CC BY
47
УДК 678.08
РЕКУПЕРАТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТВАЛОВ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
О.Л.Качор1, К.В.Федотов2, А.В.Богданов3, А.В.Аксенов4
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается проблема загрязнения токсичными отходами пирометаллургического производства территории г. Свирска. Приведены данные по установленным ореолам загрязнения поверхностных слоев почвы тяжелыми металлами. Представлены результаты исследований по определению количества миграционноспособных форм мышьяка. Рассмотрены основные технологические пути обезвреживания источника загрязнения. Предложена схема цепи аппаратов обезвреживания отходов. Ил. 5. Табл. 4. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: загрязнение; мышьяк; огарки; обезвреживание; технология.
RECUPERATIVE TECHNOLOGY FOR NEUTRALIZATION OF DISPOSAL DUMPS FROM PYROMETALLURGICAL PRODUCTION
O.L.Kachor, K.V.Fedotov, A.V.Bogdanov, A.V.Aksenov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors deal with the problem of Svirsk territory contamination with toxic wastes from pyrometallurgical production. They give data on the determined contamination sites of the soil surface layers with heavy metals and present the investigation results on the determination the amount of arsenic forms able to migrate. The authors examine main technological methods to neutralize the source of pollution. The circuitry of waste disposal devices is proposed. 5 figures. 4 tables. 3 source.
Key words: pollution; arsenic; cinders; neutralization; technology.
Особый комплекс проблем, требующих незамедлительного решения, в настоящее время связан с образованием и накоплением токсичных отходов, являющихся одним из наиболее опасных видов техногенных нагрузок, негативно влияющих на состояние природной среды и создающих серьёзную угрозу для здоровья населения. Крайне опасны отходы пирометаллургического производства, содержащие тяжелые металлы: мышьяк, свинец, сурьму, цинк, медь, - которые могут очень долгое время оставаться активными, т.е. способными к химическим превращениям и миграции под действием естественных природных условий.
Основная часть продукции мышьяковых заводов до 1949 г. была востребована оборонной промышленностью. После запрета использования арсинов необходимость в их производстве отпала и целый ряд предприятий прекратил свою деятельность. Однако производственные площадки этих заводов, как прави-
ло, не были ликвидированы должным образом.
По современным экологическим требованиям пи-рометаллургические огарки, накопленные к настоящему времени в огромных количествах, следует рассматривать как техногенные месторождения. Одним из таких месторождений является отвал бывшего Ангарского металлургического завода (АМЗ) (муниципальное образование «город Свирск» Черемховского района Иркутской области), который в период с 1934 по 1949 г. осуществлял выпуск белого и серого мышьяка, сырьем для производства которого являлись ар-сенопиритные концентраты Дарасунского и Запокров-ского месторождений, расположенных в Забайкальском крае. Получение триоксида мышьяка осуществлялось по упрощенной схеме, предусматривающей обжиг концентратов в 7-подовых печах и улавливание возгонов мышьяка в кулерах с последующим рафинированием триоксида мышьяка. В 1949 г. производство мышьяка было остановлено, основные фонды завода
1Качор Ольга Леонидовна, аспирант, тел.: 89021702659, e-mail: bogdanov@istu.edu Kachor Olga Leonidovna, postgraduate student, tel.: 89021702659, e-mail: bogdanov@istu.edu
2Федотов Константин Вадимович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии. тел.: (3952) 405118, e-mail: fedotov@istu.irk.ru
Fedotov Konstantin Vadimovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head the chair of Mineral Processing and Environmental Protection, tel.: (3952) 405118, e-mail: fedotov@istu.irk.ru
3Богданов Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии, тел.: (3952) 405376, e-mail: bogdanov@istu.edu
Bogdanov Andrey Viktorovich, Doctor of technical sciences, Professor of the chair of Mineral Processing and Environmental Protection, tel.: (3952) 405376, e-mail: bogdanov@istu.edu
4Аксенов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов, тел.: (3952) 405675 (доб. 129), (3952) 405301, e-mail: ksenov@tomsgroup.ru , aksenov2008@yandex.ru
Aksenov Alexander Vi ktorovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair Metallurgy of Non-Ferrous Metals, tel.: (3952) 405675 (ext. 129), (3952) 405301, e-mail: aksenov@tomsgroup.ru, aksenov2008@yandex.ru
списаны и брошены без должного демонтажа.
