Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор 8
1.1 Минералы бокситов 8
1.2 Основные месторождения бокситов России 23
1.3 Способы кондиционирования низкокачественных бокситов 28
1.4 Выводы по первой главе 46
ГЛАВА 2 Физико-химические основы термохимического кондиционирования 48
2.1 Разложение кремнеземсодержащих минералов при взаимодействии со щелочными и алюминатными растворами 48
2.2 Разложение кремнеземсодержащих минералов при термической активации 54
2.3 Фазовые превращения глиноземсодержащих минералов при термической активации 71
2.4 Выводы по второй главе 77
ГЛАВА 3 Экпериментальное исследование процесса переработки низкокачественных бокситов способом термохимия-байер 79
3.1 Характеристика объекта исследования 79
3.2 Исследование кинетики процесса обескремнивания обожженного боксита 84
3.3 Оптимизация процесса переработки низкокачественных бокситов способом термохимия-Байер 108
3.4 Кондиционирование низкокачественных бокситов путем магнитной сепарации 118
3.5 Выводы по третьей главе 125
ГЛАВА 4 Технические решения и перспективы развития в кондиционировании бокситов 127
4.1 Оценка возможности применения низкосортного технологического топлива и продуктов его газификации в металлургических печах 127
4.2 Аппаратурно-технологические схемы кондиционирования бокситов 139
4.3 Экономика кондиционирования бокситов 149
4.4 Выводы по четвертой главе 152
Заключение 154
Список литературы 160
- Основные месторождения бокситов России
- Разложение кремнеземсодержащих минералов при термической активации
- Оптимизация процесса переработки низкокачественных бокситов способом термохимия-Байер
- Аппаратурно-технологические схемы кондиционирования бокситов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В связи с истощением отечественных запасов высококачественных бокситов (основного сырья для производства алюминия) при необходимости снижения зависимости от импортируемого сырья, большое внимание в алюминиевой промышленности России уделяется вовлечению низкокачественного бокситового сырья в технологический процесс, значительные запасы которого имеются на территории нашей страны. С этой точки зрения перспективным сырьем являются высококремнистые бокситы месторождений Среднего Тимана (Республика Коми), Северной Онеги (Архангельская область) и Казахстана, как ближнего зарубежья. В настоящее время высококремнистые бокситы перерабатываются комбинированными способами Байер-спекание, которые сопряжены с высокими энергетическими затратами и не решают ряд проблем, связанных с переработкой бокситов, содержащих такие вредные примеси, как карбонаты, сульфиды, органические вещества. В этой связи разработка универсального экономически целесообразного способа переработки низкокачественных бокситов является актуальным вопросом.
Степень разработанности темы исследования.
Значительный вклад в развитие переработки низкокачественного
бокситового сырья на глинозем в нашей стране внесли известные
советские и российские ученые: В.А. Мазель, А.И. Лайнер, Л.П. Ни,
Н.И. Еремин, В.Д. Пономарев, В.С. Сажин, В.М. Сизяков и многие
другие, являющиеся представителями научных школ Горного
университета, Санкт-Петербургского государственного
технологического института, ВАМИ, Института металлургии и материаловедения РАН им. А.А. Байкова, Института твердого тела УрО РАН, Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Сибирского федерального университета и др. В настоящее время продолжением исследований в данном направлении занимаются ученые, представляющие ведущую научную школу Горного университета «Комплексная переработка сырья цветных, благородных и редких металлов», возглавляемую В.М. Сизяковым.
Несмотря на то, что в литературе имеются данные по
проведенным ранее исследованиям в области переработки
низкокачественных бокситов способом, включающим
термохимическое кондиционирование и последующее автоклавное
выщелачивание по способу Байера, применительно к бокситам с
повышенным содержанием шамозита остались невыясненные
вопросы, касающиеся поведения шамозита в процессе
термохимического кондиционирования бокситов и оптимальных условий технологических режимов. Кроме того, в настоящее время проводятся исследования, направленные на разработку технических решений, позволяющих использовать низкосортное технологическое топливо. Подобные разработки являются одним из путей снижения энергетических затрат и повышения эффективности процесса.
Цель работы. Разработка и научное обоснование
эффективной энерго- и ресурсосберегающей технологии
кондиционирования низкокачественного бокситового сырья с повышенным содержанием шамозита для переработки способом Байера.
Задачи исследований
1. Анализ современного состояния и перспектив переработки
низкокачественного бокситового сырья;
2. Раскрытие механизма разложения шамозита в процессе
термохимического кондиционирования бокситового сырья;
3. Выявление оптимальных показателей технологических
режимов при переработке низкокачественного бокситового сырья с
повышенным содержанием шамозита способом термохимия-Байер;
4. Выдача рекомендаций к выбору аппаратурно-
технологической схемы переработки низкокачественного
бокситового сырья с повышенным содержанием шамозита;
5. Технико-экономическая оценка способа термохимия-Байер.
Методы исследований включают экспериментальные
исследования, статистический и сравнительный анализы, физико-
химическое моделирование. Состав твердых фаз исследовался при
помощи гранулометрического анализа, растровой электронной
микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа (РЭМ и
РСМА), рентгенофазового анализа (РФА), дифференциально-
термического анализа (ДТА). Растворы анализировались при
помощи титриметрического анализа и колориметрического анализа.
Обработка экспериментальных данных проводилась с
использованием программного пакета Microsoft Excel.
Научная новизна работы
1. Раскрыт механизм разложения шамозита в процессе термической активации бокситового сырья, заключающийся в разрушении его структуры с образованием аморфной фазы,
представленной рентгеноаморфным оксидом алюминия и
диоксидом кремния, и кристаллической фазы в виде гематита.
2. Установлено оптимальное сочетание температуры и
продолжительности обескремнивания, позволяющее извлечь из
термически активированного высокошамозитизированного боксита
до 90% диоксида кремния при сохранении в бокситовом продукте до
95% оксида алюминия, что приводит к повышению кремниевого
модуля до 30 единиц.
3. Определены условия для переработки низкокачественного
бокситового сырья с повышенным содержанием шамозита
способом, включающим термохимическое кондиционирование и
автоклавное выщелачивание, позволяющие извлечь до 90% оксида
алюминия в алюминатный раствор.
4. Обоснована эффективность использования в качестве
топлива при термической активации бокситового сырья продуктов
от газификации низкосортного технологического топлива, что
обеспечивает сокращение затрат на топливо более чем на 50%.
Основные защищаемые положения
-
Показатели процесса переработки низкокачественных бокситов с повышенным содержанием шамозита способом термохимия-Байер зависят от технологических параметров, изучение влияния которых создает основу для оптимизации технологических режимов и получения бокситового продукта с кремниевым модулем более десяти.
-
Повышение эффективности технологической схемы переработки низкокачественных бокситов, включающей обжиг, обескремнивание и автоклавное выщелачивание, может быть основано на использовании низкосортного технологического топлива.
Практическая значимость
-
Разрабатываемый ресурсосберегающий способ термохимия-Байер применительно к бокситам с повышенным содержанием шамозита позволит расширить минерально-сырьевую базу, может быть адаптирован к заводам, работающим по комбинированным схемам Байер-спекание.
-
Результаты диссертационной работы рекомендуется использовать при постановке задач для выполнения научно-исследовательских работ более высокого уровня и опытно-технологических работ применительно к переработке низкокачественных бокситов с повышенным содержанием
шамозита, при разработке технического задания и выдаче исходных данных на проектирование технологии производства глинозема.
3. Результаты теоретических и экспериментальных
исследований рекомендуется использовать в учебном процессе студентов, обучающихся по направлениям подготовки 18.00.00 «Химические технологии» и 22.00.00 «Технологии материалов».
