Переработка глинисто-солевых шламов калийного производства

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Человек всегда стремился наращивать темпы материального производства, чтобы достигнуть независимости от природы и улучшить условия своей жизни. Но большая часть взятых у природы и использованных неэффективно ресурсов возвращается ей в виде отходов, обилие и вредность которых создает угрозу существования самого человека.

Бурные темпы  развития промышленности калийных удобрений  в Белоруссии, большие объемы его  производства, специфичность состава  сильвинитовых руд и условий  их залегания, а также отсутствие опыта эксплуатации калийных месторождений в республике создали ряд сложных проблем, связанных с охраной окружающей среды в Солигорском промышленном районе. Важнейшая из них — проблема захоронения и использования отходов производства калийных удобрений с целью предотвращения засоления окружающей территории. Эта проблема стоит очень остро, так как площадь, занятая солеотходами на 1.01.2011г. составляет 611,65 га (отведено – 930,88 га) и площадь, занятая шламохранилищами, составляет 1060,66 га (согласно «Отчету о функционировании системы управления окружающей средой. 2010г.».

Основными  отходами при производстве калийных удобрений  являются галитовые отходы и глинисто-солевые  шламы.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены источники образования глинисто-солевых шламов, определен состав данных отходов, класс опасности, описано влияние глинисто-солевых шламов, образующихся при производстве калийных удобрений, на окружающую среду и человека. Также в работе будут рассмотрены возможные методы переработки и складирования глинисто-солевых шламов и предложена схема переработки данных отходов с целью получения строительных материалов.

1.   ОПИСАНИЕ ИСТОЧНИКА ОБРАЗОВАНИЯ ОХОДОВ

Отходы  производства  - отходы,  образующиеся  в  процессе осуществления      юридическими     лицами     и     индивидуальными предпринимателями    экономической    деятельности     (производства продукции,  энергии, выполнения работ, оказания услуг),  побочные  и сопутствующие продукты добычи и обогащения полезных ископаемых.

Отходами производства могут считаться продукты, образовавшиеся в результате физико-химической переработки сырья, добычи и обогащения полезных ископаемых, получение которых не является целью данного производства.

Глинисто-солевые  шламы относятся к промышленным отходам, образовавшимся в результате производства калийных удобрений.

На территории Беларуси располагается предприятие по производству калийных удобрений ОАО «Беларуськалий». Это одно из крупнейших горнодобывающих предприятий,  функционирование которого сопровождается образованием большого количества отходов, складируемых на земной поверхности с отчуждением огромных территорий сельскохозяйственных угодий.

На предприятии  применяют 2 метода обогащения флотационный и галургический.

Более подробно рассмотрим галургический метод обогащения, т.к. глинисто-солевые шламы при таком способе обогащения легче переработать ввиду того, что они не были дополнительно обработаны реагентами в технологическом процессе.

Технологический процесс переработки руды галургическим  методом состоит из следующих стадий:

         1 Дробление руды с предварительным  грохочением.

         2 Подогрев щелоков.

         3 Растворение руды.

         4 Фильтрация галитовых отходов.

         5 Осветление насыщенного щелока.

         6 Кристаллизация хлористого калия.

         7 Сгущение и центрифугирование  хлоркалиевой суспензии.

         8 Сушка хлористого калия и  подогрев продукта перед гранулированием.

         9 Удаление отходов производства.

         10 Гранулирование хлористого калия.

         11 Складирование, хранение и погрузка.

         12 Охлаждение оборотной воды и  резерв щелоков.

         13 Приготовление реагентов.

         14 Обработка хлористого калия  реагентами пылеподавителями.

         15 Фасовка и затаривание хлористого калия.

Галургический метод извлечения хлористого калия из сильвинитовой руды основан на принципе различной растворимости солевых составляющих руды (KCl и NaCl) в зависимости от температур. Галургический способ позволяет получить технический продукт с содержанием хлористого калия до 99%.

Этот процесс  переработки калийсодержащего сырья  основан на растворении хлористого калия из руды горячим раствором  при 120°C и раздельной кристаллизации солевых составляющих перерабатываемой руды. Технологический процесс галургического способа складывается из дробление сильвинитовой руды, растворения сильвинита горячим щелоком в растворителях со шнековыми мешалками и ковшовыми элеваторами, охлаждению (с целью кристаллизации хлорида калия из осветленного насыщенного раствора) сгущения в отстойниках. Затем сгущенная суспензия через промежуточную мешалку подается на центрифуги. Сушка отфильтрованного хлорида калия осуществляется на сушильных барабанах или печах кипящего слоя. Содержание хлористого калия в концентрате составляет 95 - 98%, в галитовых отходах - 2,5 - 3,0%, извлечение - 86,5 - 87,5%.

