Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов

Итак, основными полезными  компонентами руд являются медь, попутными  – золото и серебро. Остальные  элементы – кадмий, кобальт, селен, теллур и др. имеют в основном выше кларкового содержания и практически полностью «уходят» в пиритные «хвосты». Вредная примесь мышьяк с содержанием 0,09-0,1 % также переходит в «хвосты». Химический состав хвостов обогащения месторождения представлен в таблице 4.

 

Таблица 4 – Химический состав пиритных хвостов обогащения

Наименование  компонентов	Содержание компонентов  г/т	Содержание компонентов %
1	2	3
Медь	4000	0,4
Сера	430000	43
Железо	450000	45
Цинк	5000	0,5
Свинец	400	0,04
Кобальт	330	0,033
Кадмий	100	0,010
Германий	2	0,0002
Галлий	5	0,0005
Таллий	2	0,0002
Индий	4	0,0004
Селен	84	0,0084
Теллур	15	0,0015
Мышьяк	9000	0,09
Сурьма	10	0,001
Молибден	70	0,007
Висмут	40	0,004
Золото	0,5	0,00005
Серебро	5	0,0005

 

Источник: Хвостовое хозяйство обогатительной фабрики // Проект (корректировка) «Горно-обогатительный комплекс «50 лет Октября» (горное производство). – Алматы: ДГП ГНПОПЭ «Казмеханобр». – Т.5, Кн. 1,2,3. – 2005.

 

Основным полезным компонентом  руд является медь, попутными –  золото и серебро. Получение из медных руд кондиционного концентрата  КМ-5 с извлечением меди 84 % происходит с применением схемы прямой селективной флотации. В результате переработки медных руд остаются хвосты обогащения, представленные халькопиритом, в которые переходят так же другие элементы: кадмий, кобальт, селен, теллур и так далее. Вредная примесь мышьяк с содержанием 0,09-0,1 % также переходит в хвосты.

 

Руда

Измельчение

Классификация

Классификация

Классификация

Измельчение

Основная медная флотация

Классификация

Измельчение

Классификация

I перечистная

II перечистная

Медный концентрат

Контрольная

Дофлотация

Пиритный концентрат

Классификация

Слив

Пески

Рисунок 2. Схема прямой селективной  флотации медно-колчеданных руд  
3. Методы обезвреживания и переработки и использования твердых отходов медного производства

 

3.1 Методы обезвреживания и переработки и использования сульфидных хвостов

 

Итак, в ходе производственной деятельности обогатительной фабрики планируется переработка 80000 тыс. тонн медных руд, при этом будет получено 70000 тыс. тонн сульфидных хвостов. Их отвалы могут занять огромные площади полезной территории, большей частью сельскохозяйственных угодий, неиспользование которых по прямому назначению приносит убытки государству, которые в свою очередь компенсируются за счет деятельности горно-перерабатывающего производства, облагаясь государственным налогом.

Вследствие этого наш  регион может столкнуться с проблемой, уже остро стоящей в нашей стране (район Жезказгана, Балхаша и так далее), а так же на Урале и в других регионах России, где хвостохранилища занимают значительные площади по земельному отводу, а мощность хвостов, складированных в них, измеряется в пределах 18-40 м; при этом большинство хранилищ отходов уже законсервировано, а эксплуатируемые в настоящее время находятся на стадии завершения эксплуатации. Вместе с тем, масштабы добычи и переработки руд характеризуются нарастающей динамикой и непрерывным поступлением в хранилища отходов с высоким содержанием как ценных, так и вредоносных компонентов.

Как известно, чем дольше промышленные отходы находятся в  отвалах, тем сложнее они в  дальнейшем поддаются переработке  и повторному использованию, в связи  с этим проблема не отсроченной переработки  пиритных хвостов медного обогащения встает особенно остро.

В качестве решения этой проблемы мы предлагаем рассмотреть возможность переработки пиритных хвостов медного обогащения месторождения в оксидное железо, в дальнейшем переплавляемое и используемое для производства строительных конструкций, с попутным получением серной кислоты.

Способ получения серной кислоты из пирита известен давно  и заявлен в научных пособиях [10; 41] как один из основных способов ее производства. Однако используется он крайне редко в силу того, что считается нерентабельным. В данной работе мы приводим схему данного производства (рисунок 4) и намереваемся обосновать рентабельность и перспективность данного метода на данном этапе развития для нашего региона.

В отличие от всех рассмотренных  ранее способов утилизации и переработки  пиритных хвостов медного обогащения, производство из пирита (FeS₂) серной кислоты является безотходным методом и на выходе имеет 100 % полезных материалов (олеум и пиритные огарки, используемые впоследствии для получения железа, чугуна, стали). Кроме того влияние данного типа производства серной кислоты на окружающую среду легко сводится к минимуму рядом доступных, широко применяемых в производстве очистных сооружений.

Процесс переработки пиритных хвостов в оксид железа и серную кислоту происходит в три стадии:

Первая стадия - обжиг  пиритных хвостов в печи для обжига в «кипящем слое» – может быть проиллюстрирована уравнением:

 

t = 800°C

 

4FeS₂ + 11O₂

2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

 

Измельченный, очищенный, влажный (так как прошел стадию флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Раскаленный пирит находится на «воздушной подушке» из-за воздуха, который продувается снизу.