Количество огарков, которые до настоящего времени хранятся на территории бывшего АМЗ, составляет 140 тыс. т со средним содержанием золота, серебра, мышьяка, сурьмы, меди, цинка, свинца 0,000518%, 0,00155%, 1,25%, 0,05%, 0,23%, 0,65%, 1,27% соответственно (табл. 1). Огарки представлены в виде неправильной формы отвала размером 170х170 м и высотой до 7 м (рис. 1). Непосредственно у отвала на промплощадке находятся развалины производственных зданий и оставшееся технологическое оборудование АМЗ, общий объем которых, по данным маркшейдерских изысканий, составляет 6 тыс. т с валовым содержанием в них соединений мышьяка около 150 т (рис. 2).
Согласно техническому заданию Государственного контракта № 9412.1007500.13.1179 от 29 сентября 2009 г. на выполнение работы "Ликвидация очага загрязнения мышьяком территории промышленной площадки Ангарского металлургического завода в районе г. Свирска Иркутской области" в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2013)» лабораторией экологического мониторинга техногенных и природных сред Иркутского государственного технического университета совместно с НИиПИ «ТОМС» были проведены геоэкологические исследования по составлению карт риска загрязнения почв тяжелыми металлами.
Рис. 1. Отвал мышьяксодержащих огарков
Ii» -V- ■
Рис. 2. Общий вид промплощадки мышьякового завода со стороны р. Ангары
Химический состав усредненной пробы огарков АМЗ
Химический эле- Массовая доля, Химический Массовая до- Химический Массовая до-
мент % элемент ля, % элемент ля, %
As 1,25 Zn 0,65 Ba 0,07
^бщ 10,13 Bi 0,05 Yb 0,0004
^общ 35,27 Ti 0,05 V 0,0006
Cu 0,23 P - Y 0,004
Таблица 1
Pb 1,27 Ga 0,0011 B 0,0092
Li 0,001 Co 0,003 Nb 0,001
S сульфидн 6,10 Sn 0,004 Sr 0,016
Ni 0,003 Mo 0,0002 Cr 0,001
Mn 0,08 Sb 0,05 W 0,0014
Ag 0,00155 Zr 0,01 Au 0,000518
Ореолы загрязнения поверхностных слоев почвы мышьяком и сурьмой имеют эллипсовидную форму размером 460x220 м и направлены в сторону Братского водохранилища. Концентрация мышьяка в по-
верхностном слое почвы колеблется в интервале от 27 до 8730 мг/кг, концентрация сурьмы - от 80 до 936 мг/кг. На основании проведенных исследований установлено, что основными источниками загрязнения поверхностных слоев почв мышьяком и сурьмой являются отвалы огарков и развалины АМЗ, а свинцом, медью и цинком - отвалы огарков АМЗ и золошлако-вые отвалы различного происхождения, в том числе и от производства аккумуляторов предприятия «Вос-тсибэлемент». Концентрация свинца в поверхностном слое почвы установленных ореолов колеблется в интервале от 309 до 10300 мг/кг, меди - от 105 до 2940 мг/кг, цинка - от 520 до 7280 мг/кг [1].
