Система производства глиноземного концентрата из золошлаковых отходов электростанций
Полезная модель относится к области промышленного производства глинозема, более конкретно, к системе производства глиноземного концентрата из высокоглиноземистых золошлаковых отходов (ЗШО) угольных электростанций и может найти применение, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской, Троицкой и Верхнетагильской ГРЭС. Решаемой задачей полезной модели является создание, на основе имеющихся достижений и опыта глиноземной промышленности достаточно эффективной и сравнительно простой системы производства высококачественной целевой продукции в виде глиноземного концентрата из ЗШО угольных электростанций, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской, Троицкой, Верхнетагильской и Экибастузской ГРЭС. Дополнительными к указанной задаче являются разработка экологически чистой технологии производства указанного целевого продукта для его последующего использования в металлургии алюминия. Указанная задача решается тем, что в системе производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций, содержащей оборудование для классификации, флотации, магнитной сепарации, обжига и щелочной обработки ЗШО, согласно полезной модели, вход вращающейся обжиговой печи соединен с выходом линии для классификации, флотации и магнитной сепарации ЗШО, а выход обжиговой печи соединен с первым входом реактора для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, причем второй вход реактора соединен с выходом дозатора для регулируемой подачи в реактор раствора с фиксированным содержанием оксида натрия, а выход реактора через вакуумный фильтр и устройство для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора соединен с устройством для сушки полученного глиноземного концентрата. Кроме того, вращающаяся обжиговая печь может быть выполнена на рабочую температуру 800-1300°С, реактор для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия может быть выполнен на рабочую температуру 85-100°С и снабжен средствами для перемешивания материала, причем дозатор может быть снабжен средствами для поддержания количества оксида натрия в растворе гидрооксида натрия в диапазоне 100-200 г/л, устройство для промывки пульпы может быть снабжено средствами для перемешивания материала и поддержания рН раствора в диапазоне 7-8, а устройство для сушки полученного глиноземного концентрата может быть выполнено на рабочую температуру 80-250°С. Описание на 8 л., ф-ла 2 пп., илл. на 1 л.
Полезная модель относится к области промышленного производства глинозема, более конкретно, к системе производства глиноземного концентрата из высокоглиноземистых золошлаковых отходов (ЗШО) угольных электростанций и может найти применение, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской, Троицкой и Верхнетагильской ГРЭС.
Известна система производства глинозема, содержащая линию с устройствами для классификации алюмосодержащего рудного сырья, реагентов восстановителей, флюсующих компонентов и средств их подачи в высокотемпературную шахтную печь для углеродно-термического восстановления при температуре выше 2000°С (см. патент РФ 
67992, опубл. 10.11.2007 Бюл. 31).
Известная система представляет собой металлургический комплекс, содержащий первый модуль для углеродно-термического восстановления алюмосодержащего рудного сырья в глинозем и ферросплав и второй модуль для переработки глинозема в алюминиевый сплав.
К недостаткам такой системы можно отнести сравнительно сложную конструкцию высокотемпературных шахтных печей первого и второго модулей, а также необходимость использования для производства глинозема достаточно дорогих сырьевых материалов в виде бокситов, бемитов, коалинитов, муллитов или пирофиллитов, поставляемых с удаленных месторождений.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций, включающая оборудование для классификации, флотации, магнитной сепарации, обжига и щелочной обработки ЗШО раствором гидроокиси натрия (см. патент РФ 79284, опубл. 27.12.2008 Бюл. 36 - прототип).
Назначением известной системы является комплексное производство цемента и глинозема из ЗШО электростанций. При этом система содержит первую и вторую линии для получения глиноземного концентрата и цемента, включающие устройства для классификации, флотации, магнитной сепарации, смешивания указанных отходов с известняком и вращающуюся обжиговую печь.
