Новые способы добычи подземных ископаемых
1 - Подземная газификация – добыча полезных ископаемых переводом в газообразное состояние. Например, из угля получают газ, используемый для химических и энергетических целей.
В процессе газификации формируются три основные зоны: окислительная, восстановительная и сухой перегонки.
Используют разные виды дутья: воздушное, обогащенное кислородом (35-65%), воздушно-паровое и парокислородное (60% кислорода и 230 г/м3 пара).
При этом получают газ, содержащий CO2, CO, H2, CH4, N2, имеющий теплоту сгорания до 7 МДж/м3.
Возможна одновременная газификация и перегонка нефти. При этом сжигают 10-12% нефти, получаемые при этом газообразные и жидкие продукты выводятся на поверхность через скважины.
Отсутствуют затраты на прокладку выработок, нет металлозатрат, облегчается труд шахтеров.
2
– Подземная выплавка веществ из рудного
тела осуществляется подачей через трубы
горячей воды и сжатого воздуха. Например,
температура плавления серы равна
114-119оС.
При этом получают серу чистотой 99,99% без
примесей селена, теллура, мышьяка.
Таким способом можно добывать минералы с низкой температурой плавления: буру (Na2B4O7*10H2O), озокерит (горный воск, парафиновые углеводороды), асфальт. Все эти вещества плавятся при 80-90оС.
3 – Выщелачивание руд.
М
ожет
быть открытым, когда выщелачивающий
раствор вводится и выводится системой
дренажных канав
или
подземным, когда раствор вводится и выводится системой вертикальных нагнетательных и разгрузочных скважин, соединенных в ряды.
Виды выщелачивания:
простое растворение (протекает без химических реакций). В этом случае вещество извлекается в продуктивный раствор в виде того соединения, которое содержится в исходной руде. Например, NaCl, NaNO3, KNO3, NaCl+KCl (сильвинит), NH4Cl, KCl*MgCl2*6H2O (карналлит), MgCl2*6H2O (бишофит), а также сульфаты, карбонаты.
выщелачивание, протекающее с химическими реакциями. Его проводят в рудах, компоненты которых находятся в плохорастворимых соединениях. В результате реакции они переходят в хорошо растворимую форму, например:
2MeS + 2H2SO4 + O2 = 2MeSO4 + 2S + 2H2O
или
Cl2 + H2O = HOCl(гипохлоритная кислота, окислитель) + HCl,
затем
3MeS + HOCl + HCl = Me2(SO$)3 + MeCl2 + H2O
Применяемые растворители:
природные поверхностные и подземные пресные воды,
природные воды с добавкой газов (воздух, O2, CO2, Cl2),
кислые растворители (H2SO4, HCl, HNO3),
кислые растворы с добавками окислителей (например, раствор H2SO4 с добавками NO3-, Fe2(SO4)3),
щелочные растворы (NH4OH – для выщелачивания бромаргирита AgBr, W, Co; NaOH – для выщелачивания Al),
растворы Na2SO3 FeCl2 для выщелачивания соединений Sb,
0,05-0,15% раствор KCN – для выщелачивания соединений Au.
Взаимодействие этих способов добычи с окружающей средой пока не изучено.
Обогащение полезных ископаемых
Обогащение полезных ископаемых – это совокупность технологических процессов предварительной обработки минерального сырья с целью придания ему качеств, удовлетворяющих требованиям потребителей.
При обогащении:
повышается содержание полезного компонента в сырье,
удаляются из сырья вредные примеси,
достигается однородность сырья по крупности и составу.
В результате обогащения получают:
концентрат – продукт обогащения, имеющий более высокое по сравнению с рудой содержание полезного компонента. По его содержанию, по содержанию примесей, влаги, концентраты должны удовлетворять требованиям ГОСТов, ОСТов, ТУ;
отвальные хвосты – отходы обогащения, состоящие их пустой породы с незначительным содержанием полезных компонентов, извлечение которых технологически невозможно или экономически невыгодно.
Обогащение уменьшает расходы на транспортировку сырья, а также на его переработку, т.к. удаляется большой объем пустой породы.
В результате обогащения значительно повышается содержание полезных компонентов (%):
-
Компонент
Руда
Концентрат
Cu
0,5-1,5
20-40
Pb
1-3
20-75
Zn
1,5-4
40-60
Mo
0,1-0,5
45-60
Первые этапы обогащения – дробление и измельчение. Руда на обогащение поступает кусками до 1500мм, а выходит после дробления дисперсностью 10-15мм. При этом зерна минералов и пустой породы находятся в свободном виде и могут быть разделены.
