Сравнительный анализ эффективности технологических схем переработки тиманских бокситов на основе расчета параметров материальных потоков.

В.В.Медведев, С.Н.Ахмедов, В.М.Сизяков, В.П.Ланкин, А.И.Киселев, А.В.Дружинин

При выборе оптимального технологического варианта переработки низкокачественного бокситового сырья значительная роль отводится величине удельных материальных потоков на основных переделах производственного цикла, которые обеспечивают производство 1 тонны товарного глинозема.

При технико-экономической оценке особенностей каждой из альтернативных технологий результаты расчета материального баланса переработки сырья становятся основным источником информации, которая, после детального анализа, определяет как конечный выбор схемы, так и проектные показатели производства единицы продукции.

Целью работы является сравнительный анализ технологических схем переработки низкокачественных тиманских бокситов. Анализ соответствующих результатов проводился по расчетным параметрам эксплуатационных затрат, связанных с производством 1 тонны глинозема, и по уровню инвестиционных затрат. В состав оценочных критериев были включены капитальные затраты на основное технологическое оборудование, металлоемкость и величина установочной мощности электропривода выбранных стандартных типов оборудования.

В состав рассмотренных технологических схем переработки низкокачественного тиманского боксита были включены четыре принципиально различающиеся варианта [1, 2, 3]. В их числе: вариант № 1 - гидрогранатовая технология, вариант № 2 - способ Байер-спекание, параллельный вариант (аналог - Богословский алюминиевый завод), № 3 - способ Байер-спекание, последовательный вариант (аналог - модифицированный вариант Павлодарского алюминиевого завода) и № 4 - классический способ Байера (аналог - Николаевский глиноземный завод).

Структурные блок-схемы основных материальных потоков по вариантам представлены на рисунках 1, 2, 3 и 4.

При расчете материального баланса замкнутого цикла переработки сырья в альтернативных вариантах были приняты некоторые общие элементы аппаратурного оформления, объединяющие сопоставляемые схемы в один равнозначный блок и устраняющие различия между указанными заводами - аналогами. В частности:

Кроме того, во всех вариантах введены общие технологические параметры, как-то: низкий каустический модуль алюминатного раствора, средняя концентрация щелочи в оборотном растворе, известь - в виде известкового молока; одинаковый состав тиманского боксита - Al₂O₃ = 50,0 %; Fe₂O₃ = 25,5 %; SiO₂ = 8,5 % (ветвь Байера) и 12,5 % (ветвь спекания); TiO₂ = 2,8 %;СаО = 0,7 %; CO₂ = 0,55 %; SO₃ = 0,75%; п.п.п. = 10,8 %; влажность - 11,0 %. Модификация варианта № 3 состоит во введении линии карбонизации в состав ветви спекания. Разложению подобным способом подвергают часть потока алюминатного раствора, величина которого определяется балансом щелочи в шихте спекания с высоким содержанием оксида железа.

При выполнении данной работы была использована разработанная нами математическая модель инженерного расчета материального баланса переработки 1 тонны сухого боксита, осуществляемой по соответствующей технологической схеме.

Предложенная модель расчета баланса в глиноземном производстве построена на принципе, в котором последовательность всех расчетных действий соответствует после-довательности технологического цикла переработки 1 тонны сухого боксита. Конечным итогом балансового расчета является количество товарного глинозема, которое будет получено из 1 тонны сухого исходного боксита в результате многостадийных и последовательных ступеней технологической обработки сырья. И только по этой величине определяется расходный коэффициент по исходному бокситу, необходимый для выпуска 1 тонны продукции, а по его величине - все другие показатели, например, расходные нормативы на 1 тонну глинозема и удельные потоки жидкой и твердой фазы в любой из точек производственного цикла.

В конструкции инженерного расчета отражено состояние замкнутости полного технологического цикла в весовых единицах (кг), как по жидкой фазе (Na₂O_ku, Na₂O_u, Na₂O_s, Al₂O₃, SiO₂, H₂O и микропримесей - по необходимости), так и по твердой фазе (Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, CaO, TiO₂, SO₃, CO₂, Na₂O, H₂O_kr и прочим малым примесям). Максимальная детализация в расчете технологических операций обеспечивает отражение в математической форме всех нюансов преобразований реагирующих масс в материальном потоке. В частности при расчете материального баланса учитывают:

Обязательный перевод предыдущего численного значения каждой весовой массы в состав последующего численного значения обуславливает точность проводимого расчета и исключает арифметические ошибки при ручном вычислении. Мерой контроля корректности выполненного расчета материального баланса является строгое соответствие технологических параметров потока их объемным или весовым величинам, которое выражается в форме концентрации жидкой фазы (г/дм³) и процентных долей в твердой фазе.

Общая весовая масса материального потока на отдельных узлах, переделах и ветвях полного технологического цикла является аналитическим фактором, который позволяет:

В таблице № 1 представлена структура эксплуатационных расходов на производство 1 тонны глинозема по четырем вариантам, где за 100 % приняты соответствующие данные по варианту № 3. В качестве критериев оценки вариантов приняты суммарные сырьевые и энергетические расходы, полная себестоимость глинозема и поэлементные сырьевые и энергетические расходные нормативы.

Структура эксплуатационных затрат в себестоимости 1 тонны глинозема, производимого по вариантам переработки тиманского боксита, %

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в варианте № 1 все параметры, за исключением расхода товарной извести, отражают минимальный уровень затрат, меняющийся от 33 до 98 % по отношению к варианту №3. Наибольший эффект привносит экономия условного топлива, щелочных материалов и электрической энергии.

Варианты №№ 2 и 4 занимают по отношению к аналогу промежуточное положение: например, по себестоимости и сырьевым расходам они уступают варианту № 3, но по энергетическим показателям значительно выигрывают. Эти же варианты, по отношению к варианту № 1, также уступают по величине всех рассмотренных параметров, за исключением расхода тепловой энергии, где ее фактическое потребление находится примерно на одинаковом уровне.

При сравнении различных технологических схем переработки бокситов важным критерием выбора оптимального варианта становится суммарный вес непрерывно перемещаемой массы жидкой и твердой фазы. В единичном значении, например, на 1 тонну глинозема, этот массив составляет сотни тонн, а в пересчете на часовой поток - десятки тысяч тонн.

Единственным определителем соответствующей потребности в оборудовании и территории становится величина материального потока, которая может быть получена только в результате детального балансового расчета по предложенной математической модели. В таблице № 2 представлены обобщенные данные соответствующего расчета по четырем альтернативным вариантам, которые для большей наглядности дифференцированы по отдель-ным аппаратурным узлам общей технологической линии.

Основные составляющие материального потока при производстве 1 тонны глинозема из низкокачественного тиманского боксита.

Из таблицы 2 видно, что величина суммарного материального потока при производстве 1 тонны глинозема меняется от варианта к варианту, при этом минимальный уровень нагрузки присущ варианту № 2, а максимальный - варианту № 3. И то, и другое значение определяется разностью величины потоков в ветви спекания. Вариант № 1 характеризуется предельно низким уровнем материального потока в ветви спекания и минимальным - в ветви Байера, что дает ему преимущество при выборе оптимального варианта.

Дифференцированные данные материального потока свидетельствуют о примерном равенстве весовых нагрузок на переделах выщелачивания боксита, на красной стороне, на белой стороне и на узле обработки клинкера в вариантах №№ 1-2-3, которые составляют 33 - 39 тонн / тонну глинозема. В варианте № 4 - классический Байер - эти нагрузки несколько выше, вследствие большей нагрузки по обрабатываемому бокситовому сырью.

Для осуществления непрерывности технологического процесса необходимо, чтобы многотонная масса суспензий и растворов была заключена в объемы многочисленного крупногабаритного оборудования, связанного стальными многокилометровыми трубопроводами. Это обстоятельство формирует такой важный критерий сравнительной оценки, как металлоемкость и необходимые площадки для размещения основного технологического оборудования на открытой местности и в зданиях и сооружениях, преимущественно одно-двухэтажного исполнения.

