Опытно-промышленные испытания известковой гидрохимической обработки нефелинового шлама глиноземного производства

УДК 669.712

А.В.СТАРШИНОВ

Металлургический факультет, аспирант кафедры металлургии цветных металлов

ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИЗВЕСТКОВОЙ ГИДРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕФЕЛИНОВОГО ШЛАМА ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Показана необходимость доизвлечения из нефелинового шлама щелочи и повышения его активности. Приведен химизм взаимодействия щелочных фаз нефелинового шлама с известковым молоком и углекислым газом. На основе экспериментальных исследований обоснован технологический режим доизвлечения щелочей из нефелинового шлама. Представлены изменения, внесенные в аппаратурно-технологическую схему, необходимые для ведения процесса. Даны опытно-промышленные результаты применения известковой обработки.

The necessity of a recovery from nepheline slime of alkali and increase of its activity are introduced. The chemical properties of interaction of alkaline phases of nepheline slime with lime milk and carbonic acid are adduced. Based on experimental researches the technological mode of a recovery of alkalis from nepheline slime is motivated. The changes brought in hardware - flow diagram indispensable for management of process are shown. Trial outcomes of application of limy processing are gave.

Комплексная переработка нефелиновых концентратов занимает важное место в производстве отечественного глинозема и в настоящее время дает около 40 % производимых продуктов. Высокая экономическая эффективность этого способа заключается в комплексном подходе переработки исходного сырья и распределении затрат по общим переделам между себестоимостями отдельных продуктов. В связи с этим необходимым элементом технологии является утилизация всех отходов и выпуска попутной продукции, прежде всего соды, поташа и строительных материалов. При этом производство портландцемента обеспечивает утилизацию отвального нефелинового шлама и по объему примерно в 8 раз превосходит собственно объем глинозема.

Как известно, нефелиновый шлам представляет собой многокомпонентную систему, состав которой определяется химическими процессами, происходящими при спекании, выщелачивании и последующей промывке.

Основная фаза, содержащаяся в нефелиновом шламе, ортосиликат кальция в

форме белита (в - 2СаО • SiO2). Кроме того, в его составе определяются продукты разложения и гидратации белита - СаС03, Са(ОН)2, гидросиликаты кальция. В ограниченных количествах присутствуют гидроалюмосиликаты натрия, двойные силикаты натрия и кальция, алюминаты и ферриты натрия, гидро-алюмокарбонат кальция. Суммарное содержание щелочей в нефелиновом шламе в пересчете на №20 составляет 1,5 % (мас.) и распределяется между отдельными фазами примерно в следующем соотношении, %: нераз-ложенный видоизмененный нефелин - 25; NCS - 25; вторичный ГАСН - 50. Такой состав, благодаря белиту, сформированному при спекании нефелинового концентрата, обеспечивает снижение энергозатрат по переделу обжига портландцементного клинкера на 20-25 % и в то же время затрудняет ведение процесса из-за пониженной активности шихты и высокой температуры клин-керообразования. Дополнительные затруднения в усвоении извести связаны с наличием щелочей, образующих при спекании термодинамически прочные двойные силикаты и алюмосиликаты (23Са0 • К20 • 12Si02;

Ш20 • 8СаО • А1203 и др.). Их последующий переход в клинкер снижает стойкость цементных растворов и бетонов, ухудшает внешний вид изделий за счет высолов. Одновременно снижается товарный выход со-допродуктов.

В связи с этим возникает необходимость доизвлечения из нефелинового шлама щелочи и повышения его активности.

Принципиальная основа снижения щелочности нефелинового шлама заключается в термодинамической неустойчивости ряда щелочных соединений при его гидрохимической обработке, например углекислым газом. При этом в установленном порядке протекают следующие химические процессы:

2КаАЮ2 + ЗН2О + СО2 = 2А1(ОН)з + ^СОз;

[N20 • А12О3 • 2$Ю2]дКаА1О2 • ^НО + aq =

= qNa+ + qAlO2

+

+ №20 • А12О3 • 2Si02 • ,рН20 + aq;

^О • СаО • 2Si02 + п^О + 2СО2 = = ^СОз + СаСОз + Si02 • «Н2О;

^О • АЬОз • 2Si02 • 2Н2О + СО2 = = ^СОз + А120з • 2Si02 • 2Н2О;

2Са0 • 2Si02 + 2СО2 + «Н2О = = 2СаС0з + Si02 • «Н2О.