Степень обоснованности и достоверности научных
положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в
диссертации, обусловлена экспериментальными исследованиями,
проведенными на современном оборудовании, прошедшем
метрологическую поверку, использованием нормативных
документов и проверенных методик, получением результатов,
обладающих воспроизводимостью и соответствующих теории и
практике физико-химических превращений при переработке
низкокачественных бокситов способом термохимия-Байер,
обработкой данных при помощи современных программных пакетов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации
обсуждались на шестом Международном конгрессе: «Цветные
металлы и минералы 2014» (Красноярск, 2014); на
II Международной научно-практической конференции:
«Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2014); на Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2015); на 66-ом Международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, Германия, 2015 г.); на Международной научно-практической конференции, посвященной 110-летию Горного факультета «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование (Санкт-Петербург, 2015); на Международной научной конференции «Экономические проблемы и механизмы развития минерально-сырьевого комплекса (российский и мировой опыт)» (Санкт-Петербург, 2015).
Публикации. Основные положения диссертации
опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Подана заявка на выдачу патента на изобретение (№ 2016106900, дата приоритета 25.02.2016).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы,
Основные месторождения бокситов России
Кварцит в бокситах находится в виде бесформенных скоплений в цементирующей массе. Халцедон является волокнистой скрытокристаллической разностью кварца, встречается в виде натеков и желваков радиально-концентрического строения серого цвета. Опал – SiO2nH2O. Рентгеноструктурные исследования и исследования методом инфракрасной спектроскопии показывают, что опал является аморфизирующей смесью кварца и тридимита с большим содержанием молекулярной воды. Содержание воды колеблется от 0,4 до 28%. Обычно опал наблюдается в виде натечных почковидных образований, сталактитов, а также сплошных и землистых скоплений и плотных, похожих на стекло масс.
В бокситах часто встречаются алюмосиликаты из групп каолинита, галлуазита и хлоритов, редко – аллофаны, монтмориллониты, слюды и гидрослюды. Эти минералы относятся к слоистым силикатам, в их кристаллических решетках тетраэдры SiO4 расположены в виде непрерывных слоев.
В процессе Байера алюмосиликаты при температуре до 100С разлагаются слабо, тогда как при температуре 200С происходит их полное разложение. Диоксид кремния и оксид алюминия, переходящие в раствор, взаимодействуют со щелочью, в результате чего образуется гидроалюмосиликат натрия (ГАСН) состава Na2OAl2O31,7SiO22H2O, который вместе с красным шламом удаляется в отвал, что приводит к потере щелочи и алюминия. Кроме того, алюмосиликаты, неразложившиеся в алюминатном растворе, способствуют ухудшению отстаивания красного шлама.
Каолинит, Al2O32SiO22H2O, постоянно присутствует в бокситах. Название каолинита происходит от китайского слова Кау-Линг, что означает высокая гряда, – название горного района в Китае, где каолинит был обнаружен. Размеры кристаллов каолинита обычно менее 1 мк, реже 1-10 мк и весьма редко до 1 мм. Формы выделения: гнезда, пласты, линзы, пленки, жилки, псевдоморфозы по полевым шпатам, слюдам, кальциту и по агрегатам гиббсита, бёмита и диаспора. Под электронным микроскопом устанавливаются гексагонального облика пластинки микронных размеров, иногда наблюдаются обломки изогнутых столбчатых кристаллических образований, по виду напоминающих дождевых червей. Отдельные чешуйки и пластинки обладают гексагональным, реже ромбическим или тригональным обликом. Агрегаты рыхлые, чешуйчатые или плотные тонкозернистые, иногда встречаются в виде натечных форм. Сингония триклинная.
Диккит и накрит по химическому составу, форме кристаллов и физическим свойствам аналогичны каолиниту. Диккит назван в честь шотландского химика и металлурга А.Б. Дика (1833-1926), накрит – от персидского «накре» – перламутр, за перламутровый блеск. Встречается диккит и накрит редко, в микрокристаллических скоплениях. Сингония обоих минералов моноклинная. На кривой нагревания диккита эндотермическая реакция фиксируется при температуре 600-700С.
Галлуазит, Al4(OH)8[Si4O10]4H2O, получил название в честь бельгийского геолога О. Галуа (1707-1789), впервые нашедшего этот минерал. Встречается в виде землистых агрегатов, рыхлых и плотных, нередко фарфоровидных масс, иногда в виде натечных корок и выполнений пустот и трещин. Излом раковистый, цвет чисто белый или с различными оттенками. Кристаллы галлуазита имеют вид трубок или рулонов длиной 1-3 мк и толщиной 0,1-0,3 мк. В кислотах частично растворяется, особенно после нагревания. При нагревании до 60-140С галлуазит теряет гидратную воду (первый эндотермический эффект), а при 500-600С – гидроксил. При 930-1060С наблюдается, как у каолинита, отчетливый экзотермический эффект. После прокаливания до 600С галлуазит переходит в -Al2O3 и аморфный SiO2.
