CC BY
443
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.7:622'17
ПЕРЕРАБОТКА ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА
А.Ш. Гершенкоп, М.С. Хохуля, Т.Н. Мухина
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Мурманская область отличается развитой горной промышленностью. Здесь работают комбинаты, эксплуатирующие: медно-никелевые, апатит-нефелиновые, апатит-
магнетитовые, железные, слюдяные руды и руды редких металлов; накоплено несколько млрд тонн отходов, заскладированных в действующих и законсервированных хвостохранилищах. Помимо этого, существуют отвалы вскрышных пород. Такое положение создает гигантские техногенные месторождения, где складировано уже добытое горное сырье, большей частью прошедшее стадию рудоподготовки. Показаны возможности получения различных концентратов из техногенного сырья действующих горных предприятий и направления их использования.
Ключевые слова:
техногенное сырье, обогащение, комплексное использование, флотация, гравитация, магнитная и электрическая сепарации, концентраты, использование.
Проблемы горнопромышленных регионов - это, прежде всего, проблемы отходов, служащих причиной возникновения неблагополучных в экологическом отношении ситуаций. Основные факторы, влияющие на окружающую среду при складировании отходов: большие площади земной поверхности, используемые для их размещения, выбросы вредных веществ в атмосферу, сбросы в поверхностные и подземные водоемы, пыление, потенциальные и потребительские свойства. В то же время отходы горнообогатительного производства являются техногенными месторождениями (хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК», которые уже вовлекаются в эксплуатацию, хвостохранилища ОАО «Апатит», которые можно рассматривать как источник нефелина, сфена, титаномагнетита и эгирина с дополнительным извлечением апатита, отвалы слюдяных предприятий, которые становятся основным источником для извлечения слюдяного сырья и т.д.). В целях уменьшения нагрузки на природную среду и улучшения экологической обстановки в районе производства горных работ и промышленного освоения отходов -техногенных месторождений необходима разработка общей стратегии управления отходами. Этой цели должны служить комплексные системные научно-исследовательские работы по анализу состояния отходов горнопромышленных производств, динамике изменения их объемов, технической и экологической опасности, а также определению способов переработки и утилизации, оценки перспектив использования в промышленности сырья из техногенных месторождений.
В Мурманской области значительно развита горная промышленность, где работают комбинаты, эксплуатирующие медно-никелевые, апатитонефелиновые, апатитомагнетитовые, железные, слюдяные руды и руды редких металлов, и накоплено несколько млрд тонн заскладированного в действующих и законсервированных хвостохранилищах. Помимо этого существуют отвалы вскрышных пород. Все это создает гигантские техногенные месторождения, где складировано уже добытое горное сырье большей частью прошедшее стадию рудоподготовки. Целью выполненных работ было изучение возможности использования этих техногенных месторождений как дополнительного источника целого ряда ценных компонентов, пригодных к использованию в промышленности. При освоении этих месторождений вопросы комплексного использования должны выступать на первый план, учитывая, что в недалеком прошлом большинство горных предприятий являлись производителями монопродукта. Рассмотрим возможность использования техногенных месторождений на примере отдельных предприятий горнопромышленного комплекса.
Апатитонефелиновые месторождения эксплуатируются ОАО < Апатит» с 1931 г. Среднее содержание Р205 в рудах изменялось в сторону уменьшения: 30% - в период начала освоения, 12-13% - в настоящее время. Хвосты обогатительной фабрики, технологическая схема которой непрерывно совершенствовалась, вначале сбрасывались в р. Белая и накапливались у ее излучины, а основная часть выносилась в Сейдозеро и
попадала в оз. Имандра. Таким образом, первым доступным техногенным месторождением ОАО «Апатит» можно считать накопление хвостов у излучины р. Белой. Второе законсервированное хвостохранилище, представляющее уже промышленный интерес как возможный источник нефелина, сфена, титаномагнетита и эгирина, можно считать хвостохранилище в районе г. Кировск, у 13 км автомобильной дороги между городами Апатиты и Кировск. Небольшое хвостохранилище находится в промышленной зоне у Апатитской ТЭЦ. Оно образовано в 1963-1964 гг. в период пуска АНОФ-2 и представляет только технологический интерес как месторождение, подверженное влиянию газовых выбросов с Апатитской ТЭЦ.
Эти три хвостохранилища интересны с точки зрения временного фактора и условий их хранения.
