CC BY
82
водов можно сделать вывод, что произ- цветные металлы в самостоятельных вольно отобранные пробы, содержат минеральных формах.
— Коротко об авторах
Нарбекова Татьяна Николаевна - Норильский индустриальный институт.
------------------------------------- © Т.Н. Нарбекова, А.Б. Нарбеков
2006
УДК 502/504
Т.Н. Нарбекова, А.Б. Нарбеков
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ СЕВЕРА И ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
Яорильский промышленный район является одним из самых уникальных и крупнейших техногенных систем Заполярья. Он включает в себя более 50 различных производств, в число которых входят горные, обогатительные, металлургические предприятия, которые располагают около полутора тысячами постоянных источников образования жидких, твёрдых и газопылевых отходов. Так, ежегодные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют около 2 млн т, сбросы загрязняющих сточных вод-более 200 млн м3, объём добычи горной массы около 10 млн м3. В настоящее время на территории региона накоплено уже около миллиарда кубометров отходов производства и по-
требления промышленного и прилегающих к нему районов, уничтожены и повреждены сотни гектаров растительности и почв. Вместе с тем отходы хвостохранилищ предприятий НПР представляют значительный научный и промышленный интерес.
В настоящее время в хвостохрани-лищах находится более 300 млн. т сухого вещества с содержанием платины и палладия в количестве 0,7-1,6 г/т (до 5 г/т), родия - до 0,15 г/т, иридия - 0,027 г/т, рутения - 0,052 г/т. осмия - 0,01 г/т, меди - до 0,5 , никеля - до 0,5 % [1].
Для изучения техногенного рассеяния цветных и благородных металлов на территории Норильского промышленного района нами были проведены крупномасштабные опробования территорий
агломерационной фабрики, никелевого и медного заводов, хвостохранилищ этих объектов и за пределами заводов.
С позиций экологии технология должна быть безотходной. Полностью исключить образование отвальных продуктов в цветной металлургии не удаётся, но сокращение выбросов - одно из основных направлений совершенствования производств.
Весь Север дает стране 80 % апатитовых концентратов, большое количество меди и никеля, вольфрама и олова, кобальта и благородных металлов, 100 % вермикулита. Аналогичные показатели имеет добыча нефти, газа, конденсата [2, 3].
Суровость природы, таяние вечномерзлых грунтов при антропогенном воздействии, оседание и вспучивание поверхности грунтов - все эти факторы создали экологическую уязвимость природы этих регионов. Объясняется легкая разрушаемость природы Севера также малым количеством веществ и энергии, вовлекаемых в круговорот в северных системах (на 1-3 порядка меньше на единицу площади и в единицу времени, чем в более южных районах) [4].
Техногенное воздействие приводит не только к глубокому локальному разрушению экосистем, но и к широкому территориальному нарушению, большему при прочих равных условиях, чем в южных районах.
Одной из актуальных задач ЗФ ОАО «ГМК «НН» является разработка и внедрение технологий, обеспечивающих вовлечение в переработку материалов техногенных месторождений НПР.
Технологические режимы всех переделов целенаправленны на максимальное извлечение меди, никеля и кобальта, это не позволяет обеспечить полное извлечение остальных металлов-
спутников. Значительная часть благо-
родных и редких рассеянных элементов, в процессе переработки сульфидных медно-никелевых руд, идет в отвалы, рассеивается в воздухе, в воде, в почве, нарушая нормальное течение биологических процессов; подвергается безвозвратному техногенному рассеянию.
Анализ выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по предприятиям показывает, что основная их часть (68,0 %) приходится на ЗФ ОАО «ГМК «НН» и 28,3 % - на выбросы предприятий алюминиевой подотрасли и медной [5].
ЗФ ОАО «ГМК «НН» является в России главным поставщиком никеля и кобальта, единственным поставщиком платиновых металлов, а также производителем значительных объёмов меди, золота и серебра.
ЗФ ОАО «ГМК «НН» окружает город со всех сторон плотным кольцом: с запада - МЗ, с юга - НЗ и АФ, с юго-запада - Надеждинский металлургический завод (НМЗ). На всех стадиях переработки медно-никеле-вых руд НПР образуются отходы: хвосты обогащения, шлаки металлургического производства, пыли отходящих газов, металлизированный огнеупорный лом, лежалые отвалы прошлых лет и др.
