CC BY
39
© A.A. Зубков, З.М. Шулснина, Г.П. Подзносв, 2013
УДК 699.295
А.А. Зубков, З.М. Шуленина, Г.П. Подзноев
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОКЛАВОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ (ГЕОАВТОКЛАВОВ) В ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ОТРАСЛИ
Разработана новая концепция переработки бедных труднообогатимых руд, горно-металлургических отходов и др. минерального сырья по принципу «все в раствор — по одному из раствора». Для реализации данной концепции предлагаются автоклавы нового поколения, отличающиеся высокой производительностью, малыми капитальными затратами на строительство и эксплуатационными расходами. Возможна переработка отходов, содержащих ядохимикаты совместно с минеральным сырьем и получением экологически чистых продуктов.
Ключевые слова: автоклав, труднообогатимое сырье, утилизация, промышленные отходы, выщелачивание, обжиг, окисление, восстановление.
Переработка низкосортного минерального сырья по применяемым в настоящее время технологиям экономически нецелесообразна, т.е. эти руды переводятся в категорию забалансовых.
Так, по данным академика В.А. Чан-турии, переоценка месторождений с учетом указанного фактора показала, что в категорию забалансовых руд перейдет: 34 % свинцовых, 49 % — оловянных, 34 % — магнетитовых, от 15 до 30 % — титановых, медных, вольфрамовых, апатитовых руд и угля.
В тоже время растут запасы отходов горно-металлургического, химического и др. производств, объем которых на сегодняшний день составляют по литературным данным около 100 млрд. т. с ежегодным пополнением порядка 10 млрд. т., которые являются не только мощным источником загрязнения окружающей среды, но и ценным источником получения металлов.
В течение технологического цикла освоения месторождения, накопления
и хранения горнопромышленных отходов, форма миграции элементов становится все более активной и сложной, изменяясь от чисто механического рассеяния (например, селена рассеивается свыше 90 %, мышьяка — более 60 %, ртути — более 55 %) и водного переноса в ионной форме, к сложным видам биогеохимической миграции.
В хвостах обогащения руд цветных металлов доля неизвлеченных по существующим технологиям (т.е. потерянных) компонентов от их количества в исходной руде составляет (минимальные и максимальные значения), %: олова 35—58; воль фрама 30—50; молибдена 19 и 53; цинка 26 и 47; свинца 23 и 39; меди 13 и 36; никеля 10 и 25. Извлечение основных полезных ископаемых в России в пределах 65—78 %, а попутных элементов — от 10 до 30 %.
Еще ниже извлечение попутных компонентов при обогащении комплексных руд. Так при флотации медных руд потери составляют, %:
свинца 28, цинка 34, золота 45, молибдена 51, а вольфрамово-мо-либденовых руд потери меди составляют от 22 до 60 %, до 62 % тантала, до 81 % висмута.
По ориентировочной оценке запасы металлов в отходах (хвостах обогащениях и шлаках) ряда предприятий цветной и редкометальной промышлености конкурируют с запасами крупных месторождений руд.
Однако, при всей привлекательности переработки техногенного минерального сырья имеется и ряд нерешенных проблем, таких как отсутствие высокоэффективных технологий его переработки и отсутствие соответствующего оборудования для их реализации, позволяющего получать товарные продукты и экологически чистые отвальные продукты, пригодные для использования в других отраслях промышленности.
Таким образом, создалась ситуация, когда огромные запасы ценных металлов в техногенных месторождениях, расположенных в хорошо освоенных регионах часто с развитой инфраструктурой, не используется, в то время как идет постоянный поиск возможности освоения новых месторождений руд в труднодоступных регионах часто с экстремальными климатическими условиями.
1. Концепция решения актуальных проблем. Разработан новый концептуальный подход и принципиально новые техническое и технологическое решения, позволяющие, согласно проведенных нами работ, решить экологические и сырьевые проблемы.
Исходное сырье в большинстве случаев экономически целесообразно перерабатывать в геоавтоклаве нового поколения без предварительной
подготовки, а в некоторых случаях использовать бедные коллективные концентраты.
Предлагается объединить обжиг и автоклавное выщелачивание техногенного и труднообогатимого природного минерального сырья (окисленного и бедного сульфидного) в единый, последовательный и непрерывный процесс. Технологический процесс предлагается вести по схеме «все в раствор — по одному из раствора».
Перевод в раствор бедных коллективных концентратов, исходной руды или отходов горно-металлургического производства осуществляется в геоавтоклавах, существенным образом отличающихся от традициионных. Этот автоклав состоит из трех камер: обжиговой, контактной и камеры выщелачивания и имеет ряд важнейших достоинств по сравнению с традиционными:
• для создания и поддержания высокого гидростатического давления (до 30—45 атм.) не требуется мощных насосов, компрессоров и высоких энергетических затрат;
• упрощена система ввода и вывода пульпы из автоклава, что позволяет снизить затраты на малонадежные фланцевые соединения, запорную арматуру, дроссели сброса давления, перемешивающие устройства и пр.;
• не требует для своего сооружения применения специальных дорогостоящих металлов и конструкционных материалов.