При выпадении атмосферных осадков на техногенные объекты АМЗ и таянии снежного покрова происходит вымывание соединений тяжелых металлов и их проникновение в подстилающие грунты. Для определения количества наиболее опасных водорастворимых форм мышьяка в техногенных объектах АМЗ проведены исследования по его отмывке. Отмывку исследуемых техногенных проб АМЗ проводили в статическом режиме на встряхивателе Elpan water bath shaker type 357 в соотношении 1:300 (Т:Ж) в течение 2 суток до полного перехода водорастворимых форм мышьяка в водную среду. Концентрацию мышьяка в фильтрате определяли флуориметрическим методом на флюорате 02-М по методике ПНДФ № М 01-262006. Среднее превышение концентрации водорас-
66
творимых форм мышьяка в почве промышленной площадки, огарках и скопе с газоходов составляет 14, 1000, 16255 ПДК рыбохозяйственных водоемов (ПДКрх. - 0,05 мг/дм3) соответственно (табл. 2).
Как следует из табл. 2, основную экологическую опасность представляют оставшиеся разрушенные цеха (кирпич) и оборудование АМЗ - бункеры газоходов. В этих объектах мышьяк находится в слабой физически связанной форме и отмывается водой из кирпича практически на 100%, из полупродуктов триокси-да мышьяка (скоп с бункеров) - в среднем на 70%.
На основании имеющихся [2] и полученных данных для обезвреживания строительных отходов АМЗ и переработки отвалов с целью извлечения золота нами предложено применение двух технологий: цианидного и тиокарбамидного выщелачивания. Поскольку исследуемое сырье характеризуется высокой кислотностью материала (рН = 2,4), обусловленной большим содержанием серы - до 10%, а также содержанием мышьяка - 1,5%, оксидов и сульфатов железа - до 14%, то существуют предпосылки успешного применения технологии тиокарбамидного выщелачивания. В этом случае возможно, за счет высокой кислотности материала и наличия в материале окислителя (трехвалентного железа), снижение расхода реагентов, а также исключение из процесса цианистых соединений, относящихся к категории СДЯВ. Существенным недостатком данной технологии является необходимость применения кислотостойкого оборудования, в результате чего себестоимость переработки сырья значительно возрастает.
Лабораторные исследования пробы отвалов ме-
Таблица 2
Определение свободных и связанных форм мышьяка в техногенных объектах промышленной
площадки АМЗ
Объект АМЗ (средняя проба) Влажность пробы,% Концентрация As, мг/г, по абсолютно сухому веществу Концентрация As в фильтрате, мг/дм3 % водорастворимых форм As % хим. связанных форм As pH фильтрата
Почва пром. площадки в радиусе 300 м 16 7,32 0,141 1,926 98,074 6,75
Почва из двух скважин 5,3 0,048 0,011 22,92 77,080 8,23
Кирпич 2,3 5,2 4,95 98,0 2,0 7,66
Огарки Запакровские 3,1 11 0,8 7,27 92,730 3,59
Огарки Дарасунские 3,7 101 14,0 13,86 86,140 2,98
Соскоб с бункеров основного цеха 29,5 53,8 81,5 98,5 1,5 3,26
Соскоб с бункеров цеха рафинации 1,6 885,6 272,5 30,77 69,230 3,77
тодом агитационного тиокарбамидного выщелачивания проводили в бутылочном агитаторе на исходной крупности материала. В ходе исследований изучали влияние продолжительности выщелачивания, рН, разбавления, концентрации комплексообразователя и окислителя {Fe3+) на извлечение золота в раствор. Исходное содержание золота в отвалах определяли для каждого теста в отдельности по данным баланса агитационного выщелачивания. Продукты выщелачивания подвергали атомно-абсорбционному (раствор), пробирному (кек) видам анализа. В ходе выщелачивания вели контроль концентрации тиомочевины, окислителя и pH пульпы, а также остаточной концентрации мышьяка в промывных водах после обезвреживания образующихся при выщелачивании отходов (табл. 3).
