1 Общая часть / Разное / ДИПЛОМ. ОbmenDoc.ru - Сервис, где делятся учебой.

Скачиваний:   4
Пользователь:   andrey
Добавлен:   31.01.2015
Размер:   1.3 МБ
СКАЧАТЬ

Введение

Современный способ производства алюминия с применением самообжигающихся анодов сопровождается формированием значительного количества фторуглеродсодержащих продуктов. В суммарном объеме отходов, формирующихся в ходе производства алюминия, примерно 35% составляют сырьевые отходы – это отходы, имеющие в своем составе такие компоненты, которые могут быть выделены в процессе переработки  в виде вторичного сырья для использования на других предприятиях или в собственном производстве. К основным отходам электролизного производства относятся: хвосты флотации угольной пены, шламы и пыль системы пылеулавливания и газоочистки.

Большинство из них негативно влияют на окружающую среду, так как в основном эти отходы сбрасываются на шламовые поля. Из – за плохой гидроизоляции шламовых полей, соединения фтора, серы и других вредных веществ проникают как в поверхностные, так и в подземные воды, вследствие чего, вода становится малопригодной для хозяйственного и бытового использования без дополнительной обработки.

Такая ситуация характерна для многих алюминиевых предприятий, в том числе и для Новокузнецкого алюминиевого завода.

В связи этим, становится очевидной актуальность работ, направленных на переработку (выделение и возвращение в процесс электролиза) образующихся и уже накопленных фторуглеродсодержащих отходов электролизного производства.

 

 


 

1 Общая часть

 

1.1 Утилизация отходов на ОАО «РУСАЛ Новокузнецк»

Вопросами газоочистки, пылеулавливания и утилизации отходов на ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» занимается отделение производства фтористых солей (ОПФС). Это структурное подразделение входит в состав Дирекции по производству ОАО «РУСАЛ Новокузнецк»[1].

Основными задачами данного подразделения являются:

· уменьшение количества выбросов вредных веществ в атмосферу;

· переработка отходов – растворов мокрой очистки отходящих электролизных газов с получением регенерационного криолита (ВРК), угольной пены – с получением флотационного криолита (ВФК), шламов газоочистки – с получением фторглиноземного концентрата (ФГК).

 

1.1.1 Система газоочистки и пылеулавливания

Для утилизации отходящих газов применяют сухую и мокрую газоочистку. Сухая адсорбционная газоочистка газов электролиза применяется за рубежом и в нашей стране для электролизов с предварительно обожженными анодами. На ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» применяется мокрая газоочистка, которая используется на устаревшем оборудовании и в последние годы все больше предприятий используют сухие сорбционные способы[1].

В состав газоочистной установки (ГОУ) входит оборудование, которое представлено в таблице А1 (приложение А).

Рассмотрим технологию очистки электролизных газов от электролизеров с ВТ на примере 2 – ой площадки, которая включает в себя процессы:

· эвакуация электролизных газов;

· процесс очистки электролизных газов:

- абсорбционный процесс очистки электролизных газов VI, VII серии в скрубберах;

- процесс очистки электролизных газов VIII серии в электрофильтрах и скрубберах.

Принципиальная аппаратурно – технологическая схема очистки газов от электролизеров с ВТ приведена на рисунке 2.

Сбор электролизных газов осуществляется секциями газосборного колокола, откуда посредством разрежения создаваемого дымососом газ поступает в горелочные устройства для дожигания оксида углерода и ПАУ, и далее через коллекторы газоходов, подкорпусные и межкорпусные газоходы транспортируется для дальнейшей очистки на ГОУ. Горелочное устройство предназначено для дожигания (термического обезвреживания) горючих компонентов электролизных (анодных) газов (оксида углерода и смолистых соединений), выделяющихся в процессе электролиза и накапливающихся под газосборным колоколом электролизера.

Основное назначение газоходов заключается в отводе образующейся при электролизе алюминия пылегазовой смеси от источника образования, подводе запыленного газа к газоочистным установкам и далее к дымовой трубе. На наружных газоходах и коллекторах предусмотрены запорные и регулирующие устройства (дроссель-клапан, направляющий аппарат, шибер (заслонка)), служащие для регулирования расхода газа, производительности дымососа или полного отключения того или иного участка газохода на период остановок для ремонта[1].

Абсорбционная (мокрая) очистка электролизных газов от вредных выбросов происходит в скрубберах.

Отходящие газы электролизных корпусов содержат в своем составе вредные для окружающей среды газообразные вещества (HF – фтористый водород, SO2 – диоксид серы, CO – оксид углерода, CO2 – диоксид углерода и др.), угольную, криолитовую, глинозёмную пыль, смолистые вещества[2].

В основном скрубберы (рисунок 1) используются в газоочистных установках алюминиевых заводов в качестве второй ступени очистки газов колокольного отсоса от фтористого водорода. Одновременно в скрубберах происходит улавливание сернистого ангидрида, а также доочистка газов от пыли и смолистых веществ.

Очистка газов в скруббере осуществляется за счет взаимодействия потоков газа и содового орошающего раствора.

