CC BY
22
--© В.И. Голик, В.И. Разоренов
С.Г. Страданченко А.Ю. Прокопов, С.А. Масленников, 2012
УДК 504.55.054:662 (470.6)
В.И. Голик, В.И. Разоренов, С.Г. Страданченко, А.Ю. Прокопов, С.А. Масленников
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ
Охарактеризовано направление вовлечения в переработку отходов минерального сырья как компенсация дефицита металлов при переходе на новые экономические отношения. Приведены сведения об извлечении металлов из некондиционного минерального сырья. Дана краткая характеристика механо-химической технологии извлечения металлов из хвостов обогащения, по которой из хвостов обогащения руд в раствор переводится до 80% металла. Отмечена необходимость глубокой утилизации хвостов обогащения угля по экологическим соображениям Российского Донбасса. Подтверждена принципиальная возможность выщелачивания металлов из хвостов обогащения угля. Отмечена необходимость использования усовершенствованных средств измерения малых концентраций извлекаемых металлов. Ключевые слова: минеральное сырье, металлы, извлечение, механо-химическая технология, хвосты обогащения, утилизация, экология, концентрация.
Изменение экономической системы в России коснулось и горнодобывающей отрасли народного хозяйства. Более половины месторождений металлических руд в новых условиях стали нерентабельными для эксплуатации. Исправить сложившееся положение за счет одного только комплексного освоения месторождений не предоставляется возможным, поэтому развивается направление вовлечения в переработку отходов минерального сырья как компенсация дефицита металлов за счет уже добытого сырья.
Хвосты добычи и обогащения горно-добывающих предприятий являются техногенными месторождениями ванадия, вольфрама, галлия, германия, ниобия, скандия, титана, циркония и др., поэтому они рассматриваются как минерально-сырьевая база производства металлов, использование которой зависят от успеха техно-
логий извлечения целевых элементов из хвостов.
Перспективы извлечения металлов из некондиционного минерального сырья связывают с развитием технологий, использующих феномен перевода металлов в растворимые соединения. Дисперстность хвостов обогащения осложняет процесс выщелачивания, потому что эффективность извлечения металлов снижается при уменьшении скорости фильтрации раствора в мелких минеральных фракциях. Этот недостаток корректируется механическим перемешиванием в ходе агитационного выщелачивания, но это направление не получает развития из-за длительности процесса.
В последнее время получило развитие направление, в рамках которого механическая активация процесса выщелачивания комбинируется с химической в рамках механо-химической технологии (рис. 1) [1].
Рис. 1. Комбинированная схема активации хвостов
При этом обозначены варианты технологии:
• простое агитационное выщелачивание;
• агитационное выщелачивание с предварительной механоактивацией;
• механо-химическое выщелачивание в дезинтеграторе;
• агитационное выщелачивание активированного в дезинтеграторе с выщелачивающими растворами в одну стадию;
• агитационное выщелачивание активированного в дезинтеграторе с выщелачивающими растворами в несколько стадий.
При простом агитационном выщелачивании успех извлечения металлов определяют факторы: состав и количество выщелачивающего реагента, соотношение количества выщелачивающего раствора и сырья (Ж:Т) и время выщелачивания. При выщелачивании в дезинтеграторе сырья к ним добавляются частота вращения роторов дезинтегратора и количество стадий выщелачивания в дезинтеграторе.
Полученные в ходе полнофакторного эксперимента по трехуровневому некомпозиционному плану Бокса-Бенкена с использованием математических пакетов прикладных программ Mathcad и Maple результаты сводятся к тому, что из хвостов обогащения полиметаллических руд в рабочей камере дезинтегратора в раствор переводится до 80 % металла, что сравнимо с заводским извлечением металлов из небогатых руд [2].
Таке же извлечение металлов в раствор достигается и при агитационном выщелачивании за на два порядка большее время.
Экспериментальное извлечение металлов по механо-химической технологии осуществлено в ШФЮРГТУ (г. Шахты).
Лобыча металлов преимущественно из отходов сжигания углей имеет оп-ре деленные достижения: извлекается до 67 % титана, 77 % бериллия, 87 % меди, 81 % марганца, 84 % мышьяка, 60 % ванадия и 83 % галлия.
