CC BY
3
Оригинальная статья
УДК 336. 201: 622.271.3 © В.И. ГоликН, 2024
Московский государственный политехнический университет, 107023, г. Москва, Россия Н e-mail: v.i.golik@mail.ru
Original Paper
UDC 336. 201: 622.271.3 © V.I. GolikH, 2024
Moscow State Polytechnic University, Moscow, 107023, Russian Federation H e-mail: v.i.golik@mail.ru
Выщелачивание металлов из углей Российского Донбасса
Leaching of metals from coals of Russian Donbass
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-9-31-36
Статья посвящена актуальной теме выщелачивания металлов из отходов обогащения углей Российского Донбасса. C переходом на новы>/е условия хозяйствования часть угольных месторождений стала нерентабельной для эксплуатации, что определяет необходимость поиска новых путей освоения запасов месторождений, в том числе потерянных некондиционных запасов и отходов переработки прежнихлет. Техноген-ны>/е месторождения могут реально пополнить ресурсную базу минерального сы/рья и улучшить экологическую обстановку. Эффективность вы/щелачивания металлов из отходов добы>/чи и первичной переработки угля определяется решением математических моделей технологий добычи с учетом эколого-экономических компонент. Сравнивают показатели режимов обработки минерального сы/рья, различающиеся местом и временем процесса вы>/щелачивания. Приведеныi количественные значения полнофакторного эксперимента по определению зависимости извлечения металлов от переменны^/х факторов по плану Бокса - Бенкена. Дана справка о содержании металлов в отвалах районов. Полученыы полнофакторны/е модели, характеризующие зависимость показателей вы>/щелачивания от технологий переработки Получены>/ показатели вы>/щелачивания металлов из хвостов обогащения углей. Разработана новая схема активации вы/щелачивания с воздействием на активатор вибрацией. Предложена модель для определения эффективности утилизации хвостов обогащения углей. Доказано, что вы/щелачивание металлов из отходов обогащения углей в скоростных активаторах-дезинтеграторах является перспективны>1м направлением развития угле-добы>/вающей отрасли. Сделан вы>/вод, что рентабельность вы>/щелачивания металлов из углеотходов станет очевидной, если при экономическом сравнении вариантов технологии будет учитываться ущерб от хранения отходов на земной поверхности. Результаты>/ исследований могут быть востребованыi при разработке месторождений технологически вскры^/ваемы^/х полезных ископаемы>/х.
Ключевые слова:уголь, металл, переработка, хвосты обогащения, выщелачивание, дезинтегратор, экология, экономика.
Для цитирования: Голик В.И. Выщелачивание металлов из углей Российского Донбасса // Уголь. 2024;(9):31-36. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-9-31-36.
Abstract
The article is devoted to the topical topic of leaching metals from coal enrichment waste in the Russian Donbas. With the transition to new conditions of ownership, some of the coal deposits have become unprofitable for operation, which determines the need
ГОЛИК В.И.
Доктор техн. наук, профессор Московского политехнического университета, 107023, г. Москва, Россия, e-mail: v.i.golik@mail.ru
to find new ways to develop the reserves of the deposits, including lost substandard reserves and waste processing of previous years. Technological deposits can really replenish the resource base of mineral raw materials and improve the environmental situation. The efficiency of metal leaching from coal mining and primary processing wastes is determined by solving mathematical models of mining technologies, taking into account ecological and economic components. The indicators of the treatment modes of mineral raw materials are compared, which differ in the place and time of the leaching process. The quantitative values of a multifactorial experiment to determine the dependence of metal extraction on the changed factors according to the Box - Benken plan are given. A certificate on the metal content in the districts is given. Full-factor models characterizing the dependence of leaching indicators on processing technologies have been obtained. Indicators of metal leaching from coal enrichment tailings have been obtained. A new scheme of activation of leaching with vibration action on the activator has been developed. A model is proposed to determine the efficiency of utilization of coal enrich men t tailings. It is proved that the leaching of metals from coal enrichment waste in high-speed activators-disintegrators is a promising direction for the development of the coal mining industry. It is concluded that the profitability of leaching metals from carbon waste will become obvious if the economic comparison of technology options takes into account the damage from waste storage on the earth's surface. The research results may be in demand in the development of deposits of technologically exposed minerals. Keywords
Coal, metal, processing, enrichment tailings, leaching, disintegrator, ecology, economy. For citation
Golik V.I. Leaching of metals from coals of Russian Donbass. Ugol'. 2024;(9):31-36. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902024-9-31-36.