 

1 Общая часть

Рисунок 1 – Скруббер газоочистной установки

 

В скрубберах протекают следующие химические реакции:

HF + Na2CO3 = NaF + NaHCO3                                             (1)

HF + NaHCO3 = NaF + CO2 + H2O                                        (2)

SO2 + Na2CO3 + 0,5 O2= Na2SO4 + CO2                                 (3)

СO2 + Na2CO3 + Н2O = 2 NaНСO3                                         (4)

Полученный на газоочистных установках насыщенный раствор откачивается в отделение производства фтористых солей (ОПФС), где после удаления твердой фазы (шлам), осветленный фтор–содо–бикарбонатный раствор нагревается и смешивается с алюминатным раствором в реакторах, при этом протекает реакция криолитообразования:

12NaF+αкNa2O·Al2O3+(6+2αк)NaHCO3=2Na3AlF6↓+(6+2αк)Na2CO3+

+(3+αк)H2O                                                                               (5)

где αк – каустический модуль.


1 Общая часть

Рисунок 2 – Аппаратурно – технологическая схема очистки электролизных газов


Процесс очистки электролизных газов VI, VII серии[]

С целью уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу на VI, VII серии установлены аппараты двухступенчатой очистки газов – сдвоенные скрубберы, выполняющие функции первой и второй ступени очистки, улавливающие фтористый водород, сернистый ангидрид, пыль, смолистые вещества.

В центробежном дымососе поток газа входит по оси вращения, поворачивается под углом, близким к 900, затем перемещается в рабочем колесе от центра к периферии в спиральный корпус улиты. Лопатки рабочего колеса вращаются вместе с валом, образуя круговую решетку лопастей. Вал рабочего колеса соединен с валом электродвигателя. Энергия, подводимая к дымососу, передается перемещаемому газу круговой решеткой лопастей, в которой происходит увеличение энергии, выраженное в приращении давления, и, следовательно, скорости движения газа.

Скруббер полый скоростной относится к категории мокрых пылегазоулавливающих аппаратов, в которых газ подается сверху. Поток газа, выходя из полого скруббера, контактирует с поверхностью раствора, что приводит к осаждению твердых фракций, и поворачивает на 1800, направляясь вверх.

Вторая ступень очистки газа – основной скруббер, который работает как ударно – инерционный пылеуловитель плюс полый противоточный скруббер.

Внутри расположены два яруса орошения с десятью однотарельчатыми форсунками на каждом. Нижний ярус направлен по потоку газа, верхний – на встречу потоку газа. Форсунки предназначены для диспергирования орошающего раствора. После дополнительной промывки содовым раствором, диспергируемым (распыляемым) из форсунок, газ выводится из верхней зоны основного скруббера и транспортируется через наклонный газоход, где дополнительно орошается однотарельчатыми форсунками. Затем газ попадает в циклон – каплеуловитель и далее в дымовую трубу. Очищенный газ через дымовую трубу высотой 120 м выбрасывается в атмосферу.

Процесс очистки электролизных газов VIII серии

С целью уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу на VIII серии установлены аппараты двухступенчатой очистки газов. Первой ступенью служат электрофильтры ПГД 2х20 – горизонтальные, двухсекционные, двухпольные с S – образными осадительными электродами (рисунок 3).

Содержащий взвешенные частицы газ проходит через неоднородное электрическое поле, создаваемое двумя разноименными заряженными электродами, с большой разностью потенциалов. На поверхности коронирующего электрода напряженность электрического поля при определенной величине приложенного напряжения образует «коронный» разряд. В зоне «короны» происходит ударная ионизация газа с образованием большого количества анионов и катионов. Под действием электрического поля, частицы поля получают заряд. Заряженные частицы притягиваются к противоположно заряженному электроду и осаждаются на его поверхности. К коронирующим электродам, изолированным от корпуса, подается напряжение отрицательной полярности. Основная масса пыли получает отрицательный заряд и осаждается на осадительном (положительном) электроде[1].

1 Общая часть

Рисунок 3 – Электрофильтр горизонтальный

 

Посредством механизма встряхивания, уловленная пыль стряхивается с осадительных электродов в конус и накапливается в бункерах, которые освобождаются по мере накопления.

Газы поступают на 2 – ую (мокрую) ступень газоочистки в скрубберы снизу вверх. Они подаются отдельными дымососами и орошаются содовым раствором, который из отделения производства фторсолей подается постоянно в бак циркуляционный, предназначенный для аккумулирования свежего содового и отработанного растворов ГОУ. Из циркуляционного бака раствор насосом циркуляционным подается в систему орошения скрубберов.

Для улавливания капель орошающего раствора, уносимых потоком газа из скрубберов, служит циклон – каплеуловитель, установленный в основании дымовой трубы, выполненной из углестеклопластика. Ввод газа в циклон осуществляется через коллектор, соединяющий нагнетательные газоходы и тангенциально врезанный снизу в боковую стенку циклона. Предусмотрена промывка данных газоходов от пыли и смолистых веществ содовым раствором.

Очищенный газ через дымовую трубу высотой 120 м выбрасывается в атмосферу[1].

 

1.1.2 Переработка отходов в ОПФС

Процесс электролитического получения алюминия сопровождается значительными потерями фтора в виде газообразных и твердых (пылевидных) веществ, значительная часть которых удаляется из зоны электролиза с газами организованного газоотсоса. Отходящие газы электролизных корпусов содержат в своем составе вредные для окружающей среды газообразные вещества (HF – фтористый водород, SO2 – диоксид серы, CO – оксид углерода, CO2 – диоксид углерода и др.), угольную, криолитовую, глинозёмную пыль, смолистые вещества, которые в дальнейшем подвергают очистке содовым раствором[2].

