СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЩЕЛОЧНОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1996 года по МПК C01F7/38 

Изобретение относится к производству глинозема в цветной металлургии.

Известен способ получения глинозема из высокоглиноземистого бесщелочного сырья боксита, включающий выщелачивание сырья, разделение алюминатного раствора и красного шлама, его промывку и удаление из процесса, выкручивание алюминатного раствора с выделением гидроксида алюминия, упаривание оборотного раствора перед подачей на выщелачивание. При этом компенсацию потерь щелочи осуществляют вводом свежей каустической щелочи [1]
Недостатки способа состоят в высокой чувствительности к свойствам сырья его вскрываемости при выщелачивании, содержанию глинозема, кремнезема, примесей, а также в необходимости расходования дорогой и дефицитной каустической щелочи для компенсации потерь.

Ближайшим аналогом изобретения, принятым за прототип, является способ переработки щелочного алюмосиликатного сырья, включающий приготовление шихты путем его смешения с известняком, оборотными белым шламом и соединениями щелочных металлов, ее измельчение и корректирование до заданной величины молярных отношений CaO/SiO₂=1,9-2,1 и R₂O/Al₂O₃≥1,0 (где R₂0 сумма Na₂O и K₂O в пересчете на молярную массу Na₂O), спекание шихты продуктами горения топлива, выщелачивание спека оборотным содощелочным раствором, отделение полученного алюминатного раствора от белитового шлама, его промывку водой и использование для получения цемента, подачу крепкой промывной воды на приготовление содощелочного раствора для выщелачивания спека, обескремнивание алюминатного раствора, подачу полученного белого шлама на приготовление шихты, карбонизацию обескремненного алюминатного раствора газами от спекания шихты с выделением гидроксида алюминия, выделение содопродуктов из полученного содового раствора [2]
Недостатки известного способа состоят в том, что при переработке щелочного алюмосиликатного сырья с пониженным содержанием глинозема и повышенным cодержанием кремнезема существенно снижается извлечение глинозема и щелочей, возрастают энергетические затраты. Для достижения достаточной эффективности переработки такого сырья при осуществлении технологического процесса требуется учитывать дополнительные факторы, не предусмотренные в известном способе прототипе.

Техническим результатом изобретения являются повышение извлечения глинозема и щелочей, снижение энергетических затрат, повышение производительности процесса при переработке щелочного алюмосиликатного сырья с пониженным содержанием глинозема.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки щелочного алюмосиликатного сырья, включающем приготовление шихты путем его смешения с известняком и оборотным шламом и соединениями щелочных металлов, ее измельчение и корректирование до заданной величины молярных отношений в шихте CaO/SiO₂=1,9-2,1 и R₂O/Al₂O₃ ≥1,0, спекание шихты продуктами горения топлива с получением спека, содержащего двухкальциевый силикат и алюминаты щелочных металлов, выщелачивание спека оборотным содощелочным раствором, отделение полученного алюминатного раствора от белитового шлама, его промывку водой и использование для производства цемента, подачу крепкой промывной воды на приготовление содощелочного раствора для выщелачивания спека, обескремнивание алюминатного раствора, подачу полученного белого шлама на приготовление шихты, карбонизацию обескремненного алюминатного раствора газами от спекания шихты с выделением гидроксида алюминия, выделение содопродуктов из полученного содового раствора, измельчение шихты ведут до содержания фракции +80 мкм в равном 50-800 величины молярного отношения Fe₂O₃/SiO₂ в сырье, т. е. R₈₀ (% )=(50-800)x (Fe₂O₃/SiO₂)_c, а величину превышения молярного отношения R₂O/Al₂O₃ в шихте над единицей изменением дозировки щелочей поддерживают равным 0,003-0,060 от величины молярного отношения SiO₂/Al₂O₃ в сырье, т.е.

- 1 (0,003-0,060)• при этом изменением расхода воды на промывку белитового шлама концентрацию оксида алюминия в алюминатном растворе при выщелачивании спека поддерживают в г/дм³ равной 150-350 от величины молярного отношения Al₂O₃/SiO₂ в спеке, т.е.

