Раздел 2. Основные технологические процессы и оборудование, применяемые в настоящее время при производстве никеля и кобальта в Российской Федерации. Текущие уровни эмиссий

Ниже рассмотрены основные применяемые в настоящее время при производстве никеля и кобальта процессы и оборудование, а также текущие уровни эмиссий. Следует принимать во внимание, что уровни эмиссий определяются не только применяемым оборудованием, но и составом сырья. Так, при переработке на Кольской ГМК и в Заполярном филиале ГМК "Норильский никель" сырья с различным содержанием серы, никеля, свинца и т.п. содержание этих элементов в отходящих газах и пыли, а также валовый выброс будут существенно различны.

2.1. Технологии производства никеля из сульфидных медно-никелевых концентратов⁶

2.1.1. Головные переделы

2.1.1.1. Технология гидрометаллургического обогащения бедного никель-пирротинового концентрата

Гидрометаллургическое обогащение никель-пирротинового концентрата является уникальным в своем роде процессом и преследует цель повышения содержания цветных металлов за счет окисления основной части пирротина и отделения невскрывшихся и вторичных сульфидов цветных металлов от сформировавшегося при автоклавном окислительном выщелачивании (АОВ) железистого гидратного осадка и элементарной серы.

Процесс реализуется в условиях высокотемпературного автоклавного (130-150 °С) выщелачивания (ВТВ) при использовании кислородовоздушной смеси (80 % O₂) в качестве окислителя и лигносульфоната технического (ЛСТ) в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ), препятствующего пассивации поверхности сульфидов пленкой элементарной серы. Реализация процесса при температуре выше точки плавления серы обеспечивает не только высокую скорость окисления, но и существенно снижает скорость образования серосульфидных настылей на поверхности теплообменников.

ВТВ осуществляется с обязательной добавкой ПАВ, препятствующих смачиванию расплавленной серой поверхности сульфидов. Недостаток ПАВ приводит к образованию серосульфидных гранул - "песков", нарушающих ход технологического процесса, или плавов - "козлов", полностью останавливающих процесс, избыток - к повышению потерь ценных компонентов с отвальными хвостами.

Химизм процесса окисления пирротина при выщелачивании описывается реакцией, по которой порядка 80 % серы пирротина переходит в элементарную форму. Перешедшее в раствор в процессе окисления сульфидов железо далее подвергается окислению и гидролизу с формированием твердой железоокисной фазы.

Учитывая последовательно-параллельное протекание реакций окисления сульфидов цветных металлов и пирротина, для обеспечения глубокого окисления последнего необходимо частично вскрыть также пентландит и халькопирит. В результате этого в раствор переходит порядка 75 % никеля, 50 % меди, 70 % кобальта.

Учитывая конечную цель процесса гидрометаллургического обогащения бедного никель-пирротинового концентрата - получение пригодного для дальнейшей переработки пирометаллургическими методами сульфидного концентрата цветных металлов, из растворов автоклавного выщелачивания производится осаждение частично растворившихся цветных металлов.

В качестве осадителя используются металлизированные железистые окатыши и присутствующая в пульпе элементарная сера. Осажденные на этой операции вторичные сульфиды меди, никеля и кобальта, а также не вскрытые на головном выщелачивании первичные сульфиды цветных металлов вместе с элементарной серой извлекаются в серосульфидный концентрат методом флотации.

Учитывая флотационные свойства компонентов пульпы и задачи процесса, флотацию ведут в кислой среде при использовании в качестве собирателя бутилового ксантогената. Промпродукты флотации являются оборотными и возвращаются на основную флотацию, концентрат направляется на получение элементарной серы и товарного сульфидного концентрата, хвосты после двухстадийной нейтрализации в присутствии воздуха - в отвал.

Процесс получения элементарной серы и товарного сульфидного концентрата из серосульфидного концентрата состоит из нескольких основных технологических операций: дезинтеграции, серной флотации и автоклавной выплавки серы.

Целью дезинтеграции - высокотемпературной обработки серосульфидного концентрата - является разрушение сростков сульфидов цветных металлов и железа с элементной серой. При этом происходит выделение серы и сульфидов из их мелкодисперсных конгломератов в самостоятельные частицы и агрегации - укрупнение капель выделенной серы до размеров, обеспечивающих оптимальные показатели последующих операций. Введение технической извести в серосодержащую пульпу приводит к развитию процессов образования различных серосодержащих соединений кальция, в том числе сульфида и гидросульфида, подавляющих процесс смачивания сульфидов расплавленной серой.

Полученную пульпу вместе с хвостами серной плавки направляют на серную флотацию, концентрат которой - на автоклавную выплавку серы, а хвосты, являющиеся товарным концентратом ЦМ - в пирометаллургическое производство.

Хвосты плавки передаются на серную флотацию, расплавленная сера - в аппараты отстойники, где происходит окончательное отделение зольной составляющей (сульфидов). Зола вместе с частью серы гранулируется и передается на серную плавку, чистая сера - на склад готовой продукции.

Основное технологическое оборудование, используемое в технологической схеме переработки никель-пирротинового концентрата, представлено в табл. 2.1.

При гидрометаллургическом обогащении никель-пирротинового концентрата в качестве основных технологических материалов и реагентов используются: осадитель металлизированный, лигносульфонат технический, кислородовоздушная смесь, сжатый воздух, пульпа известняка, пульпа извести технической, раствор гидроксида натрия, металлизированные железистые окатыши, моторное топливо регенерированное, бутиловый ксантогенат калия.

Таблица 2.1 - Основное оборудование

N	Наименование оборудования	Назначение оборудования	Технологические характеристики
1	Сгуститель П-50 (Ц-50)	Сгущение пирротинового концентрата	Сгуститель с периферическим (центральным) приводом в кислотостойком исполнении, диаметр - 50 м, глубина чана - 4,5 м, площадь сгущения - 1800 м²
2	Реактор	Приготовление пульпы автоклавного выщелачивания, осаждение ЦМ из раствора автоклавного выщелачивания	Из двухслойной стали (титана), емкость - 80 м³
3	Автоклав	Автоклавное окислительное выщелачивание	Геометрическая емкость без футеровки - 125 м³, рабочее давление - 15 кг/см², с перемешивающими устройствами
4	Сгуститель П-25	Сгущение пульпы серосульфидного концентрата, сгущение пульпы серного концентрата	Сгуститель с периферическим приводом в кислотостойком исполнении, диаметр - 25 м, площадь сгущения - 500 м², глубина чана - 3,6 м
5	Механическая флотомашина ФМР - 63К, 8-камерная	Серосульфидная флотация	Объем камеры - 6,3 м³, производительность по потоку пульпы - до 12 м³/мин.
6	Механическая флотомашина ФМР - 63К, 12-камерная	Серная флотация	Объем камеры - 6,3 м³, производительность по потоку пульпы - до 12 м³/мин.
7	Пачук для нейтрализации	Нейтрализация хвостов серосульфидной флотации	Объем - 225 м³, из стали Х18Н10Т
8	Смеситель-подогреватель	Нагрев пульпы серосульфидного концентрата	Емкость - 40 м³, из стали Х18Н10Т, с перемешивающими устройствами
9	Автоклав дезинтеграции	Дезинтеграция пульпы серосульфидного концентрата	Емкость - 50 м³, из титана ВТ1-0, рабочее давление - 5 кг/см², с перемешивающим устройством
10	Реактор-охладитель	Отстаивание расплавленной серы	Емкость - 80 м³, из титана ВТ1-0, с перемешивающим устройством
11	Реактор-подогреватель	Нагрев пульпы серного концентрата	Емкость - 50 м³, из титана ВТ1-0, рабочее давление - 5 кг/см², с перемешивающим устройством
12	Автоклав сероплавильный	Выплавка серы	Емкость - 32 м³, из титана ВТ1-0, рабочее давление - 5 кг/см², с перемешивающим устройством

Основными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу являются отходящие газы автоклавов окислительного выщелачивания и аппаратов участка выплавки элементарной серы (табл. 2.2).

Таблица 2.2 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Источники выбросов	Выбрасываемые вредные вещества	Метод очистки, повторного использования	Валовый выброс, г/т Ni-сульфидного концентрата
Автоклавы окислительного выщелачивания, пачуки нейтрализации	Ni, Cu, Co, Fe и их соединения, серная кислота	Улавливание брызг в каплеотбойниках	4,4
Смесители, подогреватели, самоиспарители, дезинтеграторы, автоклавы	H₂S	Очистка в газопромывателе типа "труба Вентури", улавливание брызг в каплеотбойниках	4280

Пульпа нейтрализованных отвальных хвостов, являющаяся отходом производства, откачивается на складирование в хвостохранилище по пульпопроводу. Осветленная вода (слив хвостохранилища) возвращается в цех для повторного использования в технологии (табл. 2.3).

Таблица 2.3 - Отходы производства и потребления

Наименование	Объем или масса образующихся отходов, т/т Ni	Метод очистки, повторного использования	Объем или масса размещенных отходов, т/т Ni
Нейтрализованные хвосты серосульфидной флотации (твердая часть пульпы)	70-75	-	70-75

2.1.1.2. Технологии производства штейна

Технология получения штейна в рудно-термической печи РТП

В настоящее время сульфидный медно-никелевый концентрат подвергают брикетированию и направляют на электроплавку без обжига.

Схема переработки пульпы концентрата на стадии приготовления брикетов включает в себя следующие основные этапы:

- первичное обезвоживание пульпы на пресс-фильтрах;

- смешивание концентрата со связующим (жидкий лигносульфонат);

- сушка смеси в сушильном барабане;

- повторное введение в подсушенную шихту лигносульфоната;

- брикетирование шихты на валковом брикет-прессе.

Перечень основного технологического оборудования участка брикетирования приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.4 - Основное оборудование передела брикетирования концентрата

N пп	Наименование оборудования	Назначение оборудования	Технологические характеристики
1.	Контактные чаны	Приемка концентрата	Емкость - 50 м³
2.	Ленточные сита	Удаление инородных тел	Площадь фильтрации - 0,825 м², полимерный материал
3.	Фильтр-пресс	Первичное обезвоживание концентрата	Площадь фильтрации - 96 м², количество фильтрующих плит - 16 шт., фильтровальная ткань - полипропилен, потребляемая мощность - 90 кВт, давление: подача пульпы - 0,2-1,0 МПа, прессование 0,5-1,6 МПа, сушка - 0,4-1,2 МПа, вода для промывки ткани - 1,0-1,4 МПа
4.	Приемные бункера	Приемка первично обезвоженного концентрата	Емкость - 50 т
5.	Двойной ленточный конвейер	Транспортировка первично обезвоженного концентрата
6.	Смеситель интенсивного действия	Формирование шихты из Cu-Ni концентрата и ЛСТ заданной консистенции	Полезный объем - 1,5 м³, длина - 3 м, диаметр - 1,1 м, число оборотов мешалки - 107, число оборотов завихрителя - 1500.
7.	Барабанная сушилка	Предварительная сушка концентрата	Диаметр - 3 м, длина - 25 м, температура: материала при загрузке - 10-20 °С, продукта на выходе - 70-90 °С, отходящих газов - 190 °С
8.	Рукавный фильтр	Очистка газов сушильного барабана	Площадь фильтрации - 1642 м², рабочий объемный расход газа - 100000 м³/час, максимальная температура газов - 250 °С, расход воздуха на регенерацию - 100 м³/час, материал рукавов PTFE,
9.	Приемный бункер сухого материала	Приемка сухого материала
10.	Ковшовый элеватор	Подъем материала в смеситель
11.	Шнековый смеситель	Усреднение материала и смешение с ЛСТ	Число оборотов шнека 15-40 мин.^-1
12.	Валковый брикет-пресс	Брикетирование материала
13.	Система конвейеров	Транспортировка брикетов на склад готовой продукции

Со склада готовой продукции готовые брикеты железнодорожным или автомобильным транспортом транспортируются на склад привозного сырья участка подготовки сырья и шихты (УПСиШ), где шихтуется со флюсом и восстановителем и транспортером по тракту подачи шихты подаются в расходные бункера РТП.