Основными отходами производства при галургическом  методе обогащения сильвинитовых руд  являются твердые галитовые отходы – кек хвостов и шламы галитовые  глинисто-солевые, которые являются основными источниками загрязнения окружающей среды  в районе расположения объекта.

Рассмотрим образование  глинисто-солевых шламов в процессе обогащения калийсодержащих руд  галургическим способом. Дробленная до определенной крупности руда поступет в шнековые растворители. Полученный в результате растворения не очищенный насыщенный щелок, содержащий солевой и глинистый шламы, с массовой долей хлористого калия 18,5¸20,0 % из шнекового растворителя поступает в сгустители типа «Брандес» для отделения солевого шлама. Сгущенный солевой шлам возвращается в шнековый растворитель. Насыщенный щелок, очищенный от солевого шлама, самотеком поступает в отстойники типа "Дорр"  для отделения глинистого шлама. Шламы галитовые глинисто-солевые, сгущенные в сгустителях типа Дорр до плотности 1417-1580 кг/м³  для окончательного уплотнения и складирования транспортируются в шламонакопители. Выход твердого вещества шламов составляет 91-92 кг/т  исходной руды.

Интенсификация процесса осаждения глинистого шлама достигается  подачей в отстойники водного раствора флокулянта. Сгущенная суспензия глинистого шлама с плотностью 1490-1550 г/дм³ (ж:т 2,0¸1,5) из сгустителей самотеком поступает в зумпф, разбавляется рассолом или оборотной водой  и насосами направляется в бак  и, далее, на шламохранилище.

2.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ШЛАМОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глинисто-солевые  шламовые отходы, образующиеся в процессе обесшламливания сильвинитовой  руды состоят из 35-40% водорастворимых  солей (NaCL и КСL) и нерастворимого глинистого осадка (60-65%), представленного, в основном, алюмосиликатами. В среднем по объединению содержание КСL в шламах достигает 22-24%, а ежегодные потери KCL с ними составляют около 11% или свыше 1 млн. т. Кроме этого в шламах содержится значительное количество микроэлементов, необходимых для эффективного развития растений, таких, как бор - 200, медь - 6-7, марганец 210, кобальт 4-5 и др. (в г/т).

Таблица 1 –  Морфологический и химический состав глинисто-солевых шламов калийного  производства

Химический  состав шламов (твердой фазы) изучен с помощью водной (рис.1) и солянокислой вытяжек, а нерастворимая часть силикатным анализом. В результате установлено, что шламы включают 25-30% водорастворимых солей  NaCL и KCL и 70-75% нерастворимого остатка (карбонаты, сульфаты, полевой шпат,  кварц и глинистые минералы, представленные гидрослюдой.

Для шламовых отходов  характерно высокое содержание окислов  кремния, алюминия, калия и железа.

Рис. 1. Химический состав водяной вытяжки  шламов (%)

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ И КЛАССА ОПАСНОСТИ ОТХОДОВ

На основе классификатора глинисто-солевые шламы калийного производства относятся к 4 классу  опасности.

Согласно таблице  определения степени опасности и класса опасности отходов производства (приложение А) основными опасными свойствами глинисто-солевых шламов калийного производства являются токсичность и экотоксичность. По данным показателям отходы являются малоопасными.

Экотоксичность  глинисто-солевых  шламов обусловлена способностью их в случае попадания в окружающую среду со временем представлять угрозу для окружающей среды в результате биоаккумулирования и (или) оказывать токсичное воздействие на биотические системы. Так в результате воздействия глинисто-солевых шламов происходит засоление почв, поверхностных и подземных вод, их накопление приводит к отчуждению земель.

  Токсичность глинисто-солевых шламов калийного производства выражается в способности данных отходов при попадании внутрь организма через органы дыхания, пищеварения или кожу вызывать серьезные, затяжные или хронические заболевания.

4. ОПИСАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ШЛАМОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЧЕЛОВЕКА

Являясь одним  из крупнейших в мире производителей хлористого калия ОАО «Беларуськалий» оказывает определенное  негативное  воздействие на окружающую среду региона. Как любому горно-химическому предприятию, объединению присущ  ряд отрицательных факторов воздействия на окружающую среду. В первую очередь это:

- оседание земной  поверхности над выработанным  пространством и связанное с  этим заболачивание земель;

- образование  в процессе обогащения руды  большого количества твердых  и жидких отходов с отчуждением  земель для их хранения в  виде солеотвалов и шламохранилищ;

- выбросы загрязняющих  веществ.

Проблемы, связанные  с образованием отходов:

− засоление  почв;

− засоление  подземных и поверхностных вод;

− отчуждение земель, занятых под солеотвалы и шламохранилища.

