Аппаратурно-технологическое оформление процесса переработки засоленных шлаков

Переход от лабораторных исследований к промышленной реализации гидрометаллургических процессов является наиболее сложным этапом создания технологии. Для систем «солевой раствор – тонкодисперсный нерастворимый остаток» критическими факторами являются: склонность к газообразованию (аммиак), наличие мелких классов (0 – 50 мкм), затрудняющих фильтрацию, а также высокая коррозионная активность хлоридных растворов при температурах 60 – 100°C [1, 4].

В мировой практике для разделения алюминиевых шлаковых суспензий применяют камерные фильтр-прессы, ленточные вакуум-фильтры и декантерные центрифуги [2, 5]. Однако для условий переработки шлаков с высоким содержанием металлического алюминия и гидролизуемого AlN оптимальное решение остается дискуссионным.

Цель данной работы – определить аппаратурное оформление и режимные параметры стадий разделения, кристаллизации и сушки обеспечивающие:

• -    максимальную чистоту разделения фаз;

• -    минимальную влажность осадков;

• -    энергоэффективность процессов;

• -    коррозионную стойкость оборудования.

Объекты испытаний

Суспензия 1 (после выщелачивания): Т:Ж=1:3, T=60°C, содержание твердой фазы ~25 – 28 мас.%, плотность суспензии ~1150 кг/м³, рН 9,8 – 10,1. Твердая фаза – шламовый остаток (Al₂O₃, MgO, SiO₂, Al) с влажностью после фильтрации 28 – 33%.

Суспензия 2 (после выпарной кристаллизации): плотная пульпа кристаллов KCl·NaCl в маточном растворе, содержание твердой фазы ~35– 45%, TDS жидкой фазы > 250 000 ppm, температура 50–60°C.

Оборудование: лабораторная модель нутч-фильтра (S = 0,005 м²); пилотная центрифуга МР-150 (ротор щелевой, 150 мкм, фактор разделения до 850); лабораторная вакуум-выпарная установка (роторный испаритель Heidolph); пилотная выпарная установка (производительность по испаренной воде 50 кг/ч).

Выбор метода разделения суспензии после выщелачивания

Испытания отстаивания показали неэффективность гравитационного осаждения: через 115 мин высота осадка составила 38 мм при исходной высоте столба 100 мм. Процесс тормозится пузырьками газа (NH₃, H₂) выделяющимися из осадка. Декантация осветленной части (65% объема) позволяет снизить нагрузку на фильтр, но усложняет схему.

Фильтрация на нутч-фильтре (полипропиленовая ткань, ΔP = -0,08 МПа) имеет характерную особенность: первая порция фильтрата мутная (проскок мелких частиц). После намыва слоя осадка толщиной 5 –

• 7 мм достигается содержание взвешенных веществ 122,8 мг/дм³. Влажность осадка – 28,84%.

Испытания центрифугирования на лабораторной центрифуге (Sartorius SIGMA 3-30K) осложнены газовыделением. Однако, как отмечают авторы [2], для систем, склонных к «засорению» сит, наиболее эффективны центрифуги с увеличенными зазорами или шнековой выгрузкой. В промышленных масштабах рекомендована осадительная (декантерная) центрифуга.

Ключевая задача стадии – получение пересыщенного раствора с минимальным уносом солей с конденсатом. Исследованы три режима: атмосферное давление (100°C), вакуум -0,05 МПа (80°C) и глубокий вакуум -0,095 МПа (35°C). Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние остаточного давления на показатели выпарки

Параметр	0,1 МПа	-0,05 МПа	-0,095 МПа
Температура кипения, °C	100,2	80,0	35,2
TDS конденсата, ppm	289	366	1390
pH конденсата	10,98	10,84	10,16
Время упаривания (на 1 кг), мин	235	195	155
Энергозатраты (отн.)	1,0	0,83	0,66

Анализ данных показывает, что глубокий вакуум снижает температуру и ускоряет процесс, но приводит к резкому (в 4,8 раза) росту солесодержания в конденсате. Это обусловлено уносом летучего аммиака и, возможно, капельным уносом. Повышенное содержание NH₄⁺ в конденсате (до 658 мг/л) требует его очистки перед сбросом или возвратом.

Оптимальным признан режим: давление -0,05 МПа, температура 80°C. Данный режим обеспечивает приемлемую скорость и низкое солесодержание конденсата (366 ppm), который можно использовать для приготовления промывных растворов или подпитки цикла. Обезвоживание солевой суспензии

Сравнительные испытания нутч-фильтра и фильтрующей центрифуги МР-150 проведены на суспензии с пилотной выпарной установки (таблица 2).

Таблица 2. Сравнение эффективности разделения солевой суспензии

Показатель	Нутч-фильтр	Центрифуга МР-150
Масса суспензии	254,7 г	10 442 г
Влажность осадка, %	14,22	11,21
Содержание влаги, отн.%	100	78,8
pH фугата	5,43	6,80
Плотность фугата, кг/м³	1104	1207
Время цикла, мин	5	5
Энергозатраты, Вт*ч/кг осадка	1,51	0,98

Центрифуга МР-150 обеспечивает влажность осадка 11,21%, что на 21% (относительных) ниже, чем у нутч-фильтра. Это критически важно так как снижение влажности на 1% сокращает энергозатраты на сушку на 10 – 15%. Кроме того, фугат после центрифуги содержит меньше тонких классов, что облегчает его возврат в голову процесса. Размер щели сит 150 мкм оптимален для кристаллов размером 200 – 400 мкм, полученных в выпарном кристаллизаторе.

Сушка влажного солевого осадка

Проведены испытания двух типов сушилок:

• 1.    Сушилка псевдоожиженного слоя. Температура агента 80°C расход 0,011 м³/с, время 37 мин. Конечная влажность 2,1%. Недостаток: высокий унос мелкой фракции, необходимость в циклонах.

• 2.    Вакуум-гребковая сушилка. Температура 43°C, остаточное давление -0,08 МПа, время 60 мин. Конечная влажность 1,8%. Энергозатраты на 38% ниже, чем у сушилки псевдоожиженного слоя.

Для промышленной реализации выбрана полочная сушилка. Конструкция позволяет использовать тепло конденсата пара для обогрева полок и организовать охлаждение продукта перед выгрузкой (материал AISI 316, площадь поверхности 48 м²).

Заключение:

• 1.    В результате пилотных испытаний обоснован выбор центробежного оборудования для разделения технологических суспензий. Применение фильтрующей центрифуги МР-150 на стадии обезвоживания кристаллического солевого продукта позволяет снизить влажность до 11,21%, что на 3,01% абс. ниже, чем при нутч-фильтрации.

• 2.    Установлен и верифицирован оптимальный режим вакуум-выпарной кристаллизации: остаточное давление -0,05 МПа, температура кипения 80°C. Данный режим минимизирует унос солей с конденсатом (366 ppm) при сохранении приемлемой производительности.

• 3.    Разработана технологическая схема, включающая узлы: приемки и диспергирования шлака, выщелачивания, центробежного разделения, выпарной кристаллизации, центрифугирования, полочной сушки и газоочистки.