Основным сырьем для электроплавки является шихта, состоящая из: сульфидной медно-никелевой руды, брикетов, собственных и привозных оборотных никельсодержащих оборотов, флюса (песка), углеродистого восстановителя.

Физико-химические превращения шихтовых материалов и образование продуктов плавки происходит в основном в ванне печи на поверхности шихты, погруженной в шлак.

При нагреве шихты до 1000 °С в ней протекают процессы термического разложения сложных сульфидов, сульфатов, карбонатов и гидратов, а также процессы взаимодействия между различными химическими соединениями, наиболее важными из которых являются реакции между сульфидами и окислами. При повышении температуры шихты до 1000-1300 °С эти процессы получают активное развитие.

Сульфиды никеля, меди, кобальта, железа расплавляются, частично разлагаются (общая десульфуризация при электроплавке составляет около 20-35 %) и, взаимно растворяясь, образуют основной продукт электроплавки - штейн, в котором также растворяются драгоценные металлы и магнетит.

Полученный штейн (% масс.: никель - 7-17, медь - 3-12, кобальт - 0.6-0.8, железо - 38-50, сера - 25-27; излечение никеля в штейн составляет - 97-98 %, меди - 95-97 %, кобальта 77-85 %) в жидком виде направляется на конвертирование.

Окисленное железо и другие основные оксиды, вступая во взаимодействие с SiO₂, образуют силикаты типа mMeO x nSiO₂, которые, смешиваясь в расплавленном состоянии, образуют другой продукт электроплавки - шлак. Выход шлаков при электроплавке составляет 85-110 % от общей массы загруженной шихты. Основу шлаков электроплавки (97-98 %) составляют кремнезем (SiO₂), закись железа (FeO), окись магния (MgO), глинозем (AL₂O₃) и окись кальция (СаО). Содержание SiO₂ в шлаке - 37-42 %, Ni не более 0,25 %, Co не более 0,1 %.

Газы, отходящие из печного пространства при температуре 500-600 °С, состоят из азота (N₂), кислорода (О₂), сернистого газа (SO₂), углекислого газа (СО₂) и паров воды (Н₂О), эвакуируются через систему газоходов и подаются в пылевую камеру, а затем - в трубу. Улавливаемая в пылевой камере и газоходах металлосодержащая пыль выгружается через воронки в автомобиль и перевозится на переработку в закрытый склад СПС.

Основное оборудование процесса плавки сульфидного сырья на штейн показано в табл. 2.5.

Таблица 2.5 - Основное оборудование процесса переработки сульфидного медно-никелевого сырья на штейн в рудно-термической печи

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Технологические характеристики
Рудно-термическая печь	Электроплавка руды, брикетов	Уст. Мощность - 45 МВт, число электродов - 6 шт., площадь пода - 150-160 м², количество штейновых шпуров - 3 шт., количество шлаковых шпуров - 4 шт., два торцевых и четыре боковых футерованных газохода
Рудно-термическая печь	Электроплавка руды, брикетов	Уст. Мощность - 30 МВт, число электродов - 3 шт., площадь пода - 80 м², количество штейновых шпуров - 3 шт., количество шлаковых шпуров - 2 шт., 2 водоохлаждаемых патрубка, соединяющие свод печи с вертикальными футерованными газоходами (штейновым и шлаковым)

Технология получения штейна в печи взвешенной плавки

Технологическая схема получения штейна в печи взвешенной плавки включает в себя (рис. 2.1):

- фильтрацию концентратов на керамических фильтрах;

- сушку концентратов и флюсов в распылительных и барабанных сушилках;

- взвешенную плавку шихты концентратов в двух печах взвешенной плавки;

- пневматическую транспортировку высушенных концентратов;

- охлаждение отходящих газов в котле-утилизаторе с одновременной грубой очисткой от пыли;

- тонкую очистку от пыли в электрофильтрах;

- обеднение шлаков печей взвешенной плавки и конвертеров в электрообеднительных печах;

- грануляцию шлака обеднительных печей и его транспортирование на склад временного хранения.

Печь взвешенной плавки является головным агрегатом в цепи переработки сульфидных концентратов.

Степень обогащения дутья кислородом на печах взвешенной плавки может достигать 70 %, что позволяет вести процесс плавки в автогенном режиме, без применения дополнительного топлива. Дутье предварительно не подогревают. Пылевынос из печей взвешенной плавки составляет не более 5-7 % от веса загружаемой шихты.

Медно-никелевый штейн из ПВП (Ni - 31,3-41,6 %, Cu - 8,95-15,93 %, Co - 0,6-0,85 %, Fe - 29,5-31,8 %, S - 25,3-28,4 %), как и любой штейн, представляет собой сплав сульфидов никеля, меди, железа, кобальта с небольшим содержанием магнетита, которое зависит от содержания цветных металлов. Выпуск штейна осуществляется в ковши через шпуры, расположенные в отстойной зоне печи; штейн передают на никелевое конвертирование для переработки до файнштейна.

Рисунок 2.1 - Аппаратурно-технологическая схема цеха плавки в ПВ

Шлак ПВП представляет собой многокомпонентный сплав оксидов и в значительной степени обогащен цветными металлами (табл. 2.6), в связи с чем подается (в расплавленном состоянии) в обеднительные печи (вместе с конвертерными шлаками).

Таблица 2.6 - Химический состав шлаков ПВП, %

Никель	Медь	Кобальт	Железо	Сера	Диоксид кремния
0,6-0,8	0,24-0,34	0,165-0,205	37,5-41,0	0,55-1,15	32,0-35,0

Основными реакциями, протекающей в реакционной шахте печи, являются реакции диссоциации и окисления сульфидов. Эта реакция экзотермическая, ее тепловой эффект обеспечивает самопроизвольный ход процесса без затрат тепла извне. Не окислившиеся сульфиды формируют штейн.

В отстойнике ПВП проходят основные реакции шлакообразования, обменные реакции и процесс физического разделения расплава на штейновую и шлаковую фазы, связанный с разностью их удельных весов. С учетом высокого содержания ценных компонентов в шлаках их направляют на обеднение.

При обеднении в печи периодически заливают жидкий шлак, производят загрузку твердой шихты: руду, песчаник, антрацит, коксовый орешек, дробленые обороты. Руда используется в качестве извлекающей фазы (сульфидизатора) для процесса штейнообразования, дробленый песчаник - в качестве флюсующего материала, антрацит, коксовый орешек - в качестве восстановителя, дробленые бедные обороты - для регулирования состава штейна ОЭП по содержанию цветных металлов, а также в качестве металлосодержащего сырья.

Перечень основного технологического оборудования участка обезвоживания и складирования концентратов и комплекса печи взвешенной плавки приведен в табл. 2.7. Параметры электропечей, используемых для обеднения шлаков ПВП и шлаков конвертирования, приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.7 - Характеристики основного технологического оборудования обезвоживания и сушки концентратом и комплекса печи взвешенной плавки

	Наименование	Назначение	Технические характеристики
1.	Сгуститель	Сгущение концентратов	С центральным приводом в кислотостойком исполнении, диаметр - 12 м, глубина чана - 3 м
2.	Керамический фильтр СС-60	Фильтрация пульпы концентратов	Площадь фильтрации (1 фильтра) - 60 м², Влажность после фильтрации - до 12 %
3.	Барабанная сушилка концентрата	Сушка концентратов	Диаметр - 3,2 м, длина - 27000 мм, с газовым воздухоподогревателем и системой газоочистки
4.	Смеситель "Денвер"		В кислотостойком исполнении, с перемешивающим устройством, диаметр - 7,2 м, высота - 7,2 м
5.	Сушилки распылительные "Ниро-Атомайзер"	Сушка концентратов	Диаметр - 14 м, высота - 18 м, с центробежным распылителем и газовым воздухоподогревателем "ПибодиГольмс" с горелкой кольцевого типа
6.	Электрофильтры "Элекс"	Очистка газового потока распылительных сушилок	Двухпольные, производительность по газу - 375000 нм³/час, КПД - 99,8 %
7.	Сушилки барабанные		Диаметр - 2,5 м, длина - 19500 мм, с газовым воздухоподогревателем и системой газоочистки
8.	Печи взвешенной плавки "Оутокумпу"	Плавка концентратов	Площадь зеркала ванны - 264-277 м², с устройствами распыления шихты, и подачи кислородовоздушной смеси с обогащением кислорода до 70 %. Печь оборудована газогорелочными устройствами и выпускными шпурами штейна и шлака
9.	Котел-утилизатор для печи взвешенной плавки	Охлаждение газов ПВП	Производительность по газу до 125000 нм³/час, по утилизационному пару до 100 тонн/час
10.	Электрофильтры "Флект"	Очистка газового потока печи ПВП	Пятипольные, производительность по газу - 65000 нм³/час каждый, КПД - 99,8 %
11.	Обеднительные электропечи "Крупп"	Обеднение шлаков печи ПВП
	Обеднительные электропечи "Outokumpu Technology Ou" - ОЭП-1,3	Обеднение шлаков печи ПВП
12.	Установки грануляции отвального шлака	Грануляция шлака обеднительных печей	Производительность - до 250 т/ч. Тип - водная грануляция. Оборудованы системой замкнутого оборотного водоснабжения

Таблица 2.8 - Основные характеристики обеднительных электропечей НМЗ

N п/п	Наименование параметра	Значение параметра
N п/п	Наименование параметра	ОЭП-1,3	ОЭП-2,4
1.	Мощность трансформатора,	35	30
2.	Площадь зеркала ванны, м²	175	176
3.	Диаметр электрода, мм	1272	1272
4.	Распад электродов, мм	4850	4850
5.	Тип электродов	самоспекающиеся	самоспекающиеся
6.	Охлаждение корпуса	кессонированное	кессонированное

В табл. 2.9 и 2.10 приведены параметры выбросов загрязняющих веществ при производстве штейна в печах РТП и на комплексе ПВП-обеднительные электропечи.

Таблица 2.9 - Содержание загрязняющих веществ в отходящих газах технологий получения штейна (до очистки)

Технология	Содержание, мг/м³
Технология	Пыль неорг. < 20 % SiO₂	Азота диоксид	Никель оксид	Свинец и его неорганические соединения	SO₂
Подготовка сырья	2887,4		44,99
Сушка концентратов	14594,1	85,2	1107,4	1,31	2750,00
Плавка в РТП	403,5	61,5	21,16	4,30	18190,31
Плавка в ПВП и обеднение шлаков	84000	59,0	12500	300	1 028 854

На величину выбросов загрязняющих веществ в технологии производства штейна влияют:

1. Состав сырья. Так, при большем содержании серы и неизменном целевом составе штейна выброс серы будет возрастать; при росте содержания свинца и мышьяка в концентрате растет содержание их в пыли и т.п.

2. Целевой состав штейна. Если при плавке необходимо окислить больше железа и серы, выброс последней с газами возрастает.

3. Особенности конструкции печи, соблюдение требований к шихтоподготовке с учетом конструкции печи. Например, переработка в рудно-термических печах обычной конструкции влажного, мелкодисперсного материала приводит к повышенному пылевыносу.

4. Особенности технологии подготовки сырья к плавке. Интенсивное перемешивание материала при сушке, низкая его остаточная влажность способствуют росту пылевыноса.

