Введение к работе
Актуальность работы. Производство глинозема в мире основано на переработке высококачественных бокситов простым и эффективным способом Байера. В отечественной промышленности из-за ограниченного запаса байеровских бокситов широко используется нетрадиционное низкокачественное сырье сложного минералогического и химического состава – нефелины. Одной из главных проблем при получении глинозема из нефелинов является достижение достаточно глубокого разделения гидроксокомплексов Al (III) и Si (IV) в среде сильных электролитов, которое реализуется в различных схемах обескремнивания алюминатных растворов.
Значительный вклад в развитие способа глубокого обескремнивания алюминатных растворов внесли М.Г. Лейтейзен, А.И. Лайнер, И.З. Певзнер, Н.И. Еремин, М.Н. Смирнов, Н.С. Мальц и другие ученые. Данный способ осуществляется путем взаимодействия извести с алюминатно-силикатным раствором. Недостатком способа является значительный расход топлива на обжиг извести и недостаточная глубина обескремнивания алюминатных растворов (кремниевый модуль, весовое отношение Al2O3/SiO21000 единиц), что ограничивает возможность производства высококачественного глинозема.
Основоположником карбоалюминатной технологии сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов является профессор В.М. Сизяков. В этой технологии обескремнивающим реагентом является гидрокарбоалюминат кальция (ГКАК) – 4CaOAl2O3nCO211H2O, который синтезируется путем взаимодействия извести с оборотным глубокообескремненным алюминатным раствором.
В результате внедрения карбоалюминатной технологии на предприятиях, перерабатывающих нефелиновое сырьё, получают глубокообескремненные растворы с кремниевым модулем 4000 ед. Это позволяет надежно производить глинозем высокой марки Г-00.
Анализ карбоалюминатной технологии сверхглубокого обескремнивания показывает, что её возможности далеко не исчерпаны, и она имеет потенциал для дальнейшего развития, особенно в части энергосбережения, получения качественно новых алюминатных растворов с кремниевым модулем 50 000 единиц и выше, интенсификации процесса разделения гидроксокомплексов Al(III) и Si(IV), расширения сырьевой базы для синтеза обескремнивающих реагентов и др.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2013 годы», а также в рамках проекта РНП 2.1.2.5161 «Развитие фундаментальных основ синтеза метастабильных соединений в области технически значимых систем алюминиевой промышленности» 2009-2011г и государственного контракта № 16.525.11.5004 «Разработка технологии комплексной переработки крупномасштабных отходов производства минеральных удобрений с получением товарных продуктов многофункционального назначения».
Цель работы - научное обоснование и разработка технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности технологии сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов.
Основные задачи исследования:
научное обоснование каталитического эффекта оборотного гидрогранатового шлама в процессе карбоалюминатного сверхглубокого обескремнивания (в системе 4CaOAl2O3mCO211H2O-3CaOAl2O3nSiO2(6-2n)H2O-SiO2-NaAl(OH)4-NaOH-H2O);
изучение влияния дробной дозировки гидрокарбоалюмината кальция на процесс сверхглубокого обескремнивания алюминатного раствора;
методическая проработка и экспериментальные исследования карбоалюминатной технологии сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов с оборотом гидрогранатового шлама;
научно-технологическое обоснование синтеза обескремнивающего реагента высокой активности на основе химически-осажденного карбоната кальция (фосфомела) и известняков переменного состава по SiO2;
определение примесного состава фосфомела и оценка его влияния на получаемый гидрокарбоалюминат кальция;
разработка аппаратурно-технологической схемы сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов с дробной дозировкой гидрокарбоалюмината кальция и оборотом гидрогранатового шлама при переработке кольских нефелиновых концентратов.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторном, опытно-промышленном и промышленном масштабах. Для изучения свойств и составов жидких и твердых технологических продуктов применялись физические и физико-химические методы: рентгенофазовый, дифференциально-термический, оптической и электронной микроскопии, лазерный микроанализ фракционного состава, классический химический анализ. При проведении опытно-промышленных и промышленных испытаниях были использованы методы контроля, принятые в глиноземной промышленности.
Научная новизна:
разработаны технологические параметры энергосберегающего режима синтеза гидрокарбоалюмината кальция на основе химически осажденного карбоната кальция (фосфомела) и известняка различного качества;
установлено, что примеси, содержащиеся в фосфомеле, при синтезе гидрокарбоалюмината кальция на его основе не оказывают отрицательного влияния на качество получаемой продукции;
доказано, что при синтезе гидрокарбоалюмината кальция на основе известняка, кремний адсорбируется на кристаллической решетке CaCO3 и в карбоалюминатную суспензию при этом не переходит;
выявлен каталитический эффект поверхности гидрогранатового шлама в процессе карбоалюминатного сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов, предложена гипотеза гетерогенного катализа: ускорителем реакции обескремнивания является переход Al(OH)63-Al(OH)3 через активную затравку, образованную на поверхности оборотного гидрогранатового шлама в конце реакции обескремнивания;
выявлены зависимости значений кремниевого модуля в процессе сверхглубокого обескремнивания от оборота гидрогранатового шлама и дробной дозировки ГКАК;
Практическая значимость работы:
предложено технологическое решение для синтеза гидрокарбоалюмината кальция на основе химически осажденного карбоната кальция (фосфомела) и известняка различного качества, что позволяет понизить энергозатраты, расширить сырьевую базу для синтеза обескремнивающего реагента, а также снизить его расход на процесс сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов;
разработана эффективная аппаратурно-технологическая схема передела сверхглубокого обескремнивания с использованием каталитических свойств поверхности гидрогранатового шлама и дробной дозировкой гидрокарбоалюмината кальция по реакторам.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов исследований и обработки данных, а так же соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практике обескремнивания алюминатных растворов глинозёмного производства. Основные операции карбоалюминатной технологии прошли испытания в промышленном масштабе на ЗАО «БазэлЦемент-Пикалево».
Апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на международном конгрессе «Цветные Металлы Сибири-2010» (Красноярск 2010), «Цветные Металлы Сибири-2011» (Красноярск 2011), на международной научной конференции на базе Фрайбергской горной академии (Фрайберг, 2012), на ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» в СПГГУ (СПб, 2010, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов обескремнивания алюминатных растворов глинозёмного производства, постановке и решении задач исследования, организации и проведении лабораторных исследований, участии в опытно-промышленных и промышленных испытаниях энергосберегающей интенсивной карбоалюминатной технологии в обработке и обобщении полученных результатов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 120 наименований, содержит 27 таблиц и 48 рисунков. Общий объем работы – 137 страницы машинописного текста.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, заведующему кафедрой металлургии Горного университета В.М. Сизякову; сотрудникам ЗАО «БазэлЦемент-Пикалево» за внимание, содействие и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.