Между дроблением и измельчением принципиальной разницы нет. Измельчение может доходить до размеров 0,074мм и менее.
Процессы дробления и измельчения очень энергоемки.
-
удельная, кВт*час/т
энергия
103
102
10
1
10-1
d, мм
10-3 10-2 10-1 1 10
На рисунке показана зависимость удельного расхода энергии при дроблении и измельчении материала средней прочности от различной конечной крупности.
Степень дробления (измельчения) – это отношение диаметра наибольших кусков руды (D) к диаметру кусков продукта измельчения (d):
K = D/d
В зависимости от свойств руды применяется:
1 – раздавливание – разрушение в результате сжатия кусков между двумя давящими телами;
2 – раскалывание – разрушение в результате расклинивания между остриями дробящих тел;
3 – удар – разрушение под действием кратковременных динамических нагрузок;
4 – истирание – разрушение в результате воздействия смещающихся относительно друг друга поверхностей.
В зависимости от способа и механизма разрушения кусков руды различают:
щековые дробилки (раздавливают и раскалывают куски между периодически сближающимися плитами – щеками) – аппараты периодического действия: дробление руды чередуется с разгрузочно-загрузочным циклом, что является основным недостатком этого типа дробилок, снижающим их производительность;
конусные дробилки (раздавливают и истирают куски между движущимся и неподвижным конусами) – дробилки непрерывного действия;
валковые дробилки (раздавливают и раскалывают куски между двумя гладкими иди зубчатыми валами, движущимися навстречу друг другу) – дробилки непрерывного действия;
дробилки ударного действия используются для дробления мягких и вязких материалов.
Измельчение материала проводится в мельницах различного типа:
- барабанные мельницы используют для измельчения материала до крупности частиц 1-2 мм. Это стальной барабан, в который вместе с рудой загружают мелющие тела. В зависимости от вида дробящих тел различают мельницы шаровые, стержневые, галечные и самоизмельчения.
После каждой стадии дробления (измельчения) от полученного продукта с помощью грохочения (просеивания) отделяется мелкая фракция. Грохочение обычно применяют для разделения материалов с крупностью частиц выше 1-2 мм.
Методы гидравлической классификации используют для разделения материалов с размером частиц менее 100 мкм. Гидравлическая классификация – процесс разделения смеси минеральных зерен по крупности на основе различия в скоростях их осаждения в воде.
Затем идет собственно обогащение. Наиболее распространенные методы обогащения:
флотационный,
гравитационный,
магнитный,
электрический.
С помощью флотации обогащается более 90% всех руд черных и цветных металлов, а также неметаллические полезные ископаемые: сера, графит, фосфатные руды, уголь.
Флотационная система гетерогенна, включает в себя три фазы: твердую, жидкость, газ. Флотация основана на способности твердых частиц удерживаться на границе раздела жидкой и газовой фаз, т.е. на гидрофобности, несмачиваемости частиц. Наиболее распространена пенная флотация. Несмачиваемые водой минеральные зерна прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность. Изменяя условия флотации можно добиться, например, следующего: при флотации железных руд в пенный продукт будет выделяться магнетит (железорудный концентрат) – прямая флотация, а может выделяться кварц (пустая порода) – обратная флотация, т.е. флотационные процессы универсальны из-за разнообразных способов ведения и широких возможностей регулирования.
Для ведения процесса флотации необходимо использование различных химических соединений:
- собиратели – резко повышают гидрофобность поверхности извлекаемых частиц. При флотации сульфидных материалов применяют
к
сантогенаты R-O-C-S-Me и
дитиофосфаты RO S
║ P
S RO S
(R – спиртовый или фенольный радикал; Me – Na или K);
несульфидные минералы флотируют с Na-мылами жирных кислот (олеат Na – С17Н33СООNa) или аминами (RNH2);
уголь, сера и другие природногидрофобные минералы флотируются при помощи керосина и других неполярных реагентов.
- вспениватели – вещества, которые облегчают диспергирование воздуха, препятствуют слиянию пузырьков и повышают прочность пены (различные ПАВы, сосновое масло);
- регуляторы среды – создают оптимальную рН среды (известь, сода, серная кислота).
