Выщелачивание бокситов в условиях Павлодарского алюминиевого завода

Аннотация

В настоящем дипломном проекте разработан вопрос выщелачивания бокситов применительно к условиям ПАЗа. На основании данных практики и литературных источников выбраны режимные параметры. Определены условия получения бедных красных шламов по Al₂O₃ и чистых алюминатных растворов.

В Казахстане большие запасы боксита, но низкого качества с большим содержанием железа и кремния. Поэтому были разработаны более совершенные методы получения глинозема (схема Байерспекание).

Комплексность использования сырья, извлечение редких металлов понижает себестоимость основного продукта.

Экономические расчеты показали, что от указанных мероприятий может быть получен ориентировочный экономический эффект и рентабельность производства.

На Павлодарском алюминиевом заводе ПАЗ впервые в мировой практике решена важная технологическая проблема вовлечения в сферу крупномасштабного промышленного производства высококремнистых и высокожелезистых бокситов Казахстана.

Разработка и промышленное освоение с высокими технико-экономическими показателями на ПАЗе последовательной технологической схемы Байерспекание для руды, которая за рубежом классифицируется не как бокситы, а как боситоподобные глины, оказались возможными благодаря радикальному изменению химико-технологических основ производства, применению и совершенствованию новых технологических процессов и высокопроизводительных аппаратов, ранее не применявшихся в глиноземной промышленности.

I. Общая пояснительная записка

1.1 Краткая характеристика предприятия

Павлодарский алюминиевый завод расположен в г. Павлодаре Республики Казахстан восточнее жилых районов города. Завод граничит южной стороной с территорией ТЭЦ1 и городскими землями, северной с железнодорожной станцией.

С южной и восточной стороны территория завода ограничена полосой отвода подъездного железнодорожного пути ТЭЦ, с западной стороны — городскими землями.

Железнодорожная связь завода с общей сетью железнодорожных дорог осуществляется примыканием подъездного железнодорожного пути завода к станции МПС «Южная», расположенной на расстоянии 1,1 км от северной границы завода.

С городом завод связан автомобильной дорогой и трамвайной линией.

Завод запроектирован на принципах широкого кооперирования в строительстве и эксплуатации объектов общегородского хозяйства района города Павлодара, в части строительных баз, водоснабжения, канализации, железнодорожного и автомобильного транспорта, тепловых и электрических сетей, общегородских объектов культурнобытового и коммунального назначения.

Производительность предприятия 1 000 000 т глинозема в год. Также есть возможность увеличить производство.

1.2. Сырьевая база, номенклатура, качество и технологический уровень продукции

Глинозем встречается в природе в небольших количествах в виде минерала корунд. Существует несколько разновидностей глинозема, которые имеют одну и ту же формулу, но разное структурное строение и свойства. Наиболее распространенные и часто встречающиеся:

Технические требования на глинозем представлены в табл. 1.

Сырьем для завода являются Тургайские бокситы. Бокситы представляют собой горную породу, состоящую в основном из гидроксида алюминия, оксида железа, оксида минеральных компонентов. Боксит получил своей название от французского города, где впервые он был обнаружен.

Основные составляющие бокситов — гиббсит (гидраргилит), бемит и диаспор. Кроме того в бокситах содержатся минералы железа (гематит, гидрогематит, сидерит); кремнезем в виде кварца, гидролсида (опал и др.). В меньших количествах в бокситах содержится карбонаты кальция и магния, а также примеси органических веществ.

В зависимости от содержания и Al₂O₃ и кремневого модуля бокситы Аятского и др. месторождений, расположенных в северной и северозападной частях республики, являются сырьевой базой Павлодарского алюминиевого завода. Бокситы Казахстана являются низкосортными, отличаются повышенным содержанием вредных примесей: кремнезема, карбонатов, органических соединений, содержащих вредные вещества, хлор, которые осложняют работу основных технологических переделов и вызывают повышенный расход энергии, трудозатрат и капитальных вложений. Рациональное их использование требует изыскания и реализацию нетрадиционных решений.

Поэтому разработке теоретических основ и технологии переработки низкокачественного глиноземсодержащего сырья Казахстана и была посвящена моя дипломная работа.

В зависимости от содержания Al₂O₃ и кремневого модуля бокситы подразделяют на марки и сорта, приведенные в таблицу 2.

Таблица 1 — Технические требования на глинозем ГОСТ 305 898

* допускается до 0,05

Таблица 2 — Стандарт на боксит ГОСТ 97 274

1.3 Численность и профессионально-квалификационный состав работающих

Общее количество рабочих 183 человека. Из них 119 основных рабочих, которые заняты на основном производстве, 19 вспомогательных. Инженерно-технических работников 45, один начальник цеха, 5 начальников участков, 7 старших мастеров, 5 мастеров механиков, 5 мастеров электриков и 20 мастеров смен.

Здесь еще не учитывается врачебный персонал, пожарная охрана, повара, душевички и охрана завода.

1.4 Потребность в энергоресурсах

Система электроснабжения завода выполнена в соответствии с проектом. Электроснабжение производится от Павлодарской ТЭЦ1 и от системы «Павлодарэнерго» Минэнерго.

Общая установленная мощность трансформаторов 370 тыс. кВт. Электроснабжение осуществляется:

Электроснабжение осуществляется:

двумя линиями 110 кВт. ЛЭП145 и ЛЭП146 и одной резервной ЛЭП106. ЛЭП145, 146 заходят с подстанции «Павлодарская», а ЛЭП106 является отпайкой от линии ТЭЦ2;

двумя открытыми шинопроводами по 10 кВт от ТЭЦ1. На главной понизительной станции ГПС2 установлены два рабочих трансформатора по 80 МВт и один резервный по 70 МВт.

