CC BY
206
УДК 662.2.01
РЕЦИКЛИНГ И УТИЛИЗАЦИЯ ФТОРУГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА
1 л 4 л
А.Н.Баранов1, Н.В.Немчинова2, В.В.Аникин3, А.В.Моренко4
и3Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 4ООО «РУСАЛ ИТЦ»,
660111, г. Красноярск, ул. Пограничников, 37.
Приведены краткие данные по состоянию алюминиевой промышленности России, анализ применяемой технологии на зарубежных и отечественных алюминиевых заводах. Представлены данные по структуре отходообразова-ния и накоплению отходов на шламовых полях и полигонах сибирских заводов. Определены возможные пути переработки и повторного вовлечения в производство твердых фторуглеродсодержащих отходов, рассмотрены потенциальные отрасли-потребители данных продуктов. Дано краткое описание работ, проводимых в рамках исследований по разработке новых технологий утилизации твердых отходов алюминиевого производства. Показана необходимость данных работ и дальнейшего развития данного направления. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: рециклинг; фторуглеродсодержащие отходы; углеродсодержащий концентрат; хвосты флотации; шлам газоочистки; пыль электрофильтров; брикеты.
RECYCLING AND DISPOSAL OF FLUORINE AND CARBON-CONTAINING WASTES OF ALUMINUM PRODUCTION A.N. Baranov, N.V. Nemchinova, V.V. Anikin, A.V. Morenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Company "Rusal ITC" Llc, 37 Pogranichnikov St., Krasnoyarsk, 660111.
The article provides brief data on the state of the Russian aluminum industry, the analysis of the technology applied at foreign and domestic aluminum smelters. The data on the structure of formation and accumulation of waste on the sludge fields and fills of Siberian plants is presented. The possible ways of processing and recycling of solid fluorine and carbon-containing wastes are determined. Potential industries-consumers of these products are discussed. The article gives a summary of the works conducted within the framework of researches on the development of new recycling technologies for the solid wastes of aluminum production. The necessity of this work and further development of this trend is shown.
4 figures. 2 tables. 4 sources.
Key words: recycling; fluorine and carbon containing wastes; carbonaceous concentrate; flotation tailings; gas purification sludge; dust from electrostatic precipitators; briquettes.
Алюминиевая промышленность является стратегически важной отраслью экономики России. Конструкционные материалы на основе алюминия широко применяются в оборонной промышленности, автомобилестроении, авиации, строительстве и электротехнике, производстве бытовых, пищевых и медицинских товаров. Алюминий - металл высоких технологий. Расширение его использования в быту и технике позволит эффективно решать глобальные проблемы энергосбережения и экологической безопасности.
Всего в России действуют 12 алюминиевых заводов. Наименьшую производительность - 24 тыс. т -имеет первенец алюминиевой промышленности Волховский алюминиевый завод, запущенный в 1932 г. Наибольшая производительность - у Братского алюминиевого завода - 1 млн 5 тыс. т.
Отличительной особенностью российской алюминиевой промышленности является преобладание устаревшей технологии, основанной на использовании самообжигающихся анодов Содерберга. Недостатки
1 Баранов Анатолий Никитич, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов, тел.: 89025610167, e-mail: а_baranow@mail.ru
Baranov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals, tel.: 89025610167, e-mail: a_baranow@mail.ru
2Немчинова Нина Владимировна, доктор технических наук, заведующая кафедрой металлургии цветных металлов, тел.: 83952405116, e-mail: ninavn@istu.edu
Nemchinova Nina, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals, tel.: 83952405116, e-mail: ninavn@istu.edu
3Аникин Вячеслав Викторович, аспирант, тел.: 89659147301, e-mail: Vyacheslav.Anikin@rusal.com Anikin Vyacheslav, Postgraduate, tel.: 89659147301, e-mail: Vyacheslav.Anikin @ rusal.com
4Моренко Антон Владимирович, кандидат технических наук, менеджер, тел.: 89135910255, e-mail: MorenkoAV@mail.ru Morenko Anton, Candidate of technical sciences, Manager, tel.: 89135910255, e-mail: MorenkoAV@mail.ru
анодов Содерберга, по сравнению с обожженными анодами, общеизвестны и в первую очередь связаны с высокой экологической нагрузкой производства. Если в зарубежной практике на долю самообжигающихся анодов приходиться 26% от общего объема производства алюминия, то в России - 65%.
Уровень развития природоохранных систем на предприятиях алюминиевой отрасли России достаточно низок и значительно отстает от зарубежного.
Зарубежная алюминиевая промышленность практически завершила переход на более прогрессивный способ получения алюминия в электролизерах с предварительно обожженными анодами. Данная технология обладает рядом преимуществ, в том числе обеспечивает более высокие показатели по экологической безопасности производства. Это выражается практически в отсутствии ряда отходов, характерных для технологии самообжигающихся анодов, таких как пыль электрофильтров, шлам газоочистки, хвосты флотации, а также в значительно меньших выбросах в окружающую среду фтористых, смолистых веществ и неорганической пыли. В частности, достигнутые на зарубежных заводах показатели производства характеризуются суммарным выбросом фтора в пределах 1-2 кг на 1 тонну алюминия. В то же время на российских заводах этот показатель в несколько раз выше [1].
Перевод российских алюминиевых заводов на современные технологии потребует значительных временных, трудовых и капитальных затрат. Поэтому для эффективного решения экологических проблем, возникающих при эксплуатации существующей технологии, необходимо тщательное изучение образующихся в производственном процессе отходов, а также разработка инновационных способов их утилизации и повторного использования в промышленности.
Основу всех образующихся отходов на заводах, работающих по технологии Содерберга, составляют фторуглеродсодержащие отходы. В табл. 1 представлен анализ по годовому образованию отходов и их накоплению на шламовых полях трех крупнейших алюминиевых заводах Восточной Сибири - Братском, Красноярском и Иркутском [2].
Следует отметить, что меньший объем образования отходов на КрАЗе обусловлен переходом этого завода на технологию сухой очистки газов. При этом из технологического процесса исключается улавливание пыли в электрофильтрах. Средний удельный объем образования фторуглеродсодержащих отходов по
трем заводам составил 27 кг/т алюминия.
На рис. 1 представлена структура образования и накопления отходов алюминиевого производства. Как видно в общем объеме накопленных отходов, основная доля приходится на хвосты флотации угольной пены и пыль электрофильтров.
В табл. 2 приведен усредненный химический состав фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства.
Помимо высоких концентраций таких компонентов, как натрий и углерод, в рассматриваемых отходах производства содержатся и полезные для процесса электролиза компоненты - фтор, кальций и алюминий. Таким образом, захоронение отходов на шламовых полях не только ухудшает экологическую обстановку в регионах присутствия алюминиевых заводов, но и приводит к нерациональному использованию ресурсов - земельных, водных и сырьевых.
Поэтому разработка технологий рециклинга фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства позволит решить ряд актуальных проблем, стоящих перед производителями алюминия - снижение экологической нагрузки в регионах присутствия, снижение экологических платежей и штрафов, получение вторичного фторсодержащего сырья и вовлечение его в электролизное производство.
Проведенный нами анализ показал, что использование фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства возможно в следующих областях: производство углеродсодержащего концентрата, производство глинозема из нефелиновой руды, получение легкоплавких синтетических флюсов для черной металлургии, использование в качестве минерализатора при производстве портландцементного клинкера и как сырья для получения безводного гидрофторида, необходимого в процессе обогащения урана.
Так, вовлечение шламов газоочистки в процесс спекания содо-нефелино-известняковой шихты позволит уменьшить расход угольной пыли на отопление печей спекания, а также интенсифицировать процесс, улучшить качество получаемого спека и в целом повысить технико-экономические показатели спекания, на долю которого в структуре себестоимости глинозема приходится до 50% затрат. Альтернативой данному способу является непосредственное спекание шламов газоочистки с последующим направлением получаемого спека на гидрометаллургический передел, конечной целью которого является извлечение глинозема.
