Обзор мировой практики переработки красных шламов. Часть 1. Пирометаллургические способы

В обзоре проанализированы работы, направленные на поиск эффективного решения проблемы переработки красных шламов (остатков боксита) - отходов, образующихся в процессе производства глинозема способом Байера. В зависимости от состава исходных бокситов и технологии в процессе производства 1 т глинозема образуется от 0,9 до 1,5 т этих отходов. На сегодняшний день накоплено около 4 млрд т красных шламов. Основное их количество не перерабатывается, а складируется в специальные шламохранилища, что приводит к опасному загрязнению окружающей среды. В 2010 г. в Венгрии произошел прорыв шламохранилища, в результате чего около 700 тыс. м3 шламов были выброшены в окружающую среду, что привело к гибели 10 человек, разрушению около 350 домов и загрязнению значительных территорий. Несмотря на то, что красные шламы, полученные на разных заводах, значительно отличаются по химическому и фазовому составу, основной их составляющей являются минералы, содержащие железо. Поэтому они могут быть рассмотрены, в первую очередь, как источник сырья для металлургической промышленности. В обзоре изучены пирометаллургические технологии переработки красных шламов, включающие как способы низкотемпературного восстановления при температурах 1050 - 1200 °С, так и восстановительную плавку. Рассмотрены способы утилизации получаемых шлаков, которые могут быть использованы для извлечения глинозема, титана и РЗМ, получения строительных материалов, таких как цементы различных марок, минеральная вата и флюсовые материалы для металлургии. Изучены также способы обесщелачивания, сушки и окускования красных шламов. Показано, что наиболее перспективными с точки зрения утилизации большого количества шламов и исключения образования дополнительных отходов являются пирометаллургические технологии, которые позволяют выделять железо в отдельный продукт, а полученный шлак использовать для производства строительных материалов или металлургических флюсов. Настоящая работа является первой из трех связанных статей, рассматривающих мировой опыт рециклинга красных шламов различными способами.

1. Zhang R., Zheng S., Ma S., Zhang Y. Recovery of alumina and alkali in Bayer red mud by the formation of andradite-grossularhydrogarnet in hydrothermal process // Journal of Hazardous Materials. 2011. Vol. 189. P. 827 - 835.

2. Evan K. The history, challenges and new developments in the management and use of bauxite residue // Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. P. 316 - 331.

3. Трушко В.Л., Утков В.А., Бажин В.Ю. Актуальность и возможности полной переработки красных шламов глиноземного производства // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С.547 - 553.

4. Актуальные аспекты экологически чистого производства и рециклинга металлов / Н.Н. Мартынов, Н.А. Мартынова, П.И. Черноусов, А.Н. Пыриков. - М.: Роликс, 2014. - 256 с.

5. Zhaobo L., Hongxu L. Metallurgical process for valuable elements recovery from red mud - a review // Hydrometallurgy. 2015. Vol. 155. P. 29 - 43.

6. Kaussen F., Friedrich B. Reductive smelting of red mud for iron recovery // Chemie Ingenieur Technik. 2015. Vol. 87. No. 11. P. 1535 - 1542.

7. Anton A., Rekasi M., Uzinger N. eta. Modelling the potential effects of the hungarian red mud disaster on soil properties // Water, Air, & Soil Pollution. 2012. Vol. 223. No. 8. P. 5175 - 5188.

8. Boily R. Twenty cases of red hazard, an inventory of ecological problems caused by bauxite residue from alumina production // Conference paper in Inforex on October 3, 2012, Larval, Quebec, Canada. Available at URL: www.orbitealuminae.com/media/upload/filings/Twenty_Cases_of_Red_Hazard_-_PublicVF.pdf (Accessed 15.06.2018).

9. Mayes W.M., Jarvis A.P., Burke I.T. Dispersal and attenuation of trace contaminants downstream of the Ajka bauxite residue (red mud) depository failure, Hungary // Environmental Science & Technology. 2011. Vol. 45. No. 12. P. 5147 - 5155.

10. Grenerczy G., Wegmuller U. Persistent scatterer interferometry analysis of the embankment failure of a red mud reservoir using ENVISAT ASAR data // Natural Hazards. 2011. Vol. 59. P. 1047 - 1053.

