CC BY
46
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
В.И. Голик, проф., д.т.н.,
Северо-Кавказский ГТУ
ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД
Следствием нарастания темпов добычи и переработки минеральных ресурсов является накопление в пустотах и на земной поверхности отходов горного, обогатительного и металлургического производства. Отходы не могут утилизироваться для нужд народного хозяйства, поскольку содержат металлы, химические соединения и другие компоненты, изменяющие свойства товара и изделий из них. Техногенные месторождения оказывают негативное влияние на окружающую среду, но для использования их в приготовлении товарной продукции необходимо обоснование экономической целесообразности и практической возможности утилизации отходов.
Оптимальная технология добычи и переработки металлических руд отличается минимумом затрат на производство и потерь во всех звеньях технологической цепи, а также возможностью утилизации отходов.
Радикальная защита окружающей среды обеспечивается при извлечении металлов подземным выщелачиванием в блоках и кучным - на поверхности по технологии освоенной на предприятиях МАЭП бывшего СССР. Богатые руды извлекаются из недр для переработки на заводе, а возводимые на их месте закладочные массивы из хвостов выщелачивания предохраняют поверхность от разрушения. Средние и убогие руды перерабатываются выщелачиванием на месте залегания, создавая подпор закладке и перераспределяя напряжение.
При интенсивной эксплуатации скорость снижения содержания металлов в товарных рудах превышала возможности производственных мощностей, поэтому на рудниках образованы миллионы куб. метров пустот, в которых оставлены отбитые и не выданные на поверхность руды. Традиционные технологии с потерями и разубоживанием до 50 %, накоплением отвалов пород, хранилищ хвостов обогащения и разрушением земной поверхности не отвечают принципам гуманизации технологий прежде всего из-за нерешаемо-сти проблемы утилизации отходов прежних лет.
Комплекс проблем утилизации включает в себя технологии извлечения металлов и других полезных компонентов из твердых, жидких и пылевидных отходов, которые имеют отличительные особенности.
Начало решения проблемы связано со снижением количества отходов при горном переделе. В ходе очистных работ в массивах месторождений развиваются зоны изменения свойств пород, в пределах которых деформации достигают критических значений с повышением величины разубоживания, формирующего
отходы. Во избежание этого параметры участков задают разделением месторождений на предельно допустимые назначением размеров очистных выработок, целиков и зон влияния пустот.
Управление массивами на геомеханической основе повышает эффективность использования недр с сохранением массива и земной поверхности. Радикальная по критерию сохранности массива технология с использованием твердеющих смесей отличается значительной стоимостью материалов, поэтому традиционные технологии стремятся комбинировать с геотех-нологическими.
Оптимизация технологий вовлекает в производство дешевые минеральные ресурсы и отходы производств. Свойства материалов улучшаются обработкой в аппаратах механо-, вибро-, и электроактивации, использование которых повышает активность материалов на 10-40 % по сравнению с базовым значением. Так, использование дезинтеграторов повышает эффективность активации по сравнению с шаровыми мельницами на 30-40.
В Северо-Кавказском регионе эксплуатируются крупные месторождения: Садонское полиметаллическое (Республика Северная Осетия-Алания), Тырныа-узское вольфрамомолибденовое (Кабардино-Балкарская Республика) и Урупское медное (Карачаево-Черкесская Республика), Квайсинское полиметаллическое месторождение (Республика Южная Осетия) и несколько мелких. Например, за более чем 160 лет на садонском руднике образовано до 3 млн. куб. метров пустот, в которых оставлено около 2 млн.т. руд. Потери производят продукты природного обогащения-металлы в растворе, перераспределяя их в окружающей среде с нанесением пока еще неоцененного ущерба. Этот процесс протекает в автономном режиме, не принося возможных экономических преимуществ, поэтому извлечение металлов из отходов горного передела является неиспользованным резервом получения товарных металлов и строительного сырья, величина которого определяется решением экономикоматематической модели :
Пу = ТХМ,Ц - (С, + е„к,)]б,
г=1
(і + Ен
п)Т - 1
Енп( 1 + Енп)‘
Т = —
= М М =А-а-е
а-т =
где ПУ - прибыль, ден. ед./ед. массы; Mt - годовой выпуск металла, ед. массы; Ц - цена металлов, ден. ед./ед. массы; Q - расходы в t году для получения продукции, ден. ед./ед. массы; Kt - капитальные вложения за t лет, ден. ед.; Бt - запасы металлов в отходах; Еп - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; ЕНП - норматив приведения разновременных затрат и эффектов к одному моменту
времени; аН - интегральный коэффициент дисконтирования; А- производственная мощность, ед. массы; а
- содержание металлов в рудах, проц.; є-извлечение металлов при добыче, проц.
