Организации опытно-промышленного экологически чистого производства по комплексной переработке отходов глиноземного производства, с исп

Название проекта «Организации опытно-промышленного экологически чистого производства по комплексной переработке отходов глиноземного производства, с использованием красных шламов качестве железосодержащего сырья для восстановления его водородом, с последующей плавкой в универсальной печи (УПП)»

                                              Актуальность темы.

         Металлургия, являясь одной из наиболее значимых отраслей промышленности мира, вносит существенный вклад в накопление отходов производства. Вместе с тем, в рамках предприятий черной и цветной металлургии всецело возможно почти полное использование, в том числе и рециклинг, различных видов отходов металлургического производства.

Одной из наиболее острых проблем ресурсосбережения в металлургии является утилизация шламов. При производстве глинозема из бокситовой руды образуется большое количество отходов в виде красного шлама. Красный шлам – отход производства глинозёма, нерастворимый остаток выщелачивания бокситов гидроксидом натрия образующийся в количестве 2,3-2,8 т на 1 тонну алюминия. Из-за отсутствия эффективных технологий переработки шлам сегодня в большинстве случаев просто складируют на изолированных территориях – шламохранилищах. Утилизация этого отхода в настоящее время весьма ограничена, в основном используется как железистая добавка в количестве 1-2% в шихте при производстве цементного клинкера.

Разработано множество способов переработки красного шлама, однако низкая рентабельность этих проектов не позволила внедрить технологию в промышленном масштабе. Проблема красных шламов нашла свое отражение в многообразии технологий его использования:

- комплексная переработка на чугун, глинозем и цемент;

-окускование руд и концентратов; керамические облицовочные плитки,   -

-керамические клинкерные материалы;

-производство краски;

-литейные формовочные смеси;

-производство удобрений;

-производство сорбентов,

-коагулянтов и катализаторов; текло, силикатный кирпич,

-стеклошламовые строительные материалы;

- смешанные цементы, закладочные смеси, дорожные покрытия;  

          Основные достижения по вопросам утилизации красных шламов сосредоточены в работах Уткова В. А., Иванова А. И. Ласкорина Б. Н., Корнеева В. И., Шморгуненко Н. С., Кудинова Б. З., НасеканаЮ. П.,

Добоша Д. и других.

Одними из первых осуществить комплексную переработку шламов глиноземного производства попытались еще в 1982 году советские ученые Н.С. Шморгуненко и В.И. Корнеев. Предлагаемый учеными способ включал в себя получение смеси красного шлама и известкового компонента с последующей термической обработкой при 1200оС с использованием восстановителя – кокса. В результате получался железосодержащий продукт в виде отдельных несвязных частиц, который отделялся магнитной сепарацией, и шлам. Полученный шлам смешивали с известковым компонентом и содой и вновь подвергали термической обработке при температуре 1000оС. В результате выщелачивания спека можно было получить глинозем и цемент.

Однако данный способ имеет ряд значительных недостатков, что не позволило применять его на действующих алюминиевых производствах. Среди основных недостатков стоит выделить двойное проведение операции обжига, а также необходимость практически дублировать основное производство (так как операция выщелачивания смеси, содержащей отходы глиноземного производства, аппаратурно-мало отличается от операции по выщелачиванию основного сырья – бокситов), что требует больших материальных затрат. Одним из способов комплексной переработки красного шлама является восстановительная плавка его в смеси с известняком в электропечи с целью получения чугуна и алюмокальциевого шлака. Алюмокальциевый шлак предполагалось перерабатывать на глинозем и цемент.

Имеются предложения осуществлять восстановительную планку в две стадии: сушку и частичное восстановление шлама в смеси с известняком на агломерационной машине или в трубчатой вращающейся печи, с последующей плавкой полученного клинкера в электропечи. При обработке во вращающейся печи можно получить частично металлизированный клинкер с содержанием углерода до 10 %, что позволяет завершить восстановление оксида железа в дуговой электропечи без ввода дополнительного восстановителя.