Исходным сырьем для выщелачивания в геоатоклавах может быть сырье широкого профиля, а именно:
— техногенное сырье, в большинстве случаев без предварительного концентрирования ценных компонентов;
— бедные, окисленные и сульфидные труднообогатимые руды;
— комбинированные техногенные отходы, включающие органику, нестандартные ядохимикаты, которые при их обезвреживании могут являться энергетическим источником технологического процесса получения металлизированного конечного продукта.
Задачи по совершенствованию технологических обогатительных процессов по предлагаемому методу переработки сырья несколько корректируются, а именно:
• к переработке техногенного и природного сырья основным требованием становится не получение кондиционных селективных концентратов согласно устоявшихся кондиций, а получение бедных коллективных концентратов при максимальном извлечении в них ценных компонентов и отвальных экологически чистых отходов, являющихся исходным материалом для других отраслей промышленности.
Ниже рассматривается несколько примеров использования геореактора при переработке различного вида сырья.
Выщелачивание пирит-арсено-пиритовых золотосодержащих продуктов (концентратов, пром-продуктов и пр.). Переработка руд и рудно-минеральных пирит-арсено-пиритовых золотосодержащих концентратов осуществляется по двум основным направлениям — пироме-таллургический и гидрометаллургический.
Пирометаллургический передел, осуществляемый как правило окислительным или хлорирующим обжигом (в твердой фазе), преимущественно по принципу кипящего слоя (КС), отличается весьма сложными проблемами утилизации мышьяка и больших объемов тепловой энергии, газов и пылей, в которых теряется также и
значительное количество ценных компонентов.
Гидрометаллургические способы переработки сульфидного сырья цветных и драгоценных металлов формировались по двум основных направлениям:
1. Комбинированный способ, когда сульфидные руды и концентраты предварительно обжигаются, а затем выщелачиваются. При этом остается проблема пылеуноса, очистки и утилизации отходящих газов и тепла. Последнее практически теряется для последующего выщелачивания.
2. Сульфидное сырье подвергается автоклавному выщелачиванию, что избавляет процесс от пылегазовыно-са, но при этом остается проблема утилизации тепла и становится определяющей высокая стоимость, сложность эксплуатации и надежность самих автоклавов.
Во всех рассмотренных вариантах основные стадии металлургической переработки сырья разделены между собой как во времени, так и в пространстве. Как следствие этого, в значительной степени теряется технологическое тепло после каждой стадии с сопутствующими сложными и дорогостоящими операциями складирования, транспортировки и рудоподго-товки перед последующим металлургическим переделом.
Но наиболее негативной стороной этих процессов является практически полная потеря огромных резервов сульфидного железа (до 80—90% от исходного сырья и промотходов), безвозвратно теряемого в экологически опасных шламонакопителях огарков и кеков выщелачивания.
Эти проблемы могут быть успешно решены, если проводить переработку исходного сырья по схеме «обжиг-выщелачивание» с помощью шахтного автоклавно-термохимического реак-
тора, определяющей сущностью которого служит последовательно-неразрывное исполнение обжига и автоклавного выщелачивания в едином технологическом аппарате и процессе, что дает возможность максимально эффективно использовать достоинства как обжига, так и автоклава.
Конструктивно реактор (рисунок) представляет собой пройденный в горных породах специально оборудованный шурф (шахту), состоящий из корпуса и технологических камер. Корпус реактора в разрезе состоит из:
1. Вмещающих горных пород (13), которые имеют достаточную природную прочность на сжатие и способны надежно противостоять экстремальным давлениям как изнутри, так и снаружи реактора.
2. Бетонной (10) оболочки (180— 200 мм) для обеспечения гидроизоляции от подземных вод. Внутренняя часть бетонной оболочки имеет железобетонный каркас (100—150 мм) для придания жесткости и прочности корпусу реактора.
3. Теплоизолирующей (9) оболочки (100—150 мм) между бетонной и фу-теровочной оболочками. Здесь же монтируются трубопроводы для подачи реагентов, тепло-носителя и воздуха, кабельные линии датчиков технологических параметров.
4. Футеровочная (8) оболочка (внутренняя) (100—150 мм) из термо- или кислотостойкого материала предназначена для защиты корпуса автоклава от тепловой и химической агрессии реакционной смеси и абразивного воздействия твердой фазы при обжиге и автоклавном выщелачивании.