Применяемая технология газоочистки, при которой нейтрализация вредных выбросов происходит методом абсорбции в скрубберах, требует обязательного внедрения технологии производства регенерационного криолита (приложение Б, рисунок Б.1).

Основные отходы производства алюминия:

· при работе газоочистной установки образуется шлам, содержащий в своем составе глинозем и фторсоли. Для извлечения глинозема и фторсолей шламы (частично) подвергают флотации. В результате чего получается фторглиноземный концентрат – ФГК (приложение Б, рисунок Б.2). Непереработанный шлам отправляют на шламовое поле;

· электролитная (угольная) пена, которая содержит компоненты, ценные для электролиза алюминия. Для разделения углеродистой и электролитной составляющей пену подвергают флотации, в результате чего получается флотационный криолит (вторичный флотационный криолит – ВФК) и хвосты флотации (приложение Б, рисунок Б.3). Хвосты флотации направляют в шламонакопитель;

· пыль электрофильтров – пыль, улавливаемая на стадии сухой очистки анодных газов в электрофильтрационных установках, отправляется на шламовые поля.

 

1.2 Характеристика фторуглеродсодержащих отходов

 

1.2.1 Пыль электрофильтров

Происхождение данного вида отходов обусловлено спецификой оформления аппаратурно – технологической схемы очистки газов электролиза, которые  существуют на большинстве отечественных алюминиевых заводах. Уловленная на стадии сухой очистки анодных газов в электрофильтрационных установках пыль образует самостоятельный вид отходов алюминиевого производства – пыль электрофильтров.

По внешнему виду сухая пыль электрофильтров представляет собой мелкодисперсный порошок темно–серого цвета. Увлажненная пыль приобретает ярко выраженный черный оттенок. Источниками образования пыли электрофильтров служат выносимые с анодными газами частички  загружаемого в электролизер сырья (глинозем, фтористые соли), твердые продукты эрозии анода (углерод), а также сконденсировавшиеся при охлаждении продукты испарения электролита и капельки электролита, увлеченные газовыми потоками. Пылеуносу способствует разрежение, создаваемое в системе газоочистки.

Объем образования и состав пыли электрофильтров на разных заводах различен и зависит от уровня и состояния технологии в корпусах электролиза, от вида используемой обрабатывающей техники, характеристик сырья, а также параметров работы, технического состояния газоочистного оборудования. Удельный объем образования пыли электрофильтров изменяется в пределах 13 – 20 кг/т  Al – сырца. Уловленная электрофильтровая пыль вместе с другими мелкодисперсными отходами (шламами газоочистки и хвостами флотации угольной пены) складируется в специально оборудованных местах – шламохранилищах[3].

Пыль электрофильтров представлена тремя основными составляющими: оксидом алюминия, фтористыми солями и углеродом. На тех заводах, где электролиз ведется при пониженном криолитовом отношении, пыль электрофильтров наиболее богата фтором (F = 18 – 23 %). Пределы содержания основных элементов в пыли электрофильтров представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Химический состав пыли электрофильтров, % масс.

Элемент

Содержание

Элемент

Содержание

F

13 – 23

Si

0,007 – 0,3

Na

9 – 13

C

20 – 34

Al

9 – 19

Fe

1,0 – 2,1

Ca

0,4 – 2

SO4

1,5 – 4,5

Mg

0,1 – 1,1

K

0,5 – 15

Смол.

3 – 8

 

 

Основу молекулярного состава пыли электрофильтров составляет оксид алюминия Al2O3 преимущественно α – модификации, фтористые соли (в основном криолит Na3AlF6 и хиолит Na5Al3F14), углерод С, смолистые вещества и сульфат натрия Na2SO4.

Пыль электрофильтров является тонкодисперсным отходом, средний диаметр частичек которого варьируется в пределах от 10 мкм до 25 мкм. Примерный гранулометрический состав пыли электрофильтров представлен в таблице 2. Дисперсный состав пыли зависит от крупности частиц используемого сырья (в первую очередь глинозема), разрежения в системе газоотсоса и объема отсасываемых газов. Как правило, чем больше объем газоотсоса, тем крупнее размер частиц в пыли электрофильтров[3].

 

Таблица 2 – Гранулометрический состав пыли электрофильтров

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

0 – 1

0

12 – 16

0

1 – 2

4,9

16 – 24

27,0

2 – 3

2,4

24 – 32

2,3

3 – 4

0

32 – 48

24,9

4 – 6

5,5

48 – 64

4,5

6 – 8

3,0

64 – 192

16,5

8 – 12

9,0

dср

22,9

 

Удельное сопротивление пыли электрофильтров составляет 4*107 – 108 Ом*см при точках росы газа от 10 0С до 40 0С. Истинная плотность (плотность самих пылинок) электрофильтровой пыли составляет  в среднем 2,92 г/см3. Насыпная плотность сухой пыли электрофильтров варьируется в интервале 0,86 – 1,15 г/см3. Угол естественного откоса, также в зависимости от насыпной плотности, изменяется в пределах 350  - 400.

