Исследование параметров пыления отходов обогащения железных руд и разработка метода их стабилизации

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

УДК 622-17:622.807

Е.В. Лычагин, С.В. Сергеев, И.В. Синица

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕНИЯ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ

Приводятся, результаты лабораторных исследований процесса воздушной эрозии отходов обогащения железных руд. Установлена зависимость мощности выброса пыли от скорости воздушного потока, размера частиц и влажности хвостов.

Ключевые слова: воздушная эрозия, отходы обогащения, мощность выброса, закрепление.

Основным методом пылеподавления на действующих хвостохранилищах является создание на их поверхности искусственных эрозиостойких покрытий. Применяющиеся при этом реагенты и их композиции представляют собой различные вяжущие и цементирующие вещества как органического, так и неорганического происхождения. Во многих случаях подобные покрытия весьма эффективны и могут предохранять поверхности от пыления продолжительное время. На практике в условиях горного производства наиболее распространенным и относительно эффективным способом является гидрообеспыливание, но при его осуществлении происходит усиление фильтрационных нагрузок на ограждающую дамбу. Затопление надводного пляжа и поднятие уровня воды в отстойном пруду оказывают существенное влияние на устойчивость сооружения. Кроме того, использование воды при орошении пылящих пляжей в жаркую погоду малоэффективно, так как они быстро высыхают, и требуется постоянная работа дождевальных установок, а это требует значительных затрат.

Выбранный в качестве объекта исследований Лебединский ГОК является типичным представителем горнорудных предприятий, являющихся источниками загрязнения атмосферы. Процессу пыления на ГОКе подвержены поверхности техногенных массивов отходов обогащения, площадь которых достигает 15 км2. Одновременно с пылью в атмосферу поступает 74 вредных вещества, образующих 18 групп суммации вредного действия. Применяемые на Лебединском ГОКе методы закрепления пылящих поверхностей из-за особенностей водно-физических свойств отходов обогащения недостаточно эффективны, поэтому разработка новых способов закрепления пылящих поверхностей техногенных массивов для Лебединского ГОКа и аналогичных предприятий горнорудной промышленности является актуальной задачей.

На основании определения гранулометрического состава хвостов Лебединского ГОКа, физико-механических свойств грунтов несвязные разновидности грунта классифицированы как пылеватые пески, связные - как техногенные суглинки или супеси. Хвосты не содержат органических соединений, имеют рыхлопесчаную структуру, хорошую водопроницаемость, но очень

2009. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

низкую влагоемкость. Они представляют собой в основном тонкозернистый материал, фракции которого являются эрозионно опасными.

В ходе испытаний был исследован процесс пыления для незакреплённых хвостов Лебединского ГОКа при различных значениях влажности с определением ее критической величины, при которой начинается или полностью прекращается процесс пыления. Для этого была создана установка аэродинамической трубы, в которой создавался воздушный поток до 15 м/с.

Так как железорудные отходы обогащения содержат частицы различной крупности (полидисперсный материал), то при оценке пыления были испытаны фракции хвостов с различным диаметром частиц.

При уменьшении влажности золы до критической величины ее частицы на поверхности образца становятся неустойчивыми, и при определенной скорости потока начинается процесс пыления.

Исследования показали, что процесс пыления в аэродинамической установке начинается при скорости воздушного потока 4 м/с, что объясняется эрозионной устойчивостью хвостов и физико-химическим взаимодействием ее частиц. Поверхность техногенных отложений, образованная частицами отходов обогащения железных руд с диаметром меньше 0,01 мм, является малопылящей. Это обусловлено взаимодействием частиц, в частности сцеплением между ними.

Наиболее интенсивное пыление золы отмечается в слое с преобладанием частиц 0,025 - 0,4 мм. С увеличением диаметра частиц до 1,0 мм интенсивность пыления золы снижается. Пыление частиц хвостов различной крупности при плотности частиц 2,87 г/см3 и влажности W = 0,03 д.е. отражено на графике (рис. 1, 2).