Помимо вышеуказанных имеются еще два самых крупных хвостохранилища: район п. Титан и Сейдозеро вместе с губой р. Белой. Эти хвостохранилища являются действующими. Первое из них (бывшее хвостохранилище АНОФ-1) служит для АНОФ-3, а во второе в настоящее время складируются хвосты АНОФ-2. Жидкая фаза хвостохранилищ служит оборотной водой для этих обогатительных фабрик. Для оценки обогатимости техногенных месторождений были отобраны пробы у излучины р. Белой, характеризующие хвосты 1930-1940-х гг., в районе промышленной площадки у Апатитской ТЭЦ и из законсервированного хвостохранилища, где накапливались хвосты при работе АНОФ-1 в период со второй половины 1950-х гг. по 1963 г. Наиболее подвержены атмосферным воздействиям хвосты в районе промышленной площадки. Действующие хвостохранилища удалены от промышленных районов, и хвосты, складируемые здесь, должны обогащаться лучше по отношению к рассматриваемым хвостохранилищам, учитывая временной фактор и их расположение.
По минералогическому составу все пробы практически одинаковы: их характеризует уменьшенный выход мелких фракций (класс крупности менее 0.071 мм) и более высокое содержание материала крупнее 0.16 мм. В пробе, характеризующей хвосты АНОФ-2, расположенные в районе промплощадки, можно отметить новые образования в виде шариков, содержащих 18% Al2O3, SiO2,
а также большое количество вторичных по нефелину минералов.
Проведенные технологические исследования продемонстрировали возможность получения из всех проб хвостов рассматриваемых хвостохранилищ качественных концентратов: апатитового, нефелинового, сфенового, эгиринового и титаномагнетитового. Дополнительно были исследованы отвалы вскрышных пород, представленных ийолит-уртитами. Из пробы, характеризующей эти породы, были также получены по одинаковой технологии все вышеуказанные концентраты. Технологическая оценка включала доизмельчение, флотацию апатита, обесшламливание, обратную флотацию нефелина, три перечистки пенного продукта без рециклов и магнитную сепарацию пенного продукта III перечистки в поле с высокой напряженностью для отделения пироксенов.
По данной технологии из всех исследованных проб получены качественные апатитовые концентраты содержанием 39.4% P2O5 при извлечении 78-52%, причем наибольшее извлечение достигнуто при исследованиях пробы хвостов 1930-1940-х гг., что связано с переработкой более богатых руд. Содержание P2O5 в этой пробе составляло около 3%, в пробе начала 1960-х гг. (промышленный район) содержание P2O5 составляло 1.42%, а в пробе 1950-1963 гг. - 2.5%. Можно отметить, что по апатиту лучше всего обогащаются хвосты 1930-1940-х гг.
Из хвостов апатитовой флотации, осуществленной при обогащении отходов, после классификации и доизмельчения крупной фракции (+0.16 мм), их обесшламливания, обратной флотации нефелина выделялся нефелиновый концентрат. Пенный продукт после трех перечисток представлял собой коллективный концентрат, из которого магнитной сепарацией в слабом и сильном поле выделялись титаномагнетитовый и эгириновый концентраты. Немагнитный продукт представлял собой сфеновый концентрат. По нефелиновому циклу лучшие показатели обогащения получены из пробы хвостов 1950-1963 гг., а худшие - из хвостов 1930-1940-х гг., что связано с вымыванием мелких фракций в хвостохранилище, расположенном у излучины р. Белой.
Сфеновый, титаномагнетитовый и эгириновый концентраты выделены из всех проб приблизительно с одинаковыми показателями.
Проведенные исследования показали возможность комплексной переработки хвостов апатитовой флотации. Причем следует отметить, что временной фактор здесь играет второстепенную роль, а на первое место выступают условия хранения отходов.
Переработка вскрышных пород позволила получить более высокие технологические показатели по всем концентратам.
Рассматривая складированные отходы ГМК «Печенганикель», принадлежащие Кольской горнометаллургической компании, можно отметить три вида твердых отходов: вскрышные породы, хвосты обогащения и металлургические шлаки.
Вскрышные породы - блочные пироксениты используются для производства изделий из камня. На подземных рудниках утилизируются в составе твердеющей закладки до 40 тыс. м3/год и до 75 тыс. т/год шлаков. Введена установка по переработке шлака в материал для пескоструйных аппаратов производительностью 20-25 тыс. т/год. Шлаки также применяются для строительных работ. Хвосты обогащения руды используются для производства керамики с высокой прочностью, низкой истираемостью.
