Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

29.01.2017

Основными операциями подготовки боксита являются дробление (крупное и среднее) и тонкое измельчение (размол).
Схема дробления и измельчения выбирается таким образом, чтобы соблюдался основной принцип измельчения: «He измельчать ничего лишнего». Это достигается путем измельчения руды в несколько стадий, причем перед каждой из них проводится грохочение или классификация для отделения продукта, не требующего измельчения в данной стадии.
Для крупного дробления боксита широко применяют щековые дробилки.
На крупное дробление поступает боксит в виде кусков, достигающих 600—1000 мм в поперечнике. Степень измельчения боксита на щековой дробилке не превышает 6—8. (Под степенью измельчения понимается отношение диаметра наибольших кусков руды до дробления к диаметру наибольших кусков после дробления.
Для среднего дробления часто применяют конусные дробилки. Степень измельчения на Конусных дробилках — 6—12.
Для дробления боксита широко применяют также молотковые дробилки. Основной частью молотковой дробилки является ротор, состояний из горизонтального вала с шарнирно укрепленными на нем молотками. Молотки свободно вращаются над колосниковой решеткой с рудой и, ударяясь о последнюю, дробят ее. Измельченный материал разгружается через щели колосниковой решетки.
Тонкое измельчение боксита происходит в шаровых мельницах мокрого помола. Шаровая мельница состоит из цилиндрического барабана, выполненного из стальных листов. Дробящими телами в мельнице являются стальные или чугунные шары, которые частично заполняют ее барабан. При вращении мельницы шары поднимаются на некоторую высоту и падают вниз, оказывая ка материал ударное и истирающее действие. Величина шаровой загрузки мельницы составляет 30—45% ее объема.
Шаровые мельницы мокрого помела обычно работают в замкнутом цикле с классификатором.
Дробленый боксит вместе с оборотным раствором и раствором щелочи, вводимой для возмещения потерь ее в процессе, непрерывно подается в мельницу через загрузочную цапфу с помощью специального питателя. Разгрузка мельницы также происходит непрерывно через разгрузочную цапфу в классификатор.
Классификатор служит для отделения материала, требующего доизмельчения, от материала, который уже имеет нужную тонину помола. Недоизмельченный материал (пески) снова возвращают в мельницу. Это позволяет избежать переизмельчения материала и получить однородный по крупности продукт.
Для работы в замкнутом цикле с мельницей могут быть использованы классификаторы нескольких типов; реечный, спиральный и др.
Схема реечного классификатора показана на рис. 4. Он состоит из наклонного металлического корыта 1, внутри которого движется гребковая рама 2 с гребками 3.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Пульпа из мельницы поступает в нижнюю часть классификатора, куда подается также оборотный раствор. He требующие дальнейшего измельчения частицы материала уходят в слив через порог 4, а более крупные частицы оседают на дно классификатора и гребками перемещаются к верхнему открытому концу корыта, где сбрасываются в желоб. Перемещение частиц достигается благодаря сложному возвратно-поступательному движению гребковой рамы. При движении вверх гребковая рама перемещается почти непосредственно по дну корыта, при обратном же ходе она поднимается от дна корыта примерно на 150 мм.
Спиральный классификатор работает аналогично реечному. Он состоит из полуцилиндрического наклонного корыта, перемещение песков в котором происходит с помощью медленно вращающейся спирали.
Для обеспечения лучших условий измельчения боксита в мельнице весовое отношение между жидкой и твердой фазой в продукте, выходящем из нее, не должно превышать 0,7—0,8. С другой стороны, осаждение недоизмельченных частиц в классификаторе идет тем лучше, чем выше весовое соотношение между жидкой и твердой фазами в отстойной зоне классификатора и чем выше температура пульпы.
Поэтому потребный расход оборотного раствора распределяется таким образом, чтобы в первую очередь обеспечить требуемое соотношение между жидкой и твердой фазами в мельнице. Остаток оборотного раствора подается в классификатор. Оборотный раствор на размол поступает нагретым до температуры 104—107° С.
Если количество жидкости, вводимой на размол, недостаточно для работы классификатора, то применяют трубчатые мельницы, работающие в открытом цикле. Требуемая тонина помола здесь достигается благодаря длительному соприкосновению материала с дробящими телами.
