технология комплексной переработки кремнеземистых минералов и кальцита

Формула изобретения

1. Технология комплексной переработки кремнеземистых минералов и кальцита, отличающаяся тем, что в составе единого производственного комплекса организуют синхронную работу герметичных реакторов, предназначенных для извлечения кремнезема из кремнеземистого минерала, прогретого до температуры от 400 до 700С, электролизеров для электролиза кремневой кислоты в газовой фазе, соединенных трубопроводами с реакторами и с хранилищами для продуктов электролиза, печей для термического разложения кальцита, соединенных коммуникациями с установками, предназначенными для производства карбаминовокислого аммония, причем в прогретую массу кремнеземистого минерала в реакторах вводят расчетные порции воды под давлением от 320 до 450 бар с целью барботирования его, а также для доведения плотности водяного пара внутри реакторов до 0,1 г/см³, в результате чего кремнезем извлекается из кремнеземистого минерала и образуется кремневая кислота в газовой фазе, при электролизе которой получаемый кислород используют для производства азотной кислоты, из водорода и атмосферного азота синтезируют аммиак, применяемый для утилизации диоксида углерода, образующегося при термическом разложении кальцита, с получением карбаминовокислого аммония, а осаждающийся в электролизерах диоксид кремния используют для изготовления изделий из кварцевого стекла.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области разработки способов утилизации всех полезных компонентов, извлекаемых при переработке кремнеземистых минералов и кальцита, за счет синхронизации зависимых друг от друга технологических процессов.

Уровень техники.

До самого конца двадцатого века самым распространенным методом первичной переработки кальцита было его термическое разложение на оксид кальция, остающийся в нагревательных печах, и на диоксид углерода в газообразном состоянии, который смешивался с продуктами сжигания углеводородного топлива (например, природного газа) и при температуре около 1000 градусов по Цельсию выводился из печей. На некоторых предприятиях осуществляют выделение диоксида углерода из дымовых газов с целью использования его в других химических процессах, но чаще всего диоксид углерода вместе с дымовыми газами просто выбрасывают в атмосферу, нанося непоправимый ущерб экологии тех населенных пунктов, где размещены такие предприятия. При организации термического разложения кальцита в печах, в которых внутренний рабочий объем печи изолирован от окружающей среды, а нагрев кальцита осуществляют с использованием принципов, изложенных в описании к патенту Российской Федерации № 2217390 С2, МКИ 7 С 03 В 5/04, от 11.01.2002, образующийся диоксид углерода не смешивается ни с какими дымовыми газами, а это упрощает технологию его утилизации. В связи с тем, что при термическом разложении каждой тонны кальцита масса негашеной извести (оксида кальция) составляет 560 кг, а на долю диоксида углерода приходится 440 кг, то для хранения 440 кг диоксида углерода потребовались бы хранилища объемом не менее 220 кубометров, если не утилизировать его, например, осуществлением химической реакции взаимодействия аммиака и диоксида углерода при температуре около 500 градусов по Цельсию. Аммиак для утилизации диоксида углерода можно производить вблизи от печей для термического разложения кальцита на собственном оборудовании, но для синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода необходимо иметь надежный и относительно недорогой источник получения водорода. До самого последнего времени водород в больших объемах получали в основном за счет уничтожения углеводородного сырья.

Существующие технологии извлечения кремнезема из кремнеземистых минералов требуют сначала произвести растворимое стекло, являющееся единственным доступным сырьевым источником для получения кремнезема, для чего в пункт размещения перерабатывающего предприятия необходимо доставить соду или щелочь, масса которых составляет половину массы кремнеземистых минералов, а для осаждения кремнезема из растворимого стекла необходимо доставить кислоты (Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991, с 151). Кроме этого, известен “Способ подавления флотации кремнезема или кремнийсодержащих пород при флотации минералов”, описанный в патенте US № 5057209, МКИ 5 В 03 D 1/01, 1/008, 1/2, опубликованном 15.10.1991, при реализации которого необходимо безвозвратно уничтожать углеводородное сырье или продукты его переработки.

Раскрытие изобретения.

Технология комплексной переработки кремнеземистых минералов и кальцита включает использование оборудования для извлечения кремнезема из кремнеземистого минерала, находящегося в реакторе при температуре от 400 до 700 градусов по Цельсию, за счет воздействия на кремнеземистый минерал водяным паром, имеющим плотность около 0,1 грамм в кубическом сантиметре и давление от 320 до 450 бар за счет ввода в реактор расчетных порций воды, в результате чего образуется кремниевая кислота в газовой фазе, которую направляют из реактора в электролизеры известной конструкции для получения кислорода и водорода, а также для осаждения кремнезема. Выводимый из электролизеров кислород можно использовать для получения таких ценных химических продуктов, как, например, азотной кислоты. Электролизный водород можно использовать для синтеза аммиака, который в результате химического взаимодействия с диоксидом углерода, образующимся при термическом разложении кальцита, преобразуется в карбаминовокислый аммоний.

Осуществление изобретения.

Для осуществления комплексной переработки кремнеземистых минералов и кальцита необходимо укомплектовать специализированным оборудованием несколько производств, функционирование которых организуют синхронно, чтобы снизить затраты на временное хранение тех полупродуктов, которые получают в одном производстве, а используют в химических процессах другого производства.

