В статье рассмотрены вопросы использования хвостов обогащения руд в бетонном производстве. Сформулирована проблема переработки находящихся в хвостохранилищах минеральных масс с целью их повторного использования, в том числе в бетонном производстве. Дана характеристика механохимической технологии как реального способа сделать хвосты доступными для изготовления товарной продукции. Рекомендованы технологические схемы и модель определения эколого-экономической эффективности безотходной утилизации хвостов.
УДК 504.55.054:622(470.6)
Ю.И. РАЗОРЕНОВ, доктор техн. наук, профессор, ректор Северо-Кавказского государственного технологического университета, г. Владикавказ, Северная Осетия – Алания, С.А. МАСЛЕННИКОВ, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой строительства и техносферной безопасности Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, Ростовская область, г. Шахты, С.Г. СТРАДАНЧЕНКО, доктор техн. наук, профессор, ректор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, специалист в области разработки месторождений полезных ископаемых, Ростовская область, г. Шахты
Ключевые слова: бетон, хвосты переработки, руда, механохимическая технология, товарная продукция, эффективность, утилизация
Keywords: concrete, tailings, ore, mechanical and chemical technology, products, efficiency, utilization
Экономический потенциал страны во многом определяется состоянием ее минерально-сырьевых ресурсов. Особое значение приобретает комплексное освоение полезных ископаемых и повторная разработка техногенных месторождений [1].
Накопление отходов добычи и переработки минералов является одной из глобальных проблем современности. Хвостохранилища питают окружающую среду растворами ингредиентов, которые активно участвуют в бытовом и сельскохозяйственном обороте, многопланово воздействуя на флору, фауну и человека.
Хвостохранилища представляют угрозу еще и тем, что в технологии обогащения применяют химикаты, а тонко размолотая в процессе переработки кварцевая составляющая руд загрязняет биосферу. Одним из направлений оздоровления среды является утилизация хвостов обогащения руд.
Хвосты содержат повышенное количество частиц размерами менее 0,01 мм, в то время как для большинства отраслей промышленности максимальное содержание их не должно превышать 15%.
Результаты использования хвостов обогащения руд сводятся к следующим положениям [2]:
— хвосты обогащения одной фабрики отличаются друг от друга настолько мало, что могут перерабатываться без дифференциации;
— при переработке хвостов обогащения руд извлекается до 80% кварцсодержащего материала, пригодного для использования в различных отраслях;
— остальная часть хвостов обогащения руд представляет собой сульфидный металлосодержащий продукт, из которого возможно извлечение металлов.
Развитие научно-технического прогресса позволяет вовлечь в разработку ранее считавшиеся некондиционными полезные ископаемые.
Под хвостохранилищами находятся плодородные земли. Земельный фонд России ежегодно уменьшается на десятки тысяч гектаров. Изменения, связанные с нарушением поверхности, существенно влияют на биологические, эрозийные, экологические и эстетические характеристики района разработки.
Хвосты обогащения представляют собой массивы, отличающиеся специфическими признаками строения. Они подвержены существенным изменениям в процессе переработки и влиянию внешних факторов.
Сформировалась актуальная научная проблема – разработка технологии переработки находящихся в хвостохранилищах минеральных масс с целью их повторного использования: извлечения полезных компонентов и в качестве строительных материалов, а также для восстановления земной поверхности [3-6]. Цель работ заключается в увеличении объемов утилизации хвостов обогащения путем переработки их с извлечением полезных компонентов и получения вяжущих и инертных заполнителей для изготовления бетонных товаров.
Пока подавляющее большинство хвостов обогащения используется без извлечения металлов, что является паллиативом с экономической точки зрения и преступлением с медицинской, если человек будет контактировать с такими бетонами [7].
В распоряжении горного предприятия имеются варианты обращения с отходами добычи и переработки:
— хранение сырья с компенсацией наносимого окружающей среде ущерба;
— переработка с улучшением качества и товарной продукции.
