Мархайчук Дина Васильевна

Тема диссертации: "Получение глинозема из отходов углеобогащения и угледобычи"

Магистерская работа

Обоснование и актуальность темы

Глинозем, или оксид алюминия, является основным исходным материалом для производства алюминия. Производство алюминия развивается исключительно быстрыми темпами. Мировое производство первичного алюминия удваивается приблизительно через каждые десять лет. Быстрый рост производства алюминия объясняется, прежде всего, исключительно ценными его свойствами, разнообразием областей применения и большой распространенностью алюминиевых руд в природе.

Алюминий обладает рядом ценных свойств, благодаря которым он широко используется в различных областях техники и быта. Важными свойствами алюминия являются его большая коррозионная стойкость во многих средах, высокая электропроводность, механическая прочность. Алюминий широко применяют в авиа- и судостроении, машиностроении, электротехнике, пищевой, химической и металлургической промышленности, строительстве и других областях.Из приведенного перечня, охватывающего лишь главнейшие области применения алюминия, можно видеть, насколько велико народнохозяйственное значение этого металла.

Алюминиевые минералы редко встречаются в природе в чистом виде в таких количествах, чтобы образовать промышленные месторождения. Как правило, эти минералы входят в состав горной породы вместе с другими минералами. При оценке алюминиевой руды для производства глинозема учитывают много факторов: процентное содержание Al₂О₃ в руде; род и состав минералов, в которых алюминий находится в руде; большую или меньшую сложность способа извлечения глинозема из этих минералов; содержание и характер других минералов руды; условия залегания руды (глубина залегания, характер замещения горных пород, их водоносность и др.); географические и экономические условия района, доступность источников топлива, воды и энергии; транспортные возможности (удаленность от путей сообщения - водных, железнодорожных или автомобильных).

Но кроме этого глинозем используется и в других сферах народного хозяйства: для производства специальных видов спеченной керамики и электрокорунда, высокоглиноземистой плотной и легковесной огнеупорной керамики. Также глинозем применяется для нанесения покрытий для защиты металлов от окисления, действия агрессивных сред и эрозионного износа. Еще глинозем добавляется в стекольную шихту при варке различных сортов стекол: для производства электронно-лучевых телевизионных прямоугольных трубок и для стекол, устойчивых к радиоактивным излучениям и нейтронам, для оптических стекол, для производства жаропрочной посуды и стеклянных волокон и т.д. Основным источником глинозема являются бокситы, алуниты, нефелины, запасы которых в мире в целом ограничены. Украина не располагает промышленными месторождениями этих материалов. Поэтому проблема получения глинозема из нетрадиционных сырьевых источников (таких, как глины, каолины, сланцы, аргиллиты, золы, шлаки ТЭЦ и другие) является весьма актуальной.

Цель и задачи исследований; методы, средства и научная оригинальность

В данной работе исследована возможность получения способом спекания глинозема из отходов углеобогащения, общее количество которых в Донецкой области, вместе с отходами угледобычи составляет к настоящему времени около 500 млн. т и используется не более 10% ежегодного прироста.

Нашей стране принадлежит честь открытия в 1899г. Химиком Байером так называемого гидрохимического способа получения оксида алюминия из бокситов, являющегося и по сей день основным в мировой алюминиевой промышленности. Этот способ достаточно эффективный и простой, но только он может применяться при использовании высококачественных, низкокремнистых бокситов с небольшим содержанием примесей, мировые запасы которых ограничены. Широкое распространение получил способ спекания, сырьем для которого используются бокситы более низкого качества, нефелины, алуниты, глинистое сырье, каолиниты, каменноугольные золы, серициты и другие алюмосиликатные породы, запасы которых практически неисчерпаемы. Поэтому переработка этого сырья способом спекания на глинозем, несмотря даже на пониженное содержание оксида алюминия, вполне целесообразна и выгодна, так как побочными продуктами при способе спекания являются: сода, поташ, цемент. Если сравнить способ Байера со способом спекания, можно сделать вывод, что способ Байера - самый дешевый и распространенный, но для его осуществления требуется высококачественное сырье, с минимальным содержанием примесей. Способ спекания - более дорогостоящий, но наиболее универсальный, так как требования к сырью более низкие, чем к сырью предназначенного для переработки способом Байера. Кроме этого способ спекания - это комплексный способ, так как помимо глинозема получают соду, цемент, поташ, что важно не только с экономической точки зрения, но и с экологической, так как комплексная переработка сырья снижает вредное воздействие и нагрузку на окружающую среду.

Основные исследования и результаты

Мною были проведены исследования получения глинозема из отходов углеобогащения. Я использовала такую технологическую схему. Спеканию всегда предшествует передел подготовки исходной шихты. Подготовка сводится к выполнению следующих основных операций: дробление исходной руды, дозировка компонентов шихты, мокрый размол, корректировка шихты. Основная цель спекания бокситовой шихты состоит в возможно более полном превращении оксида алюминия шихты в алюминат натрия, а кремнезема - в малорастворимый двухкальциевый силикат. Для этого нужно знать, как влияют условия спекания на образование возможных химических соединений между составными частями шихты. Исследованиями установлено, что состав конечных продуктов превращений определяется главным образом составом шихты и температурным режимом спекания. Если эти условия оптимальны, можно практически полностью превратить весь оксид алюминия в алюминат натрия, а кремнезем в ортосиликат кальция. При спекании глиноземсодержащих шихт происходят химические реакции между твердыми порошками исходных компонентов при наличии небольшого количества жидкой фазы (расплава). Реакция между Na₂CO₃ и Al₂O₃ - одна из наиболее важных, так как в результате этой реакции получается растворимый алюминат натрия. Взаимодействие между содой и оксидом алюминия протекает по реакции

