Хлорид вместо сульфата

Эта статья связана с кейсом «Разбор пролетов»

Отказ от пирометаллургии и переход к химическим технологиям получения цветных металлов в Мончегорске параллельно осваивали не только на медной, но и на никелевой ветке. При этом, в отличие от Металлургического цеха (МЦ), который уже остановлен и подлежит полному сносу, внедрение уникальной и экологически чистой технологии выпуска никеля методом электроэкстракции из растворов хлорного растворения никелевого порошка трубчатых печей (НПТП) происходило в течение нескольких лет прямо в действующем цеху.

Проект стартовал в 2013-м, когда в «Норникеле» в соответствии с новой стратегией развития приступили к реконфигурации производства, в результате которого мончегорская площадка КГМК должна была стать единым рафинировочным центром всей компании – в этой логике сам процесс получения никеля необходимо было сделать более современным, эффективным и максимально «чистым» для окружающей среды. Инвестировав более 27 млрд рублей, «Норникель» в конце 2019 года перевел на технологию электроэкстракции все 476 электролизных ванн в Цехе электролиза никеля №2 (ЦЭН-2). С тех пор здесь продолжают настраивать и стабилизировать технологию, разработанную самой компанией и защищенную массой патентов.  

Если объяснять упрощенно, то путь к получению катодного никеля (конечной продукции этой ветки) в Мончегорске стартует в Рафинировочном цехе. Именно туда поступает продукт плавильного передела – файнштейн (сейчас – только из Норильска, до прошлого года – еще и из Плавцеха в пос. Никель; его закрыли в конце декабря 2020-го, вот ссылка на статью об этом). Там его дробят и разделяют на два сульфидных концентрата, медный и никелевый. «По традиционной схеме никелевый концентрат сначала обжигали в печах кипящего слоя, чтобы удалить серу, далее восстанавливали в трубчатых печах, где из оксида никеля получали никель металлический. После этого металлический порошок плавили в анодных электропечах, а полученные растворимые аноды завешивали в электролизные ванны. В течение 28 дней в них происходил процесс растворения анодов с одновременным формированием никелевых катодов. Однако само наличие плавильных печей для производства анодов – хоть медных, хоть никелевых – это, соответственно, выбросы в атмосферу, это потребление воды и электроэнергии, то есть еще и косвенное воздействие на окружающую среду. И все это нужно было только для того, чтобы получить тяжелый растворимый слиток», – объяснил «Кислород.ЛАЙФ» первый заместитель генерального директора – главный инженер Кольской ГМК Максим Рябушкин. 

Неудивительно, что передовые металлургические компании в мире давно отказались от плавки растворимых анодов, исключив этот устаревший, трудоемкий и весьма затратный пиропередел из производственной цепочки. И перешли на т.н. технологию МСLE – хлорное выщелачивание штейна с дальнейшей электроэкстракцией. В этом случае вместо растворимых анодов сырьем для производства товарного металла становится никелевый порошок, получаемый на предшествующем переделе в трубчатых печах (они похожи на большую трубу – отсюда и название), в котором изначально содержится более 80% никеля. Кроме сокращения операционных затрат и потерь металла в процессе производства, эта технология позволяет добиться повышения качества конечной продукции и радикально снизить воздействие на окружающую среду: вместе с дуговой анодной электропечью ликвидируются и выбросы диоксида серы и никельсодержащей пыли в атмосферу.

Выглядит все просто, но в реальности заменить анодный передел высокоэффективным методом электроэкстракции никеля из растворов хлорного растворения НПТП оказалось не так уж и легко. Подобные технологии не продаются «под ключ», а потому внедрению нового передела предшествовала многолетняя исследовательская и проектная работа специалистов «Норникеля» и КГМК в сотрудничестве с учеными института «Гипроникель». Был разработан не только сам метод, но и программа поэтапной интеграции новых процессов в действующее производство. Это позволило провести реконструкцию и модернизацию цеха, не снижая объемов выпуска товарной продукции. По подсчетам КГМК, для запуска новой технологии в ЦЭН-2 понадобилось создать порядка 20 новых производственных участков (например, участок дегазации анолита и компримирования анодных газов, участок фильтрации, участок кондиционирования и др.): одни реконструировали, другие строили с нуля.

Полученный на переделе растворения НПТП концентрированный никелевый раствор проходит поэтапную очистку от примесей в гидрометаллургическом отделении (ГМО). Железо, медь и кобальт осаждаются на модернизированных переделах классической технологии, для очистки от цинка построен и запущен в эксплуатацию новый участок (в старой технологии цинк «улетал» на стадии пирометаллургической переработки сырья). Часть промпродуктов ГМО возвращается в производство: так, цементная медь ранее направлялась в МЦ (сейчас отгружается в Норильск) для получения катодной меди, а из кобальтового кека производят электролитный кобальт. В итоге в ванны электролизного отделения поступает раствор, прошедший многоступенчатую очистку – католит, из которого и получается катодный никель. «Наша технология позволяет растворить металлический никелевый порошок хлором, получить хлорид никеля – соединение зеленоватого цвета, которое «путешествует» в растворе по переделам и «садится» на катод в электролизной ванне», – рассказывает Максим Рябушкин.

