CC BY
108
УДК 622.277
ПОВЫШЕНИЕ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ И КОМПЛЕКСНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РУД ПРИРОДНЫХ и ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ НОВОГО ПОДХОДА К ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
A.A. Зубков, З.М. Шуленина
ООО «Экомет Плюс»,
Москва, Россия
Г.П. Подзноев
ООО «МетЭко»
Симферополь, Украина
Предлагается новая концепция повышения извлечения ценных компонентов из техногенных месторождений. Технология позволяет увеличить выход полезных компонентов и повысить селективность их извлечения при более низких материальных и энергетических затратах.
Прогресс в области решения технологических задач по повышению комплексности использования минерального сырья и полноты извлечения каждого полезного компонента сдерживается укоренившейся практикой получения кондиционных концентратов монометалла (приводящей к существенным потерям сопутствующих металлов) механическими методами с дальнейшей переработкой их, как правило, пирометаллургическими способами.
Получение из многих руд уральского типа высококачественных селективных концентратов с приемлемым извлечением при современном уровне традиционной технологии и техники обогащения в значительной мере затруднено и малоэффективно в силу сложного характера структурно-текстурных особенностей и химического состава руд. Чрезвычайно тонкая, вплоть до эмульсионной, взаимная вкрапленность сульфидов, неблагоприятное для селективной флотации соотношение меди и цинка (1:2-1:0,5), высокое содержание серы в составе флотационно-активного пирита порождают сложнейшую технологическую задачу получения селективных концентратов при минимальных потерях ценных компонентов. С горнопромышленными отходами потери ценных компонентов от их количества в исходной руде составляют (минимальные и максимальные значения), %: олова 35-58; вольфрама 30-50; молибдена 19-53; меди 13-36; цинка 26-47; свинца 23-39; никеля 10-25. Извлечение основных полезных ископаемых в России колеблется в пределах 65-78%, а попутных элементов — от 10 до 30% [1].
Таким образом, обогатительный передел сульфидных медно-цинковых руд в силу объективных факторов и особенностей флотации не позволяет улучшить
качество селекции полезных компонентов в монометалльный продукт. Вместе с тем упрощение обогатительного передела приводит к усложнению последующего пирометаллургического процесса, увеличению материальных затрат на его проведение, возрастанию потерь металлов со шлаками, кеками и другими отходами.
При пирометаллургической переработке цинковых концентратов медь накапливается в огарке. Доизвлечение металла из этого продукта в отдельном технологическом цикле не всегда экономически выгодно. Кроме того, перед дистилляцией на стадии окислительного обжига с газами отгоняется сера, основная масса таллия, часть селена и теллура, кадмия, германия, индия, галлия, которые необходимо улавливать, используя сложную, дорогую и малоэффективную систему пылеулавливания и газоочистки.
Дополнительная переработка металлургических пылей, как правило, не окупает затрат на ее проведение. При последующей дистилляции огарка вместе с цинком улетучивается часть свинца, меди, железа и т.д., что снижает качество получаемого цинка и требует дополнительных затрат на его очистку от примесей.
Пирометаллургическая переработка меди также представляет собой сложный многоступенчатый процесс, основанный на предварительном удалении сульфидной серы из исходного концентрата в процессе окислительного обжига и также связанный с проблемами пылеуноса, пылегазоочистки и утилизации большого объема образующейся газовой фазы. Для некоторых пирометаллурги-ческих процессов (например, обжига в кипящем слое) пылевынос может достигать 30-40% от объема исходного материала. При этом накапливается 8-15% меди, 2-5% цинка, 5-8 г/т золота, 50-90 г/т серебра. Возврат пылей в основной технологический процесс создает дополнительную циркуляционную нагрузку, что снижает коэффициент продуктивного использования технологического оборудования и увеличивает дополнительные производственные затраты. Последующая плавка штейна и конвертирование также сопровождаются пылеуносом. Потери основных металлов, сопутствующих редких элементов и серы усугубляют экологические проблемы региона.
В таблице приведен объем потерь серы и металлов при переработке концентратов пирометаллургическим методом на некоторых заводах Уральского региона.