Потребность в энергоресурсах электроэнергии 295,56. 10⁶ кВт.ч. Пар 3,45. 10⁶ Гкал. Вода свежая 3,19. 10⁶ м³. Воздух 960. 10⁶ м³.

1.5 Комплексность использования сырья

В настоящее время на отечественных и зарубежных глиноземных заводах, перерабатывающих бокситы, помимо основного продукта — глинозема, извлекают из сырья также редкие металлы — галлий и ванадий. Кроме того бокситы содержат значительные количества железа, кремния, титана и малые количества таких редких металлов, как скандий, германий и др. Следовательно, бокситы являются ценным сырьем.

За последние годы в разных странах проведено много научно-исследовательских работ, направленных на комплексное извлечение, исключающих отходы производства. Эти исследования касаются извлечения из алюминатных растворов галлия и ванадия и переработки красных шламов (отходов существующего производства) на глинозем, щелочь, чугун, цемент и другие строительные материалы.

2. Генеральный план и транспорт

2.1 Краткая характеристика площадки строительства

Основными факторами, определяющими месторасположение глиноземных производств, является близость к сырьевой и топливной базам, к источникам снабжения, возможность обеспечения значительным количеством воды, а также близость к алюминиевым заводам.

Город Павлодар является административным центром одной области, расположен на правом берегу Иртыша. И находится на железнодорожной магистрали.

Основными факторами, благоприятствующих для размещения здесь глиноземного завода, являются:

близость месторождения;

близость топливной базы;

возможность обеспечения водой практически в неограниченном количестве из реки Иртыш.

2.2 Характеристика рельефа местности

Под строительство здания по производству глинозема отводится площадка, расположенная на территории Павлодарского алюминиевого завода.

Грунты, слагающие площадку, относятся к первой категории просадочной толщи. Здание цеха одноэтажное, железобетонное.

Площадь застройки — 5024 м²

сейсмичность района — 4 балла

ветровой напор — 50 кг/м².

Основанием фундамента приняты суглинистые отложения, расположенные на глубине 2,8; 3,0 метров от поверхности земли. Уровень грунтовых вод 12,0 и не является агрессивной средой для фундамента зданий.

Район расположения завода относится у суровым, зимой до

40^о С, а летом +40^о С, климатическими условиями.

Глубина промерзания зданий 2,02,5 м. Капитальные затраты на строительство зданий составляют значительную часть расходов.

2.3 Состав генерального плана, перечень всех зданий и сооружений, их площадей

Цех выщелачивания находится в самом центре завода. Это связано с тем, что он является основным звеном в процессе Байера. Пульпа поступает с мокрого размола. Продукты выщелачивания, алюминатный раствор направляется на декомпозицию, красный шлам на спекание (доизвлечение алюминия). Оборотный раствор, который участвует в процессе выщелачивания, поступает с выпарки. Как мы видим, основные потоки проходят через этот цех.

Все участки соединены галереями, по ним проходят все трубопроводы. Все оборудование находится под одним зданием. Вокруг него проходит асфальтированная дорога. И рядом проходит главная дорога завода. Также предусмотрено место для строительства нового оборудования, в случае увеличения производства.

Также у цеха есть складские помещения, там хранится ржаная мука (коагулянт) и макулатура (целлюлоза), как фильтрирующий слой в контрольной фильтрации.

2.4 Основные планировочные решения

Завод находится в восточной зоне города. И находится за границей города на расстоянии 5 км. В стороне основных ветров. Поэтому большинство вредных примесей не попадает в город, а уносится за его пределы.

Вокруг завода на расстоянии 1 км посажены зеленые насаждения. И эта зона не подлежит застройке жилым массивом. Вокруг цехов есть газоны с зелеными насаждениями. Проходит постоянное орошение дорог водой. И вся грязь смывается в канализацию. Идет постоянный контроль за экологическим состоянием промышленной зоны. Постоянное обновление старых и засохших насаждений.

Гидрометаллургическое производство алюминия — одно из самых экономически чистых производств. И это является основным достоинством предприятия.

2.5 Транспорт внутризаводской и внешний

Внутри завода проходит асфальтированная дорога. По ней проходят основные сообщения между цехами и по ним доставляется нужное оборудование и продукты, сырье, участвующее в процессе производства.

Также к заводу подходит железная дорога, по ней доставляется часть сырья, оборудования, материалы для ремонта. Еще завод сообщен с автомагистралью, судовым сообщением, по ним тоже могут перевозиться грузы и сырье.

3. Технологические решения, обеспечение энергоресурсами

3.1 Сырьевая база, характеристика сырья

Бокситы — это горная порода, содержащаяся оксид алюминия, кремний, оксиды железа и другие металлы.

Среди стран мира Казахстан по запасам занимает 15 место. Месторождения бокситов, учитываемые Госбалансом запасов в Северном Казахстане, сосредоточены в трех основных бокситовых районах: ЗападноТургайском, ЦентральноТургайском и ВосточноТургайском, запасы составляют соответственно 88,3; 45 и 7,2% от разведанных запасов по региону.

ВосточноТургайский бокситовый район расположен в Тургайской области. В районе учитывается балансом 6 месторождений бокситов: Аркалыкское, Северное, НижнеАшутское, ВерхнеАшутское, Уштобинское и Актасское. В рудах месторождений за исключением Актасского, учитываются также запасы галлия и огнеупорных глин.

ЗападноТургайский район включает в себя месторождения: Аятское, Краснооктябрьское, Белинское, Зимнее, ВосточноАятское, Таунсорское, Карабайтальское, Клубное, ВосточноКозыревское, Варваринское, Покровское, СевероЛиванское; ЦентральноТургайский район: Приозерное, Кушмурунское, ЗападноУбаганское и разведываемое Коктальское.

