2.2 Технология получения глинозема. Способ спекания

Отличительной особенностью способа спекания от чисто гидрометаллургического является операция спекания -пирометаллургический передел. Цель этой операции - связать кремний в малорастворимые при последующей гидрометаллургической переработке соединения, чтобы затем на стадии выщелачивания спека вывести кремний из процесса. С увеличением содержания SiO₂ переработка боксита по способу Байера становится экономически невыгодной, т.к. значительно увеличиваются потери щелочи и алюминия с красным шламом. Бокситы с кремневым модулем меньше 6-7 единиц экономически целесообразнее перерабатывать по способу спекания. Способом спекания перерабатывают бокситы (с получением бокситового спека), нефелиновые концентраты и руды (нефелиновый спек), байеровские шламы последовательного способа Баер-спекание (шламовый спек) и каолины или алюмокальциевые шлаки (алюмокальциевый саморассыпающийся спек). Суть способа спекания заключается в термической обработке шихты с получением спека, с образованием алюмината натрия Na₂O·Al₂O₃, феррита натрия Na₂O·Fe₂O₃ и двухкальциевого силиката 2CaO·SiO₂ (ортосиликата кальция). Идеи связать минералы алюминия в растворимую форму – алюминат натрия (Ле-Шателье), а основную наиболее вредную примесь SiO₂ – в малорастворимый силикат (Мюллер) имеют более чем 150-летнюю историю. Эти идеи лежат в основе способа переработки глиноземсодержащего сырья – бокситов, нефелинов, каолинов – спеканием. Получаемый спек выщелачивают, и в раствор переходят полезные компоненты Al₂O₃ и Na₂O. Однако в связи с тем, что ортосиликат кальция, частично взаимодействуя с алюминатным раствором, разлагается и загрязняет алюминатный раствор кремнеземом SiO₂, требуется передел двухстадииного обескремнивания с удалением из раствора: на первой стадии – гидроалюмосиликата натрия и на второй – гидрограната кальция. Очищенный от кремния раствор подвергается разложению карбонизацией (или декомпозицией), в ходе которой образуются А1(ОН)₃ и раствор карбонатов. Гидроксид алюминия направляется на кальцинацию с получением оксида алюминия, а карбонатный маточник после выпарки идет в начало процесса на приготовление шихты (для бокситов) или на глубокую выпарку с получением соды и поташа как конечных продуктов. Также применяется и остающийся после выщелачивания белитовый шлам, который идет на получение цемента, что создает условия для создания комплексной безотходной технологии переработки нефелинов. Способ спекания включает в себя следующие технологические операции:

1. приготовление шихты;

2. спекание шихты с получением спека;

3. измельчение и выщелачивание спека - состоит в извлечении из спека алюмината натрия и щелочи;

4. обескремнивание выщелоченной пульпы;

5. отделение алюминатного раствора от красного шлама и промывка красного шлама;

6. разложение алюминатного раствора;

7. отделение маточного раствора от гидроксида алюминия;

8. упаривание спекового раствора и выделение содосульфатной смеси;

9. прокалка гидроксида алюминия с получением глинозема;

10. узел выгрузки, хранения и ввода в процесс кальцинированной соды.

При переработке боксита по способу спекания используют двух- и трехкомпонентную шихту – боксит + сода + известь или боксит + сода. Спекание – высокотемпературный обжиг шихты при t = 1200-1300 °С. Соединения алюминия при спекании связываются в растворимый в воде алюминат натрия, железо переходит в феррит натрия, кремнезем переходит в малорастворимое соединение – двухкальциевый силикат. Спеки, по физическому признаку, делят на плав, частично оплавленный, пористый и недопек. Факторы влияющие на качество спека:

1. Температура спекания

2. Крупность частиц бокситовой шихты

3. Дозировка содовой составляющей шихты

4. Наличие соединений серы

Газовый поток, проходя по печи со скоростью 3,0-4,0 м/сек (расчетная), уносит из печи до 50 % подаваемой в печь оборотной пыли. Улавливание вынесенной из печи пыли (шихты) производится системой газоочистки и пылевозврата, в состав которой входят следующие агрегаты: пылевая камера 6; батарея циклонов 7 (по 2 батареи из 6-8 циклонов); электрофильтр 8; скруббер двухступенчатой очистки газов – 1 на каждую печь. Транспортировка газов через печь и систему газоочистки осуществляется дымососом. Отходящие газы выбрасываются в атмосферу. Уловленная в пылевой камере, батарейных циклонах и электрофильтрах пыль шнеками подается в приемный бункер элеватора и с его помощью возвращается в холодную головку печи. Контроль за процессом спекания, как правило, осуществляют по температуре и составу отходящих газов. Температура отходящих газов в образе печи – 320-420 °С; содержание в отходящих газах О₂ – 1,5-2,5 %, СО ≤ 0,4-0,6 %, СО₂ – 25-27 %. Количество воздуха, необходимого для горения, определяется по содержанию О₂ в отходящих газах.

Трубчатая вращающаяся печь (ТВП) представляет собой стальной барабан толщиной от 20-70 мм, изнутри печь футерована огнеупорным кирпичом, основным материалом служит шамод, высокотемпературные зоны печей выкладывают из хромомагнезитового и магнезитового огнеупорного кирпича толщина футеровки от 230-250 мм, диаметр барабана одинаков, уклон от 1°до 5°. На корпусе печи укреплены бандажи (стальные отточенные кольца), которыми он опирается на опорные ролики. Вал каждого ролика установлен в подшипниках, укрепленных в стальной раме, которая связана с массивным железобетонным фундаментом. Печь приводится во вращение от электродвигателя, скорость вращения барабана 1-2 оборота в минуту. Нижним горячим концом печной барабан входит в топливную головку печи. Верхним холодным концом в загрузочную головку, которая имеет устройство для загрузки гидроксида и отверстие для выхода топочных газов. Топливная головка спереди имеет отверстия для форсунок или горелок, а также смотровые и рабочие окна. В нижней части топливной головки расположена печка, через которую проколенный глинозем пересыпается в холодильник. В качестве топлива для ТВП используют мазут и природный газ. Мазут подается нагретым до 90-110°С. ТВП работает по принципу противотока - нагреваемый материал вследствие наклона печного барабана и его вращения движется на встречу горячим топочным газам, которые при этом охлаждаются, а материал нагревается.

Рис.8 Трубчатая вращающаяся печь (ТВП) [13]

Зоны печи ТВП:

Первая зона, которую называют зоной сушки, характеризуется полным испарением гигроскопической влаги гидроксида алюминия, причем температура материала здесь не превышает 200 °С. Температура газов в пределах зоны сушки снижается с 600 до 300 °С.

Во второй зоне – зоне кальцинации – удаляется химически связанная влага, и гидроксид превращается в безводный γ-Al₂O₃. Для этого материал необходимо нагреть до температуры 950 °С. Поток движущихся газов в этой зоне охлаждается на 450 °С – с 1050 до 600 °С.

Третья зона – зона прокаливания – располагается в области горящего факела, что обеспечивает максимально высокую температуру газов – 1400 °С. Это позволяет нагреть шихту до 1250 °С, обеспечивающих переход глинозема из γ модификации в α модификацию (γ-Al₂O₃ → α-Al₂O₃). Чтобы гарантировать полное завершение процесса прокаливания, время пребывания материала в этой зоне стремятся увеличить за счет большего, чем в других зонах, диаметра печного барабана.

Четвертая зона – зона охлаждения – здесь происходит охлаждение готового глинозема до 1000 °С. При нормальной работе печи кальцинации температура покидающих ее газов не должна быть выше 300 °С, что служит надежным критерием обеспечения оптимальной температуры материала в зоне прокалки ≈ 1250 °С. При хорошем сжигании топлива и отсутствии лишних подсосов воздуха в системе обычно в отходящих газах содержится 13-15 % СО₂. Содержание СО не должно превышать 0,8 %.