Таблица
Суммарные выбросы в атмосферу медных заводов Екатеринбургской области за период 1930-1995 гг.[1]
Предприятие Объемы выбросов ингредиентов, тыс. т
0 (О 1 Ъа Ав Сс1 РЬ Т1
Среднеуральский МК 4950 72 5 3,7 69 0,03 0,5
Красноуральский МК 4800 57 30 1,2 39 0,02 0,3
Кировоградский М3 5400 67 20 2,2 54 0,03 0,4
Итого 15150 196 55 7Д 162 0,08 1,1
В целом, при сложившейся на Урале системе горно-металлургического производства цветных металлов, сквозное извлечение в конечный продукт составляет для Си — 75; 2п — 55-60; драгоценных и редких металлов — 25-40%, что для такого уникального сырьевого региона не может быть приемлемым ни с экономической, ни с экологической точки зрения.
Наглядным примером такого нерационального подхода к технологии переработки медных руд является сравнительно недавно построенная обогатительная фабрика по переработке руд месторождения Барсучий Лог. Предприятие, хорошо оснащенное технологическим оборудованием, аппаратурой контроля и управления технологическим процессом, является технологически отсталым из-за устаревшего подхода к переработке изменчивых как по качеству, так и по минеральному составу руд, а именно получения медного кондиционного концентрата с дальнейшей отправкой на пирометаллургический завод. Содержание ценных компонентов в хвостах обогащения руд Барсучий Лог составляет, %: Б — 25; Си — 0,5-0,6; 2п 1,1-1,3; РЬ — 0,3; благородных металлов, г/т: Аи — 0,8; Ag — 12,0. Хвосты обогащения после прессфильтров самосвалами вывозятся назад в карьер, так как нет площадки для организации их хранилища. Медный концентрат, содержащий 5-7% цинка, при пирометаллургическом переделе теряет полностью цинк и другие сопутствующие редкие металлы, которые выбрасываются с отходящими газами, отравляя окружающую среду. Этот бесперспективный подход к решению проблемы обеспечения промышленности металлами приводит к пагубному воздействию на окружающую среду и расточительному использованию минерального сырья.
По ориентировочной оценке запасы металлов в накопленных объемах горнопромышленных отходов (хвостах обогащениях, забалансовых рудах и шлаках) ряда предприятий цветной, черной и редкометальной промышленности конкурируют с запасами крупных рудных месторождений. Анализ потерь металлов с хвостами обогащения на девяти крупных предприятиях Урала и Восточной Сибири (Кировоградский МПК, Учалинский ГОК, Башкирский МСК, Гайский ГОК, Высокогорский ГОК, Турьинская ОФ, Карабашская ОФ, Бурибаевское РУ, Джидинское хвостохранилище) показал, что общий объем хвостов составляет 228 млн т, в которых содержится, тыс. т: Си — 884; Ъп — 3395, Б — 29796, Ге — 7120; РЬ — 2000; — 40; В1 — 400, а также, т: Аи — 174; Ag — 4513; С<1 —
1392; Со -7788; 1п — 41; 8е -1584; Те — 858 и йе — 325 [1].
Привлекательность техногенных месторождений состоит в значительной подготовленности их к переработке, так как рудный материал извлечен из шахты или карьера, раздроблен и измельчен, компактно размещен в хранилище, имеется достоверная оценка объемов сырья и ориентировочная оценка запасов металлов. Однако отсутствие высокоэффективных технологий переработки подобного типа сырья, а также соответствующего оборудования для их применения, позволяющих получать экологически чистые отвальные продукты, сдерживают работы по вовлечению в переработку горнопромышленных отходов.
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 выявления и освоения новых месторождений руд в труднодоступных регионах, часто с экстремальными климатическими условиями.
Вместе с тем за счет происходящих в хранилищах горнопромышленных отходов физико-химических окислительных процессов под воздействием атмосферных осадков, меняющихся температурных режимов и различных групп микроорганизмов происходит интенсивный переход металлов в водорастворимые соединения, меняется состав фильтрационных вод, увеличивается их кислотность, в десятки раз повышается количество растворенных металлов и их спектр.