C= (150÷350)
Предлагаемый способ предназначен для переработки щелочного алюмосиликатного сырья с пониженным содержанием глинозема и повышенным кремнезема. Такое сырье по сравнению с перерабатываемым известным способом нефелином (Na, K)₂O ·Al₂O₃ ·2SiO₂ имеет более сложный минералогический состав и содержит ряд минералов с повышенным содержанием кремнезема (в частности полевые шпаты (Na, K)₂O· Al₂O₃·6SiO₂, альбит Na₂O ·Al₂O₃x x6SiО₂, анальцим Na₂O ·Al₂O₃ ·6SiO₂ ·2Н₂О и др.). Эти минералы имеют существенно меньшую реакционную способность при спеканиии с известняком, требуют повышенного расхода известняка на связывание кремнезема в двухкальциевый силикат и соответственно повышенного расхода топлива. Затруднена промывка белитового шлама после выщелачивания спека ввиду меньшего остаточного содержания алюминатов щелочных металлов. Повышенное количество двухкальциевого силиката в спеке способствует возрастанию вторичных потерь глинозема и щелочей из-за частичного разложения двухкальциевого силиката каустической и карбонатной щелочами с образованием растворимого силиката натрия и далее нерастворимого алюмосиликата натрия (Na₂O ·Al₂O₃ ·2SiO₂ ·2H₂O), трехкальциевого гидроалюмината, гидрограната, обуславливающих вторичные потери полезных компонентов.

Для уменьшения отрицательного влияния перечисленных факторов при переработке щелочного алюмосиликатного сырья с пониженным содержанием глинозема и повышенным содержанием кремнезема в предлагаемом способе предусматриваются следующие специальные меры.

Обеспечивается повышение реакционной способности шихты при спекании за счет
достаточно тонкого размола компонентов шихты, при этом во избежание перерасхода энергии на размол содержание фракции +80 мкм(%) поддерживают на определенном уровне, зависящем от отношения Fe₂O₃/SiO₂ в сырье; с увеличением содержания SiO₂ в сырье увеличивают поверхность контакта компонентов шихты повышением тонкости помола, а с увеличением Fe₂O₃размол загрубляют ввиду повышения легкоплавкости шихты и проведения процесса при повышенном количестве жидкой фазы;
увеличения молекулярного отношения R₂O/Al₂O₃ в шихте по мере повышения отношения SiO₂/Al₂O₃ в сырье; с увеличением отношения в шихте R₂O/Al₂O₃ за счет введения оборотного содового раствора до уровня, превышающего стехиометрически необходимый для образования алюминатов щелочных металлов, т.е. R₂O/Al₂O₃≥1,0, интенсивность взаимодействия компонентов шихты в подготовительных зонах печи существенно возрастает, в частности ввиду появления капель расплава при образовании легкоплавкой эвтектики Na₂CO_3· СаСО₃ (при 790^оС).

Уменьшается возможность развития вторичных потерь глинозема и щелочей при выщелачивании спека, имеющего повышенное содержание SiO₂ и пониженное Al₂O₃ (в соответствии с составом перерабатываемого сырья), путем поддержания пониженной концентрации Al₂O₃ в алюминатном растворе после выщелачивания по мере уменьшения отношения Al₂O₃/SiO₂ в спеке за счет изменения расхода воды на промывку белитового шлама после выщелачивания.

Способ осуществляют следующим образом.

Щелочное алюмосиликатное сырье с пониженным содержанием глинозема и повышенным содержанием кремнезема размалывают совместно с известняком и оборотным белым шламом, поступающим с передела обескремнивания, на оборотном содовом растворе. Измельчение шихты осуществляют до содержания фракции +80 мкм (%) в пределах 50-800 величины молярного отношения Fe₂O₃/SiO₂ в сырье.

При величине этого соотношения менее 50 чрезмерно возрастает расход электроэнергии на помол и плавкость шихты без повышения извлечения ценных компонентов. При величине соотношения более 800 существенно замедляется скорость взаимодействия компонентов при спекании, что снижает технологическое качество спека, уменьшает извлечение полезных компонентов, уменьшает срок службы футеровки зоны спекания печи из-за необходимости увеличения температуры спекания грубодисперсной шихты. Шихту корректируют для достижения молярного отношения CaO/SiО₂=1,9-2,1. Величину молярного отношения R₂O/Al₂O₃ поддерживают на уровне >1,0 изменением подачи на размол оборотного содового раствора. При этом величину превышения молярного отношения R₂O/Al₂O₃ над единицей поддерживают в пределах 0,003-0,060 от величины молярного отношения SiO₂/Al₂O₃ в сырье. При величине этого соотношения меньше 0,003 влияние вводимой свободной соды с оборотным раствором на реакционную способность шихты, обусловленную, в частности, образованием легкоплавкой эвтектики Na₂CO₃ ·CaCO₃, практически оказывается незначительным, не определяющим интенсивность взаимодействий в подготовительных зонах печи спекания. При величине этого соотношения более 0,060 из-за повышенного содержания свободной соды усиливается зарастание сушильной зоны печи спекания, обуславливающее снижение производительности и продолжительности кампании, возрастают потери соды с пылеуносом и возгонами при термообработке, возрастает зарастание зоны спекания печи из-за повышения легкоплавкости шихты.