В мировой практике аналогичные технологии предусматривают электроэкстракцию никеля или из хлоридных, или из сульфатных растворов. При этом для процесса лучше подходит именно хлорид никеля. «Молекулярный размер хлорида никеля гораздо меньше, чем сульфата, это очень электрически подвижное соединение. Поэтому расход электроэнергии для обеспечения напряжения на ваннах оказывается намного ниже», – добавляет Рябушкин. 

По словам Татьяны Зенкевич, главного технолога ЦЭН, внедренная в Мончегорске технология уникальна: «Мы освоили работу на комбинированном хлоридно-сульфатном растворе, что позволяет вовлекать в наш технологический цикл еще и жидкие промпродукты Рафцеха. Так в мире больше никто не работает. Наше решение обусловлено спецификой никелевого концентрата, который получается из сульфидных руд». Основной принцип – работа на оборотном хлоре. Нерастворимые аноды в новых ваннах «спрятаны» в диафрагменные мешки (ткань меняют раз в три месяца), сверху закрытые колпаками – в них собирается хлоро-воздушная смесь, которая по коллектору направляется в реакторы растворения, где никелевый порошок трубчатых печей и растворяется под воздействием хлора. Таким образом система восполняет дефицит никеля не за счет никеля, который пришел с анодами, а за счет НПТП. «На анодах в ваннах образуется хлор, который по системе коллекторов направляется на передел хлорного растворения в огромные реакторы-цементаторы. Сюда же загружается никелевый порошок. Растворение никеля осуществляется именно тем хлором, который мы получаем в ванне. При этом хлор возвращается в раствор в виде хлорида. Технология работает в замкнутом цикле: растворили никелевый порошок, хлоридный раствор пошел на ванны. При осаждении никеля на катодах хлор возвращается в газовую фазу и опять направляется на растворение», – объясняет Татьяна Зенкевич. В перспективе, говорит технолог, «когда мы окончательно стабилизируем технологию, она будет полностью, целиком сама себя обеспечивать хлором». 

У новой технологии множество плюсов. Например, в отличие от «старых» электролизных ванн, вмещавших по 50 растворимых анодов (напомним, каждый – весом около 400 кг!), в каждой новой установлен 61 нерастворимый анод с 5-летним сроком эксплуатации – а ведь раньше анодная кампания длилась в среднем 28 дней, после чего аноды надо было менять, а ванну разбирать и чистить. «А это – тяжелый физический труд: электролизник вручную грузит шлам, который затем направляется на шламовый передел, где происходит его первичное обогащение. При этом работа ванны останавливается практически на сутки. А значит, в это время металл не наращивается. Новая технология позволяет работать непрерывно. За счет этого происходит наращивание объемов производства, металл получаем более качественный», – рассказывал журналистам электролизник водных растворов ЦЭН-2 Иван Бань. 

За счет новой технологии удалось радикально сократить и объемы НЗП – незавершенного производства, бич «старого» электролиза, а также повысить сквозное извлечение никеля и драгметаллов. «При традиционной технологии порядка 20% никеля в виде анодного скрапа мы вынуждены были гонять по кругу, направляя на переплавку. При растворении НПТП получается всего 5% нерастворимого остатка, который поступает на получение концентратов драгметаллов», – рассказывает Татьяна Зенкевич.

Основная экологическая проблема нового производства – уже не выбросы диоксида серы и других вредных газообразных в атмосферу, а солевой сток от гидрометаллургии. Он не содержит цветных металлов, зато богат хлоридами и сульфатами натрия. В «старом» ЦЭН этот сток в полном объеме сбрасывался в окружающие водоемы. В «новом» для решения проблемы построили еще и отделение утилизации солевого стока (пока на полную мощность его не запустили, но туда уже поступает больше половины отходов). Интересно, что там получают новую товарную продукцию – например, сульфат никеля, который очень востребован в производстве синтетических моющих средств, а также хлорид натрия (последний пока используется на самом комбинате). В ближайшей перспективе «Норникель» намерен полностью утилизировать этот сток – экологический эффект огромный, плюс дополнительная востребованная товарная продукция. По сути дела, КГМК стремится к безотходному производству. 

К концу прошлого года ЦЭН-2 практически вышел на проектные показатели. «Нам остается еще сделать небольшой шаг вперед, реализовать несколько технических мероприятий, которые окончательно позволят нам выйти на плановые 145 тысяч тонн никеля в год. И мы планируем закончить эту программу к концу 2022 года», – отмечает Максим Рябушкин. Вполне вероятно, что ЦЭН №1, работающий по старой технологии, в перспективе в Мончегорске просто закроют. Или перепрофилируют.