Раздел 6. Перспективные технологии при производстве никеля и кобальта

Раздел 6. Перспективные технологии при производстве никеля и кобальта

6.1 Технология двухзонной печи Ванюкова

"Процесс плавки в жидкой ванне" (переименованный после смерти его создателя, профессора Андрея Владимировича Ванюкова, в "Процесс Ванюкова") является конкурентноспособной разновидностью существующих в мире автогенных процессов плавки сульфидного сырья, таких как взвешенная плавка Outokumpu, процессы Ausmelt и Isasmelt, кислородно-взвешенная плавка Inco, Mitsubishi, Noranda, Teniente и др.

Схематическое изображение однозонной печи Ванюкова представлено на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схематическое изображение однозонной печи Ванюкова

Однозонная печь состоит из плавильной камеры, аптейка, штейнового и шлакового сифонов. В плавильную камеру через отверстия в своде печи подается шихта, состоящая из концентрата (руды) и флюса. При необходимости в шихту может добавляться уголь с целью улучшения теплового баланса печи и восстановления магнетита. Через фурмы нижнего ряда, находящиеся в шлаковом слое печи, подается кислородно-воздушная смесь. При необходимости, для поддержания теплового баланса печи, через фурмы нижнего ряда может дополнительно подаваться углеводородное топливо. В настоящее время в действующих печах Ванюкова в качестве такого топлива используется природный газ. В процессе взаимодействия шихты и дутья в надфурменной зоне образуется шлако-штейновая эмульсия. Она разделяется в подфурменной зоне на шлак и штейн, которые движутся в печи в противоположных направлениях. Из сифонов шлак и штейн поступают в миксеры, откуда они сливаются в ковши по мере требований дальнейшего производства. Отходящие концентрированные по газы дожигаются в плавильной камере с помощью воздушно-кислородной смеси, подаваемой через верхний ряд фурм, расположенных над расплавом шлака.

Дожигание газов производят в случае необходимости. Цель дожигания - не допустить попадания в газоходную систему газов с высокой концентрацией . Сифоны служат для отстаивания расплавов, после чего шлак и штейн по желобам перетекают в миксеры. Для поддержания температуры продуктов плавки в сифонах и миксерах используют горелки, работающие на газообразном или жидком углеводородном топливе (природный газ, пропан-бутан, мазут и пр.). В конструкции миксеров печей Ванюкова Балхашского горно-металлургического комбината вместо горелок используется электроподогрев с помощью графитированных электродов (площадь пода одного миксера - 50,5 , мощность трансформатора - 9 МВт).

Технология плавки сульфидных концентратов в печах Ванюкова имеет следующие достоинства:

- высокая удельная производительность печи;

- возможность использования дутья с высокой концентрацией кислорода (до 95%);

- достижение состояния, близкого к равновесию между шлаком и штейном, что обеспечивает высокое извлечение ценных компонентов;

- непрерывность процесса и поддержание постоянного уровня в печи шлака и штейна за счет использования сифонов.

Печь Ванюкова может быть размещена в действующих производственных помещениях, так как занимает небольшую площадь и не требует значительной высоты здания.

Процесс Ванюкова постоянно улучшается, как в направлении повышения технико-экономических показателей, так и в плане совершенствования конструкции металлургических агрегатов. Наиболее важным шагом в совершенствовании плавки Ванюкова в последние годы является разработка двухзонных печей Ванюкова, конструктивные разновидности которой разработаны в институтах МИСиС ([37], [38]) и "Гипроникель" ([39]) - ([41]).

В 2004 - 2008 гг на комбинате "Южуралникель" ОАО "Стальная группа Мечел" была опробована промышленная двухзонная печь Ванюкова (площадь пода 26 ) для плавки окисленных никелевых руд с получением штейна ([37], [38]). Положительный итог освоения новой технологии, проводившегося под научным руководством профессора МИСиС В.П. Быстрова, был окончательно подтвержден тестовыми испытаниями в 2008 году ([38]), показавшими преимущества данной технологии по сравнению с существующей на комбинате шахтной плавкой. Важным положительным моментом этих испытаний является также то, что в промышленном масштабе была показана возможность успешного использования печи Ванюкова для плавки окисленного сырья, что открывает перед этим процессом новые перспективы.