Существующая технология производства цветных металлов на ЗФ ОАО «ГМК «НН» связана с образованием значительных объёмов отходящих газов, содержащих различные загрязняющие вещества, главным образом диоксид серы (более 80 % от общих выбросов). Это объясняется в основном переработкой сульфидных руд. На выбросы оксида углерода и твёрдых веществ приходится 8-10 % от общих выбросов.
Предприятия медно-никелевой подотрасли сильно загрязняют природные водоёмы, сбрасывая более 180 млн м3/год загрязнённых сточных вод. В медно-никелевой подотрасли эксплуа-
тируются 127 оборотных систем мощностью 5,2 млн м3/сутки. Наибольшее количество систем эксплуатируется в ЗФ ОАО «ГМК «НН» (16, мощностью 1,3 млн м3/сут.) и Алмалыкском (11, мощностью 0,8 млн м3/сут.) ГМК. Из них 20 систем работают неэффективно, в том числе на Алмалыкском комбинате и ЗФ ОАО «ГМК «НН» соответственно 6 и 5.
Промышленное освоение хвостохра-нилищ руд цветных металлов, помимо пополнения сырьевой базы по одному или нескольким металлам, призвано решить задачу утилизации отходов. Особенности строения и деформации состояния отвалов хвостов существенно зависят от времени их покоя, способа намыва и типа хранилища.
В хвостохранилищах ЗФ ОАО «ГМК «НН» накоплено 4584,2 тыс. т хвостов, содержащих 0,26 % никеля, 0,27 % меди и 0,013 % кобальта. Кроме того, накоплены шлаки металлургического производства в количестве 4,6 млн т, содержащие 6,5 тыс. т никеля, 16,2 тыс. т меди и 3210 т кобальта, расчёты по определению золота, серебра и металлов платиновой группы варьируется в зависимости от рода отходов [6, 7].
На практике установлено, что при сроке хранения металлосодержащих хвостов до 15 лет, из них можно извлечь флотацией в коллективный промпродукт от 30 до 70 % цветных металлов; при более длительном хранении содержание окисленных форм минералов возрастает, флотационное извлечение цветных металлов резко снижается.
В отработанных огнеупорах накопление цветных и благородных металлов, непосредственно контактирующих с расплавами и растворами, также весьма значительно. При общем годовом расходе хромомагнезитового кирпича 20 тыс. т, количество его, пропитанного металлами, достигает нескольких тысяч
тонн. Основные объёмы отходов добычи и переработки медно-никелевых руд в НПР сосредоточены в районе промышленных площадок ЗФ ОАО «ГМК «НН».
В результате выплавки меди и никеля ежегодно образуется около трёх миллионов тонн сернистого ангидрида. Часть его улавливается и перерабатывается, часть улетучивается или выбрасывается, отравляя воздух. Ещё один большой порок рождён в гидрометаллургии: использование сульфида натрия
- отходы, содержащие этот элемент, пока не поддаются утилизации. Происходит засоление грунтовых вод всего водного бассейна, возможные последствия которого непредсказуемы. Гидрометаллургические автоклавы позволили пустить в дело годами накопленные горы пирротиновых отвалов (где содержится много серы), зато многие сотни гектаров тундры эта технология изуродовала шламовыми полями, перерезала сложнейшими системами коммуникаций и пульпопроводов. Вдоль этих труб - выжженная земля.
При решении проблемы утилизации отходов цветной металлургии возрастает значение рассмотрения её в региональном аспекте.
В институте «Гипроникель» разработана подотраслевая схема сбора, переработки и использования всех видов вторичного сырья, образующегося на предприятиях никель-ко-бальтовой подотрасли [8].
Вначале 70-х годов в НЛО ГМОИЦ был выполнен ряд исследовательских работ по флотационному обогащению конвертерных и отвальных шлаков медного завода с целью доизвлечения цветных и благородных металлов. В связи с переходом на плавильные агрегаты -печи Ванюкова возникла необходимость изучения вещественного состава получаемых и заскладированных шлаков раз-
ного состава (запасы их на шлакоотвале составляют не менее 1 млн т) и проведения дополнительных исследований по обогатимости. Вещественный состав исходных проб шлаков выполнен в отделении рентгеновских методов анализа НЛО под руководством начальника отдела В.А. Михина. Анализ состава показал, что как в шлаке оборотном, так и в шлаке ПВ-1 значительная часть сульфидов меди и никеля приходиться на долю зерен, имеющих размер порядка 0,001 мм и менее, приуроченных к силикатам. Поэтому доизвлечение сульфидов подобной крупности флотационными методами практически невозможно [8].