Недостаток первого варианта – невозможность предотвращения химической трансгрессии металлов. Экологически корректен второй вариант с уменьшением опасности для окружающей среды.
Условие эколого-экономической эффективности извлечения металлов из хвостов:
Пу>Ус+Зп,
где Пу – прибыль при утилизации хвостов; Ус – ущерб окружающей среде в денежном выражении; Зп – затраты на переработку хвостов.
Концепция обращения с отходами исходит из того, что поскольку нет возможности оценить действительный ущерб человеку, флоре и фауне, следует технологически исключить возможность нанесения ущерба: не консервировать, а утилизировать хвосты. Реализации этого направления препятствует наличие металлов в хвостах переработки руд. Металлы извлекаются с помощью делающей первые шаги механохимической технологии или выщелачивания в дезинтеграторе [8-11].
Основные результаты исследований этого направления сводятся к следующему:
— варианты выщелачивания: без активации в дезинтеграторе, с предварительной активацией в дезинтеграторе и последующим выщелачиванием и с одновременной обработкой в дезинтеграторе и выщелачиванием – адекватно характеризуются количественными и качественными параметрами;
— активация в дезинтеграторе с последующим выщелачиванием вне его по сравнению с традиционным выщелачиванием увеличивает извлечение из хвостов обогащения: по свинцу – в 1,7 раза, по цинку – в 2,2 раза;
— выщелачивание в дезинтеграторе по сравнению с вариантом раздельной активации и выщелачивания увеличивает извлечение практически на такую же величину, но делает это гораздо быстрее: 5 сек. против 3600 сек. Сокращение времени выщелачивания открывает перспективы вовлечения в переработку омертвленного в хвостохранилищах металлосодержащего сырья [12-14].
Извлечение металлов изменяется в интервале 60-70%, что превышает извлечение при переработке таких отходов традиционными технологиями (чуть более 45%).
Технология извлечения металлов из хвостов обогащения и отходов металлургии включает в себя классификацию и измельчение, активацию в дезинтеграторе или после вне его и извлечение металлов из раствора (рис. 1).
Нерудная часть хвостов представляет собой кварцевый материал. После удаления металлов до санитарных норм хвосты пригодны для производства стекла и стекловолокна, теплоизоляционных материалов – плит, матов, как заменитель металла при армировании строительных материалов и т.п. Из расплавленных хвостов путем отливки, кристаллизации и отжига возможно получение силикатных кристаллических изделий: кислотоупорные химически стойкие изделия, износостойкие изделия, плиты, термостойкие и декоративные изделия и др.
Полная утилизация хвостов обогащения увеличивает экономический и экологический потенциал предприятий и обеспечивает доход при минимальных затратах. Эффективность утилизации хвостов обогащения складывается из снижения величины ущерба от хранения хвостов, стоимости полученных при переработке металлов и неметаллов, сырья для строительной индустрии и попутной товарной продукции [15-18].
При утилизации хвостов в составе бетонных смесей (рис. 2) экономический эффект создается за счет экономии и цемента, и инертных материалов. Объем экономии цемента оценивается путем использования фракции крупностью до 0,076 мм, объем которой после активации в дезинтеграторе составляет 70-85%.
Схема изготовления бетонных смесей на основе активированных хвостов обогащения отличается от традиционной схемы перманентной активацией компонентов (рис. 3).
Хвосты обогащения включают мелкую фракцию – вяжущее (0,076 мм) и более крупную фракцию – инертный заполнитель. В процессе механохимической активации вяжущая фракция хвостов вступает во взаимодействие с крупной фракцией. После активации в дезинтеграторе она может подаваться в вибромельницу для усиления и закрепления эффектов, приобретенных в дезинтеграторе. Для получения более прочной смеси в смесителе добавляется цемент. Примерный состав смеси с хвостовым и товарным цементным вяжущим представлен в табл. 1.