Вынос фильтрационных потоков кислых вод за пределы хранилищ заражает окружающую среду соединениями тяжелых и ядовитых металлов. Техногенное сырье в результате длительного хранения значительно обедняется и может потерять всякую привлекательность как сырье для эффективного получения металлов. Наиболее наглядно снижение ценных компонентов прослеживается в хвостах Кировоградской обогатительной фабрики, где в первые годы эксплуатации складировались хвосты обогащения, содержащие около 3% Ъп и 0,36-0,47% Си, а через 30 лет в них содержалось всего 0,59% Ъа, а Си обнаружить не удалось [1].
Пиритные огарки находятся как непосредственно вблизи предприятий, добывающих пиритсодержащие руды, так и в различных регионах страны, куда пиритные концентраты свозились для обжига и получения серной кислоты, непосредственно возле предприятий — потребителей. Ежегодное накопление пирит-ных огарков составляет около 5 млн т, а к настоящему времени по приблизительной оценке их накоплено более 250 млн т. Они на 55-70% представлены окислами железа и на 30-45% — силикатными породами. Кроме того, они содержат Аи от 1 до 4-6 г/т, а иногда и выше, Ag до 25 г/т, Си 0,3-2,0%, 2п 0,5-1,8%; РЬ 0,2-0,5%; Сё, Бе, Те и других металлов — от нескольких граммов до десятков грамм на тонну.
Попытки извлечения ценных компонентов из пиритных огарков традиционными механическими методами обогащения (с использованием специальных центробежных и других гравитационных аппаратов, флотационных и других методов) приводят только к частичному решению проблемы — получению концентратов с низким извлечением металлов и образованию новых хвостов. В результате создается новая потребность в площадках для хранения экологически опасных отходов. Это направление по поиску приемлемой технологии извлечения ценных компонентов из пиритных огарков механическими методами мы считаем бесперспективным.
Наряду с пирометаллургической технологией получения цветных и редких металлов в последние годы все большее распространение получает гидрометаллургический метод. В основном развитие гидрометаллургического метода идет в двух направлениях:
1) сульфидные руды обжигаются в атмосфере кислорода, а затем выщелачиваются кислыми или нейтральными растворами с последующими операциями селективного выделения полезных компонентов из раствора (медь, цинк и т.д.) или из нерастворимого остатка (золото, серебро, свинец и т.д.). Данная технология позволяет увеличить выход полезных компонентов и повысить селективность их извлечения при более низких материальных и энергетических затратах, Но при этом остается проблема пылеуноса и утилизации сернистых газов;
2) автоклавное выщелачивание сульфидных концентратов при высоких давлениях и температурах позволяет снять основной недостаток обжига — пыле-вынос, но при этом возникает не менее острая проблема высокой сложности, стоимости и надежности самих автоклавов.
Традиционные автоклавы представляют собой цилиндрические сосуды со сферическими торцами, выполненные, как правило, из котельной стали или сплавов на основе титана. Внутри автоклавы освинцовываются, футеруются кислотостойким кирпичом, а снаружи обкладываются теплоизоляционным материалом. Такой цилиндр работает при высоком давлении и температуре и оборудуется системой подачи пара, реагентов, перемешивающими устройствами, тех-
нологическими люками для ввода и выпуска пульпы, люками для проведения внутри автоклавных и монтажных работ. Имеется еще ряд сложных устройств, приспособлений для нормального ведения технологического процесса на всех стадиях от загрузки исходного материала до его выгрузки.
На основании приведенного анализа состояния горно-металлургического производства цветных металлов можно выделить две узловые проблемы:
1) большой пылегазовынос при обжиге сульфидного материала;
2) высокая сложность и стоимость автоклавов при незначительной их производительности.
Для изменения создавшейся ситуации в области переработки природного, а особенно техногенного минерального сырья, нами предлагается концепция развития сырьевой базы получения металлов на основе создания современного оборудования комплексной переработки бедных некондиционных руд, отходов горнометаллургических и химических предприятий с одновременным оздоровлением экологической обстановки в районах их размещения. Внедрение данной концепции возможно при условии, что аппаратура (автоклав) будет в десятки раз более производительна, с низкими капитальными и текущими расходами на ведение процесса и обслуживание по сравнению с существующими.
