Разработка эффективной технологии переработки хвостов флотации угольной пены и шламов газоочистки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Аналитический обзор проблем переработки отходов производства алюминия

1.1 Виды углефторсодержащих отходов и пути их образования

1.1.1 Угольная пена

1.1.2 Хвосты флотации угольной пены

1.1.3 Пыль электрофильтров

1.1.4 Шлам газоочистки

1.2 Подготовка углефторсодержащих отходов к переработке

1.2.1 Сгущение, фильтрация и обезвоживание мелкодисперсных материалов

1.2.2 Брикетирование мелкодисперсных материалов

1.2.3 Подход к выбору связующего

1.3 Проблемы и существующие способы переработки углеродистых отходов алюминиевого производства

1.3.1 Выщелачивание фторуглеродсодержащих отходов

1.3.2 Кислотное разложение

1.3.3 Двухстадийные способы

1.3.4 Микробиологическое разложение

1.3.5 Флотация

1.3.6 Обжиг твердых отходов

1.3.7 Спекание твердых отходов с различными добавками

1.3.8 Вакуумтермический и пиролитический способы

1.3.9 Использование при пуске электролизеров

1.3.10 Использование в производстве анодной массы

1.3.11 Использование при агломерации железосодержащих материалов

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Состав и свойства хвостов флотации угольной пены и шламов газоочистки

2.1.1 Химический и фазовый состав

2.1.2 Определение гранулометрического состава

2.1.3 Определение зольности хвостов флотации

2.1.4 Определение скорости осаждения

2.1.5 Расчет удельной площади сгущения и выбор сгустителя для сгущения угольных шламов

2.2 Проведение процесса брикетирования хвостов флотации угольной пены в лабораторных условиях

2.2.1 Проведение испытаний на прочность

2.3 Предлагаемая схема переработки угольной пены с получением вторичного криолита и брикетов из хвостов флотации

2.4 Способы комплексного использования продуктов переработки угольной пены

Глава 3. Расчет основного технологического оборудования для производства флотационного криолита из угольной пены

3.1 Расчет качественно-количественной и водно-шламовой схем обогащения угольной пены

3.2 Выбор и расчет оборудования сгущения и фильтрации

3.3 Выбор и расчет оборудования сушки

Глава 4. Автоматизация технологических процессов

4.1 Сгуститель, как объект управления

4.2 Стабилизация процесса сгущения

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ вредных и опасных факторов в цехе ПФС

5.2 Производственная санитария

5.2.1 Вентиляция

5.2.2 Освещение

5.2.3 Мероприятия по борьбе с шумом и вибрацией

5.2.4 Санитарно-бытовое обслуживание

5.3 Техника безопасности

5.3.1 Электробезопасность

5.3.2 Противопожарная профилактика

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Глава 6. Организационно-экономическая часть

6.1 Капитальные вложения

6.2 Расчет эксплуатационных затрат

6.2.1 Затраты по сырью и основным материалам

6.2.2 Расчет затрат по вспомогательным материалам

6.2.3 Расчет фонда заработной платы

6.2.4 Расчет амортизационного фонда

6.3 Расчет технико-экономических показателей

6.3.1 Определение объема реализуемой продукции

6.3.2 Прибыль и рентабельность

6.3.3 Основные технико-экономические показатели

6.4 Состояние на 2011 год

Список литературы

Введение

Металлургия - одна из важнейших базовых отраслей российской и мировой промышленности. Особое место в ней занимает металлургия легких металлов и сплавов (алюминий, магний, титан, кремний и т.д.), без которых невозможно представить научно-технический прогресс в освоении космоса, авиа-, автомобиле-, и судостроении, в различных отраслях машиностроения, химии, строительстве, в быту.

Ключевую роль среди металлургии легких металлов играет алюминиевая отрасль.

По масштабам производства алюминия Россия занимает второе место в мире, уступая Китаю.

Сегодня алюминий занял лидирующее положение в мире среди конструкционных материалов и данная ситуация сохранится в будущем, подтверждением этого служат:

o Уникальные свойства алюминия

o Упаковка пищевых продуктов

o Применение в новых технологиях

o Алюминиевый автомобиль

o Обеспеченность качественным сырьем на долгосрочную перспективу

o Возможность значительного снижения издержек его производства.

Преимущества алюминия перед другими конструкционными материалами выражается в следующем:

o Сравнительно низкий для металлов удельный вес

o Высокая коррозионная стойкость

o Легкость формования и обработки

o Способность к полной вторичной переработке

o Высокая электропроводность

o Стойкость к низким температурам.

Конструкции из алюминия требуют более низких затрат в течение срока службы и практически не требуют ремонта. Обладая хорошей гибкостью, алюминиевые конструкции эффективно несут нагрузки и значительно снижают затраты на сооружение фундаментов и опор.

Во всех видах транспорта присутствие алюминия обеспечивает повышение скорости и безопасности движения, экономию энергии. Применение алюминия в этой отрасли, а так же в тараупаковке и в быту и возможность его полной рециркуляции способствуют улучшению экологической обстановки.

Расширение потребления алюминия будет зависеть от глобальных мировых процессов развития экономики и покупательского спроса населения, в то же время уникальные качества делают его конструкционным материалом для будущих технологий, отсюда - металлом для будущих поколений.

В мировой экономике идет процесс глобализации, вызванный жесткой конкуренцией на насыщенных региональных рынках, а также возможностью расширения рынков сбыта в других регионах мира.

В рамках глобализации мировой экономики идет процесс создания в алюминиевой промышленности мира крупных интегрированных структур с полным технологическим циклом - от боксита до изделия. Март 2007 года ознаменовался созданием такой компании в России, ставшей крупнейшим производителем алюминия и глинозема в мире. На долю ОК РУСАЛ приходится:

o 4,2 млн. т алюминия в год

o 11,3 млн. т глинозема в год

o 12% мирового рынка алюминия

o 15% мирового производства глинозема

Процессы глобализации алюминиевой промышленности имеют как свои плюсы, так и минусы. К минусам можно отнести то, что деятельность крупных транснациональных компаний может отрицательно сказаться, прежде всего, на деятельности небольших алюминиевых компаний, не имеющих полного цикла производства, а так же на деятельности трейдерских компаний, не имеющих своего производства.

