Переработка шламов глиноземного производства АО «Алюминий Казахстан»

Предварительный анализ химического состава шламов позволяет сделать предположение о целесообразности их переработки с извлечением содержащегося в них в виде оксидов железа. Обзор научно-технической литературы показал, что в настоящее время предлагаются различные способы переработки и использования красных шламов глиноземного производства. Это использование красного шлама как: добавки при агломерации, окомковании, доменной плавки железных руд, сырья для получения железа, шлакообразующего агента для рафинирования чугуна и стали, частичного заменителя глин при изготовлении литейных форм, добавки при производстве цемента и керамики, добавки при производстве строительного кирпича и огнеупоров, как основа для минеральных удобрений. Для получения чугуна и стали предлагаются такие способы как: восстановительная плавка в доменных печах и электрических печах, во вращающихся и шахтных печах. К сожалению, эти способы экономически не целесообразны, поэтому широко и не внедрены в производство.

Для обоснования экономически привлекательных способов переработки шламов были проанализированы существующие способы получения железа из руд применительно к различным шламам глиноземного производства. В XX веке основным способом получения железа, или, точнее его сплавов – чугуна и стали, являлись двухстадийные процессы. Сырьем в данном случае является железная руда или его производные – агломерат, железорудные окатыши. Перерабатывать этим способом шламы металлургических производств не представляется возможным по ряду причин. В то же время со второй половины XX века активно ведутся работы по разработке внедоменных способов получения железа и в настоящее время в этом направлении достигнуты определенные результаты. Первоначально потребность в разработке внедоменных способов производства железа была вызвана желанием металлургов снизить или полностью исключить расход кокса, который в условиях доменного производства является основным источником тепла и восстановителем. При поиске новых способов восстановления железа желательным было исключение или значительное сокращение операций предварительной подготовки железной руды. В результате основная масса разработанных процессов получения железа позволяет в качестве сырья использовать пылевидную руду. Проведенный анализ показал, что наиболее привлекательными являются способы внедоменного получения железа, в которых шламы алюминиевой промышленности являются сырьем.

Переработка шламов алюминиевой промышленности с получением железа в настоящее время может быть осуществлено следующими способами:

1) восстановлении железа из твердых железорудных материалов взаимодействием с твердыми или газообразными восстановителями по реакциям: Fe2 O3 + (C, CO, H2, CH4)→Fe + (CO, CO2, H2 O);

2) восстановление железа в кипящем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям: FeO + (C, CO)→ FeO + CO2.

Жидкофазные способы восстановления железа.

Многостадийные процессы включают стадии нагрева и восстановления железорудных материалов, плавления и рафинирования получаемого металла. Разделенность во времени и пространстве стадий восстановления и плавления железорудных материалов позволяет повысить стойкость огнеупорной футеровки. Многостадийность процесса позволяет также эффективно использовать тепловую и химическую энергию отходящих газов. Отдельные стадии и процесс в целом поддаются регулированию и управлению. Все это является преимуществами процесса.

Недостатками процесса являются взаимозависимость работы отдельных агрегатов, низкие температуры на стадии предварительного восстановления, что ограничивает скорость протекания процессов. К многостадийным относятся процессы Corex, Dios, Hismelt, и др.

Одностадийные процессы осуществляются в одном агрегате, в котором совмещаются стадии нагрева, восстановления, плавления и рафинирования металла. Преимущества этого процесса заключаются в отсутствии ограничений температур восстановления железорудных материалов, что положительно влияет на кинетические параметры процесса и производительность агрегата. Недостатком процесса является невозможность разделения во времени и пространстве процессов восстановления и плавления железорудных материалов и, как следствие, наличие жидких расплавов, богатых окислами железа, агрессивно воздействующих на футеровку. Получение металла заданного химического состава также является проблематичным. Одностадийными являются процессы Ромелт, DECU, Ausrion и др.

В настоящий момент промышленные или демонстрационные установки действуют по процессам Corex, Ромелт, Dios, Hismelt. Рассмотрим подробнее эти процессы.