11. Tsakiridis P.E., Agatzini-Leonardou S., Oustadakis P. Red mud addition in the raw meal for the production of Portland cement clinker // Journal of Hazardous Materials. 2004. Vol. 116. No. 1 - 2. P. 103 - 110.

12. Cakici A.I., Yanik J., Karayildirim S.U.T., Anil H. Utilization of red mud as catalyst in conversion of waste oil and waste plastics to fuel // Journal of material cycles and waste management. 2004. Vol. 6. No. 1. P. 20 - 26.

13. Power G., Grafe M., Klauber C. Bauxite residue issues: I. Current management, disposal and storage practices // Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. No. 1 - 2. P. 33 - 45.

14. Klauber C., Grafe M., Power G. Bauxite residue issues: II. Options for residue utilization // Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. No. 1 - 2. P. 11 - 32.

15. Grafe M., Power G., Klauber C. Bauxite residue issues: III. Alkalinity and associated chemistry // Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. No. 1 - 2. P. 60 - 79.

16. Grafe M., Klauber C. Bauxite residue issues: IV. Old obstacles and new pathways for in situ residue bioremediation // Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. No. 1 - 2. P. 46 -59.

17. Liu Y., Naidu R., Ming H. Red mud as an amendment for pollutants in solid and liquid phases // Geoderma. 2011. Vol. 163. No. 1 - 2. P. 1 - 12.

18. Liu Y., Naidu R. Hidden values in bauxite residue (red mud): recovery of metals // Waste Management. 2014. Vol. 34. No. 12. P. 2662 - 2673.

19. Пирометаллургическая переработка комплексных руд / Л.И. Леонтьев, И.А. Ватолин, С.В. Шаврин, И.С. Шумаков. - М.: Металлургия, 1997. - 432 c.

20. Lima M.S.S. eta. Red mud application in construction industry: review of benefits and possibilities // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 251. P. 1 - 10.

21. Binnemans K., Jones P.T., Blanpain B. etc. Towards zero-waste valorization of rare-earth-containing industrial process residues: A critical review // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 99. P. 17 - 38.

22. Быховский Л.З., Архангельская В.В., Тигунов Л.П., Ануфриева С.И. Скандий России: перспективы освоения минеральносырьевой базы и развития производства. - М.: ВИМС «Минеральное сырье». Серия геолого-экономическая, № 22. 2007. - 45 c.

23. Li L.Y. Properties of red mud tailings produced under varying process conditions //Journal of Environment Engineering. 1998. Vol. 124. No. 3. P. 254 - 264.

24. Li L.Y., Rutherford G.K. Effect of bauxite properties on the settling of red mud // International Journal of Mineral Processing. 1996. Vol. 48. No. 3 - 4. P. 169 - 182.

25. Pradhan J., Das S.N., Das J. etc. Characterization of Indian red muds and recovery of their metal values // Conference paper on: Annual meeting and exhibition of the Minerals, Metals and Materials Society 4 - 8 February, 1996, Anaheim, CA (United States). P. 87 - 92.

26. Roach G.I.D., Jamieson E., Pearson N., Yu A.B. Effect of particle characteristics on the solids density of Bayer mud slurries // Chapter in Book: Light Metals, TMS, 2001, New Orleans. P. 51 - 58.

27. Zhang P.X., Zhou X.L, Shangguan C.C. Recovering iron from red mud with high gradient magnetic separator //Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 644 - 650. P. 5447 - 5450.

28. Fofana M., Kmet S., Jakabsky S. Treatment of red mud from alumina production by high-intensity magnetic separation // Magnetic and Electcal Separation. 1995. Vol. 6. P. 243 - 251.

29. Li Y., Chen H., Wang J. Research on red mud treatment by a circulating superconducting magnetic separator // Environmental Technology. 2014. Vol. 35. No. 10. P. 243 - 249.

30. Podgorodetskii G.S., Gorbunov V.B., Korovushkin V.V. eta. Structure of the red mud from Ural Aluminum Plant after heat treatment in reducing gas // Steel in Translation. 2012. Vol. 42. No. 5. P. 379 - 386.

31. Chun T. J., Zhu D. Q., Pan J. eta. Preparation of metallic iron powder from red mud by sodium salt roasting and magnetic separation // Canadian Metallurgical Quarterly. 2014. Vol. 53. No. 2. P. 183 - 189.

32. Zhu D.Q., Chun T.J., Pan J. eta. Recovery of iron from high-iron red mud by reduction roasting with adding sodium salt // Journal of Iron and Steel Research International. 2012. Vol. 19. No. 8. P. 1 - 5.

