книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты
.pdfтакже строительных, керамических, абразивных и других ма териалов.
3. Горючие ископаемые, используемые в естественном или переработанном виде в качестве топлива или химического сырья.
Полезные ископаемые являются основой народного хо зяйства, и нет ни одной его отрасли, где бы не применялись полезные ископаемые или продукты их переработки.
Так, получаемые из металлических полезных ископаемых черные металлы и их сплавы (чугун и сталь) составляют осно ву машиностроения, используются для изготовления большин ства строительных конструкций, бытовых изделий, а также практически во всех отраслях народного хозяйства. Цветные
иредкие металлы имеют важнейшее значение в развитии элек тротехнической, авиационной, судостроительной, машино строительной и других отраслей промышленности. Без них были бы невозможны успехи в области автоматики и телеме ханики, счетно-вычислительной и ядерной техники, радиоло кации, реактивной авиации, ракетной и космической техники, телевидения, звукового кино, фототелеграфии. Редкие, рассе янные и радиоактивные элементы позволяют решать пробле мы, связанные с совершенствованием техники высоких скоро стей, давлений, температур, а также с разработкой сверхжа ропрочных сплавов, строительством атомных электростанций
исиловых установок для различных видов транспорта. Неметаллические полезные ископаемые являются сырьем
для химической промышленности (сера, калийные соли, барит и др.), сельского хозяйства (апатит, фосфорит и др.), абразив ной (алмаз, корунд, пемза и др.) и ювелирной промышленно сти и промышленности точных приборов (алмаз, рубин, изум руд и др.). Они служат наполнителями для бумажной, резино вой, пищевой и других отраслей промышленности (тальк, као лин, мел, глины и др.), изоляционными материалами (асбест, слюда и др.), естественными огне- и кислотоупорными мате риалами (магнезит, кислотоупорные глины, амфиболы и др.), каменными строительными и дорожными материалами (извест няк, кварцит, гравий, песок), сырьем для вяжущих строитель
ных керамических и огнеупорных материалов (мергель, гипс, каолин, полевой шпат, кварц, графит и др.).
В ряде случаев из неметаллических ископаемых можно получать также металлы. Например, из карналлита, который служит сырьем для получения хлористого калия, — металли ческий магний. И, наоборот, из металлических полезных ис копаемых можно получить неметаллические элементы. Так, из медной руды, помимо меди, получают серу и другие цен ные элементы и металлы.
Горючие ископаемые — уголь, нефть, торф, горючие слан цы и газы служат основой всей современной промышленно сти и техники, являясь главными источниками энергии. До 90 % вырабатываемой в мире тепловой энергии обеспечивает ся топливом, добываемым из недр. Возрастающие потребно сти в угле обусловлены использованием его не только в каче стве топлива, но и как технологического сырья при восстано вительных процессах в черной и цветной металлургии, про изводстве искусственных абразивных материалов и химиче ской переработке. Горючие ископаемые могут использоваться также в качестве сырья для получения многих ценных хими ческих продуктов.
Значительные запасы полезных ископаемых многих ме сторождений России позволяют строить крупные высокомеха низированные горно-обогатительные предприятия, добываю щие и перерабатывающие многие сотни миллионов тонн по лезных ископаемых с высокими технико-экономическими по казателями.
Горнодобывающая промышленность имеет дело с твер дыми полезными ископаемыми: рудами — твердыми полез ными ископаемыми, из которых при современном уровне тех ники целесообразно извлекать металлы или другие минераль ные вещества; углями — многокомпонентной смесью органи ческого вещества угля и различных минеральных примесей (по падающих из прослойков и вмещающих пород в процессе до бычи и транспортирования) и строительными горными поро дами. Главными условиями при разработке месторождений полезных ископаемых являются повышение извлечения их из недр и комплексное использование. Это обусловлено:
•значительными материальными и трудовыми затратами при разведке и промышленном освоении новых месторождений;
•возрастающей потребностью различных отраслей народ ного хозяйства практически во всех минеральных компонен тах, входящих в состав руды;
•необходимостью создания безотходной технологии и тем самым предотвращения загрязнения окружающей среды отходами производства.
