СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФЕЛИНОВЫХ РУД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛИНОЗЕМА И СОДОПРОДУКТОВ
METHOD TO PROCESS NEPHELINE ORES TO PRODUCE ALUMINA AND SODA PRODUCTS

Изобретение относится к глиноземной промышленности, точнее к переработке щелочного алюминийсодержащего сырья, преимущественно нефелиновых и нефелиноапатитовых пород, руд и концентратов методом спекания.
2
Известен способ переработки нефелиновых руд для получения глинозема и содопродуктов, включающий приготовление нефелиново-известково-содовой шихты, ее спекание в трубчатой вращающейся печи за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива, последующее выщелачивание, обескремнивание и карбонизацию алюминатного раствора с получением глинозема и содопродуктов. При этом для шихты задают известково-кремниевое отношение CaO:SiO = 2,00±0,05 и полагают, что такое отношение сохранится и в спеке [1].
и
2
и шз
и сз
Недостаток этого способа, применяемого до настоящего времени при производстве глинозема по способу спекания, связан с расходованием большого количества известняка Р, который обычно составляет в шихте до 50% ее массы [2], что снижает производительность печи спекания. Это изначально заданное известково-кремниевое отношение CaO:SiO называют известковым модулем шихты М на входе в печь и, соответственно, известковым модулем опека М на выходе из печи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки нефелиновых руд для получения глинозема и содопродуктов, включающий приготовление нефелиново-известково-содовой шихты, ее спекание в трубчатой вращающейся печи за счет тепла, выделяемого при сжигании каменного угля, последующее выщелачивание, обескремнивание и карбонизацию алюминатного раствора с получением глинозема и содопродуктов [2].
и с
и д
и шз
и шф
Недостатком этого способа является то, что присадка к спеку твердого остатка сжигания каменного угля уменьшает величину известкового модуля в спеке М, что при приготовлении шихты обуславливает необходимость дополнительного, против обычного, расхода известняка Р, который увеличивает известковый модуль шихты от заданного М=2,00±0,05 до фактического М.
2
2
Это уменьшение величины известкового модуля в спеке обусловлено тем, что в твердом остатке сжигания каменного угля оксида кальция CaO содержится обычно в 2-11 раз меньше, чем содержание оксида кремния SiO [3]. При этом в твердом остатке сжигания каменного угля оксида кремния SiO содержится обычно более 50% (там же), что увеличивает затраты при обескремнивании полученного выщелачиванием из спека алюминатного раствора, а также приводит к повышенным потерям глинозема.
Все это, а также использование в качестве топлива относительно дорогого каменного угля обуславливает высокие затраты известного способа.
2
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении затрат. Достигаемый же технический результат заключается в снижении расхода известняка при приготовлении шихты и уменьшении содержания оксида кремния SiO в алюминатном растворе, а также в использовании в качестве топлива более доступного, следовательно, более дешевого ископаемого угля.
2
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе переработки нефелиновых руд для получения глинозема и содопродуктов, включающем приготовление нефелиново-известково-содовой шихты, ее спекание в трубчатой вращающейся печи за счет тепла, выделяемого при сжигании ископаемого угля, последующее выщелачивание, обескремнивание и карбонизацию алюминатного раствора с получением глинозема и содопродуктов, согласно изобретению в качестве ископаемого угля при сжигании используют бурый уголь, твердый остаток сжигания которого содержит оксида кальция CaO не менее 30 мас.%, а оксида кремния SiO не более 40 мас.%. При сжигании используют бурый уголь Канско-Ачинского бассейна.
Отличием заявляемого изобретения от известного [2] является то, что в качестве ископаемого угля при сжигании используют бурый уголь.
Именно использование при сжигании бурого угля, твердый остаток сжигания которого содержит аномально высокое, в сравнении с твердым остатком сжигания каменного угля, количество оксида кальция и более низкое количество оксида кремния, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата: снижение расхода известняка при приготовлении шихты, уменьшение содержания оксида кремния в алюминатном растворе и использование в качестве топлива более дешевого ископаемого угля.
Ниже в таблице 1 приведен в соответствии с данными источника [3] осредненный химический состав твердого остатка сгорания (для краткости: зола) бурого угля Канско-Ачинского бассейна и каменных углей ряда месторождений и бассейнов.
