автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение комплексности переработки бокситов за счет утилизации красного шлама в производстве портландцемента

На правах рукописи

БЕСЕДИН Артем Александрович

ПОВЫШЕНИЕ КОМПЛЕКСНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ БОКСИТОВ ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ КРАСНОГО ШЛАМА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

\

\ \

\

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005554339

Санкт-Петербург -2014

005554339

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук

Бричкин Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты:

Ерыков Алексей Сергеевич, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технологический университет)», кафедра химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, профессор

Медведев Виктор Владимирович, кандидат технических наук, ООО «Алкорус инжиниринг», главный инженер по производству глинозема

Ведущая организация - ООО «Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр», обособленное подразделение в Санкт-Петербурге

Защита диссертации состоится 26 сентября 2014 г. в 16 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ С, ПЕТРОВ

диссертационного совета * Георгий Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Накопление и низкая степень использования красного шлама глинозёмного производства является одной из ключевых проблем современной переработки бокситов щелочными методами. Её обострение в последнее время неизменно связывается с рисками и угрозами загрязнения окружающей среды и возникновением техногенных катастроф. К настоящему моменту сформировался устойчивый взгляд на рещение данной проблемы путём широкомасштабного использования, утилизации и комплексной переработки красного шлама с извлечением большинства полезных компонентов.

Исследование возможных направлений комплексной переработки бокситов прошло длительный исторический путь, что позволило предложить, разработать и реализовать целый ряд востребованных технологий и технических решений. В последние годы сформировались новые подходы в использовании красных шламов, благодаря успехам в обогащении низкокачественного алюминийсодержащего сырья, что обеспечивает выделение железосодержащего продукта, пригодного для полноценного использования в чёрной металлургии. Заметное место приобретают технологии использования красных шламов для рекультивации почв, нейтрализации загрязнённых промышленных и сельскохозяйственных территорий. В целом, рассматривая ведущие направления в развитии технических решений для переработки красных шламов, можно говорить о выделении стадии их утилизации в самостоятельный передел при переработке бокситов на глинозём и попутную продукцию.

Существенный вклад в решение проблемы утилизации красных шламов и других отходов глиноземного производства сделан известными учёными и специалистами: В.И. Корнеевым, В.А. Утковым, В.М. Сизяковым, Ю.А. Лайнером, С.П. Яценко и другими учёными, а также коллективами научных школ Института металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН, Института химии твёрдого тела УрО РАН, ВАМИ, ИТЦ РУСАЛ, СПГТУ, Гипроцемент и производственными коллективами глинозёмных предприятий. В то же время значительный круг вопросов, связанных с повышением

эффективности утилизации красных шламов нуждается в дальнейших исследованиях и разработках, что будет способствовать их использованию в качестве заменителей ресурсов природного происхождения в производстве строительных и вяжущих материалов, чёрной металлургии и смежных областях.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы», ГК №16.525.11.5004 от 20.05.2011 по теме «Разработка технологии комплексной переработки крупномасштабных отходов производства минеральных удобрений с получением товарных продуктов многофункционального назначения»; в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-20013 годы, ГК № 14.740.11.0146 от 06.09.2010 по теме «Синтез лигатур, сплавов, оксидных и металлических композиций цветных металлов, обладающих объёмной или поверхностной упорядоченностью структуры на микро- и наноразмерном уровне».

Цель работы: Научное обоснование и разработка технических решений, обеспечивающих снижение щёлочности красного шлама до уровня, позволяющего его эффективное использование в качестве компонента сырьевой портландцементной смеси.

Идея работы заключается в химическом разложении щелочных фаз в составе красного шлама, с переводом щелочи в растворимые соединения.