Температура плавления клинкера зависит от степени его металлизации и содержания в нем углерода. Для полного восстановления оксида железа и получения саморассыпающегося шлака она должна быть достаточной высокой. Однако чрезмерно высокая температура плавления клинкера приводит к значительному восстановлению оксидов кремния и титана и получению вязких шлаков. Слив такого шлака затруднён, а также затруднено слияние капель восстановленного железа, что приводит к снижению его извлечения.

Извлечение железа из шлама в чугун при восстановительной плавке достигает 98 %. При восстановительной плавке в две стадии снижается расход электроэнергии.

Установлена возможность переработки красного шлама в двух последовательно соединенных вращающихся печах. В первой печи шихта, состоящая из красного шлама и известняка, обжигается в присутствии восстановителя (каменный уголь) при 1000—1100°С с получением металлизированного клинкера. Во второй печи при 1300—1400°С происходит частичное расплавление материала с образованием жидкого чугуна и твердого шлака. Присутствующая в красном шламе щелочь оказывает отрицательное влияние на процесс восстановительной плавки, так как разрушает футеровку печи.

         Имеются многочисленные сведения о переработке красного шлама путём прямой плавки в дуговых печах с получением чугуна, легированного кремнием и шлака, используемого в производстве цемента. При этом способе высок удельный расход электроэнергии на тонну получаемого металла, так как содержание железа в шихте, вследствие добавления в шихту известняка оказывается очень низким. Для снижения расхода электроэнергии более чем в два раза предложено восстановление железа в шихте, на основе красного шлама проводить в две стадии – сначала восстановительное спекание брикетированной шихты, содержащей восстановитель, затем плавку в дуговой печи. А для исключения разбавления шихты оксидом кальция получать не цементный клинкер, а муллит, используемый в производстве огнеупоров. Технологии переработки красного шлама включают этап обезвоживания, за которым следует стадия восстановления оксида железа углеродом и дальнейшего плавления шлака. В результате происходит получение чугуна, сырья для извлечения глинозема или клинкера для производства глиноземистого цемента. При такой технологии (в две стадии – без восстановительного спекания) восстановление кремния с получением ферросилиция происходит в незначительной степени из-за связывания оксидов железа в силикаты при реакции с оксидом кремния.

         Существующие на металлургических предприятиях масштабы и темп накапливания красных шламов диктуют необходимость разработки и внедре-ния технологий, обеспечивающих эффективную утилизацию увеличиваю-щегося объема отходов. Такая необходимость обусловлена причинами экономического и экологического характера. Анализ научно-технической информации показал, что красные шламы после соответствующей подготовки (окатывание или агломерация) могут быть переработаны в современных металлургических установках.

        Тем не менее, все указанные способы не лишены недостатков. В большинстве способов показано, что из красного шлама можно извлекать только железо и алюминий. Положительным фактором является дополнительное извлечение из шламов V, Cr, Ti и др. Однако при этом возникают трудности по переработке шлака. К сожалению, в промышленных условиях предложенные способы переработки красных шламов не нашли применения.

   Суть предлагаемого проекта: организация промышленного производства комплексной переработки красного шлама с вовлечением их в каталитические реакции с восстановительными газами или газовыми смесями СО, Н2, с выпуском ликвидной продукции железа, чугуна и/или стали, а также алюминатного клинкера и/или алюмосиликатного волокна и изделий из него.

Авторы проекта сознательно пошли на повышенные капитальные затраты проекта и на увеличение себестоимости выпускаемой продукции, применив в качестве восстановителя и энергоносителя водород, получаемый методом электролиза или через газификацию углей, с последующим выделением водорода или смеси водорода с монооксидом углерода. Таким образом, полностью избегая образования диоксида углерода (СО), шлаков, шламов и рационально используя вторичное тепло для подготовки сырья, проект предполагает  превратить создаваемое предприятие в экологически чистое, безотходное производство.