Анализ данных (табл. 3) показывает, что при увеличении концентрации тиокарбамида в растворе с 0,2 до 0,5% извлечение золота в раствор повышается на 34,02%, при этом расход тиомочевины возрастает на 71,7 кг/т отвалов и составляет 150,4 кг/т отвалов, остаточная концентрация мышьяка в промывных водах составила 2,4 мг/дм3.
На рис. 3 приведена схема цепи аппаратов чанового тиокарбамидного выщелачивания, согласно которой лежалые огарки подаются на грохот, где происходит отсеивание крупного мусора, затем сырье подается в приемный бункер вместе с раствором тиокар-бамида. Процесс выщелачивания происходит в контактных емкостях, оборудованных мешалками. После
Агитационное тиокарбамидное
растворения золота пульпа подается на фильтр. Золотоносный раствор направляется на угольные сорб-ционные колонны, и уже обеззолоченный раствор тио-карбамида подвергается регенерации. Регенерированный раствор возвращается в голову процесса, а осадок регенерации тиокарбамида совместно с кеком передела подвергается нейтрализации известковым молоком в контактной емкости. Активированный уголь, насыщенный драгоценными металлами, направляется на регенерацию. Катодный осадок переплавляется в конечный технологический продукт - «сплав Доре», обеззолоченный регенерированный уголь возвращается в сорбционные колонны.
Загрязненный кирпич остатков производственных зданий и другой строительный мусор подвергаются дроблению в две стадии: на щековой дробилке, а затем на валковой до крупности 2 мм. Загрязненный кирпич и влажный обезвреженный кек объединяются в контактной емкости с мешалкой, где и происходит обезвреживание строительного мусора отходом обогащения. Далее технологическая смесь обезвреженных отходов промывается водой с целью удаления оставшегося водорастворимого мышьяка. После фильтра обезвреженные отходы, по расчетам относящиеся к 4 классу опасности, могут быть захоронены на полигоне. Мышьяксодержащий фильтрат идет на угольные сорбционные колонны. Насыщенный мышьяком уголь может быть передан на заводы по восстановлению мышьяка.
Таблица 3
Номер теста Режим выщелачивания* Содержание Au, г/т Извлечение Au в раствор, % Расход реагента, кг/т отвалов Концентра- 3+ ция Fe в конечном растворе, мг/дм3
Плотность пульпы, %тв Концентрация тиомочевины, % P H Загрузка г/дм3 в исходном в кеке Тиокар-бамид H2S O4
Выщелачивание пробы отвалов при различной концентрации тиокарбамида
7 40 0,2 1 без загрузки 5,2 4,6 11,54 78,7 483, 79 4817
8 40 0,5 1 без загрузки 4,96 2,7 45,56 150,4 487, 45 4796
Выщелачивание пробы отвалов при различной рН пульпы
9 40 0,5 2 без загрузки 5,21 2,85 45,30 141,54 456, 76 752
10 40 0,5 3 без загрузки 5,32 3,6 32,33 26,46 11,6 6 70
11 40 0,5 3 8 без загрузки 5,16 4,0 22,48 11,92 0 30
Выщелачивание пробы отвалов с добавкой окислителя ^3+)
12 40 0,5 1 5 5,18 2,80 45,95 158,36 - 10120
13 40 0,5 1 10 5,16 2,80 45,74 160,17 - 24960
Выщелачивание пробы отвалов с различной плотностью твердого
14 25 0,5 2 без загрузки 5,05 2,75 45,54 193,92 492 351
15 40 0,5 2 без загрузки 5,18 2,80 45,95 141,59 454, 45 726
"Продолжительность выщелачивания - 28 часов.