На комбинате "Североникель" ОАО "ГМК "Норильский Никель" в 2005 году была построена и в течение 2005 - 2006 гг эксплуатировалась опытно-промышленная двухзонная печь Ванюкова площадью пода 11,4  и производительностью до 15 т/час по перерабатываемому сырью. Проект выполнен ООО "Институт Гипроникель". В процессе испытаний были успешно отработаны следующие технологии:

- переработка богатой сульфидной медной руды рудника "Октябрьский" Норильского комбината ОАО "ГМК "Норильский никель" (% масс.: Cu - 17,1; Ni - 3,1; Co - 0,079; Fe - 34,0; S - 26,5; - 8,5) с получением богатых штейнов и отвальных шлаков ([39]);

- переработка никелевого сульфидного рудного концентрата ОАО "Кольская ГМК" (% масс.: Ni - 8,3; Cu - 4,6; Co - 0,25; Fe - 30,3; S - 20,5; - 15,4; CaO - 1,6; - 1,3; MgO - 10,0) с получением богатых штейнов и отвальных шлаков ([41]);

- переработка медного никельсодержащего концентрата от разделения файнштейна комбината "Североникель" ОАО "Кольская ГМК" (% масс.: Cu - 67,5; Ni - 3,8; Co - 0,24; Fe - 4,5; S - 21,2) с получением черновой меди и жидкотекучих никелевых шлаков ([40]).

На основании выполненных опытно-промышленных испытаний для промышленной реализации процесса переработки сульфидных концентратов с получением богатых штейнов и отвальных шлаков предложена двухзонная печь, схематически изображенная на рисунок 6.2.

Рисунок 6.2 - Схематическое изображение двухзонной промышленной печи Ванюкова

Конструктивно двухзонная печь для плавки медных и медно-никелевых руд и концентратов состоит из окислительной зоны, восстановительной зоны и совмещенного сифона, предназначенного для выпуска как штейна, так и отвального шлака. Рабочие пространства зон печи разделены водоохлаждаемыми перегородками; системы газоудаления - раздельные. Концентрированные по газы окислительной зоны могут быть использованы для производства серной кислоты, элементной серы или жидкого диоксида серы. Газы восстановительной зоны, содержащие CO и , дожигаются кислородно-воздушной смесью через специально установленные в верхнем ряду кессонов фурмы, очищаются от пыли и выбрасываются в атмосферу. Сифон печи оригинальной конструкции предусматривает возможность непрерывного выпуска шлака и штейна.

Процесс переработки сульфидного сырья в двухзонной печи Ванюкова может быть представлен следующим образом. В окислительную зону печи подаются совместно сульфидное сырье, флюс и уголь. Через фурмы подается кислородно-воздушная смесь и газообразное (природный газ, пропан-бутан, генераторный газ) или жидкое (мазут, солярка) топливо. Использование газообразного (жидкого) топлива и/или угля необходимо в случае дефицита тепла, образующегося в результате окисления сульфидов. Шлак окислительной зоны поступает в восстановительную зону печи, где ведется его восстановление газовой смесью, образующейся в результате сжигания газообразного или жидкого топлива в условиях дефицита кислорода, и углем. Образующийся в процессе восстановления металлический сплав смешивается со штейном, полученным в зоне окисления, и выпускается через сифон из печи. Шлак восстановительной зоны также поступает в сифон, откуда происходит его непрерывный слив через порог, расположенный на уровне 2200 мм от пода печи. С обеих сторон сифона расположены миксеры, где накапливаются конечные продукты плавки: штейн и отвальный шлак.

Основные преимущества двухзонных печей Ванюкова:

- возможность увеличения качества штейна по содержанию цветных металлов без роста их потерь со шлаком (как следствие обеднения последнего во второй зоне);

- перевод большего количества серы в концентрированные по газы, снижение затрат на ее утилизацию;

- растворение образующейся при обеднении металлической фазы в штейне окислительной зоны, с сохранением сравнительно невысокой температуры плавления последнего. При проведении обеднения в отдельной печи с получением тугоплавкого металлического сплава необходимо либо поддерживать в ней высокую температуру, либо подавать в нее сульфидизатор и в дальнейшем утилизовать бедные по газы;

- высокая производительность процесса обеднения шлака, что в сочетании с высокой производительностью окислительной плавки сульфидного сырья позволяет размещать два пирометаллургических передела на ограниченной площади.