Эти проблемы нами решены путем создания реактора новой конструкции, представляющего собой специально оборудованный шурф диаметром около 2 м и необходимой (в зависимости от перерабатываемого сырья) глубины, пройденный в горных породах обычным способом проходки горных выработок с полной герметизацией реакционного пространства реактора от внешней среды [2].
Предлагаемый геоавтоклав (модификация ЗАТР-ИА) занимает небольшую производственную площадь при значительной производительности. Так, автоклав диаметром 2,0 м и глубиной 100 м имеет рабочий объем 600 м3 (с учетом загрузочной и такой же разгрузочной камеры) при необходимой площади для размещения и обслуживания автоклава около 150 м2, что в десятки раз меньше, чем для традиционных автоклавов меньшего объема. Следует отметить, что создание автоклавов объемом 500-600 м3 в традиционном исполнении практически нереально на современном этапе развития техники, в то время как сооружение геоавтоклава объемом 1200-1500 м3 не представляет проблемы.
Весь технологический процесс (окислительный и выщелачивание) ведется в одном агрегате, состоящем из двух секций: технологической и транспортирующей. Технологическая секция имеет две зоны — окислительную (подготовительную камеру) и камеру выщелачивания. Такое исполнение не требует газопылеулавливающих и дорогостоящих теплоизолирующих устройств, исключает потери ценных компонентов с газами и пылями и предотвращает заражение окружающей среды.
Существенные преимущества реакторов типа вАТР-ЫА дают возможность за счет резкого снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов заметно сократить инвестиционный период, повысить рентабельность производства и ускорить оборот капитала.
Кроме того, в рентабельную переработку можно включать бедные руды, пром-продукты, хвосты и забалансовые руды при максимальном извлечении как основных, так и сопутствующих металлов, запасы которых могут обеспечить все отрасли промышленности страны на многие десятилетия. Широкие возможности комплексности и полноты извлечения каждого компонента гидрометаллургическим
методом с попутным решением экологических проблем, несомненно, будут веским аргументом при выборе рассматриваемых вариантов переработки минерального сырья. Внедрение этого метода исключит такие операции, как обезвоживание и сушка концентратов перед транспортировкой их до места дальнейшего передела, а также расходы и потери, связанные с их транспортировкой.
С целью повышения извлечения основных и сопутствующих ценных компонентов из бедных руд и хвостов нами разработаны технологические режимы и аппаратурное оформление для «убогих» медно-никелевых руд Вожминского месторождения [3], хвостов обогащения руд месторождения Барсучий Лог [4], а также пиритных огарков [5] на основании нового геоавтоклава и технологических приемов селективного извлечения растворенных ценных компонентов.
Результаты исследований свидетельствуют о возможности извлечения Си, N1, Ъп от 80 до 95%, в то же время достаточно полно извлекаются благородные металлы (Аи до 90%, 80-85%), сопутствующие Со, ве, ва и др. от 60 до 80%.
Выделение цветных и редких металлов из растворов осуществляется сорбци-онно-электролитическим методом с использованием высокоселективных синтетических сорбентов. Необходимой операцией является водоподготовка, заключающаяся в предварительном удалении из раствора железа, из которого возможно попутное получение железистого пигмента, а также порошкового железа, спрос на который на мировом рынке обеспечен не более чем на 40%. Так как содержание железа в продуктах, направляемых на выщелачивание, находится в значительных количествах (как правило, более 10-15% для хвостов обогащения руд цветных металлов), то при строительстве предприятия по переработке такого сырья производительностью 1 млн т в год ценность извлекаемого железа превышает или соответствует ценности извлекаемых остальных полезных компонентов.
По нашему мнению, использование современного гидрометаллургического оборудования и дальнейших известных технологических приемов даст возможность создать высокоэффективное, экологически чистое (практически безотходное) производство для переработки пиритных огарков, позволяющее получить золото, серебро, медь, цинк, свинец, сопутствующие редкие и рассеянные металлы, а также железистый пигмент или чистое порошковое железо.