Таблица 2.10 - Параметры источников выбросов (ИВ) при получении штейна

Производственный процесс, наименование оборудования	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Диапазон величин - ИВ
Сушка концентрата и шихтовых материалов	Пыль неорг.	кг/т концентрата	448,1
	Азота диоксид	кг/т концентрата	3,60
	Никеля оксид	кг/т концентрата	34,175
	Свинец и его неорг. соед.	кг/т концентрата	0,171
	SO₂	кг/т концентрата	8,767
	Диоксид серы	мг/м³	2750
	Азота диоксид	мг/м³	170,4
	Пыль неорг.	мг/м³	1065,37
	Свинец и его неорг. соед.	мг/м³	365
	Никель оксид	мг/м³	57 620
Плавка концентрата в ПВП	Пыль неорг.	кг/т штейна	263,61
	Азота диоксид	кг/т штейна	0,00471
	Никеля оксид	кг/т штейна	16,568
	Свинец и его неорг. соед.	кг/т штейна	0,307
	SO₂	кг/т штейна	2329,2
	Диоксид серы	мг/м³	1 028 850
	Азота диоксид	мг/м³	59,0
	Пыль неорг.	мг/м³	84 000
	Свинец и его неорг. соед.	мг/м³	300,0
	Никель оксид	мг/м³	12 500
Обеднение шлака в обеднительных электропечах (ОЭП) с получением штейна обеднения и отвального шлака	Пыль неорг.	кг/т штейна	31,14
	Азота диоксид	кг/т штейна	0,17
	Никеля оксид	кг/т штейна	0,144
	Свинец и его неорг. соед.	кг/т штейна	0,035
	SO₂	кг/т штейна	116,3
	Диоксид серы	мг/м³	7660
	Азота диоксид	мг/м³	51,8
	Пыль неорг.	мг/м³	6700
	Свинец и его неорг. соед.	мг/м³	23,9
	Никель оксид	мг/м³	93,7

При переработке сульфидного медно-никелевого сырья в рудно-термических электропечах и на комплексе ПВП-обеднительные печи образуется отвальный шлак (табл. 2.11), который подвергается грануляции. Кроме того, твердые отходы образуются в результате обслуживания и ремонта оборудования - выломки футеровки печей, бой кирпича, бетон, теплоизоляция, металлолом. Гранулированный отвальный шлак НМЗ используется для приготовления закладочных смесей и как материал для дорожного строительства, для отсыпки дамб, насыпей и т.д.

Таблица 2.11 - Шлаки штейновой плавки, направляемые в отвал

Наименование отхода	Средний состав, %	Способ утилизации	Количество, т/т Ni в штейне
Шлак РТП	N - 0,198; Cu - 0,123; Co - 0,091; Fe - 27,71; SiO₂ - 37,4; CaO - 2,3; MgO - 12,5; S - 1,15	В отвал	12
Шлак обеднительных печей	Ni - 0,10; Cu - 0,19; Co - 0,132; Fe - 38,12; SiO₂ - 34,5; CaO - 3,81; MgO - 3,17; S - 0,87	В отвал	15

Технология получения медного штейна в ПВ

Рудный медный концентрат и концентрат от разделения медно-никелевого файнштейна подвергаются плавки на медный штейн в печи Ванюкова.

Процесс Ванюкова представляет собой плавку сульфидного сырья в интенсивно перемешиваемой шлакоштейновой ванне с использованием тепла окислительных реакций. От других способов плавки в расплаве процесс Ванюкова отличается подачей обогащенного кислородом дутья и шихты в шлаковую ванну с небольшим содержанием штейна.

Плавка сульфидных материалов в печи Ванюкова осуществляется в интенсивно перемешиваемом шлаковом расплаве, доля сульфидов в котором достигает 10 %. Подача окислительного дутья осуществляется через боковые фурмы в слой шлакоштейновой эмульсии, что позволяет использовать в наиболее теплонагруженной части агрегата водоохлаждаемые кессоны, которые являются основным конструктивным элементом шахты печи и непосредственно контактируют с расплавом. В нижней части печи, в зоне штейновой ванны, кессонированные элементы (закладные кессоны) используются только внутри огнеупорной кладки. В качестве окислительного дутья используется смесь технологического кислорода и компрессорного воздуха с содержанием кислорода от 60 до 80 %.

Фурменный пояс делит шлаковую ванну на две зоны: надфурменную и подфурменную. В надфурменной, интенсивно перемешиваемой дутьем области происходят, в основном, процессы испарения воды, диссоциации, плавления и окисления шихты, образования продуктов плавки и коалесценции капель штейна. В более спокойной подфурменной области происходит, главным образом, разделение продуктов плавки по плотности на донную штейновую фазу и верхнюю шлаковую.

Штейн и шлак выдаются из печи непрерывно через соответствующие сифоны и по обогреваемым водоохлаждаемым желобам поступают в поворотные миксеры.

2.1.1.3. Технологии производства файнштейна

При конвертировании штейнов в конвертер могут быть загружены штейн, песок, никелевый шлак и другие оборотные холодные материалы. Основными реакциями, протекающими при конвертировании штейнов, являются реакции окисления, обменного взаимодействия, восстановления и шлакообразования (табл. 2.12).

Таблица 2.12 - Характеристика процесса конвертирования

Предприятие	Тип штейна	Тип окислителя
Комбинат "Печенганикель"	Штейн РТП	Воздух
ЗФ ПАО "ГМК "Норильский Никель"	Штейн ПВП, штейна обеднительных электропечей	Воздух, при недостатке тепла - кислород

При конвертировании штейнов выделяют следующие технологические операции:

- зарядка конвертера;

- период набора массы;

- "варка" файнштейна;

- разливка и охлаждение файнштейна.

В период набора массы при конвертировании в шлак интенсивно удаляется железо в результате чего количество обогащенной массы сокращается. В этот период идет активная загрузка в конвертер кварцевого песка и холодных материалов для поддержания теплового баланса процесса. После прекращения набора штейна начинается период варки файнштейна. В задачу этого периода входит почти полное удаление железа из обогащенной конвертерной массы. Полученный файнштейн содержит 22-24 % S и до 3,7 % железа.

Полученный медно-никелевый файнштейн перевозится в разливочный пролет цеха и разливается в стальные формы - изложницы, зафутерованные блоками из графита, для медленного охлаждения и раскристаллизации расплава, обеспечивающих хорошие показатели разделения на никелевый и медный концентраты.

Отходящие от горловины конвертера газы содержат 7-11 % SO₂, однако за счет подсосов воздуха через напыльник и неплотности газохода концентрация SO₂ снижается. На комбинате Печенганикель очищенные от пыли газы частично передаются в сернокислотное производство, частично выбрасываются в трубу; в ЗФ - выбрасываются в трубу.

Химический состав продуктов конвертирования - в табл. 2.13, перечень основного оборудования передела конвертирования штейнов приведен в табл. 2.14.

Таблица 2.13 - Химический состав продуктов конвертирования

Предприятие	Продукт	Массовая доля, %
Предприятие	Продукт	Ni	Cu	Co	Fe	S	SiO₂	MgO	Al₂O₃	CaO	Fe₃O₄
Комбинат "Печенганикель"	Шлак	0,88	0,62	0,249	49,1	3,15	26	1,1		1,4	14,7
Комбинат "Печенганикель"	Файнштейн	43	28	0,9	2,8	23,6
ЗФ ПАО "ГМК "Норильский Никель"	Шлак	2,0-2,5	1,5-2,0	0,8-,0	50,0-52,0	1,2-1,6	18,0-22,0	0,3	2,2	0,6	29
ЗФ ПАО "ГМК "Норильский Никель"	Файнштейн	47-52	20-22	1,00-1,59	3,05-3,10	23	0,095

Таблица 2.14 - Характеристика основного оборудования конвертерного передела

Предприятие	Наименование	Назначение	Технические характеристики
ЗФ ПАО "ГМК "Норильский Никель"	Конвертер - типа Пирса-Смита	Конвертирование штейна	Емкость - 80 тонн, на воздушном дутье, число фурм - 48
	Котел-утилизатор для конвертеров	Утилизация тепла, охлаждение газов	Производительность по газу - до 65000 нм³/час, по утилизационному пару - до 13 тонн/час
	Электрофильтры "Флект"	Очистка газов от тонкой пыли	Двухпольные, производительность по газу - 65000 нм³/час каждый, КПД - 99,8 %
Комбинат "Печенганикель"	Конвертер Пирса-Смита	Конвертирование штейна	Емкость - 100 м³, длина кожуха - 12 м, внутренний диаметр кожуха - 3,96 м, число фурм - 44, диаметр фурм - 0,05 м, расход воздуха - 10-12,5 нм³/с
	Пылевая камера	Очистка конвертерных газов крупной пыли	ДхШхВ - 7,2 х 4,0 х 15,6 м, пропускная способность - 27-42 нм³/с, КПД - 30 %
	Электрофильтр	Очистка газов от тонкой пыли	Площадь сечения электрофильтра по осадительным электродам - 60 м², КПД - 92 %

Выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферу при конвертировании штейна показаны в табл. 2.15.

Таблица 2.15 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при конвертировании медно-никелевого штейна

Вещество	Ед. изм.	Значение
Диоксид серы	кг/т файнштейна	381,628
Азота диоксид и азота оксид (суммарно)	кг/т файнштейна	0,004
Пыль неорг.	кг/т файнштейна	0,6
Свинец и его неорг. соед.	кг/т файнштейна	0,004
Никель оксид	кг/т файнштейна	0,03
Диоксид серы	мг/м³	25 000
Азота диоксид и азота оксид (суммарно)	мг/м³	89,045
Пыль неорг.	мг/м³	300
Свинец и его неорг. соед.	мг/м³	5
Никель оксид	мг/м³	12

2.1.2. Рафинировочные переделы

2.1.2.1. Технология разделения медно-никелевого файнштейна с получением никелевого сульфидного концентрата

Флотационное разделение файнштейна на медный и никелевый концентраты было предложено в конце 40-х - начале 50-х годов XX века И.Н. Масленицким (АС N 113715). Согласно предложенному способу, медно-никелевый файнштейн измельчали, а затем флотировали в "обычном" режиме с переводом медных сульфидов в пенный продукт, а никелевых - в камерный. Одним из описанных И.Н. Масленицким вариантов реализации данного способа являлось применение перед флотацией магнитной сепарации, что обеспечивало не только получение более бедного по меди никелевого концентрата, но и извлечение в отдельный, обогащенный продукт основного количества содержащихся в файнштейне платиновых металлов.

Впервые процесс был внедрен на Норильском горно-металлургическом комбинате в 1957 году, и без особых изменений способ дошел до сегодняшних дней, однако за счет оптимизации реагентного режима, параметров операций и организации технологической схемы удалось достичь более низких, чем заявлено в АС, содержаний вторых металлов в концентратах.

Химическими основами флотационного разделения файнштейна являются различные условия формирования и устойчивости пленок ксантогенатов меди и никеля на поверхности соответствующих минералов. Регулированием концентрации гидроксид-ионов в водной части пульпы обеспечиваются условия для подавления процесса образования ксантогената никеля и образования на поверхности пленки гидроксида.

Технологический процесс разделения файнштейна на никелевых и медный концентраты включает в себя следующие технологические операции: крупное дробление, шихтовка, дробление и измельчение и собственно флотацию. Перечень основного технологического оборудования представлен в табл. 2.16.

Таблица 2.16 - Основное оборудование

N пп	Наименование оборудования	Назначение оборудования
1.	Агрегат первичного дробления Rammer G 90	Первичное дробление
2.	Щековые дробилки ЩДП-9 х 12 и СМД-118	Крупное дробление
3.	Конусные дробилки КСД-2200Т и КМД-2200Т	Мелкое дробление
4.	МШР-3200 х 3100	измельчение
5.	Классификатор Тип I КСН-20
6.	Гидроциклон Кребса	Гидравлическая классификация промпродуктов
7.	Флотационные машины ФМР-10	Флотация
8.	Флотационные машины WEMCO	Флотация
9.	Сгустители тип Ц-6МI, тип Ц-9МI, тип Ц-12МI	Сгущение конечных и промежуточных продуктов
10.	Свечевые фильтры ПАР-80-248М и ПТЖ-80-3Т-41

Разделение файнштейна, предварительно измельченного до крупности 85-95 % - 45 мкм, происходит во флотомашинах основной флотации с получением пенного и камерного продуктов, представляющих собой черновые медный и никелевый концентрат, соответственно, которые затем подвергаются дополнительной очистке.

Никелевый очищается от меди за счет добавки свежего ксантогената, который повышает флотируемость медных сульфидов, медный - от никеля на 1-4 перечистных флотациях за счет повышения щелочности пульпы и снижения плотности камерных продуктов от первой до последней перечистки.

Для обеспечения эффективного разделения медных и никелевых сульфидов часть пенных и камерных промпродуктов объединяется и направляется на классификацию, пески которой доизмельчаются. Точки рецикла промпродуктов и объединения потоков пенных и камерных продуктов выбираются, исходя из их состава, в первую очередь, из содержания в них вторых металлов.

Существующая технологическая схема флотационного разделения файнштейна позволяет достичь извлечения никеля в никелевый концентрат до 92 %, меди в медный - до 91 %.

Получаемый медный концентрат содержит 67-68 % меди и 3,2-4,2 % никеля, никелевый - 68-69 % никеля и 2,3-2,9 % меди.

При разделении медно-никелевого файнштейна в качестве основных технологических материалов используются бутиловый ксантогенат калия, сода каустическая, шары стальные и вода оборотного водоснабжения.

Образующие при разделении файнштейна соединения меди, никеля и кобальта попадают в атмосферу в составе пыли, выделяющейся через неплотности технологического оборудования. Вредности удаляются с вентвыбросами естественным путем через дефлекторы и вентшахты (табл. 2.17).

Таблица 2.17 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Наименование загрязняющего вещества	Масса выбросов ЗВ до очистки, г/т никелевого концентрата	Источники выбросов	Метод очистки, повторного использования	Масса выбросов ЗВ после очистки г/т никелевого концентрата
Кобальт и его соединения (в пересчете на кобальт)	151,3	Дробилки, транспортеры, мельницы, классификаторы, сгустители, флотомашины	Аспирационные системы АС	15,9
Никель и его соединения (в пересчете на никель)	1321,3			192,8
Медь и ее соединения (в пересчете на медь)	1194,6			136,5
Пыль неорганическая	1463,4			406,1

Жидкая фаза, образующаяся при обезвоживании продуктов флотации (никелевого и медного концентратов), наплавляется в систему оборотного водоснабжения участка. Избыточное количество воды передается в производственную канализацию; сброс воды в природные объекты отсутствует (табл. 2.18).

Таблица 2.18 - Состав и способ утилизации сточных вод

Наименование	Масса сбросов ЗВ до очистки, г/т Ni	Источники сброса	Направление сброса (водный объект, канализация)	Метод очистки, повторного использования	Масса сбросов ЗВ после очистки, г/т Ni
Никель в/р	< 4,1	Верхний слив отстойников, фильтрат свечевых фильтров	Оборотное водоснабжение участка, производственная канализация	Оборотное водоснабжение участка	< 4,1
Медь в/р	< 0,08				< 0,08
Взвешенные вещества	< 123				< 123
Ксантогенат	< 0,008				< 0,008

Твердые отходы процесса образуются в ходе ремонтных и строительных работ.

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

2.1.2.1. Технология получения частично восстановленного никелевого огарка

Технология получения частично восстановленного никелевого огарка (ПНТП - порошка никелевого трубчатых печей) включает в себя операции обезвоживания никелевого концентрата флотации файнштейна, его окислительного обжига в печах кипящего слоя и восстановительного обжига в трубчатых вращающихся печах.

Окислительный обжиг, целью которого является максимальное удаление серы и подготовка материала к восстановлению, ведется при температуре 1050-1250 °С. Загрузку шихты регулируют по температуре в слое, по концентрации диоксида серы (SO₂) в отходящих газах, по заданному расходу воздуха (или воздуха, обогащенного кислородом).

Основная часть полученного огарка передается на восстановление в трубчатые вращающиеся печи, часть подается в бункер "горячего" огарка для использования его без восстановления при доводке анодного металла по углероду.

Газы после прохождения через систему газоочистки, включающей в себя охладитель газов, циклоны испарительного охлаждения и электрофильтр, передаются в сернокислотное производство. Газы аспирационных систем передаются в общий газоход и выбрасываются в трубу.

В процессе (1050-1150 °С) происходит дальнейшее укрупнение огарка и восстановление до металла присутствующих в огарке никеля и кобальта (85-90 %), а также части железа и меди. В качестве восстановителя используют доменный кокс и уголь в количестве 12-14 %.

Перечень основного технологического оборудования приведен в табл. 2.19, выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферу при получении ПНТП - в табл. 2.20, характеристика сточных вод - в табл. 2.21.

Таблица 2.19 - Перечень основного технологического оборудования

N пп	Наименование оборудования	Назначение оборудования	Характеристика оборудования
1.	Сгустители Ц9	Сгущение пульпы никелевого концентрата	Площадь поверхности - 60 м
2.	Сгустители Ц12	Сгущение пульпы никелевого концентрата	Площадь поверхности - 110 м
3.	Барабанный вакуумный фильтр	Фильтрация сгущенного никелевого концентрата	Площадь фильтрации - 40 м², содержание влаги в кеке - 6-9 %
4.	Печь кипящего слоя	Обжиг концентрата	Площадь пода - 24 м²
5.	Трубчатая вращающаяся печь (ТВП)	Восстановление огарка окислительного обжига	Длина печи - 20 м, диаметр печи - 2,2 м, диаметр в свету - 1,688 м

Таблица 2.20 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при получении

Производственный процесс	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Значение
Окислительный обжиг сульфидного никелевого концентрата в печах кипящего слоя (КС) с получением никелевого огарка	Диоксид серы	кг/т ПНТП	0,971
	Азота оксиды	кг/т ПНТП	0,05
	Свинец	кг/т ПНТП	0,004
	Никель оксид	кг/т ПНТП	0,464

Таблица 2.21 - Сточные воды, образующиеся при получении ПНТП

Наименование сточных вод по переделам	Нормируемое количество в сутки, м³/т Ni	Содержание вредных примесей	Место сброса
Оборотная вода комбината	0,005	Не более уровня в оборотной системы	Самотечные коллектора оборотной системы

Твердые отходы процесса получения ПНТП образуются в ходе ремонтных и строительных работ - выломки футеровки печей, бой кирпича, бетон, теплоизоляция, металлолом.

2.1.2.3. Технология производства черновых никелевых анодов

На сегодняшний день основная часть никелевого порошка трубчатых печей поступает на анодную плавку в дуговые электропечи, часть - на хлорное растворение для восполнения дефицита никеля. Шихта печей включает в себя, помимо порошка, восстановитель и анодный скрап.

При расплавлении шихты свободной углерод и закись никеля растворяются в расплавленном металле, при этом происходит "науглероживание" ванны металла по реакции с образованием карбида никеля (Ni₃C), который при растворении в металле взаимодействует с закисью никеля.

Растворимость углерода в металле высока, и на начальных этапах плавки, с учетом положительного влияния науглероживания расплава на температуру плавления металла, процесс ведут с избытком восстановителя, который на финальных этапах удаляют присадкой огарка в жидкий металл. Доводка металла по содержанию углерода может также осуществляться кислородной продувкой.

К моменту полного расплавления шихты в печи образуются шлаковая и металлические фазы. В основном шлак состоит из окислов, содержание которых может достигнуть 95 %. Снижение потерь цветных металлов со шлаками и увеличение их извлечения в анодной никель происходит тем полнее, чем лучше восстановительные условия в печи и чем выше активность окислов в шлаке, которая зависит от количества флюсующих добавок, таких как известняк, окись кремния.

После обеднения шлака избыток его порционно сливают путем наклона печи. При этом богатая часть шлака возвращается на плавку, а бедная отправляется на переработку в РТП. Готовый металл разливается по изложницам карусельной машины и направляется на электролитическое рафинирование с получением катодного металла. Запыленные отходящие газы очищаются в электрофильтрах и выбрасываются в атмосферу.

Перечень основного технологического оборудования приведен в табл. 2.22, выбросы загрязняющих веществ - в табл. 2.23.

Таблица 2.22 - Перечень основного технологического оборудования

N	Наименование оборудования	Основные характеристики
1.	Бункер восстановленной закиси)	Емкость - 40 т
1.	Бункер восстановленной закиси)	Емкость - 60 т
2.	Бункер не восстановленной закиси	Емкость - 10 т
2.	Бункер не восстановленной закиси	Емкость - 5 т
3.	Бункер восстановителя	Объем - 25 м³
4.	Питатель тарельчатый	Диаметр тарелки - 1000 мм
4.	Питатель тарельчатый	Диаметр тарелки - 800 мм
5.	Питатель шнековый	Диаметр шнека - 450 мм
6	Электропечь РКЗ N 1	Мощность трансформатора - 12500 кВА
7.	Электропечь ОКБ N 2	Мощность трансформатора - 9000 кВА
8.	Электропечь РКЗ N 3	Мощность трансформатора - 15000 кВА
9.	Индукционный миксер ИЧТМ-16	Мощность трансформатора - 1300 кВА
10.	Индукционный миксер ИЧТМ-16	Мощность трансформатора - 1600 кВА
11.	Разливочная машина	Диаметр - 10 м

Таблица 2.23 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при анодной плавке

Производственный процесс	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Значение
Восстановительная плавка никелевого огарка в электропечах с получением никелевых анодов	Диоксид серы	кг/т анодов никелевых	32,124
	Азота оксиды	кг/т анодов никелевых	0,012
	Пыль неорг.	кг/т анодов никелевых	17,279
	Свинец	кг/т анодов никелевых	0,0285
	Никель	кг/т анодов никелевых	5,660

Шлак анодной плавки, выломки футеровки, улавливаемая в электрофильтрах пыль не являются отвальными продуктами и направляются на переработку на другие переделы технологического цикла. Прочие твердые отходы передела связаны с проведением ремонта оборудования и зданий.

2.1.2.4. Технологии получения катодного никеля

Электролитическое рафинирование черновых никелевых анодов - достаточно старая технология, обеспечивающая получение товарного никеля в том числе из драгметаллсодержащего сырья.

В процессе многолетней эксплуатации технология рафинирования черновых никелевых анодов непрерывно совершенствовалась, и к настоящему времени пути ее дальнейшего улучшения практически исчерпаны и экономически бесперспективны. Именно поэтому эта технология, имевшая ранее широкое распространение, повсеместно замещена более современными способами. Основные недостатки технологии рафинирования черновых никелевых анодов определяются собственно необходимостью их производства. Альтернативные гидрометаллургические способы рафинирования файнштейна или продуктов его переработки предполагают в качестве товарного передела электроэкстракцию никеля из хлоридных или сульфатных растворов. При этом передел производства черновых никелевых анодов заменяется переделом растворения файнштейна или продуктов его переработки, например, никелевый концентрат и/или металлизированная фракция от разделения файнштейна. Очевидны следующие общие преимущества подобных решений:

- 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 сут, кроме того, он увеличивается за счет наличия оборотного скрапа).

В настоящее время на Кольской ГМК, единственном отечественном предприятии, выпускающем товарный никель высокой чистоты, начался переход от технологии рафинирования черновых никелевых анодов к гидрометаллургической технологии рафинирования восстановленного никелевого порошка (ПНТП).

Эта технология предусматривает получение товарного никеля электроэкстракцией из хлоридных растворов. На первом этапе в качестве исходного сырья предусматривается использование ПНТП. В дальнейшей перспективе представляется целесообразным использование в качестве обособленного сырья металлизированной фракции от разделения файнштейна и далее никелевого концентрата от разделения файнштейна. Замена ПНТП никелевым концентратом позволит полностью ликвидировать переделы окислительного и восстановительного обжига, что позволит существенно сократить в том числе потери ценных компонентов, трудозатраты, энергозатраты и эмиссию вредных веществ.

Организационно производство электролитного никеля включает в себя три основных отделения: электролизное, гидрометаллургическое (ГМО) и отделение готовой продукции.

Процесс перехода на новую технологию осуществляется постепенным переводом действующих электрорафинировочных ванн на технологию электроэкстракции. С учетом одновременной эксплуатации электрорафинирования черновых никелевых анодов и рафинирования ПНТП в технологической цепочке используется основное технологическое оборудование электролизного отделения рафинирования черновых никелевых анодов. Также, в соответствии с проектом реконструкции никелевого производства, устанавливается новое технологическое оборудование.

В настоящем разделе описаны обе технологии.