Шихту подают во вращающуюся печь спекания, где осуществляют термообработку при 1250-1320^оС. Полученный спек после охлаждения подвергают выщелачиванию содощелочным раствором, алюминатный раствор отделяют от белитового шлама и направляют на последующую переработку обескремнивание, карбонизацию печными газами с выделением гидроксида алюминия и подачей содового раствора на выделение содопродуктов. Белитовый шлам подвергается многоступенчатой промывке горячей водой. Крепкая промывная вода с первой ступени промывки направляется на приготовление содощелочного раствор для выщелачивания спека. Количество промывной воды выбирается таким, чтобы обеспечить концентрацию в алюминатном растворе после выщелачивании Al₂O₃ (г/дм³) в пределах 150-350 величины молярного отношения Al₂O₃/SiO₂ в спеке.

При величине этого соотношения менее 150 чрезмерно возрастает объем технологической аппаратуры и соответственно капитальные затраты, расход энергии на перекачку потоков растворов, расход пара на выпарку. При величине этого отношения больше 350 возрастают вторичные потери глинозема и щелочей при выщелачивании спека ввиду разложения двухкальциевого силиката белитового шлама в процессе взаимодействия с карбонатной и каустической щелочью концентрированных растворов
2СаО · SiO₂+2NaOH +H₂O=
Na₂SiO₃+2Ca(OH)₂.

2CaO ·SiO₂+ 2Na₂CO₃+H₂O Na₂SiO₃+2NaOH+2CaCO₃ с последующим образованием нерастворимого алюмосиликата натрия
2Na₂SiO₃+2NaAlO₂₊4Н₂O= Na₂O ·Al₂O₃ ·2SiO₂ ·2H₂O+4NaOH и трехкальциевого гидроалюмината
3Ca(OH)₂ + 2NaAlO₂ + 4H₂O=
3CaO ·Al₂O₃ ·6H₂O+ 2NaOH.

Кроме того, пониженный расход воды на промывку шлама приводит к ухудшению его промывки от алюминатного раствора, что ухудшает качество цемента из-за увеличенного содержания щелочей и требует увеличения ступеней промывки, обуславливающего возрастание капитальных вложений.

П р и м е р. Осуществляют переработку щелочного алюмосиликатного сырья (нефелинсодержащего) с пониженным содержанием глинозема и щелочей и повышенным содержанием кремнезема. Примерный химический состав в одном из испытанных вариантов, Al₂O₃ 19,38; Na₂O 3,38; K₂O 9,76; R₂O 9,84; SiO₂ 54,67; CaO 2,41; Fe₂O₃ 3,61; ППП 3,1; Проч. 3,69 (в традиционно перерабатываемом нефелинсодержащем сырье Al₂O₃ 28-29% SiО₂ 43-44%). Шихту готовят размолом компонентов в барабанных мельницах, спекают во вращающейся печи при 1280-1320^оС.

Спек выщелачивают содощелочным раствором в стержневой мельнице, алюминатный раствор отделяют в фильтрах-сгустителях, противоточную шестисту- пенчатую промывку белитового шлама производят в системе сгустителей, крепкую промводу направляют на приготовление раствора для выщелачивания, алюминатный раствор обескремнивают в автоклавах, белый шлам направляют на приготовление шихты, обескремненный алюминатный раствор разделяют на два потока: один поток карбонизируют в 2 стадии продувкой газами от спекания, нейтрализуют бикарбонат натрия каустической щелочью и направляют на выделение содопродуктов упариванием, второй поток карбонизируют в I стадию с введением гидроксида алюминия, выделившегося при карбонизации первого потока раствора, выкручивают в мешалках с выделением товарного гидроксида алюминия, который прокаливают в печи кипящего слоя при 1100-1200^оС с получением глинозема. Маточный содощелочной раствор после выкручивания в мешалках направляют на приготовление раствора для выщелачивания. Часть содового раствора подают на размол шихты. Каустическую щелочь получают обработкой части содового раствора известью, полученный кальцитовый шлам направляют на приготовление шихты.

