CC BY
51
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© М.В. Рыльникова,
И.В. Шадрунова, А.В. Сизиков, 2001
УДК 669.334:622.343.5.004.8
М.В. Рыльникова, И.В. Шадрунова, А.В. Сизиков
РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ГЕОРЕСУРСОВ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
И
нтенсивное развитие физикотехнической геотехнологии в ХХ веке привело к формированию на поверхности Земли огромного количества медьсодержащих георесурсов техногенного происхождения. Это отходы горнообогатительного и металлургического производства: отвалы бедных руд, хвосты обогащения, шлаки и шламы металлургического производства, промышленные стоки, глубоко- или неудобнозале-гающие участки рудных тел.
По данным института экономики Ур РАН в твердых отходах уральских горно-обога-тительных и металлургических предприятий содержится более 2 млн т меди. Структура медьсодержащих георесурсов приведена на рис.
Освоение кондиционных сульфидных и смешанных руд производится традиционными физикотехническими технологиями - добыча открытым или подземным способом, флотация, плавка. Переработка окисленных руд и техногенных объектов по таким технологическим схемам экономически нецелесообразна.
Рис. Структура медьсодержащих георесурсов
В результате интенсивное развитие физико-технических технологий во второй половине двадцатого века привело к скоплению на поверхности Земли больших объемов отвалов бедных колчеданных, смешанных и окисленных медных руд. Работа обогатительных фабрик приводит к ежегодному образованию 5-7 млн т хвостов обогащения с содержанием 0,2-0,3 % меди. Отвальным продуктом медеплавильного производства являются шлаки плавильных печей, выход кото-
рых составляет 100 % и более к объему перерабатываемого сырья. Объем накопленных в настоящее время шлаков медеплавильного производства оценивается около 100 млн т. Под отходами горного и металлургического производства занято 15 тыс. га земли.
Отходами горно-обогатительных предприятий являются также высокоминерализованные медьсодержащие стоки, содержание меди в них составляет 50-500 мг/дм3. Эти стоки очищаются перед сбросом, обычно гидролитически, и металл теряется в шламах. Например, только на Башкирском медно-серном комбинате со стоками карьера ежегодно теряется 210 т меди.
Кроме того, после открытой и подземной разработки месторождений в недрах Земли оставлены значительные запасы некондиционных руд. Эти запасы расположены в бортах и основаниях карьеров, в выклинках рудных тел, в приконтактных зонах, в неблагоприятных для разработки горногеологических и геомеханиче-ских условиях. Освоение этих
руд известными физикотехническими технологиями является неэффективным и часто убыточным.
В целом, рассмотренные выше природные и техногенные объекты представляют собой, с одной стороны, скопления большого количества полезных ископаемых, содержащих цветные и благородные металлы, с другой стороны, они являются источником нанесения огромного вреда окружающей среде.
Учитывая, что большинство медных рудников Урала находятся в стадии доработки запасов, актуально стоит вопрос об изыскании ресурсов, способных компенсировать выбывающие мощности.
На наш взгляд, реальным источником дополнительного товарного медного продукта могут быть продукты переработки медьсодержащих отходов производства и некондиционных руд, где сформированы объективные условия применения альтернативной физико-химичес-кой технологии.
На подготовку всех этих георесурсов к освоению уже затрачены определенные средства. Бедные отвальные руды извлечены из недр Земли и уложены на поверхности. К георесурсам, оставленным в недрах Земли после добычи основной массы руды, пройдены вскрывающие выработки. Шлаки и шламы обогатительной и металлургической переработки раздроблены и уложены в хранилища. Сточные воды собраны в коллекторы и откачены на поверхность.
Таким образом, само интенсивное развитие техники создало условия и определило объективную необходимость формирования на пороге века принципиально новых технологий освоения техногенных георесурсов, представленных отходами производства и некондиционными бедными рудами.
В свете решения этой проблемы на Башкирском медно-серном комбинате разработана и внедряется комплексная программа повышения эффективности использования руд и техногенных образований. Внедрен процесс бактериального выщелачивания хвостов обогащения, построены цементационные установки для извлечения меди из подотвальных руд, создана опытно-
промышленная установка кучного выщелачивания окисленных медных руд месторождения Бакр-Узяк.
Результаты работы комбината по внедрению физико-химической геотехнологии свидетельствуют о технической, технологической и экологической возможности и экономической целесообразности освоения месторождения окисленных медных руд и хвостов обогащения методами выщелачивания и цементационного извлечения меди из продуктивных растворов выщелачивания и подотвальных вод. Организованная на ОАО БМСК работа опытно-промышленной установки подтвердило возможность сернокислотного выщелачивания окисленных медных руд месторождения, позволила выявить узкие места и недостатки работы установки, а также определить возможные направления совершенствования процессов.
Исследования показали, что благодаря структурным, минералогическим и петрографическим особенностям руд месторождения, хорошим коллекторским свойствам, способности вступления рудных минералов в химические реакции, процессы кучного и подземного выщелачивания происходят даже в условиях отрицательной температуры среды (до - 5о). Изучение генетических особенностей руды определило высокую вероятность техногенного преобразования минералов. Отсутствие среди породных минералов карбонатов благоприятствует примене-
нию методов кислотного выщелачивания.
На основании комплексного анализа работы опытнопромышленной установки определено, что причинами низкой эффективности процессов выщелачивания явились отсутствие фильтрации кучи, значительные потери меди в сливе цементатора, неритмичность работы установки, отсутствие системы контроля и регулирования параметров процессов, а также несовершенство растворителя ввиду его низкой кислотности и высокой минерализации солями кальция, натрия, железа.