Технология рафинирования черновых анодов

Наряду с металлическим никелем черновые аноды содержат первые проценты основных примесей: железа и меди, кобальта и доли процента серы. Кроме того, в черновых анодах содержится широкий спектр различных микропримесей, включая драгоценные металлы. Рафинирование черновых никелевых анодов осуществляется в электролизных ваннах (электролизерах ящичного типа) с разделением катодного и анодного пространств проточной тканевой диафрагмой. При этом используется сульфат-хлоридный никелевый электролит. Катоды внутри ванн помещены в диафрагменные ячейки, а аноды находятся в общем анодном пространстве. За счет прохождения постоянного тока на анодах происходит растворение никеля и примесей с получением загрязненного никелевого раствора - анолита. На катодах в эквивалентном пропущенному току количестве осаждается чистый катодный никель. В каждую катодную ячейку непрерывно подается очищенный от примесей никелевый раствор - католит. За счет его подачи уровень раствора в катодных ячейках превышает уровень в анодном пространстве. Католит просачивается через поры диафрагмы в анодное пространство ванны, препятствуя попаданию в катодное пространство примесей из анолита. После прохождения через диафрагму католит объединяется с анолитом и самотеком удаляется из ванны на очистку. Часть анодных примесей не растворяется и преимущественно осаждается в донной части анодного пространства ванны. Часть нерастворенных примесей формирует на поверхности анода нерастворимый шлам, в котором, в частности, концентрируются драгоценные металлы.

Осаждение товарного никеля осуществляется на никелевые основы, которые производятся в отдельных электролизных ваннах путем катодного осаждения никеля на титановые матрицы. Такие ванны, в отличие от ванн производства товарного никеля, называются матричными. Срок наращивания основ составляет 12-24 ч. Катоды с осажденными на них основами выгружаются, промываются, основы сдираются и правятся. К ним контактной сваркой привариваются вырезанные из основ ушки. Никелевые основы с приваренными ушками загружаются в товарные ванны для наращивания на них товарных никелевых катодов. Срок наращивания товарных катодов (катодная кампания) составляет 3-4 сут. По завершении катодной кампании товарные катоды выгружаются, промываются и передаются в дальнейшую обработку, включающую взвешивание, пробоотбор, резку, сортировку (разбраковку), фасовку (упаковку) первичного никеля для отправки партиями на склад готовой продукции. По завершении анодной кампании осуществляется чистка ванн. Перед чисткой ванны шунтируются. Из ванн выгружаются анодный скрап и катодные ячейки, ванны опорожняются и очищаются от шлама, который отправляют на переделы производства драгоценных металлов. Не растворившаяся часть анодов из ванн - скрап - после промывки от шлама направляется на анодную плавку. Анодная осыпь направляется на хлорное выщелачивание либо на анодную плавку. После чистки в ванны устанавливаются новые аноды и катодные ячейки, ванна заполняется католитом и цикл рафинирования повторяется.

Загрязненный примесями анолит из ванн очищается от примесей гидрометаллургическими способами, включающими в себя последовательное удаление железа путем его окисления воздухом в присутствии основного карбоната никеля в качестве нейтрализатора, меди - цементационным осаждением на ПНТП и кобальта, который окисляют хлором в присутствии нейтрализатора - основного карбоната никеля.

После корректировки кислотности очищенный от кобальта раствор в качестве католита подается в ванны рафинирования. Первичный железистый кек репульпируется для удаления из него никеля и получения отвального гидратного железистого кека.

Кобальтовый кек также репульпируется для удаления присутствующего в нем никеля и после фильтрования направляется на производство катодного кобальта.

Содержащая никель и иные примеси цементная медь передается в производство меди. Дефицит водорастворимого никеля восполняется хлорированием ПНТП. Основной карбонат никеля для очистки от примесей получают на карбонатном переделе с использованием бедных никелевых растворов от репульпации первичных кеков примесей. Осаждение карбоната осуществляется раствором кальцинированной соды. В производство вовлекаются никельсодержащие растворы и иные полупродукты смежных медного и кобальтового производств, а также продукты участка переработки шламов. На репульпациях и для регулирования кислотности по операциям очисток используется серная кислота смежного сернокислотного производства, производимая как попутный продукт из газов пирометаллургических производств.

При производстве нейтрализатора (карбоната никеля) образуются солевые стоки, которые перерабатываются на выпарной установке с получением товарных солей (сульфат и хлорид натрия) (табл. 2.24).

Таблица 2.24 - Основное технологическое оборудование цеха электролиза никеля

Наименование оборудования	Назначение	Характеристика
Электролизное отделение
Ванны электролизные рафинирования	Получение катодного никеля	Полимербетонные ванны, 51-51 анодов, 49-50 катодов, с рабочей поверхностью 935 x 1085
Ванны электролизные рафинирования	Получение катодного никеля	Полимербетонные ванны, 61 анод, 60 катодов
Мостовые краны		Q = 10 т, Н = 13 м, L = 21 м
Спецкраны	Обслуживание ванн	Q = 3,2/30 т, L = 10,5 м
Гильотинные и дисковые ножницы	Резка основ на уши, резка заготовок основ
Машины точечной сварки	Приварка ушей	МТ-1222 (МТ-2202)
Гидрометаллургическое отделение
Баковое оборудование	Сборники католита и анолита	Емкость - до 400 м³
Аппараты с пневматическим перемешиванием (пачуки)	Реакционное оборудование	Емкость - до 170 м³
Аппараты с механическим перемешиванием, с коническим и плоским днищем	Репульпация осадков, проведение технологических процессов	Емкость - до 20 м³
Аппараты с перемешиванием в псевдоожиженном слое (цементаторы)	Очистка анолита от примесей	Емкость - до 90 м³
Патронные фильтры	Разделение жидкого и твердого	Объем фильтра: ПАР-80 - 11 м³; ПКФ 80 - 11,4 м³; ПКФ40 - 6,0 м³; Поверхность фильтрования: ПАР-80 - 80 м²; ПКФ80 - 80 м²; ПКФ40 - 40 м²
Дисковые вакуумные фильтры	Разделение жидкого и твердого	Поверхность фильтрования: 68 м²; Разрежение: (-0,25) - (-0,5) МПа
Фильтр-прессы рамные	Разделение жидкого и твердого	Поверхность фильтрования: до 50 м²
Газоочиститель пенный	Очистка воздуха от хлора	Производительность: 18000 м³/ч
Гидроциклон	Разделение жидкого и твердого
Сгуститель одноярусный, с центральным приводом	Разделение жидкого и твердого	Диаметр - 9 м
Двухспиральные классификаторы	Разделение жидкого и твердого	Диаметр спиралей - 280 мм, шаг спиралей - 300 мм
Передел дегазации анолита и компримирования анодного газа
Вакуумный дегазатор	Удаление хлор-газа из анолита	H = 7,0 м; Диаметр - 1,95 м; Разрежение - (-0,8) бар
Улавливающий бак	Сборник дегазированного анолита	H = 2,0 м; Диаметр - 1,6 м; Разрежение - (-0,05) бар
Конденсатор	Удаление влаги из хлор-газа	Мощность: 3,5 МВт; 0,4 МВт
Компрессор	Транспортирование хлор-газа	Производительность - 2520 Ам³/ч; Давление выпуска - 1,5 бар
Сепаратор	Отделение хлора от рабочей жидкости	L = 4,0 м; диаметр 1,8 м; давление 1,5 бар
Участок утилизации солевых стоков
Выпарные аппараты	Выпаривание солевых растворов	Поверхность теплообмена - 650 м²
Отделение готовой продукции
Мостовые краны	Транспортировка готовой продукции	Q = 5/20 т
Аккумуляторные погрузчики, электрические моторные тележки	Транспортировка готовой продукции	Q = 10 т
Гильотинные ножницы кривошипные, линии автоматической резки	Резка катодов
Приспособления для фасовки и упаковки товарного никеля	Упаковка катодов

Технология рафинирования ПНТП

Исходным сырьем процессов гидрометаллургического рафинирования в производстве электролитного никеля в КГМК является восстановленный порошок трубчатых печей ПНТП.

По химическому составу ПНТП близок к черновым никелевым анодам, однако содержит значительное количество кремния, кальция, магния и алюминия, поступающих в процесс с зольной составляющей угля, используемого на операции восстановления.

Технология переработки ПНТП включает в себя три основных блока: хлорное растворение в обедненном никелевом растворе, очистку от примесей и электроэкстракцию никеля.

Основным отличием процесса электроэкстракции от электрорафинирования черновых анодов является то, что в процессе используются нерастворимые аноды, и никель, осаждающийся из раствора под действием тока на катоды, не восполняется в электролите за счет растворения никеля из анодов. Таким образом, в раствор не переходят и соответствующие примеси.

Хлорное выщелачивание ПНТП в обедненном по никелю растворе после электроэкстракции осуществляется в аппаратах с псевдоожижением - цементаторах. В процессе хлорного растворения в жидкую часть пульпы извлекаются никель и основные примеси, при этом сульфидная сера и драгоценные металлы коллектируются в нерастворимом остатке, который направляется в производство драгоценных металлов. Раствор после хлорного растворения очищают от основной части поступающей с ПНТП меди на операциях предварительной и дополнительной медеочистки в цементаторах. Цементная медь передается в производство меди.

Далее обогащенный никелем раствор хлорного выщелачивания очищается от примесей совместно с анолитом от рафинирования черновых анодов. Поскольку в растворах после хлорного выщелачивания содержание железа более высокое (сравнительно с черновыми никелевыми анодами), в качестве окислителя в процессе железоочистки используют кислородовоздушную смесь с содержанием кислорода до 40 %). В связи с повышенным содержанием в ПНТП цинка (сравнительно с черновыми никелевыми анодами) раствор после железоочистки подвергается экстракционной очистке от цинка. После очистки от остаточной меди (цементацией) и кобальтоочистки (операции описаны выше) раствор передается в электролизные ванны.

В качестве нейтрализатора в процессах железо- и кобальтоочистки, как и ранее, используют основной карбонат никеля.

Очищенный от примесей богатый никелем продукционный раствор в качестве католита поступает в ванны электроэкстракции.

Электроэкстракция никеля осуществляется в полимербетонных электролизных ваннах с разделением катодного и анодного пространств проточной тканевой диафрагмой. Конструкция и расположение электродов внутри ванн электроэкстракции, а также обвязка этих ванн по растворам принципиально отличается от ванн электрорафинирования.

В каждой ванне 61 стационарный нерастворимый титановый анод с активным покрытием типа ОРТА и 60 катодов, рабочей поверхностью 935 x 1340 мм. Вдоль борта ванны проходит коллектор для совместной эвакуации анолита и хлора. Сохраняется попарная группировка ванн в блоки с последовательным подключением ванн по току в серии. Максимальная токовая нагрузка - до 35 кА.

Для электроэкстракции никеля используется общий с рафинировочными ваннами никелевый электролит. Нерастворимые титановые аноды с активным покрытием типа ОРТА помещены в оборудованные колпаками и работающие под разрежением диафрагменные ячейки, а катоды находятся в общем катодном пространстве ванны. За счет прохождения постоянного тока на анодах выделяется хлор. На катодах в эквивалентном пропущенному току количестве осаждается чистый катодный никель. Католит непрерывно подается в общее катодное пространство ванны.

Часть обедненного по никелю раствора из катодного пространства ванны ( 10 %) по переливу поступает на объединение с раствором после кобальтоочистки. Остальной раствор через анодную диафрагму под действием разрежения просачивается в анодные ячейки, препятствуя попаданию в катодное пространство хлора.

Из каждой анодной ячейки анолит совместно с анодным хлором эвакуируется за счет разрежения в бортовой коллектор ванны, где происходит разделение водной и газовой фаз. Часть анолита, насыщенного хлором, поступает на хлорное выщелачивание ПНТП, остальной анолит откачивается на передел дегазации и далее в электролизные ванны. Хлор-газ из бортовых коллекторов по вакуумным линиям транспортируется на операцию компримирования.

Дегазация анолита и компримирование анодных газов

На переделе компримирования хлора и дегазации анолита осуществляют сбор хлор-газа из анодных ячеек ванн электроэкстракции, его сжатие и распределение хлора на переделы хлорного выщелачивания ПНТП и кобальтоочистки никелевого раствора.

