Добываемые прибалтийские сланцы используются: как энергетическое топливо (без обогащения), для полукоксования, переработки в газогенераторах и получения газа с высокой теплотой сгорания, жидкого топлива и других продуктов. Минеральная часть сланцев, как показывают результаты опытных и опытно-промышленных работ, может с успехом использоваться для получения высококачественного цемента и ряда других строительных материалов.

В процессе добычи горючие сланцы засоряются вмещающими породами и прослойками известняков, глины и др. Обогащение сланцев пока находит ограниченное применение, однако тенденции развития сланцевой промышленности свидетельствуют о целесообразности развития комплексного использования сланцев на основе их предварительного обогащения.

На рис. 29.1 показана технологическая качественно-количественная схема обогащения эстонского сланца. Исходные сланцы, поступающие на обогащение, имеют зольность около 45 %, плотность от 1300 до 1800 кг/м ³ и теплоту сгорания Q^daf - 9,5 МДж/кг.

Горная масса подвергается классификации с выделением класса более 125 мм с последующим его обогащением в тяжелосредном сепараторе СКВС 32 в магнетитовой суспензии при плотности разделения 2130 кг/м ³.

Выделяемый класс (менее 125 мм) повторно классифицируется на грохоте с отверстиями размером 25 мм. Крупный класс (25 - 125 мм) после обесшламливания также обогащается в тяжелосредном сепараторе СКВС 32 при плотности разделения 2130 кг/м³. Мелкий класс (менее 25 мм) является конечным продуктом обогащения. Концентрат класса более 125 мм дробится, затем классифицируется по граничной крупности 25 мм. Класс менее 25 мм объединяется с классом 25 - 125 мм и является конечным продуктом для технологической переработки.

Рис. 29.1 Качественно-количественная схема обогащения горючих сланцев

Класс 0 - 25 мм направляется на тепловую электростанцию в качестве энергетического топлива. Как видно из приведенных на схеме данных (см. рис. 29.1), продукты обогащения получают с различной теплотой сгорания, которые могут быть использованы для разных целей. Часть отходов обогащения (тяжелая фракция класса 25 - 125 мм) от шахты "Таммику" отгружается строительным организациям для использования при строительстве дорог.

В последние годы исследователи и проектировщики большое внимание уделяют радиометрическому методу обогащения сланцев, результаты испытаний которого на опытно-промышленной установке при шахте им. СМ. Кирова ПО "Ленинградсланец" были положительными. При испытании установки "Кристалл"производительностью 20 т/ч, работающей на исходном продукте крупностью 50 - 200 мм с теплотой сгорания Q ^daf= 5,9 МДж/кг.

В настоящее время разрабатываются и находятся в эксплуатации более мощные радиометрические сепараторы: "Минерал", "Минерал-100", "Вихрь" и др.

Рис. 29.2. Схема цепи аппаратов обогатительной фабрики для обогащения горючих сланцев: 1 - шахтный конвейер; 2 - колосниковый грохот; 3 - дробилка ДЭС 70; 4,7 - ленточные конвейеры; 5,9 - качающиеся питатели; 6 - аккумулирующие бункера; 10 - катучий конвейер; 8 - воронка; 11 - грохот ГИТ 71; 12 - грохот ГИСЛ 72; 13 - сепаратор колесный СК 32; 14 - дробилки ДЗС 70; 15 - грохот ГИСЛ 61; 16 - электромагнитные сепараторы ЭБМ 80/170; 17 - осадительная центрифуга НОГШ - 1100; 18 - радиальный сгуститель; 19 - баки кондиционной суспензии; 20 - баки некондиционной суспензии.

На рис.29.2 показана более совершенная (проектная) схема фабрики для обогащения прибалтийских сланцев производительностью 5 млн. тонн в год по товарному сланцу. В схеме предусмотрены дробление исходной горной массы до крупности 300 мм и грохочение дробленого продукта на три класса: 100 - 300, 25 - 100 и 0 - 25 мм. Первые два класса обогащаются в минеральной суспензии плотностью 2100 кг/м^э. Класс 0 - 25 мм не обогащается и используется в качестве энергетического топлива на тепловых электростанциях. Крупный обогащенный сланец используется в качестве сырья для химической переработки на сланцеперерабатывающих комбинатах. Крупные классы тяжелых фракций тяжелосредньгх установок после дробления могут использоваться в качестве строительного щебня.

