Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Экологические проблемы утилизации промышленных отходов 8
1.2. Утилизация отходов алюминиевого производства 13
1.3. Заключение по литературному обзору 22
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Методы анализа 28
2.2. Характеристика используемых материалов 29
2.3. Спекательный способ получения криолит-глиноземного концентрата из местных алюмофторсодержащих минералов и отходов алюминиевого производства 31
2.3.1. Термодинамические расчеты процесса спекания шихты 31
2.3.2. Влияние состава шихты и режим процесса спекания 36
2.3.3. Кинетика процесса спекания 42
2.3.4. О математическом моделировании технологического процесса 45
2.3.5. Процесс выщелачивания спека 53
ГЛАВА III. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ КРИОЛИТ-ГЛИНОЗЕМНОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ МЕСТНЫХ АЛЮМОФТОРСОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛОВ И ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА С ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ
3.1. Режим процесса спекания и влияние состава шихты 58
3.2. Выщелачивание ал юминатно-фторидного спека, полученного с
влажным воздухом 61
3.3. Обескремнивание алюминатно-фторидного раствора 64
3.4. Карбонизация алюминатно-фторидного раствора 66
3.5. Термообработка криолит-гидроксида алюминия 69
3.6. Принципиальная технологическая схема спекательного способа получения криолит-глиноземного концентрата 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
ВЫВОДЫ 80
ЛИТЕРАТУРА 81
- Экологические проблемы утилизации промышленных отходов
- Спекательный способ получения криолит-глиноземного концентрата из местных алюмофторсодержащих минералов и отходов алюминиевого производства
- Режим процесса спекания и влияние состава шихты
Введение к работе
В связи с бурным, техническим прогрессом увеличились масштабы воздействия человека на'природу и результатом являются отвалы твердых отходов и шламовые поля промышленных предприятий, которые занимают огромные полезные площади и загрязняют окружающую среду. Сами же промышленные отходы содержат много ценных компонентов, которые при их извлечении можно использовать в качестве возвратного сырья или исходного материала для производства другой необходимой продукции.
Известно, что на территории Таджикского алюминиевого завода (ТадАЗа) складированы сотни тысяч тонн отходов, содержащих: углерод, глинозем, криолит, фторид, сульфат и карбонат натрия, а шламовые поля завода занимают полезные площади и загрязняют окружающую среду региона. Кроме того известно, что Таджикистан не обладает значительными запасами высококачественных глиноземных руд, переработка которых обеспечила бы большой объем потребности алюминиевого завода. Переработка имеющихся глиноземсодержащих руд в настоящее время считается экологически и экономически нецелесообразной.
При этом процесс комплексной переработки низких глиноземсодержащих руд способом спекания является целесообразным в смысле экологии и экономики, т.к. его реализация не вызывает значительного загрязнения окружающей среды.
Причем известно, что в республике имеются крупные месторождения фторкальцийсодержащих руд. Поэтому исследования по комплексной переработке местного алюмофторсодержащего сырья и отходов алюминиевого производства являются актуальной задачей для Республики Таджикистан.
Целью настоящей работы является изучение процесса переработки местного. алюмофторсодержащего сырья и отходов алюминиевого производства спекательным способом. Разработка технологических схем получения криолит-глиноземного концентрата из отходов алюминиевой промышленности и местных сырьевых материалов. Для реализации цели поставлены следующие задачи: * установить основные' факторы, влияющие на зависимость степени извлечения А120з из шихты от массовой доли угля, ледообразного осадка, аргиллита и флюорита; установить влияние "образования алюмината натрия в спеке при использовании для спекания шихты сухого и влажного воздуха; изучить состав и свойства криолит-глиноземного концентрата, получаемого с использованием сухого и влажного воздуха из местных алюмофторсодержащих минералов и отходов производства алюминия; установить основные факторы, влияющие на степень извлечения криолит-глиноземного концентрата в зависимости от процессов выщелачивания, обескремнивания и карбонизации алюминатно-фторидного раствора, а также от термообработки криолит-гидраргиллитовой смеси; разработать принципиальную технологическую схему получения криолит-глиноземного концентрата с использованием сухого и влажного воздуха.
Научная новизна работы. Установлен химизм процессов получения криолит-глиноземного концентрата из местного минерального сырья и отходов алюминиевого производства спекательным способом. Проведено математическое моделирование технологического процесса и термодинамические расчёты в процессе спекания. Разработана комплексная принципиальная технологическая схема получения криолит-глиноземного концентрата спекательным способом.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные способы комплексной переработки местных минеральных ресурсов и отходов промышленности спекательным способом позволяют получить относительно дешевое сырье - криолит-глиноземную смесь для производства алюминия, снизить себестоимость производимого металла и улучшить экологическую обстановку в регионе.
