Утилизация и расчет класса опасности цветных металлов

Суммарный индекс токсичности отхода находится в интервале 999…100, следовательно, данный отход относится к III Классу опасности.

3. Утилизация отхода переработки руд цветных металлов

Добыча и переработка руд цветных металлов сопряжена с образованием значительных объемов отходов, на которых более 80 % приходится на добычу руд и 10 % на их обогащение. По объему образуемых отходов цветная металлургия занимает третье место в списке крупнейших их продуцентов. Это обусловлено сплошным комплексным составом руд цветным металлов и низким содержанием в них полезных компонентов. Общая доля утилизации вскрышных пород составляет около 18 %. а отходов обогащения - свыше 7 %. Доля утилизации металлургических шлаков незначительна.

Практически 95 % добываемых руд цветных металлов подвергается обогащению. Затраты на минеральное сырье в цветной металлургии составляют около 70 % всех затрат на производство продукции отрасли. Вместе с тем по уровню комплексности использования минерального сырья цветная металлургия относится к одной из ведущих отраслей народного хозяйства.

Основными направлениями утилизации отходов при переработке руд цветных металлов являются: доизвлечение ценных компонентов из текущих отходов и при повторной переработка хвостохранилищ (техногенные месторождения); комплексная переработка пиритных концентратов и извлечение железа из отходов цветной металлургии; использование отходов для производства продукции химической промышленности и удобрении, использование отходов для производства цветных металлов.

Одной из важных проблем комплексной переработки руд цветных металлов является рациональное использование отвальных хвостов, складирование которых связано со значительными материальными затратами. В отечественной практике все более широкое развитие получает технология раздельной переработки песковой и шламовой фракции хвостов и излечение металлов из песковой фракции. Повышение технологических показателей обогащения по разработанной технологии обуславливается концентрацией ценных компонентов в песковой фракции и устранением вредного влияния шламов при флотации.

Схемы доизвлечения ценных компонентов из песковой фракции хвостов, предусматривающие доизмельчение песков для освежения их поверхности и флотацию минералов, внедрены на Балхашской. Джезказганской, Алмалыкской н других обогатительных фабриках. Разработаны и внедрены схемы переработки лежалых хвостов на Кентаусской. Ачисайской» Салаирскои и Кайрактинской фабриках. На обогатительной фабрике №1 комбината «Печенганикель» внедрена магнитно - флотационная схема доизвлечения железных компонентов из песковой фракции хвостов обогащения медно-никелевых руд, которая позволил повысить извлечение никеля и кобальта. Исследования на рудах Сорского месторождения показали, что можно дополнительно получить пиритный, магнетитовый и полевошпатовый концентраты и кварцевый продукт для производства стройматериалов. Из руд Кактенкольского месторождения дополнительно можно получать полевошпатовые и слюдяные продукты.

Институтом "Унипромедь" установлена возможность получения пиритного концентрата из старых отвалов Сибайскои, Среднеуральской, Красноуральской и Учалинской обогатительных фабрик.

К настоящему времени проведены исследования по доизвлечению ценных компонентов из хвостов переработки руд и из хвостохранилищ. Установлена принципиальная возможность доизвлечения ценных компонентов по магнитно-флотационно-гравитационным схемам. Доизвлечение ценных компонентов и получение новых продуктов является экономически рентабельным процессом, так как при получении концентратов из руд до 50% всех затрат на обогащение приходится на операции дробления, измельчения, грохочения и классификации. Переработка хвостовых отвалов широко применяется на фабриках ФРГ, Великобритании. Чехии, Словакии, США и Канады. При обогащении медно - колчедановых руд в медный концентрат извлекается около 60% меди, в цинковый концентрат - 74% цинка и в пиритный - 75% серы.

При обогащении народу с минералами меди и цинка в пиритный концентрат переходят до 70-75 % золота и серебра, а также селен, теллур, медь, молибден свинец, индий, кадмий и другие элементы.

Получаемый пиритный концентрат используется для серной кислоты, а получаемые пиритные огарки практически не используются для извлечения из ниц ценных компонентов и благородных металлов. Для переработки пиритного огарка разработана технология автогенной плавки с выделением оксидного расплава и цинковистых возгонов, концентрирующих в своем составе редкие металлы. Из оксидного расплава осуществляют хлориловозгонку меди и благородных металлов и железистого расплава от серы и другим примесей. В результате получают железистый шлак, пригодней для черной металлургии, и продукт, содержащий цветные и благородные металлы.

Рассмотрим методы и способы утилизации отходов на примере Норильского горно - металлургического комбината.

