12 февраля 2021 года на экспериментальной установке EMQU-Technology (USA) по переработке красного шлама в интересах компании РУСАЛ были проведены ОПИ, в результате которых было показано, что с высокой прибыльностью возможно извлечение с 1 т красного шлама: 0,35 т чугуна, 0,18 т оксида алюминия, 0,06 т щелочи (при реализации «щелочного» варианта технологии), а также отдельно могли быть извлечены РЗМ (по крайней мере, для образца красного шлама, предоставленного РУСАЛ на испытания). Несмотря на то что технология прошла все необходимые экспертизы РУСАЛ и более того, от РУСАЛ поступило коммерческое предложение, EMQU-Technology было вынуждено отказаться от него ввиду неприемлемых коммерческих условий.
Технология 2021 года по-прежнему остается актуальной, как, впрочем, и все существующие на тот период технологические проблемы производств РУСАЛа. Однако за прошедшее время удалось решить многие технологические проблемы, позволившие стать жизнеспособными другим технологиям утилизации красного шлама и безотходной переработки бокситов, а также альтернативного сырья – золы от сжигания угля. Эта публикация посвящена краткому обзору инженерно-технических решений в области технологии производства глинозема и переработки отходов.
Первое решение во многом стало возможным благодаря решению задач энергетики в части электростанций, работающих на низкокалорийном высокозольном топливе, таком как бурый уголь. Такие электростанции, по одному из вариантов концепции их построения, подразумевают электрохимическую газификацию угля в расплаве его золы. Согласно проведенным экспериментам, удалось убедиться в возможности совместной переработки бурого угля и красного шлама, при этом одновременно решаются задачи собственно переработки красного шлама с выделением металлического железа и глинозема и генерации электроэнергии, которая может быть использована для обеспечения, например, основного производства глинозема/алюминия.
Второе решение также стало возможным благодаря решению технических задач в других областях, на этот раз в области мембранных электролизёров и топливных элементов. Несмотря на то что технология была нам хорошо известна и изучена еще в 2021 году, ее промышленная реализация была невозможной вплоть до недавнего времени, когда удалось решить скорее инженерные, чем чисто научные задачи, позволившие существенно снизить как капитальные, так и операционные затраты при реализации технологии. Технология наиболее легко интегрируется в действующее производство и позволяет наиболее полно разделить компоненты красного шлама или альтернативного сырья.
Суть технологии состоит в растворении красного шлама в растворе серной кислоты и электрохимическом осаждении высокочистого железа на нерастворимых электродах. При этом не происходит осаждения РЗМ, которые накапливаются в растворе серной кислоты и могут быть выделены в другом электролизере с соответствующими параметрами напряжения и плотности тока на электродах (металлы в металлической форме) или выделены высаливанием в форме соответствующих сульфатов или оксидов после термического разложения в мягких условиях (например, температура разложения сульфата иттрия всего 120 °C).
Расход электроэнергии на получение электролитического железа в зависимости от конструкции составляет 4000-4200 кВт*ч на 1 тонну железа. При этом в случае использования электроэнергии, приобретенной у ГЭС и АЭС, электролитическое железо не будет попадать под международные и, в частности, европейские налоги на выбросы углерода в атмосферу.
Алюминий в виде его сульфата также переходит в раствор при действии серной кислоты. Сульфат алюминия достаточно легко выделяется в чистом виде за счет высаливания, а далее может быть подвергнут термическому разложению при 580-600 °C с получением серного ангидрида и глинозема. Серный ангидрид связывается раствором серной кислоты с регенерацией ее же в более концентрированной форме. Полученная в ходе утилизации серного ангидрида более концентрированная серная кислота может быть использована вместо органического осадителя как собственно сульфата алюминия, так и сульфатов некоторых РЗМ (за счет разной растворимости сульфатов в сернокислотных растворах). Упрощенная схема разработанного процесса на примере переработки красного шлама представлена на рисунке ниже.
По данным за 2021 год РУСАЛ совместно с НИТУ «МИСиС» разрабатывал технологию переработки каолинов соляной кислотой и к 2034 году планировал построить глиноземный завод производительностью 106 тонн/год. В создаваемой РУСАЛом технологии рассматриваются различные способы удаления железа и электрохимической регенерации соляной кислоты. У НИТУ «МИСиС» есть патенты на электрохимическую очистку растворов от железа, но они не вполне пригодны для переработки красного шлама из-за высокой летучести соляной кислоты и высокой стоимости оборудования, устойчивого к действию соляной кислоты. Кроме того, в этих способах используются растворимые алюминиевые аноды, и часть полученного металлического алюминия возвращается в процесс производства глинозема.
Существенное преимущество второго решения состоит в возможности переработки золошлаковых отвалов или каолинов, используя их в качестве сырья для извлечения глинозема вместо бокситов. Но и бокситы также могут быть переработаны по данной схеме без образования красного шлама и иных отходов, при этом давая выигрыш в операционных затратах на переработку.