Общие сведения по технологии производства глинозема

Введение

 

 

Глиноземом называется кристаллическая окись алюминия. Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов – веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).

Глинозем получают из руды, содержащей горную породу – боксит. Бокситы имеют сложный химико-минералогический состав. Основной и полезной их частью являются различные модификации гидрата окиси (гидроокиси) алюминия (Al(OH)3 , AlOOH и др.). В состав бокситов входят обычно окислы железа, кремния, в малом количестве – серы, титана, галлия, хрома, ванадия и пр., а также карбонатные соли кальция, магния, железа, органические вещества (остатки древних растений и животных) и пр.

При равном содержании алюминия ценность боксита в основном зависит от следующих факторов (расположенных примерно по степени важности):

- от сорта гидроокиси  алюминия, входящей в состав боксита; по возрастанию трудностей переработки  бокситы в этом отношении можно  расположить в ряд: а) гиббситовые (или гидраргилитовые), содержащие  гидроокись алюминия в виде  Al(OH)3; б) гиббсит – бемитовые; в) бемитовые AlOOH; г) бемит – диаспоровые; д) дисапоровые (перекристаллизованная AlOOH);

- от содержания кремнезема (SiO2), при удалении которого из боксита определенная часть гидрата окиси алюминия вместе с ней уходит в отвал и теряется;

- от содержания окиси  титана (TiO2), образующей очень твердые осадки на теплообменных поверхностях аппаратуры и, тем самым, увеличивающих энергетические затраты;

- от содержания карбонатов  CaCO3 , MgCO3, FeCO3 на удаление которых расходуется часть нужного для производства глинозема едкого натра (NaOH);

- от геологического возраста  бокситов: древние бокситы имеют  более высокую твердость и  требуют при переработке больших  затрат энергии, чем геологически  молодые бокситы; как говорят они являются более трудно вскрываемыми.

Чрезмерное содержание любых других примесей также является вредным и приводит к повышению затрат на производство глинозема.

 

1 Общие сведения по технологии производства глинозема

 

 

1.1 Классификация способов производства глинозема

 

Глинозем можно извлекать из руд, как с помощью щелочей, так и с помощью кислот, потому что свойства его амфотерны. Известно много разных способов получения глинозема, однако лишь немногие из них применяются.

Имеющие способы извлечения глинозема из руд можно разделить на четыре группы: щелочные, кислотные, комбинированные и термические.

В современном производстве глинозема пользуются главным образом щелочными способами – мокрым (способ Байера) или сухим (способ спекания). Способ Байера успешно применяется при переработке малокремнистых бокситов с кремневым отношением не ниже 7 – 8. Полученный этим способом глинозем обычно дешевле, чем извлеченный другими известными способами, поэтому около 90% глинозема во всем мире издавна получают по способу Байера.

Если кремневое отношение в боксите ниже 7, то для получения глинозема обычно применяют способ спекания. Раньше юокситы и другие глиноземистые породы, в которых много кремнезема, считали вообще не пригодными для производства глинозема щелочным способом. Практика показала, что щелочной способ спекания может применяться даже для таких руд, в которых выше 40% кремнезема (каолины, глины, золы и другие алюмосиликаты). Хотя с увеличением содержания кремнезема в руде увеличивается удельный грузопоток в переделах, уменьшается производительность оборудования по глинозему, ухудшаются все технико-экономические показатели процесса и себестоимость глинозема повышается, щелочной способ спекания может оказаться вполне выгодным при использовании отходов, например шлама в цементной промышленности, и получении побочных продуктов, например соды и поташа. Следовательно, большое достоинство щелогного способа спекания в его пригодности для переработки на глинозем всяких алюмосиликатов, т.е. в его универсальности.

В последние годы с большим успехом применятют комбинированные щелочные спосбо производства глинозема: способ Байера дополняют способом спекания. При удачном сочетании этих способов можно получать глинозем дешевле, чем только по способу Байера.

Кислотные способ не имеют широкого практического применения в настоящее время, так как у них много недостатков по сравнению со щелочными.