В 1971 году группой учёных ГМОИЦ впервые в практике работы предприятий цветной металлургии заводские отвальные шлаки проанализированы на иридий, рутений и осмий. Ранжировка перехода благородных металлов в отвальные шлаки и кеки показывает повышенный переход рутения, осмия и иридия в шлаковые фазы, и незначительный переход родия, палладия, платины, золота и серебра. Величина перехода подтверждается литературными источ-никами
[9].
Металлургическое производство комбината включает несколько шлаковых процессов, с достаточно обширной номенклатурой шлаков. Количество отвального шлака на отдельных операциях достигает 25-30 тыс. т/месяц; количество оборотного шлака-12-15 тыс. т/месяц. Абсолютные содержания благородных металлов в шлаках невелики, однако ввиду значительной массы шлаков количественный переход благородных металлов в шлаковые фазы представляет несомненный интерес [10].
В 2000 г. группой авторов разработана и внедрена технологическая схема переработки «лежалого» пирротинового концентрата (ЛПК), транспортировки
материала и его последующей переработки. Общие запасы заскладированного в этих хранилищах материала составляют 10 млн.т.
По фазовому составу материал представляет собой смесь оксидов кремния, кальция, алюминия, магния (до 35-40 %), цветных металлов, представленных халькопиритом (0,5-2,0 %), пентланди-том (3-4 %), железа, представленного магнетитом (10-15 %) и пирротином (35-45 %). Металлы платиновой группы представлены ферроплатиной, атокитом, сперрилитом, интерметаллидами платиноидов с висмутом. Химический состав ЛПК, %: 1,5-1,8 N1; 0,4-0,85 Си; 0,05-
0,08 Со; 34-40 Бе; 12-18 Б; 17-23 БІО2; 3,9-5,5 СаО; 3,4-4,0 М§О; 4,5-6,6 АІ2О3; 7-13 г/т МПГ.
Схема переработки ЛПК представляет собой гравитационно-флота-ционную технологию, включающую выделение гравитационного концентрата на аппаратах «Кпе^оп», дальнейшее его обогащение на концентрационном столе «Джемени» и переработку хвостов гравиообогащения флотацией. Используемая технология переработки ЛПК позволила практически без капитальных дополнительных затрат увеличить выпуск товарной продукции ЗФ ОАО «ГМК «НН» [11].
Одним из наиболее простых вариантов переработки коллективного сульфидного концентрата является вовлечение его в цикл флотации рядовой руды по комбинированной схеме. Опыты, проведённые ГМОИЦ, доказали, что присадка небольших количеств отходов 3-5 % от руды в голову основной флотации, при небольшой корректировке реагентного режима, не ухудшает показатели обогащения руды текущей переработки.
В настоящее время предприятия цветной металлургии России «контро-
лируют» до 40 % никеля, значительную часть рынка платиноидов и меди и 20 % мирового производства первичного алюминия [12].
Привлекательность любого вида объекта техногенного происхождения зависит от объёма извлекаемых ценных компонентов. В свою очередь, извлекаемая ценность минеральных ресурсов зависит от адекватности разработанной технологии их вещественному составу, структурным, мор-фометрическим характеристикам и контрастности свойств, слагающих эти ресурсы минералов и минеральных комплексов. Отходы производства, загрязняющие окружающую среду, не только могут быть использованы, но их применение в ряде случаев выгодно с экономической точки зрения
Использование отходов в качестве вторичных материальных ресурсов решает ряд важных хозяйственных задач, таких как экономия основного сырья, предотвращения загрязнения водоёмов, почвы и воздушного бассейна, увеличение объёмов производства деталей и изделий, производство новых для предприятия товаров.