Технологические возможности такого подхода, к сожалению, ограничены разложением белита, из-за которого повышается расход тепла при обжиге. В то же время стадийность протекающих реакций позволяет извлекать 15-20 % щелочей от их содержания в нефелиновом шламе, обеспечивая одновременно повышение его активности.

Заметное количество щелочей, по нашему мнению, может быть извлечено за счет каустифицирующей роли извести в соответствии с суммарной стехиометрией:

N20 • АЬОз • 2Si02 • 2Н2О + (з + «)Са(0Н)2 = = зСаО • А120з • raSi02(6 - 2m)H20 + + nCa0(2 - m)Si02 • Н2О + 2№0Н + + [2(1 - m) + х - п]Н20,

а также каталитического воздействия гидро-ксида кальция на разложение NCS по схеме

^0 • СаО • Si02 + nCa0 • Н2О ^ [Ка20 • СаО • Si02] • nCa0 • Н2О ^ Н2О • СаО • Si02 + ^О • Н2О + + (п - 2)СаО • Н2О + 2СаО.

Техническая независимость предлагаемых решений позволяет внести ряд изменений в существующую аппаратурно-технологическую схему промывки нефелинового шлама и приготовления сырьевой портландцементной смеси (рис.1).

Эти изменения касаются установки дополнительного оборудования и коммуникаций для обработки потоков нефелинового шлама после их разделения в вертикальном аппарате, или общего потока в цементном производстве. Производственная оценка этих решений показала, что более подходящим для реализации и опытно-промышленной проверки является обработка известковым молоком. В соответствии с этим была проведена подготовка промышленных испытаний подачи известкового молока в мельницу до-мола песковой фракции нефелинового шлама вертикальных промывателей.

В существующую схему был внесен ряд изменений (рис.2). Установлена дополнительная емкость под известковое молоко, смонтированы насосы и трубопроводы для его подачи в мельницу домола. К сожалению, отсутствовала возможность установки дополнительной буферной емкости для более длительной (1-1,5 ч) изотермической выдержки. В связи с этим рекомендации по результатам лабораторных исследований не могли быть реализованы в полном объеме. Опытно-заводская кампания включает контрольный период для точной оценки показателей существующей схемы и экспериментальный с дозировкой известкового молока. Пробоотбор и химический контроль осуществлялся силами опытно-экспериментального цеха и лабораторией аналитического контроля. Анализ полученных результатов показал, что даже при такой неблагоприятной по длительности обработке дополнительное извлечение щелочей составляло 15-18 %. По результатам сгущения полученных пульп отмечается повышенное содержание мути из-за присутствия тонких фракций известкового

218 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.167. Часть 1

Содощелочной раствор Известь Мельницы домола

Корректирующие добавки

Мельницы сырьевого цеха

Коррекционные

бассейны сырьевой смеси

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема промывки нефелинового шлама и приготовления

портландцементной сырьевой смеси

О] - аппараты для гидрохимической обработки шлама

молока. В то же время имеется надежда на улучшение условий ее сгущения при подаче тонкого слива на последующие стадии промывки и карбонизации отмытой содой с последующей коагуляцией и осаждением известкового молока.

Важный экономический эффект предлагаемых решений основан на низких дополнительных затратах в связи с гидрохимической обработкой и существенным повышением качества портландцемента и его конкурентоспособности на рынке строительных материалов. С другой стороны, дополнительное извлечение хотя бы 40 % щелочей от современного содержания в нефелиновом шламе позволяет произвести дополнительное количество содопродуктов на сумму свыше 5 млн долларов в год.

Материалы выполненных исследований были задокументированы и нашли отраже-

ние в полученном нами совместно с комбинатом «Пикалевский глинозем» патенте на способ известковой гидрохимической обработки нефелиновых шламов.

£1

1

V

К5

6 .

В промывную систему

Рис.2. Схема дозирования известкового молока

в домольную мельницу № 4 1 - мешалка известкового молока; 2 - центробежные

насосы; 3 - мешалка-буфер; 4 - вертикальный аппарат; 5 - мельница домола № 4; 6 - мешалка слива

© - расход известкового молока до 15 м3/ч Научный руководитель д.т.н. проф. В.М.Сизяков

3

1