Огаэки
Мусор в отвал
технологическая смесь обезвреженных отходов
вода
фильтрат -шгы-- т-г сплав Доре плавильныи участок-
на металлургическим захоронение завод по восстановление на полигоне мышьяка
IV класс опасности
Рис. 3. Схема цепи аппаратов установки чанового тиокабамидного выщелачивания отходов АМЗ:
Грохот I ] приемный бункер
контактная емкость
Фильтр
щековая дробилка
сорбционная колонна
регенерационнэя установка ЦЦЦУ Электролизер валковая дробилка
С целью определения технологических показателей цианирования отвалов АМЗ в штабеле (кучное выщелачивание) выполнены тесты по выщелачиванию в лабораторных колоннах. Высота слоя руды в колоннах 1,5 м, диаметр колонн 150 мм. Изучалось влияние следующих факторов: высоты слоя руды, продолжительности выщелачивания, объема загрузки извести.
Анализ полученных данных (табл. 4) показыва-
ет, что при цианировании окомкованной пробы отвалов в колоннах извлечение золота в раствор составляет в среднем 72,82%. Повышенный расход реагентов (МаСМ - 5,48 кг/тшихты и ЫаОИ - 15,67 кг/тшихты) в тесте №16 связан с недостатком извести в исходной шихте. Добавка в шихту извести в количестве 80 кг/т снижает расход цианида на 0,38 кг/тшихты и ЫаОН на 14,12 кг/тшихты.
Выщелачивание шихты в колоннах
Таблица 4
Номер теста Загрузка извести, кг/т Количество колонн, шт Отношение Ж:Т Содержание в исходной шихте, г/т Содержание в кеке, г/т Извлечение в раствор, % Расход реагентов, кг/т шихты (отвалов)
Аи Ад Аи Ад Аи Ад №ОМ N804
16 35 1 7,00 4,97 26,16 1,34 24,62 73,04 5,89 5,48 (5,23) 15,67 (15,04)
17 80 1 6,67 4,8 25,24 1,30 23,70 72,92 6,10 5,09 (4,71) 1,54 (1,43)
18 80 2 5,04 4,8 25,24 1,32 23,74 72,5 5,94 5,11 (4,73) 1,57 (1,45)
Таким образом, процесс кучного выщелачивания целесообразно проводить на окомкованной шихте с добавкой извести в количестве 80 кг/т, при этом средний расход реагентов на выщелачивание составил: 4,72 кг/тотвалов ШОМ и 1,44 кг/тотвалов ЫэОН. Остаточная концентрация мышьяка в промывных водах составила 2,1 мг/дм3.
На основании полученных данных предложена рекуперативная технология обезвреживания (рис. 4), включающая в себя кучное выщелачивание огарков, обезвреживание оставшихся сооружений и оборудования АМЗ с использованием технологического отхода - щелочного кека, постели кучного выщелачивания в качестве могильника для захоронения отходов АМЗ и их отмывку с последующей сорбцией на колоннах.
ми, и вследствие этого становятся «элементами» новой структуры благодаря создающейся в процессе переработки отходов минеральной матрице. Механизм преобразования токсичных и щелочных отходов имитирует природные процессы формирования различных осадочных пород. При введении в пульпу негашеной извести образуется сильное основание -гидрат окиси кальция, который взаимодействует с кислыми компонентами раствора (сульфат-ионами, арсенат-ионами) с образованием малорастворимых соединений (сульфата и арсената кальция). В щелочной среде, создаваемой избыточной гидроокисью кальция, в присутствии кислорода воздуха происходят окисление двухвалентного железа и гидролиз образующегося трехвалентного железа. Кроме того, арсе-
Рис. 4. Схема цепи аппаратов установки кучного цианидного выщелачивания золота из отвалов АМЗ:
^бункер-питатель 'Г?* Д,
3 I I сорбцмонная [ЕН^нлка Ц контактный £.™сос
печь термической реактивации угля
печь индукционная
знутч-фильтр
компрессор
Предложенный способ обезвреживания исследуемых отходов на основе интеграционной минерально-матричной технологии [3] заключается в том, что при его реализации используется химическая активность промышленного отхода - щелочного кека. Благодаря этому исключается нерациональная операция по их нейтрализации. Компоненты исследуемых отходов участвуют в химических процессах формирования новообразований, обладающих вяжущими свойства-
нат-ионы взаимодействуют с ионами трехвалентного железа, образуя малорастворимый арсенат трехвалентного железа.
