СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМОВ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА
METHOD OF RECYCLING SLIMES OF ALUMINUM PRODUCTION

Изобретение относится к производству алюминия электролизом расплавленных солей и может быть использовано для переработки шламов этого производства.
Производство алюминия сопровождается образованием значительных объемов шламов, содержащих соединения алюминия, фтора, серы, углерод и смолистые вещества, часть из которых после соответствующей переработки можно вернуть в процесс электролиза в виде вторичного сырья. Так на одну тонну алюминия-сырца образуется до 20 кг пылеобразных твердых отходов, которые до настоящего времени направляются на шламовые поля.
Масштабная утилизация и переработка мелкодисперсных фтор, углерод содержащих отходов, сосредоточенных на шламовых полях, является одной из актуальных экологических задач алюминиевого производства. Известны решения по утилизации шламов путем введения добавок мелкодисперсных отходов в бокситовую или нефелиновую шихту в производстве глинозема, в керамическую массу в производстве строительных материалов, в сырьевую смесь в качестве минерализаторов в производстве цемента. Однако количество этих добавок невелико и составляет от 1-2% в глиноземном, цементном производстве и до 20% в производстве керамических материалов [Б.П. Куликов, Ю.И. Сторожев. Пылегазовые выбросы алюминиевых электролизеров с самообжигающимися анодами. Красноярск, СФУ, 2012, 268 с.].
Известен способ утилизации отходов, полученных при производстве алюминия методом электролиза, который предусматривает окисление отходов в реакторе с ожиженным слоем с получением продукта, пригодного для возвращения в процесс производства алюминия. Окисление ведут при 785-795°С [Патент США №4053375, С25С 3/06, 1977 г.] Этот способ обеспечивает высокий выход возвратного продукта, но в нем имеется высокое содержание сульфатов натрия, что негативно сказывается на качестве вторичного криолита, использование которого в процессе производства первичного алюминия проблематично, поскольку снижаются технологические показатели производства алюминия.
Близким по технической сущности и наличию сходных признаков к предлагаемому изобретению является способ переработки фторуглеродсодержащих отходов (шламов), полученных при производстве алюминия методом электролиза, который включает подачу в реактор твердых фторуглеродсодержащих отходов и кислородсодержащего газа, окислительный обжиг с получением вторичного сырья для производства алюминия. При этом на обжиг подают мелкодисперсные фторуглеродсодержащие и серусодержащие отходы, в которых поддерживают весовое отношение фтора к сере не менее 4:1, а в качестве кислородсодержащего газа подают на обжиг анодные газы электролитического производства алюминия из организованной системы газоочистки, причем отходы подают в виде суспензии, в которой поддерживают весовое отношение Ж : Т, равным (0,5-1,5):1 [Патент РФ №2247160, С22В 7/00, С25С 3/06, 2005 г]. Основной недостаток технологии - высокое (до 2,0% вес.) содержание железа во вторичном сырье, что ограничивает его применение. Кроме того, в анодных газах, подаваемых в реактор на окислительный обжиг, недостаточно кислорода, поскольку они проходят первую ступень газоочистки в горелочных устройствах, в которых при правильной организации процесса дожигания требуется избыточный расход воздуха.
Известен так же способ утилизации шламов алюминиевого производства, включающий сушку и окислительный обжиг шлама в реакторе с получением вторичного сырья для производства алюминия, отличающийся тем, что перед сушкой шлам промывают водой в течение 30-70 мин при температуре не менее 70°С и весовом соотношении воды и шлама (3-9):1 для удаления сульфата натрия, обезвоживают до содержания влаги 10-20%, а сушку и окислительный обжиг осуществляют одновременно при температуре 780-800°С, и полученное для производства алюминия вторичное сырье подвергают электролизу в электролизной ванне. При этом шлам промывают водой, подогретой выходящими из реактора дымовыми газами. [Патент РФ №2620844, С22В 7/00 Заявка: 2016111214, 25.03.2016, опубл. 30.05.2017 Бюл. №16] Последний наиболее близок к заявляемому. Основной недостаток, принятого за прототип способа, состоит в низкой удельной производительности оборудования при промывке шлама и высоком расходе промывной воды. Эта техническая проблема и сопутствующие ей энергетические расходы может быть разрешена при реализации заявляемого технического решения.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в способе утилизации шламов алюминиевого производства, включающем промывку водой, сушку и окислительный обжиг шлама с получением вторичного сырья для производства алюминия, отличается то, что промывку шлама осуществляют в присутствии флокулянта на основе гидролизованного полиакриламида в пульсационных колонных аппаратах, работающих в режиме идеального вытеснения.