Особенностью известной системы является то, что она содержит третью линию для производства чистого глинозема, включающую вторую и третью вращающиеся обжиговые печи, причем первая линия содержит последовательно соединенные первое устройство для классификации отходов, второе устройство для флотационного удаления из отходов частиц несгоревшего угля и третье устройство магнитной сепарации для удаления частиц магнетита, выход которого соединен с первым входом четвертого устройства для щелочной обработки отходов раствором гидроокиси натрия, выход которого соединен с входом пятого устройства для получения глиноземного концентрата, а первый выход пятого устройства по раствору силиката натрия соединен с входом шестого устройства для регенерации раствора щелочи, при этом первый выход шестого устройства по данному раствору соединен с вторым входом четвертого устройства.
Вторая линия такой системы содержит седьмое устройство для классификации известняка, первый выход которого соединен с первым входом восьмого устройства для смешивания известняка с силикатом кальция в виде белитового шлама и подачи смеси на вход первой вращающейся обжиговой печи для получения на ее выходе цемента.
Третья линия системы содержит девятое устройство, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с вторым выходом пятого устройства по глиноземному концентрату и вторым выходом седьмого устройства, а выход девятого устройства соединен с основным входом второй вращающейся обжиговой печи для получения из указанных ингредиентов промежуточного продукта обжига, выход данной печи по указанному продукту соединен с первым входом десятого устройства для выделения из указанного продукта раствора алюмината натрия и белитового шлама, при этом первый выход десятого устройства соединен с первым входом одиннадцатого устройства для карбонизации раствора алюмината натрия, для чего второй вход одиннадцатого устройства соединен с дополнительным выходом второй вращающейся обжиговой печи по диоксиду углерода, первый выход одиннадцатого устройства соединен через двенадцатое устройство для смешивания растворов соды и щелочи с вторым входом десятого устройства, а второй выход одиннадцатого устройства соединен через тринадцатое устройство сушки продукта карбонизации с основным входом третьей вращающейся обжиговой печи для получения на выходе чистого глинозема, причем второй и третий входы восьмого устройства по белитовому шламу соединены, соответственно, с вторым выходом шестого и вторым выходом десятого устройств системы.
Такая система позволяет использовать известные средства для предварительной подготовки, обжига и щелочной обработки ЗШО, соответствующее оборудование для которых уже освоено глиноземной промышленностью, в том числе, в процессах переработки нефелинового сырья и высококремнистых бокситов в глинозем. Известная технология может быть безотходной, поскольку после выделения алюминия известково-силикатный шлам представляет собой ценное сырье для производства цемента.
Однако реализация известной технологии комплексного получения глинозема и цемента отличается достаточной сложностью, поскольку содержит значительное количество оборудования для организации технологического процесса получения целевых продуктов в первой, второй и третьей линии системы, включающих, в том числе, дорогостоящие дополнительные вращающиеся печи для обжига промежуточных и конечных продуктов переработки. Функционирование известной системы связано с получением глиноземного концентрата непосредственно после классификации, флотации и магнитной сепарации ЗШО без их предварительного обжига во вращающейся печи. Кроме того, в известной системе возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью снижения потерь реагентов на выщелачивание и карбонизацию и получения необходимых количеств белитового шлама.
Решаемой задачей полезной модели является создание, на основе имеющихся достижений и опыта глиноземной промышленности достаточно эффективной и сравнительно простой системы производства высококачественной целевой продукции в виде глиноземного концентрата из ЗШО угольных электростанций, в том числе, при переработке золоотвалов Рефтинской, Троицкой, Верхнетагильской и Экибастузской ГРЭС. Дополнительными к указанной задаче являются разработка экологически чистой технологии производства указанного целевого продукта для его последующего использования в металлургии алюминия.
Указанная задача решается тем, что в системе производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций, содержащей оборудование для классификации, флотации, магнитной сепарации, обжига и щелочной обработки ЗШО, согласно полезной модели, вход вращающейся обжиговой печи соединен с выходом линии для классификации, флотации и магнитной сепарации ЗШО, а выход обжиговой печи соединен с первым входом реактора для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, причем второй вход реактора соединен с выходом дозатора для регулируемой подачи в реактор раствора с фиксированным содержанием оксида натрия, а выход реактора через вакуумный фильтр и устройство для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора соединен с устройством для сушки полученного глиноземного концентрата.
