CC BY
117
--------------------------- © М.И. Фазлуллин, Г.И. Авдонин, Р.Н. Смирнова,
В.И. Ступин, В.И. Разумов, Ю.А. Хижняков,
2008
УДК 622.775
М.И. Фазлуллин, Г.И. Авдонин, Р.Н. Смирнова,
В.И. Ступин, В.И. Разумов, Ю.А. Хижняков
О ПЕРСПЕКТИВАХ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛИНОЗЕМА МЕТОДОМ СКВАЖИННОГО ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Проведен анализ производства алюминия в России. Выделен и охарактеризован метод подземного выщелачивания скважинными системами на месте залегания руд, позволяющий успешно отрабатывать убогие по содержанию руды различных металлов, приуроченные к проницаемым обводненным породам.
И промышленное получение гли-
-Я-Л. нозема, необходимого для электролиза алюминия, разработано К.Н. Байером в 1887 г. Этот гидрохимический способ, вошедший в техническую литературу под названием «Способ Байера», заключается в выщелачивании природной алюминиевой руды - бокситов - алюминатно-щелочным раствором. До настоящего времени способ Байера, как электролитический способ получения алюминия - основной в производстве глинозема. Наибольшая эффективность применения гидрохимического способа Байера достигается при переработке высокосортных бокситов, характеризующихся относительно высоким содержанием глинозема, низким - кремнезема, при их отношении (кремниевом модуле) не менее 8.
В настоящее время в глиноземной промышленности освоено три вида природного сырья: бокситы, нефелиновые и алунитсодержащие породы и продукты их обогащения. Основной глиноземной рудой являются бокситы, которые обеспечивают около 97 % мирового производства глинозема. В России, кроме
Семинар № 17
бокситов, в промышленных масштабах используются нефелиновые руды.
Ориентировочно об объемах добычи бокситов можно судить по среднему расходу - 5,5 т бокситов на получение 1 т алюминия [1].
Потребление алюминия в мире непрерывно растет. Цены на металл в 2004-2007 гг. держались на высоком уровне. Средняя цена алюминия на Лондонской бирже металлов в 2004г. составила 1 715,5 дол/т, средняя цена за 11 месяцев 2005 г. поднялась до 1 868 дол/т [2]. Цена алюминия на 14.01.08 г. составила 2 483 дол/т. Динамика цен на алюминий в 2005-2007 гг. на Лондонской бирже представлена на рис. 1.
Россия занимает второе место в мире по производству алюминия, при дефиците минерального сырья для его производства. Добываемые в России бокситы обеспечивают 27 % потребностей металлургии в глиноземе. Из нефелиновых руд производится 18 % потребляемого промышленностью глинозема. Остальное сырье, дающее 55 % глинозема, импортируется.
„н
3500
^ 3000 л
ю 2500 Ж
§ 2000 о Я О
ч я о
й я
а Я
<ц
1500
1000
500
5 0 0 сч 5 0 0 сч 5 0 0 сч 5 0 0 сч 5 0 0 сч 5 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 40 0 0 сч 40 0 0 сч 40 0 0 сч 40 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 0 0 сч 00 о о
о со о о о сК о 11 о со о о о сК о 11 о со о о о сК о 11 о
11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
Период
Рис. 1. Динамика изменения цен на алюминий в 2005-2007 гг.
Годовое производство первичного алюминия в России за 30 лет выросло с 2,6 до 3,6 млн т, а добыча бокситов и производство глинозема после сокращения в 1990-е годы вернулись к уровню 70-80 годов.
Российская алюминиевая промышленность занимает одно из главенствующих мест в группе стран с интегрированной алюминиевой промышленностью (в которых организован полный цикл алюминиевого производства от добычи бокситов до производства первичного алюминия). Ее доля в мировом производстве первичного алюминия составляет 12 %, глинозема - 5 %, бокситов - 3 %.
Основными преимущества российской алюминиевой промышленности являются: дешевизна электроэнергии
(более 80 % выпускаемого алюминия производится на гидроэлектроэнергии), наличие дешевой рабочей силы и высококвалифицированных кадров, необходимых в высокотехнологичном произ-
водстве алюминия, невысокие транспортные тарифы. Затраты российских компаний на производство 1 тонны первичного алюминия составляют: ОАО «Русал» - 1 094 дол., ОАО «СУАЛ» -
1 237 дол., т.е. ниже, чем среднемировые (1240 дол.), что указывает на высокую конкурентоспособность российского алюминия на мировых рынках.
