СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ФТОРУГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
METHOD FOR OBTAINING BRIQUETTES FROM FLUOROCARBON-CONTAINING WASTES

Предлагаемое техническое решение относится к цветной металлургии, к переработке фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия и может быть использовано для получения брикетов.
Фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия относятся к многотоннажным техногенным отходам, из которых возможно извлечение отдельных компонентов с целью их дальнейшего полезного применения.
В алюминиевой промышленности широко применяются технологии извлечения ценных компонентов из отходов электролитического производства алюминия и возвращения их в технологический процесс. В результате таких технологических операций также образуется значительное количество вторичных техногенных отходов, которые не находят применения и перемещаются на шламовые поля. Важной задачей является переработка (утилизация) именно этих отходов.
Известен способ переработки углеродистого шлама (хвосты флотации угольной пены, пыль и шламы газоочистки электролизного производства), включающий его смешение с глинозем-содо-известняк содержащей шихтой глиноземного производства в определенных соотношениях и совместную термическую обработку при температуре выше 1000°С с получением спека, последующей его гидрохимической обработкой по известным способам глиноземного производства с получением глинозема, соды, поташа патент РФ №2167210, C22B 7/00, 2001 г. При достаточно высоком извлечении ценных компонентов (до 90%) данная технология требует значительных энергетических затрат, затрат на транспортировку отходов. Наличие в перерабатываемых отходах значительного количества углеродистой составляющей позволяет несколько снизить энергетические затраты за счет внесения в процесс тепловой составляющей от сгорания углерода.
Одним из перспективных направлений переработки углеродсодержащих отходов является получение из них восстановительных или топливных брикетов.
Известен способ получения материала из отходов металлургического производства, включающий введение в отходы модифицирующей кремнеземсодержащей добавки в виде пыли электрофильтров газоочистки производства технического кремния и/или ферросилиция, перемешиванием и последующим затвердеванием материала, в котором в качестве отходов используют фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия, дополнительно вводят жидкое натриевое стекло, портландцемент и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
фторуглеродсодержащие отходы электролитического
производства алюминия
35-62
портландцемент
4-7
жидкое натриевое стекло
10-15
вода
остальное,
а затем производят сушку получаемого материала до затвердевания (патент РФ №2098380, С04В 28/26, 1997 г.).
По данному способу используются фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия, но в переработку идет только один вид отходов - шлам газоочистки.
Известен способ получения окускованных материалов, включающий смешение, формование и термообработку шихты, содержащей окускованный материал, углеродсодержащий компонент, флюс и тонкодисперсные фторуглеродсодержащие отходы алюминиевого производства в виде хвостов флотации угольной пены, в котором используют хвосты флотации угольной пены в количестве 0,3-2,5 мас.% (патент РФ №2291208, С22В 1/245, 2007 г.). По данному способу используются фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия, но только в виде хвостов флотации угольной пены и в очень незначительном количестве.
Известен способ получения окатышей плавикового шпата, включающий скатывание концентрата со связующим, сушку и обжиг окатышей, в котором в качестве связующего используют пыли алюминиевого производства и обжиг ведут при 950-980°С (А.с, СССР №979512, С22В 1/243, 1982 г.). По данному способу используются фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия, но в переработку идет только один вид отходов - шлам газоочистки и в очень небольших количествах.
Известен способ получения брикетов на основе термообработанной смеси углеродного топлива и связующего-лигносульфоната или мелассы и остатка нефтепереработки, включающий смешение измельченного углеродного топлива, выбранного из угля, кокса, отходов углеродных электродов или их смесей со связующим лигносульфоната или мелассой (1-10%) и остатка нефтепереработки (1-10%), брикетирование смеси, термообработку брикетов при температурах 150-180°С или 230-260°С и последующее их охлаждение (патент РФ №2181752, C10L 5/10, 2002 г.).
Основной недостаток известного решения дополнительные затраты на подготовку сырьевых материалов для брикета: ситовой рассев углеродного топлива, нагрев связующего. Изменяющийся компонентный состав брикетируемого материала требует перенастройки оборудования и технологии. Значительные затраты на процесс брикетирования снижают технико-экономическую эффективность переработки.