Доктор техн. наук Нус Г.С. (ГНЦ РФ
- Институт «Гинцветмет», Москва) разработал рудно-термическую шлаковую электропечь постоянного тока с поляризацией донной фазы для переработки техногенных продуктов, содержащих цветные металлы. Принцип ПДФ может быть эффективно использован не только в электрометаллургии, но из других пи-рометаллургических процессах. В частности, разработаны схемы ПДФ для печи Ванюкова, позволяющие решить известную проблему нестабильной эксплуатации штейнового и шлакового сифонов печи и одновременно доизвлечь ценные металлы из шлака, а также для более полной отгонки цинка в процессе
«КИВЦЭТ ЦС».
Разработаны и запатентованы также четыре модификации печи ПДФ для переработки смешанного техногенного сырья, содержащего как тяжёлые, так и лёгкие цветные металлы. Печь ПДФ позволяет перерабатывать экологически безопасным методом металлургическое техногенное сырьё - забалансовые и труднообогатимые полиметаллические руды, текущие и накопленные нецелевые промпродукты с достаточно высоким содержанием ценных металлов, а также вторичное сырьё и практически любые отходы при температуре 1800 оС с отгонкой ценных нелетучих металлов и серы в донной фазе. Электропечь ПДФ позволяет резко повысить извлечение ценных металлов из техногенных продуктов и существенно улучшить экологическую обстановку.
Электропечь ПДФ защищена патентами, получила золотую медаль на Всемирном салоне изобретений «Эврика -97» в Брюсселе [13, 14].
Швейцарская компания «Result Technology» разработала уникальную установку по переработке отходов, состоящих из различных материалов. Сначала такие отходы измельчаются, затем подаются в центрифугу, являющуюся центральным звеном установки, где под воздействием центробежной силы происходит расщепление материалов. На следующей стадии разделённые отходы подвергаются грохочению, сортировке и сепарации по размерам фракций.
По словам создателей технологии, установка способна разделять материалы и извлекать спаянные материалы, в частности резину и текстиль из автомобильных шин, или металлов из печатных плат, плейеров, электрокабеля и упаковочных материалов. Установка отличается высокой энергоэкономичностью и экологической безопасностью, так как в ней не используются жидкости, газы и вредные
химикаты. Компания уже продала свыше 20 установок, одна из которых начала действовать в США [15].
Экспериментально установлено, что шлаки легко измельчаются. По отношению к эталонному минералу кварцу коэффициент их измельчаемости составляет 2,25, поэтому после измельчения они могут быть использованы как связующие добавки. При подготовке сульфидных хвостов к кучному выщелачиванию шлаки были использованы как связующая добавка для окомкования. Были получены достаточно прочные окатыши (прочность 15 кг/ока-тыш), пригодные для кучного выщелачивания. Подобраны окислители, применение которых позволяет эффективно разрушить минеральную поверхность. Установлено, что использование пироксида водорода совместно с серной кислотой, позволяет вскрыть структуру минерала и достаточно полно перевести медь в раствор. Для интенсификации выщелачивания шлаков был использован метод внутреннего электролиза. Применение медных и алюминиевых электродов в слабокислой среде позволяет достигнуть разложения шлака с одновременным выделением металлов на электродах. За 28 дней извлечение меди составило 74 %, крупность шлака после выщелачивания уменьшилась в 1,75 раза. Данный метод может быть рекомендован при кучном выщелачивании [16].
В современной практике переплавки медьсодержащих отходов наиболее широкое распространение получили флюсы на основе двуокиси кремния. В жидких си-
1. Додин, Д.А. Платинометальные месторождения России [Текст] / Додин Д.А., Чернышев Н.М., Яцкевич Б.А.- СПб: Наука, 2000.- 753 с.
2. Сердюк, С. С. Состояние и перспективы развития минерально- сырьевых ресурсов Красноярского края [Текст] / Сердюк С.С., Забияка
ликатных расплавах происходит образование соединений типа МеО*8Ю2, что снижает реакционную способность ряда оксидов, смещая равновесие в системе Ме
- МеО в сторону окисления металлов.
Как известно, эффективность удаления металлов-примесей в шлак при окислительном рафинировании прямо пропорциональна их способности к окислению. Проведенные исследования по изучению межфазного распределения металлов-примесей в расплавах меди и полифосфатов щелочных металлов показали возможность использования полифосфатов щелочных металлов в качестве флюсов при переплавке техногенного медьсодержащего сырья. При этом за счёт образования устойчивых химических соединений происходит смещение равновесия в сторону окисления и перехода в шлак металлов-примесей и, соответственно, более эффективное и глубокое удаление их из расплава металла. Эффект рафинирования может быть увеличен введением в состав флюса дополнительных окислителей. Установленный эффект наблюдается и на примере переплавки медно-никелевых сплавов
[17].