Все отрабатываемые месторождения ЗападноТургайского бокситоносного района имеют сходное геологическое строение: продуктивная толщина — бокситы каменистые, глинистые, рыхлые. Пестроцветные глины заполняют эрозионнокарстовые впадины в палеозойском фундаменте пород, перекрытых чехлом песчаноглинистых отложений. Мощность покровных месторождений 560 метров, мощность рудных тел 2,5100 м. Все комплексы пород обводнены. Покров и продуктивная толща содержат безнапорные и слабонапорные воды, известняки содержат напорные воды. Все месторождения отрабатываются открытым способом.

Бокситы даже в пределах одного месторождения характеризуются значительным разнообразием химического и минералогического состава.

Оксид алюминия входит в состав минералов диаспора, бемита, гидраргилита, корунда. Часто эти минералы свободного глинозема генетически тесно связаны с каолинитом и галлуазитом и через них — с группой гидрослюд и другими алюмосиликатами. Основными железосодержащими минералами бокситов являются гематит, гетит, гидрогематит и гидрогетит. Кроме них могут присутствовать в незначительных количествах магнетит, сидерит и др. Минерологический двуоксид титана в бокситах представлен в виде рутила и, отчасти, анатаза, брукита и др. В состав бокситов входят также минералосодержащие кальций, магний, фосфор и сера.

Наибольший интерес представлен Краснооктябрьским месторождением бокситов, расположенным в центральной части ЗападноТургайского района. По литологическим особенностям и возрасту бокситоносные осадки месторождения разделяют на два горизонта: нижний подрудный и верхний рудный.

Подрудный горизонт представлен пестроцветными (красноватокоричневыми, бурыми, желтым, иногда серыми) глинами часто с оболочной структурой. Краснооктябрьское месторождение представлено двумя рудными полями: Северным (15 залежей бокситов) и Южным (9 залежей бокситов). Рудные тела и залежи бокситов обладают изменчивым химическим и литологическим составом бокситовых руд. Среди литологических разновидностей месторождений выделяются каменистые (35%, рыхлые (57%) и глинистые (8%). Основными породообразующими минералами бокситов являются гиббсит, гидрогематит и каолинит.

Аятское месторождение бокситов расположение в северной части ЗападноТургайского района, в котором находится около 10 рудных участков. Бокситовые залежи сложены тремя литологическими разновидностями, среди которых выделятся: каменистые (49,1%), рыхлые (15,5%), глинистые (33,3%), а также аллиты (2,2%). По минералогическому составу бокситы Аятского месторождения относятся к гиббситовому типу. Породообразующими минералами бокситов являются гиббсит, каолинит, гетит, гематит, минералы, титана, сидерит.

Белинское месторождение расположено в северной части ЗападноТургайского бокситового района.

Рудный горизонт образован глинистыми, рыхлыми, каменистыми бокситами, аллитами и бокситовыми глинами. Бокситовые запасы месторождения сгруппированы в четыре обособленны участка: Южный, Северный, Западный и Карасорский. Бокситы представлены каменистыми (30,2%), рыхлыми (30,42%) и глинистыми (36,5%) литологическими разновидностями. По минералогическому составу бокситы относятся к трехгидратному (гиббситовому) типу. Основными породообразующими являются гиббсит, каолинит, гематит и гидрогематит. В небольших количествах присутствует корунд, кварц, кальцит, сидерит и рутил.

Бокситы Краснооктябрьского, Аятского и Белинского месторождений относятся к Краснооктябрьскому рудоуправлению и отличаются от широко известных тургайских (запасы которых практически исчерпаны) по химическому и вещественному составу, поэтому особенно важно всесторонне их изучение в связи с промышленным использованием.

В таблице 3 приведен химический состав литологических разновидностей бокситов с указанием месторождения.

Таблица 3 — Состав литологических разновидностей бокситов

Из таблицы следует, что бокситы имеют различный химический состав. Содержание глинозема колеблется в пределах 39,555,3%, а SiO₂ — 3,213,6%. В широком диапазоне изменяется содержание железа от 5,6 до 24,6%, присутствуют органические вещества.

По данным кристаллооптического анализа проба представлена тонкодисперсным агрегатированным материалом, пропитанным тонко распыленными минералами железа. Гиббсит присутствует в тонкозернистом состоянии в виде зерен неправильной формы размерами до 20 мкм с показателями преломления Nq — 1,591; Np — 1,570. Гиббсит тесно связан с каолинитом, который присутствует в скрыто кристаллической и аморфной форме с показателями преломления Nq — 1,560; Np — 1,553. Кроме того, отмечается гематит в составе небольших агрегатированных скоплений и отдельных бесцветных кристаллов неправильной формы размерами 810 мкм. Бесцветные кристаллы кварца имеют неправильную форму размерами 1520 мкм, отмечаются единичные зерна анатаза.

Таким образом, вещественный состав представлен в основном минералами гиббсит, каолинит, сидерит, гематит, гетит.

3.2 Режим работы цеха

Организация предприятия зависит от характера производственных процессов, составляющих совокупность взаимосвязанных трудовых и естественных процессов, преобразующих сырье, материалы, полуфабрикаты в готовую продукцию.

Для металлургических предприятий цветной металлургии характерны непрерывно протекающие механические и химические изменения предметов, многоступенчатые процессы производства. В цветной металлургии самый большой из всех других отраслей расход сырья и материалов на единицу продукции.

Для производственных процессов в цветной металлургии характерны крупные агрегаты, требующие коллективного обслуживания, строгой согласованности в ходе протекания технологических процессов и неукоснительного соблюдения регламентированных режимов.

Рациональные формы организации производственных процессов должны исходить из характера принятой технологии. По характеру протекания производственных процессов во времени различают периодические и непрерывные.