При цене алюминия 1840 дол/т российские компании получают прибыль около 600 дол. с 1 тонны алюминия, что при выпущенных в 2004г. 3,6 млн т алюминия составляет 2,16 млрд дол. Это позволяет российским компаниям осуществлять модернизацию производства, разрабатывать новые технологии и новое оборудование.
Экспорт алюминия нельзя приравнять к экспорту таких сырьевых продуктов как нефть и газ. При экспорте алюминия Россия продает не только природные богатства, а в большей мере - электроэнергию и свои технологии, в сумме обес-
печивающие высокую эффективность производства [2].
Несмотря на отмеченные положительные стороны, алюминиевая промышленность России испытывает серьезную сырьевую зависимость от зарубежных поставок глинозема и бокситов, обусловленную недостаточными мощностями отечественного глиноземного производства и низким уровнем освоения подготовленных к эксплуатации месторождений. В целях сохранения достигнутого ежегодного производства металла в ближайшие годы потребуется импортировать около 3 700 тыс. т глинозема.
В то же время Россия располагает низкокачественным алюминиевым сырьем, запасы которого практически не ограничены. Возникает необходимость в разработке промышленных способов отработки низкокачественного алюминиевого сырья. К такому сырью относятся алунитизированные песчаные породы, широко распространенные в обрамлении угольных бассейнов.
Общей особенностью подобных объектов является невысокое содержание подвижного глинозема - 5—8 %, в отдельных случаях до 20 %; приуроченность сульфатов и карбонатов (давсо-нит) алюминия к проницаемым песча-но-гравелитистым пачкам пород; неглубокое залегание (до 100 м) продуктивных горизонтов (в зоне поверхностного и пластового окисления).
Эти факторы не позволяли относить подобные объекты к источникам алюминиевого сырья из-за очень низкого содержания глинозема. Отработка таких руд традиционными способами требовала огромных объемов горных работ и затрат на их отработку. Однако в последнее время широкое распространение получил метод подземного выщелачивания (ПВ) скважинными системами
на месте залегания руд. Этот метод позволяет успешно отрабатывать убогие по содержанию руды различных металлов, приуроченные к проницаемым обводненным породам. Широкое распространение метод ПВ получил при добыче урана из «гидрогенных» месторождений, что позволило существенно расширить сырьевую базу уранодобывающей промышленности. На ряде объектов проводятся опытные и опытнопромышленные работы по добыче методом ПВ таких металлов как золото (Га-гарское месторождение), медь (Гуме-шевское месторождение), марганец и т. п.
Подземное выщелачивание основано на растворении полезных компонентов специально подаваемыми в рудный пласт реагентами, последующей откачке на поверхность этих растворов и извлечении из них готовой продукции. По нашему мнению, учитывая хорошую растворимость сульфатов алюминия в щелочных растворах, возможна успешная добыча глинозема (или высококачественного, безжелезистого, сырья для его производства).
На востоке России находится огромная провинция (Окско-Зиминская) с предварительно оцененными запасами в 322 млн т Л120з при среднем содержании Л1203 6 %. Сульфаты алюминия представлены в основном алюминитом Л12[804](0Н)47Н20 и галотрихитом РєЛ12(804)4'22Н20, приурочены к пачкам песчано-гравели-тистых пород. Песчано-галечниковые и валунно-галечниковые отложения характеризуются чередованием валунно-
галечникового материала, галечников и рыхлых песчаников, среди которых встречаются алунитизированные части стволов деревьев и конкреции известково-кремнистых песчаников. Промежутки между валунами, гальками и отдель-
ными песчинками заполнены выцветами и корочками галотрихита. Отдельные гальки облекаются тонкими корочками минерала белого цвета, вероятно алюминия.
Рудовмещающие породы обводнены, пластовые воды безнапорные. Удельные дебиты скважин составляют 0,5-3,0 л/с на 1 м понижения.
Алюминит легко растворяется в растворах едкого натра на холоду. Растворение осуществляется по реакции: Л12[804](ОН)4-7Н2О + 4№а0Н =
= 2КаЛ102 + №2804 + 11Н2О.
При этом в раствор переходит вся окись алюминия в виде алюмината натрия, а также сульфаты щелочных металлов.
Выщелачивание производится щелочными растворами на месте залегания алюминит-содержащих пород путем подачи их в пласт через нагнетательные скважины. Откачка растворов из пласта производится насосами из системы от-качных скважин.
Выщелачивающие растворы готовят путем каустификации сульфатных растворов известью по реакции: Ка2Б04 + СаО = №а0Н + СаБ04, после фильтрации они подаются в нагнетательные скважины.
Известь получается обжигом известняка в известково-газовых печах. Печные газы используются для карбонизации продуктивных растворов.
