автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Исследование химико-минеральных особенностей индийских бокситов штата Гуджарат и разработка оптимальных технологических параметров их переработки на глинозем

ВВЕДЕНИЕ

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Обзор сырьевой базы отечественной и мировой глиноземной промышленности и мирового рынка бокситов

1.1.1. Краткий обзор глиноземной промышленности России и СНГ

1.1.2. Мировая глиноземная промышленность

1.1.3. Мировой рынок бокситов

1.1.4. Актуальность гиббситовых бокситов (в частности, индийских из штата Гуджарат) в качестве сырьевой базы для заводов СНГ, работающих в режиме «открытого рудника»

1.2. Обзор бокситовых месторождений штата Гуджарат (Индия)

1.2.1. Местоположение

1.2.2. Величина запасов боксита

1.3. Цели и задачи исследований 3 0 2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ХИМИЧЕСКОГО И

МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА БОКСИТОВ ШТАТА ГУДЖАРАТ

2.1. Стандартные методы исследований

2.1.1. Методы исследования физических характеристик боксита

2.1.2. Методы исследования химического состава боксита

2.1.3. Методы исследования минерального состава боксита

2.2. Разработка новых методик

2.2.1. Метод определения содержания неорганического и органического углерода в бокситах и щелочно-алюминатных растворах

2.2.2. Метод определения!извлекаемого глинозема и реактивного кремнезема в бокси гах

2.2.3. Метод отбора представительных проб пароходных партий боксита

2.3. Химико-минеральные особенности бокситов штата Гуджарат

2.3.1. Физические свойства

2.3.2. Особенности геологического строения

2.3.3. Химический и минеральный состав

2.4. Выводы по разделу

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БОКСИТОВ ШТАТА ГУДЖАРАТ И РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ НА ГЛИНОЗЕМ ПО СХЕМЕ БАЙЕРА

3.1. Методики технологического опробования бокситов

3.1.1. Методика определения размольных характеристик

3.1.2. Методика предварительного обескремнивания пульп боксита

3.1.3. Методика выщелачивания

3.1.4. Методика цикла опытов со сгущением

3.2. Результаты технологического опробования индийских бокситов

3.2.1. Размолоспособность индийского боксита

3.2.2. Предварительное обескремнивание

3.2.3. Выщелачивание

3.2.4. Сгущение

3.3. Определение оптимальных параметров переработки бокситов Гуджарат на глиноземных заводах СНГ

3.4. Разработка оптимальной технологической схемы переработки индийских бокситов с повышенным содержанием карбонатов и сульфатов для нового глиноземного производства в штате Гуджарат

3.4.1. Общие аспекты строительства глиноземного завода в штате Гуджарат

3.4.2. Особенности технологии переработки бокситов с повышенным содержанием карбонатов и сульфатов

3.4.3. Технологическая схема завода

3.4.4. Предварительный расчет экономической эффективности

3.5. Выводы по разделу 139 4. ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ИНДИЙСКИХ БОКСИТОВ

ШТАТА ГУДЖАРАТ НА ГЛИНОЗЕМНЫХ ЗАВОДАХ СНГ

Выводы по разделу

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена решению актуальных задач глиноземной промышленности, связанных с расширением и качественным улучшением ее сырьевой базы.

Глинозем является единственным на сегодняшний день сырьем для производства первичного алюминия - металла, который находит все большее применение во многих отраслях промышленности. По масштабам производства алюминия Россия занимает второе место в мире, а по объемам экспорта -первое место среди других экспортеров. Однако качество и объем запасов бокситового сырья в России и странах СНГ значительно уступают зарубежным. В силу этого отечественная глиноземная промышленность ориентирована либо на комплексную переработку небокситового сырья - нефелинового (АГК, ПГЗ) и алунитового (ГГК), либо низкокачественных бокситов (БГЗ, ПАЗ), либо трудновскрываемых диаспор-бемитовых бокситов с высоким содержанием карбонатов и серы (БАЗ, УАЗ). Глиноземные заводы Украины (НГЗ, ЗАлК) и Азербайджана (ГГК) перерабатывают импортные бокситы и фактически работают в режиме "открытого рудника". Для обеспечения сырьем этих предприятий, улучшения технико-экономических показателей производства глинозема на заводах, перерабатывающих диаспор-бемитовые бокситы, а также для новых глиноземных заводов представляют интерес перспективные зарубежные источники бокситов.