По оценке большинства специалистов и экспертов отрасли, образование интегрированных структур в целом должно благоприятно сказаться на развитии производства и потребления алюминия в мировом масштабе.

Рынок алюминия как и рынок других товаров не застрахован от стихийных кризисных ситуаций в мировой экономике или политике, когда появляется дилемма, либо совместными усилиями найти механизмы, позволяющие нейтрализовать зарождение или развитие кризиса, либо всем участникам рынка понести губительные потери.

Нестабильность цен в отрасли, что наблюдается в последнее время, негативно влияет на рост потребления алюминия и на расширение рынка.

Так, мировые данные показывают, что цены на алюминий за последние 15 лет имели ярко выраженную тенденцию к снижению, что не наблюдается по ценам на сталь и медь. Так же среднегодовые величины цен на алюминий к цене 1985 года (с учетом инфляции) ниже фактических величин, и эта разница возрастает по мере удаления от 1985 года.

Кроме этого, по данным экспертов алюминиевой отрасли США совокупные затраты на изделия из стали больше, чем из алюминия, а энергозатраты на изделия из алюминия в автомобиле окупаются после пробега 60 тыс. км (расход бензина). 100 кг алюминия в автомобиле дают экономию бензина каждые 100 км - 0,6 литра.

Алюминиевая промышленность России оказалась хорошо подготовленной к вхождению в мировой рынок. И на сегодняшний день она остается одной из наиболее конкурентоспособных российских отраслей промышленности на мировом рынке.

Положение российской алюминиевой промышленности на мировом рынке определяется её следующими особенностями:

o Сравнительно недорогая энергия гидроэлектростанций, а так же расположение электролизных производств в непосредственной близи от них

o «экспорт алюминия - это экспорт электроэнергии в компактной упаковке» (цитата западных аналитиков)

o Наличие высококвалифицированных кадров, что очень важно для таких сложных технологических процессов, как глиноземное, алюминиевое и прокатное производства.

Основными направлениями потребления на российском рынке являются:

o Транспортное машиностроение

o Строительство

o Машиностроение

o Упаковка

o Производство потребительских товаров

Вместе с тем, занимая достаточно прочные позиции на мировом рынке алюминия, российским алюминиевым производителям в последние годы всё чаще приходилось сталкиваться с рядом проблем, которые стали выходить на первый план.

Среди текущих проблем можно выделить следующие четыре:

o Существенное отставание от развитых стран по темпам технического перевооружения, модернизации и реконструкции действующих предприятий алюминиевой промышленности на базе новой техники и передовой технологии.

o Необходимость ускоренного развития, так называемого четвертого передела алюминия и его сплавов - по обработке металлов и выпуску высококачественных готовых изделий.

o Настоятельная необходимость значительного повышения конкурентоспособности отечественной металлопродукции на отечественном и мировом рынках

o Положение в отраслевой науке.

Алюминий - наукоемкая и дорогостоящая продукция. Кардинальное решение проблем создания и освоения новых металлургических агрегатов, ресурсосберегающих и экологически более безопасных технологий в металлургии невозможно без поддержки отраслевой науки - главного разработчика инноваций для металлургической промышленности.

По оценкам разных специалистов в будущем мировому производству алюминия будут присущи следующие тенденции:

o Дальнейшая интернационализация и укрупнение алюминиевого бизнеса, включение в него энергетических мощностей

o Расширение потребления алюминия в таких отраслях, как автомобильное и транспортное машиностроение, строительство, бытовая техника, товары быта

o Расширение рынка алюминия за счет корпоративных связей между производителем и потребителем данного металла в научно-исследовательской деятельности, разработке технологий, создании совместных производств

o Ожидаются радикальные изменения в технологии алюминия и глинозема, что позволит существенно снизить издержки производства.

o Производство алюминия будет базироваться на использовании традиционного сырья - бокситов, и только в конце столетия вынуждены будут использовать технологии переработки менее качественного сырья. Такие технологии уже сегодня имеются в России, но к тому времени будут внесены значительные усовершенствования в соответствии с новыми достижениями науки и техники

Проблема взаимоотношений алюминиевой промышленности, как крупного потребителя электроэнергии с энергетическими структурами, будет обостряться. Возникнет необходимость создания собственных энергоисточников в рамках крупных компаний, что повлечет за собой укрупнение электролизных производств. Ориентир будет взят на создание гидроэнергетических и атомных станций.

Алюминиевые заводы являются источниками образования огромного количества различных отходов. Количество твердых отходов алюминиевого производства сильно зависит от срока службы электролизеров.

В последние несколько лет на Братском алюминиевом заводе наблюдается тенденция сокращения срока службы электролизеров. Это связано с рядом причин: низкое качество материалов, используемых при капитальном ремонте, интенсификация процесса при устаревшем оборудовании.

Так же в последнее время вызывает беспокойство тот факт, что на большинстве российских заводов заканчиваются или уже закончились полигоны для хранения отходов переработки угольной пены и шламов регенерации криолита. Известно, что размещение и хранение отходов на шламовых полях и полигонах приводит к большим затратам при строительстве и реконструкции шламовых полей, вызывает потерю ценных для электролиза компонентов (F, Al, и др.), а также требует возмещения значительного экологического ущерба.

Целью данной дипломной работы является разработка эффективной технологии переработки хвостов флотации угольной пены и шламов газоочистки, снижения экологической нагрузки на регион и повышения технико-экономических показателей действующего производства.

Задачи работы - изучить состав и свойства хвостов флотации алюминиевого завода, предложить способы их эффективной и безопасной переработки.[1,6]

Глава 1. Аналитический обзор проблем переработки отходов алюминиевого производства

1.1 Виды углефторсодержащих отходов и пути их образования

Электролитическое получение алюминия сопровождается значительным объемом образования различных твердых отходов. Данные отходы представляют опасность для окружающей среды, т.к. содержат соединения фтора - криолит, фтористый алюминий и натрий. Сокращение до минимума количества фторсодержащих твердых отходов является проблемой весьма актуальной для всех предприятий. Утилизация отходов - большая проблема всех алюминиевых заводов России. Классическая схема переработки отходов - это флотации угольной пены с получением флотационного криолита и переработка растворов мокрой газоочистки с получением регенерационного криолита. Но эти процессы не являются замкнутыми: их побочными продуктами являются хвосты флотации и шламы газоочистки, которые складируются на шламонакопителях. Проблеме обезвреживания, использования фторсодержащих отходов и возвращения фтора в производство уделяется большое внимание.