Перспективность перехода от технологии обеднения шлаков в электропечах переменного тока или электроотстойниках (недостатки такого обеднения хорошо известны) к технологии барботажного обеднения шлаков подтверждается мировыми тенденциями в совершенствовании процесса обеднения шлаковых расплавов. В настоящее время одним из основных направлений в технологии обеднения шлаков является создание процессов, основанных на продувке шлаковых расплавов восстановительными газовыми смесями, образующимися при разложении жидкого или газообразного топлива, или продуктами их сжигания при недостатке кислорода.

В таблице 6.1 представлено сравнение результатов работы опытно-промышленной двухзонной ПВ с технологией плавки обожженных никелевых концентратов с повышенным содержанием MgO в рудно-термических печах.

Таблица 6.1 - Распределение цветных металлов в рудно-термической печи в сравнении с двухзонной печью Ванюкова

Технологический процесс	Тип печи	Содержание в штейне/шлаке, %			Сумма ЦМ в штейне, %
		Cu	Ni	Co	(Cu+Ni+Co)
Переработка никелевых концентратов	Рудно-термическая плавка	10,5/0,10	18,9/0,18	0,74/0,09	30,0
	Двухзонная ПВ	25,5/0,28	42,3/0,20	0,87/0,07	69,0

Видно, что при переработке никелевого сырья качество штейна увеличилось более чем в 2 раза; при этом заметное увеличение концентрации в отвальном шлаке наблюдается только для меди. Для никеля содержание осталось на том же уровне, а для кобальта наблюдается даже снижение потерь.

Таким образом, двузонная печь Ванюкова является не механическим сочетанием двух металлургических агрегатов, а единым технологическим комплексом, имеющим общую штейновую (металлическую ванну). Оригинальная конструкция печи, создающая крайне ограниченное взаимодействие между конечным продуктом плавки и обедненным шлаком, позволяет добиться высокого извлечения цветных и драгоценных металлов.

6.2 Усовершенствование технологии гидрометаллургического обогащения бедного никель-пирротинового концентрата

В мировой практике все медно-никелевые рудные концентраты, содержащие платиновые металлы, за исключением гидрометаллургического производства Надеждинского металлургического завода (ГМП НМЗ) ЗФ ПАО "ГМК "Норильский никель", перерабатываются по классической пирометаллургической технологии. Переработка рудных пентландит-пирротиновых концентратов в Норильске по автоклавной технологии связана с выделением на стадии обогащения относительно бедного продукта, переработка которого по пирометаллургической технологии не оправдана.

Используемая в настоящее время в ГМП НМЗ технология гидрометаллургического обогащения имеет потенциал для развития.

Применяемые для окисления пульпы пирротинового концентрата условия, с одной стороны, обеспечивают решение поставленной задачи - получение пригодного для пирометаллургической переработки сульфидного медно-никелевого концентрата, с другой - не позволяют снизить высокие потери с отвальными хвостами цветных и в особенности драгоценных металлов, что негативно сказывается на ее рентабельности. Этот факт, а также отсутствие в мире других подобных производств связаны с тем, что до настоящего момента не было готовых к промышленной реализации гидрометаллургических технологий, обеспечивающих низкие потери платиновых металлов, соизмеримые с достигаемыми на действующих пирометаллургических предприятиях.

Высокие потери ценных компонентов в действующей технологии гидрометаллургического обогащения во многом обусловлены свойствами формирующихся при автоклавном выщелачивании гидратных форм железа, обладающих развитой поверхностью и, соответственно, высокой сорбционной способностью по отношению к драгоценным металлам. Кроме того, оксиды железа формируют пленки на поверхности недоразложенных на АОВ сульфидов, что препятствует полноте их извлечения на стадии серо-сульфидной флотации. Еще одной причиной потерь ценных компонентов является использование в действующей технологии ПАВ - ЛСТ, что неизбежно при ведении процесса в режиме ВТВ. Отказ от использования ПАВ при АОВ возможен только в случае перехода на режим окисления при температурах ниже точки плавления серы (НТВ), но при этом необходимо изменить и другие параметры таким образом, чтобы не происходило снижение производительности оборудования.

