Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ФТОРУГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к технологии электролитического производства алюминия и защите окружающей среды от воздействия вредных примесей, содержащихся в отходах, а именно к технологии переработки фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия.

Известен способ переработки твердых отходов шламового поля алюминиевого производства, заключающийся в спекании шлама, измельчении и выщелачивании спека водой и фильтровании пульпы, в котором шлам спекают без предварительной отмывки от сульфатов и карбонатов. При этом шлам спекают при постоянном доступе воздуха при 750-850°C в течение 20-40 минут, спек измельчают и выщелачивают водой при соотношении Т:Ж от 1:3 до 1:5, твердый осадок, содержащий криолит и глинозем, после сушки при 100-150°C в течение 30-60 минут используют в качестве сырья для производства алюминия, а раствор, содержащий гидроалюминат натрия, используют в качестве щелочного коагулянта (патент EA №003660, C22B 7/00, опубл. 28.08.2003).

К недостаткам данного способа следует отнести:

- энергетически высокозатратный процесс;

- способ не позволяет в полной мере извлечь ценные компоненты.

Также известен способ переработки фторсодержащих отходов производства алюминия электролизом, включающий выщелачивание отходов производства алюминия при температуре 50-100°C раствором сульфата алюминия с концентрацией 40-165 г/л с разделением твердой и жидкой фаз. (патент RU 2092439, C01F 7/54, C22B 3/04, опубл. 10.10.1997).

К недостаткам данного способа следует отнести использование сульфата алюминия, концентрация которого не позволит достичь высокой степени извлечения фтора.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран способ переработки твердых фторуглеродсодержащих отходов производства алюминия, включающий обработку твердых фторуглеродсодержащих отходов водным раствором каустической щелочи с концентрацией 25-35 г/дм³ при температуре 60-90°C, далее продукт разделяют на осадок и раствор с последующей подачей раствора в производство фторсолей. Осадок после выщелачивания обрабатывают водным 1,0-1,5% раствором органической кислоты при температуре 60-80°C, разделяют продукт на раствор и осадок. Раствор подают в производство фтористых солей, а углеродистый осадок направляют на производство углеродсодержащей продукции. При обработке отходов раствором каустической щелочи, предпочтительно, поддерживают соотношение Ж:Т равным 10:1, а в качестве органической кислоты может быть использована щавелевая кислота (Патент RU 2429198, C01F 7/54, C22B 7/00, опубл. 20.09.2011).

К недостаткам ближайшего аналога (прототипа) следует отнести необходимость использования кислотостойкого оборудования, что усложняет технологический процесс, а также большое количество переделов, связанных с увеличением растворооборота на предприятии.

Задачей изобретения является разработка технологически простого способа переработки фторуглеродсодержащих отходов с получением углеродсодержащего материала, пригодного для применения в смежных отраслях промышленности, а также раствора, содержащего ценные компоненты и направляемого на производство криолита.

Техническим результатом изобретения является утилизация фторуглеродсодержащих отходов, обеспечивающего высокий процент извлечения фтора.

Технический результат достигается благодаря тому, что в способе переработки фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия, включающем выщелачивание отходов раствором каустической щелочи с разделением продукта на осадок и раствор с последующей подачей раствора в производство криолита, согласно изобретению, выщелачивание отходов ведут раствором каустической щелочи с концентрацией 12,6÷25,0 г/дм³ при температуре 75-95°C в течение 0,5-4,0 часов, а осадок после выщелачивания направляют на сгущение, фильтрацию и сушку с получением углеродсодержащего материала, при этом раствор после фильтрации повторно возвращают на сгущение.

Способ дополняют частные случаи его реализации.

Перед выщелачиванием отходы могут подвергать дроблению, измельчению и магнитной сепарации. При выщелачивании углеродсодержащих отходов каустической щелочью поддерживают соотношение Ж:Т, равное 6÷9:1.

