Наукоемкие инновационные технологии комплексной переработки алюмосиликатного и силикатного сырья Верхнего и Среднего Приамурья

Развитие производительных сил Верхнего и Среднего Приамурья во многом определяется эффективным промышленным использованием минерально-сырьевой базы профилирующих для этого региона месторождений железа, титана, бурых и каменных углей, россыпного и рудного золота, различного нерудного сырья и других видов полезных ископаемых [1]. При этом промышленное производство должно быть не только экономически рентабельным, но и экологически безопасным для окружающей среды. В основе предлагаемых инновационных технологий лежат фундаментальные и технологические наукоемкие разработки с использованием местного алюмосиликатного и силикатного сырья.

В Верхнем и Среднем Приамурье широко распространены каолиновые и огнеупорные глины, расположенные в Райчихинском и Магдагачинском районах (месторождения Святогорское, Антоновское, Чалганское и др.), высокоглиноземистые породы и анортозиты Каларского массива. Прогнозные ресурсы каолинов оцениваются в 1056 млн. т, высокоглиноземистых сланцев и гнейсов – 1686 млн. т,

лабрадоритов (без учета андезинитов) Калар-ского массива – 34 млрд. т [2]. В Амурской области действует Зейская гидроэлектростанция, а с введением в полную эксплуатацию Бурейской ГЭС регион будет обеспечен в большом объеме дешевой электроэнергией. В перспективе намечается строительство Ниж-небурейской ГЭС, а также каскада низконапорных электростанций на р. Зея, ниже Зейской ГЭС. На основе ряда вышеприведенных месторождений в Институте геологии и природопользования ДВО РАН и Амурском научном центре ДВО РАН разработаны и запатентованы экономически эффективные и экологически безопасные инновационные технологии получения огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений из различного алюмосиликатного и силикатного сырья, а также имеется необходимая производственная база для освоения этих технологий в виде Экспериментально-технологического филиала (ЭТФ) в п.Чалганы Ма-гдагачинского района Амурской области. ЭТФ АмурНЦ действует на Чалганском месторождении каолинсодержащих кварц-полевошпа-товых песков, которое расположено на Транссибирской железнодорожной магистрали в 400 км к северо-западу от г. Благовещенска. Утвержденные запасы каолинов составляют 65,5 млн. т, прогнозные ресурсы оцениваются в 190 млн. т.

В результате промышленной переработки каолинсодержащих кварцполевошпа-товых песков выделяются следующие кондиционные товарные продукты – каолины, кварцевые пески и полевошпатовый концентрат, которые широко используются в различных отраслях промышленности (табл. 1). Каолины широко применяются для изготовления изделий тонкой керамики, в качестве наполнителя для бумаги и резины, производства огнеупоров, строительных материалов и других целей. По данным химических анализов каолины являются перспективным небокситовым сырьем для производства алюминия. Кварцевые пески используются в литейной, стекольной и керамической промышленности, а полевошпатовый концентрат – в керамической, стекольной и электрокерамической промышленности. Следует отметить, что получаемый полевошпатовый концентрат характеризуется высоким калиевым модулем – до 10-12 (обычно 3-5), что позволяет использовать его для производства высоковольтного фарфора.

Таблица 1. Химический состав исходного сырья Чалганского месторождения и товарных продуктов ЭТФ АмурНЦ

Примечание: MgO, CaO и P 2 O 5 – не обнаружены. Составы образцов определены в лаборатории химического анализа ИГиП ДВО РАН

Проектная промышленная мощность ЭТФ АмурНЦ составляет 50 тыс. т каолинов, 85,5 тыс. т кварцевых песков и 12,4 тыс. т полевошпатовых концентратов в год. Среднемировая стоимость каолинов составляет 50 долл. США/т, кварцевых песков – 10 долл./т, полевошпатовых концентратов – 70 долл./т. На базе Чалганского месторождения нашими учеными разработаны следующие инновационные технологии: 1 – производства огнеупорных волокнистых материалов; 2 – фторидной металлургии и электролитического извлечения.

Технология производства огнеупорных волокнистых материалов. Шихту, составленную из каолина и глинозема, перемешивают, просеивают, плавят в электропечах, а выпускаемый в виде струй расплав распыляют водяным паром с добавлением эмуль-сола, при этом при выпуске расплава его струи дополнительно подогревают (рис. 1). Применяемая технология значительно уменьшает сечение волокон до 3 мкм, за счет чего не только существенно улучшаются теплоизоляционные свойства материала, но и снижается ломкость волокон, что повышает безопасность применения материала [3]. Для того, чтобы ускорить охлаждение осажденного материала конвейер выполняют сетчатым, а для облегчения дальнейшего использования материала его на конвейере подпрессовывают.

Конечным продуктом являются огнеупорные волокнистые материалы (рулонный материал, войлок, фетр). Они инертны по отношению к воде, пару, щелочам и кислотам, обладают высокими фильтрующими способностями и электроизоляционными свойствами, в 2-4 раза легче огнеупорного кирпича и выдерживают температуру до 16000С. Огнеупорные волокнистые материалы, выпускаемые по ГОСТ 23619-79, не уступают по качеству таковым, поставляемым на мировой рынок фирмами США и Великобритании, а по ряду показателей превосходят мировые стандарты (табл. 2). Расчетная себестоимость 1 т продукции огнеупорного волокнистого материала равна 840 долл. США при средней себестоимости 1100 долл./т на аналогичных предприятиях Российской Федерации. Огнеупорные волокнистые материалы широко применяются в металлургической, машиностроительной, нефтеперерабатывающей, авиационной, космической, и других отраслях промышленности.