Компрессоры, установленные на переделе, обеспечивают необходимое разрежение в анодных ячейках, бортовых коллекторах и хлоропроводе, а также необходимое сжатие хлор-газа. На хлоропроводах установлены охлаждаемые водой емкости-конденсаторы для осушки хлор-газа, поступающего на компримирование. Осушенный и сжатый газ (давление 1,0-1,5 бар) собирают в емкость, откуда по системе хлоропроводов он дозируется на переделы гидрометаллургического отделения цеха электролиза никеля.

Анолит из бортовых коллекторов нагревают в теплообменниках и откачивают насосами в вакуумные колонные дегазаторы. Разрежение в колоннах (-0,8-0,9 бар) создается вакуум-насосами. Удаляющийся из кипящего анолита хлор-газ поступает на компрессоры компримирования, анолит после вакуумного обесхлоривания откачивают на электролизный передел, где после дополнительной химической дегазации (восстановление остаточного хлор-газа в электролите раствором сульфита натрия) его объединяют с католитом, поступающим в электролизные ванны.

При рафинировании черновых никелевых анодов и ПНТП используются следующие основные материалы и реагенты: кислота серная, хлор, сода кальцинированная, борная кислота (будет исключена по завершении переходного этапа), ткани диафрагменная (хлопколавсановая) и фильтровальные (лавсановая, полипропиленовая и смесовые).

При производстве катодного никеля основными вредными веществами, выбрасываемыми в атмосферу, являются никель (в том числе в водорастворимой форме), серная кислота в виде аэрозолей, а также хлор. Удаление аэрозолей осуществляется через аэрационные фонари и систему вытяжной вентиляции электролизного отделения (табл. 2.25).

Удаление паровоздушной хлорсодержащей смеси производится с помощью аспирационных систем из емкостного оборудования с последующей очисткой в пенных аппаратах.

Таблица 2.25 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве никелевых катодов

Производственный процесс	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Значение
Получение электролитного никеля методом электролиза растворимых никелевых анодов	Серная кислота	кг/т никеля электролитного	0,0106
	Никель и его соединения (в пересчете на никель)	кг/т никеля электролитного	0,061
Получение электролитного никеля методом электроэкстракции из НПТП	Серная кислота	кг/т никеля электролитного	0,004
	Никель и его соединения (в пересчете на никель)	кг/т никеля электролитного	0,017
Очистка анолита от кобальта	Хлор	кг/т никеля электролитного	0,095

В качестве основных отходов производства образуются очищенные от цветных металлов сульфат-хлоридные сливы карбонатного передела и отвальный железистый кек.

Сточные воды образуются в результате получения карбоната никеля и вследствие использования на очистных операциях основных реагентов - серной кислоты, соды каустической и хлора.

В настоящее время внедрена новая технология утилизации солевых стоков. Процесс утилизации заключается в выпаривании солевого стока с селективным получением солей сульфата и хлорида натрия. Полученный при выпарке конденсат утилизируется на технологических переделах АО "Кольская ГМК", соли являются товарными продуктами технологии.

Твердые отходы передела получения товарного электролитного никеля образуются в процессе эксплуатации электролизных ванн и очистки никелевого анолита от железа. Железистый кек, отходы диафрагменных тканей и кек отстойников складируют совместно как один отвальный продукт 4-го класса опасности. Выход железистого кека (сух вес) составляет 0,10-0,15 т/т электролитного никеля, его влажность - 40-60 %.

2.1.2.5. Технология производства карбонильного никеля

Сырьем для карбонильного производства служат никелевые гранулы, выплавляемые из продуктов обжигового отделения и собственных оборотов ЭПО РЦ, а также различных видов привозных металлосодержащих материалов других цехов в рафинировочном цехе.

Физико-химические показатели гранул никелевых в соответствии с ТУ 1732-052-48200234-2015 "Гранулы никелевые": никель - не менее 85,0 %, медь - не более 5,0 %, железо - не более 4,0 %; сера - 1,5-3,0 %; углерод - не более 0,1 %; содержание влаги - не более 0,5 %; насыпная плотность - не менее 3,6 т/м³; крупность - не более 75 мм.

Основными переделами процесса являются передел газификации пекового кокса, синтеза, ректификации и разложения тетракарбонила никеля.

Передел газификации предназначен для получения оксида углерода газификацией пекового кокса в газогенераторе. Полученный оксид углерода очищают от пыли водой в пенном аппарате и в скрубберах, при этом коксовая пыль смывается водой в водяные баки.

Передел синтеза предназначен для получения тетракарбонила никеля (ТКН), осуществляющийся при взаимодействии твердых никельсодержащих материалов с оксидом углерода при высоких давлении и температуре.

Передел синтеза ТКН состоит из технологических секций, где расположены установки синтеза, коридор разводки трубопроводов, помещения пароперегревателя, камер приточной, вытяжной и аварийной вентиляции, узла производственного водоснабжения, пульта управления, административных и бытовых помещений, понизительной подстанции с пультом управления, помещений РП и ремонтных мастерских.

В состав установки синтеза входят реакционные колонны, подогреватели реакционного газа, пылевой фильтр, холодильник-конденсатор, сборник-отделитель и контрольный сборник - отделитель сырого ТКН, сборник - разрядник сырого ТКН и фильтры для отделения масла и влаги (маслоловушки). Циркуляция реакционного газа в процессе синтеза ТКН осуществляется циркуляционным компрессором, расположенным на переделе газовых компрессоров.

После окончания загрузки сырья в колонны и закрытия верхних затворов система трубопроводов и аппаратов установки синтеза ТКН опрессовывается азотом, затем после полного сброса давления промывочного газа включаются в работу циркуляционный компрессор и подогреватель газа. Подогретый реакционный газ (оксид углерода) подается в нижнюю часть колонны, проходит через слой сырья и извлекает из него никель в виде карбонила никеля. Кроме карбонила никеля, в процессе синтеза происходит образование карбонилов железа и кобальта.

Для восполнения убыли оксида углерода, который расходуется на образование карбонилов и частично растворяется в жидком карбониле, система непрерывно или периодически подпитывается "свежим" газом из ресиверов высокого давления.

Выходящий из колонн реакционный газ, содержащий пары карбонилов, проходит через выносной пылевой фильтр и направляется в холодильник-конденсатор (аппарат типа "труба в трубе"), где за счет снижения температуры газа до 10-40 °C происходит конденсация паров карбонилов. Конденсат отделяется от газа в системе сборников-отделителей, которые представляют собой горизонтальные цилиндрические аппараты высокого давления.

Реакционный газ из сборника-отделителя через маслоловушку направляется в циркуляционный компрессор, из которого подается в подогреватели и поступает вновь в колонны синтеза.

В сырой карбонил извлекается до 96-97 % никеля, до 15 % кобальта, до 70 % железа. Практически вся медь, сера и благородные металлы остаются в остатках синтеза, которые затем направляются на обжиг в трубчатой печи для полной дегазации и сульфатизирующего обжига остатков синтеза, обеспечивающего подготовку материала к переработке в цикле основного производства.

Передел ректификации предназначен для производства дистиллята тетракарбонила никеля, получаемого путем отгонки его из смеси нагретых карбонилов никеля, железа и кобальта, с последующей термической обработкой кубовых остатков с образованием остатков дожигания.

При нагревании исходного продукта в кубе карбонил никеля полностью испаряется, карбонил железа испаряется частично и в основном остается в кубе. В процессе ректификации поднимающиеся в колонне пары постепенно обогащаются низкокипящим компонентом смеси, а стекающая вниз жидкость - высококипящим компонентом.

Пар, выходящий из верхней части ректификационной колонны, представляет собой чистый легколетучий компонент смеси, конденсация которого дает готовый продукт - дистиллят, основная часть которого направляется в соответствующие сборники для производства готовой продукции, а другая часть в виде флегмы остается в ректификационной колонне. Из нижней части куба отбирается продукт, богатый высококипящим компонентом, который является кубовым остатком, и дополнительно перегоняется в колоннах II ректификации.

Установки ректификации размещены в помещениях четырех технологических секций, в том числе четыре установки I ректификации, две установки II ректификации, промежуточные аппараты, сборники и емкости. Все аппараты соединены с газгольдерами оксида углерода уравнительными трубопроводами.

Очищенные пары карбонила никеля конденсируются и охлаждаются в дефлегматоре (трубчатый теплообменник, охлаждаемый проточной холодной водой). Пары, не успевшие сконденсироваться в дефлегматоре, попадают в конденсатор остаточного газа, где происходит их окончательная конденсация. Часть конденсата направляется в колонну на орошение насадки (флегма), остальная часть (дистиллят) выводится из колонны в сборники, из которых давлением оксида углерода передавливается в напорные баки отделения разложения, ОПУ дроби и спецпорошков.

Кубовые остатки первой ректификации направляются в сборник, из которого подаются на дополнительную перегонку в колонны II ректификации. Дистиллят II ректификации направляют в сборники I ректификации на повторную очистку.

Кубовые остатки II ректификации направляют в сборник, из которого их передавливают в промежуточный аппарат и далее, самотеком, продукт поступает на термическую дегазацию в печь дожигания N 1.

Передел разложения тетракарбонила никеля предназначен для производства карбонильных никелевых порошков и карбонильной никелевой дроби путем термического разложения тетракарбонила никеля.

Выделившийся при разложении карбонила никеля оксид углерода направляется из разложителя на очистку от никелевого порошка, а затем направляется в газгольдеры оборотного газа.

Передел разложения состоит из пяти технологических секций, разделенных по горизонтали перекрытиями на три уровня. В каждой секции расположены четыре установки разложения, связанные через общий коллектор парообразного ТКН с башней, где установлены два напорных бака, два испарителя, буферная емкость, две газодувки и система обогрева испарителя.

Получение никелевых порошков с комплексом заданных физико-технологических свойств обеспечивается ведением процесса разложения паров ТКН при различных температурных режимах и различных количествах подачи паров ТКН в реторту разложителя.

Карбонильная никелевая дробь (ДНК) является одним из наиболее чистых продуктов никелевого производства. Благодаря исключительно низкому содержанию легкоплавких примесей ДНК используется для выплавки специальных жаропрочных сталей и сплавов для атомной и авиационной промышленностей.

Наращивание дроби осуществляют термическим разложением паров карбонила никеля на нагретой поверхности непрерывно циркулирующей исходной загрузки, составленной из дроби разных фракций размерами от -1 до +10 мм. Постоянно работающий вертикальный ковшовый элеватор забирает дробь внизу на выходе из аппарата и поднимает ее наверх, где она разгружается из ковшей и вновь поступает в аппарат на укрупнение.

Качество карбонильной никелевой продукции определяется требованиями ГОСТ 9722-97 и СТО 00201365-01-2006 и гарантируется соблюдением технологических параметров на всех переделах.

Выпуск конкретных марок карбонильной продукции не зависит от причин, связанных с технологией, и определяется плановым заданием.

Выбросы загрязняющих веществ при производстве тетракарбонила никеля приведены в таблице 2.26.

Таблица 2.26 - Выбросы загрязняющих веществ при производстве тетракарбонила никеля

Производственный процесс	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Значение
Получение тетракарбонила никеля в аппаратах высокого давления (до 20 МПа)	Тетракарбонил никеля	кг/т никеля	0,054

2.2. Технологии производства никеля из окисленных руд

Плавкой окисленных никелевых руд в России занимались три уральских предприятия: комбинаты Южуралникель и Уфалейникель, а также Режский никелевый завод (см. ниже).

Производственные мощности комбината Южуралникель (с 2001 года комбинат входит в ОАО "Мечел") были законсервированы в декабре 2012 года и выставлены на продажу, но покупателя пока не нашлось. Мощности могут быть перезапущены в случае кардинального изменения ситуации на рынке никеля и роста цен на металл.

Производство на Уфалейникеле остановлено в 2017 году, в 2019 году предприятие проходит процедуру банкротства, осуществляется распродажа имущества.

Производство на Режском заводе также остановлено в 2017 году.

Все три предприятия находились на значительном удалении (200-500 км) от действующих рудников: комбинат Южуралникель - в г. Орске (Оренбургская обл.), Режский никелевый завод - в г. Реже (Свердловская обл.), комбинат Уфалейникель - в г. Верхний Уфалей (Челябинская обл.).