Основные задачи работы:

1. Анализ технических решений, обеспечивающих повышение комплексности переработки бокситов за счёт утилизации красного шлама;

2. Физико-химическое обоснование технологических условий разложения щелочных фаз в составе красного шлама с переводом щелочи в растворимые соединения;

3. Экспериментальное определение показателей извлечения щелочи в раствор из красного шлама и их математическое описание в зависимости от технологически значимых факторов;

4. Оптимизация технологического режима получения малощелочного продукта на основе красного шлама и его проверка в укрупнено-лабораторном масштабе;

5. Определение показателей формирования клинкерных минералов при использовании продукта гидрохимической обработки красного шлама в составе сырьевой портландцементной смеси;

6. Разработка аппаратурно-технологических решений, адаптированных к условиям действующего глинозёмного предприятия и обеспечивающих получение из красного шлама малощелочного продукта, пригодного в качестве компонента сырьевой портландцементной смеси.

Методы исследования. Физико-химические исследования проводились с использованием термодинамического анализа многокомпонентных систем и кинетического анализа массопереноса в многофазных системах. Для изучения свойств и составов жидких и твердых технологических продуктов применялись физические и физико-химические методы, включая фазовый дифрактометрический анализ, совмещённый ДСК-ТГА термоанализ, лазерный микроанализ фракционного состава, рентгено-флюоресцентный анализ и оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой. Химические составы растворов определялись с использованием известных отраслевых методик. При выполнении экспериментальных исследований применялось физическое моделирование технологических процессов, методы математического планирования экспериментов, математической статистики и оптимизации параметров. На отдельных этапах обработки данных использованы стандартные программные пакеты.

Научная новизна:

- теоретически обосновано извлечение щёлочи из отвальных красных шламов глинозёмного производства путём их углекислотной обработки и повышение активности компонентов красного шлама после его обработки в отношении формирования клинкерных минералов при обжиге;

- дано математическое описание показателей гидрохимической углекислотной обработки красного шлама и установлена значимость ряда технологических факторов, включая продолжительность и

температуру процесса, концентрацию твердого в пульпе, расход углекислого газа и ионный состав сплошной фазы;

- показана применимость кинетики топохимических процессов в соответствии с уравнением Колмогорова-Ерофеева для извлечения щёлочи в раствор при углекислотной обработке красного шлама. Установлен существенный вклад стадии абсорбции углекислого газа в процессе многофазного гетерогенного взаимодействия при участии красного шлама, жидкой и газовой фазы;

- получены экспериментальные зависимости показателей фильтрования красного шлама под давлением в широком интервале переменных величин, учитывающих избыточное давление над фильтровальной перегородкой, ионный состав жидкой фазы и температуру пульпы, что позволило обосновать сжимаемый характер осадка красного шлама;

- установлено, что показатели высокоградиентной магнитной сепарации красного шлама не зависят от его гидрохимической обработки;

экспериментально определены показатели обжига малощелочного красного шлама в составе сырьевой портландцементной смеси и показано его активирующее воздействие на процесс формирования основных клинкерных минералов;

применительно к современному металлургическому комплексу разработана принципиальная технологическая схема углекислотной гидрохимической обработки красного шлама с возвратом соды в основное производство и получением малощелочного продукта.

Практическая значимость работы:

- разработанные технологические решения востребованы и имеют значение для глинозёмных предприятий, цементной промышленности и производства чёрных металлов. При этом снижается расход щелочных реагентов, обеспечивается замена традиционных железосодержащих компонентов альтернативным сырьём и создаются благоприятные условия для утилизации красного шлама в доменном и сталелитейном производстве, что имеет высокое ресурсосберегающее и природоохранное значение, содействует уменьшению риска для возникновения чрезвычайных ситуаций;

- созданный научно-технический задел позволяет обозначить круг вопросов необходимых для решения задач следующего уровня при проведении опытно-технологических и опытно-промышленных работ, а также при выполнении исследований, направленных на повышение комплексности переработки красных шламов и аналогичного сырья техногенного происхождения;

- научные и практические результаты работы дополняют лекционные курсы по дисциплинам «Основы металлургии лёгких металлов», «Новые и перспективные процессы в металлургии цветных металлов», «Организация экспериментальных исследований» для подготовки студентов по специальности 110200 «Металлургия цветных металлов» и магистров по направлению 550500 «Металлургия».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается использованием передового производственного опыта и результатов предыдущих научных исследований, применением апробированных отраслевых методик, современных физико-химических методов анализа, высокой достоверностью экспериментальных данных и их соответствием основным положениям теории гидрометаллургических процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ХЬУ1Х международной научной конференции в Краковской горно-металлургической академии, Краков, 2011; на ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение», Горный университет, СПб, 2012, 2013; на XXXI международной конференции «КСОВА», XIX международной конференции «Алюминий Сибири», Красноярск, 2013.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ.