Сгущение осадка после выщелачивания ведут при температуре 70÷80°C при соотношении Ж:Т, равном 1,5÷2:1

От ближайшего аналога переработки твердых фторуглеродсодержащих отходов производства алюминия в заявляемом способе предусмотрены следующие отличия:

- возможность переработки крупнотоннажного отхода - отработанной угольной футеровки с получением криолита и углеродсодержащего материала;

- отсутствие многостадийных переделов обработки;

- осадок, полученный после разделения и фильтрации, не обрабатывается органической кислотой, а сушится и направляется потребителю;

- извлечение фтора при выщелачивании отработанной угольной футеровки составляет не менее 80%.

Кроме того, предложенный способ отличается от аналога тем, что Ж:Т процесса выщелачивания отработанной угольной футеровки составляет 6÷9:1 и концентрация в реакционной зоне щелочного раствора составляет 12,6÷25,0 г/дм³.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Фторуглеродсодержащие отходы (шлам газоочистки, хвосты флотации угольной пены, отработанная угольная футеровка, пыль электрофильтров, а также отходы со шламовых полей) направляют на выщелачивание раствором каустической щелочи (NaOH).

Приготовление раствора каустической щелочи производят в мешалке, путем смешения расчетного количества раствора NaOH (42%) и технической воды. Приготовленный раствор дозируют в мешалку, куда подаются также фторуглеродсодержащие отходы. Процесс выщелачивания ведут при температуре 75÷95°C в течение 0,5-4,0 часов и Ж:Т процесса составляет 6÷9:1 с концентрацией NaOH 12,6÷25,0 г/дм³.

Снижение концентрации раствора каустической щелочи ниже 12,6 г/дм³ и температуры ниже 75°C приведет к снижению извлечения фтора. Повышение температуры выщелачивания свыше 95°C и концентрации выше 25,0 г/дм³ приведет к повышенному расходу энергии и не повлияет на степень извлечения фтора. В зависимости от содержания фтора во фторуглеродсодержащих отходах выщелачивание ведут от 0,5 до 4-х часов. Выщелачивание отходов менее 0,5 часа приведет к снижению извлечения фтора, а увеличение времени свыше 4-х часов приведет к увеличению расхода каустической щелочи и снижению эффективности процесса выщелачивания.

После выщелачивания пульпа откачивается на сгущение, где происходит разделение фаз и осветление раствора. Сгущение ведут при температуре 70÷80°C и соотношении Ж:Т в сгущенном шламе 1,5÷2:1.

Слив сгустителя (раствор) направляется на производство фтористых солей, а сгущенный шлам откачивается на фильтрацию. Полученный кек углеродного материала направляется на сушку, после чего поступает в накопительный бункер для последующей отгрузки потребителю.

В зависимости от содержания фтора во фторуглеродсодержащих отходах варьируются технологические параметры процесса с целью эффективного его проведения и достижения высоких результатов извлечения фтора.

Частный случай реализации предлагаемой технологии.

Демонтированная и отделенная от металлолома, блюмсов и алюминиевого скрапа и подвергшаяся магнитной сепарации футеровка (для улавливания металлических предметов) из цеха капитального ремонта электролизеров доставляется автотранспортом на участок переработки отходов и сгружается в бункер щековой дробилки со сложным качанием щеки. Дробленый материал направляется в действующую дробилку, где происходит мелкое дробление материала до крупности 20-30 мм. Размер куска материала, поступающего в дробилку, не должен превышать 200 мм.

Дробленый материал крупностью 20-30 мм автомашинами завозится в приемный бункер, из которого вибропитателем, ленточным транспортером, элеватором загружается в расходные бункеры. Над ленточным транспортером установлен металлоотделитель, с помощью которого происходит улавливание металлического лома. Из бункеров через дозаторы - вибропитатели, в количестве 2 т/час, угольная футеровка поступает в шаровые мельницы, работающие в замкнутом цикле со спиральными классификаторами. Измельчение материала происходит при соотношении Ж:Т=2,5÷2:1 (по массе). Для поддержания заданного Ж:Т в мельницу подается техническая вода. Наличие щелочи в воде не более 1 г/дм³.