При изменении в сырье молярного отношения Fe₂O₃/SiO₂ изменением загрузки сырьевых мельниц регулируют тонкость помола шихты, характеризуемую содержанием фракции +80 мкм. При изменении в сырье молярного отношения SiO₂/Al₂O₃ изменением оборота щелочей в шихту регулируют величину превышения молярного отношения R₂O/Al₂O₃ в шихте над единицей. При изменении в спеке молярного отношения Al₂O₃/SiO₂ за счет колебаний состава сырья или количества оборотных продуктов изменением расхода воды на промывку белитового шлама регулируют концентрацию Al₂O₃в алюминатном растворе.

В примере 1 процесс переработки осуществляют традиционным способом без учета дополнительных приемов предлагаемого способа.

В примерах 2-6 приведены результаты испытаний предлагаемого способа, причем в примерах 3-5 параметры процесса находятся в предлагаемых пределах. Результаты испытаний сведены в таблицу. Приведенные данные подтверждают оптимальность предлагаемых соотношений параметров.

В результате применения предлагаемого способа достигается повышение извлечения глинозема на 1-2% (абс.), щелочей на 1,3-1,8% (абс.), снижение энергозатрат на размол шихты на 10% снижение расхода пара на выпарку в технологическом цикле на 10-15% увеличение производительности на 6-7% увеличение продолжительности кампании печи в 1,5-2,0 раза, снижение расхода огнеупорной футеровки печи на 10-13%

Использование: в производстве глинозема. Сущность изобретения: способ заключается в приготовлении шихты путем смешения щелочного алюмосиликатного сырья с известняком, оборотным шламом и соединениями щелочных металлов, ее измельчение и корректирование до заданной величины молярных отношений в шихте CaO/SiO₂ = 1,9 - 2,1 и R₂O/Al₂O₃ ≥ 1,0, где R₂O - сумма Na₂O и K₂O в пересчете на молярную массу Na₂O. Затем ведут спекание шихты продуктами горения топлива с получением спека. Спек выщелачивают оборотным содощелочным раствором. Отделяют полученный алюминатный раствор от белитового шлама. Последный промывают водой и используют в производстве цемента. Подают крепкую промывную воду на приготовление содощелочного раствора для выщелачивания спека. Обескремнивают алюминатный раствор. Полученный при обескремнивании белый шлам подают на приготовление шихты. Обескремненный алюминатный раствор подвергают карбонизации газами от спекания шихты с выделением гидроксида алюминия. Выделяют содопродукты из полученного при карбонизации содового раствора. Измельчение шихты ведут до содержания фракции +80 мкм в %, равном 500 - 800 единиц от величины молярного отношения Fe₂O₃/SiO₂ в сырье, а величину превышения молярного отношения R₂O/Al₂O₃ в шихте над единицей изменением дозировки щелочей поддерживают равным 0,003 - 0,06 единиц от величины молярного отношения SiO₂/Al₂O₃ в сырье, при этом изменением расхода воды на промывку белитового шлама концентрацию оксида алюминия в алюминатном растворе при выщелачивании спека поддерживают в г/дм³ равной 150 - 350 единиц от величины молярного отношения Al₂O₃/SiO₂ в спеке. 1 табл.

Способ переработки алюмосиликатного сырья, включающий приготовление шихты путем его смешения с известняком и оборотными шламом и соединениями щелочных металлов, ее измельчения и корректирования до заданной величины молярных отношений в шихте CaO/SiO₂ 1,9 2,1 и R₂O/Al₂O₃ ≥ 1,0, где R₂O сумма Na₂O и K₂O в пересчете на молярную массу Na₂O, спекание шихты продуктами горения топлива с получением спека, содержащего двухкальциевый силикат и алюминаты щелочных металлов, выщелачивание спека оборотным содощелочным раствором, отделение полученного алюминатного раствора от белитового шлама, его промывку водой и использование для производства цемента, подачу крепкой промывной воды на приготовление содощелочного раствора для выщелачивания спека, обескремнивание алюминатного раствора, подачу полученного белого шлама на приготовление шихты, карбонизацию обескремненного алюминатного раствора газами от спекания шихты с выделением гидроксида алюминия, выделение содопродуктов из полученного содового раствора, отличающийся тем, что измельчение шихты ведут до содержания фракции + 80 мкм а равного 50 800 единицам от величины молярного отношения Fe₂O₃/SiO₂ в сырье, а величину превышения молярного отношения R₂O/Al₂O₃ в шихте над единицей изменением дозировки щелочей поддерживают равным 0,003 0,060 единиц от величины молярного отношения SiO₂/Al₂O₃ в сырье, при этом изменением расхода воды на промывку белитового шлама концентрацию оксида алюминия в алюминатном растворе при выщелачивании спека поддерживают в г/дм³ равной 150 350 единиц от величины молярного отношения Al₂O₃/SiO₂ в спеке.