Личный вклад автора. Выполнен анализ научно-технической и патентной литературы, определены задачи теоретических и экспериментальных исследований, освоены известные и разработаны оригинальные методики проведения экспериментов, выполнены термодинамические расчёты и экспериментальные исследования различных уровней, разработаны технические решения,

адаптированные к технологическим схемам производства глинозёма, проведено научное обобщение полученных результатов, сформулированы выводы и рекомендации.

Реализация результатов работы:

Подготовлена программа проведения исследований следующего уровня применительно к утилизации красного шлама Бокситогорского глинозёмного завода при переработке белитового шлама ЗАО «БазэлЦемент-Пикалёво». Научно-технологические результаты диссертации внедрены в учебный процесс.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 153 наименований. Общий объем диссертации составляет 174 страницы машинописного текста, содержит 32 таблицы, 78 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, изложена цель, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и научная новизна работы.

В первой главе диссертации выполнен анализ направлений переработки красного шлама с получением продуктов широкого хозяйственного назначения. Сформулированы современные принципы эффективной утилизации красного шлама.

Вторая глава диссертации посвящена физико-химическому обоснованию процессов формирования красного шлама и оценке устойчивости щелочных фаз в его составе к воздействию углекислого газа. Приведены результаты химико-минералогического анализа производственных проб красного шлама. Разработан механизм гидрохимической углекислотной обработки красного шлама с обоснованием кинетически значимых факторов в условиях многофазного гетерогенного процесса. Обоснована возможность активации твёрдых продуктов гидрохимической обработки.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования закономерностей гидрохимической обработки красного шлама. Получена адекватная математическая модель зависимости показателей процесса от технологически значимых факторов. Определены кинетические параметры процесса и показана возможность его описания с помощью уравнения кинетики топохимических

взаимодействий. Приведены результаты оптимизационного исследования условий гидрохимической обработки методом градиентов. Экспериментально установлена зависимость показателей фильтрации красного шлама под давлением, что позволило выявить сжимаемый характер осадка и условия необходимые для достижения его минимальной влажности.

В четвертой главе приведено обоснование использования малощелочного красного шлама в качестве компонента сырьевых цементных смесей. Установлено закономерное изменение количества утилизируемого красного шлама от содержания в нём железа применительно к рядовым и высокожелезистым составам цементных клинкеров. Приведены результаты экспериментального исследования высокоградиентной магнитной сепарации малощелочного красного шлама. Представлены результаты обжига сырьевых портландцементных смесей на основе белитового шлама с использованием в качестве железосодержащей добавки малощелочного красного шлама.

В пятой главе приведён анализ известных аппаратурно-технологических решений, обеспечивающих гидрохимическую обработку шламов глинозёмного производства. Представлена принципиальная технологическая схема гидрохимической обработки красного шлама в рамках производства глинозёма способом Байера. Приведена оценка эффективности предлагаемых решений.

В заключении приводится обобщение полученных результатов, выводы и рекомендации по материалам выполненных исследований и разработок.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Гидрохимическая углекислотная обработка красного шлама глинозёмного производства в установленном технологическом режиме позволяет извлечь до 70% содержащейся в нем свободной и химически связанной щёлочи с её возвратом в основное производство и получить химически активные фазы в составе конечного продукта, что обеспечивает эффективный оборот щелочей и возможность использования малощелочного красного шлама в качестве компонента сырьевых клинкерных смесей.

В качестве исходных материалов были взяты производственные красные шламы с ОАО «УАЗ-РУСАЛ», полученные при гидрохимической переработке бокситов в сочетании 75% Тиманского месторождения и 25% - СУБРа. Выполненные физико-химические анализы пробы позволили сделать вывод о высокой дисперсности и сложном минералогическом составе исследуемого красного шлама (таблица 1). Содержание частиц крупностью (-10) мкм составляет более 70%.