Вскрышные и вмещающие породы рудника «Медвежий ручей» используются для производства строительного щебня. Объем получаемого щебня полностью удовлетворяет потребности строительных организаций Норильска

Аркозные песчаники с высоким содержанием кремнезема, добываемые на Кайерканском угольном разрезе, применяются в качестве флюса на металлургических заводах вместо кварцевых песков, которые ранее специально добывались на рудниках.

Туфоаргиллиты серый и пестроцветный применяются при производстве цемента, керамическом плитки и товаров народного потребления.

Вскрышные и попутно добываемые породы используются также для приготовления закладочных смесей и для получения минеральной ваты.

Разработанная технология и проект установки по производству песка из отвальных хвостов обогатительной фабрики ОФ-1. Проектом предусматривается классификация хвостов на песковую и шламовую части. Пусковая часть подвергается флотационному обогащению для доизвлечения цветных и благородных металлов. Хвосты флотации подвергаются классификации в гидроциклонах, пусковая фракция обезвоживается на барабанных вакуум-фильтрах. Осадок фильтров с влажностью 14-16 % отгружается потребителю.

В качестве заполнителя для бетонов используется песок, полученный из гранулированного шлака никелевого производства, что позволило снизить расход цемента.

В исследовательском центре комбината отработай вариант дофлотации песковой части отвальных хвостов коллективной флотации вкрапленных руд. Схемой предусмотрено предварительное обогащение хвостов в короткоконусном гидроциклоне с последующей флотацией песковой фракции. В полученном флотационном концентрате содержание никеля примерно равно содержанию в коллективном концентрате Результаты промышленных испытании показали возможность снижения потерь с отвальными хвостами при обогащении вкрапленных руд никеля на 3.66 %. меди на 1,8 %, благородных металлов на 5.7 %

Хвосты обогащения некоторых обогатительных фабрик пригодны для производства продукции химической промышленности и удобрении. На Учалинской обогатительной фабрике в качестве пиритного концентрата на сернокислотные заводы отправляют хвосты из участков хвостохранилища с повышенным содержанием серы. Хвосты Лениногорской, Зыряновской, Текелийской и других фабрик могут быть ислользованы для производства микроудобрении. Баритовый концентрат получают методом флотации из лежалых хвостов Майканнской, Кентаусской, Кайрактинской обогатительных фабрик.

Из шлаков цветной металлургии возможно получение удобрения шлакофосфата путем сплавления с фосфоросодержащими компонентами.

Вскрышные и вмещающие породы, а также хвосты обогащения используются для производства строительных материалов. Легкая кусковая фракция, получаемая при предварительном обогащении руд в тяжелых средах, используется для строительства дорог и производства щебня после дробления. Кроме того, установлено, что хвосты обогащения некоторых фабрик могут быть использованы для производства силикатного кирпича, облицовочных плиток, каменного литья, строительных вяжущих материалов, заполнителей бетона, асбеста.

На Ачисайском, Джезказганском и других комбинатах хвосты обогащения используются в качестве заполнителя для гидрозакладки выработанных при горных работах пространств. На ряде ГОКов организовано попутное производство из скальных пород щебня различной крупности. Щебень используется на предприятиях для собственных нужд, а также отгружается сторонними потребителями.

Используют свои отходы для производства строительного щебня Красноуральский медеплавильный, Башкирский и Медногорский медно-серные, Гайский, Учалинский, Урупский горно-обогатительные, Норильский горно-металлургические комбинаты, Дегтярское рудоуправление. Так, в 1986 г на указанных предприятиях было произведено свыше 2 млн. м³ щебня.

Шлаки, получаемые при металлургической переработке руд и концентратов цветных металлов, могут служить исходным сырьем для производства многих видов продукции. Основными способами переработки шлаков являются фьюмингование и вальцевание. Указанные методы переработки шлаков не решают проблемы извлечения из них меди и благородных металлов и использования силикатной части шлаков для производства строительных материалов. В качестве строительного материала шлаки пока не используются. Это обусловлено тем, что в шлаках остается достаточное количество цветных и благородных металлов, требующих доизвлечения. Так, шлаки после фьюмингования содержат около 1% меди и более 2% цинка.

Одним из перспективных источников сырья для получения глинозема и алюминия содержащих коагулянтов (сульфата, гидрооксосульфата, гидрооксохлорида алюминия), применяемых для очистки питьевых и сточных вод, могут явиться глиноземсодержащие золы углей Борлинского и Экибастузского разрезов В Казахстане и странах СНГ ежегодно накапливаются миллионы тонн отходов от добычи, обогащения и переработки углей (золоотходов) и с каждым годом эта тенденция будет возрастать в связи с ухудшением качества добываемых углей.