Непрерывные процессы протекают без остановки оборудования для загрузки сырья и материалов и выгрузки продукции, которые осуществляются одновременно с основными изменениями предмета труда. Загрузка и выгрузка материалов осуществляется непрерывно или через определенные интервалы времени.

Режим работы в цехе непрерывный. Установлен 8часовой рабочий график. График выходов трехсменный. Число рабочих бригад, обслуживающих в течение суток данное производство, три смены. Одна бригада находится на отдыхе. Цикл графика через 12 дней.

3.3 Анализ научно-исследовательских работ

До недавнего времени при переработке низкокачественных бокситов Казахстана на глинозем основные проблемы были обусловлены высоким содержанием в них оксидов кремния и железа. Для снижения содержания этих компонентов предложены различные варианты обогащения бокситов, сведения о которых обобщены в работах.

В этих работах исследователями решались две основные задачи: удаление кремнийсодержащих и тяжелых магнитных минералов.

Эффективность тех или иных способов обогащения во многом зависит от структурных и минералогических особенностей бокситов. В отдельных случаях наиболее эффективными оказались химические, радиометрические, электростатические методы обогащения некондиционных бокситов. Однако, как правило, использование гравитационных, флотационных, магнитных и других методов обогащения позволяет решить вполне определенную задачу применительно к одному, редко к нескольким видам сырья.

В связи с тем, что не представляется возможным анализ всех известных методов обогащения, остановимся на некоторых интересующих нас исследованиях.

Проведены исследования по обогащению бокситов Краснооктябрьского месторождения трех литологических разновидностей: каменистой, рыхлой и глинистой. Изучение обогатимости проводилось в двух направлениях:

получение бокситовых концентратов, пригодных для переработки по способу Байера;

промывка исходного боксита с получением шламов с влажностью не более 60: (после фильтрации), пригодных к последующей переработке по способу спекания.

Технологическая схема обогащения предусматривала дробление до 2550 мм и отделения рыхлой фракции 5,0 мм. Плотную часть боксита подвергали стадийному дроблению и грохочению с получением материала крупностью 5,0 мм. Оба продукта классифицировали: плотный по зерну 0,4 мм и рыхлый 0,2 мм.

После этого крупные фракции совместно измельчали до 0,2 мм и подвергали магнитной сепарации, а шламовые продукты флотировали. Таким образом, объединенный бокситовый концентрат содержал, %: Al₂O₃ 49,42; Fe₂O₃ 16,21; SiO₂ 5,42; СО₂ 0,45; M_si 9,1.

Авторами работы предложены методы обогащения Аятского месторождения с применением фотометрической и радиометрической сепарацией. Использование этих методов позволяет выделить из фракции +10 мм 5060% обогащенного боксита с кремневым модулем больше 10 единиц.

Термические способы кондиционирования бокситов, по сравнению с рассмотренными, отличаются большей универсальностью. Обжиг, благодаря удалению технически вредных примесей и влаги, позволяет снизить транспортные расходы, а также уменьшить эксплуатационные расходы и улучшить техникоэкономические показатели последующих переделов.

В работе с целью удаления карбонатов обжиг предлагается осуществлять в печах кипящего слоя. Температура разложения пририоных карбонатов зависит от минерального состава (сидерит, кальцит, доломит) и от дисперсности. В результате обжига степень разложения карбонатов составила 55%, а извлечение глинозема из обожженного боксита находилось на уровне 7072%.

В условиях Павлодарского алюминиевого завода при переработке высокожелезистых бокситов возникла проблема в процессе спекания красных шламов, обогащенных оксидами железа.

Как известно, в процессе Байера минералы железа являются балластным компонентом, увеличивающим выход красного шлама. Высокое содержание соединений железа в красном шламе приводит к осложнениям процесса спекания шламовой шихты. Поэтому проблеме вывода соединений железа из бокситов посвящены работы многих исследователей, предлагающих сочетание термических, химических и магнитных процессов.

В работе с целью очистки алюминиевых руд от соединений железа предлагается восстановительносульфидизирующий обжиг с последующим хлорированием и возгонкой хлорного железа.

Предлагается удалять оксиды железа из предварительного обогащенного боксита обработкой соляной кислотой. При этом удаляется до 91% железа.

Таким образом, традиционные и специальные способы обогащения позволяют получить из низкокачественного сырья концентрат с высоким содержанием полезного компонента. Но в большинстве случаев исследования не вышли за рамки опытных работ, а предлагаемые схемы сложны в аппаратурном и технологическом оформлении.

Отсутствие достаточно эффективного способа переработки высококарбонатных бокситов показывает необходимость дальнейших исследований по разработке способа получения глинозема из такого вида сырья. Решение данного вопроса позволит расширить сырьевую базу глиноземного производства.

3.4 Анализ работы действующего предприятия

Выбор способа переработки бокситов определяется следующими основными факторами:

кремневым модулем;

содержанием глинозема;

содержанием вредных примесей, карбидов, сульфидов, органических веществ;

минералогическим составом сырья.

Изза повышенного содержания этих примесей в бокситах казахстанских месторождений, которые за рубежом классифицируются не как бокситы, а как бокситоподобные глины, применение способа Байера для их переработки было бы невыгодным изза больших потерь каустической щелочи, плохого отстаивания красного шлама и загрязнения алюминатного раствора двух валентным железом. Способ прямого спекания также был нерентабелен вследствие больших капитальных вложений, высоких затрат труда и низких техникоэкономических показателей.

В связи с этим возникла необходимость разработки способа рационального использования бокситов казахстанских месторождений.

Для переработки этого сырья предлагались комбинированный способ Байера — гидрохимия — и последовательный способ Байера — спекание.

