Технологическая оценка техногенного минерального сырья как фактор повышения эффективности использования недр

Страны АТЭС имеют мощную развитую минерально-сырьевую базу, высокий суммарный уровень вовлечения запасов полезных ископаемых в промышленную отработку в условиях постоянного ужесточения требований к охране окружающей среды. В связи с этим решение задачи максимально полной утилизации отходов переработки минеральных ресурсов приобретает все большую актуальность.

Только в России ежегодное образование горнопромышленных отходов (ГПО) составляет почти 2 млрд т. Всего на территории России в отвалах и хранилищах, полигонах и шламонакопителях общей площадью 300 тыс.га накоплено свыше 80 млрд.т ГПО [1]. В стоимостном выражении эти отходы оцениваются в миллиарды долларов США.

В связи с ухудшением качества минерально-сырьевой базы на многие горноперерабатывающие производства поступает сырье с более низкими содержаниями ценных компонентов по сравнению с их концентрациями в накопленных хвостах обогащения.

Горнопромышленные отходы имеют извлекаемую и потребительскую ценность. Извлекаемая ценность – это обусловленное особенностями вещественного состава количество ценного компонента, извлекаемого в товарную продукцию рациональным комплексом методов и аппаратов на данном этапе развития науки, техники и технологии.

Рациональный комплекс методов и аппаратов устанавливается в процессе технологической оценки техногенного объекта (ТО) [2].

Потребительская ценность техногенного сырья определяется его потребительскими свойствами, позволяющими использовать его в промышленности (например, в стройиндустрии) без вторичной переработки и извлечения из него ценных компонентов.

Техногенное сырье является сложным объектом для переработки: низкие содержания ценных компонентов, сложный характер их выделения и распределения, наличие большого количества шламовых, тонкодисперсных частиц и сложных по составу фаз и пр. В связи с этим оценка технологических свойств и обоснование рациональной технологии вторичной переработки с получением товарной продукции является главной задачей изучения техногенных объектов.

К современной технологической оценке техногенного сырья предъявляются следующие требования: направленность на ресурсосбережение и повышение глубины переработки; системный и комплексный подход; использование инновационных технических и технологических решений; полнота и достоверность; исключение субъективного фактора; экологичность используемых и рекомендуемых методов; обоснованность выводов и рекомендаций [3].

Техногенные объекты, подлежащие технологической оценке:

• отвалы;
• вскрышные породы;
• вмещающие породы;
• торфа разработок россыпного сырья;
• забалансовые руды, перемещенные в процессе освоения месторождения;
• золошлаковые образования теплоэнергетических станций;
• минеральные образования карт намыва в процессе скважинной гидродобычи;
• терриконы угольных шахт;
• Продукты обогатительного передела;
• продукты спецотвалов;
• хвосты;
• шламы;
• сточные воды;
• галя, эфеля, глины промывки.

Каждый вид техногенного сырья требует индивидуального и системного подхода к его технологической оценке: схеме рудоподготовки, определения технологических свойств и их контрастности; особенностей вещественного состава, влияющих на крупнокусковую и глубокую обогатимость и т.д. В статье приводятся общие методические подходы и правила технологической оценки техногенного сырья минерального состава с учетом предъявляемых требований. Требование повышения глубины переработки минерального сырья отвечает принципам инновационного развития недропользования и является доминирующим в системе современной технологической оценки природного и техногенного минерального сырья.

Глубокая переработка техногенного сырья означает максимально возможное извлечение всех ценных компонентов с получением максимально допустимой номенклатуры товарной продукции в процессе полного цикла переработки: обогащения, пиро-, гидро-, биогидрометаллургического передела, а также утилизацией полученных вторичных отходов. Другими словами, глубокая переработка предполагает полную утилизацию техногенного сырья. Общая блок-схема процесса повышения глубины переработки минерального сырья в системе углубления переделов приведена на рис. 1.

К положительным факторам повышения глубины переработки относятся:

• повышение извлекаемой ценности за счет получения высоколиквидной товарной продукции — конечных продуктов высокой добавочной стоимости;
• повышение комплексности использования сырья за счет извлечения попутных компонентов, расширения ассортимента готовой продукции;
• снижение капитальных и эксплуатационных затрат за счет сокращения числа перечистных операций в цикле основного обогащения;
• вовлечение в переработку низкокачественного комплексного сырья сложного состава.

Решение задачи повышения глубины переработки имеет следующие ограничения:

• продукт предыдущего цикла должен быть получен с максимально возможным извлечением. В противном случае, если извлечение ценных компонентов в коллективный концентрат будет низким, например, 40-60%, то в последующих операциях разделения этот показатель может понизиться до нерентабельных значений;
• необходимость извлечения попутных ценных компонентов определяется экономическими и экологическими соображениями;
• технологии высших переделов требуют сложнейшего технического обеспечения и высочайшего уровня подготовки кадров, что не всегда возможно в отдаленных районах со слаборазвитой инфраструктурой, но с высокой концентрацией минеральных ресурсов;
• задача повышения глубины переработки не может быть решена за счет единственного технического приема, одного технологического решения, внедрения какого-либо метода или аппарата. Сложная задача требует системного подхода и комплексного решения.

Старый подход к технологической оценке техногенного сырья минерального состава предусматривал определение максимально достижимого доизвлечения ценных компонентов в товарную продукцию по результатам тестирования методов и аппаратов, имеющихся в распоряжении у исследователя.