Из статистического анализа с кластеризацией обследований угольных шахт Российского Донбасса установлено, что большая часть титана, бериллия, меди, марганца, мышьяка, ванадия и галлия может быть извлечена из отходов углей.
Проблема хранения отходов переработки углей сопряжена с проблемой охраны окружающей среды в угледобывающих регионах [5, 6, 7]. Так, наличие солей натрия в углях усугубляет проблему загрязнения атмосферы, так как при сжигании углей хлор попадает в атмосферу. Содержание натрия в угле возрастает, а возможность водной экстракции увеличивается пропорционально степени измельчения.
Техногенные месторождения углеотходов доступны для эксплуатации, что позволит пополнить ресурсную базу минерального сырья и улучшить экологическую обстановку.
Необходимость использования некондиционного минерального сырья формирует проблему поиска новых технологий для его рентабельной переработки, в том числе выщелачивания хвостов обогащения сырья (рис.1) [8, 9].
К решению указанной проблемы привлекаются возможности информационных технологий и систем [10, 11, 12].
Практика выщелачивания металлов из углей пока не вышла за рамки единичных лабораторных экспериментов, что повышает актуальность рассматриваемой проблемы. Практика извлечения металлов из золошлаковых отходов сводится к выщелачиванию с использованием реагентов и селективному выделению нитратов металлов. Известна практика извлечения их угольной золы редкоземельных металлов методом биовыщелачивания.
Целью исследований является детализация процессов выщелачивания металлов из отходов обогащения углей Российского Донбасса.
ВВЕДЕНИЕ
Использование природных ресурсов представляет собой процесс трансформации минералов в потребительский товар. Ни одна отрасль промышленности, в том числе и угледобывающая, не может обеспечить полное и безотходное преобразование ресурсов в товары. С переходом на новые условия хозяйствования часть угольных месторождений стала нерентабельной для эксплуатации, что определяет необходимость поиска путей освоения бедных и забалансовых запасов, а также отходов переработки прежних лет [1, 2]. Получают развитие новые технологические схемы извлечения полезных компонентов, которые могут упрочнить минерально-сырьевую базу отраслей промышленности [3, 4].
Рис. 1. Выщелачивание металлов из некондиционного сырья: 1 - штабель;
2 - блок подземного выщелачивания; 3 - отвал; 4 - активатор;
5,6,7,8 - группа подготовки; 9,10,11 - группа сорбции-десорбции;
12,13,14,15,16 - вспомогательная группа; 17- пруд
Fig. 1. Leaching of metals from substandard raw materials: 1 - a stock pile;
2 - an in-situ leaching block; 3 - a dump; 4 - an activator; 5,6,7,8 - the preparation group;
9,10,11 - the sorption-desorption group; 12,13,14,15,16 - the auxiliary group; 17 - a pond
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Обоснованием эффективности выщелачивания являются математические модели технологий добычи металлов, которые характеризуются высокой адекватностью (5-10%). В ходе исследований сравнивают показатели режимов обработки минерального сырья, различающиеся местом и временем процесса выщелачивания. Рациональные значения факторов определяют экспериментально, причем пределы варьирования принимают по технологическим соображениям: равномерное извлечение металлов, предотвращение перехода в раствор веществ, усложняющих извлечение металлов из растворов и т.п.
Методика проведения экспериментов включает в себя элементы:
- измельчение с активацией сырья, например при использовании дезинтегратора ДЕЗ-11 до размеров не более 2,5 мм;
- сушка при температуре 600°С в течение до 24 ч с тем, чтобы максимальная влажность сырья не превышала 2%;
- отбор и производство химического анализа проб;
- изменение влажности проб подсушиванием.
При организации полнофакторного эксперимента изучали зависимость извлечения металлов от независимых факторов в рамках некомпозиционного плана Бокса -Бенкена (табл. 1).