Кроме того, вращающаяся обжиговая печь может быть выполнена на рабочую температуру 800-1300°С, реактор для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия может быть выполнен на рабочую температуру 85-100°С и снабжен средствами для перемешивания материала, причем дозатор может быть снабжен средствами для поддержания количества оксида натрия в растворе гидрооксида натрия в диапазоне 100-200 г/л, устройство для промывки пульпы может быть снабжено средствами для перемешивания материала и поддержания рН раствора в диапазоне 7-8, а устройство для сушки полученного глиноземного концентрата может быть выполнено на рабочую температуру 80-250°С.
Такое выполнение системы позволяет решить указанную задачу создания достаточно эффективной, сравнительно простой, экологически чистой и малоотходной промышленной технологии переработки ЗШО электростанций, работающих на угле, в ценную товарную продукцию в виде глиноземного концентрата с повышенным содержанием окиси алюминия для использования, в том числе, в металлургии алюминия и промышленности строительных материалов. Решение этой задачи связано с использованием указанного оборудования для эффективной переработки сырья в глиноземный концентрат по совместной технологии выщелачивания и высокотемпературного обжига.
Использование обжига ЗШО непосредственно после их классификации, флотации и магнитной сепарации создает благоприятные условия для эффективного и быстрого разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия с указанным фиксированным содержанием оксида натрия, а последующие процессы фильтрации, промывки и сушки полученного материала обеспечивают полученние целевого продукта с высоким содержанием глинозема. Оптимизация рабочих параметров используемого оборудования в предложенной системе обеспечивает дополнительное повышение ее эффективности при производстве глиноземного концентрата из ЗШО угольных электростанций.
Важным фактором, обеспечивающим решение поставленной задачи, является выполнение вращающейся обжиговой печи на рабочую температуру 800-1300°С, что позволяет производить эффективный обжиг прошедших предварительную подготовку очищенных ЗШО с фракционным составом в диапазоне 100-200 мкм. При этом снижение температуры обжига менее 800°С не способствует поддержанию технологических условий, необходимых для непрерывной переработки ЗШО и не позволяет получить на выходе системы концентрат с высоким содержанием глинозема. Превышение температуры обжига сырья более 1300°С связано, в том числе, с дополнительным усложнением конструкции вращающейся обжиговой печи.
В результате экспериментальных исследований, проведенных в ОИВТ РАН, было также установлено, что конструктивное выполнение указанного реактора на рабочую температуру 85-100°С в условиях поддержания количества оксида натрия в растворе гидрооксида натрия в диапазоне 100-200 г/л обеспечивает увеличение выхода целевого продукта по сравнению с известными системами того же назначения. Важным фактором повышения эффективности предложенной системы является и экспериментально найденные оптимальные условия поддержания рН раствора в устройстве для промывки пульпы в диапазоне 7-8 и сушки полученного глиноземного концентрата при температуре 80-250°С. Указанные выше диапазоны рабочих температур в агрегатах системы, содержание в растворе заданного значения гидрооксида натрия и рН раствора оптимизированы для условий функционирования оборудования при переработке ЗШО большинства угольных электростанций. При этом снабжение реактора для щелочной обработки и устройства для промывки пульпы средствами для перемешивания материала способствует интенсификации упомянутых процессов в указанных устройствах.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы.
Система производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций содержит линию 1 для первичной подготовки ЗШО, включающую последовательно соединенные оборудование 2 для многоступенчатой классификации отходов и устройства 3, 4 для флотации и магнитной сепарации сырья. Система также содержит последовательно соединенные вращающуюся обжиговую печь 5, реактор 6 для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, вакуумный фильтр 7, устройство 8 для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора и устройство 9 для сушки полученного глиноземного концентрата. При этом вход вращающейся обжиговой печи 5 соединен с выходом линии 1 для первичной подготовки ЗШО, то есть с выходом устройства 4 магнитной сепарации, а выход обжиговой печи 5 соединен с первым входом реактора 6, причем его второй вход соединен с выходом дозатора 10 для регулируемой подачи в реактор 6 раствора с фиксированным содержанием оксида натрия.