В настоящее время объем используемых зол ТЭС в промышленном и сельскохозяйственном производстве составляет лишь около 10% от общего их количества, что крайне недостаточно. Вместе с тем, эти отходы представляют собой ценное минеральное сырье. Минеральный состав зол представлен в основном оксидом алюминия (до 36%), оксидом кремния (55-60%), оксидом железа (III) (в экибастузских золах до 7%, в борлинских золах до 2%). По своему химическому составу золы могут быть отнесены к глиноземистому типу. Содержание оксида кремния в этих отходах до 60% можно использовать для производства стройматериалов, а это позволит процесс переработки на глинозем и коагулянты сделать комплексным.

Задачей нашего исследования было изучить возможность применения известных способов переработки высококремнистого сырья к золам борлинских и экибастузских углей, опираясь на термодинамический анагсиз процесса спекания.

Муллит относится к группе стойких алюмосиликатов и практически не разлагается минеральными кислотами и щелочами. Ранее были проведены работы под руководством проф. С.С.Нуркеева /1,2/ по автоклавному сернокислотному выщелачиванию зол при температуре 260°С и давлении 12 атм. В результате его исследований, извлечение оксида алюминия в раствор достигало 80-95%. Реализация этого процесса не нашла применения из-за высоких энергетических затрат и сложности аппаратурного оформления работы.

Нами были выбраны два способа - способ, основанный на спекании двух- и трехкомпонентных ших^г: и выщелачивании спеков содощелочными растворами, и кислотный, основанный на получении саморассыпающихся шлаков с последующим их кислотным выщелачиванием /3,4/.

Термодинамическое моделирование процесса спекания зол с карбонатами натрия и кальция проводилось с помощью автоматизированной системы термодинамических данных и расчетов равновесных состояний «АСТРА».

Задавая исходный состав изучаемой системы и два параметра (один - механический - давление, и другой - энергетический - температура), были получены параметры системы, достигшей равновесия - выход промежуточных, основных и побочных продуктов взаимодействия, величины энергетических параметров -энтальпии и энтропии.

Варьируя условия исходного состояния термодинамической системы можно оптимизировать будущий технологический процесс - выбрать температурный интервал и оптимальный исходный состав изучаемой системы.

Рассчитаны равновесные параметры и равновесный фазовый состав системы муллит - оксид кремния -оксид железа (III) - карбонат натрия - карбонат кальция при молярных отношениях: Na₂O/Al₂O3=0,7-l,0; СаО/А1₂О₃=0Д-0,3; CaO/Si0₂=2; CaO/Fe₂0₃=l в температурном интервале 573-1673К и давлении ] атм.

На рис. 1,2 приведены равновесные количества основных и побочных продуктов взаимодействия компонентов системы муллит - оксид кремния - оксид железа (III) - карбонат натрия -- карбонат кальция при молярном отношении Na₂O/A]₂O₃=l,0; CaO/Si0₂=2; CaO/Fe₂0₃=l в температурном интервале 573-1673К и давлении 1 атм.

Обработка результатов термодинамического моделирования показала, что в интервале температур 873-1273К образуются промежуточные соединения - Na₂O.Al₂0₃.2Si0₂, 2CaO.Al₂0₃.Si0₂; в интервале темпераэур 1273-1573К образуются основные продукты взаимодействия - Na₂O.Al₂0₃, 2CaO*Si0₂, CaO.Fe₂0₃; в интервале температур 1573-1673К - побочные продукты спекания - ЗСаО.А1₂0₃, Na₂0»S)0₂, Na₂O.Al₂0₃.2Si0₂.

Полученные термодинамические данные фазового состава были подтверждены экспериментами по спеканию на основе двух- и трехкомпонентных шихт. Температура спекания варьировалась от 1150. Переход оксидов алюминия и натрия в раствор оценивался по результатам стандартного выщелачивания. Г ри спекании традиционной трехкомпонентной шихты выщелачивание проводилось 0,5N раствором NaOH при температуре 70°С, продолжительности 30 минут, отношении Т:Ж=1:10.

При спекании только с известняком выщелачивание ведется содовыми растворами из расчета Na₂C0₃/C аО в спеке равным 1,5, Т:Ж=1:10 при температуре 70°С, продолжительности 30 минут. В случае спекания шихты при пониженном содержании соды в шихте (Na2O/Al₂O3=0,7-0,9) выщелачивание осуществляется содощелочными растворами.

Рентгенографический анализ подтвердил данные термодинамического моделирования и покачал присутствие нефелина при 873К, геленита - при 973К, при 1173К - геленита, двухкальциевого силиката и уже небольшого количества алюмината натрия, при 1573К - основных продуктов спекания - алюмината натрия и двухкальциевого силиката, выше 1650К- нефелина, силикатов натрия, кальция.