Глубокая утилизация хвостов обогащения угля настоятельно необходима не только по причине извлечения полезных продуктов, но еще больше по экологическим соображениям. При добыче и обогащении угля на 1 т товарного угля образуется 3,3 т отходов. Ежегодно на территории России в процессе добычи угля из недр извлекается порядка 0,5 млрд. м3 горной массы, образуется около 60 млн. м3 минеральных отходов обогащения и 20 млн м3 золошлаков [3]. Опасность хранилищ хвостов увеличивается тем, что они оказались в пределах селитебных зон и генерируют в окружающую среду опасные жидкие и газовые компоненты.
Отходы добычи и обогащения угля используют в качестве основного сырья и добавок в различных производствах: керамического кирпича, заполнителей для бетона — аглопо-рита и керамзита, тротуарной плитки, бетонов, стеновых блоков и панелей, шлакоблоков, формовочных смесей для гончарных изделий и художественной керамики, искусственных фильтрующих массивов, супертонкого минерального волокна, изделий каменного литья, минеральных пигментов, адсорбентов и фильтрующих материалов для очистки промышленных стоков, топливных
Таблица 1
Содержание химических элементов в хранилищах отходов, г/т
Элемент Камен- Белока- Гуково- Красно- Сулино- Шахтин- ПДК
ско- литвен- зверев- донецкии Садкин- ско-Нес-
Гундоров- скии скии скии ветаев-
скии скии
Марга- 300-70 100-600 200-600 200-600 200-500 100-1000 1500
нец 430 310 350 380 330 380
Никель 40-80 10-30 10-100 15-30 30-50 10-100 4
40 10 40 20 40 40
Кобальт 10-20 15 н/с н/с н/с 10-20 12 н/с 5
Ванадий 80-200 30-100 60-200 50-80 80-150 50-500 150
120 60 110 60 90 130
Хром 100-200 30-100 50-200 50-60 н/с 50-200 6
140 70 110 50 120
Цирко- 50-100 10-100 н/с 60-100 60-150 50-150 н/н
ний 60 60 70 90 80
Свинец 10-30 н/с 10-100 20-300 10-20 15-3000 30
20 30 70 20 90
Цинк н/с н/с н/с н/с 30-50 40 н/с 37
Таблица 2
Содержание металлов в хранилищах хвостов обогащения угля, г/т
Обогатительная фабрика Содержание, г/т
Мп N1 Со V Сг Мо гг РЬ гп Ве Бг
Донецкая 640,9 74,2 17,4 124,0 222,1 5,0 113,6 74,0 149,1 3,0 175,2
Гуковская 989,4 39,7 14,9 79,9 148,6 5,6 99,0 49,8 83,7 4,0 594,3
Шолоховская 324,1 55,2 24,1 242,0 242,0 6,2 104,2 55,5 263,0 2,6 356,4
Несветаевская 790,5 49,6 10,4 99,3 198,0 3,0 99,0 39,9 148,8 3,0 151,0
Таблица 3
Кларки концентраций некоторых металлов в отходах
РаИон Мп N1 Со V Сг Мо гг РЬ гп Ве
Каменско-Гундоровский 0,43 0,69 0,83 1,33 1,67 0,91 0,35 1,25 0,48 0,53
Белокалитвенский 0,31 0,17 0,17 0,67 0,84 1,09 0,41 1,25 0,12 0,53
Гуково-Зверевский 0,35 0,69 0,61 1,22 1,33 0,91 0,41 1,88 0,36 0,68
Краснодонецкий 0,38 0,34 0,28 0,67 0,60 1,82 0,41 4,38 0,36 0,66
Сулино-Садкинский 0,33 0,69 0,67 1,00 0,96 0,82 0,53 1,22 0,48 0,53
Шахтино-Несветаевский 0,38 0,69 0,67 0,44 1,45 0,91 0,47 5,63 0,36 0,53
брикетов, тампонажных и буровых растворов, извлечения карбида кремния из отходов электродного производства, металлов.
В России используется первые проценты накопленных минеральных ресурсов этого вида, при этом технологии глубокой переработки не применяются.
На территории Российского Лон-басса в разное время работало до 19 обогатительных фабрик. В свое время область поставляла до трети Российской добычи коксующихся углей и около четверти — энергетических. На территории Восточного Лонбасса расположено более 450 отвалов шахт и обогатительных фабрик, из которых 340 или горят или уже сгорели. Общий объем складированных в них отходов достигает 300 млн. м3.
