4. Отделение и промывка красного шлама

Вареная пульпа после автоклавного выщелачивания диаспоровых и бемитовых бокситов содержит около 260г/дм³ Na²O и около 250г/дм³ Al²O³ . Такие растворы близки к насыщению, поэтому гидролиз алюмината в них будет идти крайне медленно. Кроме того, высокая вязкость таких растворов не позволит отделить твердый остаток – красный шлам. Поэтому целесообразно разбавить такие пульпы первой промывной водой от многократной противоточной промывки. Разбавлением решаются три задачи: снижается вязкость раствора, достигается нужная степень пересыщения раствора Al(OH)₃ , протекает процесс обескремнивания раствора. Если в автоклаве к концу выщелачивания кремниевый модуль µ_Si алюминатного раствора равен 180, то при разбавлении он достигает 300, т.е тех значений, при которых получается оксид алюминия требуемой чистоты. (рис 1). При разбавлении состав пульпы изменяется по лучу АО. В результате раствор попадает в область, пересыщенную SiO₂ относительно гидроалюмосиликата натрия (ГАСН). Во избежание выделения ГАСН во время декомпозиции пульпу при разбавлении выдерживают. При наличии шлама, играющего роль затравки, обеспечивается обескремнивание (линия ВС) до равновесной концентрации по SiO₂ (точка С) с µ_Si=300.

Процесс осаждения частиц красного шлама в алюминатном растворе осуществляется под действием сил тяжести. С определенной долей условности этот процесс может быть описан уравнением Стокса для скорости осаждения шарообразной частицы в условиях свободного падения:

ω_ос=1/18 * d² (p1-p2) *1/µ,

где ω_ос – скорость оседания частиц, м/с, d – диаметр частицы, м, р1 – плотность частицы, кг/м³, р2 – плотность среды, кг/м³, µ - коэффициент вязкости среды, кг * с/м².

В реальных условиях для полидисперсной пульпы в расчетах вместо d надо использовать величину удельной поверхности, а так же учитывать, что процесс проходит в условиях стесненного падения частиц.

Из приведенного уравнения видно, что скорость осаждения частицы зависит от ее диаметра ( или величины удельной поверхности), плотности и вязкости жидкой среды. Отсюда важен выбор оптимальной крупности помола боксита, обеспечивающей высокое значение извлечения Al₂O₃ . Разбавление – важный фактор интенсификации процесса осаждения, поскольку оно существенно снижает вязкость µ и плотность среды р2.

Крупность частиц шлама зачастую не зависит от помола боксита, а связана с распадом частиц во время выщелачивания. Наиболее тонкодисперсный шлам образуется при выщелачивании гиббситовых и бемитовых бокситов (р1=2,7-2,8); при выщелачивании диаспоровых бокситов образуется более плотный шлам (р1=3,1-3,2). Кроме того, крупность частиц зависит от их способности к агрегации, т.е к образованию хлопьев. В присутствии крупных частиц хлопьеобразование идет с большей скоростью, также положительно на него влияет увеличение Ж:Т, поскольку в этом случае возрастает вероятность столкновения частиц.

На величину скорости отслаивания оказывает влияние и фазовый состав красного шлама. Неполное извлечение Al2O3 приводит к снижению скорости отслаивания – плотность шлама с недовыщелоченным Al2O3 ниже. Скорость отстаивания зависит от содержания ГАСН в шламе (SiO2 в боксите). Чем оно выше, тем хуже шлам отстаивается. Оказывает влияние на скорость осаждения и структура образуемого ГАСН. Чем более тонкозернистый ГАСН, тем больше он удерживает воды, и тем хуже отслаивается. Большое значение для передела сгущения и промывки красного шлама имеет форма гидроксида Fe. При температуре выщелачивания t=230 процесс дегидратации для гидроксидов Fe является необратимым только для гидрогематита. В то же время лимонит и гетит, теряя воду на выщелачивании, вновь гидратируются на сгущении и промывке шлама; последний разбухает , плохо отстаивается и отмывается от щелочи. Только в условиях высокотемпературного выщелачивания t=260 процесс дегидратации становится необратимым для всех гидроксидов Fe.

Низка скорость отстаивания шламов от выщелачивания бокситов, содержащих сидерит и мельниковит – пирит, в связи с особенностью поведения этих соединений при выщелачивании – образованием тонкодисперсных соединений гидроксида Fe(II) и гидрокситиоферрата Na.