С учетом всех этих обстоятельств в ООО "Институт Гипроникель" разрабатываются технологические приемы, позволяющие многократно снизить потери ценных компонентов, в том числе и платиновых металлов, при гидрометаллургической переработке никель-пирротинового сырья. В основе предложенных решений лежит создание условий, обеспечивающих формирование на стадии автоклавного окислительного выщелачивания крупнокристаллических частиц окисленных железистых фаз с пониженной по отношению к цветным и драгоценным металлам сорбционной способностью, например натроярозита (пат. RU N 2573306).

Результаты проведенных экспериментов, обзор научно-технической литературы и анализ действующей технологии гидрометаллургического обогащения показал, что разработанные ООО "Институт Гипроникель" технические решения весьма конкурентоспособны по сравнению как с действующим производством, так и с ближайшим аналогом - Activox-процессом (таблица 6.2). Более того, они показали свою эффективность для переработки концентратов широкого диапазона составов - от бедных по цветным и благородным металлам до весьма богатых (таблица 6.3).

Таблица 6.2 - Сравнение показателей действующей технологической схемы, Activox-процесса и перспективной технологии

Технология	Извлечение в концентрат флотации, %
	Ni	Cu	МПГ
Действующая	94	91	52
Activox	94	87	72
Перспективная	98	93	93

Таблица 6.3 - Показатели извлечения цветных и драгоценных металлов по перспективной технологии

Состав сырья				Извлечение в концентрат флотации, %
Ni, %	Cu, %	МПГ, г/т	Pt+Pd+Rh, г/т	Ni	Cu	МПГ	Pt+Pd+Rh
0,7	0,05	2,1	1,8	98,2	68,3	82,3	86,3
1,1	0,20	4,0	3,8	98,2	94,2	88,5	92,5
1,3	0,20	4,3	4,1	98,2	93,2	93,2	95,7
8,7	0,40	26,5	26,2	99,2	93,0	94,2	94,5
3,4	7,40	33,7	33,3	97,7	98,8	95,3	96,1
3,9	2,80	38,2	37,8	94,9	96,9	96,9	97,2

При этом в зависимости от состава поступающего в переработку сырья возможна различная организация схемы переработки растворов автоклавного выщелачивания (рисунок 6.3). В обоих случаях обеспечиваются высокие показатели извлечения всех ценных компонентов.

Рисунок 6.3 - Варианты организации технологических схем для богатого (а) и бедного (б) сырья

Проведение промышленных испытаний новой технологии планируется на 2017 год.

6.3 Производство никеля электроэкстракцией и рафинированием ПНТП

На сегодняшний день в мировой практике получения товарного катодного никеля повсеместно используется процесс электроэкстракции из сульфатных или хлоридных растворов.

По сравнению с электрорафинированием черновых металлических или сульфидных анодов процесс получения никеля методом электроэкстракции имеет следующие преимущества:

- ликвидация затрат на производство промежуточных продуктов, а именно черновых анодов;

- ликвидация определяющихся наличием анодного скрапа оборотов;

- существенное упрощение обслуживания электролизных ванн (обработка анодов и скрапа, чистка ванн с выделением и переработкой шлама);

- возможности более полной механизации и внедрения дополнительных, более совершенных систем контроля процессов рафинирования;

- возможности использования более современного основного оборудования;

- существенное сокращение незавершенного производства (срок растворения черновых анодов составляет приблизительно 30 суток, кроме того оно увеличивается за счет наличия оборотного скрапа).

В отечественной практике получения катодного никеля по состоянию на сегодняшний день электроэкстракция имеет ограниченное применение, а хлорное растворение выступает как вспомогательный процесс для восполнения дефицита никеля и переработки оборотных полупродуктов. Однако в ближайшее время планируется полный перевод схемы производства катодного никеля на электроэкстракцию.

Перспективная технологическая схема включает в себя:

- последовательный окислительный и восстановительный обжиг никелевого концентрата флотации файнштейна с получением порошка никелевого трубчатых печей (ПНТП);

- хлорное выщелачивание ПНТП;

- грубую медеочистку раствора;

- экстракционную цинкоочистку;

- гидролитическую железоочистку;

- тонкую медеочистку;

- двухстадиальную гидролитическую кобальтоочистку.

Очищенный богатый никелевый раствор разбавляется оборотным дехлорированным анолитом ванн электроэкстракции, объединяется с переливом католита из ванн электроэкстракции и в качестве католита питания направляется в напорные баки электролизного отделения для дальнейшей подачи в ванны электроэкстракции.