Хранилищами отходов занято 1,3 тыс. га земель, а общая площадь нарушенных земель в связи с угледобычей и углеобогащением достигает 7 тыс.га.
Статистический анализ выборок из шахтных отвалов показал, что особенностью химического состава отходов добычи и переработки углей является повышенное содержание в них органического углерода, доверительный интервал по содержанию серы с надежностью 95 % по совокупности независимых тестируемых выборок имеет границы от 0,65 до 2,08 %.
Содержание металлов в отвалах угольных шахт характеризуется существенной разницей одних и тех же металлов на разных участках Лонбас-са (табл.1) [4].
Содержание металлов в хранилищах ОФ характеризуется табл.2
Ниже приведены сгруппированные статистические данные для независимых выборок среднего объема. Концентрация металлических элементов в сухих отвалах для осадочных пород и углей (табл.3) ниже кларковых. Исключение составляют ванадий, хром, молибден и свинец.
Повышенные кларки концентрации (КК) ванадия и хрома установлены в Каменско-Гундоровском (1,33 и 1,67), Гуково-Зверевском (1,22 и 1,33) и Шахтинско-Несветаевском (1,44 и 1,45) районах; молибдена — в
Белокалитвенском (1,09) и Краснодо-нецком (1,82) районах. С помощью регрессионных полнофакторных моделей второго порядка, полученных на основе статистических исследований репрезентативных выборок среднего объема определено, что Лля Восточного Лонбасса характерно повышенное содержание свинца, кларки концентрации которого изменяются от 1,22 (Сулино-Садкинский район) до 5,63 (Шахтинско-Несветаевский район) и составляют в среднем 3,33.
Нами экспериментально исследовано извлечение металлов по механо-химической технологии с получением полнофакторных моделей второго порядка, описывающих зависимость параметров выщелачивания от способов переработки сырья.
В процессе моделирования параметров переработки исследовали горелые и негорелые хвосты.
Начальное содержание металлов в хвостах обогащения углей характеризуется табл.4.
Результаты анализа сокращенных проб по каждому из металлов для горелых и негорелых хвостов обогащения приведены в табл.5 и 6.
Состав и содержание металлов, извлеченных из хвостов обогащения даны в табл. 7.
Полученные с доверительной вероятностью 95 % осредненные значения содержания металлов подтверждают принципиальную возможность выщелачивания металлов из хвостов обогащения угля. Количество всех извлеченных в раствор металлов определить не удалось из — за ограниченности возможностей средств измерения.
Лля дальнейших исследований необходимо повысить точность определения количества металлов в растворе, учитывая их малую концентрацию в хвостах.
Таблица 4
Содержание металлов в хвостах обогащения угля, г/т
Элемент Минимум Максимум Среднее
Марганец 310 330 320
Никель 10 40 25
Кобальт 5 10 5
Ванадий 60 130 95
Хром 50 140 85
Молибден 1 2 1.5
Цирконий 60 90 75
Свинец 20 90 55
Цинк 10 40 50
Бериллий 2 2.6 2.3
Таблица 5
Извлечение металлов из горелых отходов обогащения угля
Металл, % Упаренный концентрат Сухой концентрат
Сг 0.01 0.10
Ре 0.85 2.75
N1 0.03 0. 30
Мп 0.01 0.10
Со 0.02 0.10
Си 0.03 0.40
РЬ 0.01 0.1
гп 0.04 0.30
Таблица 6
Извлечение металлов из негорелых отходов обогащения угля
Металл, % Упаренный концентрат Сухой концентрат
Сг 0.03 0.15
Ре 1.3 3.06
N1 0.026 0.17
Мп 0.015 0.10
Со 0.03 0.12
Си 0.03 0.30
РЬ 0.01 0.1
гп 0.02 0.14
Таблица 7
Состав сухого концентрата из разносортных хвостов обогащения угля
Металл, % Горелые хвосты Негорелые хвосты
Cr 0.10 0.15
Fe 2.75 3.06
Ni 0. 30 0.17
Mn 0.10 0.10
Co 0.10 0.12
Cu 0.40 0.30
Pb 0.1 0.1
Zn 0.30 0.14
I faCp IK lljptVITb
Xnoctu iificu пшешт Дадо&нОД-Ше
1 I . .
Эяклад 1ш cyv.ui Закладки гверлс-юшэя СтрО»ГГС.'1Ы1ЫС мякршлм Сыры: л.ля отраслей Pckviwh- ШШМЧ
111 KMC Бе*
invtc-wicihui
Добывается С' 113-
iia месте МСЛЫМЛШЁМ
№ютиол1>-M.i. CEII
ДорвдСЕИК
IlilKpMMC
Пг»"пггна
ч ,■.: к' 4ir
ХииИ'ПГхИС ч II
..........