33. Rao M.J., Zhuang J.Q., Li G.H. eta. Iron recovery from red mud by reduction roasting-magnetic separation // Proceedings of the symposia TMS Light Metals on March 3 - 7, 2013, San Antonio, Texas, USA. P. 125 - 130.

34. Li G.H., Liu M.X., Rao M.J. Stepwise extraction of valuable components from red mud based on reductive roasting with sodium salts // Journal of Hazardous Materials. 2014. Vol. 280. P. 774 - 780.

35. Huang Z.C., Cai L.B., Zhang Y.B. etc. Reduction of iron oxides of red mud reinforced by Na2CO3 and CaF2 // Journal of Central South University (science and technology). 2010. Vol. 41. No. 3. P. 838 - 844.

36. Liu W.C., Yang J.K., Xiao B. Application of Bayer red mud for iron recovery and building material production from alumosilicate residues // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 161. No. 1. P. 474 - 478.

37. Liu W.C., Yang J.K., Xiao B. Recovering iron and preparing building material with residues from Bayer red mud // The Chinese journal of nonferrous metals. 2008. Vol. 18. No. 1. P. 187 - 192.

38. Грудинский П.И., Дюбанов В.Г., Зиновеев Д.В., Железный М.В. Исследование процессов твердофазного восстановления и роста зерен железа в красном шламе в присутствии солей щелочных металлов // Металлы. 2018. № 6. C. 1 - 8.

39. Liu Y., Zhao B., Yang T. Recycling of iron from red mud by magnetic separation after co-roasting with pyrite // Thermochimica Acta. 2014. Vol. 588. P. 11 - 15.

40. Liu Y.J., Zuo K.S., Yang G. Recovery of ferric oxide from Bayer red mud by reduction roasting-magnetic separation process // Journal of Wuhan University of Technology Material Science Edition. 2016. Vol. 31. No. 2. P. 404 - 407.

41. Xue Q.-H., Chen Y.-W. Experimental study of iron recovering from high iron contained red mud by Bayer process // KuangwuYanshi journal of mineralogy and petrology. 2011. Vol. 31. No. 4. P. 7 - 12.

42. Li X.B., Xiao W., Liu W. Recovery of alumina and ferric oxide from Bayer red mud rich in iron by reduction sintering // Transactions of nonferrous metals society of China. 2009. Vol. 19. P. 1342 - 1347.

43. Liu W., Zhang L. eta. Experimental and simulative study on phase transformation in Bayer red mud soda-lime roasting system and recovery of Al, Na and Fe // Minerals Engineering. 2012. vol. 39. P. 213 - 218.

44. Bhoi B., Rajput P., Mishra C.R. Production of green direct reduced iron (DRI) from red mud of Indian Origin: A Novel Concept. Conference paper on: Proceedings of 35th International ICSOBA Conference, 2 - 5 October. 2017. Hamburg, Germany.

45. Cong Y.L., He Z.J., Zhang J.H., Pang Q.H. Experimental study on iron recovery by microwave carbon heat reduction-magnetic separation from red mud // Metalurgija. 2018. Vol. 57. No. 1 - 2. P. 75 - 78.

46. Корнеев В.И. Сусс А.Г., Цеховой А.И. Красные шламы. Свойства, складирование, применение. - М.: Металлургия, 1991. - 144 c.

47. Утков В.А., Николаев С.А., Сизяков В.М. и др. Опыт освоения подготовки и использования отвальных шламов глиноземного производства // Металлург. 2008. № 11. С. 60 - 62.

48. Panagiotis M. Angelopoulos, Balomenos E., Taxiarchou M. Thin-layer modeling and determination of effective moisture diffusivity and activation energy for drying of red mud from filter presses // Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. No. 4. P. 344 - 352.

49. Лайнер А.И., Коленкова М.А. Некоторые пути рационализации производства глинозема // Изв. вуз. Цветная металлургия. 1958. № 3.

50. Шмигидин Ю.И., Рыцк Л.М. Исследование физических и фильтрационных свойств красных шламов от переработки импортных бокситов // Исследование сырья, аппаратуры и технологии глиноземного производства: Сб. тр. - Санкт-Петербург: Всесоюзный алюминиево-магниевый институт, 1991. С. 55 - 61.