Основные положения, выносимые на защиту: физико-химическое исследование состава и свойств спека, полученного спекательным способом с использованием местных алюмофтор,содержащих минералов и отходов производства алюминия; результаты исследований кинетики процессов, математического моделирования технологического процесса, термодинамические расчеты в процессе спекания; принципиальная технологическая схема переработки местных алюмофторсодержащих руд и отходов алюминиевого производства.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научных статьи и 5 тезисов докладов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждены на: научно-теоретической конференции «Современное состояние водных ресурсов Таджикистана, проблемы и перспективы рационального использования» (Душанбе, 2003 г.); научно-практических конференциях «Вода - зеркало жизни» (Душанбе, 2005 г.); «Роль экологического мониторинга в деятельности природоохранных органов и их взаимодействие с другими государственными и неправительственными организациями в процессе реализации документа стратегического снижения бедности (Душанбе, 2005 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа^ состоит из введения, 3-х глав, выводов и списка использованной литературы. В первой главе рассматриваются имеющиеся в литературе данные о путях и способах утилизации отходов алюминиевого производства и на основании этого намечаются направления собственных исследований. Вторая глава посвящена методам анализа, характеристике используемых материалов. Физико-химическим основам получения криолит-глиноземного концентрата из местных алюмофторсодержащих минералов и отходов алюминиевого производства с влажным воздухом посвящена третья глава.
Диссертация изложена на 97 страницах компьютерного набора, содержит (16) таблиц и (22) рисунка. Список литературы включает (136) наименований.
Автор выражает сердечную благодарность члену-корреспонденту АН Республики Таджикистан, д.х.н., профессору Х.С.Сафиеву за ценные советы, помощьи внимание, проявленное к настоящей работе.
Экологические проблемы утилизации промышленных отходов
Сегодня человечество использует разработанные технологии для переработки в капитал геологических, экологических и прочих ресурсов, созданных природой. Закономерным отрицательным результатом этой деятельности является повсеместное их истощение. Однако количество ресурсов, затраченных на производство одной условной единицы условного капитал а, зависит от уровня технического развития общества.
При использовании совершенных технологических процессов переработки ресурсов человечество сможет пройти дальше по пути эволюции. Кроме того,, проблема повышения степени использования минерального сырья [1-5], вторичных ресурсов и улучшения качества выпускаемой продукции является в настоящее время одной из важных задач химической и металлургической промышленности [6-11].
От ее рациональной и успешной реализации зависит полнота использованной подготовки и переработки минерального сырья. Переработка отходов производства и их утилизация позволяют решить ряд экономических и экологических задач в производстве ценных продуктов [12-17].
Использование природных ресурсов характерно зависит от темпов социально-экономического развития, а экономическое развитие, в решающей мере, зависит от масштабов производства. Преобладание экстенсивных методов экономического развития привело к обострению проблем ресурсообеспечения народного хозяйства, теснейшим образом связанных с проблемами окружающей среды. Именно поэтому необходимо создать производства, обеспечивающие полное и комплексное использование природных ресурсов, сырья и материалов, и, в то же время, исключающие вредное воздействие на окружающую среду [18-20].
Известно, что на протяжении истории человечества наука была двигателем развития и. способствовала эффективному использованию минеральных ресурсов. Ныне наука начинает искать средства защиты от последствий своих же открытий [21-23].
В условиях ухудшения окружающей среды, истощения минеральных ресурсов и роста населения особое значение имеет внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов [17, 24-27].
Для решения этой задачи в масштабах государства требуется совершенствование всего хозяйственного механизма. В связи с этим разрабатываются новые подходы к ресурсосбережению, совершенствуются оценки эффективности производства и методы экономического анализа, ведутся поиски оптимальных вариантов формирования региональных и межотраслевых промышленных комплексов, основанных на рациональной организации движения материальных потоков [5, 9, 31].
В настоящее время,выполнен значительный объем исследований по экономическим последствиям загрязнения окружающей среды и нерациональному использованию природных ресурсов. Учет ущерба от загрязнения окружающей среды промышленными выбросами приводит к значительному расширению границ экономической целесообразности внедрения- - безотходных технологических процессов. s Становятся эффективными безотходные производства даже в тех случаях, когда себестоимость получаемой продукции выше, чем в конкурирующих вариантах, поскольку перерасход на капиталовложения оказывается меньшим, чем экономия за счет снижения ущерба от загрязнения окружающей среды [28-38].
Спекательный способ получения криолит-глиноземного концентрата из местных алюмофторсодержащих минералов и отходов алюминиевого производства
Исследования по комплексной переработке местного алюмофторсодержащего сырья и отходов алюминиевого производства являются актуальной задачей для Республики Таджикистан.