Принята для реализации последовательная технологическая схема Байерспекание в силу большей степени отработанности. При этом были усовершенствованы как ветвь Байера, которая не могла остаться в традиционном исполнении изза специфики сырья, так и передел спекания красного шлама, промышленная реализация которого была осуществлена впервые.

Создание и промышленное освоение на Павлодарском алюминиевом заводе (ПАЗе) новой высокоэффективной аппаратурнотехнологической схемы получения глинозема из низкокачественных бокситов является крупным достижением нашей алюминиевой промышленности.

Ввиду нестабильности химического и минералогического состава казахстанского бокситового сырья требуется постоянное совершенствование технологии его переработки как на гидрохимическом переделе, так и на переделе спекания красного шлама.

3.5 Выбор и обоснование технологической схемы

Из различных алюминиевых руд глинозем можно получать щелочными и кислотными способами вследствие наличия у него амфотерных свойств. В промышленности применяются пока щелочные способы; чисто кислотные и кислотнощелочные способы находятся в стадии лабораторных и полузаводских исследований.

Промышленные щелочные способы производства глинозема из бокситов подразделяются на:

гидрохимический (способ Байера);

способ спекания;

комбинированный способ — сочетание способа Байера со способом спекания в параллельном или последовательном вариантах.

Выбор же способа переработки бокситов определяется следующими основными факторами:

кремневым модулем;

содержанием Fe₂O₃;

содержанием вредных примесей: карбонатов, сульфидов и органических веществ;

минералогическим составом сырья.

При прочих благоприятных условиях бокситы с кремневым модулем >67 целесообразно перерабатывать по способу Байера, бокситы с кремневым модулем <6 и с умеренным содержанием окиси железа (не более 20%) — по последовательному варианту комбинированного способа Байерспекание и, наконец, боксит с модулем <6, но с повышенным содержанием Fe₂O₃ — по способу спекания. Под благоприятными условиями имеется в виду малое содержание в бокситах карбонатов и сульфидов (особенно FeСО₃ и FeS₂). Изза повышенного содержания этих примесей может оказаться невыгодным способ Байера для бокситов с кремневым модулем >67 вследствие больших потерь каустической щелочи (переход ее в соду и сульфат натрия), плохого отстаивания красного шлама и загрязнения алюминатных растворов двухвалентным железом. (См. рис. 1).

Способ Байера самый дешевый и самый распространенный, однако для его существования требуются высококачественные бокситы. Способ спекания — наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. В последние годы с большим успехом применяются комбинированные щелочные способы. Параллельный вариант используют для термической каустификации соды и компенсации потерь дорогой каустической щелочи более дешевой содой; для спекательной ветви этого варианта может применяться как высококачественный байеровский боксит, так и спекательный. Последовательный вариант комбинированного способа по техникоэкономическим показателям занимает промежуточное положение между способом Байера и способом спекания и применяется для высококремнистых бокситов для максимального извлечения из них глинозема.

3.6 Описание основных технологических процессов

Способ Байера и способ спекания имеют определенные недостатки, это — ограниченность применения, высокий расход дорогостоящей каустической щелочи и пара (способ Байера), большие материальные потоки, высокий расход топлива (способ спекания).

По схеме последовательного варианта богатый Al₂O₃ и Na₂O красный шлам после безавтоклавного выщелачивания бокситов спекают в смеси с содой и известняком. Обескремненный алюминатный раствор от выщелачивания спека смешивают с разбавленным раствором процесса Байера для совместного разложения.

Рыжую соду от упарки маточного раствора смешивают со шламом перед спеканием. При переработке красного шлама спеканием состав шихты должен быть таким, чтобы получить в спеке алюминат натрия, двухкальциевый силикат и феррит натрия (кальция). Связывание окиси железа только в феррит натрия или в ферриты кальция зависит от содержания Fe₂O₃ в боксите. В этом процессе окись железа является каустифицирующим реагентом.

Если Fe₂O₃ в боксите (шламе) много, то часть Fe₂O₃ связывается в моно или двухкальциевые ферриты, на что дозируют соответствующее количество известняка. В этом заключается принципиальная особенность спекания красных шламов по сравнению со спеканием бокситов.

Последовательный вариант пригоден для переработки высококремнистых бокситов и имеет следующие достоинства:

потери каустической щелочи возмещаются эквивалентным количеством соды;

высокое суммарное извлечение глинозема из сырья;

меньший поток шихты на спекание, чем при способе спекания боксита, так как большая часть глинозема из сырья извлекается в ветви Байера.

Вместе с тем этот вариант характеризуется большими капитальными затратами на 1 т глинозема и может применяться только для бокситов с умеренным содержанием Fe₂O₃, так как высокое содержание окиси железа в красном шламе затрудняет и даже может сделать невозможным спекание шлама изза легкоплавкости такой шихты.

3.6.1 Выщелачивание бокситов

Боксит перед выщелачиванием подвергают крупному дроблению на руднике и затем усредняют, среднему и мелкому дроблению и мокрому помолу — на металлургическом заводе. Твердый боксит дробят на заводе в дветри стадии, а рыхлый — в однудве стадии.

Выщелачивание боксита должно осуществляться в условиях максимального извлечения окиси алюминия в раствор при минимальных затратах. На скорость и степень выщелачивания бокситов оказывают влияние следующие основные факторы: температура, концентрация щелочи и каустический модуль оборотного раствора, крупность измельченного боксита, скорость перемешивания пульпы.

Основным фактором, влияющим на этот процесс, является температура. Вскрытие гиббситовых бокситов с приемлемой для практики скоростью осуществляется в настоящее время при 95 100^о С.

