Жербалшықты өндірудің негізгі әдістері

Тұнбаға түсетін алюминий гидрототығын содалы ерітіндіден бөліп  алады, жуады және кальцинациялайды.

Карбонизациялау кезінде  алынатын ерітіндіде сода бар және ол процеске қайтарылуы тиіс. Процестен артық суды шығару үшін негізгі ерітінді алдымен суалтылады.

Негізгі ерітінділерді  суалту көпкорпусты суалту батареяларында әдетте екі сатыда орындалады: алдымен  табиғи циркуляциялы аппараттарда соданы бөліп алусыз, сонан соң соданы бөліп алумен еріксіз циркуляциялайтын аппараттарда немесе қайнау аймағы сыртта орналасқан аппараттарда орындалады.

Байер әдісі мен пісіру әдісінің белгілі кемшіліктері бар, олар – қолдануларының шектелуі, бағасы қымбат болатан сода мен будың  шығыны жоғары (Байер әдісі), материалдық ағындар үлкен, отынның шығыны жоғары (пісіру әдісі). Сондықтан ТЕД-да шетелдік өндірістен өзгеше жоғары сапалы бокситтер таза Байер әдісімен емес, параллельді нұсқадағы пісірудің құрандалы әдісімен өңделеді. Құрамында темір тотығының мөлшері аса жоғары емес ( 17 – 18%-дан артық емес) жоғары кремнийлі бокситтерді өңдеуде құрандалы Байер әдісі – бірізді нұсқадағы пісіру қолданылады.

Байер-пісірудің құрандалы  әдісінің параллельді нұсқасының схемасы  бойынша бокситтің негізгі бөлімі Байер әдісі бойынша өңделеді, ал аз бөлігі пісіру әдісімен өңделеді. Екі бұтақ алюминатты ерітіндіні алғанша параллельді жүргізіледі, сонан соң пісіру бұтағының кремнийсіздендірілген алюминатты ерітіндісі Байер бұтағының ерітіндісімен араластырылады, сонан соң араласқан ерітінді декомпозицияланады.

Негізгі ерітіндіні  (жирен  сода) суалтудан алынған соданың  моногидратын каустификациялаудың  орнына пісіру бұтағына жібереді, онда оны таза содамен бірге бокситтің  жаңа порциясын өңдеу үшін қолданады.

Бұл нұсқаның негізгі артықшылықтары:

1) Бір зауыт ішінде жоғарыкремнийлі және төменкремнийлі бокситтерді өңдеу мүмкінішілігі бар (біріншілерді – пісіру бұтағында, екіншіліреді – Байер бұтағында); Na₂O-нің жоғалуларының орнын толтыру үшін жербалшық бойынша пісіру бұтағының қуаттылығы зауыт қуаттылығының 10-15%-на тең.

2) Байер циклындағы күйдіргіш сілтінің жоғалуларының барлығы бокситпен бірге пісіру кезінде каустификацияланатын содамен орны толтырылады. Күйдіргіш сілті содадан қымбат болғандықтан, сілтінің жоғалуларын содамен компенсациялау жербалшықтың өздік құнының бағасын түсіреді.

3) Пісіру бұтағы соданы термиялық каустификациялаудан басқа жербалшықтың қосымша мөлшерін береді.

4) Суалту кезінде тұнбаға түсетін сода моногидраты көптеген органикалық қосылыстарды сіңіреді, олар пісіру пешінде түгелі жанып кетеді де, Байер бұтағының алюминатты ерітінділері олардан тазартылады.

Параллельді нұсқаның негізгі  кемшіліктері – күрделілік және пісіру переделына шығындар жоғары.

Бірізді нұсқа схемасы  бойынша Al₂O₃ пен Na₂O-ге бай қызыл шлам бокситті автоклавсыз немесе автоклавты сілтілеуден кейін содамен және әктаспен пісіріледі. Пісіріндіні сілтілеуден алған кремнийсіздендірілген алюминатты ерітіндіні бірге ыдырату үшін Байер процесінің сұйылтылған ерітіндісімен араластырылады.

Бірізді нұсқа жоғарыкремнийлі  бокситтерді өңдеуге жарамды  және келесі артықшылықтары бар:

1) Каустикалық сілтінің жоғалулары соданың эквивалентті мөлшерімен орны толтырылады.