Таблица 1
Наименование месторождения и бассейна
Химический состав золы на бессульфатную массу %
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
TiO<sub>2</sub>
Канско-Ачинский бассейн
33,5
12,3
11,1
36,1
5,4
0,9
0,7
-
(бурый уголь)
Каменные угли
Месторождения Средней Азии
42,4
21,3
12,4
17,2
3,4
1,5
1,2
0,6
Днепровский бассейн
55,2
17,5
7,2
15,3
2,1
0,6
1,0
1,1
Месторождения Северо-Восточных районов
48,9
22,8
12,1
9,9
2,6
1,4
1,5
0,8
Месторождение Восточной
51,2
26,4
9,5
7,8
2,4
1,2
0,7
0,8
Сибири
Львовско-Волынский бассейн
44,1
22,6
20,5
7,5
1,7
2,1
0,6
0,9
Кузнецкий бассейн
55,8
24,9
6,8
7,3
1,6
1,8
0,9
0,9
Месторождения Урала
52,4
23,7
13,3
5,6
1,8
1,4
0,7
1,1
Месторождения Казахстана
56,7
25,7
6,0
5,5
1,5
1,3
2,1
1,2
Месторождения Дальнего
56,1
25,2
7,1
5,4
1,6
2,5
1,4
0,7
Востока
Например, нефелиновые руды Кия-Шалтырского месторождения перерабатывают на печах спекания ОАО «РУСАЛ Ачинск» (то же: АГК). Эти трубчатые вращающиеся печи имеют внутренний диаметр 5 м и длину 185 м. На участке печи, где происходит горение топлива, температура достигает 1550-1650°C. В качестве основного топлива в настоящее время используют каменный уголь Кузнецкого бассейна марки Т.
В 2010 году в соответствии с техническим заданием ООО «РУС-Инжиниринг» ООО «Красноярский котельный завод» произвел сначала тепловой расчет печи спекания, работающей на каменном угле Кузнецкого бассейна, а затем тепловой расчет этой же печи спекания, в случае ее работы на буром угле Канско-Ачинского бассейна [4].
На основании этих расчетов сделан вывод о возможности сохранения действующей тепловой схемы в печи спекания ОАО «РУСАЛ Ачинск», в случае ее работы на указанном буром угле.
Авторами предлагаемого изобретения выполнены дополнительные приближенные расчеты, необходимые для оценки влияния на переработку нефелиновой руды изменения зольности угля при переводе работы печи спекания с каменного угля на бурый уголь.
Исходные данные по теплоте сгорания, твердому остатку сгорания углей [4], химическому составу твердых остатков (зол) [3], результаты расчетов, отнесенные на 1000 кг сгорания бурого угля, и другие показатели сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Показатель
Уголь
Каменный
Бурый
Низшая теплота сгорания, кДж/кг
25120
15660
Расход топлива, кг
623,41
1000
Количество золы, %
14,6
7,0
Количество золы, кг
91,02
70,00
Содержание в золе CaO, %
7,3
36,1
Содержание в золе CaO, кг
6,64
25,27
Содержание в золе SiO<sub>2</sub>, %
55,8
33,5
Содержание в золе SiO<sub>2</sub>, кг
50,79
23,45
Содержание в золе K<sub>2</sub>O, %
1,8
0,9
Содержание в золе Na<sub>2</sub>O, %
0,9
0,7
Содержание в золе Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, %
6,8
11,1
Содержание в золе Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub>, %
24,9
12,3
Содержание в известняке CaO, %
54,0
54,0
Удельное содержание в шихте известняка [2, рис.2.4]
0,418
-
Относительная величина спека от шихты, % [2, табл.9.8]
54,0
-
Производительность печи по спеку [5, стр.138], т/ч
101-103
-
Часовой расход топлива, т/ч [4, стр.71]
-
36,083
Молярные отношения в золе
CaO/SiO<sub>2</sub>
0,131
1,078
Na<sub>2</sub>O/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,028
0,030
(Na, K)<sub>2</sub>O/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,11
0,13
(Na, K)<sub>2</sub>O/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,085
0,068
Приведенные в таблице 2 данные позволяют установить следующее:
1. Сгорание одной тонны бурого угля на печи АГК обеспечит уменьшение содержания в шихте оксида кальция против существующего на 18,63 кг и, соответственно, уменьшение известняка при приготовлении шихты на 34.5 кг. Это позволяет увеличить объем шихты нового, против существовавшего, состава на те же 34,5 кг, производство спека на 18,63 кг и глинозема на 18,63 кг: 8,0 = 2,33 кг [5, стр.359].
За час работы печи спекания сгорает бурого угля 36,083 т (см. таблицу 2), что обеспечивает уменьшение известняка при приготовлении шихты на 1244,86 кг. Это позволяет увеличить объем шихты на те же 1244,86 кг, производство спека на 672,23 кг и глинозема на 83,07 кг.
2. На АГК средняя производительность печи по спеку, работающей на каменном угле, равна 102000 кг/ч [5, стр.137-138]. При работе такой печи на буром угле ее производительность по спеку увеличиться на 672,23:102000×100=0,66%.
2
3. Сгорание одной тонны бурого угля на печи АГК обеспечит уменьшение содержания оксида кремния SiO против существующего в спеке на 50,79 кг - 23,45 кг = 27,34 кг. За час работы печи сгорит 36,083 т бурого угля, при этом содержание оксида кремния в спеке уменьшится на 27,34×36,083=986,51 кг.
Это уменьшение оксида кремния в спеке сократит затраты на обескремнивание полученного выщелачиванием из спека алюминатного раствора и уменьшит потери глинозема как при обескремнивании раствора, так и при его разложении карбонизацией и декомпозицией. Одновременно с этим приведенные в таблице 2 молярные отношения в твердых остатках сгорания (золе) указывают на то, что замена на печах спекания каменного угля на бурый уголь не ведет к заметным негативным последствиям при производстве попутных содопродуктов.