Подобная конструкция корпуса реактора обеспечивает его полную герметизацию и изоляцию от внешней среды. В отличие от традиционных типов технологических аппаратов в
геореакторе в значительно меньшей мере используются дорогостоящие высокопрочные кислотостойкие металлы, сплавы и конструкционные материалы, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию реактора и его сооружение на месте.
Кроме этого, занимает значительно меньшую производственную площадь при значительном рабочем объеме реактора. Так, при внутреннем диаметре 20 м и глубине 200 м, реактор будет иметь рабочий объем около 600 м3, а при диаметре 3 м и глубине 300 м — уже 1200 м3. Создание автоклавного комплекса общим рабочим объемом в 1000—1200 м3 в традиционном исполнении технически весьма сложно и дорого.
Требуемая же производственная площадь и объем промзданий для размещения подобного автоклава в десятки раз меньше чем для традиционных автоклавов намного меньшего объема.
Внутренняя часть реактора геореактора разделена вертикальной перегородкой на технологическую и подъемную секции. В верхней части технологической секции располагается камера сгорания 1 для ввода теплового факела в обжиговую камеру 2 и далее в последовательно расположенные ниже и соосно газоотделительную 3 (циклонную) и автоклавную 4 камеры. Последняя в своей нижней части соединена наклонным проходом с донной частью подъемной секции 6 в виде вертикальной трубы с выходом на поверхность в камеру дегазации 7.
Параллельно основной обжиговой камере располагается дополнительная хлоргенерирующая камера 5, соединенная пылегазовым каналом 10 с автоклавной камерой.
Для извлечения золота и серебра в процессе автоклавного выщелачива-
ния используется хлор-агент, получаемый здесь же в отдельной хлорге-нерирующей камере 5 за счет автогенного окислительного обжига пи-ритного (желательно золотосодержащего) концентрата совместно с хлоридом натрия. Получаемый хлор-газ вместе с пылевой фазой без материальных и тепловых потерь поступает непосредственно в автоклавную камеру для выщелачивания.
В шахтном реакторе объединены в единый процесс обжиг и автоклавное выщелачивание, что позволяет практически полностью и сразу использовать тепло обжига для разогрева пульпы в автоклавной камере, снизить пылегазоунос и вернуть часть тепла в технологический процесс, значительно снизить потребность в сложной и дорогой системе охлаждения, пылеулавливания и газоочистки.
Упрощается также система вывода продуктов выщелачивания, поскольку подъемная секция в этом случае представляет собой своего рода перепускной гидрозатвор, легко регулируемый по напору и скорости потока и одновременно стравливающий общее давление на выходе за счет гидростатического давления столба пульпы.
Переработка в геоавтоклаве позволяет, с одной стороны, включать в рентабельную переработку более бедные руды, промпродукты, концентраты и даже хвосты и забалансовые руды, а с другой — перерабатывать первичные, полуокисленные и окисленные руды без сложных, энергоемких и трудоемких промежуточных стадий обогащения и агломерации. Тем самым существенно снижаются потери ценных компонентов с пром-продуктами и увеличивается их сквозное извлечение.
В общем виде непрерывный технологический процесс по схеме «обжиг — автоклавное выщелачивание»
может осуществляться по кислородно-хлорирующему варианту с обжигом сульфидного сырья с последующим сульфатно-хлоридным выщелачиванием в присутствии хлорида натрия.
Получаемый в хлоргенерирующей камере хлор-газ при взаимодействии сульфида железа с хлоридом натрия по схеме:
2Ре82 + 7502 = Ре203 + 48Оз; 28Оз + 4ЫаС1 + О2 = 2^804 + 2С12,
Затем поступает в контактную зону автоклавной камеры, где дополнительно:
Н28О4 + 2ЫаС1 = Ыа2804 + 2НС1 или
Н28О4 +Са (0С1)2 = Са804 + С12 + + Н2О + 0502.
Мышьяк может присутствовать в руде в виде РеДз8, или сульфосолей и его окисленных и полуокисленных минералов (арсенатов). При высоких температурах окислительного обжига (650—7000С) эти соединения разлагаются на арсенолит (Дэ2Оз), оксиды кальция и железа и т.п., по обобщенной реакции:
2РеДэ8 + 6О2 = Ре20з + Дэ2Оз + + 28Оз.
Арсенолит при температуре более 2000С переходит в газовую фазу в виде димерной молекулы и практически полностью удаляется из системы в циклонной камере вместе с газовой фазой.
Переработка железистых кеков осуществляется в модифицированном термо-химическом реакторе, аналогичном вышеописанному, но без хлоргенерирующей камеры. Включение сульфидного железа в товарную продукцию на 40—60 % увеличивает прибыльность переработки сульфидных руд и на 80—90 % уменьшает объемы промотходов, существенно
снижая тем самым экологический вред окружающей среде и человеку.