Процесс флотации проводят во флотационных машинах. Пенный продукт подают на обезвоживание.
Гравитационные процессы основаны на различии характера и скорости движения минеральных частиц с разными плотностями в водной или воздушной среде:
промывка – разделение путем разрыхления и удаления с помощью воды глинистых материалов, которыми скреплены зерна полезного ископаемого (железные и марганцевые руды, фосфориты, россыпи цветных, редких и благородных металлов, промывка золотого песка, высококачественного строительного материала);
Обогащение в тяжелых средах – разделение добытых ископаемых по плотностям. Образующиеся продукты (тяжелые и легкие фракции) имеют плотность больше или меньше плотности разделяющей среды и из-за этого или всплывают или тонут в ней. Такое обогащение – основное в угольной промышленности. В качестве тяжелых сред применяют органические жидкости, водные растворы солей и суспензии:
органические жидкости: трихлорэтан С2Н3С13 (плотность 1460 кг/м3), хлороформ СС14 (1600), дибромэтан С2Н4Br2 (2170), ацетилентетрабромид С2Н1Br2 (2930);
водные растворы неорганических солей: СаСд2 (1654), ZnС12 (2070);
суспензии: в качестве утяжелителей используют измельченные менее чем до 0,1мм различные вещества – глину (1490), пирит (2500), галенит PbS (3300). При обогащении углей применяется суспензия магнетита (2500).
Магнитное обогащение применяют при переработке руд черных, редких и цветных металлов. Основано оно на использовании различий в магнитных свойствах минералов и пустой породы. При движении частиц через магнитное поле магнитный и немагнитный продукты движутся по разным траекториям. По удельной магнитной восприимчивости минералы делятся на:
сильномагнитные – магнетит Fe3O4, пирротин Fe1-nSn - χ >380*10-7 м3/кг,
слабомагнитные – гидроксиды и карбонаты Fe и Mn - χ = (7,5-1,2)* 10-7 м3/кг,
немагнитные кварц SiO2, апатит Ca5(F,Cl)(PO4)3, рутил TiO2, полевой шпат (Na,K,Ca)(AlSi3O8).
Электрическое обогащение основано на различной электропроводности пород и их свойствах электризоваться. Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых сыпучих тел крупностью 0,05-3 мм , компоненты которых не имеют значительных различий в других свойствах (плотности, магнитной восприимчивости, физико-химических свойствах поверхности).
В зависимости от удельной электропроводности минералы делят на:
проводники – рутил, пирит,
полупроводники – магнетит,
непроводники – кварц, циркон (ZrSO4).
При соприкосновении частиц минерала-проводника с электродом они заряжаются одноименным зарядом. Частица диэлектрика при этом не заряжается. Затем частицы проходят через постоянное электрическое поле и меняют свои траектории в зависимости от заряда на их поверхности.
Обогатительные фабрики – источник значительных выбросов пыли и сточных вод.
Пылеобразование происходит в процессе переработки и хранения твердого минерального сырья. Сильное пылевыделение наблюдается при сухом дроблении, грохочении, при сухих методах обогащения, транспортировке и перегрузке продуктов обогащения.
При работе дробилок основное пылевыделение происходит в местах разгрузки продукта и достигает для валковых дробилок 4г/с, для конусных и щековых – 10 г/с, для молотковых – 120 г/с. При работе мельниц выделяется до 80 г/с пыли.
Сточные воды сбрасываются в хвостохранилища вместе с хвостами обогащения, откуда могут попадать в водоемы.
Основные загрязняющие вещества – грубодисперсные примеси (гравитационные хвосты обогащения), соли в растворенном виде, флотационные реагенты в виде эмульсий, продукты взаимодействия реагентов между собой и с минералами.
Сточные воды могут содержать:
кислоты, применяемые в технологическом процессе,
ионы Fe, Cu, Ni, Zn, Pb, Al, Co, Cd, Sb, Hg и другие, которые попадают в сточные воды из-за растворения их соединений кислотами,
цианиды – основное загрязняющее вещество золотоизвлекающих фабрик и фабрик, применяющих в качестве флотационного реагента циан-плав,
фториды, если флотореагентами являются NaF, NaSiF6,
нефтепродукты, чаще всего – керосин, флотоагент в обогащении угля, серы, Cu-Mo, Mo-W рудБ
фенолы, как флотоагенты, ксантогенаты и дитиофосфаты – флотоагенты с неприятным запахом.