Механизм явлений при сгущении красного шлама не является окончательно выясненным. Основными процессами, протекающими при сгущении, являются коагуляция и флокуляция. При коагуляции отдельные частицы шлама, заряженные положительно благодаря наличию двойного электрического слоя, под влиянием добавок (коагулянтов) теряют заряд, становятся электронейтральными, и при этом резко уменьшается толщина гидратной пленки на поверхности частиц. Между частицами появляются силы сцепления, и в результате образуются хлопья.

При флокуляции происходит нарушение устойчивости взвеси вследствие адсорбции органических гетерополярных веществ на поверхности частиц. В этом случае создаются предпосылки для проявления сил сцепления, между углеводородными частями закрепившихся на поверхности молекул или ионов флокулянта.

В производственных условиях для ускорения процесса отстаивания используют различные добавки. На отечественных заводах широко используется ржаная мука (0,4-1,5кг/т шлама), на зарубежных заводах используется крахмал (7-8 кг/т шлама). Использование синтетических флокулянтов – седипур, полиакриламил, алклар и др. – несмотря на полученный эффект не продвинулось дальше полупромышленных испытаний, прежде всего из-за высокой их стоимости.

Аппаратурно-технологическая схема передела состоит из трех основных операций: 1)отделение основной массы раствора отстаиванием в сгустителях; 2) извлечение раствора, увлеченного шламом, методической промывкой последнего в системе промывателей с промежуточной репульпацией; 3) контрольная фильтрация для слива со сгустителей.

Для отделения и промывки красного шлама от алюминатного раствора используют в основном сгустители. По устройству и принципу действия сгустители и промыватели одинаковы.

При отстаивании пульпы в сгустителе образуется несколько зон, которые отличаются друг от друга отношением Ж:Т. Однокамерный сгуститель представляет собой стальной или бетонный чан с коническим днищем (уклон около 10 градусов). Пульпа поступает по желобу в загрузочную трубу, опущенную до зоны свободного оседания частиц, гже Ж:Т такое же, как у поступающей пульпы, -18:1. Пульпа растекается с убывающей к стенкам скоростью, и происходит оседание частиц шлама на дно сгустителя, откуда гребками он перемещается к центру и разгружается через патрубок (на выгрузке Ж:Т=3:1). Осветленный раствор перетекает через внутренний борт и по кольцевому желобу между ним и стенками чана стекает в трубу. Удельная производительность такого сгустителя составляет 0,15-0,3м³/(м²*ч).

Один из таких сгустителей диаметром 40м с верхним приводом на пролетном строении, с жестокой гребковой системой и периферической разгрузкой сгущенного шлама представлен на рис. 2.

Длительное время в глиноземной технологии использовались многоярусные сгустители – 3 и 5-ярусные, параллельного действия. Считалось, что в сравнении с одноярусными у них есть преимущества: уменьшается расход железа на сооружения и сокращается площадь отделения сгущения и промывки. Многолетние исследования показали, что в одноярусных сгустителях большого диаметра (d>30м) в сравнении с многоярусными достигаются более глубокое уплотнение шлама и последующая лучшая его отмывка, и, кроме того, они более просты и удобны в обслуживании.

В качестве промывателей могут использоваться как одноярусные, так и многоярусные аппараты, причем и в системе промывки красных шламов, как показал опыт венгерских заводов, одноярусные аппараты имеют преимущества перед многоярусными.

В последние годы в зарубежной практике все шире применяется заключительная операция фильтрации для промытого красного шлама с целью сокращения расхода воды на промывку шлама и для его дальнейшей утилизации. Для этих целей эффективно используются дисковые фильтры и барабанные вакуум-фильтры, снабженные роликом.

Слив со сгустителей характеризуется остаточным содержанием твердого до 1г/дм³. Поэтому заключительная операция на переделе – контрольная фильтрация. Для ее осуществления на наших заводах используются листовые вертикальные фильтры ЛВАЖ и песочный (бокситовый) фильтр ЭПАС.

Первый из них – стандартный, широко применяемый в металлургии и химии. Применяемые на контрольной фильтрации фильтры ЛВАЖ имеют поверхность фильтрации 125 или 225м² при удельной производительности 0,7-1,5м³/(м²*ч).

Второй – впервые применяется на Николаевском глиноземном заводе. Он напорного типа, с фильтрующим слоем из трех фракций боксита (снизу – самая крупная) высотой 3,4м. Для удаления частиц шлама предусмотрена регенерация – промывка промводой и щелочным раствором. Периодически (1 раз в 6-8месяцев) бокситовую загрузку заменяют на свежую. Песочный фильтр диаметром 3,6м² (сечением 10м²) и высотой 7,7м имеет производительность 100м³/ч раствора.