В последнее время вместо классификатора с успехом начали применять простой аппарат-гидроциклон. Схема гидроциклона показана на рис. 5. Пульпа с помощью насоса подается в цилиндрическую часть аппарата 1 по входному патрубку 2.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Так как пульпа поступает в гидроциклон по касательной, то в гидроциклоне она приобретает вращательное движение. Под влиянием возникающих центробежных сил более крупные частицы пульпы отбрасываются к стенкам цилиндра, ударяются о них, теряют скорость и сползают вниз. Слив, содержащий мелкие частицы, выводится из гидроциклона через патрубок 3.
В зависимости от состава и свойств боксита процесс подготовки его, кроме рассмотренных операций, может включать и другие обогащение боксита, сушку, обжиг.
Обогащение боксита осуществляется путем промывки водой, что позволяет удалить из него глину, песок и другие подобные примеси и тем самым повысить качество руды.
Сушку бокситов производят на месте их добычи. Целью ее является удаление из боксита гигроскопической влаги. Последнее важно с точки зрения снижения транспортных расходов на перевозку боксита, особенно на дальние расстояния. Кроме того, благодаря сушке отпадают затруднения, связанные со смерзанием боксита в зимнее время при его перевозке и хранении.
Для обогащения и сушки бокситов на месте их добычи иногда предусматривают дробильно-промывочно-сушильные или дробильно-сушильные установки, оборудованные дробильным оборудованием и сушильными печами.
О значении обжига при переработке бокситов будет сказано ниже.
Выщелачивание боксита состоит в переводе глинозема из руды в раствор в виде алюмината натрия и отделении его, таким образом, от пустой породы.
Образование алюмината натрия происходит в результате взаимодействия гидратов окиси алюминия боксита с едким натром, раствором которого производится выщелачивание, по реакциям:
AlOOH + NaOH = NaAlO2 + H2O,
Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2Н2О.

Различные минералогические формы гидроокиси алюминия ведут себя при выщелачивании по разному. Наиболее легко выщелачиваются (вскрываются) гидраргиллитовые бокситы, наиболее трудно — диаспоровые. Выщелачивание гидраргиллитовых бокситов с достаточной полнотой и скоростью протекает уже при температуре 105° С, тогда как для выщелачивания диаспоровых бокситов требуется повышенная температура, достигаемая лишь в автоклавах, и более высокая концентрация щелочи в растворе.
Окись железа, присутствующая в боксите, при выщелачивании в раствор не переходит.
Кремнезем может присутствовать в боксите в виде опала, кварца и каолинита. Опал (аморфная двуокись кремния) уже при температуре ниже 100° С растворяется в едкой щелочи с образованием силиката натрия:
SiO2 + 2NaOKl = Na2SiO3 + H2O.

Силикат натрия, в свою очередь, взаимодействует с алюминатом натрия с образованием натриевого алюмосиликата
2NaAlO2 + 2Na2SiO3 + 4Н2О = Na2O*Al2O3*2SiO2*2H2O + 4NaOH.

Натриевый алюмосиликат имеет низкую растворимость в алюминатно-щелочном растворе и выпадает в осадок (шлам). Последняя реакция приводит к обескремниванию алюминатного раствора, т. е. к очистке его от кремнезема, но она связана также с потерями глинозема и щелочи. Потери щелочи вызывает также присутствие каолинита в боксите, который, не переходя в раствор, взаимодействует с алюминатным раствором с образованием нерастворимого алюмосиликата натрия. Что касается кварца, то он является наименее активной формой кремнезема и начинает взаимодействовать со щелочью при температуре выше 100° C.
Согласно литературным данным, соединения титана взаимодействуют со щелочью с образованием нерастворимого метатитаната натрия NaHTiO3. Этот процесс приводит к дополнительным потерям щелочи.
Следует отметить, что поведение соединений титана в процессе выщелачивания точно не выяснено.
Кроме того, в бокситах в небольших количествах могут присутствовать соединения серы, фосфора, ванадия, галлия, ниобия, хрома, карбонаты, органические соединения и др. Часть из них, переходя при выщелачивании в раствор, оказывает вредное влияние на дальнейшую переработку боксита.
Так, сера, переходя в раствор в виде сульфида натрия (Na2S), связывает некоторое количество щелочи.
Карбонаты, взаимодействуя со щелочью, приводят к образованию в растворе соды. Последняя при упаривании маточного раствора выпадает в осадок, который затем необходимо каустифицировать, о чем подробнее изложено ниже.
Органические примеси оказывают вредное влияние на процесс декомпозиции алюминатных растворов. Постепенно накапливаясь в алюминатном растворе, они затрудняют рост кристаллов гидроокиси алюминия в процессе декомпозиции, замедляют этот процесс.