Основным достоинством рассмотренного варианта хлор-хлоридно-сульфатного выщелачивания, помимо уже отмеченных выше, является также практически беззатратное получение тепла для автоклавного выщелачивания и основных технологических реагентов (хлора и соляной кислоты) на месте из легкодоступного хлорида натрия и имеющейся в избытке в исходном материале сульфидной серы.
Определяющим критерием для выбора технологической схемы обжига и автоклавного выщелачивания является состав исходного сырья. В отличие от традиционного обжига в геореакторе не требуется 100 %-я полнота обжига сульфидов, поскольку его основная цель - получение необходимого количества тепла и части реагентов (Б03, С12) для автоклавного процесса при котором довыщелачиваются и остатки необожженного сульфидов.
Пульпа переходит в подъемную секцию, где поднимается на поверхность за счет аэрации сжатым воздухом для дальнейшей переработки, где проводиться отбор избыточного тепла через теплообменную систему, встроенную в оболочку подъемной секции.
После извлечения из растворов ценных компонентов жидкая фаза проходит доочистку и направляется на приготовление пульпы с возвратом в автоклавную камеру через теплооб-менную систему отходящих из циклонной камеры газов.
Сельскохозяйственные ядохимикаты относятся к группе высокотоксичных веществ самого разнообразного состава и назначения, но в подавляющем большинстве они являются элементо-органическими соединениями на углеводородной матричной основе с широким спектром функциональных производных. В то же время ядохимикаты в силу специфики их предназначения отличаются ограниченной персистентно-стью своей целевой эффективности, которая весьма чувствительна к воздействию различных факторов внешней среды.
Нарушение режимов и правил транспортировки и хранения ядохимикатов, их затаривания и морального старения, приводит к тому, что на базах и складах «Сельхоз-химии» накапливаются значительные их объемы непригодных к использованию по своему прямому предназначению, но сохранивших свою явную, а зачастую непредсказуемую скрытую токсичность как для человека, так и окружающей среды.
К настоящему времени не существует экономически выгодной, эффективной и достаточно безопасной технологии обезвреживания и утилизации этой группы отходов.
Можно осуществить полную термохимическую деструкцию ядохимикатов и подобных им веществ до простых химических соединений, легко утилизируемых и уже не являющихся носителем токсических свойств исходных
Содержание компонентов в органических отходах, (%)
Тип отходов С н2 о2 N2 С12 Б Вг Прочие
Ядохимикаты 480 45 120 80 180 58 25 12
Осадки сточных вод 520 77 296 100 01 03 - 03
Твердые бытовые 600 85 93 40 03 09 - 15
отходы
Мазут 846 113 01 04 — 35 - 01
Автошины 831 8.6 094 104 — 15 - 31
Принципиальная схема устройства термохимического реактора
материалов, попутно используя их в качестве альтернативных энергоносителей и технологических реагентов с нулевой исходной себестоимостью.
Массовый состав большинства наиболее распространенных в использовании ядохимикатов (статистика для 230 наиболее распространенных наименований ядохимикатов) в принципе сопоставим, к примеру, с таковым для осадков сточных вод, других органогенных отходов или традиционного углеводородного энергоносителя — мазута (таблица).
При полном сгорании (окислении) последнего, как известно, конечными продуктами термохимического процесса являются исключительно окис-ные газообразные соединения — (СО2, Н2О, 802, 8Оз и др.) с суммарным тепловым эффектом 8000— 10000 ккал/кг. Несомненно, что аналогично этому будет проходить полное сгорание (окисление) аналогичных углеводородных отходов. Это относится и к ядохимикатам, являющимся в подавляющем большинстве также углеводородными соединениями. Близкими будут и тепловые эффекты этого процесса (6500— 8000 ккал/кг).
Реализация предлагаемой технологии дает возможность получить целевые товарные продукты из изначально экологически вредных материалов практически без отходов и решить тем самым с высоким экономическим эффектом острейшую экологическую проблему утилизации огромных объемов органогенных и техногенных отходов.
Таким образом, предлагаемая новая концепция переработки бедных коллективных концентратов, трудно-обогатимого природного и техногенного минерального сырья с использованием геоавтоклава, позволяет:
— значительно расширить сырьевую базу получения широкого ассортимента металлов;
— снизить загрязнение окружающей среды за счет внедрения экологически чистой технологии переработки вредных отходов;
— существенно снизить капитальные затраты на производственные здания, сооружения, фундаменты и внутрицеховые коммуникации, значительно сократить объемы и продолжительность проектных и строительно-монтажных работ, [ттез
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Зубков Анатолий Александрович - кандидат технических наук, доцент, главный технолог ООО «Экомет Плюс», [email protected]
Шуленина Зинаида Макаровна - кандидат экономических наук, Генеральный директор ООО «Экомет Плюс», [email protected]
Подзноев Геннадий Петрович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Симферопольский инженерно-педагогический университет.