Процесс Corex. Разработан фирмами «Korf Engineering GmbH», Германия, и «Voest Alpine Industrieanlagenbau AG» (VAI), Австрия. Первые опыты по реализации процесса провели на заводе Badische Stahlwerke AG, Германия, в 1977 году. Детальное освоение технологии прошло в период 1981-1987 годов га пилотной установке мощностью 70 тыс.т чугуна в год в г.Келе, Германия. К настоящему времени процессом Corex произведено более 6 млн.т чугуна. Действующие компании Corex: ЮАР, - 0,65 млн.т/год; Индия, - 0,8 млн.т/год; Ю.Корея, - 0,8 млн.т/год. Восстановителем и источником тепла является уголь. Имеется два реактора: нижний плавильный реактор, который является также регенератором восстановительного газа, и верхний восстановительный реактор – шахтная печь, в которой получают губчатое железо. Продуктом является чугун следующего состава: до 4 % С, 0,4 – 2,5 % Si, 0,02 – 0,10 % S. Содержание фосфора зависит от состава угля и железорудного сырья. Температура жидкого чугуна и шлака 1450 -1550 ˚С. Удельная потребность в кис- лороде и угле составляет соответственно 500 -600 м3 /т и 950 – 1050 кг/т чугуна. Избыточный газ после шахтной печи с теплотворной способностью 6,7 – 8,0 МДж/нм3 может использоваться для собственных нужд завода. Существуют концептуальные схемы использования модуля Corex в комбинации с тепловой электростанцией, работающей на отходящем газе шахтного реактора и в комбинации с модулем Midrex. Количество вырабатываемой электроэнергии превышает потребность в ней процесса Corex. Помимо недостатков, присущих всем многостадийным процессам, недостатком технологии Corex является также необходимость окускования железорудного сырья, и, как следствие, невозможность перерабатывать пылевидные металлургические отходы.

Процесс Dios. Процесс Dios разработан в Японии Федерацией чугуна и стали и Центром использования угля при поддержке Министерства внешней торговли и промышленности. Предварительные исследования (1988 – 1991 гг.) вели на 100-тонном реакторе жидкофазного восстановления на заводе фирмы Nippon Steel Corp. Впервые был реализован на полупромышленной установке с номинальной мощностью 180 тыс.т чугуна в год в 1993 году на заводе Кэйхин фирмы «NKK» (Япония). 41 №2 2010 г. Процесс трехстадийный. Смесь мелкой руды (< 0,05 % Si, 0,05 – 0,10 % Mn, < 0,05 % S, 0,05 – 0,10 % P. Расход угля зависит от производительности и составляет 800 – 1800 кг/т. По данным разработчиков капитальные затраты на строительство завода Dios производительностью 6000 т чугуна в сутки на 35 % меньше капитальных затрат на строительство доменного цеха аналогичной производительности. Себестоимость чугуна Dios на 19 % меньше себестоимости доменного чугуна, потребление энергии ниже на 4 %,выбросы СО2 на 5 %, чем при доменном производстве.

Процесс Hismelt. В процессе Hismelt (Австралия) восстановление железа осуществляется преимущественно углеродом, растворенным в чугуне. Сложности заключаются в обеспечении опережающего науглераживания чугуна и стойкости футеровки. Процесс может быть осуществлен по одно- или двухстадийной схеме. В зависимости от вида используемых материалов производительность опытного агрегата составляет 50000-100000 т/год. За период работы пилотной установки Hismelt было выплавлено 22100 т чугуна при использовании угля с содержанием углерода от 50 до 73,2 %, золы от 4,8 до 12,0 % и летучих от 9,8 до 38,5 %, а также коксовой мелочи. В качестве железорудных материалов использовали: мелкую руду с содержанием железа 61 % и мелкую фосфористую руду с содержанием 62,4 % Fe и 0,12 % P, сталеплавильные шламы (53,3 % Fe, 10 %C) и губчатое железо (90,5 % Fe, 84,2 % - степень металлизации). Типичный состав получаемого чугуна, %: 4,1 – 4,5 С; 0,02 – 0,06 Mn; 0,02 – 0,04 P; 0,05 – 0,15 S. Температура чугуна 1400 – 1500 ˚С. Производительность агрегата можно варьировать в пределах 100 – 450 %, изменяя долю металлизованной шихты и степень обогащения дутья кислородом.

Процесс Ромелт. Разработан в Московском государственном институте сталей и сплавов (МИСиС) под руководством профессора В.А. Роменца. Одностадийный процесс жидкофазного восстановления неподготовленных железосодержащих материалов с использованием в качестве восстановителя энергетических углей. осуществляется в плавильно - восстановительной печи прямоугольного сечения, работающей с небольшим разрежением в рабочем пространстве, исключающим выбросы газов в атмосферу. Процесс отрабатывался на пилотной установке с площадью пода 20 м2. За период с 1985 по 1998 год было проведено более 40 кампаний, во время которых выплавлено более 40000т чугуна. Использовали различные природные и техногенные железорудные материалы, в качестве топлива – различные энергетические угли с широким диапазоном летучих и золы. Получаемый чугун по содержанию углерода и серы аналогичен доменному, но практически не содержит кремния и других трудновосстановимых элементов. Плавки на пилотной установке показали широкие возможности процесса Ромелт по утилизации металлургических и других отходов.