Аллофан, Si2O2nAl2O3pH2O, где n часто больше 1, состав: SiO2 21-31%, Al2O3 30-35%, H2O 12-16%. Аморфный минерал, генетически и пространственно связанный со слоистыми силикатами, представляет собой тонкие коллоидные смеси или твердые растворы свободных глинозема и кремнезема, образовавшихся вследствие совместной коагуляции. Аллофаны состоят из одномерных цепей кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородногидроксильных октаэдров, имеющих общие углы. На термограмме выделяются эндопик при температуре 120-150С и экзопик при 960С. Эндопик связан с выделением адсорбционной воды, экзопик – с началом кристаллизации муллита. Данные дегидратации показывают, что основная масса воды выделяется при 110-150С, а полное обезвоживание заканчивается при 550С. Аллофаны растворяются в HCl с образованием студенистого кремнезема.
Хлориты – слоистые гидросиликаты магния, закиси железа и алюминия, часто содержат Fe3+, Ni2+, Cr3+. Кристаллическая решетка хлоритов характеризуется чередованием тальковых и бруситовых слоев. Встречаются в форме тонких чешуек, оолитов и плотных масс, в порах и в трещинах пород. Часто чешуйки очень мелкие, неразличимые под световым микроскопом, обычно находятся в тонкой смеси с глинистыми минералами. В группу хлоритов входят следующие минералы бокситов: шамозит, амезит, дафнит, стриговит, хлорофеит, тюрингит, джефферизит, судоит. Наиболее часто бокситах встречается шамозит. Кривые нагревания и обезвоживания хлоритов показывают, что содержащийся в них гидроксил выделяется в пределах температур 480-700С. На кривых это отражается в виде эндотермических эффектов. После выделения гидроксила происходит распад минерала. Экзотермические эффекты на кривых отражают взаимодействие в твердом состоянии активных окислов SiO2 и MgO и образование ортосиликата магния.
Разложение кремнеземсодержащих минералов при термической активации
В диапазоне температур от 20 до 233С имеется эндотермический пик, связанный с потерей адсорбционной воды на поверхности и между силикатными слоями, за данный промежуток температур изменение массы составило 4,70%. В интервале температур 233338С фиксируется второй эндотермический пик, характеризующийся потерей химически-связанной воды (изменение массы – 1,61%). В интервале температур от 338 до 1077С наблюдаются небольшие эндо-и экзотермические пики, обусловленные процессом дегидроксилирования и сопровождающиеся потерей 5,74% массы. При дальнейшем нагревании от 1077 до 1200С наблюдаются незначительные эндо- и экзотермические пики (изменение массы составило 0,32%), связанные с процессом кристаллизации гематита, кварца и прочих новых фаз.
Для изучения механизма термических превращений шамозита были отобраны три пробы шамозита с Белгородского района КМА с различными соотношением ортогональной модификации к моноклинной и степенью окисленности (таблица 2.3) [110]. Степень окисленности пробы шамозита определялась по формуле:
Согласно данным, полученным в результате рентгенофазового анализа (рисунки 2.6 - 2.8), исследуемые пробы шамозита относятся к каолинитовому типу, поскольку отсутствует дифракционный пик, соответствующий межплоскостному расстоянию d = 1,4 нм, характерный для хлоритов. На рентгенограммах всех исходных проб имеются основные рефлексы шамозита: d (нм) = 0,7; 0,35; 0,25; 0,24. Также в пробах обнаруживается гематит (d = 0,369 нм), в пробах №2 и 3 имеется каолинит (d = 0,712; 0,443; 0,356 нм), в пробах №1 и 3 – небольшое количество сидерита (d = 0,279 нм), в пробе №2 – гиббсит (d = 0,483 нм) и кварц (d = 0,334 нм).
