Преобразование алюмосиликатного сырья обогащенными конденсатами геотермальных флюидов

УДК 622.7

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ ОБОГАЩЕННЫМИ КОНДЕНСАТАМИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ФЛЮИДОВ

А.Р. Ляндзберг, А. С. Латкин

Представлен метод комплексной переработки алюмосиликатного сырья с помощью обогащенных конденсатов геотермальных флюидов. Обоснованы технико-экономические преимущества данного метода.

The method of aluminium-silicate raw material complex process by the geothermal fluids enriching chemical solutions is present. The technical and economic advantages of this method are showed.

Обогащенные конденсаты геотермальных флюидов представляют собой, как правило, раствор комплекса кислот. Одним из перспективных применений такого реагента согласно работе [2] является переработка алюмосиликатного сырья (цеолитов), для которых, в свою очередь, наиболее предпочтительны именно гидрохимические способы переработки [4]. Процесс модификации природного алюмосиликатного сырья с целью получения сорбентов с избирательной сорбционной способностью включает три этапа:

а) физическое или физико-химическое диспергирование цеолита;

б) обработка природного цеолита слабыми растворами кислот;

в) сушка и термообработка полуфабриката с целью получения сорбента.

Данные процессы были исследованы Т.П. Беловой с использованием природных устойчивых цеолитов Ягодинского месторождения Камчатской области, эффективно поддающихся кислотной модификации [1]. Установлено, что цеолиты Камчатской области устойчивы в растворах кислот и щелочей до концентрации 0,1 моль/л. После модификации природными гидрохимическими растворами их сорбционная способность (ионнообменная емкость) повышается в 3 раза по сравнению с исходным продуктом. Наибольшая эффективность достигается при последовательной обработке цеолитов сначала в водородную, а затем в натриевую форму.

Результаты исследований согласно работе [1] с полученными результатами, приведенными в работе [3], легли в основу создания нового типа аппаратов химической технологии - обогатительных конденсаторов-сепараторов. Они могут применяться, в частности, при производстве высококачественных селективных сорбентов на основе модификации природных цеолитов конденсатами высокотемпературных геотермальных теплоносителей. Разработанные конструкции включены в схемы получения сорбентов.

Технологический процесс переработки алюмосиликатного сырья, в состав которого входят вихревой аппарат конденсационного обогащения для получения кислотных растворов из геотермальных флюидов и вихревой конденсатор-сепаратор (ВКС) для очистки потока исходящего воздуха, был реализован на заводе в/ч № 04355 Камчатской области. Гидрохимическая обработка цеолитов производилась в чане из нержавеющей стали, имеющем объем 1,5 м3. В чан загружался дисперсный цеолит с фракционным составом от 3 до 5 мм, который получался дроблением исходного кускового материала в щековой дробилке и дальнейшим классифицированием его на грохотах.

Кислотный раствор для гидрохимической обработки цеолитов получался двумя способами: искусственно за счет смешения отдельно приготавливаемых растворов чистых химических реагентов с итоговой концентрацией около 1% H2SO4, 0,2% HCl и 0,01% HF (в массовых процентах) либо на основе процесса частичной конденсации высокотемпературного геотермального флюида. В этом случае основным аппаратом для получения кислотного раствора являлся вихревой сепаратор конденсационного обогащения. Результаты полупромышленной переработки геотермального флюида представлены в таблице, где отражены состав исходного флюида, состав конечного продукта и степень обогащения в зависимости от режима охлаждения и связанного с ним коэффициента теплоотдачи а в аппарате.

По результатам проведенной обработки была рассчитана относительная экономическая эффективность получения кислот из геотермального флюида. Установлено, что полупромышленная переработка приводит к значительному удорожанию полученных продуктов за счет разовых расходов (монтаж схемы, транспорт, создание минимальной инфраструктуры и т. д.). Их исключение позволяет добиться сравнимой стоимости геотермального концентрата и привозных реа-

гентов. Однако она оказывается все же меньше для привозных реагентов, а именно: в пересчете на чистые кислоты - в 1,2—1,6 раза. Таким образом, получение химических соединений из геотермальных флюидов может быть экономически эффективным только при заметных объемах производства, т. е. при постройке стационарного предприятия по их переработке. Проведенный оценочный расчет показал, что в этом случае после окупания начальных вложений относительная стоимость продуктов составит 0,6—0,8% от стоимости привозных реагентов.