Выход реактора 6 через вакуумный фильтр 7 и устройство 8 для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора соединен с устройством 9 для сушки полученного глиноземного концентрата. Для заданного функционирования системы устройство 8 снабжено дозатором 11 для регулирования в нем значении рН раствора подачей дистиллированной воды. Позициями 12, 13 и 14 на фиг.1 обозначены, соответственно, привод для перемешивания материала в реакторе 6. вакуумный насос фильтра 7 и привод для перемешивания пульпы в устройстве 8.
Оптимальный фракционный состав ЗШО для предложенной системы должен находиться в диапазоне 100-200 мкм за счет применения соответствующего оборудования 2 для классификации сырья. При этом оборудование системы для производства глиноземного концентрата эффективно функционирует лишь при одновременном использовании в технологическом процессе указанных устройств 3, 4 флотации и магнитной сепарации сырья, реактора 6 с фиксированным содержанием оксида натрия в щелочном растворе при указанной температуре, а также фильтра 7, устройства 8 для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора и устройства 9 для сушки глиноземного концентрата при соответствующей температуре до достижения необходимой влажности глиноземного концентрата. При этом устройство 3 линии 1 системы предназначено для флотационного удаления из отходов частиц несгоревшего угля, а устройство 4 магнитной сепарации - для удаления частиц магнетита.
В предложенной системе производства глиноземного концентрата из отходов электростанций используется комбинированная технология переработки ЗШО, включающая обжиг предварительно подготовленного продукта во вращающейся высокотемпературной печи и химическое обогащение сырья. Суть технологии химического обогащения заключается в обработке ЗШО едкой щелочью с получением раствора силикатов натрия и обогащенного глиноземом алюминиевого сырья (Аl2 О3 до 50% и SiO2 до 30%).
Предложенная система производства глиноземного концентрата из ЗШО электростанций функционирует следующим образом.
Первоначально необходимо подвергнуть предварительному обогащению поступающие в систему ЗШО и освободить их от посторонних примесей, для чего они должны быть подвергнуты многоступенчатой классификации на оборудовании 2, например, по классу 100-200 мкм. После этого с помощью устройства 3 из золы необходимо удалить углеродную фракцию (недожог), так как для большинства видов сырья важное значение имеет такой показатель, как потери при прокаливании, значение которого не должно превышать 2%.
Эффективным способом извлечения углерода из золы является флотационное обогащение с применением флотореагентов, например, керосина, позволяющих перевести в пенный продукт до 80% углерода, который можно вернуть в котел на дожигание. После этого отходы необходимо освободить от магнитной фракции в устройстве 4, которая может создавать определенные трудности при дальнейшей переработке отходов.
Магнитная фракция, состоящая в основном из окислов железа (до 70% магнетита), может быть выделена методом магнитной сепарации. Магнитная фракция, в свою очередь, может использоваться в металлургии для производства окатышей, агломерата или ферросилиция. Кроме того, в магнитной фракции обычно концентрируется ряд редких элементов (галлий, кобальт, хром, ванадий, цирконий и др.) и она может представлять интерес как сырье для их извлечения.
Дальнейшие стадии производства глиноземного концентрата связаны с обжигом подготовленных ЗШО во вращающейся обжиговой печи 5 при температуре порядка 1100°С и щелочной обработки в реакторе 6 для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия при содержании оксида натрия в диапазоне 120 г/л при температуре раствора около 90°С.
Фильтрация полученного продукта осуществляется в вакуумном фильтре 7, а дальнейшая промывка полученной пульпы - в устройстве 8 при фиксированном значении рН раствора и сушке в устройстве 9 при температуре около 180°С для полученного целевого продукта. При этом дозатор 11 обеспечивает регулирование в устройстве 8 фиксированного значении рН раствора (например рН=7,5) путем контролируемой подачи дистиллированной воды. Привод 12, для перемешивания материала в реакторе 6 и привод 14 для перемешивания пульпы в устройстве 8 обеспечивают интенсификацию щелочной обработки материала и эффективную промывку пульпы для последующей сушки целевого продукта.