Штрих-диаграмма пробы шамозита №3 Различие в соотношении интенсивностей отражений, особенно в области рефлексов, отвечающих межплоскостным расстояниям d = 0,251 нм и d = 0,240 нм, связано с различным соотношением в пробах шамозита ортогональной и моноклинной форм данного минерала. Для ортогональной формы характерно отражение d = 0,251 нм, тогда как для моноклинной - d = 0,240 нм [101]. Для сравнения интенсивностей отражений d = 0,251 нм и d = 0,240 нм результаты рентгенофазового анализа представим в виде штрих-диаграмм, штрихи которых получены измерением высоты пика на дифрактограмме от уровня фона спектра [111]. Отношение интенсивностей данных отражений пропорционально соотношению содержания форм в пробе. При Id=0,240 Id=0,251 преобладает моноклинная форма, при Id=0,240 /=0,251 - ортогональная. Как правило, ортогональная форма преобладает в шамозите. Дифракционные пики 0,7; 0,35 нм принадлежат обеим структурам формам.
Таким образом, сравнив интенсивности отражений расстояниям d = 0,251 нм и d = 0,240 нм в пробах имеем: для пробы №1 0,251 = 2,14, для пробы №2 - d=0,240 0,251 = 2, пробы №3 0,251 = 9. - d=0,240 - d=0,240 Пробы обжигались в муфельной печи при температурах 400С и 600С, после чего подвергались рентгенофазовому анализу [112].
На рентгенограммах всех проб шамозита, обожженных при температуре 400С (рисунки 2.9-2.11), был обнаружен разрушенный шамозит при меньшем содержании его по сравнению с исходными пробами, а также аморфная фаза и увеличенное содержание гематита. Содержание в пробах каолинита и сидерита практически не изменилось, при этом в пробах №1 и 3 были обнаружены примеси гидрогетита (d = 0,259; 0,245 нм). Рисунок 2.9 – Штрих-диаграмма пробы шамозита №1, обожженной при температуре 400С
Штрих-диаграмма пробы шамозита №3, обожженной при температуре 600С Таким образом, на основании проведенных исследований можно предположить, что продуктами термического разложения шамозита при температуре 600С являются оксид алюминия и диоксид кремния в аморфном состоянии, которые должны легко растворяться в щелочных растворах. С целью проверки данного предположения обожженные пробы шамозита подвергались обработке щелочным раствором 150 г/л Na2Oк и Ж:Т = 10:1 при температуре 95С в течении 40 минут. Исходные пробы шамозита также выщелачивались для сравнения (таблица 2.4).
Рентгенофазовый анализ показал (рисунки 2.15-2.19), что в шламе после выщелачивания исходных проб шамозита и проб, обожженных при температуре 400С, остается значительное количество неразложившегося шамозита, а также появляются ГАСН (d = 0,638; 0,367; 0,261; 0,212 нм) и железосодержащие минералы, в частности, в шламе пробы №3 были обнаружены гетит (d = 0,420; 0,244 нм) и магнетит (d = 0,251; 0,240 нм). Кроме того, выделятся водород, что подтверждается восстановлением гетита и гематита. Для химического состава ГАСНа характерны следующие молекулярные отношения: Na2O:Al2O3:SiO2 = 1:1:2,4. Рисунок 2.15 – Штрих-диаграмма продуктов выщелачивания пробы шамозита №1
Штрих-диаграмма продуктов выщелачивания пробы шамозита №3, обожженной при температуре 600С Определение степени разложения необожженного шамозита при выщелачивании, одним из показателей которой является мольное отношение Na2O:SiO2 в твердой фазе (табл. 2.5) с учетом того, что при полном разложении шамозита образуется ГАСН состава Na2O:Al2O3:SiO2 = 1:1:2,4 с мольным отношением Na2O:SiO2 = 0,42, позволило установить, влияние степени окисленности и соотношение ортогональной и моноклинной форм шамозита на его разложение (таблица 2.5).
Как видно из таблицы 2.5, мольное отношение Na2O:SiO2 в шламе возрастает с повышением степени окисленности и уменьшением отношения ортогональной формы к моноклинной.