            Для получения металла применяется универсальная плавильная печь (УПП), разработанная украинскими учеными. Особенностью данной печи является то, что в ней объедены несколько процессов:

- шахтный процесс, с твердофазным восстановлением,

-электрошлаковый процесс;

- электролизный процесс получения металлов из металлургических отходов в электрической печи с подовыми электродами.

Данная технология не требует брикетирование или окомкования шихтовых материалов.

Данный проект печи ориентирован на частичную замену таких переделов металлургии как доменное, коксовое, электросталеплавильное производство. Использование оксидной части шихты и применение дешевых некоксующих-ся материалов позволяет организовать внедоменное производство чугуна (металлов). Использование подовых электродов с большим сроком службы по сравнению с графитовыми электродами позволяет отказаться от последних.

Стационарный агрегат по получению полупродукта или готовой продукции позволяет упростить исполнительные механизмы и повысить надежность работы агрегата в целом.

Герметичность агрегата существенно снижает отрицательное влияние на окружающую среду.

Основными отличиями нового процесса являются:

- отсутствие графитовых электродов;

- отсутствие сложной системы подачи электродов;

- отсутствие системы перемещения крышки печи;

- отсутствие гидравлической системы наклона печи;

- исключена необходимость применять водоохлаждаемые элементы внутри печи, что позволит снизить тепловые потери на 10-15%.

- за счет применения гарнисажной (т.е. перерабатываемый материал сам выступает в качестве образующего плавильное пространство) плавки сократится расход огнеупоров свода и стен.

- использование столба шихты позволит пропускать высокотемпературные отходящие газы через подаваемые материалы, что также позволит снизить потери тепла.

В рамках данной работы будут решены следующие научно-практические задачи:

1. В опытно-промышленных условиях будут отработаны математические модели всех процессов технологии и произведены расчеты для проектирования и изготовления основного технологического оборудования производства по утилизации красных шламов методом термокаталитического распада монооксида углерода, с объемом переработки 300 тонн в год.

2. В рамках программы, будут переработаны опытные партии красных шламов глиноземных предприятий Европы (Румынии, Венгрии, Черногории, Словении, Испании, Италии, Норвегии, и т.д.).

По результатам данной работы, с учетом особенностей химического состава каждого, будут сформированы технические условия для проектирования аналогичных производств соответствующего объема переработки.

3. Будут резко уменьшены выбросы газов и уменьшены энергетические затраты и материальные затраты основного глиноземного производства.

4. Будут опробованы возможности использования синтез-газа, полученного из альтернативных  источников (биотопливо, переработка мусора и т. д.).

5. Будет опробована возможность использования полученного продукта в других отраслях народного хозяйства кроме металлургии.

Основное оборудование и линии проекта:

- газификатор угля, реактор синтеза, универсальная плавильная печь (УПП),

линия алюмосиликатного волокна, размольносмесительное оборудование, лаборатория контроля качества сырья и материалов, вспомогательное  оборудование. 

Рисунок 1. Реактор для синтеза.

Универсальная плавильная печь – УПП

                  Вид сбоку (В - В)                                      Общий вид

                                         Вид сверху

Линия алюмосиликатного волокна

Характеристики получаемого волокна

Диаметр элементарных волокон - от 4 до 8 мкм

1.      Химический состав - соответствует составу смеси базальтов, доломита и известняка в соотношении приблизительно 70 (базальт)/30 (доломит+известняк)

2.      Количество неволокнистых включений – до 5%

3.      Кажущаяся плотность – от 15 кг/м3

4.      Содержание связующего в изделии (по сухому остатку) - от 2 до 12%

5.      Химический состав - соответствует составу смеси базальтов, доломита и известняка в соотношении приблизительно 70 (базальт)/30 (доломит+известняк)

6.      Количество неволокнистых включений – до 5%

7.      Кажущаяся плотность – от 15 кг/м3

8.      Содержание связующего в изделии (по сухому остатку) - от 2 до 12%

В случае организации крупномасштабного комплекса по утилизации красных шламов оптимальным технологическим решением является применение синтез – газов, полученных после газификации угля.  

Принципиальная технологическая схема переработки красного шлама