Таблица 1 - Фазовый химический состав красного шлама

Содержание структурных составляющих, вес. %

Диас пор Бе МИТ Гематит + магне ТИТ Гетит Шамо ЗИТ Каоли нит Гидро гранат ГАСН Перов скит Ру тил Пи рит

1,0 2,0 30,0 4,7 15,2 < 1,0 13,7 9,0 2,5 3,6 2,0

Исследование гидрохимической углекислотной обработки красного шлама проводилось с использованием однореакторной системы АЩоЬаЬ компании НЕЬ, способной поддерживать температуру с погрешностью не более 0,1°С. В опытах использовался стеклянный реактор, оснащенный внешней тепловой рубашкой и имеющий объем 2000 мл. Методика постановки опытов включала подготовку пробы красного шлама, приготовление пульпы с заданным отношением Ж:Т и концентрацией карбоната натрия в жидкой фазе, ее разогрев и последующую углекислотную обработку в реакторной системе путем барботажа техническим углекислым газом. Карбонизация проводилась в течение 4 часов с отбором проб твердой и жидкой фаз по ходу опыта через 0,5, 1, 2 и 4 часа, что позволяло производить изучение кинетики процесса по изменению текущих характеристик твердой и жидкой фаз. Во всех опытах использована однотипная проба красного шлама следующего химического состава, %: Ре203 - 45,2; А1203 - 13,2; 8Ю2 - 10,8; СаО - 6,9; Ы20 - 6,16; ТЮ2 -4,4; БОз - 1,2; А-^О - 0,73; Р205 - 0,59; п.п.п. - 9,6. В результате обработки экспериментальных данных была получена адекватная математическая модель, описывающая зависимость извлечения щелочи в раствор от условий карбонизации:

у1 = 16,7 - 2,03.Г| + 5,28х, + 7,25х3 + 2,48х4,

>'2 = 18,53 - 1,93л:, + 5,43х2 + 1,63х3 + 2,53х4 ,

у3 =19,01-1,96*! + 5,51х2 + 7,66х3 + 2,56х4, ;у4 = 19,5 - 2хх + 5,48х2 + 7,63х3 + 2,65х4 .

Частные разрезы многомерного пространства, задаваемого приведёнными уравнениями регрессии с учётом временной переменной, приведены на рисунках 1-4, что иллюстрирует значимость соответствующих факторов и ход кинетических кривых.

Рисунок 1 - Влияние температуры процес- Рисунок 2 - Влияние отношения Ж:Т в са на извлечение щелочи в раствор: 1 - пульпе на извлечение щелочи в раствор: при Т=70°С; 2 - при Т=80 °С; 3 - при Т=90 1 - при Ж:Т=2; 2 - при Ж:Т=2,5; 3 - при °С Ж:Т=3

Анализ установленных зависимостей был выполнен с использованием кинетического уравнения Колмогорова-Ерофеева: -1п(1-а)=к-т", где а - степень завершения реакции (в нашем случае извлечение щелочи в раствор в долях от теоретически возможной величины), кип- кинетические параметры. Постоянные параметры к и п связаны между собой уравнением Саковича: К=п-кЛ(1/п), где К -константа скорости реакции. Это позволяет получить линеаризованную зависимость, связывающую параметры уравнения топохимической кинетики и уравнения Аррениуса:

= 1п[— 1п(1 — а)] = 1пи + —1п г •

ЯГ п

Рисунок 3 - Влияние фоновой концентра- Рисунок 4 - Влияние удельного расхода

ции на извлечение щелочи в раствор: углекислого газа на извлечение щелочи в

1 - при С(№2С03) = 5 г/л; 2 - при раствор: 1 - при Г) = 11,1 (мл/1г шлама в

С(Ыа,С03) = 7,5 г/л; 3 - при С(Ыа2С03) = час)-т(шлама); 2 - при ц = 22,2; 3 - при п

10 г/л =33,3

Соответствующие линеаризованные кривые для температуры процесса 70, 80 и 90 °С приведены на рисунке 5, а их обработка в соответствии с уравнением Аррениуса на рисунке 6. Это позволяет выделить два этапа процесса, которым отвечает ограничение диффузии реагента, включая абсорбцию углекислого газа.