Исследования по использованию горно-металлургических отходов целесообразно рассматривать с точки зрения экологии и экономики первичных минерально-сырьевых ресурсов. При этом приоритетными направлениями отходов являются:
• получение из них дополнительных минеральных ресурсов;
• переработка в строительные и технические материалы без значительных капитальных затрат;
• нейтрализация, утилизация экологически опасных продуктов.
Рекомендуется продолжить технологические исследования производства талькового концентрата при обогащении Си — N руд, вовлечения в переработку складируемых забалансовых руд с получением двух видов сортов Си — N концентратов с содержанием 6-8% и 1.5-2.5 N .
Ковдорское месторождение комплексных бадделеит-апатит-магнетитовых руд разрабатывает открытым способом ОАО «Ковдорский ГОК» и производит переработку руды на магнитнообогатительной фабрике (МОФ) и апатито-бадделеитовой обогатительной фабрике (АБОФ). Основной продукцией предприятия являются железорудный, апатитовый и бадделеитовый концентраты, получаемые из комплексных руд Ковдорского месторождения.
На Кольском п-ове работают два железорудных комбината: ОАО «Ковдорский ГОК» и ОАО «Олкон».
• ОАО «Ковдорский ГОК» перерабатывает комплексные железосодержащие руды, где помимо магнетита присутствуют апатит, бадделеит, кальцит и форстерит. В настоящее время извлекается магнетит, апатит и бадделеит. Хвосты обогащения сосредоточены в двух хвостохранилищах. В хвостохранилище № 1 (1-е поле) накоплены хвосты мокрой магнитной сепарации (ММС) за период, когда выпускался только железорудный концентрат. С 1994 г. организовано производство по переработке хвостов ММС. Потенциальные запасы хвостов для переработки на апатито-бадделеитовой фабрике (АБОФ) составляли на начало их разработки 64.2 млн т. В хвостохранилище № 2 (2-е поле) поступают хвосты АБОФ после извлечения апатитового и бадделеитового концентратов.
Помимо вышеуказанных хвостов, складированы хвосты сухой магнитной сепарации (СМС) мелкодробленой руды (-25мм) в количестве 18.3 млн т. за период работы фабрики с 1963 по 1975 гг. Значительная их часть израсходована на строительные нужды. Оставшаяся часть засорена строительным мусором, древесиной, металлоотходами, пустыми породами, т.е. безвозвратно потеряна.
На первом этапе освоения отходов в переработку вовлекли хвосты СМС. В этот период подавалась смесь этих хвостов и руды текущей добычи. Исходя из необходимого соотношения хвостов и руды, хвосты СМС в течение 2 часов в смену подавали из приемного бункера в бункер одной из секций измельчения при производительности около 200 т/час. В остальное время (около 6 часов в смену) принимали и дробили руду из карьера с распределением мелкодробленой руды по бункерам других секций измельчения. Смесь хвостов ММС поступала на выделение апатита и бадделеита.
Учитывая положительные результаты использования хвостов СМС, комбинат с 1995 г. приступил к реализации проекта добычи и обогащения хвостов ММС 1-го поля хвостохранилища, уложенных в период с 1967 г. по 1980 г. Впервые интерес к повторному использованию отходов в качестве дополнительного сырья для получения апатитового концентрата возник в 1976 г. В это время были утверждены запасы хвостов. При их флотации после доизмельчения до 45-60% класса -
0.074 мм получен апатитовый концентрат содержанием 36% Р2О5 и 3% MgO при извлечении 54%, что на 8% ниже, чем на действующей АБОФ.
В настоящее время обогащение хвостов ММС и руды основного производства организовано по раздельной схеме: примерно 2/3 месяца подают руду из карьера, а 1/3 месяца обогащают хвосты ММС с выделением апатитового и бадделеитового концентратов.
Вовлечение в переработку лежалых хвостов позволило предотвратить резкое снижение выпуска апатитового концентрата, а выпуск бадделеитового концентрата увеличить в 1.9 раза.
При повторной переработке отходов горно-обогатительного комплекса возможно получение следующих дополнительных продуктов:
1. Получение кондиционного апатитового концентрата (осуществляется в настоящее время).
2. Получение кондиционного бадделеитового концентрата (осуществляется в настоящее время).