Таблица 1
Образование и накопление фторуглеродсодержащих отходов
алюминиевого производства (2010 г.;
Завод Объем годового образо- Удельный объем обра- Накоплено отходов на
вания отходов, т/год зования отходов, кг/ т А1 шламовых полях, т
БрАЗ 32 555,65 33,19 431 659
КрАЗ 14 293 14,63 957 136
ИркАЗ 12 432,02 53,38 298 285
Всего 59 280,67 27,06 1 687 080
ИркАЗ Всего накоплено на заводах
Рис. 1. Структура образования и накопления фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства (БрАЗ, КрАЗ, ИркАЗ): ^ - хвосты флотации; И -пыль электрофильтров; П - шлам минеральный
Таблица 2
Усредненный элементарный и фазовый состав отходов электролизного производства
Наименование материала Оп ределяемые компоненты, %
№ А1 Р А12О3 С СаР2 Мдр2 Рв2О3 бЮ2 БО4 К
Хвосты флотации 8,6 3,3 8,7 0,03 71,1 1,5 0,4 1,0 0,06 0,3 0,06
Шлам газоочистки 22,1 13,3 25,8 - 11,2 - - 1,2 0,16 - -
Пыль эл. фильтра 8,1 18,8 22,3 - 25,4 - - 2,9 1,26 - -
Углеродсодержащий концентрат, получаемый из фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства, может использоваться в качестве сырья при производстве электродной продукции. При соблюдении ряда требований по качеству сырья для электродной продукции возможно производство угольных блоков, набивной и анодной массы, обожженных анодов. Поэтому углеродистый концентрат должен содержать минимальное количество примесей, нежелательных в процессе электролитического получения алюминия.
Фторуглеродсодержащие отходы алюминиевого производства также могут выполнять функцию синтетического легкоплавкого флюса, используемого при выплавке чугуна и стали. Данный материал является высокоэффективным разжижителем шлака (благодаря наличию легкоплавких фторидов натрия и алюминия), может выступать в качестве десульфатора чугуна (благодаря содержанию активных соединений натрия), а также являться дополнительным источником топлива (высокое содержание углерода). Легкоплавкие флюсы используются на различных стадиях металлургического передела: в доменной печи, конвертере, электропечи, при внепечной обработке чугуна и стали
- и должны удовлетворять требованиям каждого технологического процесса [3].
Братский алюминиевый завод активно сотрудничает с Западно-Сибирским металлургическим комбинатом в области переработки отработанной угольной футеровки электролизера (ОУФЭ). Так, ежегодный объем переработанного материала составляет порядка 10-12 тыс. т. На ЗСМК данный материал используется в качестве разжижителя шлака, а также выполняет функцию дополнительного теплоносителя для улучшения теплового баланса конвертерной плавки.
Известен опыт применения фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства в качестве минерализатора при производстве портландце-ментного клинкера с целью замены дорогого плавикового шпата, а также интенсификации обжига клинкера [4]. Проведенные ООО «Байкальский Алюминий» опытно-промышленные испытания по применению электродного боя в процессе производства цементного клинкера позволили установить:
1. Оптимальная добавка боя электродного в сырьевой шлам составляет 0,10-0,25% в пересчете на фтор.
2. Бой электродный повышает растекаемость сырьевого шлама на 5-15%, в зависимости от его реоло-
гических свойств. Это дает возможность снизить на несколько процентов содержание влаги в сырьевом шламе, за счет чего уменьшить расход топлива на обжиг клинкера.
3. Углерод, входящий в состав боя электродного, выполняет функцию выгорающей добавки, которая интенсифицирует процессы в среднетемпературной зоне печи спекания.
4. Введение боя электродного в сырьевой шлам при его неизменной влажности снижает удельный расход топлива на 4-6 кг/1 т клинкера и повышает производительность печей спекания на 2-4%.