Первичные железистый и кобальтовый кеки подвергаются дальнейшей переработке с получением отвального железистого кека и катодного кобальта соответственно. Остаток хлорного растворения направляется на извлечение драгоценных металлов.

Принятая для развития рафинировочных мощностей ПАО "ГМК Норильский никель" концепция постепенного перехода от способа рафинирования черновых анодов к способу рафинирования ПНТП с использованием хлоридных сред решение обеспечивает постепенных переход к новой технологии с минимальными капитальными затратами и без остановки основного производства. Это объясняется близостью существующих и требуемых операций очистки никелевых растворов и возможностью использования действующего оборудования, включая основное оборудование очистных отделений и существующих электролизных ванн.

Дополнительный бонус может быть получен при организации обособленной переработки хлорным выщелачиванием магнитной фракции от разделения файнштейна. Тогда эта коллектирующая в себя основную массу драгоценных металлов фракция перерабатывается хлорным выщелачиванием, минуя операции окислительного и восстановительного обжига. Кроме того, богатый драгоценными металлами остаток ее выщелачивания может быть переработан до концентратов драгоценных металлов по короткой цепочке. Тем самым сокращаются передельные затраты и общие потери драгоценных металлов.

Дополнительное использование экзотермических реакций хлорирования исходного сырья для подупарки растворов непосредственно на операции хлорирования открывает принципиальную возможность безреагентной экстракционной очистки от кобальта, которая становится целесообразной после разработки эффективного не гидролитического способа очистки никелевого раствора от свинца и марганца. Внедрение экстракционной очистки от кобальта позволит существенно сократить расход основного реагента - соды, одновременно значительно упростить новое кобальтовое производство, ликвидируя в нем основные головные переделы, и пропорционально сокращению расхода соды сократить количество направляемых на утилизацию солевых стоков.

Перечисленные мероприятия и потенциальные пути дальнейшего усовершенствования технологии иллюстрируют преимущества предлагаемого способа рафинирования никеля.

6.4 Производство никеля электроэкстракцией растворов выщелачивания никелевого концентрата от разделения файнштейна

Дальнейшим развитием технологии производства никеля электроэкстракцией из растворов от выщелачивания промпродуктов переработки медно-никелевого файнштейна российских предприятий является переход от рафинирования ПНТП (см. 6.3) к рафинированию никелевого концентрата флотации файнштейна. В этом случае дополнительно ликвидируются связанные с потерями затратные и экологически не совершенные переделы окислительного и восстановительного обжига. Присутствующая в никелевом концентрате сера не отгоняется в газовую фазу, а практически полностью сохраняется в остатке выщелачивания, переходя в элементарную.

Упрощенно процесс переработки никелевого концентрата методом хлорного выщелачивания можно представить состоящим из трех блоков: блока выщелачивания и медеочистки, блока получения продукционного никелевого раствора и блока электроэкстракции.

В свою очередь, блок выщелачивания и медеочистки состоит из трех стадий. На первой стадии проводят хлорное выщелачивание НК и оборотного медного кека, на второй стадии - очистку никелевого раствора от меди никелевым концентратом с получением оборотного медного кека, на третьей стадии - выведение меди в виде сульфидного медного продукта из технологической схемы для сохранения баланса по меди.

В результате процесса хлорного выщелачивания цветные металлы и железо переходят в раствор, а в твердой фазе, содержащей до 85% - 90% элементной серы, концентрируются платиновые металлы. Пульпу после хлорного выщелачивания фильтруют, никелевый раствор направляют на выделение медного продукта из технологической схемы и на стадию медеочистки. Влажный кек после отмывки от хлор-иона направляют на получение концентрата платиновых металлов.

На стадии медеочистки раствора происходит гидротермальное осаждение меди никелевыми сульфидами и присутствующим в никелевом концентрате металлическим никелем.

Пульпу медеочистки фильтруют, никелевый раствор подают на контрольную фильтрацию, после чего его направляют на железоочистку. Влажный кек - на стадию приготовления пульпы ХВ.

Выделение меди из технологической схемы может быть организовано различными способами с получением металлизированного либо сульфидного медистого полупродукта.