Пределы изменения независимых факторов при различных режимах
преобразование минеральных ресурсов в потребительские товары в угольном производстве не обеспечивается. Производство 1 т товарного угля образует 3,3 т отходов, которые по составу и технологическим свойствам могут быть утилизированы.
В России в производстве утилизируется не более 10% отходов обогащения углей.
Таблица 1
Агитационное выщелачивание хвостов
Agitation leaching of mill tailings
Влияющие факторы
Показатели Содержание H2SO4, 10-3 кг/л Содержание NaCl, 10-3 кг/л Ж:Т Время обработки, ч
Интервал варьирования 0,004 0,070 3 0,375
Нижний уровень, Х. = 1 0,002 0,020 4 0,250
Нулевой уровень, Х. = 0 0,006 0,090 7 0,625
Верхний уровень, Х. = -1 0,010 0,160 10 1,000
Примечание: Ж:Т - отношение объема раствора к объему твердых хвостов, ед.
Таблица 2
Агитационное выщелачивание активированных хвостов
Agitation leaching of activated mill tailings
Показатели Влияющие >акторы
Содержание H2SO4, 10-3 кг/л Содержание NaCl, 10-3 кг/л Время обработки, ч Частота вращения ротора, с-1
Интервал варьирования 0,004 0,070 0,375 75
Нижний уровень, Х. = 1 0,002 0,020 0,250 50
Нулевой уровень, Х. = 0 0,006 0,090 0,625 125
Верхний уровень, Х. = -1 0,010 0,160 1,000 200
Таблица 3
Выщелачивание в дезинтеграторе
Leaching inside a desintegrating mill
выщелачивания хвостов обогащения Влияющие факторы
приведены в табл. 2,3,4. Показатели Содержание Содержание Частота
С использованием пакетов Mathcad H2SO^ NaCl, Ж:Т вращения
и Maple, а также с помощью методов 10-3 кг/л 10-3 кг/л ротора, с-1
математического программирования и полученных на их основе однокри-териальных и многокритериальных оптимизационных моделей опреде- Интервал варьирования 4 70 3 75
Нижний уровень, Х. = 1 2 20 4 50
Нулевой уровень, Х. = 0 6 90 7 125
Верхний уровень, Х. = -1 10 160 10 200
ляли параметры каждого режима выщелачивания в последовательности:
- режим выщелачивания;
- рациональные параметры процесса;
- извлечение металлов при рациональных параметрах ведения процесса.
Оптимальный вариант выщелачивания выбирают сравнением показателя извлечения металлов при различных режимах выщелачивания.
На современном уровне техники и технологии полное и безотходное
Таблица 4
Агитационное выщелачивание активированных в дезинтеграторе
хвостов
Agitation leaching of mill tailings activated in the desintegrating mill
Влияющие >акторы
Показатели Содержание H2SO^ 10-3 кг/л Содержание NaCl, 10-3 кг/л Частота вращения ротора, с-1 Время обработки, ч
Интервал варьирования 4 70 75 0,375
Нижний уровень, Х. = 1 2 20 50 0,250
Нулевой уровень, Х. = 0 6 90 125 0,625
Верхний уровень, Х. = -1 10 160 200 1,000
Таблица 5
Содержание металлов в отвалах разных районов, 10-3 кг/т
Metal content, 10-3 kg/t
Красно- Каменско- Шахтинско- Сулино- Белокалит- Гуково-
Металлы ПДК Донецкий Гундоров -ский Несветаевский Садкинский венский Зверевский
min max min max min max min max min max min max
Бериллий н/н - - - - - 1,5 3 - - -
Ванадий 150 50 80 80 200 50 500 80 150 30 100 б0 200
Кобальт 5 - - 10 20 - 10 20 - - -
Марганец 1500 200 б00 300 700 100 1000 200 500 100 б00 200 б00
Никель 4 15 30 40 80 10 100 30 50 10 30 10 100
Свинец 30 20 30 10 30 15 3000 10 20 - 10 100
Хром б 50 б0 100 200 50 200 - - 30 100 50 200
Цинк 37 - - - 30 50 - -
Цирконий н/н б0 100 50 100 50 150 б0 150 10 100 -
На территории Российского Донбасса расположено более 450 отвалов объемом до 300 млн м3, расположенных на площади 1,3 тыс. га, а общая площадь нарушенных в связи с угледобычей земель достигает 7 тыс. га. Здесь ежегодно образуется до 4 млн т отходов добычи и переработки угля. Большая часть отвалов или горят, или уже сгорели. Содержание металлов в отвалах разных районов различается без корреляции (табл. 5).
