книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты

также 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

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.

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