3. Получение магнийсодержащего продукта (форстеритового концентрата) с содержанием MgO до 50%, который может быть использован в качестве сырья для приготовления огнеупорных смесей, а также в качестве сырья для производства магнийсодержащих химических удобрений (перспектива).
4. Получение продукта, содержащего мелкоразмерную слюду - флогопит (перспектива).
Технологии обогащения форстеритового и слюдяного концентратов разработаны с
использованием флотации и гравитационных способов обогащения.
• Добываемые ОАО «Олкон» руды имеют следующие разновидности: кварц-магнетитовые, термолито-актинолито-магнетитовые, гематито-магнетитовые, а также пироксино-амфиболо-магнетитовые, гранато-амфиболо магнетитовые и слюдяно-амфиболо-магнетитовые, карбонатно-амфиболо-магнетитовые.
Средний минеральный состав руд, %: магнетит - 17-18; гематит - 1.3-22.3; пирит и пирроатин -0.3; кварц - 21.0-61.0; пироксены - 14; амфиболы - 2.0; слюда - 5.0; полевые шпаты - 30.
Отходы при добыче и обогащении руды включают: вскрышные и вмещающие породы при добыче руды, хвосты сухой магнитной сепарации, хвосты магнитного и гравитационного обогащения измельченной руды.
Вскрышные породы мало используются, их небольшая часть применяется для производства щебня, объемы которого зависят от рынка сбыта. Годовой объем вскрышных пород составляет 20-22 млн т, из которых для производства щебня расходуются 1.4-2.0 млн т.
Из ежегодно получаемых 6.5 млн т хвостов обогащения использовались только 22 тыс. т для производства силикатного кирпича.
Технологические исследования позволили разработать схему выделения железных продуктов с использованием магнитной сепарации и гравитации с получением силикатного продукта и железного концентрата с содержанием железа более 60% и его извлечением 50% и выходом 10% от используемых хвостов. Обезжелезненные хвосты содержали 85,6% SiO2; 2.8% Al2O3; 3.9% Fe; 1.6% CaO; 2.8% MgO и S, P2O5 и MnO в подчиненном количестве. Проведенные испытания показали, что из обезжелезненных хвостов получается кирпич прочностью в 1.7 раза выше и весом на 11% меньше, чем кирпич из исходных хвостов.
В результате проведенных технологических исследований установлено, что кварцсодержащие отходы обогащения железной руды могут использоваться для производства: строительных растворов марок 50, 75, 100 и 150; бетона марки 400; жестких цементно-песчаных смесей по вибропрессовой технологии, включая изготовление тротуарных плит, поребриков, элементов градостроительной архитектуры.
Однако непостоянство состава хвостов мокрого обогащения руды, повышенное содержание окислов железа, пироксенов и амфиболов оказывают отрицательное влияние на физико-механические свойства материалов для стройиндустрии.
На Кольском п-ове работает один из крупнейших комбинатов России по добыче и обогащению слюдяных руд, эксплуатируя в недалеком прошлом мусковитовые, флогопитовые и вермикулитовые месторождения. Флогопитовые и вермикулитовые месторождения являются крупнейшими в мире. Учитывая специфику перерабатываемых руд и требования к слюдяной продукции, использовалась слюда крупнее 20 мм. Исключение составляют вермикулитовые руды, которые являются вскрышными породами для флогопитовых руд при их отработке открытым способом.
За годы эксплуатации слюдяных рудников накоплены гигантские отвалы отходов, которые содержат практически пустую крупнокусковую породу и мелкоразмерную руду (мельче 20 мм), где содержание слюды значительно превышает содержание флогопита и мусковита в рудах крупностью более 10 мм. Учитывая потребность промышленности в сырье для производства молотых слюд и вывод из эксплуатации слюдяных рудников, возобновить работу которых без значительных капитальных затрат невозможно, на наш взгляд важное значение приобретают отвалы, созданные за годы работы слюдяных рудников. Поэтому технология переработки мелкоразмерных слюдяных руд приобретает первостепенное значение. По масштабам слюдяной отрасли в отвалах накоплены гигантские запасы мелкоразмерных слюд.
Технология их извлечения включает выделение концентрата крупностью менее 20 и крупнее 10 мм на щелевом сепараторе. Подготовку руды крупностью менее 10 мм к обогащению,
классификацию на машинные классы, обогащение классифицированной руды на гидравлических сепараторах крупностью до 0.7-0.5 мм, и концентрацию на столах руды крупностью менее 0.7 и крупностью менее 0.2 мм. По такой технологии могут обогащаться мелкоразмерные мусковитовые и флогопитовые руды. Она может быть использована и для обогащения вермикулитовых руд, где основная масса вермикулита находится в материале крупностью менее 20 мм.