На процесс выщелачивания боксита, кроме его химического и минералогического состава, оказывают влияние также такие факторы, как степень измельчения боксита, концентрация щелочного раствора, его каустический модуль, температура, присутствие извести, обжиг боксита.
С повышением степени измельчения увеличивается поверхность соприкосновения частиц боксита со щелочью, что ведет к увеличению скорости и, следовательно, к уменьшению продолжительности операции выщелачивания. Оптимальная степень измельчения в основном зависит от природы боксита и колеблется для различных бокситов в очень широких пределах: от 20 меш (0,83 мм) до 250—270 меш (0, 06 мм).
Промышленное выщелачивание бокситов производится оборотными растворами. Чем они более концентрированы по щелочи и чем выше их каустический модуль, тем быстрее протекает процесс выщелачивания.
Очень большое влияние на скорость выщелачивания оказывает температура. С повышением температуры скорость перехода глинозема в раствор увеличивается, а продолжительность процесса сокращается.
Благоприятное влияние на выщелачивание некоторых разновидностей плохо вскрывающихся бокситов оказывает добавка извести (окиси кальция) в количестве 2—3% от веса боксита. Механизм действия извести в процессе выщелачивания окончательно еще не выяснен. Однако доказано, что в ее присутствии метатитанат натрия не образуется. В этом случае титан образует с окисью кальция нерастворимый титанат кальция TiO2*2СаО*nН2О, благодаря чему химические потери щелочи снижаются.
Вскрываемость диаспоровых бокситов улучшает также предварительно проведенный обжиг их при температуре 500—600° С. При нагреве выше 500° С диаспор теряет химически связанную влагу и переходит в γAl2О3, получающийся при этом в виде дисперсных неравновесных кристаллов, которые обладают лучшей растворимостью в щелочи, чем исходные кристаллы диаспора.
Кроме того, обжиг полностью или частично устраняет вредное влияние таких примесей, как сернистые соединения, органические вещества и карбонаты.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

В каждом отдельном случае оптимальные условия процесса выщелачивания определяют опытным путем. В табл. 5 приведен примерный режим выщелачивания двух типов бокситов: диаспоро-бемитового и гидраргиллитового.
Согласно данным табл. 8, выщелачивание диаспоро-бемитовых бокситов производится при температуре 205—230° С. При этой температуре упругость паров щелочного раствора гораздо выше атмосферного давления. Поэтому выщелачивание бокситов производят в специальных аппаратах, работающих под давлением, — автоклавах.
Автоклав представляет собой стальной цилиндр 4 с верхним сферическим и нижним коническим днищами (рис. 6). Емкость его — 25—30 м3, диаметр — 1,6—2,3 м. К корпусу автоклава приварены лапы 5, которыми он опирается на поддерживающую конструкцию. Для уменьшения тепловых потерь снаружи автоклав покрыт теплоизоляцией.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Процесс выщелачивания боксита в автоклаве состоит из следующих операций: 1) загрузки пульпы, 2) подъема давления, а вместе с ним и температуры в автоклаве до требуемой величины, 3) выщелачивания (варка боксита) и 4) разгрузки автоклава.
Сырая пульпа из мельниц мокрого помола поступает в автоклав сверху через загрузочное отверстие 1. Нагрев и перемешивание пульпы в автоклаве производится с помощью острого пара, который вводится непосредственно в пульпу через сопло 2 в нижнем днище автоклава.
Для первоначального нагрева пульпы до температуры, отличающейся на 40—50° С от требуемой, используется так называемый барботажный пар. Последний подается из другого автоклава, где уже происходит варка боксита, а давление достигло нормальной величины.
Окончательный подогрев пульпы в автоклаве производится свежим паром более высокого давления, после чего наступает период варки боксита. Так как пульпа в автоклаве должна не прерывно перемешиваться, то подача пара в период варки не прекращается. Свежий пар барботирует через толщу пульпы и перемешивает ее. Чтобы давление не поднималось, барботажный нар непрерывно отбирают через штуцер, расположенный в верхней части автоклава.
Выгрузка пульпы из автоклава производится через вертикальную разгрузочною трубу 3 в так называемый самоиспаритель. Для этого прекращают подачу пара в автоклав и открывают вентиль на разгрузочной трубе. Вследствие разности давлений пуль па из автоклава переходит в самоиспаритель.
Самоиспаритель (или сепаратор пара) представляет собой полый цилиндр со сферическими или коническими днищами. Пульпа из автоклава поступает в среднюю часть самоиспарителя. Вследствие резкого снижения давления пульпа в самоиспарителе вскипает с образованием большого количества пара. Образующийся пар отводится через верхнее днище самоиспарителя и используется в производстве для подогрева воды или растворов. Пуль па отводится из самоиспарителя через нижнее днище и поступает на дальнейшую переработку.