Высокая значимость концентрации твёрдого в пульпе и начальной фоновой концентрации соды позволяет рассчитывать на достижение существенно более высоких показателей по извлечению щёлочи по сравнению с достигнутыми. Данное исследование выполнено путём оптимизации технологического режима гидрохимической обработки методом крутого восхождения.

Рисунок 5 - Линеаризованные кривые со- Рисунок 6 - Линеаризованная зависи-гласно данным рис. 1 мость уравнения Аррениуса с разбивкой

на I и II периоды

Дальнейший поиск области максимума извлечения связанной щёлочи для времени карбонизации 1 час проводился методом крутого восхождения. Анализ установленной зависимости У=^хь...,х4) позволил отобрать факторы, оказывающие наибольшее воздействие на извлечение N320 в жидкую фазу. Остальные факторы были зафиксированы на уровне, обеспечивающем наилучшие показатели процесса гидрохимической обработки красного шлама в пределах принятых интервалов варьирования: Х!=70°С; Х4=33,3 мл/г*час С02. Изменение факторов Х2 и Х3 от начального уровня производилось в соответствии с шагом Ь]Ах]. Установленная зависимость извлечения щелочи от совместного изменения факторов Х2 и Х3 при подходе к области макси-

Изучение процесса обезвоживания красного шлама осуществлялось методом фильтрации под давлением в диапазоне от 1до 5 атм., при концентрации каустической щёлочи в жидкой фазе 3, 6 и 12 г/л. В результате исследований рассчитывались коэффициенты уравнения

фильтрации, которое при постоянной разности давлений имеет следующий вид:

ГоХо И ' ГоХо

По материалам обработки экспериментальных данных были получены зависимости открытой и общей пористости от давления фильтрования, а также зависимость плотности полученного осадка от изменения давления. Одной из важных характеристик эффективности фильтрования является влажность, которая в значительной степени определяется концентрацией щёлочи в растворе (рисунок 8). Полученные данные показывают, что с увеличением концентрации щелочи остаточная влажность увеличивается. Увеличение разности давлений сверх некоторого критического значения приводит к уменьшению скорости

мума приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Установившаяся извлечение щелочи при поиске оптимальных условий карбонизации в зависимости от совместного изменения параметров процесса Х2 (концентрация твердого в пульпе) и Х3 (фоновая концентрация карбоната натрия)

фильтрования, что показало сжимаемый характер получаемого осадка (рисунок 9). Таким образом, применительно к фильтрации шламов с низкой остаточной концентрацией щёлочи в сплошной фазе при относительно невысокой температуре пульпы возникает возможность получения промытых шламов с малой остаточной влажностью, позволяющей вести его эффективную отгрузку потребителям.

Рисунок 8- Зависимость остаточной влажности от давления: 1 - С (№ОН) = 3 г/л, 2 - С(ИаОН) = 6 г/л, 3 - С = 12 г/л ИаОН, 4 - С (ИаОН) = 0 г/л

Рисунок 9 - Влияние давления фильтрования на производительность фильтра: 1 - С(КаОН) = 3 г/л, 2 - С(№ОН) = 6 г/л, 3 - С(ИаОН) = 12 г/л

2. Малощелочной красный шлам является полноценным заменителем железосодержащего компонента в производстве обжиговых цементов, что определяет степень использования красного шлама в качестве сырьевого цементного материала, и обеспечивается за счёт его гидрохимической обработки печными газами в системе промывки глинозёмного предприятия, обезвоживания и организации отгрузочного комплекса.