Вот основные из них:

• Необходимость оборудовать завод стойкой к кислотам аппаратурой

которая в несколько раз дороже железной, пригодной для щелочных способов производства глинозема. Это увеличивает капиталовложения и тем удорожает себестоимость глинозема.

–  Оборот кислоты, если возможен, то обычно требует дополнительных установок. Затраты на это большие, чем в щелочных спсобах на возврат щелочи.

• Сложность  очистки растворов от примесей, особенно от железа и

титана.

• Трудности  в получении глинозема надлежащего диспресного

состава.

Однако руды с 40 – 50% кремнезема перерабатывать кислотным способами не только труднее, а иногда легче, чем, например, железистые бокситы с 10 – 20% SiO2. При щелочных же способах спекания чем больше кремнезема в руде, тем больше нужно известняка на его связывание.

Вполне возможны крупные усовершенствования известных кислотных способов, а также изыскания новых. При выщелачивании глинозема из алюмосиликатов с помощью кислот можно получать рассеянные в них многие редкие металлы. Вот почему этими способами занимаются усиленно во всем мире.

В последнее время разрабатывали кислотно-щелочные способы производства глинозема. Суть их состоит в том, что кремнистые руды сначала обрабатывают кислотами, получая глинозем с примесями окисей железа, титана и др. Такой глинозем, своего рода концентрат, идет на переработку щелочным способом.

Термические способы, для которых обычно используются электропечи, основаны на восстановительной плавке с выдачей из печи более или менее богатого кремнием ферросплава и шлака, из которого глинозем извлекается щелочными способами. Промышленное применение этого способа мыслимо лишь при обилии дешевой электроэнергии.

 

 

1.2 Современная схема производства глинозема по способу Байера

 

Современная схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 1. Возможны, конечно, разные варианты ее сообразно составу боксита и местным условиям.

Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим количеством извести (если боксит диаспоровый) и направляют в мельницу мокрого размола вместе с оборотным раствором по расчету. Мельницы работают обычно в замкнутом цикле с реечными или спиральными классификаторами. Пульпа собирается в сборниках нагревается паром до 1000 и выдерживается там несколько часов при непрерывной циркуляции, чтобы возможно большую часть кремнезема в бокситах (аморфного или в составе глины) действием щелочи и алюмината обратить в нерастворимый алюмосиликат.

В результате этого трубки подогревателей, через которые проходит – пульпа на пути из сборников в автоклавы меньше зарастают алюмосиликатной массой.

При непрерывном выщелачивании пульпа нагнетается поршневым насосом через подогреватели в головной из 7 – 8 автоклавов, соединенных последовательно. Из последнего автоклава батареи пульпа перетекает в – пароотделитель,  где от самоиспарения образуется пар, используемый для предварительного нагревания пульпы в подогревателях. Из пароотделителя пульпа стекает в мешалки для разбавления промывной водой.

В системе противоточных уплотнителей и промывателей, которые на современных заводах обычно делают многоярусными, красный шлам отделяется и отмывается от алюминатного раствора. Сгущенный промытый красный шлам перекачивают в отвал (шламовое поле), а промывная вода из первого промывателя, в которой много Na2O и Al2O3, служит для разбавления автоклавной пульпы.

Слив из уплотнителей проходит через фильтры для полного отделения взвеси красного шлама, охлаждается до ~700 в теплообменниках и поступает на выкручивание в декомпозеры периодического или непрерывного действия. На выкручивание направляют также затравочный гидрат в количестве, зависящем от содержания Al2O3 в растворе. Обычно затравочное отношение, т.е. отношение Al2O3 затравки к Al2O3 в растворе, составляет   ~1,4 – 1,8.

Выкручивание длится 70 – 100 час по заданной температурной кривой охлаждения. Затем гидратную пульпу сгущают, отделяют маточный раствор и гидроокись алюминия после классификации по крупности или без нее делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае применения классификации) тщательно отмывают от щелочи и подают на кальцинацию, другая же часть (около ¾ всего гидрата) служит затравкой. В некоторых случаях затравочную гидроокись также предварительно промывают, но не так тщательно, как для выдачи готового гидрата.