Твердофазным реакциям способствует тонкое измельчение исходных веществ, поскольку от этого возрастает их удельная поверхность, а с ней поверхностная энергия и число точек соприкосновения разнородных веществ. Вот почему для спекания на заводах всегда тонко измельчают все составные части шихты. По тем же причинам для твердофазных реакций важно не только предварительное тщательное перемешивание исходных веществ, но и перемешивание во время реакции, в особенности если оно сопровождается растиранием продуктов реакции. При перемешивании предупреждается скопление однородных зерен, препятствующее взаимодействию их с другими веществами. Изучение физико-химических превращений при спекании затруднено наличием большого числа реагирующих оксидов, свободных или связанных.

Далее спек необходимо выщелочить. На выщелачивание оказывают влияние многие факторы: концентрация растворов, применяемых для выщелачивания, каустический модуль, температура, длительность выщелачивания и тип аппаратуры, применяемой для ведения процесса. Особое влияние на выщелачивание оказывают физические свойства спека (пористость, твердость, крупность кусков и др.). Это обусловлено тем обстоятельством, что лимитирующей стадией процесса выщелачивания кускового спека является стадия диффузии растворителя в пористой структуре частицы (внутридиффузионная стадия). Назначение этого передела - перевести, возможно, больше оксида алюминия и оксидов натрия и калия из спека в алюминатный раствор и возможно более полно отмыть оставшийся красный шлам от алюминатного раствора. Красный шлам отмывают горячей водой, которую потом используют для выщелачивания спека. Для обеспечения стойкости растворов в процесс вводят едкую щелочь, в составе оборотного содощелочного раствора. Далее начинается процесс выщелачивания спеков. Ферриты натрия и калия под действием воды подвергаются гидролизу:

Освобождающаяся щелочь служит одним из источников повышения стойкости алюминатных растворов после выщелачивания. Процесс гидролиза ферритов протекает с меньшей скоростью, чем растворение алюминатов. Эта скорость увеличивается с ростом температуры и величины удельной поверхности контакта твердой и жидкой фаз. Двухкальциевый силикат разлагается и в щелочных, и в карбонатных растворах с образованием растворимого силиката натрия:

Алюминатные растворы после выщелачивания спека имеют низкий кремневый модуль, что не позволяет получить из таких растворов удовлетворяющий потребителей оксид алюминия. Поэтому перед разложением такие растворы должны подвергнуться специальной операции - обескремниванию. Эта очистка от кремнезема тем более необходима, поскольку в большинстве применяемых схем, перерабатывающих глиноземсодержащее сырье по способу спекания, для разложения алюминатных растворов применяется глубокая карбонизация. Кремневый модуль раствора перед карбонизацией с целью получения высококачественного гидроксида алюминия должен быть не менее 1000. Обескремнивание осуществляется в две стадии. На первой стадии создаются условия для наиболее полной кристаллизации гидроалюмосиликата натрия.Полученный после первой стадии обескремнивания алюминатный раствор имеет кремневый модуль 300 - 400.Итак, после отделения белого шлама и контрольной фильтрации растворы направляют на вторую стадию - глубокого обескремнивания. Для более полного осаждения кремнезема из растворов используют очень малую растворимость кремнийсодержащего соединения - гидрограната, в присутствии известкового молока. В гидрогранатовом шламе от второй стадии обескремнивания содержится до 26 % оксида алюминия. Возврат такого шлама на спекание ведет к большому обороту глинозема и к снижению в конечном итоге товарного выхода. Поэтому в настоящее время на заводах осуществляется содовая обработка такого шлама по реакции:

Далее алюминатный раствор направляется в узел карбонизации, который служит для разложения алюминатных растворов. Карбонизация - способ разложения алюминатных растворов при барботировании через них смеси газов, содержащих углекислый газ. Процесс карбонизации производится в карбонизаторах с аэролифтным перемешиванием. Механическое перемешивание благоприятствует росту кристаллов и увеличивает скорость разложения, выравнивая концентрацию во всей массе. Технологические предпосылки такого способа - наличие отходящих газов печи спекания, содержащих 12 - 14 % углекислого газа. В процессе карбонизации щелочь нейтрализуется, а оксид алюминия выпадает в осадок, в виде гидроксида алюминия. Процесс отражается тремя следующими реакциями:

На эффективность карбонизации влияют многие факторы. Основным фактором является повышенная температура. Продолжительность карбонизации составляет 6 - 8 часов. Карбонизация, как правило, осуществляется в одну, реже в две стадии.Пульпу после карбонизации фильтруют. Содержание влаги в отфильтрованном и промытом гидроксиде алюминия 10 - 12 %. Промытый и отфильтрованный гидроксид алюминия, направляют на прокалку (кальцинацию) для получения продукционного глинозема.

Выводы

Весь производимый глинозем можно условно разделить на две категории - на технический глинозем, идущий на получение металлического алюминия (металлургический глинозем), и глинозем специальных марок (неметаллургический глинозем). Технический глинозем имеет следующий химический состав (в %):