Изучение некоторых характеристик суспензии пыли электрофильтров, сбрасываемой на шламовое поле, проведено на Иркутском алюминиевом  заводе. При замешивании пыли электрофильтров в оборотную воду, происходит частичное растворение некоторых компонентов. В результате оборотная вода превращается в слабый щелочной раствор.

Среди микропримесей, содержащихся в пыли электрофильтров, наибольший интерес представляют соединения бериллия и галлия. Последние аккумулируются в данном виде отходов в силу особенностей технологического процесса электролиза и своих физико-химических свойств. Содержание бериллия в пыли электрофильтров составляет 0,001 – 0,003 % масс., галлия – 0,010 – 0,12 % масс. Источником поступления бериллия, в основном, является глинозем, в котором соединения бериллия присутствуют в качестве микропримесей.

Галлий привносится в электролиз также, в основном, из глинозема и иногда из зольной составляющей кокса анодной массы. В перечисленных видах сырья галлий присутствует, вероятно, в виде оксида Ga203 или галлата натрия Na20*Ga203. При температуре электролиза (~9600С), в присутствии восстановителей (СО, С), оксид галлия восстанавливается до летучего оксида Ga2О и удаляется с анодными газами. В процессе охлаждения газов оксид галлия конденсируется из газовой фазы и окисляется до Ga2O3. Галлий является ценным сырьем для полупроводниковой промышленности. Несмотря на высокое содержание галлия в земной коре 1,9 – 10 % масс., он не образует собственных месторождений, а сопутствует соединениям алюминия, цинка, германия, индия. В настоящее время основным промышленным источником галлия являются бокситовые руды, содержащие 0,002 – 0,006 % масс[3].

 

1.2.2 Шлам газоочистки

Шлам газоочистки представляет собой тонкодисперсный фторуглеродсодержащий отход алюминиевого производства. Образуется при разделении насыщенной газоочистной суспензии на осветленный раствор и сгущенный продукт, состоящий из мелких частиц электролизной пыли. Как правило, разделение газоочистной суспензии производится в радиальных отстойниках (сгустителях) непрерывного действия. Получаемый осветленный раствор направляется на переработку с целью получения регенерационного криолита. Осаждающиеся на дно сгустителя твердые частицы образуют шлам газоочистки, который выводится из процесса с частью насыщенного газоочистного раствора и сбрасывается на шламовое поле[3].

По внешнему виду шлам газоочистки идентичен пыли электрофильтров и представляет собой мелкодисперсный порошок от темно-серого до черного цвета. Основу шлама газоочистки составляет пыль, содержащаяся в газах электролиза, которая не была уловлена на стадии сухой очистки в электрофильтрах. При абсорбции анодных газов содовым раствором в аппаратах мокрой очистки, наряду с улавливанием газообразных HF и SO2, происходит доочистка газов от частиц пыли. Кроме электролизной пыли шлам газоочистки может содержать твердые частицы криолита Na3AlF6 и гидроалюмокарбоната натрия Na2O*Al2O3*2CO2*nH2O, поступающие на газоочистку с содовым раствором, основу которого составляет маточный раствор варки криолита. Также в шламе может присутствовать криолит, образующийся в аппаратах мокрой очистки газов. Данное обстоятельство возможно в случаях, когда в процессе кристаллизации криолита имела место передозировка алюминатного раствора, и образовавшийся маточный раствор содержал избыточное количество алюминатного раствора[3].

Удельный объем образования шлама газоочистки несколько уступает объему улавливаемой пыли электрофильтров и составляет 10 – 13 кг/т алюминия – сырца. Количество образующегося шлама определяется следующими основными факторами:

· содержанием пыли в газах организованного газоотсоса;

· эффективностью улавливания пыли в электрофильтрационных установках и абсорберах;

· остаточным содержанием твердых частиц в маточном растворе после сгущения регенерационного криолита;

· остаточным содержанием Al2O3 в маточном растворе после кристаллизации криолита (в случае передозировки алюминатного раствора).

Пределы варьирования элементного состава шлама газоочистки представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Содержание основных элементов в шламе газоочистки, % масс.

Элемент

Содержание

Элемент

Содержание

F

17 – 25

Si

0,1 – 0,5

Na

15 – 23

C

20 – 30

Al

12 – 22

Fe

0,1 – 2,1

 

 

 

Продолжение таблицы 3

Элемент

Содержание

Элемент

Содержание

Ca

0,5 – 1,5

SO4

3 – 8

Mg

0,2 – 0,1

K

0,5 – 1,5

Смол.

3 – 8

 

 

Основу шлама газоочистки составляют фтористые соли, оксид алюминия (преимущественно α - модификации), углерод, смолистые вещества и сульфат натрия. В отличие от пыли электрофильтров, шлам газоочистки практически не содержит хиолита, при этом в шламе может присутствовать некоторое количество гидроалюмокарбоната натрия Na2O * Al2O3 * 2CO2 * nH2O[3].

Наличие в шламе газоочистки оксида железа обусловлено теми же причинами, что и его присутствие в пыли электрофильтров (коррозия колокольных газосборников, горелочных устройств, газоходов). Дополнительно железо переходит в шлам в результате коррозии растворопроводов, газоочистного оборудования, а также оборудования, задействованного в схеме переработки газоочистных растворов на регенерационный криолит.

