Вилучення глинозему за способом спікання безлужної сировини з вапняком

Різноманітність способів переробки сировини на глинозем засновано на амфотерності алюмінію: лужні, кислотні, комбіновані та термічні. В світовій практиці виробництво глинозему, сировини для здобування алюмінію, здійснюється за способом Байєра (понад 90 %), для котрого існують обмеження щодо якості сировини (кременевий модуль не нижче 6 – 7, якому відповідають боксити).

Техногенні відходи (видобування та збагачення вугілля, золи та шлаки ТЕС, нефелінові концентрати тощо) вміщують до 30 % Al2O3 і можуть бути використані для переробки на глинозем, а також знаходять пристосування в дорожньому будівництві, виробництві стінової кераміки і т. ін.

Розглянемо вилучення глинозему методом спікання безлужної сировини з вапняком, що був детально вивчений і відпрацьовано в напівпромисловому масштабі в СРСР (М. І. Єрьомін, В. А. Мазель) в 50-ті роки XX ст. відповідно до каолінів, аргілітів і високозольних вугільних відходів. Даний спосіб заснований на утворенні алюмінатів та силікатів кальцію в процесі високотемпературного (до 1400 °С) спікання висококремністих бокситів, каолінів, аргілітів, зол та іншої сировини з вапняком. Характерною особливістю способу є можливість отримання спеків, що при охолодженні саморозсипаються внаслідок збільшення об’єму матеріалу на 10 – 12 %, обумовленого фазовим перетворенням двохкальцієвого силікату (?- > ?-модифікація), що є малорозчинною сполукою в лужному розчині на відміну від алюмінату кальцію. Ця властивість спеку залежить від хімічного складу природної сировини, співвідношення основних компонентів під час дозування алюмінієвої та карбонатної сировини, наявності домішок, а також умов випалення сумішей та охолодження спеку.

Технологічний процес вилучення глинозему за способом спікання безлужної сировини з вапняком складається з наступних стадій: дозування шихти, мокрий помел, спікання та охолодження спеку, вилуговування, знекремнювання алюмінатного розчину, карбонізація, промивання гідроксиду алюмінію, пропікання (кальцинація) і охолодження глинозему. В процесі переробки сировини використовують компоненти (оборотний содолужний розчин, білий шлам, промивні води), які замкнуті в оборотний цикл.

Мета роботи – встановлення оптимальних технологічних параметрів вилучення глинозему за методом спікання безлужної сировини з вапняком. В якості сировинних матеріалів було обрано відходи видобутку каоліну та вугілля (терикона порода, аргіліт) і крейда. В роботі використовувалась двох- (аргіліт – крейда, каолін – крейда) і трьохкомпонентна шихта (аргіліт – каолін – крейда).

На стадії дозування шихти в залежності від хімічного складу основних компонентів використовувались молярні співвідношення СаО / SiO2 = 2,0; СаО / Al2O3 = 1,5 – 1,6 і СаО / Fe2O3 = 1 або 2 для забезпечення твердофазного спікання. Протікання якісного спікання забезпечувалось при тонкості помелу 175 меш (розмір частинок, що проходять через отвір сита, не більше 0,087 мм), що було досягнуто в лабораторному млині.

Спікання шихти проводилось в електричних печах опору в інтервалі температур 1250 – 1360 ?С. Доведений до стану початкового оплавлення матеріал піддавали повільному режиму охолодження до температури на 50 – 100 ?С нижче, ніж проведений експеримент. Подальше охолодження здійснювалось поза піччю укриттям човника каоліновою ватою. Після саморозсипання отриманий спік (пудра) доправлявся на стадію вилуговування. Крім того проводили аналіз на СаОакт, що досягав 3 – 4 % і свідчив о неповноті синтезу основних мінералів (2СаО • SiO2; СаО • Al2O3).

На стадії вилуговування робота проводилась в кількох напрямках: час і температура процесу, концентрація содового розчину і співвідношення рідкої та твердої фаз. Вилуговування здійснювалось в лабораторному термостаті за допомогою мішалки. В результаті стадії вилуговування отримували алюмінатний розчин і твердий нерозчинний осад, який репульпували промивною водою і піддавали промиванню до рН ? 7. Міцна (концентрована) перша промивна вода (рН ? 12) подавали на вилуговування спеку після корегування до певної концентрації за содою.

Промитий шлам (2СаО • SiO2, беліт) можливо використовувати в якості сировини для виробництва цементу, приблизний склад якого, %: 60 - 67 СаО; 24 - 30; 2 – 3 Al2O3; 0,8 – 1,5 Fe2O3. Корегуючи шихту, можливе отримання якісного цементу (марки 400 – 600).

Наступні переробки цього способу (знекремнювання, карбонізація, кальцинація) здійснюється так, як під час лужних способах. Знекремнювання забезпечує очищення алюмінатного розчину від домішок SiO2, СаО, Fe2O3. Знекремнений розчин доправлявся до вузла карбонізації.

Карбонізація алюмінатного розчину здійснювалась барботуванням через розчин вуглекислого газу для виділення гідроксиду алюмінію в осад і переведення R2O на карбонати, що доправлялись на стадію вилуговування. В залежності від концентрації розчинів і газу, від швидкості його пропускання, оптимальною температурою карбонізації встановлено 70 – 80 ?С. Карбонізацію припиняли при вмісті в розчині 5 – 7 г/л Al2O3, яка має виконувати роль зародку.

Гідрат алюмінію відділяли з одночасним промиванням від маточного розчину за допомогою вакуум-насосу, після чого направляли на кальцинацію, яку здійснювали при температурі близько 1200 ?С, отримуючи продукційний глинозем. Якість отриманого глинозему визначається чистотою, дисперсністю і фазовим складом (?- і ?- Al2O3), позначених в ГОСТ 30558-98 (глинозем металургійний) і ГОСТ 30559-98 (глинозем неметалургійний). В результаті експериментів вихід продукту Al2O3 за даною схемою встановлено 80 – 90 %.

Метод спікання безлужної сировини з вапняком доцільно відпрацювати як комплексну переробку техногенних відходів з отриманням глинозему, цементу і можливого отримання галію та германію, що містяться у відходах вугледобувної галузі. Запровадження даної технології дозволяє утилізовувати техногенні відходи з одночасним зменшенням екологічного навантаження на довкілля.