В процессе реакции выделяется значительное количество теплоты. За ее счёт поддерживается температура в печи. А избыточное количество теплоты отводится. С этой целью по периметру печи проводятся трубы с водой, которая нагревается. При этом горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений, что позволяет значительно снизить производственные энергетические затраты на их искусственное отопление.

Образовавшийся оксид  железа (Fe₂O₃), называемый также огарком, в дальнейшем производстве серной кислоты не используют. Он направляется на дальнейшую переработку.

Из печи поднимается печной газ, в состав которого входят диоксид серы (SO₂), кислород (O₂), пары воды и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ нуждается в очистке. На следующих этапах от него необходимо отделить содержащиеся в нем примеси твёрдых частиц огарка и пары воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводится в два этапа:

- Первый этап очистки  происходит в циклоне, при использовании в котором центробежной силы, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз.

- На втором этапе очистки  используются в электрофильтры. В них создается электростатическое притяжение, вследствие чего частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра. Затем, при достаточном накоплении, под собственной тяжестью частицы ссыпаются вниз.

Для удаления паров воды в печном газе (так называемой «осушке печного газа») используют серную концентрированную кислоту (H₂SO₄), которая, благодаря своему свойству поглощать воду, является очень хорошим осушителем.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне. Процесс осушки происходит следующим образом: снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота (H₂SO₄). На выходе из сушильной башни печной газ представляет собой смесь оксида серы (SO₂) и кислорода (О₂). Такой газ уже не содержит ни примесей твердых частиц огарка, ни паров воды.

Вторая стадия представляет собой окисление диоксида серы (SO₂) в оксид серы (SO₃) кислородом (O₂). Данная стадия протекает в контактном аппарате по следующей формуле:

 

2SO₂ + O₂

2SO₃ + Q

 

Так как процесс окисления  одного оксида в другой является обратимым, крайне необходимо поддерживать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃). Оптимальной температурой для этого с максимальным образованием SO₃ является температура 400-500°С.

Такая температура является достаточно низкой для успешного  проведения реакции, следовательно, для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре, в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V₂O₅). Кроме того, в связи с тем, что прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3 части газов (2 части диоксида серы и 1 часть кислорода), а справа – 2 части оксида серы (SO₃), процесс проводят при повышенном давлении.

Повышение температуры смеси  начинается в теплообменнике, который  устанавливается перед контактным аппаратом. Смесь проходит между  трубками теплообменника и нагревается  от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий оксид серы (SO₃) из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь диоксида серы (SO₂) и кислорода (О₂) продолжает нагреваться до необходимой температуры, в процессе прохождения между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается вследствие выделения теплоты в процессе реакции превращения диоксида серы (SO₂) в оксид серы (SO₃). Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления диоксида серы (SO₂) в оксид (SO₃).

Образовавшийся оксид  серы (SO₃) выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

Третий этап протекает  в поглотительной башне. На этой стадии происходит поглощение оксида серы (SO₃) серной кислотой. Для этого используют 98 % концентрированную серную кислоту (H₂SO₄). Оксид серы легко растворяется в такой кислоте, образуя олеум (H₂SO₄·nSO₃). Уравнением реакции этого процесса является:

 

nSO₃ + H₂SO₄

H₂SO₄·nSO₃

 

Образовавшийся олеум  сливается в металлические резервуары и отправляется на склад, откуда впоследствии направляется потребителю.

 

Рисунок 3. Схема производства серной кислоты из пирита.

 

Такой метод производства серной кислоты так же требует  внедрения природоохранных технологий, так как в зоне до 300 км от источника загрязнения диоксидом серы (SO₂) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км – сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост сельскохозяйственных культур. Закисление водоемов (весной при таянии снега) вызывает гибель икр и молоди рыб. Помимо экологического ущерба налицо экономический, а именно громадные суммы, которые каждый год теряются при раскислении плодородных почв, не используемых в результате по своему прямому назначению.

На сегодняшний день известно более шестидесяти методов минимизации экологического урона от данного способа производства серной кислоты. Наиболее перспективными являются методы, основанные на поглощении оксида серы известняком, раствором сульфита – гидросульфита аммония и щелочным раствором алюмината натрия. Интерес также представляют каталитические методы окисления оксида серы в присутствии оксида ванадия.

Особое значение имеет  очистка газов от фторсодержащих примесей, которые даже в незначительной концентрации вредно влияют на растительность. Если в газах содержится фтороводород и фтор, то их пропускают через колоны с насадкой противотоком по отношению к 5-10 % раствору гидроксида натрия. Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия.

Такое производство серной кислоты является рентабельным для  нашего региона, так как продукция  может поставляться на ряд местных предприятий. Например, она может использоваться при переработке никелиевых руд Кемпирсая, фосфоритов Чилисайского месторождения.

И так, на первой стадии производства серной кислоты из пиритных хвостов  обогащения меди были получены пиритные огарки или оксидное железо. Эти пиритные огарки так же могут быть полезны. Именно данные отходы могут быть эффективно использованы в производстве стройматериалов.