В целом по региону содержание металлов в хвостах обогащения угля (г/т) представлено в табл. 6.
В ходе исследований возможности извлечения металлов из хвостов обогащения углей Российского Донбасса получены полнофакторные модели, характеризующие зависимость параметров выщелачивания от технологий переработки. С надежностью 95% определено, что корректность определения параметров извлечения металлов в раствор повышается двумя путями: упариванием растворов выщелачивания материалов; осаждением геля из растворов содой с переводом металлов в нерастворимую форму и последующим выпариванием воды.
Горелые и негорелые отходы различаются показателями извлечения (табл. 7).
Процессы выщелачивания металлов из хвостов обогащения донбасских углей исследовали в дезинтеграторе ДУ-11, изготовленном в Центре прикладной механохимии «Гефест» (рис. 2).
Пробы продукционных растворов анализировали на содержание в них металлов на рентгеновском спектрометре «Спектроскан МАХ-СУ». В ре-
Таблица 6
Содержание металлов в хвостах обогащения угля
Metal content in coal mill tailings
Минимальное Среднее Максимальное
Металлы содержание, содержание, содержание,
10-3 кг/т 10-3 кг/т 10-3 кг/т
Бериллий 2 2,3 2,б
Ванадий б0 95 130
Кобальт 5 5 10
Марганец 310 320 330
Молибден 1 1,5 2
Никель 10 25 40
Свинец 20 55 90
Хром 50 85 140
Цинк 10 50 40
Цирконий б0 75 90
Таблица 7
Состав сухого концентрата
Composition of the dry concentrate
Металлы Горелые хвосты, % Негорелые хвосты, % А
Железо 2,75 3,0б +0,31
Кобальт 0,10 0,12 +0,02
Марганец 0,10 0,10 0
Медь 0,40 0,30 -0,10
Никель 0, 30 0,17 -0,13
Свинец 0,1 0,1 0
Хром 0,10 0,15 +0,05
Цинк 0,30 0,14 7
реагент
w:
минерал
двигатель двигатель
продукт
Рис. 2. Схема
дезинтегратора
для механо-активации
процессов
выщелачивания
Fig. 2. Layout
of the disintegrator
for mechanical activation
of the leaching processes
Таблица 8
Результаты исследования
Research results
Наименование проб и содержание в них металлов, %
Металл Комплексный гель Комплексный гель Продукт упаривания Продукт упаривания
из раствора из раствора раствора раствора
шахты им. Воровского шахты № 2 «Западная» шахты им. Воровского шахты № 2 «Западная»
Хром - 0,15 0,01 -
Железо 2,75 3,06 0,85 1,3
Никель 0,03 0,17 0,05 0,026
Марганец 0,01 0,01 -
Кобальт 0,01 0,02 0,02 0,03
Медь 0,04 0,03 -
Свинец 0,1 - 0,01 -
Цинк 0,14 0,04 0,02
зультате упаривания, сушки и прокаливания пробы сократились в 10-12 раз. Результаты выщелачивания металлов из хвостов обогащения углей представлены в табл. 8.
Для улучшения процессов дезинтеграции нами предложена схема с воздействием на активатор вибрацией в горизонтальной плоскости с подбрасыванием с колебаниями от 30 до 1500 Гц при амплитуде горизонтальных колебаний от 2 до 50 мм и амплитуде вертикальных подбрасываний до 30 мм.
Воздействие на обрабатываемый материал вибрацией с подбрасыванием обеспечивает в процессе выщелачивания очистку поверхностей зерен от продуктов дезинтеграции и кольматации микротрещин, улучшая контакт реагента с минералами. Дезинтегратор установлен на виброплощадку, включающую в себя вибровозбудитель, установленный на упругую систему и совершающий направленное возвратно-поступательное колебание короба и виброизолирующей опоры. Хвосты дополнительно к основным процессам механохимической активации и выщелачивания совершают еще и поступательное движение с подбрасыванием, что лишает частицы возможности слипаться между собой и прилипать к рабочим поверхностям.