При этом шлам промывают с использованием флокулянта марки «цетаг 7648» при его расходе 5 г на тонну шламов в виде 0,01% водного раствора, линейную скорость восходящего потока выдерживают в пределах 15-20 м/ч, а сушку и обжиг осуществляют в СВЧ поле.
В колоннах используют пакет завихряющей насадки, типа КРИМЗ. Этот
технический прием призван обеспечить минимальные расходы воды на промывку твердой фазы шламов от сульфатов, а флоокуляция суспензии гидролизованными формами полиакриламида призвана достигнуть высоких линейных скоростей восходящего потока, что исключает вынос твердой фазы из колонны и гарантирует высокую удельную производительность колонных пульсационных аппаратов.
Экспериментально установлено, что производные полиакриламида, независимо от их природы на порядок и более увеличивают отстойно-фильтрационные характеристики шламовых суспензий. Наиболее высокие показатели в этом аспекте обнаруживает флоокулянт марки «цетаг 7648» при минимальных его расходах на тонну шламов. Скорость осаждения шламовых суспензий при использовании «Цетаг 7648» достигает 40 м/час. С учетом времени запаздывания флоокуляции при смешении в колонне наиболее оптимальным признана линейная скорость восходящего потока в пределах 20 м/ч. Сушка и обжиг с использованием СВЧ излучения органично вписываются в производственные циклы электролиза алюминия благодаря высокому энергетическому потенциалу отрасли. Этот технический прием реализуется без привлечения посторонних энергетических источников и исключает экологические риски.
Сущность заявляемого техническогорешения поясняется примерами:
Пример 1. Навеску шлама массой 100 г распульповывали в 300 мл воды. Суспензию переливали в мерный цилиндр с герметичной пробкой. В цилиндр добавляли по 5 мм 0,1:% водного раствора флоокулянта. После перемешивания с флоокулянтом определяли скорость осветления раствора. Результаты достигнутых скоростей осветления представлены в таблице 1.
Пример 2.Для проведения процесса отмывки шлама от сульфат-иона использовали лабораторную пилотную установку на основе пульсационной колонны. (Фиг. 1) Где 1 - пульсатор пневматический, 2 - колонна пульсационная, 3 - отстойник 4 - насос циркуляционный. В качестве флоокулянта использовали «Цетаг 7648».с дозировкой эквивалентной описанному в примере 1. В результате моделирования процесса достигнута максимальная линейная скорость восходящего потока, равная 20 м/час. При этом вынос твердой фазы с верхним сливом колонны не обнаружен. Режим флоокуляции устойчивый. При исходной концентрации 7,6 г/л по сульфату, достигнута отмывка твердой фазы на 96%.
Пример 3. Твердую фазу массой 50 г естественной влажности (нижняя разгрузка колонны) помещали в кварцевый тигель. Для термообработки использовали бытовую СВЧ-печь, мощностью 1 КВт. Контроль за процессом осуществляли по убыли массы образца периодически взвешивая кварцевый тигель с содержимым. График убыли веса представлен на фиг. 2 Начальный участок потери массы с высокой скоростью (I) обусловлен испарением остаточной воды. Более пологий участок потери массы (II) во времени соответствует окислению углерода. Результаты рентгенофазовых исследований исходного образца отходов и образца после обработки в СВЧ поле представлены в таблице 2
Результаты рентгенофазовых исследований.
Таким образом, в рамках заявляемых режимов в пульсационной колонне достигается более качественная отмывка флоокулированной твердой фазы от сульфат-иона, а в процессе термобработки удаляется углерод. При этом обеспечиваются высокие технико-экономические показатели за счет высоких удельных нагрузок, достигаемых в рабочем сечении пульсационной колонны.