По этим причинам возможность промышленного исполь зования месторождения определяется не только ценностью и содержанием полезного ископаемого, его запасами, географи ческим расположением, условиями добычи и транспортирова ния, другими экономическими и политическими факторами, но и наличием эффективной технологии переработки добывае мых руд.
1.2. Заначп п роль обогащ ения полезных ископаемы х пои разработке месторож пенпй
Непосредственная металлургическая или химическая пе реработка добываемых полезных ископаемых в настоящее время экономически нецелесообразна из-за несоответствия со держания извлекаемого металла или элемента в руде необхо димому их содержанию для металлургического или химиче ского передела (табл. 1.1), повышенного содержания вредных примесей (например, серы и фосфора в железных рудах, золь ных примесей в углях и др.), неприемлемой крупности и ряда других причин технологического и экономического характе ра. Чтобы стать полезными, ископаемые должны подверг нуться предварительной обработке, получившей название «обо гащение полезных ископаемых».
Обогащением полезных ископаемых называется совокуп ность процессов первичной обработки минерального сырья с целью разделения минералов и получения кондиционных про дуктов с повышенной концентрацией в них одного или не скольких ценных компонентов. При обогащении полезных ис
копаемых используют различия в физических, химических и физико-химических свойствах входящих в их состав минера лов с учетом особенностей вещественного состава минераль ного сырья. В результате обогащения получают один или не сколько концентратов, называемых по концентрируемым в них основным компонентам (например, железный, апатито вый, медный и др.), и хвосты, являющиеся отвальным продук том, в котором концентрируются минералы породы, не пред ставляющие непосредственной практической ценности в дан ных технико-экономических условиях, хотя в иных условиях они могут оказаться крайне необходимым сырьем той или иной отрасли народного хозяйства.
Таблица 1.1
Содержание ценного компонента в рудах и необходимое содержание его в готовом продукте, поступающем на металлургическую или химическую переработку
Ценный компонент |
|
Содержание, % |
|
в руде |
в готовом продукте |
Железо |
30—50 |
55—70 |
Марганец |
15—25 |
30—55 |
Свинец |
0,8—3,0 |
50—70 |
Цинк |
0,7—4,0 |
50—60 |
Медь |
0,3—1,5 |
20—42 |
Олово |
0,3—1,0 |
30—70 |
Молибден |
0,04—0,5 |
30—60 |
Вольфрам |
0,05—0,3 |
30—65 |
Пятиокись фосфора |
10—15 |
22—40 |
К обогатительным условно относят также процессы раз деления горной массы по крупности кусков и частиц (при сор тировке руд, строительных материалов и твердого топлива), процессы окускования мелкого минерального сырья (при бри кетировании угля, агломерации или окомковании концентра тов перед их плавкой), различные виды обжига (магнетизиру ющего, окислительного, восстановительного и др.) и выщела чивания (химического, бактериального) при использовании их в схемах обогащения.
Обогатительные процессы осуществляются на обогатитель ных, сортировочных, агломерационных, окомковательных,
брикетных фабриках. Начальные этапы обогащения полезных ископаемых являются органической частью горных работ при их добыче.
Процесс обогащения полезных ископаемых является основ ным производственным звеном, определяющим не только комп лексность, но и экономическую эффективность использования сырья.
В процессе обогащения решаются вопросы:
•распределения всех компонентов руды между выпус каемыми товарными концентратами и продуктами, из кото рых обеспечивается наиболее рациональное их извлечение
вметаллургическом (или химическом) производстве или эф фективное использование в других отраслях народного хо зяйства;
•сокращения безвозвратных потерь ценных компонентов (например, цветных металлов) в концентратах, используемых
вдругих отраслях промышленности (например, строительных материалов);
•обеспечения качества получаемых концентратов и про дуктов (по крупности, содержанию основных компонентов, вредных примесей и др.), отвечающего условиям их наиболее эффективного использования в соответствующих отраслях про мышленности.