Известен способ переработки фторуглеродсодержащих отходов электролитического получения алюминия, содержащих хвосты флотации угольной пены и шлам газоочистки, включающий смешивание отходов со связующим, брикетирование полученной смеси, в котором шлам газоочистки используют в качестве связующего при брикетировании хвостов флотации угольной пены. Хвосты флотации угольной пены и шлам газоочистки предварительно могут быть подвергнуты обработке, например обесфториванию, кальцинации. Хвосты флотации угольной пены и шлам газоочистки могут быть смешаны в пропорции 10-90÷90-10 при температуре от -10 до +130°С (патент РФ №2419661, С22В 7/04, 2011 г.).
Не приведены примеры конкретного выполнения. Вследствие этого достаточно трудно судить о необходимых и достаточных для реализации данного способа признаках. Совместное брикетирование обоих видов отходов (мелкодисперсных углеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия в виде хвостов флотации угольной пены и шлама газоочистки) возможно в достаточно узких пределах по компонентному составу. Кроме того, пониженное содержание смолистых в смеси, недостаточно высокая температура термообработки, не обеспечивают необходимую и достаточную прочность брикетов, как для использования, так и для транспортировки. Возникают сложности при брикетировании при использовании шлама повышенной влажности.
По назначению - получение брикетов, по технической сущности - использование в составе брикетов перерабатываемых фторуглеродсодержащих отходов электролитического получения алюминия, по наличию сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Задачей предлагаемого технического решения является комплексная переработка вторичных углеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия и улучшение экологической ситуации.
Техническим результатом является получение углеродистых брикетов с высокими потребительскими свойствами при высокой технико-экономической эффективности процесса.
Технический результат достигается тем, что в способе получения брикетов из фторуглеродсодержащих отходов электролитического получения алюминия, содержащих хвосты флотации угольной пены и отходы газоочистки, включающем смешивание отходов со связующим, брикетирование полученной смеси при смешивании хвостов флотации угольной пены в качестве связующего используют шлам и/или пыль газоочистки, при следующем соотношении компонентов, % вес.:
шлам газоочистки
40÷75
пыль газоочистки
25÷60,
Пыль газоочистки подают при добавлении воды, не более 10%, сверх 100% связующего, а после брикетирования полученной смеси, проводят термообработку брикетов при температуре 200÷400°С и последующее охлаждением на воздухе.
Кроме того, на смешивание подают хвосты флотации угольной пены в количестве не более 70% вес. от общего веса полученной смеси, а шлам газоочистки, подаваемый на смешение должен быть влажностью не более 80%. Пыль газоочистки, применяемая в качестве связующего, может быть с высоким содержание связующего (от 10 до 25%)
Сравнение предлагаемого технического решения с решением по ближайшему аналогу показывает следующее.
Предлагаемое решение и ближайший аналог характеризуются сходными признаками:
- получения брикетов;
- использование мелкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия;
- использование в качестве связующего - шлама газоочистки электролитического производства алюминия;
- смешение компонентов;
- брикетирование материала смеси;
- термообработка брикетированного материала.
Предлагаемое решение отличается от известного решения следующими признаками:
- на смешение в качестве связующего подают сухую пыль газоочистки электролитического производства алюминия и/или шлам газоочистки электролитического производства алюминия при следующем соотношении компонентов, % вес.:
мелкодисперсные фторуглеродсодержащие отходы
в виде шлама газоочистки электролитического
производства алюминия
40÷75
пыли газоочистки
25÷60;
- термообработку брикетов проводят при температуре 200÷400°С с последующим охлаждением на воздухе.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение, принятое в качестве ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
В предлагаемом техническом решении реализуется технология комплексной переработки мелкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия с получением товарного продукта в виде углеродистых брикетов с достаточно высокими потребительскими свойствами. Как в качестве основы брикета, так и качестве связующего использованы углеродсодержащие отходы одного и того же производства, находящиеся на территории одной промышленной площадки. Снижаются транспортные и сопутствующие им расходы на исходные материалы. Затраты на приготовление, брикетирование, термообработку незначительны. Снижение себестоимости производства брикетов за счет этих статей в значительной мере повышает эффективность процесса переработки.
Соотношения между компонентами установлены экспериментально и подтверждены опытно-промышленными испытаниями.
