Комплексная переработка породных отвалов шахт Донецкого региона

Аннотация

А.Г. Мнухин. Комплексная переработка породных отвалов шахт Донецкого региона В настоящее время внимание промышленности, как в дальнем, так и в ближнем зарубежье вновь обращается к породным отвалам угольных шахт. Широкий спектр различных химических соединений и элементов, включающих германий и редкоземельные, а так же глинозём для производства бокситов, железная руда и непосредственно уголь при высокой доступности, низкой цене и практически неограниченных объёмах исходного сырья - породы, делает перспективным указанное техническое направление

Выполненные целенаправленно в специализированных лабораториях исследования химического состава ряда породных отвалов шахт Донецкого региона (таблица 1) дают представления о химическом составе объекта предполагаемой разработки.

Таблица 1

 

Результаты анализа проб породы и угля

 

	Наименование показаний	Порода				Уголь
		Проба 1	Проба 2	Проба 3	Проба 4	Проба 5
1	Массовая доля золы, %	72,0	65,0	54,1	72,5	21,7
2	Выход летучих веществ, %	21,5	18,4	17,1	21,2	9,9
3	Массовая доля серы, %	1,09	0,67	1,75	2,07	2,3
4	Содержание германия (Ge), г/т	40,0	20,0	30,0	55,0	5,0
5	Массовая доля окислов в золе
	SiO2	47,00	47,00	47,00	47,00	42,20
	Fe2O3	20,65	20,65	20,65	20,65	19,96
	Аl2O3	14,90	14,90	14,90	14,90	18,30
	СаО	3,40	3,40	3,40	3,40	4,15
	МnО	0,14	0,14	0,14	0,14	0,13
	MgO	1,45	1,45	1,45	1,45	2,06
	Р2O5	0,28	0,28	0,28	0,28	0,86
	FeO	0,32	0,32	0,32	0,32	0,32

Таким образом, предлагаемый к разработке материал содержит повышенное количество угля - от 28 до 46%, а так же сырьё для производства алюминия - Аl2О3 (до 15%) и германия (до 55 г/т). Основную массу составляют оксиды кремния и железа (SiO2 - 47%, Fе2О3 - 20%), щелочные же компоненты - СаО и MgO не превышают 5%.

Базируясь на указанных исходных данных, можно наметить следующие направления разработки породных отвалов:

 

Производство бокситов и алюминиевых сплавов

Имеется техническая возможность выделения бокситов из негорелых отвалов с одновременным повышением их концентрации с 14,9 до 40 - 50% и последующей передачей на Запорожский алюминиевый комбинат, получающий бокситы из дальнего зарубежья (стоимость сырья в настоящее время составляет в России до 200$ за тонну). Специалисты по данным процессам имеются в ДГТУ, процесс и соответствующие оборудование аналогично имеющимся на ЦОФ "Кальмиусская" и Мариупольском заводе по производству графита.

Однако более перспективным является путь непосредственного производства из нетрадиционных ресурсов (содержание бокситов 15-20%) алюминиевых сплавов, по технологии, разработанной Московскими учёными (А.А. Вертман и др.). В этом случае осуществляется выплавка непосредственно силуминов в рамках маломасштабного производства и сниженных энергетическо-стоимостных затратах. Так, например, при одновременном уменьшении экологической опасности производства, производительность труда на таких мини-заводах в 2-3 раза выше, а удельные капвложения в 3-4 раза ниже, чем на предпри ятиях традиционного типа. Оценки показывают, что оборудование в этом случае является типовым и малогабаритным, что позволяет разместить технологический комплекс с годовой производительностью 20-25 тыс. т. готовых изделий в лёгком сооружении площадью до 2000 м2 (например, помещениях шахт, поставленных на реструктуризацию). Указанная технология планируется ко внедрению в настоящее время в восточной части России.

 

Отделение магнитных железосодержащих соединений из породных отвалов
Как вытекает из таблицы 1, исходное сырьё содержит свыше 20% окислов железа в различных соединениях. Исходное выделение их наиболее просто производить с помощью магнитных сепараторов, например, типа ПС160М, напряжённость магнитного поля которого достигает 3958 эрстед.