Однако производство глинозема в республике осложнено двумя проблемами. Во-первых, .Таджикистан не обладает значительными запасами высококачественных глиноземных руд, переработка которых обеспечила бы большой объём потребностей алюминиевого завода. Во-вторых,переработка имеющихся глиноземсодержащих руд в настоящее время экологически и экономически нецелесообразна. Процесс комплексной переработки низких глиноземсодержащих руд спекательным способом является целесообразным в смысле экологии и экономики, так как его реализация не вызывает значительного загрязнения окружающей среды.
С этой целью в данной работе были проведены результаты термодинамических расчетов применения спекательиого способа получения криолит-глиноземного концентрата из местного алюмофторсодержащего сырья-и отходов алюминиевого производства. В качестве исходных материалов были использованы: ледообразиый осадок . [72], образующийся при упаривании и охлаждении растворов шламовых полей, и содержащий свыше 97%масс; двойная соль 3Na2S04 NaF; аргиллит Зиддинского месторождения; флюорит Такобского горно-обогатительного комбината; угольная мелочь коксопрокалочного производства ТадАЗа, состав которых представлен в таблице 2.3.
Компоненты Аргиллит CaF2 (флюорит) Ледообразный осадок .с(угольная мелочькоксопрокалочногопроизводства)
Известно, что при спекании шихты возможно протекание реакций:
Как видно из главы 2.3.2, проводились исследования влияния температуры, продолжительности процесса спекания при температурах от 600 С до 900 С. Поэтому было интересно рассчитать термодинамические характеристики для большинства вышеприведенных реакций.
Движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (TS). При p=const и T-const общую движущую силу процесса, которую обозначают AG, можно найти из соотношения: AG = (Н2 -Н - (TS2 - TS,); AG - АН - TAS.
Величина AG называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса, которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения AG. Если AG 0, процесс принципиально осуществим; если AG 0, процесс самопроизвольно происходить не может. В.таблице 2.4 приведены результаты расчетов АН0, AS0 и AG0 при 25С. Как видно, значение AG 0, поэтому эти реакции проводились при температурах в диапазоне от 600С до 900С при разной1 временной продолжительности спекания.
Нами также рассчитаны значения AG0 при 600С, 700С, 800С, 900С и 1000 С и определены степени зависимости AG от температуры (рис.2Л). Как видно из рисунка, при повышении температуры значение AG0 плавно уменьшается, а в случае реакции (5) при 900С (T=l 173К) будет равным -0,43 кДж, именно при этом режиме реакции (5).
CaF2 + Ыа2СОз = 2NaF + СаО + С02 протекает мгновенно.
Анализ проведенных термодинамических расчетов показал, что при спекании шихты реакции (табл.2.4) протекают при температурах выше 600С (873К).
Режим процесса спекания и влияние состава шихты
Одним из основны» компонентов при спекательном способе получения глинозема; как известно, является углерод. Важную роль в процессе спекания играет углерод как катализатор при повышении процесса спекания. Обычно при сухом спекательном способе образования алюмината натрия наблюдаются пористые спеки. Для уменьшения размера пористости спека и увеличения выхода алюмината натрия, уменьшения температуры и продолжительности процесса нами был использован процесс спекания с влажным воздухом.
Процесс с влажным воздухом изучался в трубчатой печи. Образец помещался в кварцевую лодочку и выдерживался при заданной температуре и продолжительности процесса. Влажный воздух подавался с помощью компрессора и температура печи регулировалась с помощью ЛАТРа. С целью нахождения оптимального извлечения ценных компонентов нами проводилось изучение изменения влияния температуры, продолжительности процесса и влияния состава шихты. На рис.3.1 представлена зависимость извлечения компонентов от температуры (а) и продолжительности процесса (б). Как видно из рис.3.1.а, при повышении температуры до 750-800С степень извлечения глинозема достигает 94,5%, а после, повышения температуры выше 800С образование алюмината натрия уменьшается. Это объясняется, по-видимому, 1 частичным разложением A1F
Рис.3.1. Зависимость степени извлечения А1203 от температуры (а) и продолжительности процесса (б) спекания с влажным воздухом.
Результаты исследования продолжительности процесса спекания представлены на рис 3.1.6. При повышении продолжительности процесса от 8-10 минут степень образования увеличивается до 94,6%, а в дальнейшем степень образования алюмината натрия уменьшается. По-видимому, пробы от 4 до 8 мин находились в твердом состоянии, а с 8 до 10 мин в жидком состоянии и свыше 10 мин компоненты шихты перешли в газообразное состояние, поэтому уменьшилась степень образования алюмината натрия.
Результаты исследований состава шихты при спекании с влажным воздухом не отмечаются массовым составом шихты, а степень образования алюмината натрия в спеке достигает 94,7% Проведенные исследования с влажным воздухом показали, что в отличие от сухого спекательного способа, данный способ является экономичным по времени и температуре процесса, а,