Механизм формирования и утилизации объектов накопления металлосодержащих отходов дан на рис. 1.
Использование отходов горного производства снижает воздействие техногенного характера на окружающую среду. Анализ трудов М.И. Агошкова, Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, В.А. Чантурия, В.А Харченко, Н.Н. Чаплыгина, Е.А. Котенко и др. указывает на возможности снижения антропогенной нагрузки на среду за счет экологизации технологий.
Ущерб, наносимый отходами, определяется из выражения:
Э = эб + Э п
Jy г
Эу = Зох + 3 рх + Зш.с + Згп = IVx (З0 + Зк )а 1 + X 33t(1 + ß) +
+£уьа МКк (1+Р)+£гг У (1+р),
1 1
де Зох - затраты на складирование отвалов хвостов в течение времени ^ ден. ед.; Зрх -плата за размещение хвостохранилища; р -коэффициент соотношения фактических объемов с нормированием; Зшс - штрафы за сброс неочищенных стоков; Згп - штрафы за сброс газопылевых продуктов; Ух - объем хвостов, объемн. ед.; t - время, год; З0 -удельные затраты на формирование отва-
ла; Зк - удельные затраты на содержание
х
отвала; а м - остаточное содержание металлов в хвостах, масс. ед.; п - количество источников выделения отходов; £ - площадь отвала, ед. площади; Зз - удельная стоимость земли, ден. ед.; Уь - объем стоков, объемные ед.; а М - содержание металлов в стоках, масс. ед.; Кк - коэффициент кислотности жидких отходов; Уг - объем газо- и пылеобразных выбросов, объемные ед.; у- коэффициент концентрации твердого в газообразной фазе.
Стоимостные параметры технологии утилизации определяются совместным решением с принятыми ограничениями, увязывающими экологические, экономические и иные критерии процессов..
Для металлодобывающих рудников характерно накопление на земной поверхности отвалов твердых отходов добычи и сброс в гидросферу металлосодержащих стоков, которые содержат продукты природного выщелачивания в количествах на 1-2 порядка выше ПДК. Установлены закономерности физикохимических процессов в отвалах хвостов:
♦ скорость взаимодействия растворителя с минералами затухает во времени по уравнению кривой параболического вида;
♦ на поверхности взаимодействующих на поверхности взаимодействующих с растворами минеральных зерен образуется новообразования сложного состава и структуры;
♦ в результате контакта с растворителями гранулометрический состав минералов изменяется. Исходный состав сдвигается в сторону мелких фракций, что подтверждает явление дезинтеграции с коэффициентом 1,21,3; пропорционально изменению крупности минеральных частиц изменяется площадь поверхности, что изменяет скорость фильтрации;
♦ с изменением рН образуются гидрооксиды РЬ(ОН)2 при рН=6, Fe(OH)2 рН=5,5; Си(ОН)2-рН=5,4; 2п(0НЬ
- рН=5,2.
Установлены три периода, различающиеся характером процессов. Первый период характеризуется максимальной скоростью перевода металлов в раствор в пределах зоны интенсивного выщелачивания. Второй период отличается меньшей, но постоянной скоростью перевода металлов в раствор с растворением поверхностного слоя хвостовых минералов. Третий пе
Породы от сортировки руд
I Породы
до 5 0 0 мм
Породы
р о х о д к и
Дроблен II стадия
до 5 00 дробление I с т ад и я
мм Грохочение -15 мм
О тходы
строительного
производства
Рис. 1. Схема образования и утилизации твердых отходов.