Рассмотренный нами автоклав работает периодически Производительность периодически действующего автоклава определяется продолжительностью его рабочего цикла, которая в среднем составляет 3,5—4 часа, из них 10 мин приходится на загрузку, 50 мин. — на подогрев, 2,5—3 часа — на варку и 20 мин. — на разгрузку.
В последнее время получает распространение процесс непрерывного выщелачивания бокситов в батарее последовательно соединенных автоклавов.
Схема непрерывного выщелачивания имеет ряд существенных преимуществ перед схемой периодического выщелачивания.
1. Увеличивается производительность установки, так как при непрерывном выщелачивании отсутствуют затраты времени на загрузку автоклава, выгрузку и предварительный нагрев пульпы в автоклаве.
2. В значительной степени устраняется разбавление автоклав ной пульпы конденсатом. Подогрев пульпы при периодическом выщелачивании острым паром непосредственно в самом автоклаве вызывает разбавление пульпы конденсатом на 18—20%, что приводит к понижению концентрации щелочи в растворе, с помощью которого производится выщелачивание При непрерывном же выщелачивании подогрев пульпы осуществляется в выносных подогревателях, что позволяет устранить разбавление реагирующей щелочи.
3. Упрощается сеть коммуникаций и обслуживания установки, создаются условия для полной автоматизации процесса.
4. Сокращается расход пара, так как для подогрева пульпы в подогревателях используется сепараторный пар.
5. Устраняются вибрации автоклавов, связанные с периодическим нагревом пульпы.
Схема непрерывного выщелачивания приведена на рис. 7.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Сырая пульпа из мельницы мокрого помола поступает в мешалку 1, из которой насосом она качается в подогреватели 2. В качестве подогревателей используют трубчатые теплообменники. Подаваемая пульпа движется по трубкам теплообменника и нагревается за счет тепла сепараторного пара, проходящего в межтрубном пространстве.
Подогретая пульпа поступает в батарею последовательно соединенных автоклавов 3. Окончательный нагрев пульпы до температуры 220—230° С осуществляется за счет острого пара, поступающего с ТЭЦ под давлением 28—30 ат. Острый пар через буферный сосуд 4 подается в два первых автоклава батареи, которые называют греющими. Остальные автоклавы батареи носят название реакционных.
Из последнего автоклава батареи пульпа разгружается в сепаратор. С целью более целесообразного использования тепла пульпы самоиспарение ее производится в две ступени. В сепараторе первой ступени 5 давление снижается с 22—24 до 8 ат. Образующийся при этом пар используется для подогрева пульпы в подогревателях. В сепараторе второй ступени 6 происходит дальнейшее снижение давления до 1,5—2 ат. Образующийся здесь низкотемпературный пар используют для подогрева воды, идущей на промывку шлама. Из сепаратора второй ступени пульпа разгружается в мешалку 7, а отсюда направляется на дальнейшую обработку.
В результате выщелачивания получается автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора и нерастворимого остатка— красного шлама. С целью снижения концентрации алюминатного раствора и увеличения отношения жидкого К твердому (ж:т) в пульпе, что важно для последующих переделов, автоклавная пульпа подвергается разбавлению. Последнее производится в мешалках промывными водами от промывки красного шлама. Отношение ж:т в разбавленной пульпе на практике колеблется от 15:1 до 30:1.
Отделение алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляется путем отстаивания с последующей контрольной фильтрацией алюминатного раствора. Отстаивание производится в непрерывно действующих сгустителях с гребковыми устройствами.
Скорость отстаивания зависит от температуры пульпы. С повышением температуры вязкость раствора понижается и скорость осаждения частиц красного шлама увеличивается. Обычно температура в сгустителе поддерживается равной 90—100°С.
Для ускорения процесса сгущения часто используют так называемые коагулянты — вещества, способствующие укрупнению частиц красного шлама. В качестве коагулянта обычно используется ржаная мука, которая вводится в разбавленную пульпу в количестве 0,15—0,25% от веса шлама.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Сгуститель (рис. 8) состоит из цилиндрического бака 1 с коническим дном. В центре бака на металлической ферме подвешен вертикальный вал, на нижнем конце которого закреплено гребковое устройство, состоящее из крестовин 2 с гребками. Гребки установлены таким образом, что при вращении вала они перегребают осевший материал от периферии к центру. Вал приводится в движение от двигателя через ременную передачу и редуктор 3. Скорость вращения вала — 1,5—3 об/час.