Получение из пиритных огарков чистого порошкового железа и пигментов для производства красок и добавок к цементу, а также при производстве других строительных материалов повысит рентабельность переработки этого сырья, так как стоимость железа или железистого пигмента, согласно нашим расчетам, превышает суммарную стоимость получаемых товарных цветных, благородных и других сопутствующих ценных компонентов.
При глубокой химической переработке пиритных огарков в автоклавах специальной конструкции, помимо металлов, получается экологически чистый алюмосиликатный товарный продукт, пригодный для производства технического стекла и керамических изделий. Окупаемость вложенных средств в строительство предприятия по переработке пиритных огарков высока при широком диапазоне производительности предприятия, достигается за первый же год работы, что может быть весьма привлекательным для инвесторов.
Анализируя виды и объемы отходов горно-обогатительных и горно-металлургических предприятий (техногенные месторождения), а также ситуацию с разведанными природными месторождениями, включая запасы потерянных руд, не используемые к настоящему времени вследствие разных причин, а также дости-
жения в области технологии переработки различного сырья (наличие разработок в области гидрометаллургического оборудования — автоклавов новой конструкции), можно сделать основной вывод: в настоящее время на территории России имеется громадный сырьевой потенциал, представленный в виде забалансовых и потерянных руд, техногенных месторождений — отходов деятельности горно-обогатительных, металлургических и химических предприятий, для получения практически всех металлов и га соединений в необходимом объеме для успешного развития любых отраслей промышленности и экономики страны в целом без вовлечения в сферу переработки новых природных месторождений.
Для успешной реализации этого потенциала, расширения сырьевой базы получения черных, цветных, редких и благородных металлов, а также оздоровления экологической обстановки в промышленных регионах следует отказаться от устаревшей кот/епуии производства металлов методом получения высококачественных (кондиционных) концентратов механическими способами обогащения с дальнейшей переработкой их пирометаллургическим методом.
Использование механического метода (обогащения флотацией, гравитацией, электромагнитной сепарацией и другими способами) разделения минеральных комплексов, требующих больших капиталовложений и эксплуатационных затрат, ведет к потерям ценных компонентов с хвостами, поэтому целесообразно перенести большую часть решения этих задач на гидрометаллургические методы с использованием автоклавов нового поколения.
Для технического прорыва в области совершенствования технологии переработки техногенного и природного сырья, направленного на расширение сырьевой базы получения металлов и охраны окружающей среды, необходимо:
- проводить технико-экономическую экспертизу работы всех работающих горно-металлургических предприятий с целью определения возможности перехода действующего обогатительного цеха предприятия или обогатительной фабрики на получение бедных коллективных (медно-цинковых, медносвинцовых, вольфрам-молибденовых, медно-вольфрамовых и других концентратов в зависимости от типа перерабатываемого сырья) для максимального извлечения из сырья ценных компонентов или полностью отказаться от обогатительного передела с дальнейшей переработкой концентратов или руды гидрометаллургическим методом',
- при отработке новых месторождений, в случае наличия контрастности вмещающих пород и рудных минералов и достаточно крупных минеральных образований предусмотреть предварительную повагонную, или помашинную сортировку с целью отбивки пустой породы крупнокускового материала;
- использование обогатительных процессов по возможности ограничить на стадии крупнокускового материала с использованием процессов радиометрической сепарации, крупнокусковой отсадки, обогащения в тяжелых суспензиях и других методов только с одной целью — удаление основной массы пустой породы с минимальными потерями с ней металлов',
- организовать широкое внедрение предварительного крупнокускового обогащения техногенного и природного сырья за счет выпуска высокопроизводительного обогатительного оборудования (обогащения радиометрическими, гравитационными и иными методами).
Согласно данным, приведенным в докладе академика В.А. Чантурии, большинство рудных месторождений России, учтенных государственным балансом,
по многим видам полезных ископаемых в связи с нерентабельностью переработки их традиционным методом перейдет в категорию забалансовых. Так, в категорию забалансовых руд перейдет 34% свинцовых, 49% оловянных, 34% магне-титовых, от 15 до 30% титановых, медных, вольфрамовых и других руд полезных ископаемых [6].