Очистка никелевого раствора от примесей может быть также организована различно. Кроме очистки от меди, она включает в себя стадии гидролитической железо-очистки, экстракционную либо гидролитическую кобальтоочистку. В варианте сохранения гидролитической кобальтоочистки очистка от свинца и марганца сохраняется в кобальтовом производстве. Условия безреагентной экстракционной кобальтоочистки и ее преимущества описаны в 6.2.

Очищенный раствор поступает в электролизеры в качестве католита для производства товарного никеля.

По сравнению с процессом рафинирования ПНТП переработка никелевого концентрата флотации файнштейна сопряжена с рядом трудностей, главными из которых являются организация рациональной многостадийной очистки и необходимость переработки остатка хлорного выщелачивания на основе элементарной серы с получением концентрата драгметаллов.

Организация производства, аналогичного получению серы при переработке никель-пирротинового концентрата, в данном случае представляется не самым лучшим решением ввиду громоздкости, создающей предпосылки к повышенным потерям платиновых металлов. В то время как фильтрация расплавленной серы представляется весьма перспективной и интересной. В настоящее время проводятся исследования по выбору наиболее эффективного варианта удаления серы из остатков хлорного выщелачивания сульфидных полупродуктов.

В варианте рафинирования никелевого концентрата, также как в варианте рафинирования ПНТП, сохраняется актуальность обособленной переработки металлизированной фракции файнштейна. В этом случае дополнительный экономический эффект возникает за счет сокращения количества операций и потерь в ходе переработки остатка выщелачивания металлизированной фракции до концентрата драгоценных металлов. Кроме того, в этом варианте остаток выщелачивания бедного драгоценными металлами никелевого концентрата может быть переработан в медном производстве.

6.5 Технология производства карбонильного никеля с использованием синтеза среднего давления

За рубежом синтез ТКН реализуют при атмосферном и среднем давлении. В отечественной металлургии карбонилирование осуществляют в колоннах высокого давления, карбонильное производство России не превышает 5600 т/год.

В таблице 6.4 проведено сравнение эффективности работы промышленных реакторов синтеза. На мировом рынке карбонильного никеля доминирующее положение занимает компания VALE, выпускающая до 104 000 т/год продукции, из них 54 400 т/год - по технологии синтеза среднего давления (Коппер-Клифф, Канада). Синтез ТКН осуществляется на трех горизонтально-вращающихся реакторах. Реакторы рассчитаны на рабочее давление 70,2 ати и температуру 175°С. Диаметр реактора - 3,65 м, длина - 20,4 м. Реакторы работают в периодическом режиме: 28 ч синтез, 14 ч перезагрузка. Общее время одной операции - 42 ч. Выбранный режим обеспечивает равномерное потребление оксида углерода, так как в работе постоянно находятся два реактора, а третий перезагружается. Реакторы изготовлены из углеродистой стали, толщина стенки - 127 мм. Внутренний объем реакторов разделен на две камеры. В первой камере длиной 13,4 м происходит непосредственно карбонилирование сырья. Камера охлаждается водой. Вторая камера длиной 7 м, по-видимому, является пылеулавливающим устройством с установленными фильтрами.

Исходным сырьем для карбонилирования является материал, в основе которого находится магнитная фракция файнштейна, шихтуемая шламами электролиза и платиносодержащей вторичкой. Материал подвергается плавке в вертикальных конверторах с последующей грануляцией расплава. Гранулированный материал имеет состав %, мас.: Ni - 72,0; Cu - 18,0; Fe - 3,0; Co - 1,0; S - 5,0; С - <0,1; остальное примеси. Насыпная плотность исходного сырья - 4,0 . На одну операцию в каждый из реакторов загружается примерно 136 т сырья. Общий вес реактора с загрузкой - 500 т.

Твердые остатки синтеза обезвреживаются смесью азота и кислорода. Содержание кислорода в газовой смеси составляет 8 - 10%, об. Химический состав остатков синтеза %, мас.: Ni - 7,0; Cu - 59,0; Fe - 8,0; Co - 4,0; S - 17,0. Извлечение никеля составляет не менее 95%, железа - не более 30%, Сo - не свыше 1%. Остатки синтеза поступают на дальнейшую переработку.