Легковскрываемые гиббситовые бокситы измельчают перед выщелачиванием до крупности менее 0,20,5 мм (иногда до — 1 мм); трудновскрываемые измельчают до зерен менее 0,070,08 мм.

Процесс выщелачивания в зависимости от условий протекает в кинетическом и диффузионных областях.

Выщелачивание — это процесс извлечения Al из боксита раствором щелочи с получением алюминатного раствора. Основная реакция выщелачивания получение алюминатного раствора.

Al (OH)₃ + NaOH —- NaAl (OH)₄

Основная примесь Fe. Соединение Fe, содержащееся в боксите, не взаимодействует с раствором щелочи и остается в твердом виде. Однако с повышением содержания железа в бокситах увеличивается количество воды, подаваемой на промывку красного шлама, что ведет к дополнительным потерям щелочи.

Соединения Si, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием силиката натрия.

SiO₂ +2NaOH —- Na₂SiO₃ + H₂O

В результате этой реакции кремний переходит из боксита в раствор загрязняя его. Образующийся силикат натрия взаимодействует с алюминатным раствором с образованием мало растворимого соединения гидроалюмосиликата натрия:

2NaAl (OH)₄ +2Na₂SiO₃ —- Na₂O + Al₂O₃ +

+ 2SiO₂ + 4 NaOH

Эта реакция называется обескремниванием раствора. В результате этой реакции происходит очистка раствора от кремния, но в то же время теряется глинозем и щелочь.

Карбонаты Са и Mg взаимодействуют с раствором щелочи с образованием кальцинированной соды.

СаСО₃ +2NaOH —- Na₂CO₃ + Ca (OH)₂

MgCO₃ +2NaOH —- Mg (OH)₂ + Na₂CO₃

Соединения Ti, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием метатитаната натрия.

TiO₂ + NaOH —- NaHTiO₃

В бокситах содержится незначительное количество ценных металлов — галлия и ванадия. В бокситах галлий содержится в виде одноводного оксида. При взаимодействии с раствором щелочи образуется в растворе галлат натрия.

При разложении алюминатного раствора галлат натрия не разлагается, он накапливается в маточных и оборотных растворах. Эти растворы используются ХМЦ (химикометаллургическим цехом) для получения из них галлия.

GaOOH + NaOH + H₂O —- NaGa (OH)₄

При производстве глинозема по способу Байера алюминатнощелочной раствор проходит следующие основные переделы: выщелачивание, разбавление, декомпозицию и выпарку. На каждом переделе у алюминатных растворов изменяется температура, концентрация и иногда каустическое отношение, что существенно влияет на насыщенность их глиноземом и на стойкость. Умелое управление насыщением алюминатных растворов — важнейшее условие успешного ведения процесса производства глинозема.

Линия выщелачивания или изменение состава раствора изобразится прямой АВ (см. рис. 3).

Линия разбавления: пульпа после выщелачивания проходит через точки ВД. И она охлаждается до 95^о С и разбавляется 1й промывной водой — от промывки красного шлама. Стойкость алюминатного раствора от этого уменьшается, так что возможно выделение из него Al (OH)₃ вследствие гидролиза. Линия разбавления является и линией постоянных каустических отношений.

Na₂O — Al₂O₃ — H₂O

Линия разложения. На практике растворы обычно разлагаются до каустического отношения — 3,3, после чего маточный раствор направляют на выпарку. Следовательно, состав заводских маточных растворов находится на линии ДС. Раствор остается все время перенасыщенным по отношению к равновесной концентрации Al₂O₃ при 30^о С, причем степень пересыщения тем больше, чем выше конечная температура разложения.

Линия выпарки. Для построения этой линии важно, что при выпаривании изменяется только концентрация растворов, а каустическое отношение остается постоянным. После добавления свежей щелочи для возмещения ее потерь состав раствора будет соответствовать точке А.

3.6.2 Обескремнивание алюминатного раствора

Условия выщелачивания боксита должны обеспечивать не только максимальное извлечение окиси алюминия из сырья в алюминатный раствор, но и необходимую степень его обескремнивания, чтобы получить в дальнейшем хорошего качества гидроокись алюминия.

При выщелачивании боксита кремнезем переходит в раствор в виде силиката натрия, а затем осаждается в форме гидроалюмосиликата натрия.

Кривые изменения содержания Al₂O₃ и SiO₂ в растворе (см. рис. 4) совсем не похожи одна на другую.

Кривая для Al₂O₃ сначала круто поднимается, поскольку глинозема больше всего растворяется за первый час варки, а через 23 ч его содержание в растворе становится почти постоянным. Содержание SiO₂ за первый час варки нарастает еще резче, чем Al₂O₃, но до некоторого максимума, а затем почти также быстро убывает, после чего кривая медленно приближается к горизонтали.

По достижении некоторой предельной метастабильной концентрации SiO₂ обескремнивание раствора идет значительно быстрее растворения кремнезема, а к концу выщелачивания в растворе кремневый модуль (_Si)увеличивается до 100 150, оставаясь в 1,52 раза меньше, чем допустимо для декомпозиции. При разбавлении пульпы растворимость алюмосиликата уменьшается и _Si повышается до 200 250.

3.6.3 Отделение и промывка красного шлама

Пульпа после выщелачивания бокситов разбавляется первой промводой от промывки красного шлама до концентрации Al₂O₃ 120 150 г/л. Разбавление необходимо для завершения обескремнивания алюминатного раствора и снижения вязкости раствора до величин, обеспечивающих отделение красного шлама с приемлимыми для практики скоростями.

При переработке бокситов по последовательному способу Байерспекания красный шлам сначала фильтруют, а затем направляют на спекание.