Таким образом, экспериментально установлено, что термическая обработка шамозита при температуре 600С приводит к образованию аморфной фазы, представленной оксидом алюминия и диоксидом кремния, и кристаллической фазы в виде гематита (рисунок 2.23), а также экспериментально подтверждено, что пробы шамозита с меньшей степенью окисленности и преобладающей ортогональной формой более стойкие к щелочным растворам.
Оптимизация процесса переработки низкокачественных бокситов способом термохимия-Байер
В разных источниках литературы приводятся различные рекомендуемые условия термохимического кондиционирования низкокачественных высококремнистых бокситов и последующего автоклавного выщелачивания бокситового концентрата, в связи с чем была поставлена задача определить оптимальные условия процесса, позволяющие достичь наибольшего извлечения в раствор оксида алюминия при рациональном использовании ресурсов.
Задача оптимизации процесса переработки высококремнистых бокситов способом «Термохимия-Байер» решалась методом крутого восхождения, предложенным впервые в 1951 г. Боксом и Уилсоном [138-140]. Суть метода заключается в следующем: осуществляется постановка последовательных небольших серий опытов, в каждой из которых по определенным правилам одновременно варьируются все факторы, влияющие на процесс. Каждая серия
109 опытов ставится таким образом, чтобы после математической обработки данных можно было спланировать следующую серию. Переход к следующей серии опытов осуществляется посредством движения в направлении градиента линейного приближения (или, по-другому, в направлении крутого восхождения по поверхности отклика). Под направлением градиента подразумевается направление наискорейшего улучшения параметра оптимизации, предсказанное уравнением регрессии. Если поверхность отклика может быть описана линейным уравнением, то для движения по поверхности отклика в направлении крутого восхождения необходимо независимые переменные изменять пропорционально величине соответствующих коэффициентов регрессии с учетом их знака. Если одного линейного приближения недостаточно, то ставится новая серия опытов и находится новое направление градиента. Так, шаг за шагом достигается область оптимума.
Процесс переработки высококремнистых бокситов способом «Термохимия-Байер» состоит из трех стадий: 1. Термическая активация сырья; 2. Обескремнивание щелочным раствором; 3. Автоклавное выщелачивание бокситового концентрата.
Первые две стадии объединяются под одним общим термином – термохимическое кондиционирование, смысл которого заключается в том, чтобы посредством извлечения щелочным раствором термоактивированного аморфного диоксида кремния перевести небайеровский боксит в байеровский, то есть повысить кремниевый модуль до показателя Si 7. В этой связи в качестве параметра оптимизации, то есть показателя, по которому можно судить об оптимальности выбранных условий, может быть выбран кремниевый модуль. Но с другой стороны, как известно, в результате термической активации – высокотемпературного обжига – происходят также полиморфные превращения глиноземсодержащих минералов, конечным продуктом которых является корунд, стойкий к щелочам даже в автоклавных условиях, вследствие чего кремниевый модуль может служить только промежуточным показателем эффективности, по нему нельзя с полной уверенностью судить о пригодности полученного бокситового концентрата к автоклавному выщелачиванию, так как при неправильно выбранных условиях обжига можно получить обожженный боксит с большим количеством оксида алюминия в виде корунда. В результате обескремнивания такого боксита кремниевый модуль повысится до показателя байеровских бокситов, но в результате автоклавного выщелачивания глинозем, представленный корундом, перейдет в шлам. С учетом выше сказанного в качестве параметра оптимизации y было выбрано сквозное извлечение оксида алюминия в раствор после всех стадий способа термохимия-Байер.
