Разработка технологии переработки солевых шлаков подины алюминиевых электролизеров

Актуальность работы. Ежегодно в результате капитального ремонта алюминиевых электролизеров на заводах по мощности и технологии сопоставимыми с БрАЗом и КрАЗом образуется порядка 6000 т солевых шлаков подины или «пушонки». Образование данного побочного продукта связано с технологией подготовки электролизера к капитальному ремонту, применяемой на большинстве отечественных алюминиевых заводов. Эта технология заключается в использовании воды для охлаждения катодного устройства и размягчения солевых шлаков, находящихся в шахте электролизера.

Вовлечение данных шлаков в производство не только опасно с точки зрения техники безопасности, но и вредно с точки зрения экологии и технологии. Наличие таких примесей как железо, кремний и углерод может способствовать существенному снижению технико-экономических показателей процесса электролиза. Влага, содержащаяся в шлаках, при попадании в рабочий электролизер приводит к потерям дорогостоящего фтористого алюминия в результате протекания реакций пирогидролиза, а также может привести к взрыву с выбросом расплава. Отдельно следует отметить, что отсутствие возможностей для механизации процесса загрузки «пушонки» в электролизеры способствует повышению нагрузки на обслуживающий персонал электролизных корпусов и создает риск возникновения опасной ситуации.

Также следует отметить, что в результате взаимодействия солевых шлаков подины с водой, происходит интенсивное выделение аммиака, который оказывает негативное влияние на персонал электролизных корпусов. В связи с этим задача по разработке мероприятий по подавлению выделения данного экологически небезопасного соединения в рабочую атмосферу цеха по ремонту электролизеров является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка технологии переработки солевых шлаков подины алюминиевых электролизеров для получения кондиционного вторичного фторсодержащего сырья и его последующего вовлечения в электролизное производство.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать отечественный и зарубежный опыт переработки отходов капитального ремонта алюминиевых электролизеров;

— изучить физико-химические свойства солевых шлаков подины;

— произвести термодинамические расчеты реакций протекающих при охлаждении шахты отключенного электролизера водой;

— разработать методику подавления газообразования при контакте солевых шлаков подины с водой;

— разработать технологию переработки и вовлечения солевых шлаков подины в электролизное производство.

Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались химические и спектральные методы изучения состава исследуемого материала, методы компьютерного моделирования физико-химических процессов, методы аналитической статистки для обработки массива технологической информации. Исследования проводились в лабораторном, опытно-промышленном и промышленном масштабах. В качестве объекта исследования были выбраны корпуса электролиза и участок производства фтористых солей ОАО «РУСАЛ Братск».

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается сходимостью и воспроизводимостью параллельных опытов, использованием установленных ГОСТом методик, современным метрологическим обеспечением лаборатории ИрГТУ и центральной заводской лаборатории Братского алюминиевого завода, надежностью применяемого поверенного оборудования и результатами промышленных испытаний.

Научная новизна заключается в том, что на основе изучения свойств солевых шлаков подины алюминиевого электролизера впервые:

— определен полный химический состав солевого шлака подины, в котором обнаружено новое соединение — диамид (гидразин) — N2112, являющееся высокотоксичным и взрывоопаснымустановлена термодинамическая возможность образования цианистого натрия в электролизере при температуре свыше 800 °C;

— установлена возможность подавления образования вредных веществ в газовой фазе при контакте солевого шлака подины с водой путем его обработки бросовыми сульфатными растворами процесса кристаллизации регенерационного криолита;

Практическая значимость исследований состоит в следующем: разработана и апробирована технологическая схема переработки солевых шлаков подины методом совместной флотации с угольной пеной и шламом газоочисткиразработана, апробирована и внедрена в промышленную эксплуатацию технологическая схема переработки солевых шлаков методом совместной сушки с пастой вторичного криолита;

— предложен способ дезактивации солевых шлаков подины (подавление образования аммиака в газовой фазе) путем их обработки сульфатными растворами процесса кристаллизации регенерационного криолита, и имеется положительное решение о выдаче патента.

