Экологические проблемы основных производств (стр. 30 )

Существующий промышленный способ получения металлического алюминия включает две основные стадии производства:

-  химико-технологическую, задачей, которой является получение чистого оксида алюминия – глинозёма из природного сырья (бокситы, нефелин, глины);

-  электрометаллургическую, ставящую цель электролитического восстановления глинозёма до металла в расплаве криолита (3NaFAlF3).

В случае использования наиболее распространённого бокситового сырья главным отходом глинозёмного производства является так называемый красный шлам, являющийся нерастворимым остатком при вещелачивании бокситов под давлением по методу Байера (рис.14.10).

В зависимости от количественного и качественного состава бокситов выход красного шлама изменяется в пределах 1-2,5т на 1т получаемого глинозёма. Общий выход красного шлама в масштабах нашей страны составляет около 1,4 млн. т в год. Большинство глинозёмных заводов вынуждено отводить под отвальное хранение отходов красного шлама значительные площади вблизи заводов, что приводит к отчуждению больших земельных участков под шламонакопители. Последние, в свою очередь, сопровождаются вредным воздействием на окружающую среду, не говоря уже о существенном увеличении расходов на производство основной продукции. Особенно острый характер проблема отвальных бокситовых шламов имеет, естественно, для предприятий по производству глинозёма, расположенных в зонах активного земледелия.

Помимо метода Байера, пригодного для получения глинозёма из высококачественных (богатых по Al2O3 и относительно бедных по SiO2) бокситов, в нашей стране применяют и метод спекания, которому подвергают менее качественное бокситовое сырьё. Шлам, полученный при переработке низкосортного бокситового сырья, характеризуется значительно большим содержанием кремнекислоты и меньшим содержанием железа. Выход такого шлама много больше, чем выход шлама из высокосортных бокситов.

Рис. 14.10. Схема переработки бокситов мокрым способом:

1 – весы; 2 – шаровая мельница; 3 – смеситель; 4 – автоклав; 5 – подогреватель; 6 – испаритель; 7,13 – сгустители; 8 – промыватель; 9 – фильтр-пресс; 10,11,18 – холодильники; 12 – декомпозеры (аппараты для выкручивания); 14 – испаритель; 15 – промыватель-сгуститель; 16 – барабанный вакуум-фильтр; 17 – трубчатые печи для кальцинирования.

Широкое использование красного шлама в производстве строительных материалов несомненно позволит значительно сократить, а затем и полностью ликвидировать отходы глинозёмных заводов, значение чего для предотвращения вредного их воздействия на окружающую среду трудно переоценить.

Металлический алюминий получают электролизом раствора глинозёма (Al2O3) в расплаве криолита (Na3AlF6) (6-8% Al2O3 и 92-94% Na3AlF6) с некоторыми добавками для улучшения процесса. Температура электролиза около 950оС, т. е. значительно выше температуры плавления алюминия (660оС), поэтому его получают жидким. Принципиальная схема электролизёра для получения алюминия представлена на рис. 14.11.

 

Рис. 14.11. Электролитическая ванна (электролизёр)

для получения алюминия:

1 – анодная шина; 2 – теплоизоляция; 3 – угольная набойка; 4 – катодная шина; 5 – глинозём; 6 – застывший электролит; 7 – расплавленный электролит; 8 – расплавленный алюминий.

Из всех составляющих электролита Al2O3 имеет наименьший электрохимический потенциал разложения. Поэтому при прохождении тока через расплав глинозём разлагается на алюминий, который разряжается и накапливается на подине (катод «–» ), и кислород, образующий с угольным анодом СО и СО2. К глинозёму предъявляются высокие требования по чистоте. При достаточном содержании глинозёма электролизёр работает нормально при напряжении 4,5 В. Обеднение электролита глинозёмом до некоторого предела (1-1,6%) сопровождается резким повышением напряжения. Для его предупреждения заранее добавляют очередную порцию глинозёма. В процессе электролиза (за счёт выделения фтористых соединений) меняется состав электролита, т. е. соотношение NaF и AlF3 в криолите; чтобы поддерживать его постоянным, в электролит периодически добавляют AlF3.

В нашей стране разработана уникальная безотходная технология получения глинозёма, соды, поташа и портландцемента из имеющегося у нас в изобилии нефелинового сырья, в то время как в других странах глинозём для производства алюминия получают только из бокситов.

Технологическая и аппаратурная схемы переработки нефелина представлены на рис. 14.12 и 14.13. Сущность разработанной и внедрённой технологии состоит в следующем.

Нефелиновый концентрат совместно с известняком подвергается спеканию при температуре 1250-1300оС. Спекание осуществляется во вращающихся печах, обогреваемых продуктами сгорания жидкого, газообразного или пылевидного топлива. В результате спекания получают продукт, состоящий в основном из алюминатов щелочных металлов (Na2OAl2O3 и K2OAl2O3), двукальциевого силиката (2CaOSiO2) и феррита натрия (Na2OFe2O3) . При водном выщелачивании спёка алюминаты щелочных металлов переходят в раствор. Феррит натрия гидролизуется с образованием едкого натра и гидрооксида железа. Двукальциевый силикат взаимодействует с алюминатным раствором, в результате чего получают алюминаты щелочных металлов и трёхкальциевый гидроалюминат по реакции:

2CaO SiO2 + Na2OAl2O3 + 8H2O

Na2OAl2O32SiO22H2O + 3CaOAl2O36H2O

Последнее соединение образует так называемый нефелиновый (белитовый) шлам, который отделяют от раствора, промывают и направляют на предприятия по производству портландцемента.

Алюминатный раствор подвергают обескремниванию, при котором образуются малорастворимые алюмосиликаты, отделяемые затем фильтрованием. Очищенный раствор алюминатов натрия и калия направляют на карбонизацию, осуществляемую путем обработки раствора газами, содержащими СО2. Едкий натр и калий при этом превращаются в соду и поташ, а гидрооксид алюминия выпадает в осадок, который отделяют от маточного раствора, промывают и прокаливают при 1200-1250оС во вращающихся печах. Содовый продукт (Na2CO3 и K2CO3) получают путем упаривания растворов после выделения Al2O3H2O. Процесс осуществляют в выпарных аппаратах в несколько стадий. Вначале выкристаллизовывается сода (Na2CO3), затем поташ (K2CO3). Если учесть, что все жидкие продукты производства направляют в оборот, а газовые выбросы не превышают ПДК, то таким образом технологическая схема переработки нефелинового сырья обеспечивает полное комплексное использование всех компонентов нефелиновой руды в виде товарных продуктов и является безотходной. По этой технологии на 1 т глинозема расходуют 3,9-4,3 т нефелинового концентрата, 11-13,8 т известняка, 3-3,3 т топлива, 4,12-4,68 Гкал пара, 1050-1190 кВтч электроэнергии. При этом производят 0,62-0,78 т кальцинированной соды (в виде так называемой «тяжёлой соды» – продукта с высокой плотностью и большой насыпной массой), 0,18-0,28 т поташа и 9-10 т портландцемента. Эксплуатационные затраты на производство глинозёма, соды, поташа, цемента, полученных из нефелинового сырья, на 10-15% ниже затрат при получении этих продуктов другими промышленными способами. Товарный выход глинозёма и щелочей составляет 83 и 80% соответственно.

Нефелин Известняк

1250-13000C

Алюминат щелочных металлов (Na2OAl2O3 и K2OAl2O3),

двукальциевый силикат (2CaOSiO2) и феррит натрия (Na2OFe2O3).

	Вода