Месторождения высококачественных гиббситовых бокситов в основном расположены в тропическом и субтропическом поясах - в некоторых странах Африки, Южной и Центральной Америки, Азии и в Австралии. Количество крупных фирм и стран - производителей и экспортеров боксита на мировом рынке весьма ограничено. Кроме того, по мере увеличения объемов добычи, наблюдается истощение запасов многих действующих бокситовых рудников и ухудшение качества добываемой руды. Остро стоит вопрос о поиске и освоении новых перспективных сырьевых источников, отвечающих строгим требованиям по качеству (высокое содержание А1203, низкое содержание 8Ю2 и вредных примесей, небольшое содержание или отсутствие моногидратных глиноземсодержащих минералов) и другим параметрам (значительные запасы руды, конкурентоспособная цена и др.).

Одним из таких источников в настоящее время являются месторождения Индии, занимающей четвертое место в мире по общим запасам боксита (более 3 млрд. тонн). В Индии создана и развивается крупная бокситодобывающая, глиноземная и алюминиевая промышленность, во многих регионах имеется развитая инфраструктура, действует законодательство, благоприятствующее добыче и поставке бокситов на экспорт, стабильная политическая обстановка.

С точки зрения экспорта металлургического боксита особенно перспективно западное побережье Индии, в частности штат Гуджарат. Хотя бокситовые месторождения в этом регионе были открыты и изучены в общих чертах сравнительно давно (во второй половине XX века), до недавнего времени отсутствовала подробная информация об их химическом и минеральном составе, не были изучены технологические свойства этих бокситов. Все это обусловило необходимость проведения детальных исследований химико-минеральных и технологических особенностей данного сырья.

Целью диссертационной работы является оценка перспективности индийских бокситов штата Гуджарат в качестве сырья для производства глинозема по способу Байера на действующих и проектируемых заводах, а также разработка оптимальных параметров их переработки на глинозем путем решения следующих задач: изучение физических и химико-минеральных особенностей этих бокситов, включая экстрактивную минералогию; лабораторное технологическое опробование данных бокситов с целью определения их поведения на основных переделах цикла Байера и разработка новых методик, способствующих проведению исследований; определение оптимальных технологических параметров переработки индийских бокситов на действующих глиноземных предприятиях; разработка оптимальной технологической схемы переработки боксита для планируемого к строительству в штате Гуджарат нового глиноземного завода.

Методы исследований. Исследования осуществлялись с помощью современных физико-химических методов анализа, в том числе: рентгеноспектрального, атомно-адсорбционного, рентгенофазового, кристаллооптического, химического и др. Выявление и расчеты полученных закономерностей проводились с помощью графических и аналитических методов с использованием современных программных комплексов и средств вычислительной техники.

На защиту выносятся: результаты исследований химико-минеральных особенностей и технологических свойств индийских бокситов штата Гуджарат; методика анализа неорганического и органического углерода в бокситах и щелочно-алюминатных растворах и методики определения содержания извлекаемого глинозема и реактивного кремнезема в бокситах; оптимальные технологические параметры переработки индийских бокситов на глиноземных заводах России и стран СНГ; технологическая схема для нового глиноземного завода в штате Гуджарат, ориентированного на переработку местных бокситов неэкспортного качества.

Научная новизна. Впервые детально исследованы химико-минеральные особенности и технологические свойства индийских бокситов штата Гуджарат (размолоспособность, вскрываемость, кинетика извлечения глинозема, поведение кремнезема в ходе обескремнивания, сгущаемость красных шламов с применением различных флокулянтов, поведение балластных и вредных примесей и др.) в широком диапазоне температур, концентраций щелочи в сфере выщелачивания и дозировки извести.

Были вновь разработаны и уточнены следующие методики: определения размольных характеристик для гиббситового сырья в лабораторных условиях; определения содержания извлекаемого глинозема и алгоритма расчета для гиббситовых, бемитовых и диаспоровых бокситов (температуры 150, 210 и 230 °С), а также реактивного кремнезема при 105 °С. определения содержания неорганического и органического углерода в боксите и в щелочно-алюминатном растворе, позволяющая окислять все (в том числе и битумные) фракции и более достоверно определять общее количество Сорг.

Практическая ценность. Впервые в промышленном масштабе освоена переработка индийских бокситов штата Гуджарат на глинозем на заводах стран СНГ, работающих в режиме «открытого рудника» (ЗАлК, ГГК, НГЗ). В общей сложности за 5 лет переработано около 2 млн. тонн индийского боксита.

Разработаны и внедрены методики определения: размольных характеристик гиббситового сырья, содержания извлекаемого глинозема и реактивного кремнезема в бокситах, содержания органического углерода в бокситах и щелочно-алюминатных растворах.

