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

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 662.7. 004. 18
НАУКОЕМКИЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО И СИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ ВЕРХНЕГО И СРЕДНЕГО ПРИАМУРЬЯ
© 2009 В.С. Римкевич1, А.П. Сорокин2, Ю.Н. Маловицкий1, А.А. Пушкин1
1 Институт геологии и природопользования ДВО РАН
2 Амурский научный центр ДВО РАН, г. Благовещенск
Поступила в редакцию 11. 11. 2009
На основе фундаментальных и технологических исследований процессов переработки алюмосиликатного и силикатного сырья выявлены оптимальные условия получения огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений. В результате разработаны наукоемкие инновационные технологии комплексного производства различной товарной продукции из местного минерального сырья, освоение которых позволит создать высокотехнологичные горнопромышленные комплексы и металлургические предприятия в Верхнем и Среднем Приамурье.
Ключевые слова: алюмосиликатное сырье, технологии переработки, огнеупорные материалы
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 алю-мосиликатного 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,
Римкевич Вячеслав Сергеевич, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией наукоемких технологий переработки минерального сырь. E-mail: vrimk@yandex. ru
Сорокин Анатолий Петрович, член-корреспондент РАН, Председатель. E-mail: amurnc@ascnet. ru Маловицкий Юрий Николаевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории наукоемких технологий переработки минерального сырья. E-mail: alsislab@mail. ru
Пушкин Александр Андреевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории наукоемких технологий переработки минерального сырья. E-mail: Pushkin@ascnet. ru
лабрадоритов (без учета андезинитов) Каларского 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 Зей-ской 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-полевошпатовых 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
Оксиды, Исходное Каолины Кварце- Полевошпато-
мас.% сырье КН-73 КМ-1 вый песок вый концентрат
8×02 77,38 50,28 46,83 96,64 69,72
АЬОз 14,75 33,88 37,00 0,44 16,27
Бе20з 0,46 0,71 0,96 0,13 0,32
Т1О2 0,35 0,47 0,60 0,28 0,40
№ 20 0,13 0,14 0,11 0,12 0,95
К2О 1,65 1,20 1,33 1,03 11,37
п. п. п. 4,83 12,86 12,83 0,54 0,90
Сумма 99,55 99,54 99,66 99,18 99,93
Примечание: М^О, СаО и Р205 — 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 16 000С. Огнеупорные волокнистые материалы, выпускаемые по ГОСТ 23 619–79, 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
Показатель Рулонный материал Войлок Фетр
ГОСТ 23 619−79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРР-130 ГОСТ 23 619–79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРВ-200 ГОСТ 23 619–79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРФ
АЬОз, мас.% 51 50 50 43,9 50 50
АЬОз+8Ю2, мас.% 97 100 97 94 97 97
потеря массы (ппп), % 0,25 2 2 5 1 2
кажущаяся плотность, кг/м3 130 96−192 200 128 100 128
Технология фторидной металлургии и электролитического извлечения. Для комплексной переработки каолинов, кварцевых песков и полевошпатовых концентратов в качестве фторирующих реагентов использованы гидродифторид (КН4НР2) и фторид аммония (КНдР), 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 гексаф-торосиликата 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 °C. 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.
Фтор ил алюминия А№}
Глинозем АЬОч
Кремнезем 4(0,
Электролиз Эпектрогермо-обработка
1
Ал юм и кий А1 Кремний 81
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. Ультрадисперсный 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 гексафто-росиликат аммония ((КН4)281Б6) 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 гексафторси-ликата 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 (АШ3), 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 алюмосили-катного 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Васильев, И.А. Минерально-сырьевая база Амурской области на рубеже веков / И. А. Васильев, В. П. Капанин, Г. П. Ковтонюк и др. // Благовещенск: Зея, 2000. — 168 с.
2. Оценка перспектив алюминиевого сырья Дальнего Востока. Хабаровск: ДВИМС, 1979. — 528 с.
3. Сорокин, А. П. Комплексная переработка силикатного и алюмосиликатного сырья Верхнего Приамурья / А. П. Сорокин, В. С. Римкевич, Ю. Н. Маловицкий и др. // Материалы XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий. -Екатеринбург: УРО РАН, 2006. — С. 314−316.
4. Римкевич В. С., Маловицкий Ю. Н., Демьянова Л. П. Способ переработки кремнеземсодержаще-го сырья. Патент Р Ф № 2 286 947. — 2006, БИ № 31.- С. 304.
5. Маракушев, А. А. Экспериментальные исследования несмесимости галогенидно-силикатных расплавов и получение кремния электролизом водного раствора (КН4)28!Р6 / А. А. Маракушев, И. А. Зубенко, Ю. Н. Маловицкий и др. // Бюл. моск. об-ва испытателей природы. Отд. геол. -2005. — Т. 80, вып. 5. — С. 47−51.
THE HIGH TECHNOLOGY INNOVATIVE ENGINEERING OF COMPLEX PROCESSING ALUMINOSILICATE AND SILICATE RAW MATERIAL FROM UPPER AND MIDDLE PRYAMURYE
© 2009 V.S. Rimkevich1, A.P. Sorokin2, Yu.N. Malovitskiy1, A.A. Pushkin1
1 Institute of Geology and Nature Management FEB RAS 2 Amur Science Centre FEB RAS, Blagoveshchensk
On the basis of fundamental and technological researches of processing aliminosilicate and silicate raw material optimum conditions of reception the fire-resistant fibrous materials, aluminium, silicon and their bridgings are revealed. As a result the high technology innovative engineering of complex production various commodity output from local mineral raw material which development will allow to create hi-tech mining complexes and metallurgical factories in Upper and Middle Pryamurye are developed.
Keywords: aluminosilicate raw material, engineering of processing, fire-resistant materials
Vyacheslav Rimkevich, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. E-mail: vrimk@yandex. ru Anatoly Sorokin, Corresponding Member of RAS, President. E-mail: amurnc@ascnet. ru
Yury Malovitskiy, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Research Fellow at the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. E-mail: alsislab@mail. ru Alexander Pushkin, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Research Fellow at the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. E-mail: Pushkin@ascnet. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой