Тарасова Алёна Николаевна , Мараков Валерий Владимирович

Техническое перевооружение и разработка экономически эффективной технологии переработки сильвинитовых руд и производства хлорида калия

В современных условиях переработка сильвинитовых руд и получение хлорида калия основаны на флотационном и галургическом способах обогащения [1]. Флотационное обогащение включает в себя процессы избирательной гидрофобизации реагентами и переводе калийных минералов в пенный продукт. В данном способе обогащения конечный концентрат содержит 95,3-96,2% хлорида калия. Извлечение полезного компонента не превышает 84-85%, а его содержание в хвостах составляет 2,5-3,0%. При галургическом обогащении, основанном на растворении руды горячим раствором при 120°С и раздельной кристаллизации солей сильвинитовой руды, содержание хлорида калия в концентрате составляет 95-98%, а извлечение хлорида калия из руды не составляет не более 87,5%. Хвосты в галургическом методе содержат хлорид калия от 2,5 до 3%. В результате выщелачивания хлорида калия из сильвинита горячим оборотным щелоком затраты энергии на нагрев 2 м³ щелока при растворении 1 т сильвинитовой руды составляют более 1000 МДж.

Анализ финансово-экономической деятельности предприятий по производству хлорида калия показывает, что основная доля затрат приходится на стоимость ресурсов, используемых в производстве целевых продуктов, удельный вес которых составляет более 52% [2]. Из переменных издержек производства 7% затрат приходится на энергетические затраты, а общепроизводственные удельные расходы составляют более 39,9%.

С целью решения задач повышения эффективности работы технологического оборудования и снижения общепроизводственных расходов проведены комплексные исследования технологических процессов растворения и выщелачивания хлорида калия при галургическом способе переработки сильвинитовых руд. В результате проведенных исследований установлено, что снижение себестоимости продукции в галургическом способе может быть получено в результате сокращения энергетических затрат и снижения общепроизводственных расходов на технологическое оборудование, а также за счет повышения качества готового продукта при прочих неизменных издержках. Повышение эффективности и снижение материальных и энергетических затрат при переработке сильвинитовых руд определяется изменением технологической схемы переработки этих руд. Изменение схемы связано с рассмотрением насыщенных растворов этих руд не просто как растворов электролитов, а как сложной термодинамической системы. С точки зрения термодинамики такие системы наряду с теплопередачей и механической работой расширения (сжатия) характеризуются дополнительными способами и направлениями обмена энергией, которые приводят к существенному изменению характера взаимодействия компонентов системы и баланса сил между ними [3]. Дополнительное направление обмена энергией между компонентами в насыщенных растворах солей обеспечивают внешние физические воздействия на систему, в том числе воздействия в виде электромагнитных полей низкой частоты.

Исследования процессов взаимодействия переменных электромагнитных полей низкой частоты с насыщенными растворами солей показали [4], что обработка насыщенных растворов солей переменными электромагнитными полями низкой частоты приводит к направленному изменению физико-химических свойств растворов и влияет на процессы растворения и кристаллизации солей из растворов. При растворении сильвинитовой руды в щелоке, который предварительно обрабатывался переменным электромагнитным полем, частота изменения которого составила 1 Гц, при температуре растворения Т = 110°С потери хлорида калия с отвалом не превышали 6,57%. Проведение процесса растворения той же руды и того же состава в необработанном щелоке с концентрацией хлорида калия, как и в первом случае, потери хлорида калия с отвалом составили 8,58%. В результате совмещения процессов растворения руды и обработки раствора переменным электромагнитным полем, период изменения которого равен 1 с, потери хлорида калия c отвалом снизились до 1,98%. При этом концентрация хлорида калия в растворе превышает его концентрацию при галургическом обогащении для одной и той же температуры ведения процесса растворения. В результате совмещения процессов растворения и обработки суспензии переменным электромагнитным полем низкой частоты образуются пересыщенные по хлориду калия растворы. Максимальное время нахождения раствора в пересыщенном состоянии соответствует температурам от Т=40°С до Т=50°С. Понижение температуры раствора приводит к интенсивной кристаллизации хлорида калия по всему объёму и образование крупных кристаллов хлорида калия с содержанием KCl в кристалле не более 93%. В случае использования при переработке сильвинитовых руд сложной термодинамической системы технологическая схема получения хлорида калия включает в себя процессы получения пересыщенных по хлориду калия растворов и кристаллизации хлорида калия в объёме пересыщенных растворов [5].

Для оценки эффективности разработанной технологической схемы проведены комплексные испытания галургического процесса растворения руды. Испытания проведены в две стадии, на которых определялось остаточное содержание хлорида калия в руде после растворения. На первой стадии проводилось растворение руды без обработки суспензии низкочастотным полем, а на второй стадии процесс растворения сильвинитовой руды совмещали с обработкой суспензии переменным электромагнитным полем, период изменения которого равен 1 с. Результаты испытаний представлены в табл. 1, где приведены средние значения содержания хлорида калия в серии испытаний. На первой стадии испытаний руда пропускалась только через один аппарат растворения. На второй стадии руда с первого аппарата растворения через обезвоживатель следовала на растворение во второй в технологической схеме аппарат растворения. При испытаниях щелок с переливов аппаратов растворения поступал в холодильник, в объеме которого при понижении температуры щелока до 25ºС хлорид калия кристаллизовался и следовал в обезвоживатель готового продукта. С обезвоживателя щелок подавался на осветление и в начало технологической схемы.

Таблица 1

Результаты средних значений содержания хлорида калия в серии испытаний.

Условия проведения испытаний	Температура опыта, °С	Содержание KCl в растворяющем щелоке, %	Содержание KCl в руде, %	Содержание KCl отвале, %
1 стадия (без обработки полем)	50	11	23,12	10,18
2 стадия (с обработкой полем) после 1 аппарата	50	11	23,12	6,8
2 стадия (с обработкой полем) после 2 аппарата	50	11	7,48	1,13

Химический анализ мокрого продукта после второй стадии испытаний показал, что содержание хлорида калия в продукте составляет более 99,3%. Переработка сильвинитовой руды велась в растворителях вертикального типа. Для исключения процесса перекристаллизации KCl подача руды и щелока производится в противотоке с нижней подачей щелока. Перед подачей в контактирующие аппараты щелок нагревается до Т=50ºС в подогревателе. Образовавшийся хлорид калия следовал в обезвоживатель готового продукта, с которого щелок поступал на осветление и в начало технологической линии. Химический анализ мокрого продукта показывает, что содержание хлорида калия в кристаллах продукта составляет более 99,3%. Поскольку процесс кристаллизации хлорида калия идет из пересыщенных растворов, то кристаллы хлорида калия являются крупными и равных размеров. Из анализа результатов опытно-промышленных испытаний переработки сильвинитовой руды на основе разработанного метода следует, что получение хлорида калия по данной схеме не требует значительных материальных и энергетических затрат. Растворение сильвинитовой руды ведется в растворителях вертикального типа, простых в изготовлении и не сложных в эксплуатации, в сравнении с галургическим растворением, при котором применяются громоздкие шнековые растворители горизонтального типа. Кристаллизация хлорида калия ведется в стандартных кожухотрубных теплообменниках в объеме щелока, и не требует особых термодинамических параметров в отличие от многоступенчатых вакуумкристаллизационных установок при галургическом методе переработке руды. При растворения 1 тонны сильвинитовой руды с использованием разработанного метода при температуре щелока 45 ºС энергетические затраты составили не более 1 МДж. В галургическом методе растворение 1 тонны руды ведется щелоком объемом 2 м³ и при температуре 120 ºС. На нагрев щелока от стандартной температуры (Т₀= 25ºС) при средней теплоемкости щелока с_m=3300 Дж/(кгК) требуется около 750 МДж энергии.

Получение хлорида калия на основе представленного метода исключает использование в технологических процессах химических реагентов и является экологически безопасным. В разработанной технологической схеме растворяющий щелок применяется в цикле, включающем в себя процессы получения пересыщенных по хлориду калия растворов и процесс его кристаллизации из этих растворов. Поэтому, при переработке сильвинитовой руды с применением нового метода исключены процессы накопления и складирования шламов в шламохранилищах жидких отходов. Поскольку получение хлорида калия ведется с применением малогабаритного оборудования, то переработка руды по данному методу может вестись непосредственно в шахте и, тем самым, позволит исключить процесс складирования твердых отходов в солеотвалах.

Таким образом, теоретический анализ и результаты экспериментальных исследований новой технологической схемы переработки сильвинитовых руд свидетельствуют о ее экономической эффективности, применение которой позволит получать хлорид калия высокого качества, с содержанием хлорида калия в готовом продукте более 99,3%. Применение таких аппаратов растворения исключает использование громоздких шнековых растворителей и, тем самым, обеспечивается многократное снижение общепроизводственных удельных расходов в технологическом процессе растворения руды.

Применение в технологических процессах переработки сильвинитовых руд простого и малогабаритных размеров технологического оборудования дают возможность разместить технологическое оборудование непосредственно в шахте и получать целевой продукт непосредственно в шахте.

Список литературы

1. Печковский В.В., Александрович Х.М., Пинаев Г.В. Технология калийных удобрений / Под общей ред/ В.В. Печковского. Минск: "Вышэйш. школа", 1968. 264 с.

2. Любушин Н.П., Лещева В.Б., Дьякова В.Г. Анализ финансово – экономической деятельности предприятия М., 2004. 315 с.

3. Кудинов В.А., Карташев Э.М. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 2000. 261 с.

4. Мараков В.В., Чижова О.В., Куриленкова Ю.А// Химическая промышленность сегодня, 2007. №1.

5. Пат. № 2307790 РФ, МПК С 01 D 3/04, C 01 D 3/08, Опубл. 10.10.2007. Бюл. № 28.