Раздел 15. Производство алюминия фтористого технического

Раздел 15. Производство алюминия фтористого технического

Фторид алюминия в основном используется при получении первичного алюминия, также он может применяться в стекольной промышленности и при производстве эмалей. Добавка фторида алюминия в качестве флюса в электролитические ванны вместе с криолитом и плавиковым шпатом позволяет снизить температуру электролитной массы и повысить текучесть электролита. При производстве первичного алюминия на 1 т продукции расходуется от 15 до 40 кг фторида алюминия. Из-за проблем с эмиссией фтор-газов на предприятиях первичного алюминия потребление фтористых солей значительно снизилось за последние 30-40 лет.

Фторид алюминия согласно его физическим свойствам подразделяют на продукт высокой насыпной плотности (High bulk density - HBD) и низкой насыпной плотности (Low bulk density - LBD). Получают эти продукты принципиально разными способами: первым - так называемым "сухим" способом, обрабатывая активированный оксид алюминия газообразным фтороводородом, вторым - гидрохимическими способами при нейтрализации кремнефтороводородной кислоты (далее КФВК) или фтороводородной кислоты гидроксидом алюминия (в настоящий момент не применяется).

Вне зависимости от того, что содержание основного вещества в продуктах LBD выше, что, несомненно, является их конкурентным преимуществом, производители первичного алюминия, использующие автоматические системы дозировки реагентов, отдают предпочтение продуктам HBD. Фторид алюминия высокой плотности проще дозируется (без зависания в бункере), и его быстрое погружение в расплавленный электролит позволяет избежать излишних потерь фтора с аспирационными газами за счет пирогидролиза и пылеуноса. Кроме того, производители первичного алюминия, использующие автоматические системы дозировки реагентов, предпочитают использовать фторид алюминия примерно одинаковой плотности с глиноземом.

Свойства фторида алюминия определяются технологией. Следующие два основных процесса лежат в основе двух наиболее распространенных технологий фторида алюминия:

1. При использовании газообразного фтороводорода и глинозема по следующей реакции:

Al ₂O ₃ + 6HF = 2AlF ₃ + 3H ₂O.

2. Гидрохимические процессы основаны на реакции КФВК и гидроксида алюминия по следующим реакциям:

H ₂SiF ₆ + 2Al(OH) ₃ = 2AlF ₃ + SiO ₂ + 4H ₂O.

При производстве фторида алюминия HBD ("сухой" процесс) в виде отхода генерируется 2,4-2,5 т ангидрита сульфата кальция (фторгипса) на 1 т физ. массы AlF ₃.

При переработке КФВК образуется побочный продукт кремнегель в количестве 0,67 т на 1 т физ. массы AlF ₃.

15.1 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время

Несмотря на то, что получение фторида алюминия из КФВК становится все более важным, "сухой" процесс все же доминирует в мире. Порядка 80 % фторида алюминия производится по этому способу. В России AlF ₃ по этому способу не производится.

15.1.1 "Сухой" способ производства фторида алюминия

Фторид алюминия получают обработкой активированного Al ₂O ₃ безводным фтороводородом в реакторе кипящего слоя. Сырьем для получения безводного фтороводорода служит флюорит (плавиковый шпат), кислотного качества (т.е. с содержанием CaF ₂ свыше 97 % масс.), серная кислота (H ₂SO ₄) и гидроксид алюминия (Al(OH) ₃).

В основе процесса лежат следующие реакции:

(1)

(2)

(3)

Блок-схема процесса приведена на рисунке 15.1.

Рисунок 15.1 - Блок-схема процесса получения фторида алюминия "сухим" способом

15.1.2 Получение фторида алюминия при переработке КФВК

"Легкий" фторид алюминия получают при нейтрализации раствора КФВК гидроксидом алюминия ("гидрохимические" способы). Производства "легкого" фторида алюминия часто находятся на одной площадке с производствами фосфорсодержащих удобрений, т. к. источником дешевого фтора при этом является КФВК - побочный продукт получения упаренной экстракционной фосфорной кислоты (см. ИТС по наилучшим доступным технологиям "Производство аммиака, минеральных удобрений и неорганических кислот, 2019 г.). При использовании КФВК в качестве фторсодержащего сырья фторид алюминия получают следующими способами:

а) с осаждением тригидрата фторида алюминия:

;

б) с осаждением аммонийного криолита:

.

В настоящее время в России "легкий" AlF ₃ из КФВК производится по способу а) через осаждение тригидрата фторида алюминия (далее ТФА).

В основе технологии лежит свойство фторида алюминия образовывать пересыщенный раствор с длительным индукционным периодом кристаллизации, что позволяет отфильтровать кремнегель из реакционной массы. Из пересыщенного водного раствора фторид алюминия при температуре 85-95 °С кристаллизуется в виде тригидрата , который отфильтровывается и прокаливается сначала при температуре 300 °С до полугидрата, а затем при 550 °С до безводного фторида алюминия.

Технология производства фторида алюминия из КФВК через осаждение ТФА состоит из следующих основных стадий:

- нейтрализации КФВК и удаления SiO ₂;

- кристаллизации ТФА;

- сушки и прокалки ТФА;

- очистки отходящих газов;

- очистки аспирационных газов.

Блок-схема производства фторида алюминия из КФВК через осаждение ТФА показана на рисунке 15.2.

Рисунок 15.2 - Блок-схема процесса получения "легкого" фторида алюминия из КФВК

Нейтрализация КФВК и удаление SiO ₂

На первой стадии технологического процесса нагревают КФВК и загружают в реактор, затем туда подают гидроксид алюминия. Реакция является экзотермической, вследствие чего реакционная смесь разогревается до температуры 95-100 °С. В результате реакции образуются водный раствор фторида алюминия и твердый аморфный SiO ₂. Кремнегель выделяют из раствора путем фильтрования, также промывают водой. Существенным отличием и особенностью технологии, используемой в России, является то, что гидроксид алюминия применяется в виде влажного порошка (что обусловлено условиями поставки). Для равномерной подачи в процесс его суспендируют водой.

Нагрев КФВК производится в подогревателе, который представляет собой цилиндрическую емкость, оборудованную барботерами острого пара. Нагрев производится в периодическом режиме.

Реактор-нейтрализатор представляет собой цилиндрическую емкость с коническим днищем, которая оборудована мешалкой лопастного типа. Реактор работает в периодическом режиме. Степень нейтрализации КФВК определяется по электропроводимости раствора.

Разделение реакционной смеси осуществляется на ленточном вакуум-фильтре со сходящим полотном. Данное оборудование позволяет эффективно промывать осадок кремнегеля, снижая потери целевого продукта.

Кристаллизация ТФА

После выделения аморфного SiO ₂ пересыщенный метастабильный раствор фторида алюминия помещают в кристаллизатор, в котором происходит кристаллизация твердого ТФА (), который затем также отделяют на фильтре. Жидкую фазу (маточный раствор) направляют на абсорбцию отходящих газов, а затем в производство экстракционной фосфорной кислоты.

Реактор кристаллизации представляет собой цилиндрическую емкость с коническим днищем, оборудованную трехуровневым импеллером-мешалкой. Подогрев раствора осуществляется при помощи барботажа острого пара при помощи барботера.

Фильтрование ТФА проводят при помощи ленточного вакуум-фильтра со сходящим полотном.

Сушка и прокалка ТФА

Влажные кристаллы ТФА направляются на сушку-прокалку во вращающуюся барабанную печь, где происходит прогрев материала и удаление кристаллизационной влаги.

Отходящие газы, содержащие пыль фторида алюминия, последовательно проходят чистку в циклонах, рукавном фильтре, абсорбере и направляются в атмосферу через санитарную трубу.

Для сушки и прокаливания кристаллов ТФА могут применяться барабанные печи двух конструкций: противоточная барабанная печь конвективного действия и противоточная барабанная печь конвективно-кондуктивного действия.

Конвективная печь представляет собой противоточный вращающийся барабан, оборудованный подпорными кольцами для задержки продукта и увеличения времени пребывания его в печи.

Конвективно-кондуктивная печь представляет собой противоточный вращающийся барабан, в котором продукт сначала проходит конвективную зону сушки, оборудованную подъемно-лопастной насадкой, затем продукт попадает в кондуктивную зону, где прогрев продукта происходит через стенку.

Для рекуперации тепла продукта может использоваться вращающийся трубчатый холодильник. Охлаждение продукта производится атмосферным воздухом, который после прохождения теплообменника подается на горение природного газа и разбавление топочных газов.

Для рекуперации тепла отходящих газов может быть использован кожухотрубчатый теплообменник. Охлаждение отходящих газов осуществляется атмосферным воздухом, подогретый в теплообменнике воздух направляется на горение природного газа и разбавление топочных газов.

Очистка отходящих газов

Газы, отходящие от стадии сушки-прокалки, содержащие пыль продукта и газообразные фтористые соединения, проходят стадию очистки перед выбросом в атмосферу.

На первой стадии очистки производится очистка от пыли с использованием групповых циклонов. На данной стадии также применяется рукавный фильтр. Пыль продукта возвращается на стадию сушки-прокалки.

На второй стадии обеспыленные газы проходят абсорбционную очистку в абсорбере. Абсорбер представляет собой цилиндрический аппарат, орошаемый водным раствором фторида алюминия. Для интенсификации абсорбции в аппарате устанавливаются 2 провальные решетки. В расширенной части абсорбера (брызгоуловителе) может быть установлена ступень АПС с подпиткой водой.

Использование двухступенчатой системы очистки позволяет достигать высокой степени очистки газов от загрязняющих веществ и максимально возвращать целевой продукт в технологический процесс, экономя сырьевые ресурсы.

Очистка аспирационных газов

Газы, отходящие от емкостного и фильтровального оборудования, содержащие газообразные фтористые соединения, подвергаются абсорбционной очистке. Для этого используется абсорбер, орошаемый слабым раствором кремнефтороводородной кислоты и водой. Абсорбер представляет собой цилиндрический аппарат. Для интенсификации абсорбции в аппарате устанавливаются провальная решетка. В расширенной части абсорбера (брызгоуловителе) может быть установлена ступень АПС с подпиткой водой.

15.2 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при производстве трифторида алюминия

Нормы расхода сырья и энергоресурсов при производстве фторида алюминия при переработке КФВК приведены в таблице 15.1.

Таблица 15.1 - Показатели потребления сырья, материалов и энергетических ресурсов при производстве фторида алюминия

Наименование	Единицы измерения	Расход на 1 тонну фторида алюминия
		минимальный	максимальный
Кремнефтористоводородная кислота	т/т		1
Гидроксид алюминия	т/т		0,89
Топливо (природный газ)	тыс. нм 3/т		0,185
Электроэнергия			0,3
Низкопотенциальный пар	Гкал/т		1,1
Сжатый воздух	тыс. нм 3/т		0,075

Особенностью "гидрохимических" способов производства фторида алюминия из КФВК является то, что данное производство находится на одной площадке с производством фосфорсодержащих удобрений, где КФВК образуется в качестве побочного продукта производства упаренной ЭФК, и очень сильно связано производственными потоками с производством ЭФК. К примеру, производство ЭФК передает в производство фторида алюминия раствор КФВК, обратно производство фторида алюминия передает маточный раствор, который используется при получении КФВК, и сточные воды на нейтрализацию известковым молоком. Собственные сбросы отсутствуют.

Собственных многотоннажных отходов производство фторида алюминия не образует. Получаемый SiO ₂ репульпируется водой и направляется в производство ЭФК в составе сточных вод, а затем совместно с фосфогипсом направляется в шламонакопитель.

Характеристика выбросов, образующихся при производстве фторида алюминия при переработке КФВК, приведены в таблице 15.2.

Таблица 15.2 - Выбросы в атмосферу производства фторида алюминия

Источники выбросов	Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 тонну фторида алюминия, кг/т
			минимальное значение	максимальное значение	среднее значение
Выхлопная труба	Фториды газообразные	Обеспыливание, абсорбция	2,39	2,89	2,65