Кроме того, работающий электролизер является источником большого количества тепла. Для удаления выделившихся газов и тепла требуются сравнительно большие объемы приточного воздуха, которые частично удаляются через фонарь в окружающую атмосферу, а частично - в систему газоочистки. Больше всего вентиляционного воздуха требуется в случае электролизеров с боковым токоподводом и меньше всего в случае электролизеров с обожженными анодами. Количество газовоздушной смеси, направляемой в систему газоочистки, составляет от 16-19 тыс. нм³ (для электролизеров ВТ) до 240-280 тыс. нм³ (для электролизеров БТ).

В настоящее время проблема утилизации твердых углефторсодержащих отходов на российских алюминиевых заводах стоит достаточно остро по причинам как экологического, так и экономического характера.

В прошлом основные экологические проблемы алюминиевой промышленности касались в основном района вокруг завода и главным образом фокусировались на выделении газообразных фторидов от электролизеров. Сейчас многие заводы, особенно за рубежом, достигли существенного прогресса в уменьшении этих выбросов.

Среди выделений наибольшую потенциальную опасность представляют фтористые соединения, которые негативно влияют на санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала и растительный мир, т.к. некоторые растения чувствительны даже к весьма небольшим выбросам этих веществ.

Выделения фтористых веществ влияют так же и на экономику производства, т.к. являются причинами коррозии оборудования и составляют заметную долю материальных затрат.

Необходимость выполнения таких технологических операций, как выливка металла, замена анодов и токоподводящих штырей, пробивка корки электролита, ликвидация анодных эффектов, не дает возможности работать с полностью герметизированной ванной

Объем выделяющихся при электролизе газов зависит от типа используемых анодов. Электролизеры с ОА практически не выделяют смолистых погонов и пиролизных продуктов, поскольку эти вещества удаляются при обжиге анодов. Электролизеры с самообжигающимися анодами даже после коксования анодной массы выделяют 2-3 кг смолистых веществ на 1т алюминия.

Общий расход фторидов при электролизе алюминия составляет 35-70 кг на тонну произведенного алюминия и примерно половина этой массы удаляется из ванны с отходящими газами. В газах, выделяющихся из электролизера, доминирующая роль принадлежит сумме оксида и диоксида углерода, но в них содержатся и такие соединения как SO₂, CF₄, SiF₄, HF, а также смолистые возгоны из анодов.

Помимо газовой составляющей, в отходящих из электролизера газах содержатся твердые частицы, возникающие в результате пыления исходных сырьевых компонентов, загружаемых в электролизер. Пыль образуется так же при погрузочно-разгрузочных работах и транспортных операциях с сырьем.

Таблица 1.1. Образование твердых отходов на 1 тонну алюминия

Наименование отхода	Количество, т/т Al
Пыль электрофильтров	0,0213
Шлам минеральный от газоочистки	0,0107
Угольная пена	0,0659
Хвосты флотации угольной пены	0,0241
Огарки самообжигающихся анодов	0,0023
Отработанная футеровка электролизеров	0,0185

Таблица 1.2. Физико-химическая характеристика твердых отходов алюминиевого производства.

Материал	Химический состав, % вес
	F	Al	Na	SiO2	Fe2O3	C	SO4	Смолы
Пыль электрофильтров	15-27	10-33	5-11	0,2-0,5	1-4	12-45	1-6	4-10
Шлам газоочистки	13-17	12-28	10-17	0,2-0,5	1-2	13-15	3-7	2-9
Пена угольная	28-32	11-14	14-16	0,5-1	0,5-1	25-30	0,1-1	-
Хвосты флотации	6-11	2-4	3-5	0,1-0,5	0,1-0,5	75-85	0,5-2,5	-
Отработанная футеровка	11-14	13-16	10-13	До 10	До 2,5	50-70	0,2-0,6	-
Другие характеристики твердых фторсодержащих отходов
Наименование	Dчаст, мкм	Средний минеральный и фазовый состав	Кол-во, т/сутки
Шлам газоочистки	0,2-10	Криолит?55%; Al2O3?15%; С?25%; примеси?5%	6-15
Пыль электрофильтров	10-70	То же	14-18
Хвосты флотации	0,3-25	С?80%; криолит?15%; примеси?5%	16-20

Углеродсодержащие отходы алюминиевого производства содержат значительные количества токсичных веществ, главным образом соединений фтора. Централизованный сбор, обезвреживание и захоронение токсичных отходов промышленных предприятий должен производиться на специально оборудованных полигонах. В соответствии со СНиП 2.01.28-85, в состав таких полигонов должны входить завод по обезвреживанию отходов, участок захоронения отходов и гараж для специализированного транспорта.

Участок захоронения токсичных промышленных отходов представляет собой территорию для размещения специально оборудованных карт или котлованов, в которые складируются токсичные твердые отходы I, II, III и по необходимости IV класса токсичности.

Отходы электролизных корпусов относятся к II - IV группам, поэтому указанные выше требования относятся к шламовым полям, а так же к промышленным отвалам, куда вывозятся для захоронения отходы отработанной футеровки, отработанные аноды пыль электрофильтров, отходы капитального ремонта баковой аппаратуры и трубопроводов.

Полигоны следует размещать на площадках, исключающих загрязнение окружающей среды. Уровень полигона на местности должен быть ниже уровня водозабора, а участок размещения - иметь слабофильтрующий грунт и залегание грунтовых вод не менее 2 м от промышленных отходов устанавливается, из срока накопления отходов в течение 20*25 лет.