конец
Рис. 2. Блок-схема автоматизированного расчета эффективности утилизации отходов.
риод характерен снижением скорости и интенсивности извлечения при смещении процесса вглубь минеральных отдельностей. В течение первых двух периодов в раствор извлекается до 80 % металлов.
Для определения величины объекта исследований
- массы выщелачиваемого вещества - используется и кинетическое уравнение внешнедиффузионной массо-передачи:
ф = ksB, ф = f (в) при k, s - const,
где к - коэффициент массопередачи; s - сумма реакционных площадей в единице объема пород; В - извлечение металла в раствор.
Параметры природного выщелачивания непостоянны во времени, так как этот процесс по своей природе является избирательным растворением компонентов в разнодоступных участках объекта, прежде всего за счет увеличения сопротивления массоперено-са со стороны нерастворенных хвостов, а также за счет новообразований на поверхности минеральных зерен (гипс, гидроксиды и т.п.). Выщелачивание происходит в условиях одновременно и конвективного массопере-носа и диффузионной массопередачи растворителя в минеральной среде гетерогенных реакций. Результирующий показатель взаимодействия растворителей с минералами складывается из величин извлечения при отдельных физико-химических процессах:
94
s - ^(£i + s2 + ... + sn)
1
где 1...n - количество процессов выщелачивания.
В единицу времени площадь взаимодействия уменьшается, а сопротивление массопередаче увеличивается. Этому эффекту способствует затухание процесса со временем при реализации процесса.
Электрохимическая обработка воды в диафрагменном электролизере позволяет осуществить разложение солевых систем на кислоту и щелочь. В камеры обессоливания подают растворы, в камеры образования кислоты и щелочи -чистую воду. Скорость подачи растворов
- несколько см/с. Под действием электрического поля из камер обессоливания ионы Na+ и SO\ переходят в камеры
образования щелочи и кислоты соответственно, где соединяются генерируемыми биполярной мембраной ионами ОН и Н+ , образуя щелочь и кислоту. С увеличением содержания в растворе ионов Ca2+, Mg2+, SO 4 и HCO - оптимальный режим работы установки нарушается отложением карбоната кальция и гидрата окиси магния на мембранах, поэтому метод электродиализного опреснения рекомендуется для растворов с концентрацией не более 5 мг/куб. дм. Продуктом активации растворов является осадок като-лита, из которого кроме редких и других металлов утилизируются минералы, являющиеся сырьем для цементной и керамической промышленности. Обжигом осадка получается, например, чистый концентрат, содержащий 80 % CaO и 16 % MgO,. В отличие от неактивированных (при равных значениях рН) кислот (Eh=300-400мВ) и гидроксидов (Eh=100-150 мВ), ано-лит является окислительной (Eh=1100-1300 мВ), а ка-толит - восстановительной (Eh=800-900 мВ) средой.
Задача управления процессом выщелачивания с использованием технико-экономических критериев оптимальности относится к числу трудных. Увеличение количества переменных ограничивается точностью расчетов. При учете множества факторов линейная зависимость множественной корреляции:
C — aQ + biXi + b2Х2...bnxn
где С - эксплуатационные расходы, ден. ед.; bj, b2.bn - коэффициенты, постоянные для данной про-
дукции; а0 - коэффициент неучтенных факторов. Эксплуатационные расходы:
C — а + bA + kM где а - условно-постоянные расходы, не зависящие от объема переработки, ден. ед.; b - коэффициент переменной части расходов, зависящий от изменения объ-
ГИАБ
емов растворов; к - коэффициент переменной части расходов.