Основные факторы, оказывающие влияние на процесс, это – температура обжига, температура обескремнивания, температура автоклавного выщелачивания, продолжительность обжига, концентрация щелочного раствора Na2Oк при обескремнивании, концентрация щелочного раствора Na2Oк при автоклавном выщелачивании, продолжительность автоклавного выщелачивания, отношение Ж:Т при обескремнивании, продолжительность обескремнивания. На основании полученных опытных данных, которые приводятся в разделе 3.3, во всех экспериментах было решено проводить обескремнивание обожженного боксита при продолжительности 50 мин и соотношении Ж:Т = 10:1. Остальные факторы были использованы как варьируемые на двух уровнях в планировании эксперимента. Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице 3.15. Продолжение таблицы 3. 1 1 2 1 3 1 4 1 x5 – концентрация щелочи Na2Oк приобескремнивании, г/л 100 125 150 x6 – концентрация щелочи Na2Oк приавтоклавном выщелачивании, г/л; 210 255 300 x7 – продолжительность автоклавноговыщелачивания, мин 60 120 180 60
С целью сокращения числа опытов со 128 (исходя из того, что число опытов N = 2k , где k – число факторов) до 8 была использована 1/16 часть от полного факторного эксперимента 27, то есть 1/16-реплика 27-4. Матрица планирования приведена в таблице 3.16. Реплика была задана следующими генерирующими соотношениями:
Аппаратурно-технологические схемы кондиционирования бокситов
Выбор способа переработки того или иного сырья на глинозем в каждом отдельном случае должен основываться на экспериментальном исследовании и тщательной технико-экономической оценке способа. Кроме того, необходимо учитывать не только химико-минералогический состав сырья, но и вскрываемость, содержание присутствующих примесей, соотношение цен на реагенты, транспортно-энергетические расходы и прочие факторы, влияющие на экономику процесса. Приблизительно оценить пригодность того или иного способа для переработки бокситов различных месторождений можно при помощи комплексного показателя качества бокситов (Б) [152], учитывающего влияние химического состава боксита на экономику процесса. Комплексный показатель качества должен быть не меньше 6 и рассчитывается для бокситов известных месторождений России по следующим эмпирическим формулам в зависимости от схемы переработки:
Здесь (А1203)б, (Si02)б, (Fe203)б, (С02)б, (S)б, (СаО)б - содержание в боксите соответственно А1203, Si02, Fe203, С02, S, СаО, %; (ППП)б - потери при прокаливании в боксите, %.
Для схемы термохимия-Байер нет надобности в разработке подобных формул ввиду универсальности способа, подходящего для различного высококремнистого бокситового сырья, а также в силу самой сути способа, подразумевающего получение бокситового продукта, пригодного для дальнейшего автоклавного выщелачивания по способу Байера.
Важнейшим показателем рациональности выбранного способа производства глинозема является себестоимость производимой продукции [153]. На основании проведенных исследований был произведен расчет себестоимости производства глинозема способом термохимия-Байер. Для сравнения использовались данные по себестоимости производства глинозема известными способами [154]. Сравнительная оценка себестоимости производства глинозема способом термохимия-Байер, а также другими способами, приведена в таблице 4.13.
Способ термохимия-Байер по аппаратурному оформлению близок к последовательному варианту комбинированного способа Байер-спекание, а по себестоимости дешевле его. Существующее оборудование для спекательного передела на заводе, перерабатывающего бокситы способом Байер-спекание, способно обеспечить возможность обжига боксита в способе термохимия-Байер, а на оборудовании для выщелачивания спека возможно проводить обескремнивание обожженного боксита. Дополнительные капитальные затраты заключаются в строительства цеха для автоклавного выщелачивания бокситового продукта. Основные направления повышения экономической эффективности производства глинозема, включающего ветвь Байера, это – снижение энергетических затрат и повышение комплексности переработки [155]. Снижение энергетических затрат возможно за счет отказа от аппаратов с нагревом острым паром и перехода к автоклавам с глухим нагревом и многоступенчатой сепарацией, также за счет уменьшения количества упариваемой воды и совершенствования существующих схем выпарки маточных растворов, что может быть достигнуто благодаря организации многократного упаривания растворов. Кроме того, необходимо внедрять более эффективное высокотемпературное выщелачивание в трубчатых аппаратах. Большое значение при снижении себестоимости имеет повышение комплексности переработки бокситового сырья: не решен вопрос с огромным количеством неперерабатываемых красных шламов, а также недостаточное количество извлекаемых попутных Ga, V и других элементов.
Важными направлениями снижения себестоимости является автоматизация и оптимизация технологического процесса. Кроме того, значительную роль играет научная организация труда.