Периметр участка следует ограждать забором из колючей проволоки высотой 2,4 метра с автоматической сигнализацией. Участок по периметру должен иметь кольцевой канал, кольцевое обваловывание высотой 1,5 м и шириной по верху 3 метра, кольцевую автодорогу с усовершенствованным капитальным покрытием и въездами на карты, а так же ливнеотводные лотки или кюветы с облицовкой бетонными плитами. Дождевые и талые воды отводят в специальные пруды, состоящие из двух секций. Чистые воды направляются на производственные нужды, а загрязненные - в пруд-испаритель или на завод для очистки.

Требования к полигонам для приема, переработки и захоронения промышленных отходов свидетельствуют о значительных капиталовложениях в их сооружение и эксплуатацию. Поэтому меры, направленные на снижение количества твердых отходов являются целесообразными как с экологической, так и с экономической точки зрения.[2,3,7]

1.1.1 Угольная пена

Электролитная угольная пена является продуктом неполного сгорания и эрозии самообжигающегося анода и по объему образования занимает первое место среди твердых отходов алюминиевого производства. Количество образующейся пены зависит от многих факторов, основными из которых являются качество анодной массы и технология электролиза.

Образованию угольной пены в электролизерах способствует также различие в скорости окисления кокса анодной массы и кокса связующего, образующегося при коксовании пека. Обладая большей реакционной способностью, кокс связующего сгорает быстрее, чем нефтяной или пековый кокс анодной массы. Вследствие неравномерного сгорания из тела анода в электролит выкрашиваются менее активные частицы, которые и образуют угольную пену.

Также образованию пены способствуют трещины в теле анода, что приводит к осыпанию частиц кокса в электролит. Причин трещинообразования несколько - это может быть как заводской брак при изготовлении обожженных анодов для технологии ОА, так и действие растягивающих напряжений в самообжигающемся аноде при перестановке штырей.

Накапливаясь в электролите, угольная пена может привести к технологическим отклонениям в работе электролизера, поэтому пену с поверхности электролита периодически снимают.

По внешнему виду угольная пена напоминает золу от сжигания угольного топлива и представлена пористым кусковым материалом неправильной формы с размером частиц от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров с примесью пылевидной фракции. Цвет угольной пены преимущественно темно-серый. Материал пены слабо сцементирован и при нажиме в большинстве случаев легко разрушается.

Рис. 1.1. Схема переработки угольной пены

По своему составу угольная пена является многокомпонентной смесью и в основном состоит из криолита, хиолита, углерода и глинозема. Так же в виде примесей в минимальном количестве в угольной пене присутствуют Mn, Co, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, V, Ti, Mo, Ba, Be, Ga.

Доставленная из электролизного цеха угольная пена подвергается магнитной сепарации (во избежание попадания в дробилку металлических предметов) и затем дробится на щековой дробилке, а после направляется на мокрое измельчение в шаровую мельницу. Измельченная в мельнице пена разделяется в спиральном классификаторе на два продукта - пульпу, вмещающую тонкие частицы пены и пески, состоящие из более крупных частиц пены.

Эффективность помола твердых частиц, содержащихся в сливе классификатора, характеризуется следующим показателем - 55-65% частиц пены относятся к классу крупности -0,075 мм, что обеспечивает хорошее разделение частиц угля и электролита.

Пески возвращают на доизмельчение в шаровую мельницу. Слив из классификатора, разбавленный водой до соотношения ж:т=(3-4):1, поступает в контактный чан на перемешивание с флотореагентом и далее, направляются на флотацию.

Флотационная обработка основана на свойстве не смачивающихся водой гидрофобных материалов прилипать к находящимся в водных растворах пузырькам воздуха. Гидрофобность материалов может быть усилена введением в раствор флотореагентов, которые, попадая на поверхность мелкодисперсных гидрофобных частиц ещё более ухудшают их смачиваемость водой и поэтому они более интенсивно прилипают к пузырькам воздуха и вместе с ними выносятся на поверхность пульпы.

Для увеличения эффективности процесса флотации важно иметь тонкое измельчение материала, т.к. крупные частицы не могут удерживаться пузырьками воздуха.

В процессе флотации угольной пены присутствуют два вида частиц - гидрофильные частицы электролита и гидрофобные частицы угля. Для усиления гидрофобных свойств угля в качестве флотореагента применяют смесь соснового масла с керосином в соотношении 1:9 или технического скипидара и керосина в соотношении 2:1. На производство 1 тонны флотационного криолита расходуется 1700 кг угольной пены, 0,4 кг соснового масла и 3-4 кг керосина. Возможно применение также и других флотореагентов.

Частицы угля, адсорбировавшие на своей поверхности флотореагент, становятся практически несмачиваемыми водой, и непрерывно увлекаются вверх пузырьками воздуха, образуя пену, которая снимается с поверхности пульпы механическими гребками. В результате пульпа обогащается частицами электролита, которые оседают на дно флотационной машины, а затем удаляются из неё как конечный продукт флотации - концентрат. Угольные частицы, снимаемые с пеной, являются вторым конечным продуктом флотации (хвосты), который направляется в отвал.

Процесс флотации проводится во флотационной машине, которая представляет собой емкость прямоугольного сечения, разделенную поперечными перегородками на ряд камер, снабженных импеллерами, вращающимися со скоростью 275-600 об/мин. Благодаря наличию отверстий в придонной части перегородок уровень пульпы во всех камерах одинаков. Пульпа подается в первую камеру флотомашины и последовательно переходит из одной камеры в другую. Из последней камеры первой флотомашины непрерывно самотеком выпускается пульпа, обогащенная криолитом, а угольные частицы в виде пены снимаются гребками пеногонов с поверхности пульпы каждой камеры в общий желоб. В первой группе камер первой флотомашины проводится основная флотация. Хвосты же основной флотации направляются на контрольную флотацию, которая осуществляется в нескольких камерах второй флотомашины. В остальных камерах первой и второй флотомашин, соединенных последовательно, производится перечистка криолита с получением криолитового концентрата. После контрольной флотации и выделения промпродукта-2 хвосты направляются в отвал.

Первичный криолитовый концентрат направляется на перечистную флотацию, продуктами которой являются промпродукт-1, возвращаемый на измельчение и классификацию, и криолитовый концентрат, который после сгущения, фильтрации и сушки отправляется в электролизные корпуса. Как правило, криолитовая пульпа, полученная флотацией угольной пены, смешивается с пульпой регенерационного криолита, и в электролизный цех направляется смешанный криолит.[4]

1.1.2 Хвосты флотации угольной пены

Как отмечалось выше, на алюминиевых заводах переработка угольной пены производится флотационными способами. На механических флотационных машинах предварительно измельченная и распульпованная пена разделяется на два продукта: камерный продукт - флотационный криолит, который далее повторно используется в процессе электролиза алюминия, и пенный продукт - фторуглеродсодержащие хвосты флотации, которые являются отходами производства и складируются на шламовом поле.

В связи с непостоянством фазового и химического составов угольной пены объем образования хвостов флотации значительно варьируется. В пересчете на 1 тонну флотационного криолита выход хвостов флотации колеблется в пределах 400-700 кг. В пересчете на 1 тонну производимого алюминия-сырца этот показатель колеблется в пределах от 10 до 25кг.

Таким образом, на объем хвостов флотации влияют два основных фактора:

- состав исходной угольной пены в плане и содержания фтора и углерода.

- аппаратурно-технологическое оформление процесса флотации.

Влажные хвосты флотации непосредственно после процесса флотации представляют собой пластичную пасту черного цвета. Сухие хвосты флотации представляют собой мелкодисперсный порошок черного цвета, их насыпной вес зависит от крупности и варьируется в пределах 0,74-0,8 г/см³ при угле естественного откоса 32-33°.

По своему составу хвосты флотации являются многокомпонентной смесью, в основном состоящей из углерода, источником которого является анодная масса и соединений фтора и алюминия, источником которых является электролит.

Наиболее тщательные рентгенофазовые исследования были проведены в лаборатории технической минералогии Сибирской государственной горно-металлургической академии, г. Новокузнецк [8]. Их исследования показали, что основными составляющими хвостов флотации после механических флотомашин являются: графит, криолит, хиолит, веберит, глинозем, флюеллит, виллиомит. Второстепенные соединения с небольшим содержание представлены: геарксутитом, флюоритом, майенитом, сульфаголитом, шайреритом, буркеитом и селлаитом. Также присутствуют примесные соединения: гидрогематит, рутил, малладрит, кароббиит, гиератит, калиевый криолит, эльпазолит.

Ориентировочное содержание основных, второстепенных и примесных соединений в хвостах флотации, получаемых из механических флотационных машин, приведено в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Фазовый состав хвостов флотации.

Составляющие	Наименование соединения	Химическая формула	Среднее содержание, % объемн.
Основные	Графит	C	87.4
	Криолит	Na3AlF6	5.62
	Хиолит	Na5Al3F14	1.18
	Веберит	Na2MgAlF7	1.24
	в-глинозем	Na2O·11Al2O3	0.70
	Флюеллит	Al2(PO4)F2(OH)·7H2O	0.59
	Виллиомит	NaF	0.54
Второстепенные	Геарксутит	CaAlF4(OH)·H2O	0.34
	Флюорит	CaF2	0.29
	Майенит	Ca12Al14O33	0.15
	Сульфаголит	Na6(SO4)2FCl	0.33
	Шайрерит	Na21(SO4)2F6Cl	0.31
	Буркеит	Na6(SO4)2CO3	0.33
	Селлаит	MgF2	0.39
Примесные	Гидрогематит	Fe2O3·nH2O	Малые концентрации
	Рутил	TiO2
	Малладрит	Na2SiF6
	Каробиит	KF
	Гиератит	K2SiF6
	Калиевый криолит	K3AlF6
	Эльпазолит	K2NaAlF6

Исследования хвостов флотации методом деривотографии производились авторами работ 9. Приведенные в работе данные свидетельствуют о том, что, начиная с температуры 400°С, в образце происходят мощные экзотермические превращения с максимумов при температуре 650°С, сопровождающиеся потерей массы образца. Этот факт обусловлен горением основной фазы хвостов флотации - углерода, при этом в газовую фазу выделяются окись и двуокись углерода. Наряду с окислением углерода в образце возможно протекание процессов пирогидролиза и испарения фтористых солей при температуре выше 850°С. При достижении температуры 1090°С происходит стабилизация веса образца в связи с полным выгоранием углерода. Небольшое эндотермическое отклонение, наблюдаемое в области 900°С, обусловлено плавлением солевой фазы, состоящей из комплексных фторидов и оксида алюминия.[4,5]

1.1.3 Пыль электрофильтров

Данный вид отходов образуется на большинстве алюминиевых заводов РФ и обусловлен спецификой аппаратурно-технологической схемы очистки газов электролитического получения алюминия. Уловленные на первой стадии в электрофильтрах взвешенные вещества образуют самостоятельный вид отходов - пыль электрофильтров.

Сухая пыль электрофильтров по внешнему виду представляет собой мелкодисперсный порошок темно-серого цвета. При увлажнении пыль приобретает ярко выраженный темный оттенок. Источниками для образования пыли электрофильтров являются выносимые с анодными газами взвешенные вещества: частички загружаемого в электролизер сырья, твердые продукты разрушения анода, а также сконденсировавшиеся при охлаждении пылегазового потока продукты испарения электролита, а также его капли, увлеченные конвективными газовыми потоками. Степень пылеуноса зависит от величины разрежения, создаваемого в системе газоочистки.

Объем образования и состав пыли зависит от уровня и состояния технологии электролиза, от вида используемой для обработки электролизеров техники, характеристик сырья и от технологических параметров газоочистного оборудования. Удельный объем образования пыли электрофильтров варьируется в пределах 13-20 кг/т алюминия-сырца.

Наиболее полно состав и свойства пыли электрофильтров изучены в работах [9, 10]. Основная масса представлена тремя составляющими: оксидом алюминия, фтористыми солями и углеродом. Содержание фтора в пыли электрофильтров обусловлено криолитовым отношением электролита - при пониженном криолитовом отношении содержание фтора находится в пределах 18-23%, наиболее обедненная пыль содержит 13-15% фтора. Молекулярный состав пыли электрофильтров представлен оксидом алюминия, в основном б-модификации, фтористыми солями, углеродом, смолистыми веществами и сульфатом натрия. Фазовый состав пыли приведен в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Содержание основных элементов в пыли электрофильтров.