Таблица 1. Соотношение компонентов твердеющих смесей
| Расход компонентов, кг/м3 | Прочность закладки, МПа | ||||
| цемент | вяжущие хвосты | вода | инертные хвосты | время твердения, дней | |
| 28 | 90 | ||||
| — | 270 | 380 | 1370 | 0,13 | 0,17 |
| 30 | — | 380 | 1620 | 0,16 | 0,28 |
| 30 | 130 | 380 | 1490 | 0,36 | 0,60 |
| 30 | 270 | 380 | 1370 | 0,56 | 0,78 |
| 30 | 300 | 380 | 1340 | 0,60 | 0,82 |
| 60 | 130 | 380 | 1460 | 0,46 | 0,68 |
| 60 | 190 | 380 | 1410 | 0,54 | 0,84 |
| 60 | 220 | 380 | 1380 | 0,58 | 0,88 |
| 60 | 250 | 380 | 1350 | 0,66 | 0,93 |
| 60 | 300 | 380 | 1300 | 0,76 | 0,96 |
| 80 | — | 380 | 1455 | 0,42 | 0,66 |
Показателем эффективности вяжущей хвостовой добавки служит эквивалент активности или соотношение хвостов и цемента в составе комплексного вяжущего. Этот показатель при подготовке хвостов в дезинтеграторе составляет примерно 8:20.
Расход цемента на 1 м3 смеси снижается с 140 до 80 кг. Из 220 кг хвостов, расходуемых на приготовление 1 м3 твердеющей смеси, при переработке в дезинтеграторе 90 кг (40%) используется в качестве активного вяжущего. Остальные 130 кг хвостов используются как инертный заполнитель.
Массовая концентрация вяжущего компонента:
А=Цм+Ши/Ка,
где А – массовая концентрация сложного вяжущего, кг/м3; Цм – расход цемента для активации процесса, кг/м3;
Ши – массовая концентрация исходных хвостов, кг/м3; Ка – коэффициент активации хвостов в установках, доли ед.
Эколого-экономическая эффективность определяется соотношением компенсационных затрат и ущерба от хранения отходов, производственной мощности утилизирующего предприятия и его технологического уровня [19-20]:
,
где Р – продукты утилизации хвостов; О – виды хвостов; П – процессы переработки хвостов; Т – время переработки; F – фазы существования хранилищ; N – стадия использования хвостов; Меу – количество металлов из отходов; Цму – цена металлов; Qy – количество восстановленных эффектов; Цqy – цена утилизированных веществ; Еq – коэффициент процентной ставки на кредит для утилизации; Ех – коэффициент процентной ставки на кредит для производства металлов; Ену – коэффициент процентной ставки на экологию; Ме – количество потерянных металлов; Цм – цена потерянных металлов; Q – количество потерянных эффектов; Цq – цена потерянных полезных веществ; Qг – количество эффектов поражения среды; Цг – затраты на компенсацию глобальных факторов поражения; З – затраты на управление; К – затраты на управление хранилищами; Кс – коэффициент самоорганизации хвостов; Ку – коэффициент утечки продуктов выщелачивания; Кт – коэффициент дальности утечки растворов; Кб – коэффициент влияния на биосферу; Кг – коэффициент влияния загрязнения на соседние регионы; Квр – коэффициент реализации опасности со временем; Кr – коэффициент риска поражения окружающей среды от неучтенных факторов.
Выводы:
1. Хранение хвостов обогащения и металлургии является основным фактором поражения окружающей среды.
2. Директивным условием утилизации хвостов является извлечение металлов до уровня санитарных требований.
3. Технология утилизации хвостов обогащения и металлургии включает в себя классификацию и измельчение хвостов, выщелачивание в дезинтеграторе и извлечение металлов из раствора.
4. Эффективность утилизации хвостов обогащения и металлургии складывается из снижения величины ущерба от хранения хвостов, стоимости полученных металлов, сырья для строительной индустрии и товарной продукции.