При внедрении переработки природного и техногенного сырья с использованием разработанных технологических процессов и аппаратов автоклава нового поколения, появляется перспектива снизить принятые ранее бортовые содержания ценных компонентов для руд при отработке новых месторождений (рудных участков), а также организовать отработку участков месторождений, руды которых по ранее принятым кондициям отнесены к забалансовым.
Новые кондиции могут быть определены на конкретных рудах после предварительной оценки экономической целесообразности прямой их переработки в автоклаве или после предварительного получения из них бедных коллективных концентратов.
Таким образом, внедрение геоавтоклавной технологии позволит расширить сырьевую базу цветных, редких и благородных металлов за счет рудных месторождений, нерентабельных для традиционным способов переработки, а также громадных объемов отходов, накопленных за многие десятилетия деятельности горно-промышленного и химического производства.
Экономический потенциал России в настоящем и будущем определяется состоянием минерально-сырьевой базы, которая характеризуется не только объемами и эффективностью геологоразведочных работ, но и полнотой использования уже выявленных запасов полезных ископаемых и накопленных отходов горно-металлургического и химического производства.
ЛИТЕРАТУРА
1 .Шуленина З.М., Анфилатова Н.В., Ковалёва Е.Н. и др. Техногенные ресурсы России. Общие сведения: Справочник. — М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2001.
2. Патент Украины № 62465 А от 15,12,03.
3. Зубков A.A., Шуленина З.М., Подзноев Г.П. Перспектива переработки бедных медно-никелевых руд Карелии, Рациональное природопользование: ресурсо- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение // Материалы международной научно-практической конференции. — М., 2004.— С. 175-179.
А. Зубков А.А., Шуленина З.М., Митковская Т.В. Перспективы утилизации хвостов обогащения руд месторождения Барсучий Лог // Тезисы докладов 3-го конгресса обогатителей стран СНГ. — М.: МИСиС, 2001.
5.Зубков A.A., Шуленина З.М. Переработка пиритных огарков // Тезисы 4-го конгресса обогатителей стран СНГ. Том 1. — М.: МИСиС, — 2003. — С. 95-97.
6. Чантурия В.А. Перспективы устойчивого развития горно-перерабатывающей индустрии России: Научный доклад на заседании АН России. — М., 2006.
7. Электрохимическое выщелачивание металлов. Часть 1,2 / Воробьёв А.Е., Лобанов Д.П., Малухин Н.Г., Чекушина Т.В. — М.: МГГА, 1997.
INCREASE OF EXTRACTION OF VALUABLE COMPONENTS AND INTEGRATED APPROACH OF USE OF ORES OF NATURAL AND TECHNOGENY DEPOSITS ON THE BASIS OF THE NEW APPROACH TO TECHNOLOGY OF THEIR PROCESSING
A,A. Zubkov, Z.M. Shulenina
ООО «Ecomet Plus», Moscow, Russia
G.P. Podznoev
ООО «МетЭко» Simferopol, Ukraina
The new conception of processing of all ore sorts and wastes of mountain-metallurgical and mining-concentrating manufactures is offered, Processing of poor concentrates or poor ores and wastes is carried out in autoclaves of new generation with extraction of metals from solutions to a commodity product with passing reception ecologically pure alum-silicate products, It will allow to solve actual problems of expansion of a raw-material base of reception of metals and decrease environment pollution,
Зубков Анатолий Александрович, кандидат технических наук, доцент, главный технолог ООО «Экомет Плюс», специалист в области переработки минерального сырья и охраны окружающей среды, автор 25 научно-технических отчетов и 110 публикаций, в том числе 1 монографии, 16 авторских свидетельств на изобретения, 2 патентов.
Шуленина Зинаида Макаровна, кандидат экономических наук, генеральный директор ООО «Экомет Плюс», специалист в области геологии, геотехнологии, экономики минерального сырья и охраны окружающей среды, автор 134 научных статей и отчетов, в том числе 1 монографии, 4 патентов.
Подзноев Геннадий Петрович, кандидат геологоминералогических наук, доцент, директор научно-технического центра ООО «МетЭко», специалист в области экологии, геотехнологии, автор 11 публикаций, в том числе
1 патента.