Максимальное извлечение оксида алюминия в раствор из спека традиционной шихты составило 80-85% при 1250°С; из спека шихты с известняком - 75-78% при 1325°С; при спекании шихты с пониженным содержанием соды в шихте - 85-88% при 1250°С.

Используя кислотный способ переработки высококремнистого сырья, были выплавлены из золы борлинских углей анортитовые шлаки в печи Таммана при температуре 1400-1550°С. Шихту переводили в жидкотекучее состояние и выдерживали 30 минут, а затем выливали в нагретый графитовый тигель. Шлаки застывали без образования стекла. Их измельчали до крупности 0,1-0,5 мм и подвергали выщелачиванию серной кислотой.

Выщелачивание проводилось двумя способами. Первый способ заключался в выщелачивании серной кислотой концентрацией 350г/л при 90-95°С и продолжительности 30 минут. При этом в раствор переходит глинозем, а кремнезем в основном остается в шламе. Максимальное извлечение глинозема в раствор составило 85-88%.

Кроме того, проведены эксперименты по двухстадийному выщелачиванию анортитовых шлаков: на первой стадии - концентрированной серной кислотой при температуре 25-60°С в течение 3-10 мин, а на второй - разбавленной до 40-60% серной кислотой в течение 30 мин. Количество кислоты составляло 100% по отношению к стехиометрии. Бурная реакция взаимодействия шлака с кислотой приводит к самопроизвольному повышению температуры реакционной смеси на первой стадии, после чего интенсивность растворения убывает за счет разбавления и снижения температуры. В результате этого было достигнуто максимальное извлечение глинозема до 92% при незначительном переходе кремнезема в раствор.

Таким образом, проведенными исследованиями подтверждена возможность переработки золоотходов от сжигания Борлинских и Экибастузских углей на тепловых электростанциях кислотным и щелочным способами не только на глинозем, но и на сульфат алюминия.

Заключение

Проблема утилизации отходов горно-металлургического производства, занимающих огромные территории, предопределяется не только экономическим ущербом от загрязнения окружающей среды, но и исчерпаемостью невозобновляемых минеральных ресурсов недр.

Определение принципиальной пригодности техногенных минеральных образований первоначально базируется на анализе информации об их качественно-количественной характеристике по данным Государственного кадастра техногенных минеральных образований РК, который ведется Комитетом геологии и охраны недр Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК.

Отходы горного производства представлены различными породами, отличающимися между собой по структуре, текстуре, минеральному и химическому составу, физико-механическим свойствам. Ценные компоненты отсутствуют или содержатся в незначительных количествах. По качественному составу подавляющая часть отходов близка к породам традиционных видов нерудного сырья для получения ассортимента строительного материала. Однако, практика прежних лет добычи и складирования различных пород валовым способом затрудняет их рациональное использование в настоящее время.

Некондиционные, забалансовые руды, попутно добываемые и отдельно складируемые, имеются практически на всех месторождениях. В последнее время наметилась тенденция к их вовлечению на переработку.

Отходы обогащения полезных ископаемых по физическим свойствам наиболее близки к эоловым пескам, для которых характерна бесструктурность, легкая развеваемость, сравнительно высокая водопроницаемость и малая влагоемкость. Содержат значительные количества как основных, так и сопутствующих ценных компонентов, что обусловлено существующим уровнем техники и технологии переработки.

Практическую ценность, как потенциальное сырье для повторного извлечения содержащихся в них полезных ископаемых, представляют старые отходы обогащения редкометальных, свинцово-цинковых и золото-полиметаллических руд, некоторые отходы обогащения железных, хромовых и марганцевых руд. Однако, длительное хранение их в окислительных условиях, созданных как химическими реагентами обогащения, так и биологической средой хвостохранилищ и отвалов, безусловно, могло привести к необратимым изменениям исходных минеральных форм полезных компонентов и даже к их «рассеиванию» в окружающей среде. Поэтому проведение предварительных геолого-технологических исследований подобных объектов с уточнением и оценкой качественно-количественных характеристик полезных компонентов, с выделением и оконтуриванием продуктивных залежей является одним из первоочередных мер по их освоению.

Хвосты обогащения медных, золотосодержащих малосульфидных песчанников и некоторых свинцово-цинковых руд из-за незначительного содержания в них ценных компонентов могут быть использованы в производстве строительных материалов.

Отходы металлургического производства - шлаки, цинковый кек, кобальтовый кек, клинкер, пиритный огарок, арсенат и арсенит кальция, красный бокситовый шлам, характеризуются большим разнообразием качественного состава. Практически все они содержат ряд ценных компонентов и поэтому являются потенциальным комплексным сырьем, способным заменить добываемые из недр.