Эффективность утилизации хвостов обогащения углей описывается моделью:
у-=IX X (мЛм )+X X X И, -еуц?у),
(=1 „=1 к=1 (=1 Г=1 /=1
где Меу - количество полученных при утилизации хвостов металлов; Цму - цена утилизированных металлов; < - восстановленные в результате утилизации полезные эффекты; 2 - потерянные полезные эффекты; Ц - стоимость потерянных эффектов; Ц^ - цена утилизированных товаров.
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что выщелачивание металлов из хвостов обогащения углей возможно и может быть оптимизировано путем модернизации конструкции дезинтегратора.
Технологии выщелачивания металлов из углеотходов реально станут рентабельными, когда современные технологии добычи и переработки дополнятся природоохранными технологиями, а при экономическом сравнении вариантов технологии будет учитываться компенсация за ущерб всему живому от хранения отходов на земной поверхности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выщелачивание металлов из отходов обогащения углей в скоростных активаторах является перспективным направлением развития угледобывающей отрасли.
Эффективность выщелачивания металлов из отходов угольного производства подтверждается экспериментально с описанием математическими моделями.
Российский Донбасс располагает мощной базой некондиционного для традиционных технологий техногенного сырья для извлечения металлов.
Рентабельность технологий выщелачивания металлов из углеотходов станет очевидной, если при экономическом сравнении вариантов технологии будет учитываться компенсация за ущерб от хранения отходов на земной поверхности.
Список литературы • References
1. GolikV.I., KlyuevR.V., Martyushev N.V., Zyukin D.A., Karlina A.I. Technology for nonwaste recovery of tailings of the mizur mining and processing plant. Metallurgist. 2023;66(11 -12):1476-1480. DOI: 10.1007/ si 1015-023-01462-y.
2. Sepehri M., Apel D.B., Adeeb S., Leveille P., Hall R.A. Evaluation of mining-induced energy and rockburst prediction at a diamond mine in Canada using a full 3D elastoplastic finite element model. Engineering Geology. 2020;(266):105-117.
3. Извлечение меди из рудничных вод Гумешевского месторождения / И.А. Алтушкин, Ю.А. Король, В.В. Левин и др. // Цветные металлы. 2019. № 6. С. 13-21.
Altushkin I.A., Korol Yu.A., Levin V.V., Bakin A.V. Extraction of copper from the mining waters of the Gumeshevsky deposit. Tsvetnye metally. 2019;(6):13-21. (In Russ.).
4. Кашина Н., Конюшок А. Новые технологии извлечения ценных металлов из бурых углей в Амурской области: перспективы применения // Известия ДВФУ. Экономика и управление. 2018. № 1. С. 124-132.
Kashina N., Konyushok A. New technologies for extracting valuable metals from brown coal in the Amur region: application prospects. IzvestiyaDVFU. Economikaiupravlenie. 2018;(1 ):124-132. (In Russ.).
5. Сравнительный анализ современных методов мониторинга техногенных объектов / Ю.Н. Малышев, А.В. Титова, С.В. Черкасов и др. // Горная промышленность. 2017. № 6. С. 46.
Malyshev Yu.N., Titova A.V., Cherkasov S.V., Bulov S.V., Chesalova E.V. Comparative analysis of modern methods of monitoring techno-genic objects. Gornaya promyshlennost'. 2017;(6):46. (In Russ.).
6. Комащенко В.И. Эколого-экономическая целесообразность утилизации горнопромышленных отходов с целью их переработки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. № 4. С. 23-30.
Komashchenko V.I. Ecological and economic expediency of utilization of mining waste for the purpose of their processing. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2015;(4): 23-30. (In Russ.).
7. Титова А.В., Наумов Г.Б. Экологические проблемы современности // Горная промышленность. 2018. № 2. С. 75-78.
Titova A.V., Naumov G.B. Environmental problems of modernity. Gornaya promyshlennost'. 2018;(2):75-78. (In Russ.).