Подтвержденный экономический эффект за 2009 г. составил 14,9 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на корпоративной студенческой конференции ОК РУСАЛ (Каменск-Уральский, 2007) — научно-практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств».

Иркутск, 2008;2010) — У1-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой и электродной промышленности, посвященной 50-летию ОАО «СибВАМИ» (Иркутск, 2008) — Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Иркутск, 2009).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, включая 37 таблиц и 30 рисунков, 4 приложения.

2.6. Выводы.

1. Основной технологией применяемой на российских алюминиевых заводах для подготовки отключенного электролизера к ремонту является влажная выборка сырья из подины.

2. Процесс заливки шахты электролизера водой сопровождается реакциями интенсивного выделения газов СО, NH3, СН4, S02 и др.

3. При выводе в ремонт одного электролизера образуется порядка 15−16 т солевых шлаков подины.

4. По своему химическому составу солевые шлаки подины представляют собой ценное вторичное сырье для электролизного производства, что обусловлено высоким содержанием таких компонентов как F, А12Оз, CaF2.

5. Изучение термодинамики основных химических реакций, протекающих при заливке шахты отключенного электролизера водой, показало, что реакции, идущие с образованием водорода, метана, аммиака и нитрида алюминия, протекают самопроизвольно и необратимо во всем интервале рассмотренных температур. Протекание реакций с образованием СО, НС1Ч, согласно выполненных расчетов возможно при условии что температура, при которой они идут, превышает 800 °C.

6. Флотация солевых шлаков подины позволяет достичь высоких показателей выхода качественного готового продукта — ФГК и обеспечивает высокую степень извлечения основных компонентов шлака — фтора и алюминия.

7. Предложен и испытан в лабораторных условиях способ дезактивации солевых шлаков подины путем обработки их сульфатсодобикарбонатными растворами.

8. Установлено, что в солевых шлаках подины (в пушонке) образуется соединение диамид (гидразин) — N2112, являющееся высокотоксичным и взрывоопасным. Обработка пушонки сульфатсодобикарбонатными растворами позволяет перевести гидразин в форму К3Н7804 — гидразин амид сульфат.

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СПОСОБОВ ДЕЗАКТИВАЦИИ И ПЕРЕРАБОТКИ СОЛЕВЫХ ШЛАКОВ ПОДИНЫ.

На основании изученных свойств солевых шлаков подины (пушонки) и проведенных лабораторных испытаний, предложен способ дезактивации (подавление газообразования при контакте шлака с водой), технология совместной флотации пушонки с угольной пеной и способ кондиционирования солевого шлака подины путем предварительной его подготовки и последующей сушкой с пастой вторичного криолита.

По всем трем способам были проведены опытно-промышленные испытания на базе Участка производства фторсолей и электролизного производства ОАО «РУСАЛ Братск».

3.1. Дезактивация солевых шлаков подины при подготовке электролизера к капитальному ремонту.

Как было отмечено ранее, при отключении электролизера в ремонт для охлаждения подины и размягчения остатков сырья в ней, используется техническая вода. При этом в результате взаимодействия остатков расплавленного алюминия, электролита и угольной футеровки шахты электролизера, интенсивно протекают реакции образования газов — ]МН3, 802, СО, С02. Так, например, концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны, прилегающей к отключенному электролизеру, превышает ПДК примерно в 4 — 5 раз (результаты замеров СПЛ). Данное обстоятельство негативно влияет на условия труда обслуживающего персонала электролизного корпуса и работников ремонтных и подрядных служб. В связи с эти принято решение испытать способ дезактивации солевых шлаков подины непосредственно в процессе подготовки электролизера к капитальному ремонту.

Методика проведения опытно-промышленных испытаний по дезактивации солевых шлаков подины при подготовке электролизера к ремонту следующая.