В таблице № 3 представлены расчетные данные величин металлоемкости основного оборудования, типоразмеры которого были выбраны по справочникам [2, 3] и каталогам заводов-изготовителей. Основанием для выбора типа оборудования и его количества являлась требуемая суммарная производительность, соответствующая величине часового материального потока (т / час) в необходимой точке технологической линии, которая определяется задаваемой мощностью нового производства, в данном случае равной 1,00 млн. тонн глинозема в год.

Расчетная металлоемкость основного технологического оборудования в различных вариантах переработки низкокачественного тиманского боксита

Приведенные данные по суммарной металлоемкости четырех альтернативных вариантов свидетельствуют об очевидном преимуществе варианта № 1, в котором вес технологического оборудования минимален, при этом он в 1,41 раза меньше веса оборудования в варианте №3.

Как видим, общий вес основного оборудования в ветви Байера альтернативных вариантов №№1, 2, 3 практически одинаков. В варианте №4 общая и частная металлоемкость выше на 25%, что объясняется отсутствием спекательного передела в этой схеме переработки боксита. Вес технологического оборудования на узлах автоклавного выщелачивания, красной стороны и двух кальцинаций в вариантах №№1-2-3 оказался сопоставимым по величине и в среднем составил 5176 тонн на каждый передел. Также сопоставимыми по весу металла оказались два передела - сырьевой блок с мокрым размолом и две выпарки, совместно, где средняя металлоемкость составила 3328 тонн. Наиболее весомым в указанных вариантах оказался передел белой стороны, где средняя металлоемкость составила 11210 тонн, в связи с применением крупногабаритных и тяжеловесных декомпозеров с механическим перемешиванием.

Обязательным условием протекания технологического процесса является непрерывное перемещение материальной массы жидкой и твердой фазы по трубопроводам и реакционным аппаратам с помощью насосов, а также непрерывное перемешивание суспензий при хранении в буферных емкостях и при нахождении в реакционных аппаратах - шаровые мельницы, автоклавы, отстойники, декомпозеры, фильтры, воздуходувки, дымососы и т.д. Такое условие требует гарантированного обеспечения необходимой мощности электропривода насосов, мешалок, аппаратов и т.п.

В таблице № 4 представлены расчетные данные по величине установочной мощности электрического привода на том стандартном оборудовании, которое было выбрано при расчете металлоемкости технологического цикла.

Расчетная установочная электрическая мощность привода основного технологического оборудования в различных вариантах переработки тиманского боксита

Приведенные данные свидетельствую о том, что суммарная электрическая мощность привода оборудования сопоставима по величине в вариантах №№1, 2, и 4 при этом минимальный уровень энергопотребления достигается в способе Байера. Максимальный уровень энергозатрат характерен для варианта №3 - последовательная схема Байер - спекание, где мощность электропривода в 1,54 раза выше соответствующего показателя в варианте №1 - гидрогранатовая технология.

Структура энергонасыщенности оборудования в вариантах с комбинированной схемой переработки сырья определяется потреблением энергии в переделе спекания. В частности, в варианте №3 (последовательная схема) суммарная мощность электропривода в ветви спекания составляет 50,8% от общего энергопотребления; в варианте №2 (параллельная схема) этот показатель равен 26,0%, а в варианте №1 - всего 7,3%.

Таким образом, результаты сравнительного анализа четырех схем переработки тиманских бокситов указывают на то, что наибольшая эффективность достигается в варианте №1. Использование гидрогранатовой технологии обеспечивает достижение низкой себестоимости 1 тонны глинозема, минимальных расходов условного топлива, щелочных материалов и электрической энергии, а также обуславливает минимизацию уровней суммарного материального потока, металлоемкости и энергопотребления основного технологического оборудования.

Список литературы:

РЕФЕРАТ

Выполнен сравнительный анализ четырех принципиальных схем переработки тиманского боксита. Сравнение проведено по расчетным уровням эксплуатационных затрат металлоемкости, энергонасыщенности структуры энергопотребления и инвестиционным расходам.

Определено, что гидрогранатовая технология переработки тиманских бокситов является оптимальным техническим решением для строительства нового глиноземного завода.