Результаты полупромышленной переработки геотермального флюида путем вихревого конденсационного обогащения

Процесс Состав, ммоль/кг и г/кг Н20 Степень Примечания

Б02 НС1 НЕ обогащения, разы

Исходный флюид

Без обработки (добыча) 168 10,8 72 2,6 12 0,2 - Температура 400-480°С

Продукт

Сильное охлаждение, а = 2-4 кВт/(м2 - °С) 892 57,1 386 14,1 74 1,5 ~ 5-6

Среднее охлаждение, а = 4-8 кВт/(м2 - °С) 1240 79,4 516 18,8 86 1,7 ~ 7

Слабое охлаждение, 1614 682 98 ~ 9

а = 8-12 кВт/(м2 °С) 103,3 24,9 2,0

Другая область применения вихревого аппарата при обработке цеолитов - эффективная сепарация, основанная на процессе полной конденсации. Схема подобного использования вихревого конденсатора-сепаратора приведена на рисунке, где представлен технологический процесс сушки и термообработки дисперсного полуфабриката.

Технологическая схема участка термомодифицирования природных цеолитов для получения сорбентов:

1 - воздуховод (линия подачи исходного потока воздуха); 2 - вентиляторный агрегат; 3 - калорифер;

4 - реостат или трансформатор-терморегулятор: 5 - вихрефонтанирующий аппарат: 6 - линия подвода гидрохимически обработанного цеолита; 7 - вывод легкой фракции в первый кюбель; 8 - циклон;

9 - вывод средней и крупной фракций во второй кюбель; 10 - вихревой конденсатор-сепаратор;

11 - линия движения охлаждающего агента вихревого конденсатора;

12 - вывод уловленной смеси в сборник конденсата; 13 - выпускная труба

В данном случае вихревой конденсатор-сепаратор (ВКС) использовался как уловитель, с помощью которого решались одновременно две задачи, а именно:

— повышение эффективности работы схемы за счет улавливания тонкодисперсных фракций сорбента, которые возвращались в технологический цикл;

— осуществление охраны окружающей среды за счет очистки потока технологического воздуха перед его выпуском в атмосферу.

Принцип работы схемы заключается в следующем. Поток рабочего воздуха через всасывающий патрубок 1 подается центробежным вентилятором 2 в калорифер 3, где нагревается до величин, необходимых для ведения конкретного технологического процесса. Степень нагрева контролируется терморегулятором 4, изменяющим подаваемое на калорифер 3 напряжение путем реостатирования или с помощью трансформатора. Итоговая температура потока может доходить до 300°С. Далее нагретый воздух подается в вихрефонтанирующий реактор 5, куда по линии 6 подводится гидрохимически обработанный сырой дисперсный цеолит. В реакторе 5 происходит термообработка (сушка) цеолита, в ходе которой он изменяет свою плотность. Наиболее легкая фракция сепарируется и выводится из аппарата в кюбель 7. Смешанный паровоз-душно-цеолитный поток поступает в циклонный сепаратор 8, где улавливается уносимая из реактора 5 дисперсная фаза среднего и крупного размера. Она отделяется, собирается во втором кюбеле 9 и может быть использована либо непосредственно, либо для последующего получения гранулированного сорбента. Пары воды, кислот и взвесь модифицированного цеолита фракционным составом менее 20 мкм поступают с основным потоком в вихревой конденсатор-сепаратор 10. Там происходит полная конденсация остаточных паров и улавливание мелкодисперсной фракции. Их смесь в виде жидкой взвеси сливается в кюбель-сборник конденсата 12. Отстаивание взвеси позволяет получить тонкодисперсный сорбент для динамических процессов сорбции, а растворы кислот возвращаются в схему гидрохимической обработки исходных алюмосиликатов. Отработанные технологические газы (воздух с минимальным содержанием примесей) выпускаются в атмосферу через трубу 13.

Для повышения эффективности процесса сепарации вихревой конденсатор-сепаратор 10 снабжен охлаждающей рубашкой, через которую по линии 11 прокачивается хладоноситель (охлаждающая вода). За счет этого в объеме аппарата формируется закрученный конденсирующийся поток, что позволяет резко увеличивать улавливающую способность по сравнению с простым циклоном-сепаратором 8.

Как показал практический опыт эксплуатации данной схемы, улавливающая способность вихревого конденсатора-сепаратора при применении на участке отделения хвостов доходит до 99,8%. По сравнению со схемой без ВКС экономический эффект от ее внедрения составляет около 10 тыс. руб. на 1 т полученного сорбента.

Литература

1. Белова Т.П. Физико-химическое обоснование технологического использования нетрадиционного минерального сырья Курило-Камчатского региона: Дис. ... канд. техн. наук. — Чита: ЧитГТУ, 1999. — 152 с.

2. Власов В.В. Состояние и перспективы разработки кислотных способов получения глинозема из низкосортных видов природного сырья // Кислотные методы комплексной переработки алюмосиликатного сырья: Тез. докл. всесоюз. совещ. — Апатиты, 1990. — С. 10—11.

3. Ляндзберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полезных компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов: Дис. . канд. техн. наук. — Чита: ЧитГТУ, 2002. — 178 с.

4. ЧернякА.С. Химическое обогащение руд. — М.: Недра, 1987. — 224 с.