Наиболее перспективно направление активации отходов, под которым понимают технологическое воздействие на вещество с целью изменения его свойств. Цель активации - сокращение расхода компонентов смеси при обеспечении прочности строительной конструкции или получение равнопрочного изделия из менее качественного Практические результаты технологии активации освещены в работах Е.А. Котенко, Ф.Ф. Рычик, В.И. Голика, В.И. Ляшенко и др. Достижения советских ученых в использовании отходов производства в горной и смежных отраслях даны в работах Д.В. Бронникова, М.Н. Цыгалова, В.П. Воло-щенко, Н.Ф. Замесова, Л.А. Крупника, А.П. Требуко-ва, В.Н. Хомякова и мн. др. Более эффективны дезинтеграторы, в которых разрушают кристаллы по поверхностям спайности и измельчают по границе разделов фаз. Сепарирование фаз из отработанных в дезинтеграторах веществ при флотации, классификации и др. технологиях упрощается, а качество продукции существенно изменяется. Дезинтеграторы применяют для улучшения первичного качества отходов производств, с целью повышения экономичности процесса утилизации. Важное свойство дезинтеграции - одновременно с измельчением протекают механохимиче-ские реакции, компонентами которых являются примеси, пары воды и точечные дефекты. Часть энергии, аккумулируемой материалом, расходуется на образование новых веществ.
Тонкое измельчение позволяет изготавливать аналоги вяжущих веществ, снижая расход стандартных цементов и их заменителей - доменных шлаков, прежде всего за счет прироста удельной поверхности от 40 до 150 %. Применение комплексного вяжущего из цемента и хвостовой добавки снижает расход цемента.. Комбинирование активаторов заключается в том, что анолит подается в рабочий орган дезинтегратора, а извлечение металлов и солей в раствор осуществляется одновременно с разрушением кристаллов. Выщелачивающий раствор под влиянием центробежноинерционных сил «запрессовывается» в образующиеся трещины и дефектные центры.
Технология утилизации отходов обогащения для приготовления твердеющих смесей как сложная динамическая система характеризуется рядом влияющих факторов: природных, горнотехнических, технологических, экономических и организационных. Она характеризуется множеством состояний, каждое из которых подчиняется закону функционирования. Группу управляемых параметров составляют: производственная мощность, количество хвостов, коэффициент извлечения остаточного металла, расход реагентов и энергии и т.д. Выходные параметры характеризуют обобщающие экономические показатели: себестои-
мость добычи и переработки с учетом утилизации хвостов, прибыль, экономические преимущества и т.д.
Блок-схема формирования алгоритма автоматизированного расчета эффективности технологий утилизации отходов добычи и переработки дана на рис. 2.
Экономический эффект извлечения металлов при активации металлосодержащих отходов определяется величиной прибыли :
П _±,Ма - П - За
г+-1 1>08г-г0
где Ма - металл, полученный в результате процесса активации, вес. ед.; Ц - цена металла, ден. ед.; За -приведенные затраты, ден. ед./ед. веса ,0 и г - время начала и окончания работ.
Затраты на активацию:
За _Ъ} - Qa 'а а 0
где п - количество активаторов; ЗJ - затраты одного активатора; Qа - объем активируемых отходов.
Прибыль от реализации разработок диссертации:
г Г Ц - З
. _ ^ У4 У
1д _^пОг-,о
го+1 1.08г
Пд =
¿0+
где Гу - объем продуктивно использованных геоматериалов; Ц - цена изделий из утилизированных материалов; Зу - затраты, связанные с утилизацией. Эффективность технологий утилизации отходов
^ п п ^
Э = I -IС • Q
V 1 1 У
где Сб и Сэ - базовые и оптимизированные затраты, связанные с хранением отходов; Q - объем утилизируемых геоматериалов
Решение задачи оптимизации горных технологий взаимоувязано с инвестиционным риском и качеством исполнения технологий. Исходя из выбранной концепции, сверхзадача решения проблемы утилизации формируется в следующем виде:
♦ анализом традиционных технологий определяются затраты на продукции;
♦ теоретически обосновываются и подкрепляются опытом нетрадиционные, в т. ч. геотехнологические способы добычи металлов;
♦ на основе опытных работ комплектуется банк данных о приведенной стоимости металлов;
♦ разница в стоимости единицы металлов корректируется снижением ущерба окружающей среде, достигаемым в ходе применения геотехнологий.
Извлечение металлов из твердых и жидких отходов добычи и переработки руд, особенно комплексных и ценных имеет теоретическое обоснование и практическую реализацию в объемах достаточных для использования этих процессов в промышленных масштабах с получением многопланового экономического эффекта.
© В.И. Голик