Недостаток действующих сланце обогатительных фабрик - несовершенство водно-шламовых схем, в результате чего ежегодно в наружные шламовые отстойники (НШО) сбрасывается около 600 тыс.т сланцевых шламов с теплотой сгорания 2,56 МДж/кг. Осаждение, осветление, уплотнение и обезвоживание шламов в НШО осуществляются в течение 3-5 лет. При этом в связи с окислением горючей массы сланца под влиянием природных факторов значительно снижается его теплота сгорания. Кроме того, сточные воды ОФ при длительном контакте со шламом приобретают повышенную кислотность (рН до 4), а дренируемая вода заболачивает прилегающие к НШО земли.

При реконструкции действующих и строительстве, новых фабрик предусматривается организация замкнутого водооборота с применением радиальных сгустителей, флокуляции шламов и их обезвоживания в осадительных центрифугах.

Перспективным является использование горючих сланцев для получения из них концентратов с высоким {до 90 %) содержанием керогена. Получение такого концентрата может быть осуществлено флотацией исходного сланца, измельченного до крупности 90 - 95 % класса менее 0,074 мм.

Кероген-70 - ценное сырье для получения различных химических продуктов. Он находит все более широкое применение в качестве наполнителя при производстве кислотоупорных и щелочеупорных пластических масс, для получения специальных сортов эбонита, резинотехнических изделий и других материалов. В качестве наполнителя кероген полностью или частично заменяет дорогостоящие наполнители (древесную муку, полевой шпат, асбест). Применение керогена позволяет уменьшить расход дефицитных фенолформальдегидных смол, не ухудшая качества изделий, снизить расход материалов и их себестоимость при производстве пластмасс и резинотехнических изделий.

Разработана технология получения из керогена жирных дикарбоновых кислот. Эти кислоты находят широкое применение в качестве исходного сырья для производства пластификаторов и полиэфирных смол. Кроме того, разработана технология термопластификации керогена. Получаемый продукт - термобитум - может заменить формальдегидные смолы в производстве пенопластов и антикоррозионных лаков.

Ленгипрошахтом разработана технологическая схема глубокого обогащения горючих сланцев для получения керогена-70. По этой схеме обогащаются сланцы крупностью 0 - 30 мм с содержанием в них 30-36 % керогена. Конечный концентрат должен содержать 70-75 % керогена. Выход концентрата составляет 42 - 44 %.

Для получения концентрата заданного качества в схеме цепи аппаратов (рис.29.3) предусматривается применение шаровых мельниц, работающих в замкнутом цикле с гидроциклонами или спиральным классификатором, с целью измельчения сланца до крупности 90 % класса менее 0,074 мм и четырех перечисток концентрата основной флотации и контрольной перечистки отходов. Обезвоживание концентрата флотации будет осуществляться на дисковых вакуум-фильтрах, сушка - в трубах-сушилках инертными газами.

Рис. 29.3. Схема цепи аппаратов установки для получения керогена -70: 1 - ленточный конвейер; 2 - пробоотборник ковшовый; 3 -проборазделетелочная машина МПП 150; 4 -конвейер; 5 -питатель ленточный; 6 -весы ленточные; 7 -шаровая мельница; 8 -классификатор односпиральный; 9 -контактный чан; 10 - флотационные машины ФМР 2Б; 11 - пеногаситель; 12 - вакуум - фильтр ДУ 100 - 2,5; 13 - ресиверы; 14 - ловушка; 15 - вакуум - насосы КВН -50; 16 - воздуходувка ТВ -80 -1,6; 17 - скребковый конвейер; 18 - скребковый конвейер и трубе - сушилка; 20 - шахтные мельницы; 21 - газовая топка; 22 - циклон НИОГАЗа; 23 - батарейный циклон "Тюбкс"; 24- мигалки; 25 -шлюзовые затворы; 26- дымосос; 27-мокрый пыеуловитель; 28- центробежный вентилятор; 29- электрорифер; 30- всасивающий фильтр; 31- пневморазгружатель; 32-весы ДВП-500; 33-мешкозашивочная машина; 34-автогрузчик; 35- ленточный элеватор.