Как правило, средняя крупность частичек шлама газоочистки близка или чуть меньше размера частиц пыли электрофильтров и колеблется в пределах 7 – 20 мкм. Данные по гранулометрическому составу шлама газоочистки представлены в таблице 4[3].

Таблица 4 – Примерный гранулометрический состав шлама газоочистки

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

0 – 1

2,8

12 – 16

11,6

1 – 2

5,7

16 – 24

12,6

2 – 3

6,2

24 – 32

5,6

3 – 4

5,8

32 – 48

4,2

 

 

Продолжение таблицы 4

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

Класс крупности, мкм

Содержание класса, % масс.

4 – 6

12,2

48 – 64

1,0

6 – 8

11,8

64 – 192

0,5

8 – 12

20,1

dср

9,25

 

 

1.2.3 Хвосты флотации угольной пены

Существующая на алюминиевых заводах технология переработки угольной пены, снимаемой с поверхности электролита алюминиевого электролизера, включает ее обогащение методом обратной флотации. При обратной флотации, в отличие от прямой, целевым является камерный продукт, а пенный продукт представляет собой отход производства. Процесс флотационного обогащения реализуется, как правило, в механических флотомашинах, куда подается измельченная пульпа угольной пены. При этом получают камерный продукт - флотационный криолит, который возвращают в электролизное производство, и пенный продукт — углеродистые хвосты флотации, являющиеся отходом производства[3].

Хвосты флотации являются весомой составляющей в перечне отходов алюминиевого производства. Объем образования хвостов флотации, при одинаковом количестве переработанной пены, определяется двумя основными факторами:

-  составом исходной угольной пены, а именно содержанием в ней углерода и фтора: чем больше в пене углерода и меньше фтора, тем больше образуется хвостов флотации;

- уровнем аппаратурно-технологического оформления процесса флотационного обогащения угольной пены.

На практике удельный выход хвостов флотации при выпуске 1 тонны криолита может колебаться в пределах 400 – 700 кг. Если оценивать выход хвостов флотации угольной пены в пересчете на производство 1 тонны товарного алюминия, то этот показатель для разных заводов составит от 10 кг/т А1 до 25 кг/т А1 (в зависимости от состава и количества снимаемой пены и технологии ее переработки)[3].

Сухие хвосты флотации угольной пены представляют собой мелкодисперсный порошок черного цвета. Влажные хвосты флотации имеют вид черной пластичной пасты. Насыпной вес сухих хвостов флотации зависит от их крупности и составляет 0,74 – 0,76 г/см. Угол естественного откоса сухих хвостов флотации равен 32° - 33°. По своему составу хвосты флотации являются многокомпонентной смесью, основу которой составляют углерод, фтористые соли и оксид алюминия. Источником углерода в хвостах флотации является анодная масса, а присутствие фтористых солей и оксида алюминия связано с наличием электролита в перерабатываемой угольной пене[3].

Таблица 1.5 – Пределы содержания основных элементов в хвостах

                            флотации угольной пены, % масс

Элементы

Пределы варьирования

Примерный состав

Na

4,5 – 7,0

6,0

Al

2,5 – 5,5

4,2

F

6,0 – 12,0

9,0

C

65,0 – 85,0

80,5

K

0,1 – 0,5

0,15

Ca

0,4 – 0,7

0,6

Mg

0,15 – 0,40

0,25

Fe

0,60 – 1,0

0,75

Si

0,10 – 0,25

0,15

S

0,15 – 0,60

0,45

Смол

0,7 – 1,5

1,0

               

 

Хвосты флотации угольной пены, также как пыль электрофильтров и шлам газоочистки, в настоящее время не перерабатываются и складируются на шламовых полях. К сожалению, среди десятков известных технических решений по повторному использованию хвостов флотации до промышленной реализации не было доведено ни одного. Тем ни менее, высокое содержание углерода в хвостах флотации вселяет уверенность, что в ближайшее время проблема их утилизации может быть решена[3].

 

1.3 Переработка отходов во фторсодержащие продукты для

          алюминиевого производства

Алюминиевая промышленность является источником поступления в атмосферу ряда загрязняющих веществ – фтористых и сернистых соединений, пыли, оксида углерода, возгонов каменноугольного пека и др. Это связано с особенностями технологии промышленного получения алюминия, при которой используются такие сырьевые компоненты как глинозем, фтористые соли, нефтяной кокс, каменноугольный пек. Эти материалы являются основными источниками выбросов вредных, канцерогенных веществ в атмосферу. Современные требования по охране окружающей среды ставят предприятия алюминиевой промышленности в достаточно жесткие рамки по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу. Наряду с этим, повышение экологической опасности усугубляется большими масштабами и темпами наращивания мощностей по производству алюминия. Актуальность данных вопросов делает необходимым появление и разработку новых, более совершенных, методов по переработке отходов алюминиевой промышленности для более полного извлечения ценных для производства компонентов и решения проблем экологической безопасности[4].

 

1.3.1 Переработка отходов газоочистки способом флотации

          с получением фторглиноземного концентрата

На шламовых полях алюминиевых заводов скопилось большое количество углеродсодержащих продуктов, которые можно было бы использовать для сжигания на ТЭЦ, однако этому препятствует высокое содержание фтора.  