8. Golik V.I., KlyuevR.V., Martyushev N.V., Kondratiev V.V., Tynchenko V.S., Gladkikh V.A., lushkova L.V., Brigida V. Reuse and Mechanochemical Processing of Ore Dressing Tailings Used for Extracting Pb and Zn. Materials. 2023;(16):7004. https://doi.org/10.3390/ma16217004.
9. Li G., Zhou Q., Zhu Z., Luo J., Rao M., Peng Z., Jiang T. Selective leaching of nickel and cobalt from limonitic laterite using phosphoric acid: An alternative for value-added processing of laterite. Journal of Cleaner Production. 2018;(189):620-626.
10. Liancheng Wang, Anlin Shao, Xiaobo Liu, Lei Yang, Hangxing Ding. New computational framework for mode ling the gravity flow behavior of sublevel caving material. Computers and Geotechnics. 2020;(125):6103675.
11. Sorenses G., Dennerlein J.T., Peters S.E., Sabbath L., Kellye E.L., Wag-nerb G.R. The future of research on work, safety, health and well-being: A guiding conceptual framework. Social Science Medicine. 2021;(269):113593.
12. Таразанов И.Г., Губанов Д.А. Итоги работы угольной промышленности России за январь-июнь 2021 года // Уголь. 2021. № 9. С. 25-36. DOI: 10.18796/0041-5790-2021-9-25-36.
Tarazanov I.G., Gubanov D.A. Russia's coal industry performance for January-June, 2021. Ugol'. 2021;(9):25-36. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041- 5790-2021-9-25-36.
Authors Information
Golik V.I. - Doctor of Engineering Sciences,
Professor of Moscow State Polytechnic University, Moscow,
107023, Russian Federation, e-mail: v.i.golik@mail.ru
Информация о статье
Поступила в редакцию: 20.06.2024 Поступила после рецензирования: 15.08.2024 Принята к публикации: 26.08.2024
Paper info
Received June 20,2024 Reviewed August 15,2024 Accepted August 26,2024
В Бородино сервисный завод СУЭК отремонтировал «юбилейный» тепловоз
Стены Бородинского ремонтно-меха-нического завода, входящего в Единую сервисную компанию СУЭК (ООО «ЕСК СУЭК»), покинул отремонтированный 800-й тепловоз. В торжественной обстановке «юбилейный» локомотив передали заказчику -Бородинскому погрузочно-транспортному управлению, железнодорожному подразделению СУЭК.
«Только нам известно, насколько сложен этот труд, тем более в непростых экономических условиях, - отметил, обращаясь к коллективу директор Бородинского РМЗ Константин Макаров. - Но, несмотря ни на что, мы продолжаем выполнять наши обязательства перед заказчиками, принимать новые заказы, сдавать в эксплуатацию отремонтированные тепловозы. И стоит от-
метить, что среди огромного железнодорожного сообщества наш завод неоднократно признавался лучшим. Нам доверяют, нас выбирают - это все наша общая заслуга!»
Предыдущий «юбилейный» рубеж Бородинский РМЗ «перешагнул» в августе 2020 г. - тогда завод покинул 700-й тепловоз. «800 - это только начало, - уверен руководитель департамента развития логистических активов СУЭК Дмитрий Кузнецов. - Впереди у завода новые вызовы. Мы ожидаем обновления локомотивного парка, а это значит, что вам предстоит осваивать ремонты новых видов техники. Желаем вам удачи, новых побед и ждем приглашения на выпуск тысячного тепловоза!»
Отдельные теплые слова благодарности звучали в адрес ветеранов предприятия, без участия которых не могло пройти такое важное событие. «Я благодарю за эту постоянную связь, мы живем надеждами, новыми встречами и новостями о ваших достижениях, - обратился к бывшим коллегам ветеран предприятия Петр Иванович Тарасов. - Поздравляю весь трудовой коллектив с новым рубежом, желаю успехов в труде, здоровья и процветания нашему заводу!»
Бородинский ремонтно-механический завод - одно из немногих предприятий в угольной промышленности, обладающее базой и необходимыми лицензиями для ремонта тепловозов и подвижного состава.
Пресс-служба ООО «ЕСК СУЭК»
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