С целью практической проверки возможности электромагнитной сепарации, производилось разделение исходного сырья при напряжённости поля порядка 900 эрстед. При этом из 20,97% окислов железа было сразу изъято 14,4% или всего 68,5% от всех имеющихся. Размеры извлекаемых кусков достигали 31,4 мм, а масса - 19 г. Одновременно наблюдалось так же повышение концентрации германия в исходном продукте. Таким образом, имея ещё запас по напряжённости поля в 3,9 раза, можно считать, что в производстве указанная задача каких-либо проблем не составит.

 

Выделение германия из породных отвалов
Для добычи германия в нашем регионе предпринимались попытки использования надсмольных вод коксохимзаводов (содержание Ge в них не более 3 г/т), поэтому использование для указанной цели сырья с содержанием германия 55 г/т является наиболее перспективной частью планируемой работы.

Извлечение германия из содержащего его сырья может осуществляться одним из трёх способов. Первый, наиболее простой, состоит в переводе сырья в раствор с последующим использованием дубового концентрата (танинового комплекса). Однако проверка указанного способа, выполненная на коксохимзаводе, имеющим многолетний опыт подобной технологии, применительно к данному сырью, не позволила получить повышения концентрации германия в обрабатываемом продукте.

Вторым способом, обеспечивающим одновременно выделение кроме германия других редкоземельных элементов, является применение электростатической сепарации, разработанной донецкими специалистами (Патент Украины 17408А Способ разделения углесодержащего материала, Патент Российской Федерации 2020176 Способ обогащения галлием угольной золы-уноса и др.). Указанный способ был реализован на предприятиях <Донбассэнерго> и спецпредприятии, расположенном в Днепропетровской области. По имеющейся в настоящее время информации общее количество извлекаемых там редких элементов составляет не менее шести.

В настоящее время Московским институтом редких металлов (Гиредмет) разработана новая технология выделения германия химическим способом, реализуемая в настоящее время на востоке страны. Имеется договорённость о подключении специалистов этого института к указанной проблеме. Окончательный выбор технологического процесса может быть осуществлён на основе технико-экономического сопоставления вариантов.

 

Выделение редкоземельных элементов из породных отвалов
Судя по результатам спектрального анализа углей, которым сопутствует рассматриваемая порода, выполненного ПО <Укргеология>, помимо германия (Ge), в данном массиве будут в достаточном для извлечения количестве галлий (Ga), как сопутствующий германию элемент, иттрий (I), цирконий (Zr) и скандий (Sc). При этом, на основе анализа зол можно предварительно определить, что галлий ожидается в количестве примерно 100 г/т, (извлечение целесообразно с 10 г/т), скандий ожидается в количествах примерно 10-20 г/т (извлечение целесообразно начиная с 10 г/т). Конкретное процентное содержание в породе указанных элементов будет уточнено на основе организуемого в настоящее время анализа исходного вещества на раздельное содержание в нём редкоземельных элементов, (на основе предварительного анализа общее количество в породе редкоземельных элементов составляет примерно 230-260 г/т).
Возможность выделения угля из объекта переработки (28-46%) может быть оценена после формирования всей технологической цепочки, включающей или не включающей процесс обжига исходного сырья с использованием содержащегося в нём углерода.
Таким образом, предлагаемая технологическая цепочка позволит получить из породных отвалов следующие материалы и компоненты:

• железосодержащую руду;
• дюралевые сплавы (силумины) и изделия из них;
• германий;
• редкоземельные элементы;
• уголь;
• силикатные материалы для строительных целей.

Перед началом рабочего проектирования необходимо решить следующие задачи:

• выполнить более полно анализы химического состава исходного сырья;
• выбрать на основе технико-экономического обоснования частных отдельных процессов единую технологическую цепочку всего производства;
• определиться с составом и химической чистотой исходного продукта (касается германия и РЗЭ), с целью достижения высокого уровня рентабельности.

При среднем объёме одного террикона 1,18*10⁶ м³ и его массе 2,1*10⁶ т, в нём содержаться 0,43*10⁶т железной руды, до 1,1*10⁵кг окиси германия, общей стоимостью 100 млн.$ редкоземельных элементов общей массой 5,2*10⁵кг.

Использование предлагаемой комплексной технологии переработки породных отвалов, помимо экономического эффекта, позволит решить важную экологическую проблему уничтожения породных отвалов и рекультивации освободившейся земли, а так же обеспечит создание нескольких десятков рабочих мест для работников шахт, предлагаемых на реструктуризацию.

Академик Академии инженерных наук Украины, доктор технических наук А.Г. Мнухин

 

---