Скорость осаждения и фильтрации зависит в основном от вязкости жидкой фазы (т.е. от температуры и концентрации) и от кристаллической структуры шлама. Как правило, скорость возрастает с повышением содержания окислов железа и снижается при увеличении содержания ГСН в шламе. Поэтому в большинстве случаев бокситы с большим кремневым модулем образуют после выщелачивания красные шламы с лучшими седиментационными свойствами.

При прочих равных условиях гиббситовые и гиббситбемитовые бокситы дают более тонкое и лучше откристаллизованные шламы (особенно частицы ГСН). При медленном их отстаивании значительно снижается производительность передела, увеличивается число промывок и объем промывочной воды, а также теряется больше глинозема и щелочи с отвальным шламом.

Тонкие частицы красного шлама практически не оседают без предварительной их агрегации (флокуляции с образованием хлопьев). Для этого применяют флокулянты: в основном ржаную муку.

Очень сильно снижается скорость отстаивания (фильтрации) в присутствии в бокситах перита, сидерита и некоторых органических веществ. При повышенном их содержании шламы зависают и практически не отстаиваются. В таких случаях целесообразно применять предварительный обжиг боксита.

Для снижения вязкости раствора и исключения гидролиза алюмината натрия процесс отделения и промывки красных шламов ведут при температуре не ниже 95^о С. Если каустический модуль алюминатного раствора недостаточен, то во избежание гидролиза закрепляют оборотным раствором с повышенным а_к.

Алюминатный раствор после отделения от красного шлама содержит 0,11,0 г/л твердой взвеси самых тонких фракций шлама. Такой раствор перед разложением подвергают контрольной фильтрации на фильтрах ЛВАЖ.

3.7 Расчеты технологического процесса

3.7.1 Подготовка исходных материалов для переработки их в продукции с характеристикой их качества

Исходные данные

Минералогический состав боксита:

гиббсит 55% (Al₂O₃ x 3H₂O)

каолит 22,1% (Al₄ [Si₄O₁₀] (OH)₂)

гематит 8,2% (Fe₂O₃)

гетит 3,1% (FeO (OH)

кварц 3,1% (SiO₂)

сидерит 3,0% (Fe[CO₃])

прочие 5,5%

2) Химический состав сухого боксита, %: Al₂O₃ 44,7; Fe₂O₃ 14,0; SiO₂ 12,1; СаО 1; СО₂ 1,72; SO₃ 0,9; прочие 2,58; П.П.П. 23. Влажность боксита 20,6. Кремневый модуль 3,69.

3) Состав алюминатного раствора г/л: Al₂O₃ 110; Na₂O_к 103,65; СО₂ 10,54; Н₂O 1041. Плотность 1280 кг/м³, а = 1,55.

4) Состав оборотного раствора, г/л: Al₂O₃ 113,7; Na₂O_общ 223,5; N₂О_ок 202; СО₂ 15,26; Н₂O 1048 кг/м³. Плотность 1440 кг/м³, а_к = 2,92.

5) Разбавление пульпы при выщелачивании 4%.

6) Ж: Т

в нижнем продукте сгустителя 3,0

в нижнем продукте последнего промывателя 2,5

7) Товарный выход Al₂O₃ в ветви Байера 65,4%

8) Потери, % от содержания в исходном боксите (см. из расчетов).

3.7.2 Расчет материального баланса

Общий товарный выход Al₂O₃ составляет 88,81%. Тогда для получения 1 т глинозема необходимо подать в процесс

985: 0,88: 0,447 = 2495,06

В нем Al₂O₃ — 1115,29 кг.

Так как потери Al₂O₃ при дроблении составляют 0,3%, тогда на размол поступает:

1115,29 — (1115,29. 0,003) = 1111,94 кг

Количество необходимого оборотного раствора (V, м³) рассчитывается по формуле:

где а_а и а_о — каустическое отношение алюминатного

и оборотного растворов соответственно;

а и s — содержание Al₂O₃ и SiO₂ в боксите, поступающем

на мокрый размол, кг;

n — содержание Na₂O_k в оборотном растворе, кг/м³.

В этом количестве оборотного раствора содержится, кг:

Al₂O₃ = 113,7. 10,15 = 1154,06 кг

Na₂O_k = 202. 10,15 = 2050,3 кг

Na₂O_у = 21,5. 10,15 = 218,23 кг

СО₂ = 15,26. 10,15 = 154,89 кг

Н₂О = 1048. 10,15 = 10 637,2 кг

Итого: 14 214,68 кг

Полученные данные сводим в таблицу 4.

Таблица 4 — Баланс размола

После выщелачивания боксита весь глинозем боксита за вычетом связанного с SiO₂ в виде гидроалюмосиликата натрия и частично недовыщелоченного переходит в раствор, а все примеси остаются в шламе.

В красном шламе содержится:

Al₂O₃ = 348 кг

Na₂O = 211,5 кг

Fe₂O₃ = 346,16 кг

SiO₂ = 299,18 кг

CaO = 24,73 кг прочие — 63,79 кг П.п.п. — 101,43 кг Итого: 1394,79 кг П.п.п. рассчитываем так: общее количество п.п.п. складывается в основном из двух статей: образования гидроалюмосиликата натрия (ГАСН)

Na₂O. Al₂O₃. 2 SiO₂. 2H₂O

и частично за счет нахождения Fe₂O₃ в составе Fe (OH)₃. Принимаем, что весь кремнезем находится в составе ГАСН, тогда п.п.п. в нем составит:

Принимаем, что 10% от всей окиси железа в шламе находится в форме Fe (OH)₃. Тогда количество п.п.п. за счет этой статьи составит:

346,16. 0,1. 54: 160 = 11,68 кг Общее количество п.п.п. составит:

89,75 + 11,68 = 101,43 кг При ж: т в сгустителе 3,5 с 1394,7 кг красного шлама будет увлекаться 4881,76 кг алюминатного раствора или V = 3,81 м³, в котором содержится:

Al₂O₃ = 3,81. 110 = 419,1

Na₂O_к = 3,81. 103,65 = 394,9

Na₂O_у = 3,81. 14,85 = 56,58

CO₂ = 3,81. 10,54 = 40,16

H₂O = 3,81. 10,41 = 39,66,21

Итого: 48,76,95

Это количество Al₂O₃ и Na₂O за вычетом потерь вследствие разложения и недоотмывки шлама будет возвращено на разбавление пульпы с 1й промводой от противоточной промывки красного шлама.