Разработана и освоена методика пробоотбора крупных пароходных партий (до 50 тыс. тонн) из штабелей боксита в отсутствии специализированных и сертифицированных пробоотборных станций в портах погрузки.

Личный вклад автора заключается в разработке новых методик и непосредственном проведении исследований на рудниках, в лабораторном и промышленном масштабах, в обработке полученных результатов и разработке новых технологических решений на их основе.

Апробация работы. Основные положения работы изложены и обсуждены на международной конференции Ваихте1>2000 (Нагпур, Индия, 2000), на VI региональной научно-практической конференции «Алюминий Урала - 2001» (Краснотурьинск: БАЗ, 2001), на международной конференции "Металлургия легких металлов на рубеже веков. Современное состояние и стратегия развития." (СПб: ВАМИ, 2001), на IX конгрессе ИКСОБА, (Вена, Австрия, 2002) и на VII международной конференции "Алюминий Сибири-2002" (Красноярск: НТЦ Легкие металлы, 2002).

Публикации. Основное содержание и отдельные результаты диссертационной работы изложены в 19 научных публикациях, оформляется заявка на метод определения органического углерода.

Работа проводилась в ОАО ВАМИ, на Запорожском алюминиевом комбинате, Гянджийском глиноземном комбинате и СПбГУ в рамках договорных работ ЛТГБ ОАО ВАМИ.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка используемой литературы и 3 приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 24 таблицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты проведенных исследований химико-минеральных и технологических особенностей индийских бокситов шт. Гуджарат позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлено, что индийские бокситы штата Гуджарат являются металлургическим сырьем высокого качества с содержанием AI2O3 на уровне 47,0-52,0 %, кремневым модулем 12-28. По своему минеральному составу данные бокситы являются гиббситовыми, с незначительными количествами AI2O3 в форме бемита, диаспора и алюмогетита. Запасы руды в регионе составляют более 100 млн. тонн (из них как минимум, 45 млн. тонн экспортного качества), что делает штат Гуджарат перспективным с точки зрения экспорта металлургических бокситов.

2. На основании исследований и лабораторного технологического опробования установлено, что бокситы могут эффективно перерабатываться при всех промышленных температурных режимах, включая безавтоклавное (агитационное) выщелачивание (Т=105-107 °С), использование по схеме "подслащения" (Т=120-135 °С), низкотемпературное выщелачивание (Т=150-155 °С), автоклавное выщелачивание при Т = 210-230 °С, а также высокотемпературное выщелачивание (в т.ч. по схеме ВТТВ) при Т > 245 °С. Установлены оптимальные технологические параметры переработки данных бокситов, рассчитаны технико-экономические показатели, подтвердившиеся при промышленном внедрении.

В общей сложности в ходе выполнения диссертационной работы изучены химико-минеральные и технологические особенности бокситов с ~ 50 месторождений и рудных тел. Примерно с 20 из них уже ведется отгрузка металлургического боксита при непосредственном наблюдении автора.

3. Разработаны универсальная методика определения и алгоритм расчета извлекаемого глинозема для гиббситовых, бемитовых и диаспоровых бокситов (температуры 150, 210 и 230 °С), а также реактивного кремнезема при 105 °С, позволяющая экспресс методом определять их качество.

4. Разработана и освоена методика анализа неорганического и органического углерода в боксите или в щелочно-алюминатном растворе, позволяющая более достоверно определять общее количество Сорг, с помощью окисления всех фракций органического вещества.

5. Разработана и внедрена методика пробоотбора крупных пароходных партий из штабелей боксита в отсутствии специализированного оборудования для оценки качества пароходных партий в портах погрузки.

6. Результаты проведенных исследований позволили освоить в промышленном масштабе технологию переработки на глинозем индийских бокситов штата Гуджарат, ставших, таким образом, новым сырьевым источником мирового уровня. Всего из данного региона с 1998 г. по настоящее время экспортировано и успешно переработано на глиноземных заводах СНГ около 2,0 млн. тонн металлургического боксита.

Бокситы из данного региона ныне перерабатываются на Запорожском алюминиевом комбинате и Гянджийском глиноземном комбинате по схеме низкотемпературного выщелачивания, используются на глиноземном заводе Джаджарм (7а]агт, Иран) по схеме агитационного выщелачивания, а также поставляются на глиноземные заводы Канады (Уаис1геш1, провинция Квебек) и Японии (БИо^^а Оепко, г. Йокогама). Рассчитана экономическая целесообразность и прорабатывается возможность использования данного боксита на НГЗ, БАЗ'е, УАЗ'е по схеме подслащения, на заводе Бирач в автоклавах при 245°С.