Первоначально технология извлечения фтора из пыли и шлама газоочистки была реализована следующим способом. Пульпа газоочистки через подогреватели направлялась в двухъярусный сгуститель. Осветленный раствор переливом через верхний порог сгустителя поступал в буферную емкость и насосами подавался в реактор варки криолита. Сгущенный продукт разгружался через нижний слив сгустителя и поступал с определенной плотностью в мешалку объемом 50 м3. Сгуститель разгружался автоматически по заданной компьютером программе. Из мешалки пульпа закачивалась в буферную емкость объемом 250 м3, где происходило разбавление технической водой, и далее пульпа закачивалась на флотомашину. Процесс флотации осуществлялся в две стадии: основная флотация проходила в первых камерах без подачи флотореагентов. В результате получали два продукта: камерный - промпродукт и пенный – хвосты основной флотации, последний самотеком сливался в мешалку и далее перекачивался на шламовое поле. Промпродукт поступал на перечистную стадию флотации, которая проходила в последующих камерах с подачей флотореагентов. В результате получали два продукта: камерный продукт – фторглиноземный концентрат (ФГК), который самотеком поступал на сгущение совместно с пульпой флотокриолита в сгуститель; пенный продукт – хвосты направлялись в шламовую мешалку[5].

Флотореагенты подавались в камеры флотомашины через воздухозаборные патрубки блоков импеллера и регулировались в зависимости от количества и плотности шламовой пульпы. Качество флотокриолита определялось визуально по цвету пульпы в последней камере. Забор воздуха регулировался заслонками на блоке импеллера флотационной камеры. При нормальном режиме флотационного процесса в последних камерах перечистной флотации цвет пульпы из темного должен переходить в серый. Извлечение фтора находилось в пределах 10 %.

В связи с этим представляется актуальной и объективной постановка задачи при селективном разделении шлама и пыли газоочистки, которая заключается в предварительной подготовке исходного материала перед процессом флотации.

Результаты исследований позволили предположить, что при электролизе криолитоглиноземного расплава (t = 950 °С) пары A1F3 поступают в газоход и кристаллизуются в виде мельчайших частиц. Одновременно в газоход выделяются летучие углеродистые соединения связующего вещества при сгорании анода, которые конденсируются на кристаллах A1F3, в результате чего частицы A1F3 полностью покрываются оболочкой смолистых веществ. В процессе флотации эти частицы уходят в пенный продукт, чем и объясняется высокое содержание фтора в хвостах флотации[6].

Мелкие частицы (1 – 7 мкм) выступают в качестве стабилизатора пены и вместе с пенным продуктом увлекаются в хвосты. Более крупные частицы, в основном углерод, поступают в камерный продукт. Следовательно, несколько заниженное разделение углерода и фтора объясняется тем, что поверхностные свойства исходного продукта – шлама и пыли газоочистки не имеют различий в степени гидрофобности поверхностей, что обусловлено конденсацией смолистых веществ на поверхности фтористых солей в процессе газоочистки.

Шламы и пыль подвергают предварительной отмывке горячей водой для максимального удаления смолистых веществ с их поверхности. В качестве жидкой фазы используются бросовые промывные воды после репульпации регенерационного криолита от сульфата натрия. Подготовленная пульпа направлялась на измельчение в шаровую мельницу совместно с угольной пеной. В результате отмывки и совместного измельчения угольной пены, пыли и шлама газоочистки происходило удаление смолистых веществ с поверхности частиц шлама газоочистки до 80 %. Смолистые вещества, представленные жидкими фракциями нефтепродуктов, обладают свойствами флотореагентов (керосин и сосновое масло) и позволяют значительно снизить их расход[6].

Таким образом, при реализации совместной флотации угольной пены, пыли и шлама газоочистки происходит снижение накопления твердых отходов на шламовых полях, повышается выход высококачественного фторглиноземного концентрата и значительно снижается расход флотореагентов.

 

1.3.2 Метод высокотемпературной обработки

В проблеме переработки фторсодержащих отходов электролиза алюминия одним из перспективных направлений является технология, включающая сжигание углеродистой части отходов, пирогидролиз натриево – алюминиевых фторидов и улавливание полученного фтористого водорода содовым раствором (применительно к материалам шламовых полей и хвостам флотации – таблицы 6, 7).

 

Таблица 6 – Шлам со шламового поля, % масс.

Соединение

Содержание

2,7 NaF·AlF3

33,09

K2NaAlF6

5,58

CaF2

0,98

MgF2

1,54

Fe2O3

0,8

SiO2

0,3

Na2SO4

1,04

Al2O3

3,5

C

52,0

Смол.

1,17

 

Таблица 7 – Хвосты флотации, % масс.

Соединение

Na3AlF6

CaF2

MgF2

Fe2O3

SiO2

Na2SO4

Al2O3

C

Прочие

Содержание

10,59

1,37

1,28

0,7

0,1

0,74

1,02

81,0

3,2

 

Авторами [7] по кинетическим уравнениям была рассчитана продолжительность горения отходов при  t = 1200 0С.

                Учитывая полученные данные по кинетике горения углерода, утилизацию отходов методом высокотемпературной обработки следует рекомендовать для таких отходов, как шлам газоочистки электролиза и хвосты флотации электролитной пены.

                Для достижения степени пирогидролиза 80 – 90 % при t = 1200 0C, необходимое время пребывания отходов в зоне высоких температур составляет 4 – 9 мин.