На базе межвузовской лаборатории экологических исследований (Ри 0001.51.0099) были проведены опытно-промышленные испытания на вымывание мышьяка из смеси кека передела после выщелачивания золота и кирпича остатков конструкционных сооружений АМЗ (рис. 5). Как видно из рис. 5, мак-
3 4 5
Время, сут.
Рис. 5. Кинетические кривые водной отмывки смеси мышьяксодержащих отходов АМЗ: • - до обезвреживания; -после обезвреживания
симальное значение концентрации мышьяка в растворе при отмывке смеси необработанных отходов АМЗ составило 1,5 мг/дм3, в технологической смеси обезвреженного зараженного кирпича и кека передела в соотношении 1:10 - 0,15 мг/дм3, то есть 90% мигра-ционноспособного мышьяка перешло в водонераство-римую форму.
Таким образом, предложенная рекуперативная технология обезвреживания промышленных отходов АМЗ позволяет не только извлекать ценные компоненты, но и формировать безопасные для окружающей среды искусственные грунты. При этом ожидаемый экономический эффект за счет извлечения из отвалов золота составит 340 млн руб., а экологический эффект от предотвращения загрязнения почв тяжелыми металлами - 640 млн 865 тыс. руб.
Библиографический список
1. Рекуперативная технология обезвреживания отвалов пирометаллургического производства / Богданов А.В., Федотов К.В., Аксенов А.В., Качор О.Л. // Экология и промышленность России. 2009. Октябрь. С. 10-14.
2. Богданов А.В., Столярова Е.А. Рекуперативная технология обезвреживания промплощадки Ангарского металлургического завода // Экология и промышленность России. 2006.
Февраль. С. 14-18.
3. ИММ-технология против отходов (Искусственное воспроизводство природных процессов минералообразования -перспективное направление обезвреживания и утилизации промышленных отходов) / В.М. Кнатько, М.В. Кнатько, Е.В. Щербакова // Энергия: экономика, техника, экология. 2001. № 12. С. 29-35.
УДК 622.33
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ УГЛЕДОБЫЧИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗНЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Е.А.Коробкова1, Б.Л.Тальгамер2
1Черемховский государственный горнотехнический колледж, 665400, г. Черемхово, ул. Ленина, 26.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены фактические и прогнозные цены на уголь на мировом и российском рынках, а также в ВосточноСибирском регионе в сопоставлении с объемами его добычи. Дана оценка возможности использования прогнозных экономических показателей для планирования угледобычи. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: цена и себестоимость добычи угля; прогнозирование экономических показателей и объемов добычи.
ASSESSMENT OF COAL MINING PROSPECTS BASED ON PREDICTING ECONOMIC SHOWINGS E.A.Korobkova, B.L.Talgamer
Cheremhovo State Mine Technical College, 26, Lenin St., Cheremhovo, 665400. National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors present actual and predicted prices for coal in world and Russian markets, as well as in the East Siberian region in comparison with the volume of coal mining. They evaluate the possibility to use predicting economic indicators for coal mining planning. 5 figures. 1 table. 10 sources.
Key words: price and prime cost of coal mining; forecast of economic performance and mining output.
1Коробкова Елена Ананьевна, заместитель директора по учебной работе, тел.: (39546) 50590, e-mail: cheremgtk@mail.ru Korobkova Elena Ananievna, Deputy Director for Academic Affairs, tel.: (39546) 50590, e-mail: cheremgtk@mail.ru
2Тальгамер Борис Леонидович, доктор технических наук, профессор, декан горного факультета, тел.: (3952) 405197, e-mail: gor@istu.edu
Talgamer Boris Leonidovich, Doctor of technical sciences, professor, Dean of the Mining Faculty, tel.: (3952) 405197, e-mail: gor@istu.edu