1К1ГГГКМ11АК1
UpCIHi.-11 ЦУи. 111
Рис. 2. Схема использования хвостов
1,4 1,6 1,8 3,1) 1J. Прснностк. мгг.1 (ZS ii'i; Ml l.i
Рис. 3. Зависимость прочности смеси с активизированными хвостами от расхода цемента при выходе активной фракции 40%: 1 — для шаровой мельницы; 2 — для дезинтегратора
В угледобывающем производстве отходами считаются все компоненты, не вошедшие в состав товарного угля: породы угленосной толщи, включения в углях, угольные и угольно-породные шла-мы и низкосортные угли. Эти минеральные образования представляют собой сырье для производства нового продукта, например, строительных материалов. Углеотходы являются минеральными ресурсами, попутно извлеченнымииз недр при добыче основного полезного
ископаемого, и могут быть вовлечены в хозяйственный оборот в качестве сырья с высокими потребительским качествами (рис. 2).
Однако, их утилизация возможна только при условии извлечения из них металлов до уровня санитарных норм.Такую возможность предоставляет пока только механо-химическая переработка. Хвосты меха-но-химической активации отходов обогащения угля представляют собой дисперсную массу, сложенную частицами размерами около 0,1 мм, которая является сырьем для широкого спектра производства: топлива, глинозема, коагулянтов для очистки воды, абразивных и жаропрочных сплавов, раскис-лителей для сталелитейного производства, строительных материалов и других продуктов и материалов.
Вторичные хвосты переработки отличаются более равномерной структурой, что существенно повышает их качество. Эффект активации в дезинтеграторе иллюстрируется увеличением прочности бетона, изготовленного при прочих равных условиях на основе шлака, приготовленного разными способами: размолотого в мельнице и активированного в дезинтеграторе (рис.3).
Исключительно важным компонентом эффективности утилизации хвостов обогащения углей является исключение необходимости их хранения на земной поверхности с возвращением земли в хозяйственное пользование. Освоение инновационной
Рис. 4. Схема мониторинга потребления природных ресурсов
технологии глубокой утилизации хвостов обогащения углей обеспечивает прибыль не только от реализации продуктов переработки, но и за счет ра-
1. Голик В.И. Извлечение металлов из хвостов обогащения комбинированными методами активации Обогащение руд. — М.: 2010. — № 5.
2. Голик В. И., Страданченко С. Г., Масленников С.А. Экспериментальное обоснование возможности утилизации хвостов обогащения руд цветных металлов. Цветная металлургия. М.2011.№3.
3. Ляшенко В.И., Голик В.И., Штеле В.И. Создание и внедрение мало затратных ресурсосберегающих методов, средств и тех-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
дикального оздоровления окружающей среды региона при создании системы мониторинга пользования природными ресурсами (рис. 4) [5].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
нологий на горных предприятиях. М.: ЦНИИ экономики и информации. 1995. Обзор информ.
4. Сендецкий И. И. Геологическое изучение с подсчетом запасов техногенного сырья породного отвала бывшей шахты Воровского. г. Шахты. Ростовская область. Сырье для производства щебня. Подсчет запасов на 01.01.10 г. НИР, г. Новочеркасск. 2010.
5. Голик В.И., Дребенштедт К, Кома-шенко В.И. Охрана окружающей среды. Минобр. Высшая школа. М. 2007. ГТТТГ?
Голик Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор, е-шаП: [email protected], Разоренов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Южно-Российский государственный технический университет (ЮрГТУ), Страданченко Сергей Георгиевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Прокопов Альберт Юрьевич — доктор технических наук, профессор,
Масленников Станислав Александрович — кандидат технических наук, профессор, зам. директора по науке,
Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (ЮрГТУ).