2) Шикізаттан жербалшықтың қосынды алынуы жоғары.

3) Бокситті пісіру әдісімен салыстырғанда пісірілуге берілетін шихтаның ағыны аз, себебі жербалшықтың көп мөлшері шикізаттан Байер бұтағында алынады.

Осыған қарамастан бұл нұсқа  жербалшықтың бір тоннасына жұмсалатын шығынның жоғары болуымен сипатталады  және құрамындағы  Fe₂O₃-тің мөлшері төмен болатын бокситтер үшін ғана қолданылады, себебі қызыл шламның құрамындағы темір тотығының көп болуы шихтаның тез балқуына әкеледі және  шламның пісуін төмендетеді немесе мүлде жол бермейді. [2,4]

Сонымен қатар тағы да келесі әдістер  белгілі:

1) Байер-гидрохимия әдісі немесе Пономарев-Сажиннің классикалық гидрохимиялық әдісі профессор Пономарев В.Д. және профессор B.C. Сажиннің басқаруымен Қазақстан КСР-ның ҒА-ның және Украин КСР-ның ҒА-ның бір топ мамандарымен Байер-пісіру әдісінің альтернативасы ретінде дайындалды. Әдістің авторлары қызыл шламды пісіру процесін 280-300^оС температурада автоклавтарда жүретін шламды гидрохимиялық сілтілеуге кремнеземді натрий гидроалюмосиликаты (ГАСН) фазасынан жаңа қатты фазаға –  молярлық құрамы Na₂O·2CaO·2SiO₂·H₂O болатын натрокальцийлі гидросиликатқа (НКГС) алмастыруды ұсынды. Концентрленген жоғары модульді алюминатты ерітінділерді (Na₂O 450 г/дм³-ден артық, α_к = 30) және әктастың эквивалентті қоспаларын қолдану ұсынылды. Бұл технологияда ГАСН фазасынан НКГС фазасына толық өтетін натрий оксидін регенерациялау үшін шламды әлсіз сілтілі ерітінділерде өңдейді. Бұл кезде түзілетін кальций моносиликаты жартылай бұзылады да, босайтын кремний диоксиді ГАСН фазасына өтеді. Бұл жағдайларда шламнан Al₂O₃ және Na₂O-ның 90%-на дейін алынады.

Байер-гидрохимия әдісі  Байер-пісіру әдісімен салыстырғанда  алынатын тауарлық жербалшықтың бірлігіне  алғанда әктастың, соданың және отынның  аз жұмсалуымен сипатталады.

 Альтернативалы классикалық  гидрохимиялық Пономарев-Сажин әдісі қызыл шламды жоғарытемпературалы сілтілеуді жүргізуге қажетті жоғары қысымды коррозияға тұрақты аппаратураның болмау салдарынан және жербалшықтың бір тоннасына 10 Гкал болатын жылу энергиясының өте көп жұмсалуы салдарынан өнеркәсіпке еңгізілмеді.

2) Жоғары кремнийлі бокситтерді өңдеу процесінде сілті мен жербалшықтың жоғалуларын минимализациялау міндеттерін шешуде қызыл шламды сілтілеудің «гидрогранатты технологиясы» қолданылуы мүмкін.

Жаңа әдістің принципиалды ерекшелігі кремний диоксидінің 90-95 % -ның ГАСН фазасынан жаңа қатты фазаға кальций гидрогранатының темірлі - 3CaO·Fe₂О₃·2SiО₂·2H₂O – және алюминийлі - 3CaO·А1₂О₃·SiО₂·4H₂O – қоспалары ретінде өтуіне технологиялық жағдайлар жасау және іске асыру болады. Бұл қосылыстар әртүрлі концентрациялы  сілтілік және алюминатты ерітінділерде ерімейді, бұл қызыл шламды регенерациялаудың жағымды соңғы нәтижесін сілті мен жербалшықтың үйіндіге жіберілетін өніммен бірге жоғалулары минималды болуына, Na₂O-нің мөлшері 0,5% -дан төмен және А1₂О₃-тің мөлшері 7,0 % -дан төмен,  мүмкіншілік береді.

Гидрогранаттық технология өңдеудің дәстүрлі әдістерімен салыстырғанда, отын мен электр энергиясын тұтынуды төмендетуге мүмкіншілік береді, ал шикізатты қолдануы бойынша Байер-пісіру әдісінің бірізді нұсқасымен салыстыруға болатындай мәліметтер бар. Басқа дәстүрлі әдістермен салыстырғанда гидрогранатты технология бойынша өндірістің өзіндік құны төмен.