                Необходимая температура процесса для обеспечения времени пирогидролиза, сопоставимого со временем горения отходов, составляет 1600 – 1700 0С. Такая температура может развиваться в зоне факела при условии отсутствия разбавления топочных газов вторичным воздухом или при подогреве воздуха, подаваемого в топку[7].

                Высокотемпературная обработка 5,0 т/час сухих отходов со средним содержанием фтора 8 % и содержанием углерода 63 %, дают следующий объём и состав отходящих газов (таблица 8).

 

Таблица 8 – Объём и состав отходящих газов

Наименование компонента

Часовой поток

Концентрация, г/нм3

нм3/час

кг/час

CO2

6268,2

12347,9

314,1

H2O

2705,2

2174,2

55,3

SO2

11,5

32,9

0,84

O2

1264,60

1806,6

46,0

N2

28642,0

35802,5

910,8

HF

398,6

355,9

9,0

Всего

39308,6

52520,0

 

 

Такие газы могут быть очищены по двух – или трехступенчатой схеме мокрой очистки содовым раствором с эффективностью 99,6 – 99,8 %.

Полученный при этом раствор фтористого натрия может перерабатываться на регенерационный криолит совместно с основным потоком от аппаратов мокрой газоочистки электролизного производства[7].

Технология переработки отходов путем обжига и пирогидролиза фторидов позволяет осуществлять переработку твердых фторуглеродсодержащих отходов с получением фторида алюминия путем «сухого» фторирования термоактивированного оксида алюминия. Однако, одна из главных проблем, которая возникает при использовании подобных термических методов – это образование прочных настылей, состоящих, главным образом, из алюминатов и алюмосиликатов натрия, кальция и магния с различной температурой плавления.

Чтобы разрешить данную проблему, необходимо максимально разделить фторсодержащие фазы и углерод на стадии подготовки сырья к высокотемпературному процессу. Решением данной проблемы является использование современной технологии флотации[7].

 

1.3.3 Получение углеродистого восстановителя колонной флотацией

Перспективным направлением в утилизации отходов алюминиевого производства может оказаться их использование в качестве восстановителя в различных пирометаллургических процессах или сжигание на тепловых электрических станциях. Вместе с тем, по содержанию фтора хвосты флотационного обогащения криолита не соответствует требованиям, предъявляемым к твердому топливу. Снижение содержания фтора в хвостах флотации угольной пены возможно при использовании колонных флотационных машин с нисходящим пульповоздушным потоком, которые обладают всеми достоинствами колонных флотомашин. Особенностью данных колонных аппаратов является гидродинамический режим, который позволяет обеспечить ламинарный газожидкостный режим в зоне селекции. При этом достигается возможность процесса селективной деминерализации и избирательная минерализация воздушных пузырьков в пенном слое.

Наличие этих особенностей дает возможность получит наряду с товарным криолитовым концентратом другой промпродукт – высокоуглеродистый концентрат, для которого открываются новые сферы использования в процессе переработки отходов[8]. 

 В ходе процесса, дофлотация хвостов обогащения угольной пены в колонном аппарате позволяет за одну операцию уменьшить содержание фтора в пенном продукте с 8,2 % до 5,5 %, при этом содержание углерода повышается с 79,0 % до 84,8 % при одновременном увеличении выпуска вторичного криолита на 3 – 4 %. Схема дофлотации хвостов представлена на рисунке 4.

Эффективность по переработке отходов с использованием колонных флотомашин определяется тем фактором, что позволяет организовать практически безотходную технологию электролизного производства. При этом дополнительно возвращает фтор в технологический процесс, а также имеется реальная возможность избавиться от отрицательного воздействия углерода при использовании вторичного сырья на процесс электролиза алюминия[9]. 

 

1 Общая часть

Рисунок 4 – Технологическая схема дофлотации хвостов с получением углеродистого восстановителя

 

1.4 Другие направления утилизации отходов алюминиевого

          производства

· Сернокислотное разложение фторуглеродсодержащих отходов. Натриево – алюминиевые фториды, присутствующие в отходах, разлагают серной кислотой во вращающихся печах с получением фтористого водорода и натриево – алюминиевых квасцов. Фтористый водород направляется в производство фтористых солей по любой из известных технологий. Натриево – алюминиевые квасцы нейтрализуются известковым молоком с образованием гипса, который выводится на шламовое поле, и растворов алюмината натрия, которые могут быть использованы в производстве криолита или глинозема. Вопрос утилизации натриево – алюминиевых квасцов требует дополнительных исследований и технологической проработки.

Преимуществом данного процесса является то, что его можно организовать на существующем подобном оборудовании завода без дополнительных капиталовложений. Недостаток состоит в необходимости утилизации продуктов сернокислотного разложения отходов – натриево – алюминиевых квасцов[14].

· Переработка пыли и шлама газоочистки варкой в плавиковой кислоте, совмещенной с флотацией углеродистых частиц. Сущность процесса заключается в последовательной обработке пыли и шлама газоочистки плавиковой кислотой и кальцинированной содой. При этом плавиковая кислота взаимодействует с оксидами алюминия, входящими в состав отходов, образованием фторалюминиевой кислоты. Криолит образуется в результате нейтрализации полученной фторалюминиевой кислоты содовым раствором. Образование криолита сопровождается выделением углекислого газа во всем объеме пульпы, это приводит к флотации углерода и выносу его из реактора. Взаимодействие оксидов алюминия с плавиковой кислотой позволяет разрушить спекшиеся частицы углерода, криолита и глинозема, что способствует более качественному разделению частиц криолита и углерода. Данная технология может быть реализована как на алюминиевом, так и на криолитовом заводе[14].