Поднятые на поверхность продуктивные растворы с содержанием Л1203 20-25 г/л осветляются, обескрем-ниваются и подаются на карбонизацию. Сущность процесса карбонизации состоит в нейтрализации щелочи по реакции
2 №а0Н + С02 = №а2С03 + Н20.
В результате уменьшается содержание №а20, и происходит разложение алюминатных растворов по реакции
№аЛ102 + Н2О ^ Л1(0Н)3 + №а0Н.
Помимо гидроокиси алюминия в осадок выпадает алюмокарбонат натрия (Ка20'Л1203'2С03'пН20). Полученный
осадок, условно называемый АКН, отфильтровывается, прокаливается и либо передается на глиноземный завод, либо рафинируется до глинозема по способу Байера на месте.
АКН можно использовать как высокосортное сырье для производства глинозема. Его неоспоримым преимуществом перед бокситами является полное отсутствие красных и белых шламов при его переработке.
Помимо этого в Кемеровской области оценено Березовоярское месторождение давсонитовых руд с ресурсами 141 млн т Л1203. Подобные объекты могут быть обнаружены и в других угольных бассейнах.
Березовоярское месторождение административно относится к Крапивин-скому району Кемеровской области. В районе имеется развитая сеть автомобильных и железных дорог, площадь проявления находится в 60 км от г. Кемерово, в 200 км от алюминиевого завода в г. Новокузнецке и в 300 км к юго-западу от Ачинского глиноземного комбината.
В давсонитовых рудах месторождения, кроме глинозема, содержится гамма попутных элементов (Бе, У, Ы, №Ь, Оа, V), количество которых в продуктивных растворах может оказаться интересным.
В случае потери в недрах при отработке методом ПВ 50 % глинозема, оставшиеся ресурсы могли бы обеспечить работу предприятия мощностью 1 млн т глинозема и 1,5 млн т соды в течение 50-70 лет.
Давсонитовые руды Березовоярского месторождения изучались во ВНИИге-олнеруде в 1989-1991 годах с целью их отработки методом подземного выщела-
Полигон ПВ
Отделение шлама фильтрацией
Обескремнивание
£
Фильтрация
Г
Осадок соединений
Очищенный алюминатный
кремния
раствор
Разложение раствора
Г идроокись алюминия
Маточный содовый раствор
Многократная промывка
Фильтрат на
упаривание
Упаривание
Гидроокись
Сода
алюминия
Прокаливание
т
Многократная промывка
Глинозем
Прокаливание
Сода
Рис. 2. Технологическая схема получения глинозема и соды при разработке месторождения давсонита методом ПВ
чивания. Проведенные исследования показали обводненность продуктивных горизонтов месторождения, возможность перевода глинозема в продуктивные растворы и его извлечения в процессе их переработки.
Выщелачивание давсонита осу-
ществляется по следующей реакции: №аЛ1(0Н)2С03 + №а0Н =
=№аЛ102 + №а2С03 + 2^0.
Теоретически при расходе №а0Н 0,56 т из 1 т давсонита получается 0,71 т №аЛ102+0,74 т №а2С03+ +0,25 т Н20.
Реакция идет только при избытке №а0Н (каустический модуль №а20/Л1203 = 1,86).
Коэффициент извлечения давсо-нита в зависимости от его содержания и скорости подачи растворителя принимается равным 80 %.
При подземном выщелачивании дав-сонитсодержащих пород предус-
матриваются следующие технологические операции:
■ выщелачивание полезных компонентов при температуре окружающей
Удельные расходы основных материалов и реагентов для выщелачивания сульфатных руд
Наименование Ед. измерения Удельный расход Цена за ед. Удельные затраты
Известняк т/т 2,1 650 руб./т 1365
Оборотная вода м3/т 25 0,01 руб./м3 0,25
Техническая вода м3/т 0,98 0,15 руб./м3 0,15
Топливо натуральное кг/т 245 900 руб./т 220,5
Электроэнергия кВт-ч/т 270 1,83 руб./кВт-ч 494,1
Сооружение скважин пог. м/т 0,08 2800 224
ИТОГО: 2 304,00 руб/т
Примечание: расчет расхода электроэнергии, воды и топлива произведен по материалам производства извести с учетом данных по переработке продуктивных растворов на предприятиях ПВ. Расход известняка произведен по стехиометрическим расчетам.
среды, подъем продуктивного раствора на поверхность;
■ обескремнивание полученных продуктивных растворов;
■ разложение продуктивного раствора с получением гидроокиси алюминия и маточного содового рас-твора;
■ выделение гидроокиси алюминия фильтрацией;
■ упаривание содовых маточных растворов и выделение соды;
■ прокаливание полученных продуктов.