Была отобрана группа электролизеров подлежащих к отключению в капитальный ремонт. Все электролизеры группы разделены на две частиэлектролизеры свидетели и опытные электролизеры. Подготовка электролизеров-свидетелей к ремонту проводилась по стандартной схеме с использованием технической воды. На опытных электролизерах вместо воды в шахту заливался маточный раствор процесса кристаллизации регенерационного криолита. На всех электролизерах специалистами санитарно-промышленной лаборатории производились замеры концентрации газов (М33, БОг, СО) в воздухе рабочей зоны, на основании которых составлялись протоколы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Производство первичного алюминия электролитическим способом является источником образования большого количества различного рода отходов. Одно из первых мест по объемам образования на 1 тонну товарного алюминия занимают отходы капитального ремонта электролизеров. Данные химического анализа показывают, что практически все отходы производства первичного алюминия содержат значительное количество полезных компонентов, которые могли бы возвращаться в процесс электролиза или вовлекаться в других отраслях промышленности — от черной металлургии до строительства.

2. Вектор развития современной промышленности должен быть направлен на разработку безотходных технологий, минимизацию воздействия на окружающую среду, энергои материалопотребления, что является одним из основных положений устойчивого развития. В связи с этим, работы направленные на поиск новых путей решения проблем утилизации промышленных отходов и обеспечения дефицитным сырьем, становятся в последние годы особенно актуальными.

3. Основной технологией применяемой на российских алюминиевых заводах для подготовки отключенного электролизера к ремонту является влажная выборка сырья из подины. Процесс заливки шахты электролизера водой сопровождается реакциями интенсивного выделения газов СО, 1ГН3, СН4, 802 и др. При выводе в ремонт одного электролизера образуется порядка 15−16 т солевых шлаков подины.

4. По своему химическому составу солевые шлаки подины представляют собой ценное вторичное сырье для электролизного производства, что обусловлено высоким содержанием таких компонентов как Б, А120з, Са¥-2.

5. Изучение термодинамики основных химических реакций протекающих при заливке шахты отключенного электролизера водой показало, что реакции, протекающие с образованием водорода, метана, аммиака и нитрида алюминия протекают самопроизвольно и необратимо во всем интервале рассмотренных температур. Протекание реакций с образованием СО, НС>1, ИаСК согласно выполненных расчетов, возможно при условии что температура, при которой они идут, превышает 750 °C.

6. Установлено, что в солевых шлаках подины (в пушонке) образуется соединение диамид (гидразин) — 1Ч2Н2, являющееся высокотоксичным и взрывоопасным. Обработка пушонки сульфатсодобикарбонатными растворами позволяет перевести гидразин в форму Ы3Н7804 — гидразин амид сульфат.

7. В результате проведенных опытно-промышленных испытаний по дезактивации солевых шлаков подины при подготовке электролизера к капитальному ремонту установлено, что подача маточного раствора вместо воды в шахту отключенного электролизера позволяет подавить образование газов. Так концентрации аммиака в воздухе рабочей зоны снижается на 97%, диоксида серы — на 63%, угарного газа — на 26%.

8. Разработана и испытана схема переработки солевых шлаков подины методом совместной флотации с угольной пеной и шламом газоочистки с предварительной стадией дезактивации пушонки на узле измельчения угольной пены. Данный способ позволяет получить качественное вторичное сырье (ФГК), по качеству соответствующее требованиям нормативно-технической документации.

9. Наиболее простым и наименее затратным способом переработки солевых шлаков подины является технология совместной сушки пушонки с пастой вторичного криолита в барабанной вращающейся печи'. Полученное таким образом вторичное сырье соответствует требованиям нормативно-технической документации и может загружаться в электролизеры механизированным способом. При этом за счет удаления влаги из сырья исключаются потери фтористого алюминия, предотвращаются опасные ситуации, связанные с попадание влаги в расплавленный электролит.

10. Экономический эффект от внедрения способа переработки солевых шлаков подины методом совместной сушки с пастой вторичного криолита в промышленную эксплуатацию в 2009 г. составил 14, 903 млн руб.