На всех трех предприятиях применялась шахтная плавка агломерированной руды на штейн.

Сырьем для комбината Южуралникель являлась окисленная руда Буруктальского и Сахаринского месторождений. Буруктальский рудник расположен рядом с г. Светлый в Оренбургской области, рядом с границей с Казахстаном и в 230 км к востоку от Орска. Сахаринский рудник расположен в Челябинской области - в 10-15 км от пос. Субутак и примерно в 375 км от Орска. Руду с обоих рудников по железной дороге перевозили в Орск. Примерный состав руд приведен в табл. 2.27.

Таблица 2.27 - Примерный химический состав Буруктальской и Сахаринской руды

	Ni	Co	Fe_общ	MgO	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Cr₂O₃
Буруктальская	1,02	0,115	23,1	11,8	0,8	41,5	3,5	1,7
Сахаринская	1,09	0,055	20,6	10,5	0,7	41,4	5,0	1,9

На переработку поступала смесь руд двух месторождений (примерно в соотношении 1:1-2:1). Руду сушили и агломерировали. Агломерат имеет примерный состав, %: Ni 1,15-1,20; Co 0,08-0,1; Fe_общ 22,5-24,5; SiO2 45-48; MgO 12-13; CaO 0,7-1,2; Al₂O₃ 4-5; C 0,5-2,0. Этот агломерат в смеси с коксом, сульфидизатором (железным колчеданом) и флюсом (известняком) плавят в шахтной печи на штейн. Штейн шахтных печей продувается в конвертерах до файнштейна, содержащего 78-79,5 % никеля; 0,3-0,5 % кобальта; 0,2-0,3 % железа; 0,8-2,5 % меди и 17-19 % серы. Фанштейн дробится, измельчается и обжигается в две стадии.

Первая стадия осуществляется в печах КС при температуре 900-950 °С, при этом обеспечивается снижение содержания серы до 1,0-1,5 %. Полученный огарок полностью или частично подвергают хлорирующему обжигу для очистки от меди. С этой целью огарок печей КС в горячем состоянии смешивают с 10-15 % сильвинита и обжигают при температуре 700-750 °С. Образующиеся при этом хлориды и сульфаты меди хорошо выщелачиваются горячим (70-80 °С) слабым раствором серной кислоты. Выщелоченный огарок вместе с газоходной пылью, пылью электрофильтров и другими оборотными материалами поступает на вторую стадию окислительного обжига в трубчатой вращающейся печи (750-800 °С в хвостовой части, куда идет загрузка, и 1250-1300 °С в головной - в месте выгрузки) с целью получения закиси никеля, содержащей не более 0,02 % серы.

Полученная в результате двойного обжига закись никеля может быть восстановлена до металла в дуговых электропечах с восстановителем (нефтяной или пековый кокс). В последнее время в электропечь загружали железные отходы, поэтому получали не огневой никель, как раньше, а так называемый "маложелезистый ферроникель", содержащий более 85 % никеля и 4-12 % железа, что, заметим, снижает требования по содержанию кобальта (максимальное содержание кобальта в огневом никеле по ГОСТ 849-2008 - 0,7 %, а в маложелезистом ферроникеле - до 3 %).

Режский никелевый завод был построен в 1936 году для переработки соседних месторождений окисленных руд, ресурсы которых были полностью исчерпаны к 1994 году.

Основное производство завода перед остановкой в 2017 году - плавка в трех шахтных печах никелевой руды Серовского рудника с получением никелевого штейна, который отправлялся на "Уфалейникель". Мощности Режского никелевого завода позволяли перерабатывать до 700 тысяч т руды в год. За счет ряда технических мероприятий и налаживания снабжения завода рудой выпуск штейна мог составлять примерно до 7 тыс. т никеля в штейне в год.

Кроме того, завод располагал электротермическим цехом, в котором перерабатывались отработанные железоникелевые аккумуляторы и другие никельсодержащие ломы и отходы с выпуском гранулированного ферроникеля и других сплавов на железоникелевой основе. В 2005 году электротермический цех освоил выпуск никеля Н-3 из закиси никеля "Уфалейникеля".

Мощности комбината Уфалейникель составляли около 15 тыс. т/г никеля. Производство никеля было основано на шахтной плавке предварительно подсушенной окисленной никелевой руды. В качестве серусодержащего агента использовался колчедан.

Полученный отвальный шлак гранулируется и выводится в отвал, газы очищаются от пыли и выбрасываются в атмосферу. Штейн поступает на конвертирование, куда также добавляются в качестве холодных присадок металлоотходы, штейн Режского завода, в качестве флюса - кварц. Полученные газы от конвертеров очищаются от пыли в электрофильтре.

Файнштейн (78 % никеля) разливается в песчаные изложницы. Затем файнштейн дробится, мелется и поступает вместе с оборотной пылью в печь кипящего слоя (КС) для выжигания серы. Огарок далее подвергается хлорированию сильвинитом (смесь натриевой и калиевой солей), хлорированный огарок выщелачивается на перколяторе для максимального перевода меди и кобальта в раствор с получением маломедистого твердого остатка (не более 0,05 % кислотнорастворимой меди). Фильтрат направляется на гидрометаллургическое извлечение никеля, кобальта и меди.

Твердый остаток далее подвергается второму обжигу в трубчатых печах до полного удаления серы. Полученная закись никеля (76 % никеля) является товарной продукцией или идет на электроплавку (на Режском заводе) с получением гранулированного никеля. При электроплавке в качестве восстановителя используется нефтекоксик.

Товарной продукцией является никель марки Н-3 (Ni+Co не менее 98,6 %) и закись никеля (Ni+Co не менее 76 %).

Перечень основного технологического оборудования приведен в табл. 2.28, выбросы вредных веществ в атмосферу - в табл. 2.29.

Таблица 2.28 - Основное оборудование

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Технологические характеристики
Сушильный барабан	Сушка руды	Прямоточный, топливо - газ или мазут, регулируемая скорость вращения
Шахтная печь	Плавка на штейн	Площадь сеч. в обл. фурм - 20 м², число фурм - 28, диаметр фурм - 273 мм, производительность - 25-35 т/, топливо - кокс металлургический, воздушное дутье - 55000-75000 нм³/ч, число газоотводящих труб - 4, диаметр газоотводящих труб - 1812 мм
Горизонтальный конвертор	Конвертирование штейна	Вместимость по файнштейну - 3,6 м³ (30 т), количество фурм - 16-18 шт., диаметр фурм - 50 мм, площадь сечения фурм - 294,37 см², расход воздуха - 120 м³/мин, давление дутья - 0,7-0,9 атм., расход электроэнергии - 50 кВт на 1 т файнштейна
Печь кипящего слоя	Окислительный обжиг файнштейна	Тип печи - цилиндрическая с раструбом вверху, высота печи - 9900 мм, расход воздуха - 3500-5000 м³/ч, удельная производительность - 5-7,3 т/м² в сутки, давление воздуха под слоем - 0,25-0,4 атм., производительность - 65 т/сутки
Трубчатый реактор	Сульфатохлорирующий обжиг файнштейна	Тип - вращающийся, трубчатый, длина - 12500-14000 мм, диаметр - 2000-2200 мм, длина реакционной зоны - 10,5 м
Нутч-фильтры	Обезмеживание - сернокислотное выщелачивание хлорированного огарка	Тип - механический, вакуумный, опрокидывающийся, номинальная вместимость - 1950-2600 кг, фильтрующая поверхность - 4 м², разрежение - до 80 Па, объем заливаемого раствора - 1,5-2,0 м³
Трубчатая печь	2 стадия обжига (обжиг твердого остатка и оборотных материалов)	Тип - трубчатая, вращающаяся, частота вращения - 1,2-1,5 об/мин, топка - откатная трубчатого типа, топливо - газ, расход природного газа - 250-350 м³, расход воздуха 1600-1950 м³/ч, электродвигатель - АО 2-52-6, 7,5 кВт, 1000 об/мин.
Электропечь	Электроплавка закиси никеля	Мощность трансформаторов - 3000 кВА, номинальный линейный ток с высокой стороны - 288 А, номинальное линейное напряжение с низкой стороны - 135 В, номинальный линейный ток с низкой стороны - 12773 А, футеровка хромомагнезитовая или периклазовая

Таблица 2.29 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Источники выбросов	Метод очистки, повторного использования	Наименование	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки, г/т Ni
Шахтная плавка	Скруббер, бат. циклон	Диоксид азота	5660
		Оксид азота	919,7
		Кобальт	193,0
		Никель	4825,1
		Медь	97,1
		Мышьяк	40,3
		Пыль неорг.	664200
		Серы диоксид	4633000
Конвертирование штейна	Электрофильтр	Диоксид азота	49,9
		Оксид азота	8,1
		Кобальт	28,2
		Никель	457,4
		Медь	14,1
		Мышьяк	8,1
		Пыль неорг.	6100
		Серы диоксид	594900
Окислительный и сульфат-хлорирующий обжиг	Электрофильтр	Диоксид азота	119,1
		Оксид азота	19,4
		Кобальт	6,4
		Никель	564,3
		Медь	60,8
		Мышьяк	30,9
		Пыль неорг.	3500^*
		Серы диоксид	400000^*
Обжиг в трубчатой вращающейся печи	ЦБУ-6Т-2	Кобальт	0,5
		Никель	21,1
		Медь	130,7
		Мышьяк	0,1
		Пыль неорг.	3500^*
		Серы диоксид	400000^*
Электроплавка	Циклоны	Кобальт	11,8
		Никель	1942,8
		Медь	23,5
		Пыль неорг.	1300
		Серы диоксид	2000
^* - общий выброс для печи КС и ТВП.

2.3. Технологии производства кобальта

В Советском Союзе существовал единственный кобальтовый комбинат - "Тувакобальт", перерабатывавший гидрометаллургическим способом до богатого концентрата местные бедные кобальтовые мышьяковистые рудные концентраты. В настоящее время он закрыт. На остальных отечественных предприятиях в ходе комплексной переработки никельсодержащих руд, в которых кобальт присутствует в подчиненном количестве, производился огневой кобальт либо оксид кобальта. Технология производства огневого кобальта устарела и не имела действующих мировых аналогов.

С закрытием Никелевого завода ЗФ ПАО "ГМК "Норильский никель" производство огневого кобальта в России прекращено.

При производстве никеля из кобальтсодержащих никелевых руд сырье для производства кобальта выделяется в качестве полупродукта на рафинировочных операциях. В частности, при традиционном рафинировании черновых никелевых анодов кобальт выделяется в гидратный осадок в ходе очистки никелевого анолита. В настоящее время в России только на Кольской ГМК действует технология производства металлического электролитного кобальта. Сырьем для этого производства является пульпа первичного кобальтового кека гидролитической очистки никелевых растворов. Технология предусматривает производство катодного кобальта электроэкстракцией из хлоридных растворов и находится на стадии промышленного освоения. Организационно кобальтовое производство является отделением цеха электролиза никеля.

Готовой продукцией кобальтового производства является электролитный (катодный) кобальт, который должен соответствовать ТУ 24.45.30-231-48200234 "Кобальт электролитный. Технические условия".

Предусматривается выпуск четырех марок кобальта, различающихся по виду изготовления и химическому составу, согласно табл. 2.30.