В ходе использования данных бокситов на ЗАлКе и ГГК были проведены работы по оптимизации режимов их переработки, позволившие улучшить технико-экономические показатели работы этих предприятий.

7. Разработана схема переработки бокситов неэкспортного качества - с повышенным содержанием вредных примесей (карбонатов и сульфатов) для нового глиноземного завода в штате Гуджарат. Предварительные технико-экономические расчеты показали ее высокую эффективность.

1. US Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2003, p.23.

2. Roskill Information Services Ltd. The Economics of Bauxite and Alumina. Fifth Edition. London, 2002.

3. V.S. Smirnov, N.N. Tikhonov. Prospects of Development of Alumina Industry in Russia // Travaux of 9th Congress of ICSOBA, Vienna, Austria, May 29-June 1, 2002.

4. Состояние и перспективы мирового и внутреннего рынков цветных, редких и благородных металлов Информационно-аналитический обзор. Выпуск 1. Глиноземное сырье и первичный алюминий // ООО «Геомар СВ»: Москва, 2002.

5. Информационный сайт компании СУАЛ Холдинг VAvw.sual.ru

6. Справочник «Минеральные ресурсы мира на начало 1999 г.» Алюминий. 64 с. http://www.mineral.rU/Production/Issues/l/Issue Files.html

7. US Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2002.

8. A.K. Nandi. Processing of Low Alumina Bauxites // Travaux of 9th International Congress of ICSOBA, Vienna, Austria, 2002.

9. A.K. Nandi, A.M. Kulkarni. Prospects of bauxite export from West Coast of India // Trav. of 8th International Congress of ICSOBA, Milan, Italy, 1997, pp.528-540.

10. Валетон И. Бокситы. M.: Мир, 1974 216 с.

11. Monograph on Bauxites (revised edition) // Mineral Facts and Problems: No. 14. Indian bureau of mines, Ministry of mines Nagpur, India, 1992,461 pages.

12. Bauxite deposits of Kutch district (Gujarat State, India) // Geological and mining report -Aluterv-FKI Chemocomplex - Hungary, 1979,182 pages.

13. Л.С. Рудашевский. Геолого-промышленные основы оценки качества бокситов при поисках и разведке. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н.: 04.0014/ ВАМИ.-Л., 1978.-189 с.

14. Alexander G. Suss, Evgeny P. Kovalenko, Alexander I. Popov, Andrew V. Panov. Changes of the Humic Substances in Alkaline-Aluminate Liquor of the

15. Bayer Process // Travaux of 8th International Congress of ICSOBA Milan, Italy, Apr. 16-18, 1997, vol. 24 (No. 28), pp. 399-403.

16. М.Н. Смирнов «Активизирующее действие извести и некоторых других соединений при выщелачивании диаспоровых бокситов» // Труды ВАМИ -1957.-№39,-с. 52-61.

17. Провести минералого-технологическое опробование индийских бокситов, поступающих на ЗАлК. Договор № 98-048048 (Заключительный отчет): Отчет о НИР (заключительный) / ОАО ВАМИ СПб, 1998 - с. 28

18. Бенеславский С.И. Минералогия бокситов. М, Недра: 1974 - 189 с.

19. Н.С. Мальц, В.И. Корнеев, А.Г. Сусс и др. Влияние условий выщелачивания на извлечение глинозема из алюмогетитов // Цветные металлы. 1983. -№ Ю.-с. 45-47

20. R. Thiel. Zum system a-FeOOH a-AlOOH. Zeit anorg. alld. Chemie, 1963, Bd. 326, N1

21. Разработка методов диагностики минералов железа, содержащих изоморфную примесь алюминия с целью выявления причин недоизвлечения глинозема в байеровском процессе. В.А. Броневой. Тема 5-74-ПГ-37: Отчет о НИР/ВАМИ, Л. 1975 с.21.

22. А.Г. Cycc, A.B. Панов. Перспективы использования на БАЗ'е тропических бокситов // Тезисы докладов Ш региональной научно-практической конференции «Алюминий Урала 1998» - Краснотурьинск БАЗ, 1998.

23. Alexander G. Suss, Andrey V. Panov, et. al. Experience of processing of Indian bauxites from Gujarat State, INDIA at Zaporozhye Aluminium Smelter (ZA1K), UKRAINE // Proceedings of Bauxmet-2000 Nagpur, India: JNARDDC, December 7-9,2000.