3) Тотықсыздандырумен балқыту әдісі. Бұл әдістің негізінде кенді әктастың қатысуында тотықсыздандырумен балқыту процесі жатыр. Алғашқы шикізат ретінде бокситтер қолданылуы мүмкін, тотықсыздандырғыш ретінде кокс қолданылады. Балқыту алдында шихта кенді кесектендіру мен брикеттеу арқылы дайындықтан өтеді. Тотықсыздандырумен балқыту кен термиялық электр пештерінде және домна пештерінде орындалуы мүмкін.

Электр пешінде балқыту  кезінде темірдің, титанның және кремнийдің қосылыстары еркін металдарға дейін  тотықсызданады да, бір-бірінде еріп ферросилиций түзеді. Алюминий тотығы тотықсызданбайды да, кальций алюминаты ретінде шлакқа өтеді. Кремний тотығы толық тотықсызданбайды: оның бір бөлімі шлакқа екікальцийлі силикат ретінде  өтеді

Шлак пен ферросилицийді бөлу олардың тығыздықтарының әртүрлі  болуына негізделген және тұндыру  арқылы орындалады.

Диірмендерде қосымша  ұнтақталғаннан кейін шлакты айналымды содасілтілік ерітінділермен сілтілейді. Бұл кезде кальций алюминаттары ыдырайды да, жербалшық ерітіндіге өтеді.

Сілтілеудің болжалды жағдайлары: температура 60-70^оС, ұзақтығы 30-60 минут, алюминатты ерітіндідегі Al₂O₃-тің концентрациясы 85 г/л. Сілтілеу кезіндегі Al₂O₃-тің шығуы 95%.

Алюминий гидрототығын алюминатты ерітіндіден толық емес карбонизациялау әдісімен әрі қарай  бұрау арқылы шығарады.

Тотықсыздандырумен балқытудың негізгі кемшілігі – электр энергиясының жоғары шығыны, бұл шығынды зерттеулердің көрсетуі бойынша құрандалы әдісті қолдануда елеулі төмендетуге болады. Бұл әдістің негізі шикізатты екісатылы термиялық өңдеу: алдымен айналатын түтікті пеште шихта қыздырылады және кеннің тотықтары жартылай тотықсызданады, сонан соң электр пешінде тотықтардың тотықсыздануы аяқталады, балқиды және балқу өнімдері бөлінеді.

4) Қышқылдық әдістер. Қышқылдық әдістердің сілтілікпен салыстырғандағы негізгі артықшылығы кремнеземді процестің ең басында бөліп алу мүмкіншілігі болады. Қышқылдарға инертті болатын кремнезем қышқылдық өңдеу кезінде ерітіндіге өтпейді, ал темір қосылыстары мен алюминий қосылыстары қышқылдарда ериді де, алюминий тұзының ерітіндісін ластайды.

Яғни, қышқылдық әдістерді  жоғары кремнийлік шикізатты өңдеуде  қолдану мақсатқа сай. Бірақ алғашқы шикізатта темірдің мөлшері төмен болуы тиіс.

Құрамында алюминий бар  шикізатты өңдеудің бірнеше қышқылдық  әдісі белгілі, мысалы күкіртқышқылды, азотқышқылды, тұзқышқылды. Қышқылдық  әдістердің көпшілігінің негізгі операциялары: кенді дегидратациялау, оны қышқылмен ыдырату арқылы ерігіш алюминий тұзын алу және ерімейтін тұнбаны бөліп алу, алюминий тұзын темір қосылыстарынан және басқа қоспалардан тазарту, алюминий тотығын бөліп алу және қышқылды регенерациялау.

Шикізатты дегидратациялау  үшін жиі жағдайда оны күйдіреді. Шикізатты ыдырату үшін оны араластырғыштарда, автоклавтарда немесе басқа аппаратурада қышқылмен өңдейді. Бұндай өңдеу кезінде жербалшық белгілі қышқылдың тұзы  ретінде ерітіндіге өтеді, оны кремнийлі қалдықтан (сиштофтан) бөліп алады.