-d=0,05 мм -d=0,075 мм -d=0,1 мм -d=0,2 мм -d=0,4 мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Скорость ветра, м/с

=0.01 мм

=0.025 мм

d=0.6 мм

d= 0.8 мм

d= 1 мм

Рис. 1. Пыление частиц хвостов разного диаметра при влажности W = 0,03 д.е.

Исследование параметров пыления отходов. БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

__________129

2009. Вып. 1

Рис. 2. Пыление частиц хвостов разного диаметра при влажности W = 0,09 д.е.

Для оценки взаимосвязи таких параметров процесса пыления, как мощность выброса, влажность хвостового материала, размер частиц и скорость воздушного потока, в среде программного продукта ТаЫеСигуе 3Б были получены графики поверхности процесса пыления хвостов (рис. 3).

В результате аппроксимации полученных поверхностей определены зависимости мощности выброса частиц хвостов от влажности и скорости воздушного потока для каждой фракции.

0.45 0.4 ^ 0.35 2’ 0.3

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.45

0.4

0.35 ^ 0.3 2

о

0.25 vo

3

0.2 *

-О

£

0.15 §

01 І

0.05 ^ 0

0 0.09

Рис.3. График зависимости мощности выброса от скорости воздушного потока и влажности техногенной пыли

& 0.25

Для фракции d = 0,025 зависимость имеет следующий вид:

a + U(ь + ^ + vU2)+ w(e + ^) ,1Ч

M =------^--------г—^,

1 + U

где M - мощность выброса, г/с; U - скорость воздушного потока, м/с; w - влажность техногенного грунта, д.е.; а = -0,0038605449; Ь = 0,0028865585; с = -0,00074296504; V = 6,5877643е-05; е = 0,057560433; { = -0,61001605; ё = -0,054166176; Ь = 0,0024342446; { = -28,909446; j = 386,41469 (достоверность аппроксимации Я2 = 0,9997391993).

Пыление на действующих хвостохранилищах возникает в основном локально на участках, не покрытых водной поверхностью, пляжной зоны намывных отсеков, на откосах ограждающих дамб и плотин. В жаркий засушливый период с поверхности таких объектов посредством ветровой эрозии выносится огромное количество техногенной пыли. Важной особенностью данной проблемы является необходимость кратковременного, локального, экологически безопасного закрепления пылящих поверхностей. При этом предпочтительным является простота технологического осуществления и экономическая рентабельность.

Основной задачей при организации исследования явилось создание нового, дешевого и экологически безопасного способа закрепления на действующих хвостохранилищах. В процессе решения задачи были проведены лабораторные исследования и испытания, полевой эксперимент, разработка способа.

Для решения проблемы предотвращения пыления открытых пляжей хвостохранилища нами исследован закрепляющий поверхность состав, обладающий рядом преимуществ перед известными аналогами, такими, как экологическая чистота, водопроницаемость без ущерба для прочности, простота приготовления и низкая стоимость применяемых реагентов.

В результате лабораторных испытаний определен наиболее оптимальный вариант обработки поверхности хвостов. Установлены концентрации применяемых при закреплении реагентов, необходимые для получения на поверхности хвостов слоя, прочность которого была бы достаточной для предотвращения ветровой эрозии.

Для проведения лабораторных исследований по закреплению были отобраны образцы отходов обогащения с различных участков хвостохранилища ЛГОКа. Каждый из взятых с территории хвостохранилища образцов подвергался высушиванию в сушильном шкафу до воздушно-сухого состояния. Из каждой пробы формировали 36 навесок. Обрабатывались по три контрольных образца для каждого варианта закрепления. Всего в ходе эксперимента было испытано 12 вариантов с различным сочетанием концентраций применяемых реагентов для каждой пробы.

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

Суть предлагаемого метода по закреплению заключается в нанесении на пылящую поверхность суспензии мела с последующей обработкой раствором серной кислоты. При этом в целях обеспечения минимального воздействия на окружающую среду и регулирования прочности закрепляемой поверхности концентрация суспензии мела составляет от 3 до 20 мас. %, а последующая обработка поверхности раствором серной кислоты производится в стехиометрическом соотношении к внесённому мелу в виде водного раствора с концентрацией от 3 до 15 мас. %. Основная реакция при этом процессе может быть выражена следующим уравнением:

СаСОз + ^О4 + Н2О = Са8О4 -2^ + СО2 Т.

Для создания прочной и монолитной закладки достаточно превратить в гипс 20-30 % известняка или доломита. Скорость твердения зависит от наличия в нем отработанного раствора. Образовавшаяся в качестве продукта реакции вода законсервирована гипсом в свободных плоскостях, что значительно замедляет процесс твердения.

В результате образуется поверхностный слой, по составу близкий к природному двуводному гипсу. Условиями образования гипса являются наличие серной кислоты в растворе или в воде с рН не более 6. Кристаллическая структура двуводного гипса формируется из групп ионов 8042", прочно соединенных ионами Са2+. Молекулы воды расположены между двойными слоями.

После обработки закрепляемые образцы высушивались при температуре 20 °С до постоянной массы. В итоге в каждом из вариантов на обработанной поверхности образовался некоторый слой, но его структура и толщина различны. Толщина поверхностного слоя напрямую зависит от концентрации меловой суспензии.

Для оценки эффективности закрепления поверхности хвостов предлагаемым способом была разработана методика испытания закрепленных образцов. Важным моментом закрепления является устойчивость получаемой защитной поверхности к ветровой эрозии. Испытания закрепленной поверхности на ветроустойчивость проводились на установке аэродинамической трубы при скорости ветра 10-15 м/с (рис. 4). По результатам испытаний определялся процент выноса частиц с поверхности массива от общей массы исследуемого образца.

Наблюдается существенное снижение и практически отсутствие выноса частиц с поверхности техногенного массива. После закрепления поверхности пыление уменьшилось в 150-570 раз. Эти данные позволяют сделать вывод, что применение разработанного способа на порядок сократит объем выбросов техногенной пыли.

Для оценки прочности получаемого на поверхности техногенного массива слоя было проведено испытание закреплённых образцов на продавлива-ние с фиксацией разрушающей нагрузки. Для этих целей использовался цилиндрический штамп, на верхней части которого закреплена площадка для грузов. При этом прочность полученного поверхностного слоя меняется в зависимости от концентрации реагентов.

2009. Вып. 1

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

* 1QQ 9Q BQ-7Q

4

1

2

3

4

1 2 3

Номер образца

Образец без закрепления

Закреплённы й образец,

6Q

5Q

3Q

2Q

Q

Рис. 4. Испытание в аэродинамической трубе

Результатом закрепления поверхности техногенного массива предлагаемым способом является существенное снижение и практически отсутствие выноса частиц с поверхности техногенного массива.

Закрепление пылящей поверхности обусловлено образованием гипса при взаимодействии мела с серной кислотой. Условиями образования гипса являются наличие серной кислоты в растворе или в воде с рН не более 6. В результате лабораторных испытаний предлагаются три варианта обработки поверхности для наиболее эффективного закрепления и образования прочного поверхностного слоя (табл).

Рекомендуемые варианты закрепления и характеристики получаемого закрепляющего слоя

Реагенты Характеристики закрепляющего слоя

Концентрация суспензии мела, % Концентрация раствора серной кислоты, % Прочность на продав-ливание, 10З Па Вынос частиц с поверхности при скорости ветра 10 м/с, %

З 5 1,33 0,39

10 5 1,60 0,10

З 10 2,2 0,04

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

2009. Вып. 1

Степень воздействия реагентов на гидрохимическую обстановку практически несущественна, поскольку минерализация воды в хвостохранилищах достигает 15000 мг/л и объём воды составляет несколько миллионов кубических метров. Вносимые реагенты неконтрастны по отношению к геохимическому фону и составляют десятые доли процента от общего количества растворенных хлоридов, сульфатов и др. компонентов. Указанное обстоятельство позволяет оценить разработанный метод как геохимически оптимальный.

Для испытания разработанного способа в натурных условиях закрепление поверхности хвостов проводилось на организованном участке общей площадью 2 м2. Толщина слоя массива хвостов составляла 40 см.

Полевой эксперимент продолжался в течение календарного года с 1.06.2006 г. по 1.06.2007 г. После каждого выпадения осадков производился визуальный осмотр закреплённой поверхности в целях определения ее устойчивости к воздействию влаги. В конце каждого месяца осуществлялся отбор пробы с участка поверхности закреплённого массива для определения состояния поверхностного слоя на сохранение прочности и ветроустойчивость в лабораторных условиях.

Визуальный осмотр и лабораторные испытания в течение всего периода полевого эксперимента свидетельствуют о значительной устойчивости закрепленной поверхности к физическим воздействиям в виде дождя, ветра, сохранении целостности поверхностного слоя, об отсутствии пылевыделения.

Прочность закрепленной поверхности в течение года монотонно снижается, это связано с вымыванием частиц гипса и разрушением его структуры (рис. 5). Закономерность этого процесса можно выразить в виде зависимости:

где Р - прочность поверхности, Па; Т - время, мес.

Таким образом, предложенный способ комбинированного закрепления техногенного грунта позволяет обеспечить минимальную долговечность слоя свыше 8-12 месяцев. Это предопределяет использование разработанного способа пылеподавления для временного закрепления поверхности хвостохрани-лищ в период его эксплуатации.

Разработанный для решения проблемы предотвращения пыления открытых пляжей хвостохранилища способ предполагает применение закрепляющего поверхность состава, обладающего рядом преимуществ перед известными аналогами: экологическая чистота, водопроницаемость без ущерба для прочности, простота приготовления и низкая стоимость применяемых реагентов. На данный способ получен патент № 2303700.

С учетом анализа технологических решений в области осуществления существующих способов пылеподавления в условиях горного производства и особенностей предлагаемого способа закрепления пылящих поверхностей предлагается несколько технологических решений.

P = 1,7397-exp(-0,0694-T),

134____________

2009. Вып. 1

Т, мес.

Рис. 5. Изменение прочности закрепленной поверхности в течение календарного года

Первый вариант: закрепление с применением подвижной установки на базе автомобиля, состоящей из двух герметических ёмкостей, к которым через патрубки подведены шланги или трубы длиной 5-10 м. На конце шлангов устанавливаются распыляющие насадки. Также на общей раме автомобиля предполагается наличие компрессора для создания давления в ёмкостях. Приготовление суспензии мела и раствора серной кислоты возможно непосредственно в ёмкостях. Ввиду быстрого осаждения частиц мела в растворе в ёмкости с меловой суспензией необходимо осуществлять постоянное перемешивание раствора для сохранения его однородности. Для этих целей необходимо оснащение ёмкости механизмом для перемешивания раствора. В ходе процесса закрепления предполагается перемещение распыляющей установки вдоль гребня ограждающей дамбы. На первом этапе при движении установки в одном направлении осуществляется нанесение суспензии мела. На обратном пути производится обработка раствором серной кислоты.

При втором варианте предполагается использование стационарных оросительных установок непосредственно вдоль дамбы. Эти установки представляют собой две трубы определенного диаметра с вмонтированными на некотором расстоянии распыляющими насадками. В этом случае ёмкости с реагентами стыкуются с торца оросительной установки. Посредством нагнетания компрессором давления в систему осуществляется нанесение на целевую поверхность сначала суспензии мела, а затем через 3-5 минут производится обработка поверхности разбавленным раствором серной кислоты.

Для закрепления открытых пляжных зон хвостохранилища возможно также применение плавучей мелководной гидромониторной установки, пред-

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

ложенной Ю.С. Спиридоновым, И.В. Тикуновой, В.П. Петриченко, Е.В. Ки-чигиным на Михайловском ГОКе. Установка располагается на понтоне, имеет винты передвижения, насосы, приводные от автономного энергоблока.

Для сохранения постоянной однородности суспензии мела существует необходимость непрерывного перемешивания раствора в ёмкости. Кроме того, в случае стационарной оросительной установки возникает возможность застоя мела в трубах, засорения распыляющих насадок и тем самым быстрого снижения эффективности равномерного нанесения слоя мела на поверхность хвостохранилища.

Для совершенствования предлагаемой технологии в ходе исследования была изучена возможность применения пластифицирующей добавки. В качестве пластификатора был взят суперпластификатор СБ-3, разработанный на базе БГТУ им. Шухова. Данный суперпластификатор представляет собой олигомерные молекулы, являющиеся продуктом поликонденсации резорциновых соединений с формальдегидом.

В ходе работы путем лабораторных исследований и испытаний было изучено влияние суперпластификатора СБ-3 на реологические свойства и аг-регативную устойчивость минеральной суспензии мела. В качестве показателей изменения реологических свойств были выбраны и изучены: динамическое напряжение сдвига меловой суспензии, пластическая вязкость, электро-кинетический потенциал и размер частиц дисперсной фазы.

Как показывают исследования, введение олигомерных молекул до концентраций 0,1 -0,2 % снижает предельное динамическое напряжение сдвига меловых суспензий до нуля. При этих же концентрациях пластическая вязкость снижается до минимального значения. Дальнейшее увеличение концентрации суперпластификаторов приводит к дилатантному режиму течения системы, для которой характерно наличие «стесненных» условий и преобладание сил отталкивания. Это может иметь место при повышении дисперсности и стабилизации системы.

Методом седиментационного анализа были получены дифференциальные кривые распределения по радиусам частиц дисперсной фазы при различных концентрациях добавки. При увеличении концентрации СБ-3 происходит не только уменьшение наивероятнейшего радиуса, но и наблюдается более узкое распределение частиц по радиусам.

Лабораторные исследования и испытания показали, что при оптимальной концентрации пластифицирующей добавки 0,2 % происходит изменение реологических свойств меловой суспензии в сторону повышения текучести раствора, уменьшения радиуса частиц дисперсной фазы.

Применение пластифицирующей добавки может позволить существенно снизить необходимость постоянного непрерывного перемешивания суспензии мела в ёмкости и тем самым снизить энергозатраты, а также потребление воды, но повысить проходимость частиц мела через трубы и отверстия распыляющих насадок оросительной установки.

Оценка экономической эффективности предлагаемого способа закрепления и технологии его применения выполнена по объекту исследования -

2009. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

хвостохранилищу Лебединского ГОКа. Для этого была произведена техникоэкономическая оценка от внедрения предлагаемого способа в сравнении с применяемым на предприятии в данный момент способом, заключающимся в намытии на поверхность хвостов слоя суглинка.

Из расчетов рыночной стоимости молотого мела, суперпластификатора СБ-3 и технической серной кислоты, а также с учетом расхода реагентов и затрат на технологическое осуществление стоимость закрепления 1 га пылящей поверхности предлагаемым способом составит 25 тыс.руб. При этом затраты на мероприятия по замытию пылящих участков хвостохранилища составляют 47 тыс.руб/га. При общей площади занимаемой пылящими участками хвостохранилища порядка 312 га экономический эффект от внедрения предлагаемого способа закрепления может составить 6,9 млн. руб. в год.

При этом для Белгородской области характерно наличие большого количества мела, в частности, на Лебединском ГОКе значительная часть вскрыши представлена меловыми отложениями, которые складируются в отвалы. Применение предприятием собственных ресурсов мела позволит снизить затраты на реализацию предлагаемого способа пылеподавления и тем самым получить еще более значительный экономический эффект. При этом снижение нагрузки на окружающую среду, в результате сокращения выбросов пыли, существенно. Аналогичная экономическая, а также экологическая эффективность от использования предлагаемой технологии может быть получена на других хвостохра-нилищах железорудных месторождений КМА.

Поступила в редакцию 02.02.09

Ye. V. Lychagin, associate professor

S. V. Sergeyev, doctor of technical science, professor

I. V. Sinitsa, researcher

Studying the Characteristics of Dusting Refuse Iron Ore and the Development of Their Stabilization Method

The article presents the results of laboratory investigation into aerial erosion of refuse iron ore. The paper establishes the dependence of the intensity of dust emission on the air-flow rate, the size of particles and humidity of tails.

Лычагин Евгений Владимирович, доцент

Сергеев Сергей Валентинович, доктор технических наук, профессор Синица Игорь Владимирович, младший научный сотрудник

ГОУВПО «Белгородский государственный университет»

308015, Россия, г. Белгород, ул. Победы, 85.

E-mail: sergeev@bsu. edu. ru