С 1963 г. при комбинате "Сланцы" Миннефтехимпрома СНГ действует установка для получения керогена-70 из отсевов класса 0 - 25 мм технологического сланца с содержанием органической массы 40 %.

Получение керогена возможно также с помощью центробежного разделения горючих сланцев в тяжелых жидкостях по методу, разработанному в ИОТТ. Применение этого метода целесообразно при сооружении обогатительной установки в едином комплексе с установкой по окислению керогена азотной кислотой. В этом случае отходы химического цеха могут быть использованы для получения водных растворов нитрита кальция, используемого в качестве тяжелой жидкости при центробежном тяжелосредном обогащении.

Практика эксплуатации установки и многочисленные исследовательские работы ряда институтов по флотации сланцев различных слоев и месторождений показывают, что во всех случаях могут быть достигнуты хорошие технологические показатели обогащения. Институтами разработаны эффективные режимы получения высококонцентрированного керогена марки 80,90 и 92, его обезвоживания и доведения до нужной крупности.

29.2 Некоторые физико-химические свойства горючих сланцев Кызылкумов

Горючие сланцы, как высокозольное углеводородное органическое сырье, перерабатывается во многих странах мира (Австралия, Югославия, Швейцария, Эстония, Швеция, Германия, Украина. Россия и др.) для получения электроэнергии, сланпеной смолы, горючих смазочных материалов (ГСМ) и др.

На территории Средней Азии прогнозные ресурсы горючих сланцев до глубины 600 м от дневной поверхности определены в 93 млрд. т, в том числе 47 млрд., т. в Узбекистане (Байсунском - 55 млн. т. Уртабулакском - 248 млн. т., Учкыр-Кульбешкакском - 126 млн. т). Многие месторождения горючих сланцев расположены на территории Кызылкумом.

Одной из определяющих особенностей качественной характеристики горючих сланцев является повышенное содержание металлов, в том числе молибдена, ванадия, кадмия, индия, скандия, золота и др. Кроме того, сланцы содержат в определенных количествах платиноиды и уран, а также 28-30% горючих веществ.

Таким образом, горючие сланцы Узбекистана являются высоко перспективным минеральным сырьем дли получения цветных, благородных и редких металлов, ГСМ, медицинских препаратов, Горючие сланцы можно использовать как энергоносители. Однако, в настоящее время в Узбекистане горючие сланцы не перерабатывается из-за отсутствия приемлемой технологии.

Результаты химического анализа пробы горючих сланцев показали, что сланцы содержат 69-73% минеральной составляющей и 27-31% керогена.

Исходный органический материал -планктон (простые микроорганизмы и водоросли) вращался в окислительной среде и на ранней стадии разложения происходило усреднение состава органического вещества и образовался коллоидный "водный гумус". При старении коллоида, на определенном этапе в нем образовались изолированные пузырьки газов. Для многих сланцев природа газовых включений была подтверждена экспериментально, выделив газ из отключений и опрели его состав

Газовыделение при повышении температуры может быть установлено и путем съема декрепитаграмм пробы сланцев, Согласно полученным результатам вакуумной декрепитографических исследований двух фракций (-1 +0,5 и -0,5 + 0,25 мм) сланца выделяются два температурных интервала, характеризующихся повышенными газовыделениями:

I - от 20⁰ С до 6О ⁰ С при максимуме при 40⁰ С,

II - от 120 ⁰ С до 540⁰ С при максимуме при 18О ⁰ С. Эти температурные интервалы являются аналогичными для обеих фракций сланца.

Результатами анализа установлено, что в обеих фракциях имеют места следующие газы: СО₂, Н₂О, КН, С₂О₅, О₂, СН₄, Н₂S, (рисунок). Общий объем газов и навеске во фракции -0,1 -0,5 мм составляет 59,63 мл/г, а во второй -58,06 мл/г. В навеске фракции -1 -0,5 мм обнаруживаются следы SО₂, тогда как сера в форме Н₂S выделяется очень обильно (37.36; 35,87 мл/г), Это свидетельствует о высокой сернистости сланца,

Сера в сланце может быть представлена в виде серосодержащих органических соединений и в виде сульфидов металлов, часто в виде пирита. Кстати характерной особенностью минеральной части горючих сланцев Центральной Азии является высокккое содержание пирита, тонко рассеянного среди частичек глин и среди сгустков псевдовитринита в керогене, Как показывают результаты спектрального анализа содержание железа в минеральной части сланца составляет 3%. Это значит, содержание пирита а сланце будет не менее 5%. Большое содержание пирита характеризует интенсивный восстановительный геохимический характер среды. Из данных следует, что основным элементным составом битумоидов.

29.3 Комплексность использования горючих сланцев

Перспективным является использование горючих сланцев для получения из них концентратов с высоким (до 90 %) содержанием керогена. Получение такого концентрата может быть осуществлено флотацией исходного сланца, измельченного до крупности 90-95 % класса -0,074 мм.

Недостатком действующих сланцеобогатительных фабрик является несовершенство водно-шламовых схем, в результате чего ежегодно в наружные шламовые отстойники (НШО) сбрасывается большое количество (600 тыс. т) сланцевых шламов с теплотой сгорания 2,56 МДж/кг. Осаждение, осветление, уплотнение и обезвоживание шламов в НШО осуществляются в течение 3-5 лет. При этом в связи с окислением горючей массы сланца под влиянием природных факторов значительно снижается его теплота сгорания. Кроме того, сточные воды обогатительных фабрик при длительном контакте со шламом приобретают повышенную кислотность (рН до 4), а дренирующая вода заболачивает прилегающие к НШО земли. Поэтому при реконструкции действующих и строительстве новых фабрик предусматривается организация замкнутого водооборота с применением радиальных сгустителей, флокуляции шламов и их обезвоживанием в осадительных центрифугах.

Кероген-70 является ценным сырьем для получения различных химических продуктов. Он находит все более широкое применение в качестве наполнителя при производстве кислотоупорных и щелочеупорных пластических масс, для получения специальных сортов эбонита, резинотехнических изделий, полностью или частично заменяет дорогостоящие наполнители (древесную муку, полевой шпат, асбест). Применение керогена позволяет уменьшить расход дефицитных фе-нолформальдегидных смол, не ухудшая качества изделий, снизить расход материалов и их себестоимость при производстве пластмасс и резинотехнических изделий.

Разработана технология получения из керогена жирных ди-карбонатовых кислот. Эти кислоты находят широкое применение в качестве исходного сырья для производства пластификаторов и полиэфирных смол. Кроме того, разработана технология термопластификации керогена. Получаемый продукт - термобитум - может заменить формальдегидные смолы в производстве пенопластов и антикоррозионных лаков.

Разработана технологическая схема глубокого обогащения горючих сланцев для получения керогена-70. По этой схеме обогащаются сланцы крупностью 0-30 мм с содержанием в них 30-36 % керогена. Конечный концентрат должен содержать 70-75 % керогена.

Получение керогена возможно также с помощью центробежного разделения горючих сланцев в тяжелых жидкостях. Применение этого метода целесообразно при сооружении обогатительной установки в едином комплексе с установкой по окислению керогена азотной кислотой. В этом случае отходы химического цеха могут быть использованы для получения водных растворов нитрита кальция, применяемого в качестве тяжелой жидкости при центробежном тяжелосред-ном обогащении горючих сланцев.

Практика эксплуатации такой установки и многочисленные исследовательские работы по флотации сланцев различных слоев и месторождений показывают, что во всех случаях могут быть достигнуты хорошие технологические показатели обогащения. При этом разработаны эффективные режимы получения высококонцентрированного керогена марки 80, 90 и 92, его обезвоживания и доведения до нужной крупности.

Вопросы для повторения:

1) Где сосредоточены запасы горючих сланцев. Назовите физические свойства и состав сланцев?.

2) Методы обогащения сланцев (классификация, радиометрижкий метод?

3) В чём проявляется недостаток действующих сланце обогатительных фабрик?

4) Как получают керогена-70 его свойства, применение?

5) Каким методам из горючих сланцев в тяжелых жидкостях получают кероген?

6) Физико-химические свойства горючих сланцев Кызылкумов?

7) Проблемы комплексного использования горючих сланцев?

Лекция 30. Комплексная переработка нерудных полезных ископаемых

Цель занятий: Дать общие понятия о комплексной переработке полезных ископаемых.

30.1 Комплексность использования сырья в процессах его добычи и обогащения

Целесообразность и необходимость комплексного использования полезных ископаемых обусловлены совокупностью факторов: геохимических, вследствие комплексного характера руд; технологических, в связи с наличием технологии, позволяющей разделить их на основные составляющие минеральные компоненты; экономических, в связи с возможностью получения дополнительной прибыли и повышения других технико-экономических показателей (экономии капитальных затрат, трудовых ресурсов, высвобождения техники, сокращения земельного отвода и др.); экологических, поскольку безотходная технология добычи и переработки руд (при замкнутом водообороте) позволяет свести к минимуму влияние горного производства на окружающую среду.

Несмотря на многообразие типов полезных ископаемых, повышение комплексности их использования в горно-обогатительном производстве осуществляется по следующим общим направлениям.

Повышение полноты использования недр при добыче полезных ископаемых. Этому способствуют технологические схемы с ядерно-физическим контролем контуров рудных тел, раздельной добычей технологически несовместимых сортов руд, предконцентрацией и сортировкой горной массы, внутрирудничным усреднением состава технологических сортов руд. Такие схемы позволяют снизить потери руд и разубоживание горной массы при добыче, выделить и усреднить до необходимых кондиций технологические сорта руд, выдать часть породы, выделенной из горной массы, в виде товарной продукции, использовать остальные отходы горного и обогатительного переделов для заполнения выработанного пространства.

Повышение полноты извлечения основных и сопутствующих ценных компонентов. Повышение извлечения ценных компонентов осуществляется посредством совершенствования технологии рудоподготовки с целью более полного раскрытия сростков при минимальном переизмельчении извлекаемых минералов, использования разветвленных и многостадиальных схем обогащения, изыскания более эффективных технологических режимов, применения комбинированных методов обогащения и освоения новых технологических процессов.

Повышение извлечения благородных металлов. Значение руд, например, цветных металлов как дополнительного источника получения благородных металлов непрерывно возрастает.

Для извлечения свободного золота в циклах измельчения используют гидроловушки (фабрики "Хоумстейк", "Алмалыкская" и др.) и отсадочные машины (фабрики "Доум", "Зыряновская" и др.), в операциях флотации - короткоконусные гидроциклоны и щелевые концентраторы (фабрики "Алмалыкская", "Зыряновская" и др.), шлюзы (фабрики "Квемонт", "Норанда", "Магна" и др.).

Однако гравитационные аппараты позволяют извлекать золото крупностью до 0,5 мм не более чем на 90 %, а крупностью до 0,25 мм - на 70 %. Золотины размером мельче 0,1 мм улавливаются хуже, тогда как их доля составляет 30-40 % всего свободного золота. Такое золото стремятся извлечь в процессе флотации в медные или свинцовые концентраты, из которых они могут быть выделены при последующей металлургической переработке.

Кроме флотации и цианирования для извлечения мелкого золота и платины используют орбитальные шлюзы с концентрационными столами, новые специальные гравитационные аппараты центробежного типа.

Доизвлечение ценных компонентов из производственных растворов и сточных вод. Для этого используют ионную флотацию, электрофлотацию, адгезионную сепарацию, процессы сорбции и экстракции, позволяющие извлекать малые количества растворенных и тонкодиспергированных веществ из больших объемов жидкостей.

Попутное получение неметаллорудных и других концентратов. Руды являются источником получения не только цветных, редких, благородных металлов, но и сырья для многих других отраслей промышленности. Обогатительные фабрики попутно, например, с концентратами цветных металлов получают концентраты: пиритные - для производства серной кислоты; баритовые (фабрики "Косака", "Бучанс", "Кентауская", "Салаирская" и др.) - для химической и нефтехимической промышленности; флюоритовые, полевошпатовые, тальковые, кварцевые, силлиманитовые - для литейного производства и производства строительных материалов; магнетитовые - для черной металлургии; серицитовые - для алюминиевой промышленности и др. Кроме того, хвосты фабрик - хороший материал для закладки выработанного пространства и производства микроудобрений (фабрика "Янг" и др.).

30.2 Усовершенствование технологические схемы с целью комплексной переработки сырья

Решение проблемы замкнутых технологических систем добычи и переработки минерального сыры: включает: комплексное обогащение руд с извлечением всех ценных компонентой до кларкового содержания, т. е. среднего содержании их и армией коре или данном типе горных пород; создание бессрочных технологических процессов на основе взаимного проникновении ироизводственных циклов: обогатительных - в процессе добычи руды, гидро- и пирометаллургических- в процессах обогащения; развитие процессов и систем переработки вскрышных пород и отходов обогащения с целью их дальнейшего использования [8].

На основе диагностики изменения свойств дисперсных минеральных систем и водных растворов путей магнитных, электрохимически вибрационных и других воздействий, изыскания реагентов с заданными физико-мимическими свойствами при комплексной переработки минерального сырья все более широкое применение находят новые операции рудоподготовки, технологические процессы и аппараты, основанные на комбинировании различных принципов разделения, обогатительно-гидрометаллургические схемы, выключающие как традиционные механические, так и бактериальное, химическое выщелачивание, экстракцию, ионный обмин, обжиг, ионную флотацию и др.

Эксплуатация каждого месторождения сопровождается значительными объемами добычи горной массы и получением из руд многоотраслевой товарной продукции, которая перерабатывается на самостоятельных химических и металлургических предприятиях. Вскрышные породы и отходы обогащения являются вторичным сырьем для производства строительных и других материалов, а также используются в горных выработках в качество закладочного материала.

Однако полная утилизация добываемой в большом объеме горной массы не всегда оказывается экономически целесообразной. Поэтому при создании замкнутых экономичных циклов перспективно максимальное территориальное совмещение циклов добычи и переработки руд. К ним отнесшей подземная организация отдельных циклов обогащения непосредственно в рудниках, которая включает и подземное складирование отходом, а также развитие геотехнологических процессов: подземное химическое и бактериальное выщелачивание ценных компонентом из руд.

При управлении замкнутыми технологическими циклами резко возрастет роль информационно-вычислительных машин, которые будут обеспечивать оптимизацию всех технологических параметров, включая математические методы планирования усреднения руды, выпуска концентратов и экономическую длительности предприятия в целом.

Минералого-технологическая изученность и техника - эканомические оценки свидетельствуют о потенциальной возможности создания высокоэффективных безотходных горноперерабатывающих комплексов для большинства руд месторождений Кольского полуострова.

Из данных, следует, что наиболее подготовленными в технологическом и экономическом отношения: по организации замкнутых технологических циклов являются комплексные железные руды Ковдора и апатитонефелиновые руды Хибин. Из ковдорских руд наряду с железным, фосфатным, циркониевым, форстеритовым концентратами может быть получен кальцитовый продукт, который и значительных объемах найдет региональное использование для производства вяжущих и других строительных материалов, известкования кислых почв, а также в качестве флюса при переработке хибинского нефелинового концентрата. Первый опыт Ковдорского ГОК показывает, что кальцийсодержащие отходы обогащения могут быть эффективно использованы для известкования почв с. затратами, в 3-5 раз меньшими по сравнению с применением извести.

Замкнутая технология переработки может создаваться и для медно-никелевых руд Кольскую полуострова, из которых кроме медно-никелевого концентрата возможно получение талькового и асбестового, а также природно-легированного гидратно-магнетитового концентратов. Это позволит не только повисит комплексность использования руд, но и поднимет извлечение цветных металлов. Вскрышные породы представляют собой сырье для производства бутового, облицовочного, поделочного камня и других строительных материалов. Отходы обогащения могут быть использованы для закладки выработанных подземных пространств. Газообразные отходы металлургической переработки медно-никелевых концентратов являются сырьем для получения серной кислоты, а шлаки - для производства железа, шлаковаты, щебня, бетона и магнезиальных фосфатов.

Таким образом, организация безотходных замкнутых процессов при переработке минерального сырья не только позволит радикально решить экологическую проблему, но и повысит экономичность существующих процессов с организацией производства разных видов продукции.

Вопросы для повторения:

1) По каким направлениям осуществляется повышение комплексность использования сырья?

2) Применение газообразных отходов как сырьё для производства продукции.

3) Влияние комплексного использования сырья на экологию и экономичность организации производства?

Литература