Для отработки указанных конструктивных характеристик предложенной системы и физико-химических условий производства глиноземного концентрата из сырья ЗШО электростанций в ОИВТ РАН были проведены необходимые экспериментальные исследования и расчеты определяющих параметров процесса получения глиноземного концентрата.
В настоящее время в России существует дефицит производства глинозема, поэтому объемы производства этой продукции не покрывают потребности алюминиевой промышленности. Существующая отечественная сырьевая база алюминиевого производства, основанная на эксплуатации бокситовых месторождений Урала и Архангельской области не может обеспечить запросы в данном сырье. По этой причине цены на глинозем постоянно увеличиваются и бокситовое сырье ввозится из-за границы. Для примера, зола Экибастузских углей по содержанию глинозема (25-28% Аl2О3) сопоставима с нефелиновым концентратом, который производит ОАО "Апатит" для Пикалевского завода. В тоже время она характеризуется более высоким содержанием кремнезема и отсутствием щелочей. По сравнению с бокситами в золе содержится меньше железа и титана.
В этой связи становятся очевидными благоприятные перспективы использования, в частности, высокоглиноземистой золы ГРЭС Свердловской области для промышленного производства глиноземного концентрата и некоторой сопутствующей продукции. На сегодняшний день в золоотвалах Рефтинской ГРЭС находится до 116 млн. тонн золы, Троицкой ГРЭС - до 100 млн. тонн золы, а Верхнетагильской ГРЭС - около 38 млн. тонн. По химическому составу указанная зола может служить источником сырья для переработки на глинозем и ее количество будет непрерывно увеличиваться, поскольку на ближайшие 20 лет энергетическим топливом на ГРЭС будет оставаться уголь Экибастузского бассейна. При таких значительных запасах глиноземного сырья возможно создание предложенной системы по производству глиноземного концентрата до 1 млн. тонн в год со сроком эксплуатации не менее 50 лет.
На базе предложенной системы в дальнейшем, в качестве дополнительной продукции, можно организовать производство до 0,2 млн. тонн аглопорита, 0,05 млн. тонн сульфата алюминия и до 1 млн. тонн сверхтонкой классифицированной по фракционному составу 1-5 мкм золы для производства золоцементной бетонной смеси.
Инвестиционные расходы для организации указанного производства по предложенной схеме рядом с источниками ЗШО составят менее 1,0 млрд. долларов США при сопоставимой суммарной стоимости конечной продукции в ценах 2005 г. За вычетом затрат на сырье, энергетические расходы и оплату труда капитальные вложения в строительство комбината по предложенной схеме полностью окупаются примерно за 2 года. Кроме того, в регионе резко улучшается экологическая обстановка в связи с прекращением складирования золы в отвалах, прекращаются платы за использование земли и загрязнение окружающей среды, прекращаются работы по поддержанию золоотвалов в безопасном состоянии и др.
1. Система производства глиноземного концентрата из золошлаковых отходов электростанций, содержащая оборудование для классификации, флотации, магнитной сепарации, обжига и щелочной обработки золошлаковых отходов, отличающаяся тем, что вход вращающейся обжиговой печи соединен с выходом линии для классификации, флотации и магнитной сепарации золошлаковых отходов, а выход обжиговой печи соединен с первым входом реактора для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия, причем второй вход реактора соединен с выходом дозатора для регулируемой подачи в реактор раствора с фиксированным содержанием оксида натрия, а выход реактора через вакуумный фильтр и устройство для промывки пульпы при фиксированном значении рН раствора соединен с устройством для сушки полученного глиноземного концентрата.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что вращающаяся обжиговая печь выполнена на рабочую температуру 800-1300°С, реактор для разложения обожженного материала в растворе гидрооксида натрия выполнен на рабочую температуру 85-100°С и снабжен средствами для перемешивания материала, причем дозатор снабжен средствами для поддержания количества оксида натрия в растворе гидрооксида натрия в диапазоне 100-200 г/л, устройство для промывки пульпы снабжено средствами для перемешивания материала и поддержания рН раствора в диапазоне 7-8, а устройство для сушки полученного глиноземного концентрата выполнено на рабочую температуру 80-250°С.