Маточный раствор и воду от промывки гидрата направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрация Na2Ok повышается приблизительно до 300 г/л. Так как растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде одноводной по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе выпаркой выделяется столько же соды, сколько накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных  пределах.

Для уменьшения удельного расхода свежей, каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют, в воде для каустификации известковым молоком. Получающимся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежею едкую щелочь для возмещения химических и механических потерь ее и направляют в мельницы со свежим бокситом.

Готовый гидрат обезвоживается и «прокаливается при температуре около 12000 во вращающихся барабанных печах, топочные газы которых тщательно очищаются от глинозема». 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема производства глинозема по способу Байера

 

 

 

 

2 Описание технологии  процесса сгущения и промывки  красного              

шлама

 

 

2.1 Теоретические основы сгущения

 

Основная масса красного шлама состоит из очень мелких частиц размером 1 – 10 мкм и даже меньше, которые осаждаются очень медленно. Поэтому при сгущении красного шлама значение имеет агрегация, т.е. слияние мелких частиц между собой и образование более крупных хлопьев (агрегатов).

Резкая граница между осветленным раствором и осадком (сгущенным шламом) в сгустителе отсутствует. По высоте столб пульпы в сгустителе можно разделить на несколько зон. Верхняя зона – это осветленный раствор, из которой он непрерывно выводится в виде слива. Ниже находится зона сгущения, в которой частицы опускаются под действием силы тяжести. Еще ниже находится зона уплотнения, в которой под действием веса вышележащих слоев из шлама вытесняется алюминатный раствор и осадок уплотняется. Самая нижняя зона – это слой уплотненного шлама, который непрерывно выводится из сгустителя.

Основными показателями процесса сгущения являются степень уплотнения шлама и удельная производительность по сливу. Степень уплотнения характеризуется отношением ж:т в сгущенном шламе, а под удельной производительностью понимают объем осветленного раствора (в кубических метрах), выводимого из сгустителя на каждый квадратный метр площади осаждения за один час.

На процесс сгущения шлама наряду с крупностью его частиц влияет целый ряд факторов: минералогический состав шлама, вязкость алюминатного раствора, его концентрация, температура пульпы, присутствие коагулянтов и др.

  Минералогический состав шлама определяется минералогическим составом бокситов, из которых шлам получен; поэтому можно говорить о влиянии на осаждаемость красных шламов  минералогического состава боксита. Уплотняемость красных шламов ухудшается при наличии в боксите гидратированных минералов, например гидратированных форм окиси железа и каолинита. Эти минералы имеют высокую степень гидрофильности, чем объясняется их затрудненная агрегация и образование плохо уплотняющихся осадков. Отрицательное влияние на Уплотняемость красных шламов оказывает также сидерит.

Кварц по сравнению с каолинит гораздо меньше замедляет процесс отстаивание шлама, хотя при выщелачивании также образует гидроалюмосиликат натрия. Это можно объяснить тем, что разложение каолинита происходит при пониженных температурах с образованием тонкодисперсного алюмосиликата, который при отстаивании удерживает много воды. Взаимодействие же кварца с раствором происходит медленно и при высокой температуре. В этих условиях образуется крупнозернистый алюмосиликат, который хорошо уплотняется.

Повышение температуры выщелачивания боксита до 250 - 2600 С резко улучшает отстаивание шлама, так как при высокой температуре в автоклавах происходит необратимый процесс дегидратации окиси железа.

С повышением вязкости алюминатного раствора скорость осаждения шлама и степень его уплотнения. Вязкость же зависит от концентрации раствора и его температуры. С понижением концентрации вязкость раствора уменьшается, поэтому разбавление пульпы перед сгущением значительно ускоряет процесс сгущения. В системе промывки концентрация раствора постепенно уменьшается от первого промывателя к последнему, что способствует более высокой степени уплотнения шлама в последних промывателях.