Так, например, повышение содержания цветных, редких или черных металлов в одноименных концентратах и удаление из них вредных примесей являются необходимыми условиями их металлургического или химического передела. Обязательным является удаление, например, пирита, глины и других примесей
из строительных материалов, железа из стекольных песков и т. д. Уголь также наиболее рационально может быть использо ван только после его обогащения с последующей рассортиров кой по крупности. В условиях повышения технического уров ня угольной промышленности, широкого применения механи зации добычи и повышенного засорения добываемого угля балластными примесями обогащение становится обязательной стадией в производстве топлива. Причем если в течение дли тельного периода основное внимание уделялось развитию обо
гащения углей для коксования, то в последние годы в связи с ухудшением качества рядовых углей и более высокими требо ваниями к продуктам обогащения осуществляются меры по рез кому повышению уровня, эффективности и объемов обогаще ния энергетических углей и антрацитов, комплексности их ис пользования.
Экономическое значение обогащения полезных ископае мых обусловлено:
•снижением стоимости переработки обогащенного сырья, по сравнению с природным, поскольку при том же выпуске про дукта уменьшается количество материалов, подлежащих пере работке;
•повышением эффективности последующего металлурги ческого, химического и других переделов за счет снижения по терь, увеличения производительности и повышения качества продукции при переработке обогащенного сырья. Так, напри мер, повышение содержания свинца в концентрате с 10 до 50 % обеспечивает увеличение производительности металлургическо го передела примерно в 5 раз при снижении расхода кокса на каждую тонну свинца в 11 раз и сокращении потерь металла со шлаками на 30 %. Понижение содержания в нем вредной при меси — цинка — с 20 до 10 % сокращает потери свинца при плавке почти в 2 раза. Еще больший экономический эффект достигается при обогащении бедных руд, содержащих редкие
иблагородные металлы;
•увеличением доли дополнительной прибыли, получаемой за счет попутного извлечения ценных спутников и минераль ных компонентов;
•сокращением расходов на перевозку обогащенного сы рья. Снижение, например, зольности донецких углей до 6—8 % позволило бы не только сократить на 20—25 % транспортные расходы, высвободить транспорт, необходимый для других нужд народного хозяйства, но и повысить эффективность работы ТЭЦ, улучшить охрану окружающей среды;
•возможностью резкого снижения стоимости добычи руд при осуществлении предварительной концентрации их мето дами обогащения за счет применения более эффективных, но
связанных со значительным разубоживанием руд систем от работки месторождения.
Народнохозяйственное значение обогащения полезных ис копаемых заключается:
•в огромном расширении при его применении запасов важ нейших полезных ископаемых в виде вовлекаемого в промыш ленный оборот бедного по содержанию используемых ком понентов и сложного по составу минерального сырья. Лишь
спомощью методов обогащения стало возможным извлечение из бедных руд, например, молибдена, вольфрама, олова, кобальта и других редких и рассеянных элементов;
•в возможности рационального и комплексного исполь зования сложных и многокомпонентных руд, что позволяет не только повысить экономическую эффективность вовлечения сырья в эксплуатацию, увеличить долю дополнительной при были, получаемой за счет попутного извлечения ценных спут ников и минеральных компонентов, но и обеспечить возрас тающие потребности в минеральном сырье в химической, ме таллургической, строительной, керамической, стекольной и других отраслях промышленности.
2 |
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
|
|
МИНЕРАЛОВ |
ИМИНЕРАЛЬНОГО СЫ РЬЯ
2.1.О сновны е характерпстпкп
вещ ественного состава полезны х ископаем ы х
Возможность эффективной переработки полезных иско паемых определяется их вещественным составом. К основным характеристикам вещественного состава относятся: химиче ский, минералогический и гранулометрический состав полез ного ископаемого, текстурные и структурные особенности его строения, главнейшие физические свойства как самого полез ного ископаемого, так и составляющих его минералов.
2.1.1. Химический состав
Химический состав характеризует содержание элемен тов, входящих в состав полезного ископаемого, и определя ется спектральным, химическим, пробирным, радиометриче ским, активационным анализами, а также комбинирован ными методами.