Рис. 1. Технологическая схема производства огнеупорных волокнистых материалов из каолинов Чалганского месторождения

Таблица 2. Сравнительная техническая характеристика огнеупорных волокнистых материалов

Технология фторидной металлургии и электролитического извлечения. Для комплексной переработки каолинов, кварцевых песков и полевошпатовых концентратов в качестве фторирующих реагентов использованы гидродифторид (NH4НF2) и фторид аммония (NH4F), которые в нормальных условиях являются экологически безопасными веществами. На первом этапе (рис. 2) обработка каолиновых концентратов фторирующими реагентами происходит при 170-220оС в термической электропечи специальной конструкции. Затем образовавшийся порошкообразный спек загружается в бункер разгрузки, откуда с помощью шнекового питателя подаётся в рабочую зону барабанно-вращающейся электропечи, где под действием температуры (300-600°С) и водяного пара происходит химическая реакция с образованием летучего гексафторосиликата аммония и нелетучего осадка – глинозема. Глинозем через обогреваемую выгрузную головку поступает во второй бункер разгрузки. После заполнения бункера глинозем выгружают в изложницы и направляют на дальнейшую кальцинацию при температурах выше 800°С. На втором этапе смесь газов удаляется из барабанно-вращающейся печи через трубу отвода и поступает на абсорбционный аппарат, где происходит образование мелкодисперсного аморфного кремнезема при взаимодействии осажденного гексафторсиликата аммония с аммиачной водой. Полученная в результате реакции пульпа из куба абсорбционной колонны направляется на разделение твердой и жидкой фазы в вакуумный нутч-фильтр, где отделяется твердый осадок аморфного кремнезема, а раствор фторида аммония профильтровывается в нижнюю часть фильтра и поступает на регенерацию в выпариватель-кристаллизатор.

Рис. 2. Технологическая схема комплексной переработки небокситового сырья с извлечением алюминия, кремния и их соединений

На рис. 2 показана замкнутая технологическая схема переработки небокситового минерального сырья с получением товарных продуктов: глинозема и аморфного кремнезема [4]. Из 1000 т каолина марки КМ-1 можно извлечь 445 т аморфного кремнезема и 352 т глинозема. Среднемировая стоимость аморфного кремнезема составляет 5000 долл. США/т, глинозема – 450 долл./т. Ультрадис-персный аморфный кремнезем различной химической чистоты широко используется в качестве наполнителя при производстве резины, текстиля, бумаги, при изготовлении косметической продукции и лекарственных средств, в качестве основы при производстве оптоволоконного кабеля дальней связи и в других отраслях промышленности.

После фторидной обработки (рис. 2) летучий продукт представляет собой гексафторосиликат аммония ((NH 4 ) 2 SiF 6 ) высокой химической чистоты, обладающий высокими бактерицидными и огнестойкими свойствами, который широко применяется в мебельной промышленности, при фторировании питьевой воды, для получения аморфного кремнезема и других целей. Электролитическим методом из гексафторосиликата аммония получен аморфный кремний [5], который используется в электронной, радиотехнической, космической и других отраслях промышленности. Среднемировая стоимость гексафторсиликата аммония составляет 4 тыс. долл. США/т, аморфного кремния – 200 тыс.

долл./т. Из глинозема методом электролитического восстановления получен первичный технический алюминий, а из кремнезема – полупроводниковый кремний. Из 1000 т каолина марки КМ-1 можно извлечь 156 т полупроводникового кремния и 184 т первичного электролитического алюминия. Среднемировая стоимость полупроводникового кремния составляет 35 тыс. долл. США/т, алюминия – 2100 долл. /т. Предварительные экономические расчеты показывают, что себестоимость алюминия ниже себестоимости этого металла, извлекаемого из высококачественных бокситов, существенным образом, за счет использования инновационных технологий комплексной переработки различного небокситового сырья. В результате термической обработки каолинов при восстановительных или инертных условиях в нелетучем остатке образуется фторид алюминия (AlF 3 ), используемый как компонент электролитического расплава, для получения криолита, флюсов, эмалей и других целей. Среднемировая стоимость фторида алюминия составляет 1000 долл. США/т.

Применяемые дополнительные компоненты легко восстанавливаются с отсутствием твердых, жидких и газообразных отходов, что обеспечивает их многократное использование в замкнутых технологических процессах и гарантирует полную экологическую безопасность окружающей среды. Следует отметить, что стоимость выпускаемой наукоемкой товарной продукции будет превышать в сотни и тысячи раз стоимость исходного минерального сырья. Например, стоимость 1 т кварцевого песка составляет 10 долл. США/т, а получаемого из него аморфного кремнезема – 5000 долл./т и аморфного кремния – 200 тыс. долл./т.

Разработанную инновационную технологию переработки небокситового сырья методом фторидной металлургии можно реализовать на стандартном опытно-промышленном и промышленном оборудовании с незначительной реконструкцией. Функциональные возможности разработанной инновационной технологии и применяемой аппаратуры заключаются в их использовании для любого состава различного небокситового сырья и низкокачественной высококремнистой бокситовой руды. Полученные физико-химические характеристики фторидной экстракции и электролитического извлечения алюминия, кремния и их соединений вносят вклад в решение проблемы расширения минерально-сырьевой базы алюминиевой промышленности РФ и являются основой для дальнейших фундаментальных и технологических исследований по извлечению рудных металлов из горных пород и отходов промышленного производства.

На основе месторождений алюмосиликатного и силикатного сырья в Верхнем и Среднем Приамурье существуют благоприятные перспективы для развития высокотехнологичных горнопромышленных комплексов и металлургических предприятий по производству огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений с использованием разработанных инновационных технологий. Местная сырьевая база и огромные экономические ресурсы позволят получать конечную товарную продукцию, конкурентоспособную с производимой в центральных районах России, странах ближнего и дальнего зарубежья.