§ 3. Производство глинозема

Как уже отмечалось, технология производства алюминия состоит из двух стадий: первая – производства глинозема и вторая – электролитическое получение алюминия из глинозема. За рубежом практически весь глинозем получают из бокситов в основном способом Байера (К.И.Байер – австрийский инженер, работавший в России), на отечественных заводах глинозем получают из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Способ Байера экономически целесообразно использовать для переработки бокситов с небольшим содержанием SiO₂ (с кремниевым модулем Al₂O₃/SiO₂ более 5–7), поскольку при росте количества SiO₂ все больше А1₂О₃ и используемой в процессе щелочи теряются из-за образования химического соединения Na₂O * А1₂О₃ * 2SiO₂ • 2Н₂О.

Для переработки бокситов с кремниевым модулем менее 5–7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых глиноземом месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и возрастает доля способа спекания.

1. Способ Байера

Способ Байера – способ выделения глинозема из боксита – основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия А1₂О₃, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO₂, Fe₂O₃ и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

А1₂О₃ • п Н₂О + 2NaOH = Na₂O • А1₂О₃ + (л + l)H₂O.

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реакции образующийся гидратированный А1₂О₃ выпадает в осадок. Упрощенная схема производства глинозема по способу Байера

733

Рис. 244. Упрошенная схема производства глинозема по способу Байера

734

показана на рис. 244. Ниже описаны основные операции это го способа.

1. 

   Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05–0,15 мм в среде до бавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи NaOH, добавляют также немного извести, активизирующей выщела чивание.

2. Выщелачивание. Полученную при помоле пульпу направ ляют на выщелачивание. Для полного протекания приведенной выше реакции вправо (образования алюмината натрия) необ ходимы щелочная среда, высокое давление (~ 3 МПа), нагрев пульпы до 100–240 °С (в зависимости от сорта боксита) и ее длительное (около 2 ч) пере мешивание. Такие условия обеспе чиваются в автоклавах– сосудах,

работающих под давлением. Применяемые автоклавы представляют собой (рис.245) стальной цилиндрический сосуд диаметром 1_Г6– 2,5 м высотой 13,5-17,5 м. Давление в автоклаве 2,5– 3,3 МПа, пульпу подают сверху, снизу через патрубок 2 с барботером 3 – пар, который нагревает и перемешивает ее. Из автоклава пульпа выдавливается через трубу 1.

Пульпу обычно пропускают через батарею из 6–10 последовательно установленных автоклавов, где в течение ~ 2 ч содержащийся в пульпе в виде А1₂О₃ • Н₂О, А1₂О₃ * ЗН₂О и А1₂О₃ глинозем реагирует со щелочью (реакция приведена выше), переходя в Na₂O • А1₂О₃. В первый автоклав пульпу подают насосом, предварительно подогрев до ~ 150 °С, из последнего автоклава пульпа попадает в два автоклава-испари-

Рис. 245 Автоклав для выщелачивания боксита

735

теля, в которых давление снижается до атмосферного. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюми-натного раствора (содержащего Na₂O • А1₂О₃) и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

3. Разделение алюминатного раствора и шлама после раз бавления пульпы водой производят в сгустителях (отстойни ках)– сосудах диаметром 15–50 м, на дне которых оседает шлам, а через верх сливается отстоявшийся алюминатный раствор. Его дополнительно пропускают через фильтры и направляют на следующую операцию – декомпозицию. Получае мый красный шлам (окраску ему придают частицы Fe₂O₃) идет в отвал, шлам содержит, %: А1₂О₃ 12–18, SiO₂ 6–11, Fe₂O₃ 44-50, CaO 8-13.

4. Разложение алюминатного раствора, называемое также декомпозицией или выкручиванием проводят с целью перевес ти алюминий из «раствора в осадок в виде А1₂О₃ • ЗН₂О, для чего обеспечивают течение приведенной выше реакции выще лачивания влево, в сторону образования А1₂О₃ • ЗН₂О. Что бы указанная реакция шла влево, необходимо понизить дав ление (до атмосферного), разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки (мелкие кристаллы гидрооксида алю миния) и пульпу для получения достаточно крупных кристал лов А1₂О₃ • ЗН₂О перемешивать в течение 50–90 ч.

Этот процесс осуществляют в серии установленных последовательно и соединенных перепускными сифонами декомпо-зеров, через которые последовательно проходит пульпа (алюминатный раствор с выпадающими кристаллами гидрооксида алюминия). В серии устанавливают 10–11 декомпозеров с механическим перемешиванием или 16–28 декомпозеров с воздушным перемешиванием пульпы. Первые представляют собой баки диаметром до 8 м, в которых перемешивание осуществляют вращением вокруг вертикальной оси волокуш (гребков). Декомпозеры второго типа, преимущественно применяемые в настоящее время, представляют собой цилиндрические баки высотой 25–35 м и объемом до 3000 м³; снизу в них подают сжатый воздух, перемешивающих пульпу.

5. Отделение кристаллов гидрооксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидро оксид отделяют от раствора. Полученный гидрооксид в гид росепараторах разделяют на фракцию с размером частиц

736

40-100 мкм и мелкую фракцию (размером < 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Кальцинацию или обезвоживание гидрооксида алюминия осуществляют в футерованных шамотом трубчатых вращающихся печах диаметром 2,5–5 и длиной 35–110 м, отапливаемых природным газом или мазутом. Гидрооксид медленно перемещается вдоль вращающегося барабана навстречу потоку горячих газов, температура которых повышается от 200-300 °С в месте загрузки до ~ 1200 °С вблизи горелки у разгрузочного торца барабана. При нагреве гидрооксида идет реакция: А1₂О₃ • ЗН₂О = А1₂О₃ + ЗН₂О, заканчивающаяся при 900 °С. Продуктом является глинозем А1₂О₃ (порошок белого цвета).

Извлечение глинозема при использовании описанного способа Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуют 2,0-2,5 т боксита, 70-90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7–9 т пара, 160–180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт • ч электроэнергии.