Существенное значение для эффективности утилизации красного шлама в производстве портландцемента и металлургическом комплексе имеет получение обогащённых продуктов. Оценка обогатимости малощелочного красного шлама выполнялась с учётом ранее выполненных исследований с использованием лабораторного вертикального пульсационного магнитного сепаратора ОиЮ1ес БЬоп. Во всех опытах применялась навеска красного шлама массой 250г. Выбор напряженности магнитного поля осуществлялся в соответствии с известным опытом разделения труднообогатимых минералов, в

частности исследованиями свойств мономинеральных фракций, выделенных из красного шлама. На первой стадии разделения удалось получить магнитную фракцию с содержанием железа общего 34,6% при содержании 31,6% в исходном шламе. Полученные результаты позволяют говорить об относительной идентичности поведения красного шлама в процессе высокоградиентной магнитной сепарации как прошедшего углекислотную обработку, так и исходного.

Расчеты цементных смесей на основе красного шлама позволили установить зависимость доли красного шлама в составе сырьевой цементной шихты от содержания в нем железа. При снижении содержания железа общего на 1-1,5% в составе шлама его доля в сырьевой смеси возрастает в среднем на 1%. Полученные закономерности дают основание сделать вывод о необходимости проведения эффективных операций обогащения красного шлама с целью максимально возможного извлечения железосодержащих минералов для получения продуктов, приемлемых для дальнейшего целевого использования в широкомасштабных областях народного хозяйства.

Определение эффективности использования малощелочного красного шлама в качестве компонента сырьевой портландцементной смеси оценивалась по результатам экспериментальных исследований. В качестве образца сравнения использовалась контрольная сырьевая смесь, приготовленная из общепринятых сырьевых материалов и имеющая те же характеристики. Обжиг образцов проводился в высокотемпературной печи при скорости нагрева 10 град/мин с закалкой образцов в течение 1 часа после достижения температур 1300, 1350 и 1400°С (рисунки 10 и 11). Эффективность минерализующего воздействия активных составляющих шихты оценивалась по результатам фазового состава клинкера в части содержания алита и свободной извести (рисунок 12).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что образцы с красным шламом характеризуются более ранним образованием жидкой фазы и началом усвоения СаО, а также обладают повышенной усадкой в начале формирования алита, что является характеристикой минерализующего воздействия компонентов

красного шлама, и позволяет надеяться на некоторое снижение температуры обжига цементной сырьевой смеси.

Рисунок 10 - Образцы клинкера после выдержки в печи при температуре 1300°С: а) - исследуемый образец, б) - контрольный образец

Рисунок 11 - Образцы клинкера после выдержки в печи при температуре 1400°С: а) - исследуемый образец, б) - контрольный образец

2,74 2,40

А 1 клмл л, ч А | к , Д , ,

** ' * V ^»Л V V» V/

к

X

ч.

2,74

2,40

Л

Рисунок 12 - Рентгенограммы образцов клинкера: 1 - на основе Ре203, 2 - на основе красного шлама (2,72 - пик алита, 2,4 - пик СаО)

Анализ известных аппаратурно-технологических решений, применяемых при переработке бокситов способом Байера, позволил разработать схему проведения углекислотной обработки красного шлама, адаптированной к схеме его промывки, что обеспечивает включение потока доизвлечённой щёлочи в укреплённую промывную воду. Для передачи малощелочного красного шлама потребителям необходима организация отгрузочных комплексов, а при необходимости системы дополнительной обработки и подготовки материала (обогащение, брикетирование и т.д.). Принципиальная технологическая схема гидрохимической обработки красного шлама цикла Байера приведена на рисунке 13.

Экономический эффект от отмывки щелочей из красного шлама применительно к способу Байера по статье затрат на соду при 50%-м извлечении составляет в первом приближении 392,3 млн. рублей при годовом объёме производства глинозёма 1 млн. тонн.

Таким образом, предлагаемые решения имеют как экономическую базу, так и экологическую, обеспечивающую ресурсосбережение и уменьшение вредных выбросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи снижения щелочности красного шлама с возвратом соды в основное производство, что обеспечивает повышение комплексности переработки бокситового сырья за счет утилизации малощелочного продукта в широкомасштабных областях народного хозяйства.

