Модернизация печей цеха спекания на базе АО «Алюминий Казахстана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

История предприятия начинается с 4 ноября 1964 года, когда Павлодарский алюминиевый завод выдал первую партию товарной продукции — глинозем, полученный по последовательной технологической схеме (Байер — спекание) в результате переработки Тургайских бокситов.

По проекту предполагалось перерабатывать только бокситы Тургайского месторождения, содержащие легко вскрываемые алюмосодержащие минералы и не имеющие в больших количествах вредных для технологии примесей: карбонатов, сульфатов, хлоридов, органики и соединений двухвалентного железа.

По технологической схеме переработка усредненного (шихтованного) боксита производится мокрым щелочным способом без предварительного обогащения. Дробленый боксит различных сортов (месторождений) тщательно смешивается на шихтовальном дворе завода и в складах усреднения. Далее транспортерами он подается на размол в стержневые мельницы в среде горячего концентрированного раствора щелочи. Образовавшаяся пульпа подвергается выщелачиванию при температурах 105-108°С, и А12О из боксита переходит в раствор в виде растворимого алюмината натрия. Вместе с А12О3 в раствор частично переходят и соединения кремния, и если их оставить в растворе, то далее они выпадают с продукционным гидратом, загрязняя его кремнеземом (SiO2). Поэтому следующей технологической операцией после выщелачивания является обескремнивание (удаление кремния из раствора), при этом кремний содержащая масса из раствора выпадает в осадок в виде нерастворимого шлама. Отфильтрованный от шлама алюминатный раствор при выдержке с понижением температуры и в присутствии затравки разлагается (выкручивается) с выделением в твердую фазу гидроксида алюминия — А1(ОН), из которого при прокалке (сушка и обжиг) далее получают сыпучий товарный продукт — глинозем. Извлечение (выщелачивание) А12О3 из боксита при атмосферном давлении с последующим отделением раствора от шлама и выделением декомпозицией продукционного гидроксида алюминия и называется процессом Байера, разработанным в свое время немецким химиком Арнольдом Байером, лауреатом Нобелевской премии.

При этом до 70% алюминия, содержащегося в низкосортной руде, переходит в раствор.

Шлам от переработки низкокачественного казахстанского боксита после отделения от раствора содержит еще до 30% алюминия от содержания в боксите, поэтому он направляется на доизвлечение А12О3 в спекательную ветвь, являющуюся самостоятельной сложной технологической линией. В этом и есть смысл последовательной схемы Байер-спекание, когда основное количество алюминия из боксита извлекается по способу Байера, а остальное — высокотемпературным способом спекания.

По мере выработки основные запасы тургайских бокситов истощались.

Подшихтовка бокситов, добываемых Краснооктябрьским рудоуправлением, в рабочую смесь с тургайским бокситом производится с 1971 года, но в очень малых объемах. Первоначально это были бокситы Аятского месторождения, а с 1979 года в процесс стал подаваться боксит и Белинского месторождения.

При подшихтовке в байеровскую ветвь краснооктябрьских бокситов Белинского месторождения происходит накопление хлоридов, что требует изменения всех концентраций банеровских растворов. Поэтому в заводских условиях, не останавливая действующее производство, были разработаны и внедрены новые технологические схемы вывода хлоридов, но все же, в тот период, подшихтовку белинского боксита пришлось ограничить.

Бокситы Красногорского месторождения по существовавшей до 1994 года проектной технологической схеме из-за крайне неблагоприятного примесного состава в байеровском переделе перерабатывать было нельзя, и их подшихтовывали в небольшом количестве в шламовую шихту спекания, минуя основную технологию, для выдерживания щелочного баланса.

Таким образом, к моменту перехода завода в управление инвесторам ситуация складывалась крайне тяжелой, проблемы казались неразрешимыми. К началу 1995 года запасов бокситов, пригодных к переработке по проектной технологии оставалось максимум на 6-8 лет работы завода.

При анализе создавшегося положения руководством фирмы было рассмотрено три возможных варианта сохранения и оздоровления жизнедеятельности предприятия, которые обеспечили бы дальнейшее развитие производства основной продукции — глинозема из казахстанского рудного сырья.

Вариант, предлагаемый институтом ВАМИ, решал проблемы за счет постепенного освоения разрозненных и малотоннажных запасов бокситовых месторождений с глубокой реконструкцией действующих производственных объектов и строительством новых. Вариант был дорогостоящим (оценивался в 600-800 млн. $) и длительным в осуществлении по времени, со снижением мощности предприятия в переходный период.

Второй вариант предусматривал перевод завода на переработку качественного импортного сырья — это удорожало выпускаемую продукцию почти в 2 раза, что в условиях развала Союза ставило под угрозу сохранение рынков товарной продукции.

В сложившейся ситуации руководство завода предложило третий вариант — разработать технологию переработки некондиционного боксита Красногорского месторождения, запасы которого в недрах Казахстана — сотни миллионов тонн, достаточные для работы предприятия на долгие годы.

В результате анализа был выбран третий вариант как наиболее приемлемый с технической и экономической точек зрения, т.е. усовершенствовать действующую на заводе технологическую схему Байер-спекание. При этом необходимо было разработать, испытать и внедрить принципиально новую технологию без снижения объема выпуска и качества продукции и в сжатые сроки.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Краткая характеристика  предприятия и исходные данные  для

его проектирования

 

Павлодарский алюминиевый завод расположен в г. Павлодаре Республике Казахстан, восточнее жилых районов города. Завод граничит южной стороной с территорией ТЭЦ-1 и городскими землями, северной - с железнодорожной станцией.

Железнодорожная связь завода с общей сетью железнодорожных дорог осуществляется примыканием подъездного железнодорожного пути завода к станции МПС-Южная, расположенной на расстоянии 1 км от северной границы завода.

С городом завод связан автомобильной дорогой и трамвайной линией.

Завод запроектирован на принципах широкого кооперирования в строительстве и эксплуатации объектов общегородского хозяйства в части строительных баз, водоснабжения, канализации, тепловых и электрических сетей, общегородских объектов и объектов бытового и коммунального назначения.

Основание проектной схемы, достигнутое технико-экономическими показателями процесса, позволили коллективу завода и ВАМИ поставить вопрос об увеличении мощности по производству глинозема на 11,1 % в год сверх утвержденной.

Строительство завода осуществлялось очередями. В результате строительство ряда новых объектов, реконструкции или расширения некоторых действующих переделов глиноземного производства мощность завода с каждым годом увеличивается и к 2005 году планируется выпускать глинозем 1500000 тонн в год.

 

1.1 Номенклатура, качество и технический уровень  продукции

 

Продукционный гидрат представляет собой крупнодисперсный гидроксид алюминия и имеет следующую характеристику: SiO2 – не более 0,02%; Na2O – не более 0,4%; Fe2O3 – не более 0,03%; влага – не более 12%.

Маточный раствор представляет собой щелочной раствор, содержащий примеси в виде различных химических соединений и имеет следующую характеристику:

– αк- не менее 2,8 единиц;

– содержание твердого - не более 2,5 г.тв/дм3.

Глинозем является основным исходным материалом в производстве алюминия электролитическим путем. К глинозему в этом случае предъявляется ряд требований, которые должны учитываться при разработке способов, применяемых для извлечения его из тех или иных алюминиевых руд.

Глинозем прежде всего должен отличаться высокой степенью чистоты, так как примеси окислов элементов с более электроположительным, чем у алюминия, потенциалом (Fe2O3, SiO2, TiO2) будут в первую очередь разлагаться при электролизе, загрязняя получаемый алюминий. Примеси же соединений более электроотрицательных металлов (например Na2O и СаО) вызовут изменение состава электролита.

Глинозем должен содержать минимальное количество влаги и иметь такую форму, которая обеспечила бы его достаточную негигро-скопичность при длительном хранении. Присутствие значительных количеств влаги в глиноземе приводит к частичному разложению расплавленного электролита (криолита), который разбрызгивается при соприкосновении с влажным глиноземом.

Глинозем должен получаться в кристаллах такой крупности, при которой бы он достаточно быстро растворился в электролите и мало распиливался при загрузке в ванну. Крупнокристаллический глинозем медленно растворяется в электролите, образуя осадки на поду ванны; очень мелкий сильно распыливается, что является причиной его механических потерь.

Требования, предъявляемые к глинозему, определяются техническими условиями.

В производстве металлического алюминия электролитическим путем употребляется глинозем главным образом марки Г1 или Г0 (при получении металла повышенной чистоты); что касается глинозема марки Г2, то он применяется в абразивной промышленности, а также может служить исходным материалом в производстве кремнеалюминиевых сплавов электротермическим восстановлением.

В процессе спекания шламовой шихты конечным продуктом является спек, которому предъявляются следующие требования: пористость, цвет должен быть от светло-серого до темно-зеленого, максимально возможное выщелачивание.

Сырьевой базой данного цеха является цех подготовки шихты, где происходит дозировка к красному шламу известняка и соды.

При подготовке шихты придерживаются следующих требований: компоненты шихты должны быть точно сдозированы и хорошо смешаны, чтобы после окончания размола получить шихту требуемого состава.

 

1.2 Основные технологические  и проектные решения

 

На основе анализа научно-исследовательских работ проектом предусматривается установление типовых вращающихся трубчатых печей глиноземного производства с типовыми размерами 5х100 м с подачей распыленной шихты через пульповые форсунки. Охлаждение спека происходит в барабанных холодильниках с размерами 5х50 м.

Вращающаяся печь является печным агрегатом непрерывного действия, работающая по принципу противотока. Горячие печные газы движутся навстречу обжигаемому материалу.

Увеличение длины печей способствует улучшению теплообмена при противотоке газов и материала, однако нагрузка на корпус печи значительно увеличивается. И после различных исследований пришли к выводу, что оптимальными размерами трубчатых вращающихся печей являются:      диаметр 5 м, длина 100 м, при этом снижается удельный расход топлива, а также уменьшаются капитальные и трудовые затраты.

 

 

 

 

1.3 Численность  и профессионально-квалифицированный состав

работающих

 

Работники предприятия подразделяются на две группы: промышленно-производственный персонал и непромышленный персонал.

К первой группе относятся: все работники производственных цехов (основных и вспомогательных, побочных и подсобных производств, работники аппарата управления, работники пожарно-сторожевой охраны, работники лабораторий).

К непромышленному персоналу относятся: персонал врачебно-санитарных учреждений, работники заводского транспорта.

Различают списочную, штатную и явочную численность работников. Под явочной понимают фактическое число рабочих в течении суток. Под штатной - число рабочих, необходимых в непрерывных производствах для подмены в выходные и праздничные дни неработающих. В производствах с непрерывным режимом работы штатный и явочный составы совпадают. Списочный состав больше штатного на число временно отсутствующих и включает всех постоянных, временных и сезонных работников.

Потребность в инженерно-технических работниках, служащих и МОП определяют в соответствии с утвержденной директором предприятия структурой управления на основе объема производства и типовых структур и штатов для предотраслей цветной металлургии. При отсутствии отраслевых нормативов, численность ИТР определяется самим предприятием.

 

1.4 Потребность в энергоресурсах

 

Система электроснабжения завода выполнена в соответствии с проектом института "Тяжпромэлектропроект". Электроснабжение производится от ТЭЦ, входящей в состав АО "Алюминий Казахстана". Общая установленная мощность трансформаторов 370000 кВт.

 

 

          2 Генеральный план и транспорт

 

2.1 Выбор и  характеристика площадки

 

Для строительства проектируемого цеха выбираем площадку вблизи города Павлодара. Границами площадки служат с западной стороны –железнодорожная ветка, с северной стороны – основная железнодорожная магистраль «Астана-Новокузнецк», а восточная сторона является открытой.

Площадка расположена на землях, которые используются под огородные и другие сельскохозяйственные культуры.

К числу благоприятных факторов размещения площадки следует отнести возможность кооперирования с другими предприятиями по линии внешнего транспорта, водоснабжения, электроснабжения и строительства, а также водоснабжение осуществляется за счет естественных ресурсов реки Иртыш.

 

2.2 Характеристика  рельефа местности, грунтов, грунтовых вод и климата

 

Рельеф площадки равнинный, слабо холмистый, со следующими климатическими данными: среднегодовая температура составляет +15°С, с колебанием от 0,1 до 3,1°С. Продолжительность теплового периода 6 месяцев. Заморозки начинаются со второй половины сентября и заканчиваются в конце апреля , начале мая.

Максимальная температуры наблюдается в июле, до +41,1°С, минимальная в январе, до -46°С. Таким образом, амплитуда колебаний температур до 87°С. Нормативная глубина промерзания грунтов для района г. Павлодара определяется в соответствии с П-24 и примечанием 2Н и ТУ-127-55 в 2,5 метра. Среднегодовое количество осадков составляет 201,6 мм, где 169,9 мм из них жидких. Максимальная средняя высота снежного покрова 41 см, минимальная – 6 см.

Господствующее направление ветров юго-западного румба со средней скоростью 5,3 м/сек. Наблюдаются ветры штормового характера, когда скорость ветра достигает до 40 м/сек. Таким образом климат характеризуется как сухой, континентальный с холодной зимой и сильными ветрами.

По сейсмичности района г. Павлодар относится к четырех бальной зоне.

Водозабор на технологические и бытовые нужды осуществляется из реки Иртыш.

 

2.3 Состав генерального  плана, перечень всех зданий и  сооружений, их взаимоположение

 

В проектируемый цех входят два основных здания и система пылеулавливания.

В первом здании находятся загрузочный конец печи, куда подается шихта, а также бункер холодного стояка с элеватором.

Во втором здании расположены разгрузочный конец печи и пылеугольная система. Оба здания имеют длину 126 м, ширину 30 м и высоту 20 м.

Здания находятся напротив друг друга на расстоянии 90 м.

Печи находятся на открытом пространстве.

 

2.4 Основные планировочные решения, мероприятия по благоустройству и обслуживанию территории

 

Проектируемый цех окружен со всех сторон автомобильными дорогами так, чтобы можно было подъехать к любому месту. Возле дорог посажены газоны, за которыми в летний период производится систематический контроль. В зимний период регулярно производится чистка от снега как дорог, так и территории цеха. Кроме того производится уборка от мусора, пыли, грязи и т.д. Общая территория цеха имеет длину 210 м, а ширину 126 м.

 

 

 

2.5 Транспорт

 

Основной вид транспорта – грузовые автомобили, на которых транспортируется известняк и сода. Пульпа подается по трубопроводам. Использование других видов транспорта не имеет смысла.

 

3 Технологические  решения, обеспечение энергоресурсами

 

3.1 Сырьевая  база, характеристика сырья

Сырьевой базой АО «АК» являются Тургайское, Краснооктябрьское рудоуправления, расположенные на расстоянии 1050 км от г. Павлодара. Доставка до потребителя – железнодорожный транспорт. Положительным фактором рудников является то, что рудное тело находится на небольшой глубине, что позволяет производить добычу открытым способом. Отрицательным факторами является следующее:

1) нет сплошного массива  рудного тела, оно залегает в  виде разбросанных линзообразных  залежей, что усложняет разведку, добычу, доставку исходного сырья;

2) наличие грунтовых  вод усложняет добычу, транспортировку, отрицательно сказывается на  разгрузке, переработке сырья непосредственно  на заводе.

Тургайские бокситы мягкие, легко перерабатываемые, самодиспергирующие.

Краснооктябрьские бокситы (рудники Аятский, Белинский, Красногорский) более твердые. Кроме этого, в боксите Краснооктябрьского месторождения более высокое содержание органики и окиси углерода.

В целом, по металогическому составу бокситы подразделяются на каменистые, рыхлые, сухаристые и глинистые, и четко выраженных границ нет.

Состав каменистых бокситов – 6-78%; рыхлых – 2-51%; сухаристых – 2-46%; глинистых – 5-2%. Бокситы, как Тургайского, так и Краснооктябрьского месторождений относятся к типу гидраргилитовых (гиббситовых) бокситов А1(ОН)3.Породообразующие: –  гидраргилит (А1(ОН)3); каолинит (А12О3 2SiO2 2Н2О); окислы железа – Fe2O3; FеСО3(сидерит FеS2(пирит); СuFеS2(халькопирит).

Средний состав Тургайского и Краснооктябрьского рудников по компонентам:

 

Таблица 1 – Бокситы по компонентам

Бокситы по рудникам	А12О3	SiO2	Fe2O3	СО2	αk
Тургайский рудник	44,0	14,2	15,2	0,3	3,1
Краснооктябрьский:
Аятское месторождение	44,8	9,1	19,8	1,34	4,9
Белинское месторождение	42,4	8,9	19,8	1,11	4,8

 

Среднее содержание глинистой фракции 36-46%; Крупность боксита, поступающего с рудника – не более 300 мм. Удельный вес боксита – 2,6-2,8 т/м3; насыпной вес – 1,2-1,6 т/м3; влага – 17-21%.

3.1.1 Известняк. На приготовление  шихты для печей спекания используется  известняк Керегетасского месторождения. Известняк состоит в основном  из кальцита (от 95 до 98%) с примесью глины, доломита, кремнезема, окислов железа.

Химический состав и качество известняка должны соответствовать требованиям технических условий и заводской инструкции.

Физические свойства известняка:

– удельный вес от 2,5 до 2,7 т/м3;

– насыпной вес от 1,5 до 1,7 т/м3;

– влажность от 2 до 10%;

– крупность кусков не более 300мм;

– сода кальцинированная;

– используется для приготовления шихты для печей спекания;

– химический состав соды кальцинированной (в %);

– содержание углекислого натрия Na2CO3 – 90,6;

– содержание углекислого калия К2СО3 – 5,17;

– содержание сернокислого калия K2SО4 – 4,07.

Физические свойства соды технической:

– удельный вес – 2,5 т/м3;

– насыпной вес – от 1,3 до 1,6 т/м3;

– содержание влаги – до 1%;

– сода каустическая.

Вводится в процесс для частичного восполнения потерь щелочи в ветви Байера, не компенсируемых ветвью спекания.

Сода каустическая поступает на завод в твердом и жидком состоянии.

3.1.2 Топливо. Топливом для  печей спекания является уголь Шубаркольского месторождения. Рудное тело месторождения – цельное с глубиной залегания пласта 20 – 30 метров, мощность пласта до 30 метров. В рудном теле две прослойки породы мощностью 0,3 – 0,5 метров каждая. Месторождение угля по глубине углефикации и метаморфизму – молодое; малая глубина залегания пласта вызвала крайне удачное свойство, не характерное для молодых углей – пласт практически не содержит метана, а значит условия взрывоопасности углей достаточно мягкие. Суммарные запасы по месторождению – несколько миллиардов тонн. Добыча угля производится открытым способом.

Для печей спекания выполняется добыча селективным способом на зольность не выше 5-7%. Валовая зольность по всему месторождению около 17 %. Для месторождения с таким молодым углем соответствует высокая влага угля – около 14%, но эта влага в большей степени гигроскопическая, чем внешняя и, в силу этого, высокая влага не вызывает трудностей при переработке угля – подвижность и сыпучесть удовлетворительная, склонность к смерзанию в зимних условиях не отмечается.

3.1.3 Характеристики поступающего  угля. Марка – длиннопламенный (Д), рядовой. Состав угля: Wр = 14 %

Ас=5%; Сг = 77,5%;

Ог=15,2%; Nr=l,5%;

Нг = 5,4%; Sr = 0,4%;

Выход летучих Vг=44%;

Вид нелетучего остатка – слипшийся.

Состав золы:

SiO2=60,6%;                                           А12О3 = 22,3%;

Fe 2О3 = 5,5 %; MgO = 1,5 %;

СаО=1,7%; Na2O=l,0%.

Характеристические температуры золы:

T1=1100°C;

Т2=1420°С;

Т3 = 1440°С.

Уголь по способности к окислению и самонагреванию относится к IV группе – неустойчивые при хранении. Коэффициент размолоспособности Кло=1,3

3.1.4 Восстановитель. В качестве  восстановителя при приготовлении  шихты применяется либо антрацит, либо мелкие отсевы кокса. По  составу и химическим свойствам  оба продукта достаточно схожи. Основным технологическим требованием к восстановителю является минимальное содержание летучих, что предотвращает их выделение в отходящие газы и горение в холодных зонах печи и системе газоочистки.

Состав восстановителя: Wp=5,0%; Ap=4,0%;

Ср = 84,0%; Ор = 2,0%; Np = 1,0%;

Нр=3,0%; Sp = 1,0%;

Выход летучих Vr=2,0-7,0%.

3.1.5 Мазут.

 

Таблица 2 – Состав мазута

Показатели	Марка мазута
	М40	М100
Вязкость условная ВУ, не более при 80°С	8,0	15,0
Зольность, % не более	0,15	0,15
Содержание механических примесей, % не более	1,0	2,0
Содержание воды, % не более	2,0	2,0
Содержание серы, % не более Малосернистых	0,5	0,5
Сернистых	2,0	2,0
Температура вспышки °С не ниже, в открытом тигле	90	110
Теплота сгорания Q H Р ккал/кг	9700	9650

 

 

      

 

           3.2 Режим работы цеха и его производительность

 

Для металлургических предприятий цветной металлургии характерны непрерывно протекающие во времени многоступенчатые процессы производства, сочетающие механические и химические изменения предметов труда.

Технологические процессы в этой отрасли протекают с большими затратами тепловой и электрической энергии, характерны крупные агрегаты, требующие коллективного обслуживания, строгой согласованности в ходе протекания технологических процессов.

Павлодарский алюминиевый завод относится к предприятиям цветной металлургии с высокими материальными потоками и большим грузооборотом с привлечением крупногабаритных многотоннажных агрегатов и аппаратов.

Режим работы на предприятии непрерывный. Установлен двенадцатичасовой рабочий график. График выходов пяти сменный. Число рабочих бригад, обслуживающих в течении суток данное производство, две. Три бригады находятся на отдыхе.

 

3.3 Анализ научно-исследовательских  работ

 

Вопросам теории и технологии переработки красных шламов как сырья для производства железа и алюминия уделено значительное внимание. Предложены многочисленные способы использования красных шламов.

Спекая во вращающихся печах красный шлам с известняком и содой, вводимой в количестве, эквивалентном безвозвратным потерям щелочи во всем производственном цикле, можно достичь 90-95 % общего извлечения глинозема.

Нормальной дозировкой щелочи считалось:

Причем шихта с несколько уменьшенной против «нормальной» дозировкой соды – мало отличаясь по извлечению глинозема, явилась более выгодной с точки зрения расхода соды. Однако, указанная шихта оказалась несовершенной, так как введению в шихту соды в количестве, необходимом лишь для компенсации потерь ее байеровской ветви и ветки спекания, оказывается недостаточным для связывания всего оксида железа шлама в феррит натрия. В результате чего получается ненасыщенная шихта. В связи с этим и было предложено ввести в шихту дополнительное количество углекислого кальция для связывания оксида железа в феррит кальция и рассматривать такую ненасыщенную шихту как оптимальную для спекания высокожелезистых красных шламов.

Как показала практика, при освоении подобной технологической схемы возникли трудности – шихта оказалась легкоплавкой. Извлечение глинозема из полученных при этом спеков невысокое (80 %), что является следствием образования нерастворимых натриево-кальциевых силикатов и алюмоферритов кальция. Исследуя условия спекания шихты с пониженным щелочным и известковым отношением и установили, что она более эффективна. Однако при этом полного возмещения потерь щелочи не достигается. Ряд исследований предложили расширить температурный интервал спекообразования, снизить начальную температуру спекания и повысить извлечение глинозема и щелочей введением в шихту неорганических добавок: фторидов, сульфатов.