Таблица 6.4 - Сравнение эффективности работы промышленных реакторов синтеза в мировом производстве карбонила никеля и железа

Страна	Производительность синтеза (т/год)	Параметры синтеза		Состав исходного сырья, % мас.					Скорость циркуляции СО,	Извлечение, %			Продолжительность синтеза (час)	Количество и тип реакторов
		Давление (ати)	Температура (°С)	Ni	Fe	Co	Cu	S		Ni	Fe	Co
Синтез ТКН атмосферного давления
Англия	50 000	1	50	95	0,6	1,2	3,1	0,5 (+2)	16	92	-	-	96	2 шт. горизонтально-вращающихся реакторов
Китай	1 500	1	50	93	1,2	2,0	3,5	0,2 (+2,5)	нет данных				120	количество - нет данных горизонтально-вращающийся
Синтез ТКН среднего давления
Канада	54 400	70	180	72	3	1	18	5	77	96	30	1	28	3 шт. горизонтально-вращающихся реактора
Синтез ТКН высокого давления
Россия	5 500	200	200	85	3,7	2,2	5,1	2,5	250	96	75	1	72	12 шт. стационарных колонн
Синтез ПКЖ среднего давления
Германия	25 000	75	190	-	93	нет данных							58	количество - нет данных горизонтально-вращающийся
Синтез П КЖ высокого давления
Россия	3 000	150	200	-	95	-	-	-	450	-	70	-	96	4 шт. стационарные колонны

Высокая производительность процесса синтеза ТКН достигается при использовании горизонтально-вращающихся реакторов. Причина, обуславливающая резкий рост скорости реакции синтеза во вращающихся реакторах по сравнению с карбонилированием в стационарных колоннах, заключается в организации эффективного отвода тепла реакции из движущегося слоя карбонилируемого сырья.

При этом избыток тепла в горизонтально-вращающихся реакторах утилизируется встроенными холодильниками, что намного эффективнее снятия тепла циркулирующим потоком моноксида# углерода, как это осуществляется в колоннах высокого давления. Увеличение скорости циркуляции оксида углерода в синтезе высокого давления до 250 по сравнению со скоростью циркуляции в синтезе среднего давления 77 не приводит к сокращению времени карбонилирования.

Продолжительность процесса при высоком давлении составляет 72 ч, что в 2,5 раза больше, чем при среднем. При этом условия карбонилирования при 250 ати более "жесткие", чем при 70 ати. Таким образом, для организации высокопроизводительного синтеза ТКН необходимо обеспечить интенсивный отвод тепла из зоны реакции. При движении и интенсивном перемешивании загруженного сырья во вращающихся реакторах коэффициент теплопередачи от встроенных холодильников значительно выше теплосъема циркулирующим газом через неподвижный слой материала. Съем тепла обеспечивает выигрыш в скорости синтеза в движущемся слое материала. В неподвижном слое карбонилируемого материала требуемый отвод тепла достигается при значительно более высоких скоростях циркуляции моноксида# углерода, с чем связаны дополнительные энергетические затраты и значительные технические трудности в продувке больших газовых потоков.

В существующем в России карбонил-процессе высокого давления наиболее дорогостоящим и энергоемким переделом является синтез карбонила никеля. Анализ результатов промышленной эксплуатации карбонил-процесса показывает, что производство с использованием синтеза высокого давления не эффективно. Основными причинами, ограничивающими производительность синтеза высокого давления, являются:

- низкие скорости карбонилирования, обусловленные недостаточным отводом тепла реакции в колоннах синтеза;

- несовершенство операции по загрузке и разгрузке реакционных колонн;

- высокая стоимость оборудования на давление 150 ;

- большие энергетические затраты на компримирование реакционного газа;

- значительные капиталовложения, в том числе на соблюдение экологической безопасности.

Одним из перспективных направлений увеличения производительности карбонил-процесса является переход на синтез карбонила никеля при средних давлениях реакционного газа до 70 с использованием горизонтально-вращающихся реакторов. Такой переход позволит повысить производительность отделения синтеза на существующих промышленных площадях в результате:

- использования принципиально новой конструкции реактора синтеза, обеспечивающего высокую скорость извлечения никеля за счет утилизации тепла реакции, быструю загрузку исходного сырья и выгрузку твердых остатков синтеза;

- увеличения избирательности процесса карбонилирования при снижении давления и сохранения железа в твердых остатках синтеза на 50% - 70%, кобальта - 98% - 99%.