Наименование соединения	Химическая формула	Содержание, % вес.
Криолит	Na3AlF6	12.1
Хиолит	Na5Al3F14	11.0
Фторид натрия	NaF	2.43
Фторид алюминия	AlF3	0.71
Эльпазолит	K2NaAlF6	2.79
Флюорит	CaF2	1.48
Фторид магния	MgF2	1.36
Оксид алюминия	Al2O3	30.9
Оксид железа	Fe2O3	2.0
Оксид кремния	SiO2	0.45
Сульфат натрия	Na2SO4	4.08
Углерод	C	26.73
Смолистые вещества	-	4.68

Заметное количество оксида железа в пыли электрофильтров обусловлено абразивным действием частиц глинозема на газоочистное оборудование, которое в основном изготовлено из чугуна и стали.

Кристаллооптические исследования пыли электрофильтров, выполненные в ОАО «СибВАМИ»[11], показали, что:

- криолит-хиолитовая масса находится в виде мелких сростков размером 70-80 мкм. В отдельных образцах отмечаются отдельные зерна размером от нескольких микрон до 10-80 мкм. Показатели преломления для криолита и хиолита в пыли электрофильтров весьма близки между собой, и составляют 1,335 и 1,342 соответственно.

- фторид атрия присутствует в незначительном количестве в виде мелких игл и призм, величиной от 1 до 10 мкм. Показатель преломления варьируется в пределах 1,324-1,328.

- фторид алюминия образует редкие анизотропные зерна с размером около 10 мкм. При этом резко выделяется по показателю преломления, равному 1,4890.

- оксид алюминия представлен, в основном, свободными светло-серыми, мелкими зернами с показателем преломления 1,7650.

Тяжелые металлы в пыли электрофильтров поступают в основном из глинозема, где они являются примесями.

Таблица 1.5. Содержание примесей в пыли электрофильтров.

Наименование элементов	Содержание элементов, %
Бериллий	0,001-0,003
Ванадий	0,01-0,03
Вольфрам	0,01-0,03
Галлий	0,03-0,10
Железо	0,1-0,5
Кремний	0,01-0,1
Магний	0,1-0,3
Марганец	0,001-0,003
Медь	0,001-0,003
Молибден	0,001-0,003
Никель	0,003-0,01
Свинец	0,1-0,3
Титан	0,03-0,1
Хром	0,01-0,03

Термогравиметрические исследования, проведенные авторами работы [9], демонстрируют следующее поведение образца пыли электрофильтров.

Перед началом нагрева образца при 72°С наблюдается эндоэффект, обоснованный удалением из образца гигроскопической влаги, причем потеря веса составляет 4-5%. Далее происходит уменьшение массы образца, вплоть до температуры 415°С, что вызвано десорбцией газообразных примесей и смолистых веществ с поверхности частиц пыли. В интервале температур 415-845°С наблюдается экзотермический эффект, вследствие горения углерода.

Свыше 850°С начинается плавление соединений фтора, натрия и алюминия.[4,5]

1.1.4 Шлам газоочистки

Шлам газоочистки представляет собой тонкодисперсный фторуглеродсодержащий отход алюминиевого производства, образующийся при разделении газоочистной суспензии (пульпы газоочистки) на осветленный раствор и сгущенный продукт, состоящий из частиц электролизной пыли. Разделение пульпы газоочистки производится в радиальных отстойниках-сгустителях непрерывного действия с интенсификацией процесса с помощью флокулянтов. Осветленный раствор далее направляется в переработку для осаждения регенерационного криолита, а твердые частицы образуют шлам газоочистки, который сбрасывается на шламовое поле.

По внешнему виду шлам газоочистки идентичен пыли электрофильтров - мелкодисперсный порошок от темно-серого до черного цвета. Основа шлама газоочистки - неуловленная в электрофильтрах пыль газоочистки.

При нормальной работе электрофильтров удельный объем образования шлама газоочистки немного меньше объемов пыли газоочистки и составляет 10-13 кг/т алюминия-сырца. Количество шлама зависит от следующих основных факторов:

- содержания пыли газах организованного газоудаления.

- эффективности улавливания пыли в электрофильтрах.

- остаточного содержания твердых частиц в маточном растворе после осаждения регенерационного криолита.

- остаточного содержания Al₂O₃ в маточном растворе после осаждения криолита (передозировка алюминатного раствора приводит к образованию кристаллов криолита в аппаратах мокрой содовой очистки газов).

Молекулярный состав шламов газоочистки в основном представлен фтористыми солями, оксидом алюминия, углеродом, смолистыми веществами и сульфатом натрия. В отличие от пыли электрофильтров в шламах практически отсутствует хиолит, но может содержаться некоторое количество гидроалюмикарбоната натрия NaAlCO₃(OH).

Наличие в шламе газоочистки железа обусловлено тем же фактором, что и для пыли газоочистки - коррозия газоочистного оборудования и, дополнительно, оборудования технологической линии производства регенерационного криолита.

Таблица 1.6. Фазовый состав шлама газоочистки.

Наименование соединения	Химическая формула	Содержание, % вес.
Криолит	Na3AlF6	34.97
Эльпасолит	K2NaAlF6	1.83
Гидроалюмокарбонат натрия	NaAlCO3(OH)	2.87
Оксид алюминия	Al2O3	22.67
Флюорит	CaF2	1.07
Оксид магния	MgF2	1.05
Оксид железа	Fe2O3	1.64
Оксид кремния	SiO2	0.35
Сульфат натрия	Na2SO4	6.56
Углерод	C	21.46
Смолистые вещества	-	5.53

Поскольку основу шламов газоочистки составляет пыль, не уловленная в электрофильтрах, в шламе так же содержатся соединения бериллия и галлия. В отдельных случаях содержание галлия составляет 0,15% вес. В связи с этим разрабатывались технологии извлечения данных видов примесей с получением галлиевого концентрата.

