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