Процесс формирования брикета включает две стадии. На первой стадии производится смешивание компонентов основы со связующим с получением однородной смеси и прессование из нее изделий - брикетов. Необходимо, чтобы брикет обладал необходимой и достаточной сырой прочностью для обеспечения сохранения формы при его перемещении на термообработку. В предлагаемом решении эти задачи решаются при применении в качетве связующего сухого компонента - пыли газоочистки электролитического производства алюминия и влажного компонента шлама газоочистки с хвостами флотации угольной пены. При смешивании данных компонентов в указанных пределах достигается необходимая и достаточная сырая прочность брикетов. Предпочтительна подача на смешивание хвостов флотации, в количестве не более 70%, т.к. снижается количество смолистых в составе смеси, что затруднит получение после термообработки достаточно прочных гранул. Целесообразно также использование шлама газоочистки и хвостов флотации угольной пены влажностью не более 80%, т.к. затрудняется прессование брикетов из смеси с избыточной влажностью.
На второй стадии, при термообработке брикетов «работают» смолистые соединения, содержащиеся в пыли газоочистки электролитического производства алюминия и в шламе газоочистки электролитического производства алюминия. В процессе термообработки при температуре 200÷400°С с последующим охлаждением на воздухе смолистые «цементируют» углеродистые частицы, чем и обеспечиваются прочностные характеристики брикета, в значительной мере определяющие и его потребительские свойства. Соотношения компонентов в смеси установлены путем лабораторных исследований с учетом влажности используемого шлама и хвостов флотации угольной пены, количества смолистых веществ в составе компонентов в смеси, технологичности обработки материала смеси. Данные количественные соотношения подтверждены опытно-промышленными испытаниями. При температуре менее 200°С не обеспечивается достаточная прочность брикета после термообработки. Поддержание температуры термообработки более 400°С нецелесообразно, т.к. повышает энергетические затраты без достижения более высоких результатов по прочности брикетов.
В результате поиска и сравнительного анализа предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которой позволяет достигать аналогичные технические и технико-экономические результаты. Таким образом, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ получения брикетов реализуется следующим образом. С целью подбора оптимального состава шихты для брикетирования была проведена серия экспериментов, в которых смесь связующего и основы, состоящей из мелкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов подвергалась брикетированию. В специальной стальной матрице диаметром 2,5 см (площадь брикета 4,9 см) на лабораторном прессе при давлении около 250 МПа, а затем выдержке при температуре 230.°С для упрочнения.
Пример 1.
Основу данного брикета составляли влажные хвосты флотации (70%), связующим была сухая пыль газоочистки (30%). Влажность составила 17,83%. После сушки в течение 180 мин был получен прочный брикет, с хрупкими, осыпающимися при сильном надавливании краями.
Пример 2.
В качестве основы выступали влажный шлам газоочистки (80%), связующим была сухая пыль газоочистки (10%). Для того чтобы качественно провести процесс перемешивания шихты, в нее было добавлено 10% воды. Влажность брикета составила 16,29%. После термообработки был получен брикет достаточно прочный, но с легко осыпающимися краями.
Экспериментальные данные по отработке оптимальных компонентных составов, технологических параметров и характеристик полученного материала представлены в таблице.
Проведенные опытно-промышленные испытания данной технологии подтверждают эффективность данной комплексной переработки фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия.
Промышленное использование предлагаемого технического решения на алюминиевых заводах позволяет производить комплексную переработку мелкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия с минимальными затратами, с получением востребованного продукта - фторуглеродсодержащих брикетов, которые могут быть использованы в черной металлургии, в производстве цемента и в других отраслях. При этом решаются проблемы утилизации отходов электролитического производства алюминия, и улучшается экологическая обстановка.
Таблица 1
Составы смесей, характеристики используемых материалов и получаемых брикетов
N п/п
Состав смеси, % вес.
Влажность смеси, %
Температура обработки брикетов, °С
Характеристики брикетов
Пыль газоочистки
Шлам ГО
Хвосты флотации
Прочность сырых брикетов, %
Прочность т/обработанных брикетов, %
Примечание
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
5
25
25
10
300
25
85
Прочные брикеты
2
25
-
75
10
300
20
70
Прочные брикеты
3
60
30
10
12
250
20
70
Прочные брикеты
4
-
15
85
20
250
16
60
Затруднено прессование брикетов
5
20
60
20
25
300
11
75
Низкая сырая прочность брикетов, затруднено прессование