и сз
Пример. Переработка нефелиновых руд для получения глинозема и содопродуктов производится на печах спекания ОАО «РУСАЛ Ачинск», на которых длительный период времени в качестве основного топлива используется каменный уголь Кузнецкого бассейна. При этом достигнутый на печах спекания температурный режим признан оптимальным [4], а известковый модуль спека М принят неизменным. Тепловые расчеты [4], выполненные по известной методике [6], показали возможность сохранения действующей тепловой схемы в печах спекания в случае их работы на буром угле Канско-Ачинского бассейна.
Осуществление предлагаемого способа на этих печах спекания может быть произведено после их реконструкции и заключается, прежде всего, в корректировке состава шихты с учетом изменения состава присадки спеку твердых остатков сжигания ископаемого угля и в конструктивно-технологических изменениях при подготовке этого угля к сжиганию и его подаче в печь спекания. При этом при необходимости могут быть внесены изменения в существующую технологическую схему переделов, включая выщелачивание, обескремнивание и карбонизацию алюминатного раствора.
Осуществление предлагаемого способа производят следующим образом.
2
и сз
2
Исходя из существующего в спеке известково-кремнеевого отношения CaO: SiO, т.е. известкового модуля спека М, количества и состава твердого остатка сгорания бурого угля, характеризующегося содержанием оксида кальция CaO 36,1% и SiO 33,6%, по известной методике, например [7], рассчитывают величину уменьшения известняка при приготовлении шихты. По приближенному расчету заявителя за час работы печи спекания на буром угле расход известняка при приготовлении шихты может быть уменьшен на 1244,86 кг, что может рассматриваться как увеличение объема шихты нового, против существовавшего, состава также на 1244,86 кг. Это увеличит производство спека на 672,23 кг и глинозема на 83,07 кг.
Такое, относительно не высокое, уменьшение расхода известняка практически не влияет на существующий состав оборудования, обеспечивающего приготовление нефелиново-известково-содовой шихты (дробление руды и известняка, их раздельный размол и их дозировку) и подачу обводненной шихты наливом в низкотемпературную часть печи.
Существенное же, примерно в 1,6 раза (25120 кДж/кг:15660 кДж/кг), увеличение сжигания угля обуславливает необходимость существенного увеличения производительности существующего оборудования, обеспечивающего прием угля (бункер), помол угля (мельницы), вдувание угля воздухом через пылеугольные горелки, а также увеличение геометрии горелок и их количество.
Поскольку объем загружаемой шихты в верхнюю (хвостовую) часть разогретой печи в предлагаемом способе остается неизменным, поэтому при движении шихты навстречу газам, образующимся в результате сгорания угля в головной части печи, процессы происходят без изменений. При этом переработанные продукты в виде спека, образовавшегося за счет тепла, выделяемого при сгорании бурого угля, поступают в холодильник, а газообразные продукты сгорания угля вместе с технологическими газами направляются в систему газоочистки.
2
Охлажденный спек дробят и направляют на выщелачивание. Полученный при этом алюминатный раствор в соответствии с технологической схемой производства направляют на обескремнивание и карбонизацию с последующим получением глинозема и содопродуктов типа соды и поташа. При этом как в спеке, так и в алюминатном растворе уменьшено содержание оксида кремния SiO, что упростило обескремнивание и уменьшило за счет этого затраты и потери как при получении глинозема, так и при получении содопродуктов.
При реконструкции на АГК печей спекания целесообразно решить ряд дополнительных задач, не предусмотренных предполагаемым изобретением, например, организовать замкнутую схему сушки топлива с прямым вдуванием [4].
Более полная экономическая эффективность предлагаемого способа переработки нефелиновых руд различного состава, в том числе нефелиноапатитового сырья, применительно конкретной печи спекания может быть определена при разработке проекта с учетом всех переделов, осуществляемых при комплексной переработке алюминийсодержащего сырья и с учетом цен на ископаемые угли.
Источники информации
1. Лайнер А.И., Еремин Н.И., Лайнер Ю.А., Певзнер И.З. Производство глинозема. - М.: Металлургия, 1978. С.184-193.
2. Абрамов В.Я., Алексеев А.И., Бадальянц Х.А. Комплексная переработка нефелиноапатитового сырья. - М.: Металлургия, 1990. С.36-46).
3. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85. / ВНИИГ, Л., 1986. С.74-76.
4. Обоснование возможности организации заданного температурного режима в печах спекания ОАО «РУСАЛ Ачинск» с использованием бурых углей Канско-Ачинского бассейна. Михайленко С.А., Масальский Г.Б., Капустин П.Г. и др. ООО «Красноярский котельный завод», 2010.
5. Комплексная переработка щелочного алюминийсодержащего сырья. Арлюк Б.И., Лайнер Ю.А., Пивнев А.И. - М.: Металлургия, 1994.
6. Техника спекания шихты глиноземной промышленности. Ходоров Е.И., Шморгуненко Н.С. - М: Металлургия, 1978.
7. Патент Российской Федерации №2259945, кл. C01F 7/38, опубл. 10.07.2005.