Алюминий тұзын темір қосылыстарынан тазарту үшін алюминийдің белгілі бір қосылыстарының және оларға сәйкес темір қосылыстарының әртүрлі ерігіштіктеріне негізделген әдістер қолданылады. Басқа әдістер темір қосылыстарының кейбір заттардың бетінде адсорбциялану қасиеті қолданылады, олар біраз мөлшерде ерітіндіге еңгізіледі.

Тазартылған алюминий тұзынан  алюминий тотығы  көп әдістерде қатты қыздыру арқылы шығарылады. Қатты қыздыру кезінде газдық фазаға өтетін қышқыл тотықтары сумен сіңіріледі де, сөйтіп қышқылдың регенерациялануы орындалады.

Бірақ, қышқылдық әдістер  сілтілік әдістермен салыстырғанда  бірқатар кемшіліктерге ие болады; жабдықтаудың бағасын арттыратын қышқылтөзімді  материалдарды қолдану қажеттілігі, еңбектің қажетті санитарлы-гигиеналық жағдайларын жасауды қиындататын көптеген қышқылдардың ұшқыш болуы, алюминий тұздарын темір қосылыстарынан тазартудың қиын болуы, қышқылдың айналымы жоғары.

Қышқылдық әдістерді  жетілдіру дегеніміз екі бұтақтан – қышқылдық және негіздік, тұратын  қышқыл-негіздік әдістерді дайындау болады. Қышқылды бұтақта кенді қышқыл ерітіндісімен өңдеу арқылы процестен кремнезем шығарылады. Алюминий тұзының ерітіндісінен темір қосылыстарымен ластанған «шикі» алюминий тотығы алынады. «Шикі» тотықты сілтілік әдіспен таза жербалшыққа өңдейді, мысалы Байер әдісімен.

Берілген әдістерден бокситті және басқа да алюминийқұрамды  шикізатты өңдеудің тәсілі мен рационалды аппаратуралы-технологиялық сызбанұсқаны таңдау көптеген факторларға бкайланысты, олардың негізгілері:

1) Кремнийлік модуль μ_Si – Al₂O₃ –тің SiO₂ –ке массасы бойынша қатынасы.

2)Шикізаттағы сульфидтердің, карбонаттардың және органикалық заттардың мөлшері.

3) Алюминий және кремний қосылыстарының минералдық құрамы.

4) Темір тотығының мөлшері.

Алюминийқұрамды шикізатты өңдеудің жаңа технологияларын дайындау жербалшық өндірісінің көлемдерін елеулі ұлғайтуға мүмкіншілік береді.

Жаңа технологиялық  шешімдердің негізгі мазмұны  энергоресурстардың және сілтілік материалдардың төмен шығындық мәндерін қамтамасыз ету, эксплуатациялық және еңбек  шығындарын төмендету, толық автоматтандыру және өндірісті компьютерлік басқару, инвестициялық шығындарды минималдандыру және үйінділік шламдарды толық утилизациялау болады.

 

2 Пісірінділерді сілтілеу түйінінде жүретін химиялық процестер

 

 

Пісірінділерді сілтілеу механизмі жайлы жалпы мәліметтер.Алюминатты пісірінділердің негізгі фазадары: β-екікальцийлі силикат (β-2СаО SiO₂), сілтілік металдың алюминаты және ферриті (R₂O Al₂O₃; R₂O ×Fe₂0₃) және олардың қатты ерітінділері.

Пісірінділерді сілтілеу келесі процестерден тұрады:

1. Натрий (калий) алюминатының еруі.
2. Ферриттің және оның қатты ерітіндісінің – алюмоферриттің ерітіндіге каустикалық сілтінің өтуімен және темір гидрототығының тұнбаға түсуімен ыдырауы (гидролизі).
3. Екікальцийлі силикаттың біраз ыдырауы.

Al₂O₃ және R₂O-ның пісіріндіден алюминатты ерітіндіге өту дәрежесі пісіріндідегі ерігіш алюминатының мөлшеріне және құрамында алюминий, натрий, кальций, кремний және т.б. элементтер бар ерімейтін қосылыстарды түзумен жүретін қажетсіз екіншілік реакциялардың жүру дәрежесіне тәуелді. Пісіріндіні сілтілеу кезінде жүретін бұл реакциялар екікальцийлі силикатты келесі қайтымсыз реакция бойынша каустикалық сілті ерітіндісімен ыдыратумен байланысты