· Гидрохимический двухстадийный способ переработки тонкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов. Обработка отходов на первой стадии раствором NaOH (концентрация 30 г/дм3)  при температуре 80 0С. Реагент для второй стадии должен обеспечить максимально низкое содержание фтора в углеродистом остатке. Предположительно это должен быть слабокислый раствор. В качестве такого реагента выбран раствор щавелевой кислоты, которая позволяет перевести в раствор фтор, содержащийся в виде CaF2 и NaF. Для осаждения криолита из растворов выщелачивания использован раствор плавиковой кислоты. Для утилизации обесфторенного углеродсодержащего остатка предлагается его прессование[14].

· Термогрануляция пыли и шламов газоочистки. Процесс грануляции пыли и шламов газоочистки электролиза во вращающихся печах основан на поддержании экспериментально установленных линейных скоростей вращения барабана печи для обеспечения гранулообразования. Температуру материала на выходе печи поддерживают 700 – 750 0С для достижения необходимой для транспортировки прочности гранул путем спекания материалов.

На ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» проведены опытно – промышленные испытания грануляции шламов в 20 – ти метровой вращающейся печи. При испытании отмечено, что содержание сульфатов, вредных для технологии производства стали в гранулированном шламе, снижается в 2 раза против исходного продукта. Испытания дали положительный результат и определили необходимый расход гранулированного шлама на уровне 2,5 кг/т стали[9].

· Использование отходов алюминиевой промышленности в производстве цемента. Суть технологии заключается в замене традиционно используемых минерализаторов на основе плавикового шпата на отходы и промпродукты алюминиевого производства. При этом одновременно решаются две задачи: эффективно утилизируется значительный объем фторуглеродсодержащих отходов, а цементная промышленность получает адекватную замену  используемому природному минерализатору на основе флюоритовой руды или концентрата. Кроме того, минерализатор на основе отходов алюминиевых заводов  может эффективно применяться на цементных заводах, где до этого минерализаторы не использовались. В этом случае его использование снизит себестоимость выпускаемой продукции за счет сокращения расхода топлива и увеличения производительности печей обжига клинкера.

В настоящее время большинство отечественных цементных заводов не используют минерализаторы. Причина – удаленность источников плавикового шпата от потенциальных потребителей, поскольку основные месторождения флюоритовой руды расположены в Сибирском и Дальневосточном регионах, а также в Монголии.

Использование техногенных минерализаторов на основе отходов алюминиевого производства минимизирует затраты цементников благодаря низкой стоимости боя электродного и снижению транспортных расходов [15].

· Использование хвостов флотации при агломерации железосодержащих материалов. Данный вариант предполагает использование хвостов флотации в замен коксовой мелочи при агломерации железосодержащих материалов на предприятиях черной металлургии. Поскольку из всех твердых отходов электролиза хвосты флотации имеют минимальное содержание фтора и максимальное углерода, этот вариант является наиболее рациональным для данного вида отходов. Эта ситуация будет еще более явной при внедрении аппаратов колонного типа для флотации хвостов.

Испытания на лабораторной агломашине, показали принципиальную возможность и технико – экономическую целесообразность замены коксовой мелочи на хвосты флотации электролитной пены с коэффициентом замены, равным 1,16.

Рассматривая проблемы переработки отходов алюминиевого производства, следует иметь ввиду, что отходы различаются по физическим свойствам и химическому составу и требуют индивидуального технологического подхода при выборе варианта их использования и переработки[9].

  

1.5 Обоснование проектного решения

Рассматривая проблемы переработки отходов алюминиевого производства, следует отметить, что фторуглеродсодержащие отходы различаются по физическим свойствам и химическому составу и требуют индивидуального технологического подхода при выборе варианта их использования и переработки. Сложившаяся ситуация  и разработанные технические решения позволяют использовать следующие варианты утилизации отходов электролизного производства:

· пыли и шлама газоочистки – организация переработки во фторид алюминия на алюминиевых или криолитовых заводах.

· хвосты флотации – создание участков на алюминиевых заводах по подготовке их для использования на предприятиях черной металлургии, в том числе дофлотация хвостов с получением углеродистого концентрата.

Совмещая оба направления можно предложить использование колонных флотационных машин при переработке всех фторуглеродсодержащих отходов.

Как наиболее перспективный и наименее затратный способ переработки хвостов флотации угольной пены, необходимо отметить их дофлотацию в машинах колонного типа.

Основными достоинствами обычного колонного флотационного аппарата является:

· предельная простота конструкции;

· отсутствие вращающихся частей, быстроизнашивающихся деталей и узлов, малая металлоемкость;

· простота эксплуатации;

· низкий расход электроэнергии;

· противоточное движение частиц и пузырьков, увеличивающее вероятность их столкновения;

· повышенная селективность флотации за счет вторичной концентрации частиц в пенном слое;

· возможность регулирования расхода воздуха;

· эффективное использование производственных мощностей и объемов.

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика