2003.01.01 Мнухин А.Г. Разработка технологий и создание производства комплексной переработки

Разработка технологий и создание производства комплексной переработки породных
отвалов угольных шахт для извлечения редкоземельных элементов, угля, железной
руды, а также производство силуминов и стройматериалов
Мнухин Анатолий Григорьевич
Отвальная порода шахт имеет различный минералогический состав и пригодна
для использования в качестве сырья для производства строительных материалов. Однако
анализ химического состава отвалов показывает, что они представляют особый интерес,
как источники сырья для получения цветных и редкоземельных металлов. В породных
отвалах Луганских шахт отмечено повышенное содержание бериллия, олова, иттрия, цинка,
меди, ниобия и других металлов. А в ряде шахт Донецкого региона порода отвалов содержит
германий, бокситы, галлий и скандий. Содержание упомянутых элементов вполне
достаточно для промышленной переработки. Определены направления формирования
технологической схемы переработки породных отвалов Донецкого региона:
1) извлечение Fe-содержащего сырья;
2) извлечение Ge-содержащего концентрата;
3) извлечение сопутствующих РЗЭ;
4) извлечение Al-содержащего сырья для отправки на передел или производство
силуминовых сплавов на месте переработки;
5) извлечение Si-содержащего сырья из отходов переработки для производства
строительных материалов.
Проработаны основные параметры технологической цепочки переработки отвалов,
проведены предварительные исследования и экспериментальные проверки, подтверждающие
возможность реализации комплексной переработки породных отвалов по предлагаемой
технологической схеме. Проведенные технико-экономические расчеты подтверждают
высокую рентабельность предлагаемой технологии переработки отвалов, при
одновременном улучшении экологической обстановки. Исследования химического состава
ряда породных отвалов шахт Донецкого региона (таблица) дают представление
о химическом составе объекта предполагаемой разработки.
Результаты анализа проб породы и угля:
Проба
Проба
Параметр
порода
угля
№ 01 № 02 № 03 № 04 № 05
Выход летучих веществ, %
21,5 18,4 17,1 21,2
69,9
Доля массовая золы, %
72,0 65,0 54,1 72,5
21,7
Доля массовая серы, %
1,09 0,67 1,75 2,07
2,3
Содержание Ge, г/т
40,0 20,0 30,0 55,0
5,0
47,0
42,2
SiO2
20,7
20,0
Fe2O3
14,9
18,3
Аl2O3
Массовая доля
3,4
4,2
CaO
оксидов в золе:
1,5
2,1
MgO
0,3
0,3
FeO
0,3
0,9
P2O5
0,1
0,1
MnO
Конечным продуктом процесса переработки породных отвалов являются: руда Feсодержащая; сплавы алюминиевые (силумины) и изделия из них; германий; РЗМ;
силикатные материалы для строительных целей и изделия из них.
Исходный материал с отвала ковшевым экскаватором ЭГ (V=0,5-1,0 м3) нагружаться
на ленточный конвейер Л-100 (Л-120) и доставляться в первое производственное помещение
к дробилке СМ-170В (Q≤200 т/ч), грохоту ГИЛ-25 (Q≤80 т/ч) и далее к железоотделителю
ПС-120М (ПС-160М) в зависимости от фактической пропускной способности
технологической цепочки.
В процессе магнитной сепарации происходит удаление Fe2O3 и FeO (≤68,5% от
имеющегося), фактический же процент будет значительно выше, порядка 95-98% (нуждается
в экспериментальном уточнении). Возможно также применение мощных криомагнитных
сепараторов.
Одновременно происходит и обогащение остающейся части германием на 10,5% или с
55 до 60,8 г/т. однако при этом происходят потери с каждой тонны исходного сырья 6,93г Ge,
в связи с чем требуется в дальнейшем сопоставление вариантов по извлечению
железосодержащих соединений до и после изъятия германия. Технология всех
перечисленных выше процессов является в настоящее время полностью отработанной и
никаких дополнительных исследований не потребует. Добыча германия или фактически его
соединений осуществляется путем выщелачивания необходимого продукта из исходного
сырья водой, а в некоторых случаях раствором соляной или серной кислот. Повышение
степени перехода в раствор, как германия, так и сопутствующего ему галлия, обычно
происходит при значительном нагревании объекта отработки, однако существуют новые,
нетрадиционные методы электрогидравлического воздействия, повышающие эффективность
извлечения этих материалов, т.е. электровзрыва, сопровождающегося существенным
повышением в зоне разряда давления (до 15000 атм.) и температуры (до 20000ºС). Опыт
создания и эксплуатации подобных установок у авторов предложения имеется.
Обработанная в проточном режиме в специальной электрогидравлической дробилкесепараторе пульпа, с помощью шламовых насосов, поступает на центрифугу. Отделенный
водный или кислотный раствор германия проходит стандартную обработку таннином
(танниновый комплекс). Извлечение галлия может также эффективно осуществляться из
отходов алюминиевого сырья посредством катионитов. В случае же целесообразности, перед
выделением германия (в зависимости от насыщенности им раствора), раствор может снова
повторно использоваться для обработки исходного сырья и так несколько раз.
Целесообразность реализации подобного "повторного" цикла может быть определена только
экспериментально. Далее, в зависимости от количества, содержащегося в остатке таких
элементов, как скандий, цирконий и иттрий строится дальнейшая технологическая цепочка
их извлечения. Наиболее полно эти и другие редкие элементы, независимо от объема их
содержания, могут быть извлечены с помощью метода электростатической сепарации,
однако стоимость соответствующего технического обеспечения может быть предварительно
оценена примерно в 500 тыс. долларов. Поэтому на основе технико-экономического
сопоставления следует оценить целесообразность использования для извлечения указанных
элементов этого или традиционных и, следовательно, более апробированных методов
(например, выщелачиванием для скандия или хлорированием с помощью соляной кислоты
для циркония) или же на первом этапе создания производства считать полезным исключить
эти элементы из рассмотрения в качестве объекта для добычи, рассматривая оставшуюся
массу только как сырье для получения силуминов и строительных материалов. Предлагаемая
к реализации технология базируется на производстве силуминов и изделий из них на базе
мини-заводов с использованием бедного в части Al2O3 сырья. Технология включает в себя
стандартные операции прокаливания, углетермического восстановления в вакууме с
последующей сухой и мокрой сепарацией для разделения конечного продукта (силумина
"ЗЕВС") с сырьем для стройматериалов. Полученный в конечном счете исходный продукт,
обработанный литьем и давлением, более устойчив к расслаивающей коррозии (6-й балл),
чем сплав Д16чТ. Потеря массы сплава от общей коррозии за 30 суток не превышает 0,046
г/м3·ч, причем сплав отличается высоким сопротивлением к коррозионному растрескиванию
при нагрузках до 140 МПа. Силумин нейтрален к сероводородной среде, а нефть и
углеводороды замедляют скорость его коррозии примерно на 20%.
Основная часть технологической цепочки обеспечивается серийным оборудованием.
Такое производство наиболее целесообразно разворачивать на базе закрывающихся
по реструктуризации шахт и обогатительных фабрик, породные отвалы которых имеют
необходимые сырьевые компоненты в соответствующих количествах. Наличие здесь
железнодорожных и автомобильных подъездных путей, а также большое количество
помещений промышленного и бытового назначения, энергетический комплекс и т.д.
позволяют сократить расходы и сроки введения в работу планируемого производства.
Одновременно за счет местных трудовых ресурсов может быть решен вопрос
комплектования предприятия рабочей силой. Незначительное количество узкопрофильных
специалистов будет в случае необходимости доставляться на работу автотранспортом (до 50
км).
Налаживание производства заэвтектических силуминов "ЗЕВС" на базе шахт,
предназначенных на реструктуризацию, позволяет:
· снизить (практически сократить) расходы на транспортировку исходного сырья;
·
снизить стоимость процесса за счет реализации топлива, содержащегося в
исходном сырье;
· обеспечить выпуск силумина и изделий из него на унифицированном оборудовании
серийного производства;
· обеспечить экологическую чистоту производства с последующей рекультивацией
освобождаемой земли при годовом выпуске 20-25 тыс. тонн готовых изделий (трубы,
штамповка, лист) с размещением всего технологического комплекса в сооружении
площадью порядка 2000 кв.м.
Основные научные положения предлагаемой к реализации технологии прошли
апробацию в лабораторных и промышленных условиях. Ряд технологических особенностей
процесса переработки отвалов запатентован.
2003.01.01