Заключение

В настоящее время способ Байера – основной способ производства глинозема во всем мире, т.к. его экономически целесообразно использовать для переработки высококачественных бокситов с относительно невысоким содержанием кремнезема – SiO₂, должен иметь высокий кремневый модуль µ_Si ≥ 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO₂, поскольку при росте количества SО2 все больше Al2O3 и используемой в процессе щелочи теряются. За рубежом практически весь Al2O3 получают из бокситов в основном способом Байера (К.И.Байер — австрийский инженер, работавший в России), на отечественных заводах глинозем получают из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Для переработки бокситов с кремниевым модулем менее 5—7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых глиноземом месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и возрастает доля способа спекания. Большинство объектов глиноземного производства, в особенности по ряду гидрохимия, переделов, характеризуется наличием высокой влажности и образованием туманов, вследствие охлаждения испаряемых щелочных растворов и аварийных проливов щелочей, поэтому предъявляются особые требования, которые в основном сводятся к увеличению плотности бетонов, к соблюдению условий трещиноустойчивости, к защите внутренней поверхности стеновых ограждений от проникновения щелочных паров и влаги. Характерной особенностью глиноземного завода является наличие галерей между цехами, по которым проходит большое количество пульпопроводов, паропроводов, ленточных конвейеров и других коммуникаций. Все печные цехи проектируются с открытыми вращающимися печами и с открытой установкой электрофильтров. Крупные емкости устанавливаются вне зданий на открытых площадках.

ТЭЦ и блок мокрой обработки — основной потребитель пара и горячей воды — а также цементное производство, передел выщелачивания, обескремнивание во избежание излишней транспортировки шлама размещаются поблизости друг от друга. Приемное устройство сырья — вагоноопрокидыватель, располагается как можно ближе к отделению крупного дробления и отделению мокрого размола. Коррекционные бассейны устраиваются около отделений мокрого размола и спекания, а отделение спекания размещают поблизости от мокрого блока (выщелачивание, сгущение» обескремнивание, карбонизация и фильтрация). Склад гидрата и отделение кальцинации располагают рядом с отделениями фильтрации и карбонизации, а склад товарного глинозема — с отделением кальцинации. Для межцеховых перевозок используется гл. обр. автотранспорт. Ж/д транспорт необходим для доставки сырья и вывозки готовой продукции, а также для доставки материалов, запасных частей и изделий в главный магазин и ремонтным цехам. При расположении зданий на генплане учитывается направление господствующих ветров, для того чтобы исключить вредное влияние агрессивных выделений в виде капле-уноса щелочи из блока цехов мокрой обработки, а также пыли от складов угля, известняка, отделений кальцинации и спекания. Сокращение стоимости строительства глиноземного завода связано с блокировкой зданий и сооружений, установкой оборудования на открытых площадках и в полузакрытых помещениях.

Список литературы

1. Лайнер А. И. Производство глинозема / Лайнер Ю. А. - М.: Высш. шк., 1961. – 314с.

2. Логинова И.В. Аппаратурно-технологические схемы в производстве глинозема /И.В. Логинова, А.В. Кырчиков. Екатеринбург: УрФУ, 2011. – 233с.

3. Троицкий И. А. Производство глинозема из бокситов. Технологические расчеты / И. А. Троицкий. М.: Металлургия, 1972. – 175 с.

4. Еремин Н.И. Процессы и аппараты глиноземного производства / Н.И. Еремин, А.Н. Наумчик, В.Г. Казаков. М.: Металлургия, 1980. – 360 с.

5. Никольская М.П. Технология получения глинозема из бокситов / М.П. Никольская. Каменск-Уральский, 2007. – 184 с.

6. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/files

7. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63206_VTD4NPWQ_480.mp4

8. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63205_TLXAKEN5_480.mp4

9. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63204_B759UYHC_720.mp4

10. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63202_P5UBYKS7_480.mp4

11. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63200_TLSFX6WQ_480.mp4

12. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63203_1ZWGSJPC_480.mp4

13. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63199_HQ2CZKJ4_480.mp4

28