Низкая фильтрация кучи обусловлена заиливанием пор мелкой глинистой фракцией, присутствующей в рудной массе. Для обеспечения оптимального режима фильтрации было предусмотрено предварительное отсеивание класса крупностью - 3 + 0 мм перед формированием кучи, класс крупностью - 300 + 100 мм укладывать в нижний слой штабеля высотой 1.5 м, верхних слой кучи равной высоты должен быть представлен классом - 100 + 3 мм. Чтобы не снизить пористость и фильтрацию кучи следует исключить движение по ней тяжелого оборудования.
Исследованиями влияния
крупности руды на извлечение меди в раствор установлено, что в рудах шламовой крупности переход меди в раствор происходит в первые минуты выщелачивания. С увеличением крупности уменьшается начальная скорость растворения и увеличивается продолжительность выщелачивания. Для класса - 300 + 100 мм расчетное время выщелачивания в 2 % растворе серной кислоты с извлечением 80 % при температуре среды 15о составляет 18 суток.
Исследованиями процессов выщелачивания при различной температуре среды установлено, что повышение температуры ин-
тенсифицирует процесс растворения медных минералов. При изменении температуры с 22 до 50о увеличивается извлечение меди в раствор на 12,16 %. Установлено, что в наибольшей степени температура среды влияет на начальную скорость реакции растворения. Причем процессы растворения с меньшей скоростью реакций идут даже при отрицательных температурах (до - 5о). Поэтому в условиях отрицательной температуры необходимо корректировать продолжительность выщелачивания и оптимизировать состав растворителя.
Использование серной кислоты высокой концентрации кроме того, что неблагоприятно с экологической точки зрения, приводит к растворению не только медных минералов, но и минералов вмещающих пород, к накоплению ионов хлора, кальция, железа, препятствующих процессу цементации меди. Учитывая, что даже в слабокислой среде с концентрацией Н^04 2 % при t = 20о в течении первого часа выщелачивания извлечение меди из руды крупностью -10+3 мм в раствор составляет 14,28 %, и, руководствуясь экологическими соображениями, было показано, что данная концентрация серной кислоты является достаточной для эффективного течения процесса. При этом интенсификация процесса растворения медных минералов достигается использованием комплексообразующих соединений.
Подбором комплексного растворителя определено, что добавка к серной кислоте 140 г/т руды карбамида позволяет в 2 раза снизить концентрацию серной кислоты при обеспечении равных показателей извлечения меди в раствор. В присутствии карбамида в 1 % растворе серной кислоты из руды крупностью -10+3 мм за 12 су-
ток извлечение меди составило 81,25 %.
Установлен механизм участия карбамида в реакции растворения, заключающийся в конкурирующей адсорбции протонированных форм карбамида и катионов меди, образованием комплексов меди с карбамидом и их каталитическим действием при переходе ионов меди из твердого в ратвор. На наш взгляд, выщелачивание в слабом растворе серной кислоты с добавлением комплексообразователя в виде карбамида является конкурирующей технологией по отношению к бактериальному выщелачиванию по уровню извлечения меди с явным преимуществом в технологическом отношении. Нами была показана возможность доработки оставленных в недрах запасов месторождения и переработки сыпучего закладочного материала методом подземного выщелачивания с использованием имеющихся на месторождении подземных выработок.
Исследованием процессов цементации определена целесообразность разделения потоков по-дотвальных, рудничных вод и продуктивных растворов, осветления растворов перед цементацией и магнитной сепарации цементата. Добавка кокса к скрапу в количестве 10 % от массы скрапа повышает извлечение меди из раствора в 2 раза.
Для доочистки медьсодержащих промышленных вод Сибай-ского карьера может быть рекомендована технология сорбцион-но-флотацион-ного извлечения меди на тонких частицах пирита, позволяющая получать пирит с содержанием меди до 6 %, что является дополнительным товарным продуктом предприятия.
Предварительная техникоэкономическая оценка технологии показала ее достаточно вы-
сокую эффективность при сроке окупаемости затрат 3 месяца и индексе доходности 13 %.
Разработанные технологии извлечения меди из труднообогати-мых окисленных руд и очистки промышленных вод для условий месторождений, осваиваемых Башкирским медно-серным комбинатом, подтвердили возможность и экономическую целесообразность вовлечения техногенных медьсодержащих образований в промышленную переработку. Данные технологии могут быть использованы и для других предприятий, разрабатывающих месторождения окисленных и сульфидных медных руд.
Работа по повышению комплексности использования медьсодержащих техногенных георесурсов продолжается в направлении выявления технологических фаз минералов, их структурных параметров, для разработки технологий разделения фаз с учетом их особенностей с подбором селективных органических модификаторов сернокислотных растворов. Работа предусматривает выявление влияния генезиса, состава среды, различных физических, механических и химических воздействий на технологические свойства фаз медьсодержащих георесурсов, установление механизма и кинетических закономерностей физико-химических процессов в природных и техногенных геосистемах. Это позволит разработать геотехнологию комплексного освоения первичного и вторичного медьсодержащего сырья с получением металлической товарной продукции на уровне горнодобывающего предприятия, что обеспечит рост конкурентоспособности и рентабельности производства, повысит извлечение основных и сопутствующих компонентов.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова М.В., Шадрунова И.В. - Магнитогорский государственный технический университет. Сизиков А.В. - ОАО БСМК