Размол ведется до получения готовой пульпы с крупностью не менее 95% - 200 мкм.

Выщелачивание измельченного материала производят раствором каустической щелочи 12,6÷25,0 г/дм³ (с учетом разбавления конденсатом пара, подаваемого на нагрев и выдержку пульпы) в мешалке.

Приготовление раствора NaOH ведется в мешалке путем смещения расчетного количества раствора крепкого едкого натра (42%) и технической воды до получения концентрации по Na₂O кауст. 30-32 г/дм³ в готовом щелочном растворе.

Приготовление более крепкого раствора каустической щелочи обусловлено ведением процесса измельчения футеровки на технической воде и использования контактного нагрева при выщелачивании и обескремнивании. В случае изменения параметров пара (увеличения или снижения расхода пара) необходимо провести корректировку концентрации крепкого раствора каустической щелочи, подаваемого через расходомер на выщелачивание для получения в реакционной зоне 12,6÷25,0 г/дм³ каустической щелочи. Дозировку щелочного раствора ведут в мешалку.

Параметры выщелачивания:

- температура в реакторе - не ниже 80°C;

- продолжительность процесса - не менее 2 часов;

- Ж:Т в реакторе с учетом вводимого на нагрев пара (конденсата) - 7,5 (по массе);

- доля выноса твердой фазы из реактора ранее заданного времени не более 2 масс. %;

- выщелачивание фтора из футеровки составляет не менее 80,0% (потери фтора связаны с наличием в демонтированной футеровке ~7 масс. % флюорита (CaF₂), инертного в щелочной среде);

- выщелачивание Na₂O из футеровки составляет не менее 90,0%;

- жидкая фаза пульпы после выщелачивания содержит не менее 20 г/дм³ NaF.

Ведение выщелачивания при заданных параметрах по температуре, концентрации каустической щелочи и времени выдержки более 2,5 часов позволяет получить хорошо обескремненный раствор с содержанием SiO₂ не более 0,1 г/дм³.

После выщелачивания пульпа откачивается на сгущение в сгуститель.

В сгустителе, где производят разделение фаз и осветление раствора под действием гравитационной силы без использования синтетических коагулянтов или флокулянтов. В сгуститель также подается возвратный поток с узла фильтрации углеродного шлама.

Слив сгустителя поступает на всасывающий патрубок насоса, а затем направляется в реактор производства фтористых солей.

Параметры сгущения пульпы и осветления раствора:

- температура процесса - 70÷80°C;

- Ж:Т в сгущенном шламе = 1,5÷2:1 (по массе);

- скорость слива осветленной части - 1 м³/м²×час;

- содержание твердой фазы в верхнем сливе - не более 0,5 г/дм³.

Сгущенный шлам откачивается на фильтрацию на существующий барабанный вакуум-фильтр. Фильтрат возвращается в питание сгустителя (для предотвращения проскока твердой фазы в осветленный раствор для варки криолита). Полученный кек углеродного материала с влажностью ~25 масс. % направляется на сушку на полочную семиподовую электрическую сушилку, затем с помощью транспортера и элеватора поступает в накопительный бункер для последующей отгрузки потребителю.

Параметры фильтрации:

- вакуум - не менее 600 мм рт.ст.;

- влажность кека - 23-25% масс;

- производительность по сухому шламу - 150 кг/м²×час.

Фильтрат направляется в сгуститель.

Изобретение позволит не только перерабатывать отработанную угольную футеровку с вовлечением растворов в получение фтористых солей, а также углеродсодержащего материала, не требующего дополнительной обработки для отгрузки потребителям, но и улучшить экологическую обстановку региона, на территории которого расположено производство алюминия за счет сокращения поступления отходов в экосистему.