Проведенный термогравиметрические исследования [9] показали,

что до температуры 125°С образец теряет вес вследствие удаления гигроскопической влаги. При дальнейшем нагреве до 350°С происходит десорбция газов и основной части смолистых веществ с потерей веса около 5%. Причем при 255°С эндотермическое отклонение вызвано полиморфным превращением сульфата натрия, а при 350°С - разложением гидроалюмокарбоната натрия с образованием Al(OH)₃ и Na₂CO₃.

Общий экзотермический эффект в температурном интервале 350-720°С вызван выгоранием углерода с образованием CO₂ и CO. В этом интервале при 470°С дополнительный экзотермический скачок обусловлен химическим взаимодействием криолита и кальцинированной соды.

При повышении температуры начинается плавление системы Al₂O₃-Na₃AlF₆-NaF-Na₂SO₄ с образованием зерен металлического алюминия. При этом параллельно идут процессы пирогидролиза и испарения фтористых солей, термической диссоциации сульфата натрия.[4,5]

1.2 Подготовка углефторсодержащих отходов к переработке

1.2.1 Сгущение, фильтрация и обезвоживание мелкодисперсных материалов.

Сгущением называют процесс осаждения твердой фазы и выделения жидкой фазы из пульпы, происходящий в результате оседания в ней твердых частиц под действием силы тяжести или центробежных сил. При этом под самим термином «сгущение» подразумевается получение конечного уплотненного продукта.

Процесс сгущения всегда сопровождается процессом осветления, т.е. получением свободной от твердой фазы жидкости - слива. Сгущение обычно применяется для пульп, содержащих твердую фазу в виде мелких частиц размером менее 0,5мм.

Для сгущения применяют:

1. Устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы происходит под действием силы тяжести. Непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные сгустители, цилиндрические сгустители, механические классификаторы, трубы-сгустители. Периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды.

2. Аппараты, в которых расслоение пульпы происходит под действием центробежной силы - гидроциклоны, осадительные центрифуги.

3. Аппараты, в которых для сгущения применяют силы тяжести совместно с фильтрацией - фильтры-сгустители.

Устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы происходит под действием силы тяжести, представляют собой большие чаны или бассейны, куда подается непрерывно или периодически пульпа. Взвешенные в пульпе твердые частицы медленно оседают, образуя осадок, который уплотняется и по мере его накопления выдается из аппарата. Верхние слои осветленной воды переливаются через края аппарата.

В аппаратах, где расслоение происходит под действием центробежных сил, пульпа приводится во вращательное движение. Твердые частицы, имеющие большую, по сравнению с жидкой фазой плотность, отбрасываются центробежной силой к стенкам аппарата, а осветленная вода собирается ближе к центру вращения. В сгустителях-фильтрах твердые частицы оседают на фильтрующей поверхности и сбрасываются в виде уплотненного осадка в конус сгустителя и далее удаляются из него.

Для сгущения шламов чаще всего применяют цилиндрические сгустители с механической разгрузкой осадка и от расположения привода этого механизма сгустители делятся на два типа: с центральным приводом и с периферическим.

Сгустители с центральным приводом по высоте могут иметь один или несколько ярусов. По этому признаку сгустители делят на одно- и многоярусные. Чан сгустителя заполняется пульпой через специальную загрузочную воронку. Сгущенный продукт, оседающий на дно, перемещается гребками рамы к центру в разгрузочную воронку, откуда удаляется при помощи шламовых насосов.

Фильтрование представляет собой процесс разделения и твердой фаз пульпы с помощью пористой перегородки под действием разности давлений, создаваемой разрежением воздуха или избыточным давлением. Жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде фильтрата, а твердая задерживается на поверхности в виде осадка. В начале фильтрования при подаче пульпы на фильтрационную поверхность вода фильтруется только через эту поверхность, затем накапливается слой твердых частиц, и жидкость фильтруется через слой осадка и фильтрующую поверхность, при этом толщина слоя непрерывно растет, увеличивая сопротивление для прохождения фильтрующей жидкости. По достижению определенной толщины слоя осадка подача пульпы на фильтрующую поверхность прекращается, а образовавшийся осадок просушивается струей воздуха. После этого осадок удаляется и процесс повторяется.

Эффективность фильтрования в значительной степени зависит от применяемой фильтрующей поверхности.

Фильтровальные ткани должны отличаться: высокой фильтрующей способностью и воздухопроницаемостью, минимальным гидравлическим сопротивлением, высокой задерживающей способностью для твердых частиц суспензии, высокой прочностью на изгиб и растяжение, надлежащей химической стойкостью, легкой восстанавливаемостью фильтрующих свойств, значительным сроком службы.

На процессы фильтрования влияют различные факторы: физико-химические свойства твердой и жидкой фаз исходной пульпы, свойства фильтрующих перегородок, разница давления по обе стороны перегородки, обработка поверхностно-активными веществами фильтруемых материалов, частота вращения барабана, соотношение зон набора и сушки, структура осадка и его толщина, совершенство технических средств фильтрации.[12,13]

1.2.2 Брикетирование мелкодисперсных материалов

К рудным и рудно-топливным брикетам для нужд цветной и черной металлургии предъявляются жесткие требования не только по химическому и по гранулометрическому составам, как это имеет место при оценке руд и концентратов, но и по физико-механическим свойствам.

Ниже приведены основные требования, предъявляемые к различным рудным и рудно-топливным брикетам, составленные на основе опыта применения окускованного сырья в различных металлургических печах России и за рубежом.

1. Брикеты должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы противостоять нагрузкам, возникающим при выдаче их из пресса, транспортировке и засыпке в металлургическую печь. При этом они не должны образовывать большого количества мелочи.

2. Брикеты должны обладать высокой механической прочностью в процессе нагрева и восстановления.

3. Брикеты должны обладать высокой водо- и атмосфероустойчивостью, особенно в случае длительной транспортировки к потребителю.

4. Брикеты должны обладать определенной пористостью, в зависимости от их назначения. Например, пористость мартеновских брикетов должна быть не более 5-10%, а брикеты предназначенные для доменного производства должны иметь высокую пористость, способствующую проникновению газообразных компонентов внутрь брикетов, увеличивающих их реакционную способность и ускоряющих процессы восстановления.[14]

Проведенный аналитический обзор современных способов утилизации углеродсодержащих отходов свидетельствует о том, что они могут использоваться, как энергетическое топливо, в котельных, индивидуальными потребителями и различных технологических процессах, а также для создания композиционных материалов. Ближайшим аналогом по утилизации хвостов флотации угольной пены является использование мелких фракций бурого и каменного угля в качестве топлива. Заметная доля топлива приходится на низкосортные бурые угли. Проблема рационального использования этих углей связана, прежде всего, с большим содержанием мелких фракций (25мм), достигающих 50-60% от общего добываемого его количества. К рациональным методам эффективного использования и сохранения угля, в первую очередь, относится брикетирование мелочи, при использовании которой решается задача превращения низкосортного, имеющего ограниченный сбыт топлива, в полноценное кусковое топливо, удобное для транспортировки, длительного хранения и сжигания.

Установлено, что традиционные методы брикетирования, разработанные для средне - и высокометаморфизованных углей марки Ж, Т и антрацитовых штыбов, непригодны для бурых углей Кангаласского месторождения, обеспечивающего топливом значительную часть населенных пунктов Республики Саха (Якутия). Кангаласский уголь в силу своего состава, характеризуемого низким содержанием гуминовых кислот, смол и битуминозных веществ, брикетируется только при добавлении дорогостоящих переокисленных твердых битумов.

В настоящее время единого научно обоснованного подхода к выбору эффективного связующего и технологического регламента производства угольных брикетов не имеется, поэтому разработка технологии производства брикетированного буроугольного топлива весьма актуальна. Как правило, в качестве связующих при брикетировании угля используется гудрон или битум о чем свидетельствует диссертация Николаевой Л.А. «Брикетирование бурого угля с использованием модифицированного гудрона», защита которой состоялась 10 февраля 2011 года в ИрГТУ. Применение связующих значительно усложняет технологическую схему и увеличивает себестоимость брикетов, поэтому, представляет интерес технологии прессования без связующих. Брикетирующая установка фирмы ООО «ЮНИТЕК» предназначена для получения угольных брикетов без связующих добавок и может применяться для переработки отходов угольного производства и другого техногенного сырья. Прочность брикетов создается путем оптимального регулирования давления и нагрева, что контролируется автоматически. Фирма расположена в Москве и достаточно 50 кг сырья, чтобы получить брикеты с необходимой прочностью.[15]

Ближайшим аналогом по брикетированию техногенного сырья, которым являются хвосты флотации угольной пены, служат осадки очистных сооружений гальванического цеха. Технологическая схема переработки этих осадков разработана нами в ИрГТУ (Технико-экономический расчет извлечения металлов из отходов гальваники хоз.дог.№455 Иркутск 1992 г.). Шламы, содержащие гидроокиси металлов после фильтрации на фильтр-прессах подвергаются окомкованию, грануляции и сушке. В качестве связующего используется сульфат-щелочная барда. Окомкование производится в чашевом грануляторе. Полученные гранулы направляются в электропечь для получения металла.[16]

По переработке хвостов флотации проанализированы работы:

1. ТЭО комплексной малоотходной переработки мелкодисперсных углефторсодержащих отходов электролизного производства (оценка организации обжига пыли и шламов газоочистки, техпредложение и ТЭО использования хвостов флотации при агломерации железосодержащих материалов; техпредложение и ТЭО организации производства формованного шлама; ТЭО и техпредложение переработки отходов флотацией, совмещенной с варкой криолита; техпредложение по усовершенствованию схемы выведения сульфатов)-отчет СибВАМИ.1997г. 2. Отчет по НИОКР "Проработка вариантов крупномасштабной переработки (утилизации) шламов газоочистки КрАЗа при произвдстве глинозема", 2004-2005г.г. 3. ТЭР организации изготовления теплоизоляционных материалов из отходов производства технического кремния. - СибВАМИ-1998.

Изученная информация по использованию фторуглеродсодержащих продуктов в различных технологических процессах требует научной проработки. При разработке технологии производства углеродосодержащего концентрата из хвостов флотации необходимо выполнить полный комплекс научно-исследовательских и опытно-промышленных испытаний, связанных с изучением адгезионных свойств фтор- и углеродсодержащих отходов производства алюминия (хвостов флотации), исследованием по окускованию применительно к условиям черной металлургии, выбором и обоснованием оптимальных параметров окускования, разработкой технологической схемы и технологического регламента на выполнение рабочего проекта опытной установки. Теоретические основы выполнения этих работ изложены в публикациях сотрудников кафедры Металлургии цветных металлов «Проблемы переработки углеродсодержащих отходов алюминиевого производства», Седых В.И.,Материалы Международной научно-технической конференции в Екатренбурге, УГТУ-УПИ, 28-29 ноября,с.143-148.[17]

Так же была рассмотрена работа «Брикетирование фтористых солей при использовании их в производстве алюминия. Системы. Методы. Технологии», Баранов А.Н., Каменский А.О., Янюшкин А.С., научный периодический журнал. № 1(9), 2011г., С.103-109 . Фтористые соли - один из неотъемлемых компонентов, которые используются при производстве (электролизе) алюминия. Основным недостатком этих солей (криолит, фтористый алюминий, фтористый кальций) является очень мелкая фракция, что приводит к образованию большого количества газов (таких как фтористый водород) и пыли. Даже небольшое количество влаги в криолите при загрузке в ванну электролизера приводит к выделению потоков фтористого водорода. Этот факт неблагоприятно сказывается не только на условиях труда электролизников, но и на экологической обстановке на территории завода и вне него.[18]

1.2.3 Подход к выбору связующего

В настоящее время единого научно обоснованного подхода к выбору эффективного связующего и технологического регламента производства угольных брикетов не имеется, поэтому разработка технологии производства брикетированного буроугольного топлива весьма актуальна. Как правило, в качестве связующих при брикетировании угля используется гудрон или битум о чем свидетельствует диссертация Николаевой Л.А. «Брикетирование бурого угля с использованием модифицированного гудрона».