Мелентьев Г.Б., Шелков Е.М., Делицын Л.М.

НИЦ «Экология и промышленная энерготехнология» Объединенного института высоких температур (ОИВТ РАН), Москва, Россия

Innovative techno-ecological developments of the authors applicable in the comprehensive processing of various natural and technogenic raw materials are presented. Tested at laboratory and pilot-plant levels, the developments can be recommended for both current conditions and the remote geotechnology of the future. The physico-chemical research underlying these pyro- and hydrochemical methods of  valuable components extraction may form the basis for the crucially new geotechnological processes incorporated into the environment.

Существенное замедление темпов научно-технического прогресса в горно-технологической сфере экономики России в условиях «переходного периода» 90-х годов, спад производства и игнорирование очевидной сопряженности социально-эколого-экономических проблем обусловливают необходимость ускоренной интенсификации и экологизации производственной деятельности предприятий ГПК, ГМК и ТЭК. Радикальным средством реализации отечественных возможностей и перспектив в этом направлении могут быть техноэкологические инновации, способные обеспечить «прорыв» в XXI век ведущего в нашей стране сырьевого сектора экономики, и их всесторонняя поддержка со стороны государства как в структурах крупных вертикально интегрированных горно-химико-металлургических компаний с государственно-частным капиталом, так и автономных малых и средних горно-технологических и инноввационно-технологических предприятий [1].

Оценивая с этих позиций технологические возможности и, главное, перспективы ускоренной замены в нашей стране экстенсивного способа недропользования на интенсивный, авторы руководствуются концепцией инновационной техноэкологии как нового самостоятельного научного направления в мегаэкологии, занимающего промежуточное положение между геоэкологией и геотехнологией будущего [1].

С этих позиций рассматриваются следующие перспективные разработки авторов в качестве примеров российских техноэкологических инноваций применительно к проблемам и перспективам комплексной переработки, обезвреживания и использования природного и техногенного сырья с извлечением особо ценных и токсичных элементов-примесей:

- ликвационная плавка рудной шихты с добавками-флюсами, обеспечивающими расслоение расплавов на несмешивающиеся жидкие фазы и, тем самым, избирательное концентрирование в них промышленно-ценных микроэлементов с одновременным устранением лимитируемых (с технологических позиций) элементов-примесей [2];

- высокоскоростной электропиролиз угольного сырья с получением горючего газа (60-65% водорода) и угольного остатка («кокса»), обогащенного всем комплексом особо ценных элементов-примесей для последующего извлечения гидро- и пирохимическими методами [3];

- глубокая очистка сточных вод и сгущения осадков различного состава (рудничных, шахтных, фабричных обогатительных и заводских химико-металлургических) с использованием АСР-алюмосиликатного реагента (раствора-золя), обладающего свойствами флококоагулянта и способностью превращаться при определенных условиях в течение 1-50 часов в неподвижный эластичный гель с полимерно-матричной структурой, что позволяет капсулировать в объеме и, тем самым, изолировать от окружающей среды любые токсичные дисперсные отходы и особо опасные вещества [4, 5].

Ликвационная плавка как нетрадиционный техноэкологический способ глубокой переработки различного по составу (силикатного, карбонатного, сульфидного) природного и техногенного сырья с избирательным концентрированием и сепарированием полезных рудных и лимитируемых компонентов в несмешивающихся жидких фазах расплавов, а также получением из горнохимического сырья фосфатных и калиевых товарных продуктов представляет собой новое приоритетное направление в создании отечественных инновационных технологий, заслуживающее внедрения в традиционные схемы обогащения и рекомендуемое для использования в комбинированных обогатительно-передельных схемах переработки техногенного сырья. Согласно исследованиям авторов в ИМГРЭ и ГИГХСе, а также других специалистов в НИИУИФ и БИП СО РАН, эффективность использования ликвационной плавки минеральной шихты с добавками солевых компонентов-флюсов, позволила решить в лабораторных условиях на пробах бедного и труднообогатимого, в том числе техногенного сырья, следующие технологические задачи:

- сепарирование в жидком состоянии в виде несмешивающихся слоевых и эмульсоидных фаз фосфатных (с F, TR, Sr) и силикатных (с Ga, Rb, Cs) компонентов апатито-нефелинового сырья;

- выделение из тонкодисперсного охристого пирохлор-апатито-карбонатного сырья (кор выветривания карбонатитов) и шламов их гравитационного (с Ca, P, Sr) и фосфатного обогащения ведущего ниобиевого продуктов в виде несмешивающихся слоев расплава;

- получение дефицитных сульфатных удобрений конверсионно-ликвационной плавкой шихты из фосфогипса и калиево-алюмосиликатного природного или техногенного сырья с расслоением плава на верхнюю продуктивную солевую фазу и нижнюю - силикатную (плагиоклазовую);

- переработку сынныритов как природного калиево-алюмосиликатного сырья (K₂O - 20%; SiO₂ - 50%; Al₂O₃ - 22%) с неограниченными запасами конверсионно-ликвационной плавкой с хлоридом натрия и получением в качестве продукта солевой фазы из смеси KCl и NaCl при извлечении K₂O 80% (верхний слой) и щелочно-алюмосиликатного шлака (нижний слой); при последующем разделении солей хлорид калия выделяется как конечный товарный продукт, а хлорид натрия как возвратный реагент используется в дальнейших плавках;

- извлечение бора из низкосортного борогипсового сырья в борокислый плав, находящийся в равновесии с сульфатно-силикатным расплавом;

- извлечение вольфрама и молибдена из исходного рудно-силикатного сырья;

- селективное послойное извлечение в 3-х слойный плав из отходов обогащения вольфрамовых руд особо ценных элементов-примесей - тантала, ниобия и висмута с серебром, с полным разделением их друг от друга;

- избирательное разделение всего комплекса основных и сопутствующих полезных компонентов за счет расслоения плава апатито-лопаритового сырья на два продукта - редкометальный (Nb, Ta, Ti) и редкометально-фосфтаный (P₂O₅ со Sr и TR);

- селективное извлечение радиоактивных элементов-примесей из исходного пирохлор-апатито-карбонатитового и лопарито-апатитового сырья в фосфатные продукты с устранением их из редкометальных.

Доказанное экспериментально расслоение сульфидно-силикатных расплавов свидетельствует о принципиальной возможности использования этого процесса концентрирования рудного вещества и в технологических целях - например, для доизвлечения металлов из хвостов обогащения шламов, шлаков и пылей, включая жидкое состояние последних при выпуске, а также для сепарирование и извлечения сопутствующих им благородных и рассеянных редких металлов.

Извлечение профилирующих полезных компонентов и сопутствующих элементов-примесей в несмешивающиеся жидкие фазы, фиксируемые в тиглях закалкой расплавов или выпускаемые в жидком состоянии в соответствии с их распределением по высоте тиглей, варьирует в пределах 75-95%. В случае необходимости их доводка до конечных продуктов осуществляется либо дополнительной плавкой полученных промпродуктов пирохимического обогащения, либо гидрохимическими, прежде всего, сернокислотными методами. Пирохимические способы обогащения и переработки указанных типов минерального сырья с использованием ликвационной плавки, а также гидрохимические применительно к апатито-нефелиновому и нефелиновому сырью защищены авторами свидетельствами на изобретения и патентами.

С изложенных позиций предпочтение авторов, отдается нетрадиционным пиро- и гидрохимическим методам обогащения и переработки техногенного сырья, соответствующим концепции прямых переделов, включая их модифицирование и комбинирование друг с другом, в том числе - с учетом перспектив использования в дистанционной геотехнологии будущего, имитирующей в подземном пространстве процессы гидро- и пирометаллургических переделов.

Применительно к решению проблемы рационального, т.е. экономически эффективного и экологически безопасного использования буроугольного сырья Центра России в ОИВТ РАН разработана принципиально новая технология его переработки скоростным электропиролизом. Как известно, электропиролиз осуществляется пропусканием тока промышленной частоты через слой сухого угля в типовых специально сконструированных герметичных устройствах. Длительность пиролиза 5-7 мин., производительность типового модуля порядка 10 т/час для сухого угля естественной влажности. Продуктами пиролиза являются горючий газ, обогащенный водородом до 60-65%, и зольный высокопрочный остаток (кокс).

В процессе электропиролиза при Т = 1400-1700 °С из исходного угольного сырья удаляется до 40-50% серы, а в зольном остатке концентрируются промышленно-ценные металлы - железо, алюминий, другие цветные и рассеянные редкие, включая часть токсичных. Их извлечение может быть осуществлено с применением ликвационной плавки с учетом ассоциаций и изоморфизма с железом - титана, ванадия, ниобия, германия, скандия и других элементов-примесей с алюминием - галлия, бериллия, с медью, свинцом и цинком - рения, золота, серебра, платиноидов, кадмия, индия, таллия, селена, теллура, с кальцием - стронция, бария, радиоактивных элементов и т.д. Рассчитаны различные варианты технических проектов скоростного электролиза углей и высокоэффективного комплексного использования его продуктов:

а) для энерготехноэкологического комплекса (ЭТК) при угледобывающих шахтах;

б) для твердотопливной ТЭС с газификационной приставкой - шахтной печью с применением горячего (1300-1500 °С) воздушного дутья, благодаря чему смесь пиролизного и генераторного (водяного) газов после глубокой очистки образует экологически чистое топливо с теплотворной способностью 2050-2150 Ккал/м³;

в) для завода по переработке твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО - 1 млн. т/год) с добавками зольного кокса (0,25 млн. т), получаемого в электропиролизном цехе завода из бурых углей для электроэнергоблока.

Эти энерготехноэкологические проекты предусматривают возможности эффективного производства, помимо горючего газа и кокса, широкого ассортимента сопутствующей и побочной продукции за счет переработки в шахтных печах как остаточного кокса, так и ТПБО с известью, включая получение клинкера и цемента, каменного литья, чугуна, строительных материалов и изделий. Дополнительным сырьем для этих процессов служат местные природные и техногенные ресурсы: известняки, отходы угледобычи (терриконы), шлаки и шламы, золы ТЭС и т.д.

Таким образом, разработанные в ОИВТ РАН инновационные энергоэкотехнологии позволяют решать достаточно широкий комплекс проблем, связанных с депрессионными территориями буроугольных бассейнов соответствующих муниципальных образований и местных производств.

Они позволяют в комплексе с другими новыми технологиями добычи, обогащения, глубокой переработки углей и соответствующих отходов, включая шлако-зольные (ШЗО) от углесжигания, реанимировать промышленное использование низкокачественного угольного сырья, повышать эффективность ТЭС-ветеранов, мобилизовать дополнительные энергоресурсы для коммунально-бытовых нужд и малых производств, в том числе - тепличных, обеспечивать стройиндустрию местными материалами и изделиями с минимальной себестоимостью и т.д. Тем самым может осуществляться социально-экологическая реабилитация рассматриваемых территорий, крайне актуальная для Мосбасса и, во-видимому, других буроугольных бассейнов, включая Челябинский и др.

В качестве наиболее универсального и эффективного способа водоочистки и герметичной консервации дисперсных и токсичных отходов производства и потребления рекомендуется инновационная разработка НИЦ «ЭПЭ» ОИВТ РАН, осуществленная в начале 90-х годов и доказавшая свою эффективность как в опытно-промышленных, так и производственных условиях. Основой этой разработки является создание нового алюмосиликатного реагента - АСР, применяемого для очистки промышленных, хозяйственно-бытовых и сточных вод различного состава. Реагент и его применения защищены патентом РФ, на его применение имеется гигиенический сертификат Министерства здравоохранение РФ. Реагент успешно испытан более чем на 20 предприятиях различного профиля. Доказана его применимость и для очистки питьевой воды. Приготовление реагента из различных видов природного или техногенного алюминийсодержащего сырья сернокислотным методом осуществляется либо локально, т.е. самим потребителем-предприятием, либо централизованно - центром абонементного обслуживания водоочистки всех потребителей в пределах территорий или водного бассейна в радиусе до 300 км.

Реагент АСР по своим химическим свойствам превосходит традиционные коагулянты, в то время как его стоимость в 2-3 раза ниже сульфата алюминия. Он одновременно обладает свойством флокулянта и коагулянта и способностью превращаться со временем (от одного до пятидесяти часов) из золь-раствора в гель и твердый коллоид, который рекомендуется использовать для объемного капсулирования и полной изоляции от окружающей среды, то есть герметизации и консервирования особо токсичных сыпучих, лежалых, жидких, газообразных веществ, подлежащих складированию, транспортировке и захоронению, включая отходы потребления и производства, не предназначенные для сортировки и утилизации.

Обе разработки отмечены Золотыми медалями и Дипломами «Гран-при» и «Первой степени» на Конкурсе «Безопасные технологии и продукция» недели высоких технологий в Санкт-Петербурге (10.06.2005 г.).

В ОИВТ РАН имеется демонстрационная установка по приготовлению АСР и его модификаций, а в г. Москве - нефтемаслозавод, где с его применением осуществляется очистка сточных вод в течении восьми лет без рекламаций. Демонстрируются модели объемной иммобилизации диспергированных токсичных веществ и различных отходов отвердевшим АСР-гелем, исключающим какое-либо взаимодействие исходных веществ с окружающей средой (растворение, газообмен, возгорание и т.д.). Широкое использование АСР рекомендовано для консервирования и герметизации окисленных руд, диспергированных обогатительных хвостов и шламов, хранилищ фосфогипса, отходов угледобычи, шлакохранилищ и терриконов, в том числе - в целях устранения их размывов, самовозгорания и распыления, шлакозольных отходов ТЭС, полигонов ТБО и т.д.

В соответствии с целевыми заданиями инвесторов производство АСР из местного (или привозного) сырья в основных производственно-экономических регионах Россииможет сопровождаться получением на том же, простом и общедоступном оборудовании, по модифицированным схемам целого ряда особо ценных и высоколиквидных химических продуктов стоимостью в отличие от дешевого АСР, от 800 до 2500 долл./т. Это свидетельствует о возможностях оперативной и эффективной окупаемости производства АСР с получением высокой прибыли за счет реализации сопутствующих и побочных продуктов на внутреннем и внешнем рынках с учетом их низкой себестоимости и высоких отпускных цен.

Очевидно, что использование модификаций традиционного кислотного выщелачивания для извлечения полезных компонентов из различных видов минерального сырья, содержащих легкорастворимые фазы (нефелин, калисилит, карбонаты, сульфиды и т.д.), имеет перспективы развития в системы дистанционных геотехнологических методов эксплуатации недр в ненарушенном залегании. Как известно, такой опыт нарабатывается на урановых, медных, свинцовых, цинковых, серебро- и золотосодержащих рудах и отходах их переработки, включая рудничные воды (Германия, США, ЮАР, Зимбабве, Австралия и др.). В частности, США с применением кислотного выщелачивания предварительно дезинтегрированных руд и различных горнопромышленных отходов в течение 10 лет увеличили производство меди в 8 раз и золота - в 10 раз. Перспективы Урала, где проводятся подобные опытно-промышленные испытания доизвлечения меди и сопутствующих ценных микрокомпонентов кучным и подземным выщелачиванием, предварительно рассмотрены в специальном информационно-аналитическом обзоре и оцениваются высоко [6].

Менее известна разработанная в нашей стране геотехнологическая система азотнокислотного выщелачивания искусственно дезинтегрированных апатито-нефелиновых руд и апатитсодержащих уртитов на глубоких горизонтах Хибинских месторождений в ненарушенном залегании, т.е. непосредственно в недрах. В середине 70-х годов в ГИГХСе Б.Н. Мелентьевым с сотрудниками в рамках проекта «Днепр» была создана соответствующая пилотная установка, а затем на ПО «Апатит» и опытно-промышленная, эксплуатация которых доказала высокую эффективность этой пионерной отечественной разработки. В отличие от известных методов выщелачивания с подачей растворителя сверху, что приводит к зашламовыванию рудной массы, авторы новой разработки обосновали техническую возможность подачи азотнокислого растворителя снизу.

Тем самым была обеспечена непрерывность и высокая эффективность процесса выщелачивания легкорастворимого нефелина и, в меньшей степени, апатита с переводом в раствор всех содержащихся в них полезных химических компонентов, включая редкие металлы, извлечение которых по известным схемам не вызывает затруднений. Остальные нерастворимые минералы (полевые шпаты, пироксены, слюды, титаномагнетит, ильменит, сфен и др.) в процессе выщелачивания породообразующего нефелина освобождаются из сростков и превращаются в песок. В результате происходит «размыв» колонны дезинтегрированной руды над выпусками эксплуатационных блоков с получением высокопродуктивного концентрата нерастворимых минералов.

Продуктивный раствор после вывода на дневную поверхность может перерабатываться на широкий ассортимент высоколиквидных химических продуктов, а из песков традиционными методами обогащения по упрощенной схеме выделяются все промышленно-ценные минералы. Следует заметить, что только этот метод позволяет разделять нефелин и калиевые полевые шпаты с получением и использованием концентратов последнего. Эта геотехнология имеет перспективы реализации в модифицированных вариантах при эксплуатации глубоких горизонтов хибинских месторождений, бедных апатито-нефелиновых руд и при переработке хвостов их обогащения.

По мнению многих специалистов, современная горнодобывающая промышленность и перерабатывающие ее продукцию физико-механическими способами обогатительные производства достигли предела своих возможностей на базе традиционных технологий. В связи с этим возникает проблема замены в обозримом будущем современной технологии горной добычи и переработки сырья принципиально новой системой подземно-дистанционного, т.е. геотехнологического извлечения полезных компонентов непосредственно из недр. С этих позиций известные разработки СГД, ПВС и модификаций подземного кислотного и бактериального выщелачивания (ПКВ и ПБВ) могут быть дополнены вышеизложенными инновационно-техноэкологическими разработками авторов как перспективными для использования в качестве «врезок» в современных крупных вертикально интегрированных горно-химико-металлургических производствах, так и самостоятельно в обогатительно-передельных модульных установках для малых горно-технологических предприятий, а также в геотехнологических системах.

Очевидно, что научно-технической основой таких систем могут быть только физико-химические способы извлечения необходимых компонентов, «встроенные» в природную среду. С их помощью, прежде всего, должен осуществляться перевод рудного вещества в подвижное состояние (расплав, раствор, пар), затем транспорт его на дневную поверхность и, наконец, концентрирование полезных компонентов и разделение их с лимитируемыми, то есть нежелательными с технологических и природоохранных позиций. Естественным завершение процесса должно быть получение комплекса товарной продукции. Перспективы геотехнологии определяются следующими факторами:

1) принципиальной возможностью искусственной инверсии природных эндогенных процессов, обусловивших формирование рудных месторождений;

2) сопоставимостью крупных масштабов геотехнологического извлечения полезных компонентов из недр с масштабами проявлений природного рудообразования (при несоизмеримо меньших затратах времени);

3) возможностью вовлечения в промышленное использование крупнейших месторождений бедных руд, включая забалансовые запасы глубоких горизонтов и фланги ныне отрабатываемых месторождений, и, тем самым, значительного расширения минерально-сырьевой базы и продления жизнедеятельности горных предприятий без дополнительных затрат на геолого-разведочные работы;

4) решением проблемы комплексного использования минерального сырья с получением практически всего ассортимента содержащихся в нем полезных компонентов и устранением лимитируемых;

5) исключением затрат на добычу и транспортировку вскрышных пород и рудной массы и на обогащение последней;

6) безотходным характером производства;

7) возможностью полной автоматизации производства в едином замкнутом цикле;

8) решением задач охраны среды и труда, включая максимальное обеспечение условий его комфортности [2].

Пирохимические способы обогащения и переработки указанных типов минерального сырья с использованием ликвационной плавки, а также гидрохимические применительно к апатито-нефелиновому и нефелиновому сырью защищены авторами свидетельствами на изобретения и патентами. С изложенных позиций предпочтение авторов, отдается нетрадиционным пиро- и гидрохимическим методам обогащения и переработки техногенного сырья, соответствующим концепции прямых переделов, включая их модифицирование и комбинирование друг с другом, в том числе - с учетом перспектив использования в дистанционной геотехнологии будущего, имитирующей в подземном пространстве процессы гидро- и пирометаллургических переделов.

В заключение уместно подчеркнуть, что инвестиционная привлекательность отечественных техноэкологических и геотехнологических проектов представляет интерес не только для внутреннего рынка, где они пока остаются малоизвестными и невостребованными, но и для мирового рынка. Такие проекты опережают существующий зарубежный опыт подобных технических решений и поэтому могут служить объектом экспорта.

Литература

1. Мелентьев Г.Б., Шелков Е.М., Делицын Л.М., Короткий В.М. Техноэкология - перспективное направление интенсификации и экологизации производственной деятельности. В сб. Материалы V Конгресса обогатителей стран СНГ, 23-25 марта 2005 г., Москва. Том 4. С. 63-72. - М.: изд. МИСИС-Альтекс, 2005.
2. Мелентьев Г.Б., Давыдов Н.Ф. Перспективы развития пирохимической технологии и связанных с ней минералого-геохимических исследований. В межведомственном сб. Проблемы направленного изменения технологических и технических свойств минералов. - Л.: Механобр, 1985. - С. 17-34.
3. Мелентьев Г.Б., Шелков Е.М., Короткий В.М., Бакунов В.С., Делицын Л.М., Пузач В.Г. Инновационные разработки в техноэкологии и приоритеты экологизации действующих производств и предпринимательства в регионах. В сб. Материалы международной научно-практич. конф. «Рациональное природопользование: ресурсо- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение» 22-24 июня 2004 г., Петрозаводск. - М: ФГУП ВИМИ, 2004. - С. 19-26.
4. Делицын Л.М. Иммобилизация конденсированных вредных промышленных веществ. В сб. Инновации в экологии. - М.: Аналитический центр «Эксперт». Инновационное бюро «Эксперт», 2006. - 140 с.
5. Мелентьев Г.Б. Инновации в экологии: первый конкурс в России и его научно-практическое значение. В ж. Экология промышленного производства, вып. 3. - М.: ФГУП ВИМИ, 2006. - С. 18-20.
6. Мелентьев Г.Б., Малинина Е.Н., Овчарова Е.С. Перспективы организации комплексного извлечения цветных, редких и благородных металлов из нетрадиционного природного и техногенного сульфидного сырья Урала. В ж. Экология промышленного производства, вып. 3. - М.: ФГУП ВИМИ, 2007.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2