В целом решение проблемы отходов зависит, прежде всего, от двух факторов экономического и экологического.
Обеспечение потребностей народного хозяйства страны цветными металлами в условиях высоких темпов его развития в немалой степени определяется эффективным использованием вторичного металлургического сырья.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
И.Д., Глушков А.П. // Геология и полезные ископаемые Красноярского края / КНИИГ и МС.-Красноярск, 1998.- С. 10-45
3. Погребецкий, Е.О. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых [Текст] /
Погребецкий Е.О., Парадеев С.В., Поротова Г.С.-М.: Недра, 1977.-405 с.
4. Купилов, В.Е. Минерально-сырьевая база РАО «Норильский никель» и перспектива её развития [Текст] / Купилов В.Е., Рябкин В.А., Люльков В.А. // Цветные металлы.- 1996.- № 5.-С. 35-37.
5. Техногенные ландшафты севера и их рекультивация [Текст] / Новосибирск: Наука, 1979.
6. Анализ техногенного рассеяния бла-
городных металлов в Норильском промышленном районе [Текст] : Отчет (заключ.) / НИИ; рук. Говорова Л.К.; исполн.: Томилина Т.Н., Говорова Л.К., Макарова Т.А., Литвинова А.В., Ивакина В.Н., Лолаев А.Б., Спесивцев А.В., Коваленко Л.Н., Рыбас В.В., Третьяк В.И., Снисар С.Г., Сыч Ж.М., Яковлева Н.М.- Норильск. 1995. - № ГР 01.9.10021789. - УДК 669.015.9:669.2/8- 152 с. - инв. №
02.960.005920.
7. Грушко Я.И. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу [Текст]: справочник / Грушко Я.И.-Л.: Химия,1987.-192 с.
8. Обзор исследовательских работ по обогащению шлаков Медного завода [Текст]: справка НЛО-13-97 / ГМОИЦ- Норильск, 1997.- 13 с., ил.
9. Великжанина, Л.К. Организация пробо-отбора на металлургических предприятиях [Текст] / Великжанина Л.К., Биячуева Н.К., Бор-бат В.Ф.- М.: Химия, 1970.- 34 с.
10. Додин Д.А. Платинометальные месторождения России [Текст] / Додин Д.А., Чернышев Н.М., Яцкевич Б.А.- СПб: Наука, 2000.753 с.
11. Грейвер Т.Н. Перспективы развития производства платиновых металлов. Новые подходы к источникам сырья и технологии перера-
ботки [Текст] / Грейвер Т.Н., Петров Г.В. // Цветные металлы.- 1999.- №5.- С. 7-10.
12. Анализ наиболее важных факторов, влияющих на эффективность работы предприятий цветной металлургии. Известия высших учебных заведений. Металлургия редких и благородных металлов. / М. А. Денисенко // М.: Цветная металлургия. 2002. - № 1.
13. Тарасов А.В. Проблемы и инновации в цветной металлургии России [Текст] / Тарасов А.В., Парецкий В.М.// Цветная металлургия. 2003.-№11.- С. 13-21.
14. Руднотермическая шлаковая электропечь постоянного тока с поляризацией донной фазы для переработки техногенных продуктов, содержащих цветные металлы [Текст] / Нус Г.С.// Промышленная энергетика.-2004.- №4.- С. 3337.
15. Новое эффективное оборудование по переработке отходов [Текст] // БИКИ. - 2003.
- №135. - С. 11
16. Утилизация шлаков медеплавильного производства [Текст] // Экономические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья [Текст]: Материалы Международного совещания «Плаксинские чтения -2002».- Чита, 16-19 сент. 2002. - М.: Альтекс, 2002.- С. 51-52.
17. Переработка медьсодержащего техногенного сырья с применением полифосфатов щелочных металлов [Текст] / Мочалов Н.А. [и др.] // Обогащение руд.- 2000.- № 4.- С. 45-47.
Коротко об авторах
Нарбекова Т.Н., Нарбеков А.Б. - Норильский индустриальный институт.