51. Григорьев Г.Д. Исследование технологии комплексной переработки высокожелезистого алюминиевого сырья: Автореф. дисс. ... к-та техн. наук. - Ленинград: Всесоюзный алюминиево-магниевый институт, 1971. - 23 с.

52. Архипов О.А., Волкова П.И., Павлов Ф.Н. Переработка красных шламов на чугун, саморассыпающийся глиноземистый шлак и цемент // Цветная металлургия. 1962. № 20.

53. Еремин Н.И., Григорьева Г.Д., Козлов В.М. Разработка технологии комплексной переработки бокситов // Изв. вуз. Цветная металлургия.1975. № 6. С. 166 - 168.

54. Миллер В.Я., Иванов А.И., Утков B.A. Поведение серы и щелочей при агломерации красных шламов // Журнал прикладной химии. 1965. № 11. С. 57 - 60.

55. Иванов А.И. Исследование поведения щелочи при комплексной переработке кра^ых шламов алюминиевых заводов: Автореф. дисс. . к-та техн. наук. - Свердловск: Уральский политехнический институт, 1964. - 12 с.

56. Зелесская С.В. Десульфурация в процессе агломерации и восстановительной плавки агломератов красного шлама // Тр. по химии и химической технологии: Сб. тр. - Горький, 1969. Вып. 2.

57. Гагарина И.М., Мещерякова Н.И., Яковлев Л.С. Производство частично металлизованных окатышей из красных шламов // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 1972. № 19.

58. Утков В.А., Леонтьев Л.И., Матяш В.Г. и др. Исследование процессов восстановления окускованного красного шлама // Исследование новых процессов и аппаратов в производстве глинозема и попутных продуктов: Сб. тр. - Ленинград: Всесоюзный алюминиево-магниевый институт, 1985.

59. Танутров И.Н, Свиридова М.Н., Савеня А.Н. Новая технология совместной переработки техногенных отходов // Металлургия цветных металлов. 2013. № 1. С. 21 - 26.

60. Pat. 657170 US. Gas-solid reaction / Ban T.E., Goetzman H.E. 1967.

61. Ning G., Zhang B., Liu C. etc. Large-scale consumption and zero-waste recycling method of red mud in steel making process // Minerals. 2018. Vol. 8. No 102. P. 1 - 16.

62. Пат. 2441927 RU. Способ переработки шламов глиноземного производства / Е.А. Анциферов, И.М. Щадов, К.С. Елкин. и др.; заявл. 15.03. 2010; опубл.10.02.2012. Бюлл. № 14.

63. Пат. 2479648 RU. Способ пирометаллургической переработки красных шламов / Голубев А.А., Гудим Ю.А.; заявл. 07.11. 2011; опубл. 20.04.2013.

64. Пат. 2245371 RU. Способ переработки красного шлама глиноземного производства / Е.А. Коршунов, С.П. Буркин, Ю.Н. Логинов и др.; заявл. 02.03. 2003; опубл. 27.01.2005. Бюл. № 3.

65. Pat. 0113925 A1 US. Method and system for processing red mud / Philippe K., Perry D. 2011.

66. Balomnenos E., Kastritis D., Panias D. etc. The Enexal bauxite residue treatment process: industrial scale pilot plant results // Chapter in Book: Light Metals. TMS. 2014. P. 143 - 147.

67. Зиновеев Д.В., Дюбанов В.Г., Шутова А.В., Зиняева М.В. Реци-клинг красных шламов с получением металла и специальных добавок в цемент // Металлы. 2015. № 1. C. 22 - 24.

68. Borra C.R., Blanpain B., Pontikes Y. etc. Smelting of bauxite residue (red mud) in view of iron and selective rare earths recovery // Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. No. 1. P. 28 - 37.

69. J. Hu, Y. Li, K. Wu etc. The exploration on synthesis of calcium aluminate and Fe-Si alloys using red mud and aluminum dross //Advanced Materials Research. 2010. Vol. 97 - 101. No. 1. P. 1104 - 1108.

70. Архипов О.А. Полупромышленные испытания технологической схемы комплексной переработки красных шламов // Комплексная переработка полиметаллического сырья: Сб. тр. - М.: Металлургия, 1965.

71. Кудинов Б.З., Бычин А.И., Леонтьев Л.И. и др. Полупромышленные испытания схемы металлургической переработки красных шламов во вращающихся печах // Цветные металлы. 1967. № 1. С. 46.