Таблица 2.30 - Химический состав электролитного кобальта согласно ТУ 24.45.30-231-48200234 "Кобальт электролитный. Технические условия"

Элемент	Массовая доля, %
Элемент	NORILSK PRIME	NORILSK I	NORILSK II	NORILSK III
Co, не менее	99,95	99,90	99,80	99,30
Примеси, не более
Ni	0,02	0,05	0,05	0,3
Fe	0,003	0,005	0,01	0,03
Cu	0,0015	0,005	0,01	0,03
Mn	0,0001	0,0001	0,0003	-
Si	0,0003	0,001	0,002	-
Al	0,0002	0,0002	0,0005	-
As	0,0002	0,0005	0,001	0,002
Bi	0,00003	0,0001	0,0004	-
Sb	0,00005	0,0001	0,0005	-
Sn	0,0001	0,0001	0,0004	-
Pb	0,0002	0,0003	0,0005	-
Zn	0,0001	0,0004	0,002	-
Cd	0,0002	0,0003	0,001	-
P	0,0003	0,0003	0,001	-
Mg	0,0002	0,0002	0,0005	-
S	0,0003	0,001	0,004	0,005
C	0,004	0,01	0,02	0,03
Ca	0,002	0,002	0,005	-
Cr	0,0001	0,0001	0,0005	-
O	0,01	0,02	0,03	-
N	0,0005	0,0005	0,001	-
H	0,0003	0,0035	0,005	-
Примечания 1. Знак "-" в графах химического состава обозначает, что примесь не регламентирована. 2. Массовые доли селена, титана, серебра, теллура, таллия, молибдена, ванадия, бора, индия, галлия определяются по желанию потребителя, но не регламентируются.

Кобальт выпускают в виде катодных листов, пластин установленного размера, полос произвольного размера, нарезанных из катодных листов толщиной от 1,5 до 10,0 мм, и обрези. Размеры пластин и полос приведены в табл. 2.31. Основную массу готовой продукции (марка NORILSK I) составляет кобальт в виде пластин размером 25 х 25 мм.

Таблица 2.31 - Размеры пластин и полос товарного кобальта согласно ТУ 24.45.30-231-48200234-2017 "Кобальт электролитный. Технические условия"

Марка	Вид изготовления, толщина	Размер, мм
NORILSK PRIME NORILSK I NORILSK II NORILSK III	Пластины (менее 3 мм) Пластины (от 3 до 10 мм)	25 5 x 25 5 50 10 x 50 10 100 10 x 100 10
NORILSK PRIME NORILSK I NORILSK II NORILSK III	Полосы произвольного размера (менее 3 мм) Полосы произвольного размера (от 3 до 10 мм)	Длина не более 200, ширина не регламентируется
NORILSK III	Обрезь (менее 10 мм)

Пульпа первичного кобальтового кека после водной отмывки и репульпации в оборотном растворе выщелачивания (вскрытия) растворяется в солянокислом хлоридном никельсодержащем растворе в присутствии восстановителя, в качестве которого используются находящиеся в растворе в низшей форме окисленности поливалентные ионы железа и меди. Для растворения используется привозная соляная кислота. Последующая регенерация восстановителя осуществляется за счет восстановления ионов железа и меди на сопряженной с операцией растворения кобальта операции растворения ПНТП. Одновременно за счет цементационного осаждения на ПНТП обеспечивается грубая очистка растворов от меди.

Далее экстракцией обеспечивается глубокая очистка полученного фильтрата от меди и цинка. Примеси из полученного экстракта выделяются при их реэкстракции реэкстрактом примесей из цикла экстракции кобальта.

Никель-кобальтовый рафинат смешивается с рафинатом экстракции кобальта и упаривается. Из упаренного раствора осуществляется основная, грубая экстракция кобальта, и большая часть рафината возвращается на упаривание, а меньшая часть подвергается глубокой экстракции кобальта и далее передается на гидролитическую очистку от железа и малых примесей. Полученный при глубокой экстракции кобальта экстракт смешивается с оборотным экстрагентом и подается на основную экстракцию кобальта. Из экстракта основной кобальтовой экстракции после промывки кобальтовым раствором от электроэкстракции (католитом) реэкстрагируют кобальт с получением богатого кобальтового реэкстракта. Основное количество экстрагента после этого возвращается в цикл экстракции, а из меньшей части, после дополнительной отмывки от кобальта, реэкстракцией водой выделяют примеси меди, железа и цинка. Полученный реэкстракт примесей далее используется для реэкстракции меди.

На всех экстракционных операциях используется экстрагент на основе третичных алкиламинов фракции С7-С9 в разбавителе из технической смеси ароматических и насыщенных алифатических углеводородов с модификатором из алифатических спиртов фракции С8-С10.

В результате растворения ПНТП и очисток от примесей образуется ряд направляемых на переработку в гидрометаллургическое отделение производства рафинированного никеля кеков и растворов. В частности, из передаваемого в никелевое производство никелевого рафината предварительно окислением хлором или гипохлоритом натрия в присутствии основного карбоната никеля осаждают железо, свинец и марганец. Никелевый раствор передается на передел кобальтоочистки ЦЭН, а кек очистки направляется на передел репульпации железистых кеков ЦЭН. Таким образом, обеспечивается канал вывода из сопряженного никелевого производства в отвальный железистый кек проблемных микропримесей свинца и марганца.

Богатый кобальтовый реэкстракт после контрольной гидролитической очистки от железа и микропримесей, где в качестве нейтрализатора используется основной карбонат кобальта собственного производства, смешивается с частью отходящего из ванн электроэкстракции кобальтового анолита и в качестве католита поступает в ванны электроэкстракции.

Электроэкстракция кобальта осуществляется в аналогичных никелевому производству полимербетонных электролизных ваннах с разделением катодного и анодного пространств проточной тканевой диафрагмой. При этом используется хлоридный электролит. Нерастворимые титановые аноды с активным покрытием типа ОРТА помещены в оборудованные колпаками и работающие под разрежением диафрагменные ячейки, а катоды находятся в общем катодном пространстве ванны. За счет прохождения постоянного тока на анодах выделяется хлор. На катодах в эквивалентном пропущенному току количестве с учетом пониженного выхода по току кобальта осаждается чистый катодный кобальт. Осаждение товарного кобальта осуществляется на кобальтовые основы, которые наращиваются отдельно на титановых матрицах. Католит непрерывно подается в общее катодное пространство ванны. Из каждой анодной ячейки анолит совместно с анодным хлором эвакуируется за счет разрежения в бортовой коллектор. Католит просачивается через поры диафрагмы в анодные ячейки, препятствуя попаданию в катодное пространство хлора. Анодный хлор-газ отделяется от анолита вне ванны в коллекторе и сепараторах и направляется в никелевое производство на очистку от кобальта никелевого анолита. Анолит частично направляется на дегазацию и далее возвращается в цикл электроэкстракции вместе с переливом католита. Часть католита направляется на передел экстракции кобальта.

По завершении катодной кампании товарные катоды выгружаются, промываются и передаются в дальнейшую обработку, включающую взвешивание, пробоотбор, резку, сортировку (разбраковку), фасовку (упаковку) товарного кобальта для отправки партиями на склад готовой продукции.

Основное оборудование производства катодного кобальта включает в себя реакционное, фильтровальное, экстракционное оборудование, электролизные ванны.

Основное реакционное оборудование: аппараты с пневматическим перемешиванием (пачуки) емкостью 170 м³, аппараты с механическим перемешиванием и плоским или коническим днищем различного объема (до 20 м³), аппараты с псевдоожижением (цементаторы) емкостью 11 м³. Основное емкостное оборудование - баки (аппараты) емкостью от 0,23 до 200 м³.

Фильтровальное оборудование: фильтры патронные ПКФ-40, дисковые вакуум-фильтры ДТ68-2,5 и ДТ34-2,5, фильтр-прессы рамные ФРП-50-2П.

Экстракционное оборудование: экстракторы ящичные типа смеситель-отстойник с площадью камер отстаивания 2,6 м² и аналогичные экстракторы с выносной камерой смешения и площадью камер отстаивания 17,5 м².

Выпарная станция вакуумная, двухкорпусная с выносными теплообменниками F = 37,6 и 48,5 м², кожухотрубным поверхностным конденсатором F = 37,9 м² и предварительным пластинчатым нагревателем-теплообменником F = 10 м².

Транспортирующее оборудование. Центробежные насосы (станции) типа АХН Q/H.21, ХМ-8/40.

Система компримирования хлора и хлорной безопасности компании ERG (Англия) на базе водокольцевого компрессора хлора Q = 180 нм³/ч, Ризб = 0,15 МПа, N = 22 кВт.

Блоки сдвоенные ванн электролизных полимербетонных на 61 титановый анод с покрытием типа ОРТА в диафрагменных ячейках с колпаками и 60 катодов, рабочей поверхностью 935 x 1340 мм. Вдоль борта ванны проходит коллектор для совместной эвакуации анолита и хлора. По току ванны последовательно включены в серию с максимальной токовой нагрузкой до 35 кА.

Подъемно-транспортное оборудование включает мостовой кран (Q = 10 т, Н = 13 м, L = 21 м) и спецкран (Q = 3,2/30 т, L = 10,5 м) для обслуживания ванн. Обработка готовой продукции осуществляется на участке, выделенном в составе отделения готовой продукции никелевого производства с использованием его оборудования.

Для снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух предусмотрено:

- установка герметичного, оснащенного аспирационными отсосами оборудования;

- общеобменная приточно-вытяжная вентиляция помещений в требуемых объемах;

- оборудование аспирационных систем газоочистными установками, позволяющими сократить выбросы на 98,0-99,97 %;

- аварийная вентиляция насосных помещений склада соляной кислоты с автоматическим включением в работу при превышении концентраций хлористого водорода;

- аварийная вентиляция части производственных помещений электролизного участка с автоматическим включением в работу при превышении концентрации хлора с очисткой хлорсодержащих газов.

Для очистки аспирационных отсосов от емкостного оборудования (с хлоридными растворами металлов, с растворами соляной кислоты) устанавливается пенный газоочиститель, орошаемый содовым раствором (степень очистки - 98,5 %). Прошедшие очистку газы сбрасываются в атмосферу через вентсистему. Аспирационные газы от оборудования, в котором возможно выделение хлора, направляются на очистку для исключения возможных проскоков хлора в существующие пенные газоочистители (степень очистки - 98 %), где происходит их нейтрализация содовым раствором. Прошедшие очистку газы сбрасываются в атмосферу через существующую свечу.

Для аспирации экстракторов, насадочных колонн, емкостей с органической фазой предусмотрены системы с естественной тягой с выбросом на свечу. Ввиду отсутствия экономичных и эффективных систем улавливания паров предельных углеводородов (компонентов экстрагента) для снижения выбросов в атмосферу и потерь дорогостоящих реагентов предусмотрено водяное охлаждение секций аспирационных газоходов.

Технологической схемой электролизного участка предусмотрена установка двух скрубберов для очистки (нейтрализации) хлорсодержащих газов: аспирационного и аварийного, орошаемых щелочным раствором (15-20 %-ным раствором NaOH). Скрубберы включены в комплектную поставку системы хлороудаления, дехлорирования анолита, очистки хлорсодержащих газов. Расчетная степень очистки газов на скрубберах (99,97 %) определена исходя из немецких нормативов по содержанию хлора в очищенных сбросных газах - не более 3 мг/м³. На постоянно работающий аспирационный скруббер поступают аспирационные отсосы от укрытий электролизных ванн, ванн регенерации, емкостного и фильтровального оборудования электролизного участка, продувочные газы, а также "бедные" хлорсодержащие газы аварийной вентиляции из помещений.

Абгазы емкостей соляной кислоты направляются в аппарат-газоочиститель для нейтрализации содовым раствором. Очищенные газы сбрасываются в атмосферу через свечу.

Самостоятельные стоки кобальтового производства не образуются, поскольку все полупродукты перерабатываются в ГМО никелевого производства (ЦЭН).

В таблице 2.32 приведены выбросы загрязняющих веществ при производстве электролитного кобальта.

Таблица 2.32 - Выбросы загрязняющих веществ при производстве электролитного кобальта

Производственный процесс	Наименование загрязняющего вещества	Единица измерения	Значение
Получение кобальта электролитного методом электроэкстракции из раствора	Никеля растворимые соли	кг/т кобальта электролитного	0,07
	Кобальт дихлорид	кг/т кобальта электролитного	0,058
	Хлор	кг/т кобальта электролитного	10,6
	Соляная кислота	кг/т кобальта электролитного	1,84

<< Раздел 1. Мировое состояние никель-кобальтовой промышленности		Раздел 3. >> Определение наилучших доступных технологий
	Содержание Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 12-2019 "Производство никеля и кобальта" (утв....

ГАРАНТ:

Откройте актуальную версию документа прямо сейчас