Новый подход, разработанный авторами статьи, заключается в реализации следующих этапов:

• детальное изучение вещественного состава, его особенностей с помощью современных методов технологической минералогии;
• обоснование неизбежных потерь ценного компонента, обусловленных особенностями вещественного состава;
• определение максимально достижимого извлечения ценных компонентов в товарную продукцию;
• определение технологических свойств и их контрастности;
• обоснование технологии селективного раскрытия ценных компонентов, в том числе сухих методов рудоподготовки;
• обоснование рационального комплекса методов и аппаратов для достижения максимальной извлекаемой ценности, в том числе в сухом (при необходимости) режиме, и его тестирование;
• обоснование возможности интенсификации сепарационных процессов;
• обоснование оптимальной глубины обогащения — рационального сочетания методов механического обогащения и металлургического передела;
• обоснование устойчивости разработанной технологической схемы к возможным изменениям вещественного состава перерабатываемого сырья.

Авторами разработана оригинальная методика технологической оценки минерального сырья, в том числе техногенного происхождения, включающая последовательность и состав исследовательских работ, и современный комплекс методов технологической минералогии и технологического тестирования. Если при изучении природного минерального сырья прецизионные методы аналитических исследований являются целесообразными, то при изучении техногенного сырья они становятся необходимыми.

Важнейшим аспектом технологической оценки техногенного сырья является информационное обеспечение. В качестве предварительной информации используются следующие данные:

• геологическая справка о месторождении (в случае изучения хвостов обогащения, вскрышных пород, забалансовых руд), в том числе генезис, морфология рудных тел, вмещающие породы, контрастность руды в недрах, параметры разведочных кондиций и т.д.);
• технологическая схема, схема цепи аппаратов с обозначением места образования отхода;
• используемые реагенты, если отход образован в цикле флотации или выщелачивания, добавки, флюсы;

Информационное обеспечение технологической оценки техногенного сырья представляет собой сбор данных, структурированных под конкретные задачи.

Рабочая программа технологической оценки конкретного ТО разрабатывается и корректируется с учетом полученной информации.

Выполнение этого требования обязательно не только с точки зрения оптимального ведения следующих этапов технологической оценки, но и из экологических соображений, так как пробоподготовительные операции чаще проводятся в водной среде, в связи с чем знания, например, о возможной агрессивности (кислотности, щелочности, содержании вредных и опасных компонентов) исследуемого материала позволяют предусмотреть мероприятия по ее регулированию.

В категорию необходимых операций при технологической оценке техногенного сырья переходит и седиментационный анализ, причем глубина его проведения повышается как минимум до 5-микронных по крупности фракций вследствие более сложного распределения компонентов именно в тонких фракциях по сравнению с природным минеральным веществом, где можно ограничиться выделением фракций крупностью 10 мкм (контролирующих эффективность флотации).

При минералогических исследованиях техногенного вещества особую актуальность приобретает предварительное фракционирование материала по крупности, плотности, магнитной восприимчивости, электропроводности и другим свойствам. По сравнению с природным веществом здесь требуется разделение на более узкие диапазоны. Для диагностики минеральных фаз техногенного сырья важность получения монофракций возрастает.

Важнейшим условием для достоверной технологической оценки является визуализация ценных компонентов, их фаз-концентраторов. Выполнение этого условия при оценке сырья с низкими содержаниями ценных компонентов, тонкой вкрапленностью, широким распространением железооксидных образований часто требует применения развернутых схем концентрирования ценного компонента, предварительной физической (интенсивная дезинтеграция), химической (кислотная обработка), биохимической обработки (например: очистка поверхности с помощью микроорганизмов).

При технологической оценке металлургических шлаков необходимо учитывать неравномерный характер выделений металлизованных фаз по крупности для обоснования представительной массы навесок исследовательских и опытных циклов. Для некоторых видов шлаков с особо неравномерным распределением фаз ценных компонентов по крупности (например, шлаков никелевого производства) целесообразно использовать методики изучения крупнокусковой обогатимости с предварительным изучением фаз-концентраторов благородных металлов.

Весьма важно при технологической оценке шлаков металлургического производства получение информации об их структурно-фазовых характеристиках, в частности об их пористости, с привлечением оптико-геометрического анализа с помощью современных анализаторов изображений. Степень пористости влияет на обоснование методов, аппаратов и режимов рудоподготовительного цикла, а также методов вторичной переработки, например, биогидрометаллургического передела.

Достоверная технологическая оценка сырья позволяет разработать технологию его глубокой переработки, основанную на особенностях вещественного состава и включающую циклы: селективного раскрытия ценных компонентов; их сепарационного извлечения; биовскрытия и биовыщелачивания; вторичного металлургического передела [4, 5].

Биотехнологические методы привлекаются для переработки материалов с упорным для других методов характером выделения ценных или вредных компонентов. Например, в пиритных огарках сернокислотного производства основная часть цинка, вредная для возможного последующего металлургического передела, находится в виде феррита цинка – соединения, трудно поддающегося воздействию известных растворителей [6]. При этом надо вывести цинк в раствор из субмикронных выделений, оставив в твердом остатке железо. Такая задача под силу только селективному комплексу микроорганизмов. В Музее живых культур НИТУ «МИСиС» имеется более 200 биокомплексов для биовскрытия и биовыщелачивания различных компонентов: фосфора и редких земель из фосфогипса; цинка и меди из шлаков и кеков; мышьяка, фосфора и кремнезема из некондиционного бурожелезнякового сырья. Для любого техногенного сырья можно разработать технологию его полной (глубокой) утилизации, взяв на вооружение принципы современной технологической оценки.