5. Клинкер, получаемый с добавкой боя электродного, имеет хорошую структуру основных клинкерных минералов и размолоспособность.
6. В отдельных случаях при введении боя электродного отмечается упрочнение или восстановление защитной обмазки на огнеупорной футеровке трубчатой вращающейся печи.
ООО «РУСАЛ ИТЦ» совместно с Иркутским государственным техническим университетом занимается разработкой технологий рециклинга фторуглеродсо-держащих отходов алюминиевого производства.
В лабораторных условиях изучены основные физико-химические свойства углеродсодержащих отходов электролизного производства. Подробно изучен элементарный, фазовый, минералогический состав образующихся отходов. Проведены исследования по сгущению и осаждению углеродсодержащих отходов,
предложены рекомендации по повышению эффективности данного процесса.
Отдельным направлением исследований стала разработка технологии брикетирования углеродсо-держащих отходов алюминиевого производства с целью их дальнейшего эффективного вовлечения в смежные отрасли промышленности. Основными задачами при разработке данной технологии являлись подбор оптимальной рецептуры брикета, а также связующего, необходимого для достижения требуемых прочностных характеристик. В качестве связующих материалов были испытаны цемент, отходы деревообрабатывающей промышленности, лигнин, известняк. На рис. 2 представлен внешний вид полученных брикетов.
Как альтернатива способу брикетирования рассматривался вариант с окомкованием углеродсодержащих отходов (рис. 3). Следует отметить, что полученные окатыши значительно уступали по механической прочности брикетам. Использование окатышей возможно в технологических процессах, где не предъявляется особых требований к механической прочности используемого сырья.
В ходе совместных исследований ИрГТУ и ООО «РУСАЛ ИТЦ» было установлено, что из хвостов флотации угольной пены возможно получение графитизи-рованного порошка (рис. 4). Так, при обработке хвостов флотации щелочными растворами по разработанной нами технологии получается продукт с содер-
Рис. 2. Брикетированные углеродсодержащие отходы алюминиевого производства
Рис. 3. Установка для окомкования и внешний вид полученных окатышей
жанием графитизированного углерода свыше 92%.
Применение графитизированного порошка возможно в следующих технологических процессах: производство тиглей, литейных форм, противопригорных красок, футеровочных материалов, электродов, смазочных, теплоизоляционных материалов, а также в производстве и обслуживании ядерной техники.
Рис. 4. Внешний вид графитизированного углеродсодержащего концентрата
Однако, несмотря на широкий спектр возможных областей применения фторуглеродсодержащих отходов, для выстраивания эффективных взаимовыгодных отношений с потребителями продуктов, получаемых на основе переработки данных отходов, необходимо и в дальнейшем разрабатывать процессы эффективной подготовки вторичного сырья и внедрять их в промышленное производство.
Вектор развития современной промышленности должен быть направлен на разработку безотходных технологий, минимизацию воздействия на окружающую среду, энерго- и 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.
Проводимые нами исследования подтверждают справедливость утверждения о том, что отходы производства первичного алюминия не только являются ценным вторичным сырьем для процесса электролиза, но и могут успешно вовлекаться в смежные отрасли промышленности - черную металлургию, строительную, химическую промышленность.
1. Баранов А.Н., Гавриленко Л.В., Янченко Н.И. Экологические проблемы металлургического производства: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 208 с.
2. Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия: учеб. пособие для вузов. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1997. 159 с.
3. Волынкина Е.П. Развитие концепции управления отхода-
ский список
ми и разработка методологии ее реализации на металлургическом предприятии: автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.16.07 / Сиб. гос. индустр. ун-т. Новокузнецк , 2007. 44 с. 4. Переработка фторсодержащих отходов и продуктов алюминиевого производства в цементной промышленности / Б.П. Куликов [и др.] // Цветные металлы - 2010: сб. докл. второго международного конгресса. Красноярск: ООО «Вер-со», 2010. С. 822-830.
