования в области усовершенствования процесса Байер- спекание параллельный вариант, а именно гидрохимической части процесса. Как отмечено выше мы добились результата при увеличении температуры и снижении концентрации растворов. Поэтому следующим этапом будет являться поиск способов дальнейшей интенсификации процесса выщелачивания, например применение ультразвукового излучения.