72. Бычин А.И., Кудинов Б.З. Перспективы комплексной металлургической переработки красных шламов // Цветные металлы. 1963. № 2. С. 49 - 52.

73. Еремин Н.И. Способы комплексной переработки красных шламов с получением металлического железа: В кн. «Комплексное использование бокситов». Матер. совещания специалистов ВА-МИ-ФКИ 25 - 27 сентября 1970 г. - Будапешт, 1972.

74. Pat. 557341 US . Method for treatment of red mud / R. G. Dobos, Z. Felfoldi eta. 1975.

75. Пат. 2356955 RU. Способ получения алюмокальциевых шлаков / Первушин Н.Г., Первушина В.П., заявл. 24.04.2007; опубл. 27.05.2009. Бюл. № 15.

76. Kaussen F., Sofras I. A., Friedrich B. Carbothermic reduction of red mud in an EAF and subsequent recovery of aluminium from the slag by pressure leaching in caustic solution // Conference paper in: Bauxite residue valorisation and best practices, 5 - 7 October. 2015. Leven, Belgium.

77. Kaben F.M., Friedrich B. Phase characterization and thermochemical simulation of (landfilled) bauxite residue (“red mud”) in different alkaline processes optimized for aluminum recovery // Hydrometallurgy. 2018. Vol. 176. P. 49 - 61.

78. Пат. 2428490 RU. Способ переработки красных шламов / Первушин Н.Г., Первушина В.П., заявл. 11.06.2009; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

79. Pat. 204216 US. Method for processing of red mud / L. Kapolyi, F. Lazar, B. Galauner etc. 1971.

80. Ercag E., Apak R. Furnace smelting and extractive metallurgy of red mud: recovery of TiO2 , Al2O3 and pig iron // Journal of chemical technology and biotechnology. 1997. No. 70. P. 241 - 246.

81. Alkan G., Xakalashe B., Yagmurlu B. etc. Conditioning of red mud for subsequent titanium and scandium recovery - a conceptual design study // World of Metallurgy - ERZMETALL. 2017. Vol. 70. No. 2. P. 241 - 246.

82. Yagmurlu B., Alkan G., Xakalashe B. etc. Combined SAF smelting and hydrometallurgical treatment of bauxite residue for enhanced valuable metal recovery. Travaux 46. Proceedings of 35th International ICSOBA Conference 2 - 5 October. 2017. Hamburg, Germany.

83. Пат. 2086659 RU. Способ переработки железоглиноземистого сырья / С.П. Буркин, Ю.Н. Логинов и др., заявл. 03.09.1993; опубл. 10.08.1997. Бюл. № 22.

84. Кожевников Г.Н., Водопьянов А.Г., Паньков В.А., Кузьмин Б.П. Совместная комплексная переработка бокситов и красных шламов // Цветные металлы. 2013. № 12. С. 36 - 39.

85. He A., Zeng J. Direct preparation of low Ni-Cr alloy cast iron from red mud and laterite nickel ore // Materials and Design. 2017. Vol. 115. P. 433 - 440.

86. Пат. 2179590 RU. Способ утилизации красного шлама-отхода глиноземного производства / Щукин В.С., заявл. 18.07.2000; опубл. 20.02.2002. Бюл. № 5.

87. Процесс Ромелт / В.А. Роменец, В.С. Валавин, А.Б. Усачев и др. - М.: МИСиС. Руда и Металлы, 2005. - 400 c.

88. Гудим Ю.А., Голубев А.А. Эффективные способы утилизации отходов металлургического производства Урала // Экология и промышленность России. 2008. № 12. C. 4 - 8.

89. Подгородецкий Г.С., Ширяева Е.В., Горбунов В.Б., Козлова О.Н. Проблемы эффективной переработки красных шламов // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19. № 12. C. 46 - 53.

90. Mukherjee P.S., Bhoi B., Mishra C.R. etc. Production of pig iron from NALCO red mud by application of plasma smelting technology // Chapter in Book: Light Metals. TMS. 2012. P. 99 - 103.

91. Bhoi B., Behera P.R., Mishra C.R. Production of green steel from red mud: a novel concept // Conference paper on: 6th International symposium on high-temperature metallurgical processing 15-19 March. 2015. Walt Disney World, Orlando, Florida, USA.