В 1й промводе содержится, кг:

Al₂O₃ = 419,1 — 4,46 = 414,64 кг

Na₂O_к = 394,9 — 4,8 = 390,1 кг

Na₂O_у = 56,58 кг

CO₂ = 40,16 кг Количество Н₂О в 1й промводе рассчитывается так. В алюминатном растворе содержится 1906,84 кг Al₂O_3.

На это количество Al₂O₃ приходится Н₂О, кг:

1906,84. 1041: 110 = 18 045,64 кг Тогда с 1й промводой вносится воды, кг:

18 045,64 — 11 833,24 + 3966,21 = 10 178,61 кг Определяется как разность между содержанием воды в алюминатном растворе и содержанием воды в алюминатном растворе, увлеченном красным шламом, и в жидкой фазе пульпы.

Таблица 5 — Баланс выщелачивания

Таблица 6 — Баланс сгущения

Таблица 7 — Баланс промывки красного шлама

3.8 Выбор и технологический расчет основного оборудования

Масса пульпы, выходящей из мешалок, суммируется из массы пульпы и массы конденсата водяного пара. Пар вводится из расчета нагревания пульпы от 95 до 110^о С и возмещения тепловых потерь в окружающую среду.

Общий часовой расход пара Р^а_п, кг/ч:

где Q^a₁ — количество тепла для нагревания пульпы

от 95 до 110^о С, кДж/ч;

Q^a₂ — количество тепла для возмещения потерь, кДж/ч

i — удельная этальная пара, кДж/кг

i — средняя этальная конденсата.

Q^a₁ = (m₁ c₁ + m₂ c₂ + m₃ c₃) (t_k — t_н)

m — массы оборотного раствора, боксита

с — удельная теплоемкость

В — производительность установки.

Q^a₁ = (14 214,68. 3,35 + 2977,62. 0,96) (11 095). 125 =

= 94,65. 10⁶ кДж/ч

Для определения теплопотерь в окружающую среду необходимо знать число мешалок. Примем потери 3% от общего количества тепла, вносимого паром.

Q^a₃ = (2,93. 10⁶) кДж/ч

1' = 794,21 кДж/кг

Расход пара для нагревания пульпы, кг/ч:

Расход пульпы G, кг/ч:

G = G_n + G_к

G_n — расход пара, кг/ч

G_к — расход конденсата, кг/ч

G = 17 192. 125 + 48 564,9 = 2 197 564,9

Плотность пульпы 1,37 г/м³.

Секундный объем разбавленной пульпы

V_сек = 0,61 м³/с

V_час = 2200 м³/ч

Для обеспечения необходимого времени выщелачивания 7 ч общая емкость должна быть: 2200. 7 = 15 400 м³

Учтем, что заполнение мешалок на 75%, равно 20 533 м³.

Принимаем мешалку Ш 8 м и высотой 12 м. Рабочий объем V=602,9 м³

n = 20 533: 602,9 = 34 мешалки

Чтобы обеспечить заданную производительность, линейная скорость пульпы W должна составлять, м/с:

При общей продолжительности пребывания пульпы, равной 7 ч, суммарная высота всех мешалок составит:

Н = 0,012. 25 200 = 302,4 м

Заполнение на 75%, 403,2 м

ч — продолжительность пребывания пульпы, с.

При высоте 12 м необходимое число

h = H/h = 403,2/12 = 34 мешалки

3.8.1 Расчет теплоизоляции

К теплоизоляционным относятся материалы, коэффициент теплопроводности которых не превышает 0,23 вТ/м.^о С в пределах температур 50 100^о С. Известно много природных материалов, отвечающих этому требованию, например, асбест, слюда, торф, земля, пробка, дерево, опилки, каменный уголь. Иногда материалы применяют в качестве тепловой изоляции в естественном виде, но чаще материалы готовят искусственно — либо смешивают в определенных пропорциях. В качестве теплоизоляционных материалов используют отходы производства. Так, шлаковая вата является продуктом грануляции шлаков металлургических печей и широко применяется в качестве теплоизоляционного материала. Широко применяется также асбослюда (смесь асбеста и слюдяной щелочи), зополит — продукт прокалки слюды при 700 800^о С, совелит, асбозурит и др.

Исходные данные: температура теплоносителя t_т = 100^о С, температура окружающей среды t_o = 30^о С, характер изоляции — двухслойная.

где 34 — число мешалок

502,4 — поверхность одной мешалки, м²

2,93 — коэффициент изоляции

а_н = 9,42 + 0,045 (t_н — t_о)

а_н = 9,42 + 0,045 (45 -30) = 10,095

Отсюда

Обычно после нанесения изоляционного слоя по нему проводится штукатурка из асбозуритовой мастики, а затем обклейка изоляции тканью. Толщину покровного слоя принимаем 10 мм.

3.8.2 Расчет теплового баланса

Приход тепла

На выщелачивание поступает сырая пульпа, температура которой поддерживается подачей острого пара.

Q_приход = Q_пара + Q_{сырой пульпы}

Q = m. c. t

где m — масса вводимой пульпы, кг

с — удельная теплоемкость, кДж/мо. ^оС