Пульпа поступает в центр сгустителя через воронку 4. Здесь скорость движения пульпы резко падает и твердые частицы постепенно оседают на дно сгустителя, а осветленный раствор сливается в желоб 5 и выводится из сгустителя. Осевший шлам перегребается к центральному разгрузочному отверстию 6, через которое и выпускается.
В последнее время широкое распространение получают многоярусные сгустители, состоящие из нескольких отстойных камер, расположенных одна над другой с площадью осаждения до 1000 м2. Применение таких сгустителей дает возможность значительно уменьшить площадь, занимаемую ими в цехе.
Выгружаемый из сгустителей красный шлам содержит некоторое количество алюминатного раствора, поэтому его промывают водой. Промывка ведется по принципу противотока в серии каскадно расположенных промывателей (рис. 9), которые по конструкции ничем не отличаются от сгустителей.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Красный шлам из сгустителя поступает в первый промыватель, куда одновременно поступает промывная вода из второго промывателя Затем уплотненный шлам перекачивается во второй промыватель, где он встречается с промывной водой из третьего промывателя и т. д. Таким образом, красный шлам при своем движении обрабатывается все более слабой промывной водой. После промывки красный шлам идет в отвал.
Для отделения алюминатного раствора от красного шлама может быть использована также отстойная центрифуга. Она представляет собой горизонтально расположенный конический барабан, быстро вращающийся вокруг своей оси. Пульпа, подлежащая разделению, загружается внутрь барабана. Под действием центробежной силы твердые частицы шлама отбрасываются к внутренней поверхности барабана, образуя на ней кольцевой слой. Жидкая фаза также располагается в виде кольцевого слоя, но ближе к оси вращения.
Осадок красного шлама с помощью шнека непрерывно перемещается к узкому концу барабана, где выгружается. Алюминатный раствор непрерывно выводится из широкой части барабана.
Алюминатный раствор после отстаивания в сгустителях содержит до 0,1 г/л взвешенных частиц красного шлама, поэтому он подвергается контрольной фильтрации на фильтрах (рамных, листовых и др.).
Схема устройства рамного фильтр-пресса показана на рис. 10.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Фильтр пресс состоит из 10—60 самостоятельно работающих фильтровальных камер. Камеры образуются прямоугольными рамами 1 и плитами 2 между которыми находится фильтровальная ткань 3. Плиты и рамы прижимаются друг к другу обычно с помощью гидравлического зажима.
Алюминатный раствор содержащий частицы красного шлама, под давлением подается в общий канал 4 и из него через отверстия 5 попадает во внутреннее пространство камер. Жидкая фаза фильтруется через фильтровальную ткань и через отверстия 6 стекает в нижний отводный канал 7, а красный шлам остается в камерах. Для выгрузки шлама фильтр пресс разжимают и раздвигают плиты и рамы.
B настоящее время для контрольной фильтрации широко применяют листовые фильтры. Такой фильтр состоит из 6—12 листообразных фильтрующих элементов. Каждый элемент (рис. 11) представляет собой полую рамку 1, в которой укреплена проволочная сетка 2. По обе стороны от проволочной сетки натянута тонкая металлическая фильтрующая сетка 3.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

Общий вид листового фильтра показан на рис. 12. Алюминатный раствор под давлением через патрубок 4 подается в котел 1, в котором находятся фильтрующие элементы 3. Последние укреплены на торцевой крышке фильтра 2 и вместе с ней могут выдвигаться из котла на специальной каретке. Воздух, находящийся в котле, вытесняется через патрубок 6. Прошедший через фильтрующий слой чистый алюминатный раствор выводится из фильтрующих элементов по отводным трубкам 5. Осевший на фильтрующих элементах красный шлам промывают, для чего котел под давлением заполняют водой. После окончания фильтрации и промывки фильтрующие элементы выдвигают из котла и смывают с их поверхности осадок красного шлама.
Подготовка и выщелачивание боксита, отделение алюминатного раствора от шлама

В качестве фильтрующего слоя в настоящее время используется слой бумажной массы, который наносится на металлические сетки фильтрующих элементов. С этой целью перед началом фильтрации в котел под давлением подается бумажная пульпа. В результате фильтрации ее на внешней поверхности фильтрующих элементов образуется слой бумажной массы.
С целью экономии места устанавливают сдвоенные листовые фильтры, в которых имеется два котла, два комплекта фильтрующих элементов и общая площадка для разгрузки.