Качество мусковитовых и флогопитовых концентратов здесь получается на уровне 100% при извлечении более 80% от материала крупнее 0.2 мм, а с учетом потерь слюды, содержащейся в руде крупностью менее 0.2 мм, более 60%. Для руды этой крупности разработана технологическая схема с использованием флотации. Однако по экологическим причинам вовлечение в переработку флотацией такой руды отходит на второй план. Рекомендуемая технология прошла неоднократную опытнопромышленную проверку, где подтверждены данные лабораторных исследований на рудах Карелии и Кольского п-ова. Для ее реализации создана техническая документация на изготовление щелевых и гидравлических сепараторов, барабанных грохотов, которые прошли проверку на фабриках по обогащению слюд.
Хвосты, накопленные в хвостохранилищах при обогащении вермикулитовых руд, содержат более 6% вермикулита. Исследования их обогатимости, проведенные в лабораторных условиях, позволили разработать технологию, позволяющую получать из этого материала концентраты, содержанием около 90% вермикулита при его извлечении более 80%.
Таким образом, из техногенных слюдяных месторождений можно получить новый вид сырья, пригодный, как показали испытания наработанных концентратов, для целевого использования и для производства молотых слюд.
Говоря об отходах предприятия ОАО «Ковдорслюда», следует отметить отвалы полевошпатового производства рудника «Чалмозеро». За годы работы рудника накоплено около 1 млн 300 тыс. т отходов (отходы рудосортировки кускового материала и отсевы мельче 20 мм объемом около 1 млн т) представляющих наибольший интерес с точки зрения вовлечения в переработку. Технология их обогащения основывается на физических свойствах присутствующих здесь минералов, что позволяет применить магнитную и электрическую сепарации после соответствующей рудоподготовки. Разработанная технология позволила получать высококалиевый продукт марки ПТТТМО 2-3 (10% К2О, 3.18% №20, 0.03% MgO и 0.16% Fe2O3) при его выходе около 12% от руды, кварцполевошпатовый концентрат марки КПШМ 0.2-0.9 и кварцевый концентрат ПК-95. По упрощенной технологии с использованием дробления, выделения части слюды по форме, магнитной сепарации возможно получение концентратов ПТТТМО 0.2-2, КПШМ 0.2-0.9. Применение таких концентратов возможно в тонкой и строительной керамике, стекольной промышленности и т.д. Такую технологию начали осуществлять с 1996 г., выпуск продукции в этом году составил около 750 т.
Большой интерес представляют руды Ловозерского месторождения. Это комплексные руды и кроме лопарита содержат эгирин, нефелин, полевой шпат и апатит. Месторождение эксплуатируется «Ловозерской горной компанией». В состав предприятия входили рудники «Карнасурт» и «Умбозеро» и соответственно две обогатительные фабрики. В настоящее время эксплуатируется рудник «Карнасурт» и на его базе обогатительная фабрика. Основными техногенными отходами являются текущие и отвальные хвосты обогатительных фабрик. По минералогическому составу хвосты представлены нефелином (22.8%), полевыми шпатами (36.1%), эгирином (12.7%), апатитом (1.3%), сростками эгирина с полевыми шпатами (25.9%), лопаритом (0.4-0.5%), эвдиалитом (0.4%) и акцессорными минералами (1.3%). Использование отходов производства может вестись по двум направлениям: выпуск нефелин-полевошпатового концентрата, с содержанием глинозема ниже 28%, пригодного для технической керамики, эгиринового концентрата для сварочных материалов, каменного литья, декоративных плиток и по второму направлению - в качестве закладки в подземных горных выработках.
Таким образом, отходы горно-обогатительных предприятий представляют мощную сырьевую базу, вовлечение которой в эксплуатацию представляет значительный интерес не только для Кольского п-ова, но и для страны в целом.
Сведения об авторах
Гершенкоп Александр Шлемович - д.т.н., гл. научный сотрудник, е-mail: [email protected] Хохуля Михаил Степанович - к.т.н., старший научный сотрудник, е-mail: [email protected] Мухина Татьяна Николаевна - к.т.н., зав. сектором, е-mail: [email protected]