Технологическая схема получения глинозема и соды при разработке месторождения давсонита методом ПВ приведена на рис. 2 [3].
На наш взгляд, есть основание продолжить научно-исследовательс-кие,
опытные и опытно-промышлен-ные работы на Березовоярском месторождении давсонита с целью разработки экономически и экологически приемлемой технологии получения глинозема и соды методом подземного выщелачивания, учитывая близость объекта к российским алюминиевым заводам.
Себестоимость добычи «продук-ции» при ПВ складывается из:
- затрат на вскрытие запасов полезных ископаемых (оборудование, бу-
рение технологических скважин, их обсадку и обвязку в добычные полигоны);
- затрат на «подъем» и перекачку растворов;
- затрат на реагенты.
Затраты на вскрытие руд определяются количеством погонных метров бурения на тонну балансовых запасов. При рядной системе отработки на одну от-качную скважину приходится в среднем 2,2 закачные. Общее количество скважин составляет 3,2 на одну ячейку при глубине скважин ~70 м объем бурения составит 224 пог./м на ячейку. При сети скважин 20^20x40 (расстояние между откачными скважинами в ряду 20 м, между закачными 20 м, между рядами 40 м) площадь добычной ячейки составит 1 600 м2. Средняя рудная мощность при содержании А12О3 6 % составляет 20 м. Таким образом, на одну ячейку приходится
Q = 60 кг/т х 1,6 т/м3 х 1 600 м2 х х 20 м = 3 072 т
до 3 072 т «подвижного» А12О3, и удельные буровые затраты составят 0,08 пог. м/т. Удельные затраты на реагенты и бурение составят 2 304,0 руб/т (см. таблицу).
Цена, USD/т
> 4$ 4Р
«у> «у> ^
(?' сЯЧ <Р*'
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ $
4* 4^' #■' ** <Р
Период
■Г 4^ #■' сЯч4 #'
600
500
400
300
200
100
0
Рис. 3. Динамика изменения цен на глинозем металлургический (Европейский рынок)
Для обслуживания полигона и перерабатывающей установки (по опыту работы цехов ПВ) производительностью 1200-1300 м3/час 150-170 отк. скв.) необходимо 300 человек списочного состава или 3600 чел/мес. в год. При средней зарплате 28 000 руб/мес. ФОТ с налогами составит 138 млн руб. При плановой производительности цеха 200 000 т глинозема в год удельные затраты на оплату труда составят 690 руб/т.
С учетом плановых накоплений и НДС минимальные удельные затраты на производство 1 т АКН составят 3 892 руб/т или 160 дол/т (при дол. = 24,5
руб).
Затраты на рафинирование АКН по методу Байера составят 100-120 дол/т. Таким образом цех с производительно-
1. Одокий Б.Н., Остроумова Т.С., Меньшин А.Ю. «Минерально-сырьевая база алюминиевой промышленности мира». Минеральное сырье, серия геолого-экономи-ческая, № 11, - М.: изд. ВИМС, 2001, 106 с.
2. Ремизова Л.И. Россия в структуре мировой алюминиевой промышленности. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление, 2006 г. № 1.
стью по продуктивным растворам 1 2001 400 м3/час может производить до 200 000 т глинозема в год с себестоимостью 260-280 дол/т.
Цена металлургического глинозема по состоянию на январь 2008 г. составляет 360 дол/т (рис. 3) [4].
Ожидаемая прибыль составит 80-100 дол/т глинозема.
Для претворения в жизнь рассмотренных технологий в первую очередь необходимо изучить геолого-гидро-геологические условия применимости метода скважинного подземного выщелачивания в конкретной обстановке месторождений.
Методика проведения исследований детально рассмотрена в работе [5].
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Старосуд А.Н. и др. Отчет по теме «Разработать и внедрить рекомендации по гео-технологической оценке давсонитсодержащих пород Кузбасса», ВНИИгеолнеруд, г. Казань, 1991 г.
4. Цена алюминия в 2005-2007гг. Интернет-издание ттега1.ги/еЬар1еге.
5. Справочник по геотехнологии урана. Под редакцией Д.И. Скороварова, М., Энерго-
атомиздат, 1997, с.127-158. ГТТШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Фазлуллин М.И., Авдонин Г.И., Смирнова Р.Н. - ФГУП «ВНИИХТ»,
Ступин В.И. - ООО НПП «ГЕОТЭП»,
Разумов В.И., Хижняков Ю.А. - ЗАО «УДК Горное».
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 17 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.