Производство № 1, предназначенное для извлечения кремнезема из широко распространенных на планете Земля кремнеземистых минералов, которые легко поддаются измельчению, каким, например, является трепел с содержанием диоксида кремния около 85 процентов, должно включать:

1. реакторы из высокопрочных жаростойких материалов с наружной тепловой изоляцией, предназначенные для проведения химических процессов под давлением до 500 бар при температурах до 1500 градусов по Цельсию;

2. электролизеры, предназначенные для выделения из кремневой кислоты в газовой фазе водорода, кислорода, а также для осаждения кремнезема;

3. хранилища для временного размещения продуктов, образующихся при электролизе кремневой кислоты в газовой фазе;

4. оборудование для подготовки кремнеземистого минерала к загрузке в реакторы;

5. нагнетатели для создания высокого давления воды, впрыскиваемой в реакторы;

6. линии по переработке отходов, образующихся после извлечения кремнезема из кремнеземистого минерала.

Технология извлечения кремнезема из кремнеземистых минералов включает следующие основные операции:

1. прогрев загруженного в реактор минерала известными способами, например, за счет пропуска по трубам, размещенным внутри реактора, продуктов полного окисления водорода кислородом, имеющим температуру около 2600 градусов по Цельсию, как это описано в патенте Российской Федерации № 2217390 С2 МКИ 7 С 03 В 5/04, от 11.01.2002 г.;

2. многократное введение в реактор расчетных порций воды для доведения плотности образующегося в реакторе водяного пара не менее чем до 0,1 грамма в кубическом сантиметре, а также для барботирования кремнеземистого минерала в реакторе;

3. вывод из реактора в электролизеры кремневой кислоты в газовой фазе, образовавшейся в результате воздействия на кремнеземистый минерал водяного пара с температурой от 400 до 700 градусов по Цельсию при давлении от 320 до 450 бар;

4. разделение в электролизерах кремневой кислоты на водород, кислород и кремнезем;

5. обеспечение сохранности продуктов электролиза в специальных хранилищах при невозможности передачи в другие производства по мере выхода из электролизеров.

Производство № 2, предназначенное для термического разложения кальцита и утилизации получаемых при этом химических продуктов, должно включать следующее оборудование:

1. печи известной конструкции, обеспечивающие прогрев кальцита до 1000 градусов по Цельсию;

2. коммуникации, предназначенные для транспортирования диоксида углерода, образующегося при термическом разложении кальцита, в специализированные хранилища в случаях неготовности установок по производству карбаминовокислого аммония к приему всего объема вырабатываемого диоксида углерода;

3. коммуникации, предназначенные для транспортирования оксида кальция (негашеной извести) из внутреннего объема печей для термического разложения кальцита в накопительные складские емкости, откуда эта продукция будет выдаваться потребителям или грузиться в транспортные средства;

4. бункеры для приема шлама, оставшегося после вывода диоксида углерода и оксида кальция из печей для термического разложения кальцита;

5. технологические установки, предназначенные для утилизации шлама. Производство № 3, предназначенное для осуществления химических реакций по преобразованию полупродуктов, полученных в производствах № 1 и № 2, должно включать следующее основное оборудование:

1. колонны для синтеза аммиака из электролизного водорода, который образуется в процессе электролиза кремневой кислоты в производстве № 1, и собственного азота, выделяемого из атмосферного воздуха;

2. установки для присоединения диоксида углерода, образующегося в процессе термического разложения кальцита в производстве № 2, к собственному аммиаку с целью получения карбаминовокислого аммония, который при нагревании до 190 градусов по Цельсию под давлением в 200 бар преобразуется в карбамид;

3. установки для осуществления так называемого “прямого синтеза” азотной кислоты из электролизного кислорода, который образуется в в процессе электролиза кремневой кислоты в производстве № 1, и собственного азота, выделяемого из атмосферного воздуха;

4. емкости из алюминия для хранения очень концентрированной азотной кислоты (крепость до 98 процентов);

5. комплекс устройств для загрузки железнодорожных цистерн азотной кислотой.

В случае недостаточности объема водорода, получаемого в процессе электролиза кремневой кислоты в газовой фазе, для синтеза такой массы аммиака, которая требуется для полной утилизации всего диоксида углерода, образующегося при термическом разложении кальцита, необходимо иметь оборудование для дополнительного производства водорода известными способами. Например, по способу, описанному в патенте Российской Федерации № 2142066 С1 МКИ 6 F 03 В 13/00, С 01 В 3/08 от 25.06.1997, дешевый водород можно получать путем анодного растворения натрия в этиловом спирте с последующим гидролизом образовавшегося при этом этилата натрия с целью восстановления исходной массы этилового спирта и получения гидроксида натрия.

Для составления представления о производственных возможностях комбината, размещенного вблизи месторождения кремнеземистых минералов с годовой добычей около трех миллионов тонн и использующего привозной кальцит объемом до двух миллионов тонн для комплексной их переработки, приводится перечень готовой продукции, которую можно произвести на вышеперечисленном оборудовании:

1120000 тонн негашеной извести;

1200000 тонн карбамида;

1600000 тонн диоксида кремния (так называемой “белой сажи”);

1900000 тонн азотной кислоты.

В случае переплавки на месте диоксида кремния в кварцевое стекло объем поставок листового стекла толщиной 5 миллиметров может составить 145 миллионов квадратных метров.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации № 2217390 С2, МКИ 7 С 03 В 5/04, от 11.01.2002.

2. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991, с.151.

3. Патент US № 5057209, МКИ 5 B 03 D 1/01, 1/008, 1/2 от 15.10.1991 (прототип).

4. Патент Российской Федерации № 2142066 C1, МКИ 6 F 03 В 13/00, С 01 В 3/08, от 25.06.1997.