Химические элементы или минералы, входящие в состав полезного ископаемого и представляющие интерес для их дальнейшего использования, называются ценными компонен тами. Основным ценным компонентом называют элемент, с целью получения которого добывается данное полезное иско паемое. Например, медь — в медных, свинец и цинк — в свин цово-цинковых, железо — в железных, апатит — в апатито вых рудах и т. д. С увеличением содержания ценного компо нента в руде растет, как правило, его извлечение в концен трат. Однако при переработке на фабрике различных сортов руд такой связи может и не быть, если окажется, что в рудах с более высоким содержанием он представлен трудноизвлекае
мыми или неизвлекаемыми минералами, а в рудах с неболь шим содержанием данного компонента — легкоизвлекаемы ми минеральными разностями.
Кроме основных в рудах обычно содержатся другие цен ные компоненты, которые экономически целесообразно извле кать попутно либо в концентраты вместе с основными ценны ми компонентами, либо в самостоятельные концентраты. Та кие ценные компоненты называют сопутствующими. К ним от носятся, например, благородные металлы в полиметаллических и сульфидных рудах, цветные металлы в некоторых железных рудах, редкие и рассеянные элементы в ископаемых углях.
Полезными примесями называют отдельные химические эле менты или их природные соединения, которые входят в состав полезного ископаемого в небольших количествах и могут быть выделены и использованы совместно с основным ценным ком понентом, улучшая его качество. Например, полезными приме сями в железных рудах являются хром, вольфрам, ванадий, мар ганец и некоторые другие элементы, оказывающие легирую щее действие на сплавы железа.
Вредными примесями называют отдельные элементы и при родные химические соединения, содержащиеся в полезных ископаемых и оказывающие отрицательное влияние на каче ство извлекаемых ценных компонентов. Например, в желез ных рудах вредными примесями являются мышьяк, фосфор, цинк, свинец, в коксующихся углях — сера, фосфор, в энерге тических — сера и т. д.
Общепринятой характеристикой органической массы уг ля является ее элементный состав, характеризуемый содержа нием углерода, водорода, азота и кислорода, который обычно
пересчитывают на горючую массу с учетом влажности W n,
зольности Ас и общего содержания серы S*6 в угле.
Содержание влаги в углях зависит от стадии их метамор физма, степени окисления, петрографического состава и дру гих факторов. На практике различают два вида влаги: внеш нюю и внутреннюю. Внутренняя влага обусловлена наличием химически связанной и адсорбционной (гигроскопической)
воды, содержание которой в коксующихся углях составляет 2—4 %, в бурых — до 14 %. К внешней влаге относят капилляр ную и свободную, содержание ее для углей различной крупно сти находится в пределах 4—7 %.
Зольность характеризует содержание минеральных при месей в углях и определяется сжиганием угольной пробы оп ределенной массы в стандартных условиях. Зола состоит в ос новном из окислов кремния, алюминия, железа, кальция, маг ния, содержание которых для различных углей изменяется в широких пределах. Зольность является основным показателем качества при добыче и переработке углей. Она составляет, по данным 1990 г., %: для канско-ачинских углей 8— 11; кузнец ких — 15,3; печорских — 23,8; карагандинских — 28,6; донец ких — 29,0; кавказских — 36,1 ; экибастузских — 38,2.
Содержание серы в углях различных бассейнов также не одинаково. Например, в кузнецких углях оно составляет 0,5— 1,0 %, в карагандинских— 0,5—3,0 %, кизеловских — 3,5—9,4 %.
Теплота сгорания углей изменяется в широких пределах в зависимости как от свойств угольного вещества, так и от их влажности и зольности. На практике пользуются показателем теплоты сгорания горючей массы или рабочей массы топлива. В последнем случае увеличение влажности и зольности углей, вызывающее уменьшение содержания горючей массы, приво дит к резкому снижению теплоты сгорания.
При нагревании до высоких температур без доступа воз духа уголь разлагается с образованием жидких и газообраз ных продуктов, называемых летучими веществами, и твердо го остатка, называемого коксовым остатком или корольком.
Выход летучих веществ V r зависит от природы, стадии ме таморфизма, молекулярной структуры органической части уг ля и поэтому используется в качестве основного параметра, характеризующего промышленную марку угля. В зависимости
от значения Кг(%), например, среди донецких углей разли чают следующие марки: Д — длиннопламенный (37 и более); Г — газовый (35 и более); Ж — жирный (27—35); К — коксо