Основные выводы и рекомендации:

1. Гидролиз компонентов красного шлама и их термодинамическая неустойчивость в отношении взаимодействия с углекислым газом создают термодинамическую возможность для извлечения щелочей в раствор и образования твёрдых продуктов высокой активности;

2. Установлена возможность адекватного описания показателей извлечения щёлочи из красного шлама при его углекислотной гидрохимической обработке как линейной функции температуры процесса, концентрации твёрдого в пульпе, фоновой концентрации

карбоната натрия и удельного расхода углекислого газа в выбранном диапазоне варьирования факторов;

3. Установлено наибольшее влияние на показатели извлечения щёлочи таких факторов как, концентрация твёрдого в пульпе и фоновая концентрация карбоната натрия;

4. Показана возможность выхода функции в область близкую к стационарной за счёт совместного пошагового изменения концентрации твёрдого в пульпе и фоновой концентрации карбоната натрия в пределах реально достижимых величин, что позволило достичь максимального извлечения Ма20 в раствор на уровне 72%;

5. Полученные результаты позволяют говорить о том, что лимитирующей стадией на начальном этапе карбонизации является диффузия реагента ввиду его относительно невысокой концентрации и сложного механизма массопереноса при участии трёх фаз. Второй этап характеризуется отрицательным значением энергии активации, свидетельствующем о природе лимитирующей стадии не связанной с диффузией и собственно химическим взаимодействием;

6. Экспериментально установлена зависимость показателей фильтрации красного шлама под давлением, что позволило выявить сжимаемый характер осадка и условия необходимые для достижения его минимальной влажности;

7. Гидрохимическая обработка не изменяет свойства красного шлама, существенные для его магнитного обогащения в части минералогического и фракционного состава, что позволяет рассчитывать на достижение результатов обогащения малощелочного красного шлама не хуже, чем исходного материала;

8. Расчёт состава сырьевых клинкерных смесей позволил установить степень замещения сырьевых компонентов и утилизации красного шлама в зависимости от содержания в нём общего железа применительно к получению рядовых и высокожелезистых цементов;

9. Выделение технологического потока сгущённого красного шлама из схемы противоточной промывки позволяет выполнить его гидрохимическую обработку с возвратом продуктов в основное производство;

10. Повышение степени отмывки щелочей обеспечивает достижение расчётного экономического эффекта по статье затраты на щелочные реагенты в размере 392,3 млн. рублей при годовом объёме производства глинозёма 1 млн. тонн.

Шлам с 3-й ступени промывки 5-я промвода

I С-

Печной газ Репульпация

-»1

Углекислотная обработка

I

Пульпа

I

Сгущение 4-й ступени промывки

Свежая промвода ^ _ ^

Шлам Слив на репульпацию шлама

-^ ^ 1-й промывки

Репульпация

I

Сгущение 5-й ступени промывки

I I

Промытый шлам Слив

{-* I_

Шламохранилище

^_~_|—► На отгрузочный комплекс

Дополнительная обработка

I-

Обезвоживание Отгрузка продуктов

Рисунок 13 - Принципиальная технологическая схема гидрохимической обработки

красного шлама

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Беседин A.A. Гидрохимическая углекислотная обработка красного шлама глиноземного производства / A.A. Беседин, В.Н. Бричкин, Д.В. Федосеев // Естественные и технические науки, 2014. №1. С.268-272.

2. Бричкин В.Н. Обезвоживание красного шлама и основные направления его переработки / В.Н. Бричкин, O.A. Дубовиков, Н.В. Николаева, A.A. Беседин // Обогащение руд, 2014. №1. С.44-48.

3. Беседин A.A. Агломерационное спекание красного шлама / A.A. Беседин, В.А. Утков, В.Н. Бричкин, В.М. Сизяков // Обогащение руд, 2014. №2. С.28-31.

4. Бричкин В.Н. Процессы кристаллообразования химических осадков / В.Н. Бричкин, H.A. Новиков, A.A. Беседин, Е.Е. Гордюшенков // Записки Горного института, 2011. Т.192. С. 15-18.

5. Бричкин В.Н. Фильтрация красного шлама под давлением / В.Н. Бричкин, Н.В. Николаева, A.A. Беседин, Д.В. Федосеев // Красноярск: Версо. Цветные металлы, 2013. С.383-38.

РИЦ Горного университета. 10.07.2014. 3.566. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2