24. Chetan Shah, Dr. Alexander Suss, Andrey Panov, et al. Indian bauxites a new international raw material source // Proceedings of Metal Bulletin's 8th International Bauxite & Alumina Seminar - Miami, US A, March 3-5,2002.

25. Andrey Panov, A. Suss, H. Shah, V. Sinyavsky. World Bauxite Market Scenario and New Raw Material Sources for Alumina Refineries in Europe // Travaux of 8th International Congress of ICSOBA Vienna, Austria, 2002

26. E. П. Коваленко, М.Б. Столяр, А. Г. Сусс, A.B Панов. Влияние показателей размола на удельную производительность // Цветные металлы. 2000. - № 1. - с. 17-20.

27. Технологический регламент по договору № 626 "Рабочий проект модернизации и реконструкции переделов глиноземного производства. Замена 6-ой мельницы мокрого размола.'УОАО «ВАМИ» СПб, 1996 - 29 с.

28. В.А. Мазель. Производство глинозема -М: Металлургиздат, 1955. 432 с.

29. В.А. Перов, Е.Е. Андреев, Л.Ф. Биленко. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра., 1990. - 301 с.

30. А.Г. Сусс, А.И. Цеховой, В.И. Корнеев. Красные шламы свойства, складирование, применение. - М.: Металлургия, 1991. - 144 с.

31. М.Г. Манвелян, A.A. Ханамирова. Обескремнивание щелочных алюминат-ных растворов. Ереван: Издательство АН Армянской ССР, 1973. - 300 с.

32. И.П. Краус «Исследование взаимодействия гидроалюмосиликата натрия со щелочными и алюминатными растворами», Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.17.01/ УПИ им. С.М. Кирова. Свердловск, 1968.

33. И.З. Певзнер, H.A. Макаров. Обескремнивание алюминатных растворов. -М.: Металлургия, 1974. 114 с.

34. А.Г. Сусс, Е.П. Коваленко, A.A. Нечипоренко, A.B. Панов и др. Некоторые проблемы перевода Николаевского глиноземного завода на выпуск крупнозернистого глинозема // Тезисы доклада для совещания в ОАО

35. ВАМИ по проблеме: "Песчаный глинозем: производство и применение", СПб: ВАМИ, 1997.

36. С.И. Кузнецов, В.А. Деревянкин. Физическая химия производства глинозема по способу Байера. М.: Металлургиздат, 1964. - 352 с.

37. А.И. Аграновский, В.И. Берх, В.А. Кавина и др. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема. М.: Металлургия, 1970. - 318 с.

38. Н.С. Мальц «Оптимизация и интенсификация аппаратурно-технологических комплексов промышленной переработки бокситов по комбинированным схемам». Диссертация на соискание степени доктора технических наук: 05.16.03/ ВАМИ. Д., 1985. - 471 с.

39. Е.В. Кафаров. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971.-496 с.

40. К. Шоймар. Новое в области химизма и моделирования процесса Байера. II Международная конференция ИКСОБА в г. Будапеште. М: НИИцветметинформация, 1971.

41. Курин Н.П., Стась Н.Ф.// ЖПХ, 1971, t.XIV, № 8. с.1710-1714.

42. Н.С. Мальц, Л.Ф. Вербов. О кинетике выщелачивания моногидратных бокситов. //Цветные металлы. 1972. - № 5. - с. 35-37.

43. H.H. Тихонов. Исследование технологических свойств бокситов различных минералогических типов. Дисс. на соиск. уч.степ. к.т.н.: 05.17.01/ ВАМИ -Л., 1977. 166 с.

44. А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973.-752 с.

45. С.П. Артюшин. Обезвоживание и пылеулавливание на обогатительных фабриках. М.: Углетехиздат, 1956. - 76 с.

46. А.И. Лайнер, Н.И. Еремин и др. Производство глинозема. М.: Металлургия, 1973. - 344 с.

47. H.A. Фигуровский. Седиментационный анализ. М.: Изд-во АН СССР, 1948.-332 с.

48. Аннотация по теме № 5-93-010: Разработать и выполнить мероприятия по снижению каустического модуля алюминатного раствора и снижения содержания в нем вредных примесей. СПб, АО ВАМИ, 1994, II кв., 121 с.

49. А.Б. Здановский и др. Справочник по растворимости солевых систем. М-Л: Госхимиздат, том 1,1958 г. - с. 120.

50. А.И. Беляев. Металлургия легких металлов. М., Металлургия, 1970, с. 79.

51. С.В. Беньковский и др. Технология содоподуктов. М.: Химия, 1972.