5. Модель поражения окружающей среды продуктами природного выщелачивания металлов увязывает процессы извлечения металлов как заключительный этап выноса металлов за пределы хвостохранилища.
Библиографический список
1. Голик В.И., Комащенко В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Повышение полноты использования недр путем глубокой утилизации отходов обогащения угля // Горный журнал. – М.: Издательство «Руда и металлы», №9, 2012, с. 91-95.
2. Голик В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Экспериментальное обоснование возможности утилизации хвостов обогащения руд
цветных металлов // Цветная металлургия. – Москва: Изд-во ЦНИИЭИЦМ, №3, 2011, с. 19-27.
3. Golik V.I., Komashchenko V.I., Razorenov Yu.I. Activation of Technogenic Resources in Desintegrator / Mine Planning and Equipment Selection Proceedings of the 22nd MPES Conference. Editors: Carsten Drebenstedt, Raj Singhal, 2013, р. 1101-1106.
4. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Feasibility of using the mill tailings for preparation of self-hardening mixtures // Metallurgical and Mining Industry, №3, 2015, p. 38-41.
5. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия ТулГУ. Науки о Земле, вып. 4, 2015, с. 76-88.
6. Голик В.И., Алборов И.Д., Цгоев Т.Ф. Повышение экологической безопасности утилизацией отходов обогащения руд. – Владикавказ: ИПО СОИГСИ, 2010, – 218 с.
7. Голик В.И., Полухин О.Н. Природоохранные технологии в горном деле. Учебное пособие. – Белгород: ИД НИУ БелГУ, 2013, – 282 с.
8. Golik V., Komashchenko V., Drebenstedt C. Mechanochemical Activation of the Ore and Coal Tailings in the Desintegrators // Mine Planning and Equipment Selection DC 10.1007/978-3-319-02678-7_ 107, – Springer International Publishing Switzerland, 2014, р. 56-61.
9. Голик В.И. Извлечение металлов из хвостов обогащения комбинированными методами активации // Обогащение руд, №5, 2010, с. 38-40.
10. Голик В.И., Комащенко В.И., Моркун В.С. Механохимические процессы извлечения металлов из некондиционных руд. Монография. – Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, – 140 р.
11. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Innovative technologies of metal extraction from the ore processing mill tailings and their integrated use // Metallurgical and Mining Industry, №3, 2015, p. 49-52.
12. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, №17, 2015, p. 38105-38109.
13. Голик В.И., Комащенко В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Механо-химико-активационная технология извлечения металлов из скальных руд // Горный информационно-аналитический бюллетень, – М.: МГГУ, №9, 2012, с. 20-25.
14. Голик В.И., Комащенко В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А., Пушкина В.В. Исследование технологии выщелачивания металлов из хвостов обогащения // Уголь, №9, 2012, с. 91-93.
15. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Куликов М.М. Экономика и менеджмент горной промышленности. Учебное пособие. – Новочеркасск: Политехник, 2010, – 251 с.
16. Golik V.I., Hasheva Z.M., Galachieva S.V. Diversification of the Economic Foundations of Depressive Mining Region // The Social Sciences, 10(5): р. 678-681. Medwell Journals, 2015.
17. Golik V.I., Hasheva Z.M., Economical Efficiency of Utilization of Allied Mining Enterprises Waste // The Social Sciences, 10(5): р. 682-686, Medwell Journals, 2015.
18. Golik V., Doolin A., Komissarova M., Doolin R. Evaluating the Effectiveness of Utilization of Mining Waste // International Business Management, 9(5), р. 1993-5250. Medwell Journals, 2015.
19. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, 2015, v. 7, №5, p. 401-405.
20. Zarema M. Khasheva, Vladimir I. Golik. The Ways of Recovery in Economy of the Depressed Mining Enterprises of the Russian Caucasus // International Business Management, №9(6), 2015, p. 1209-1216.