Твердые галитовые  отходы обогащения складируются в солеотвалах. Площадь, занятая солеотходами в  настоящее время, составляет 584,03 га (отведено – 930,88 га). Максимальная высота отсыпки твердых галитовых отходов  составила – 125,0 м.

Площадь, занятая  шламохранилищами, составляет 932,75 га. Хвостохранилища постепенно заполняются шламами и исключаются из сферы землепользования, становясь при этом источником интенсивного засоления окружающей среды.

Глинисто-солевые  шламы калийного производства  по своему химическому составу в основном представлены хлоридами калия и хлоридами натрия. Этим обусловлено их воздействия на людей.

Хлористый калий. У рабочих предприятия отмечены изменения на ЭКГ и снижение выделения витаминов С и В₁. Рабочие страдают гнойничковыми заболеваниями кожи, заболеваниями периферийной нервной системы, гипотонией, нарушением тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Пыль хлористого калия вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз.

Хлористый натрий NaCl. Пыль хлористого натрия обладает раздражающими свойствами. При вдыхании распыленного в камере NaCl до 10% концентрации отмечалось его отложение в легких. У работающих периодически в помещениях с концентрацией NaCl 95-150 мг/м³ наблюдался так называемый «синдром соляной пыли» (головная боль, боль в области грудной клетки).

При длительном воздействии невысоких концентраций пыли NaCl возникает воспаление слизистых  оболочек носа, кератит и коньюктивит.

Существенным  фактором воздействия на окружающую среду является оседание и деформация земной поверхности в результате проведения горных работ. Отработка Старобинского месторождения калийных солей привела к оседанию земной поверхности на площади более 20 тыс. га в Солигорском, Любанском и Слуцком районах Минской области. Выемка запасов полезного ископаемого приводит к нарушению состояния равновесия пород и их сдвижению, проявляющемуся в образовании на земной поверхности сдвижения и возникновению деформаций.

Учитывая природные  особенности Солигорского региона, а именно высокие уровни залегания грунтовых вод и равнинный рельеф местности, в ряде случаев это может приводить к заболачиванию земель. Уже через 2-5 лет  происходит оседание земной поверхности в местах отработки пласта, что приводит к заболачиванию значительной территории. За весь период эксплуатации месторождения на 6,6 тыс. га земель в той или иной мере возникла необходимость, и были проведены работы по понижению уровней грунтовых вод.

В существующем состоянии территория используется под малопродуктивными выпасами и сенокосами, только отдельные участки распаханы и используются под пашни. Наиболее актуальной является защита от подтопления населенных пунктов.

Затопление  отрицательно воздействует на лесные угодья. Под затоплением древесных  растений понимается такой уровень грунтовых вод, когда зона аэрации грунтов равна нулю и когда вся корневая система деревьев находится в воде. Согласно проведенным исследованиям установлено, что при затоплении в течение 2—3 лет и более лес погибает, в течение первых 1-2 лет погибает 50% и более деревьев.

На растительный и животный мир в районе деятельности калийных предприятий отрицательное  воздействие оказывается, в основном, следующими факторами: изъятием земель под промплощадки, солеотвалы и шламохранилища и, как следствие, сокращением площади растительного покрова; затоплением, подтоплением и заболачиванием земель вследствие оседания земной поверхности над отработанными горными выработками; асолением избыточными рассолами прилегающих к предприятию территорий; влиянием промышленных пылегазовыбросов.

5. РАСЧЕТ НОРМАТИВА ОБРАЗОВАНИЯ ОТХОДОВ

Согласно промышленно  технологическому регламенту производства галургического мелкокристаллического  и гранулированного хлористого калия  на СОФ-4 норма образования глинисто-солевых шламов находится в пределах 420-450 кг на тонну 95%-ного хлористого калия.

На 4 рудоуправлении в 2010 г произведено 2 053 900 тонн калийных удобрений. Исходя из этих данных, годовое образование глинисто-солевых шламов в среднем составило:

0,435  * 2 053 900 = 893447 тонн

6. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ШЛАМОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Количество  избыточных рассолов напрямую зависит  от объема и площади, занимаемой водорастворимыми отходами. В этой связи особую актуальность приобретают вопросы, связанные с разработкой новых технологий при организации хвостовых хозяйств калийных предприятий, позволяющих сократить рост площадей, используемых для размещения отходов, и тем самым снизить рост объемов избыточных рассолов, образуемых при выщелачивании атмосферными осадками водорастворимых отходов. 

Институтом  ОАО «Белгорхимпром» установлена  возможность использования отработанных шламохранилищ в качестве основания  расширяемых солеотвалов, что позволяет  значительно сократить площади, занимаемые отходами калийного производства, и снизить затраты на создание противофильтрационного экрана в их основании.

Также  разработана  технология совместного складирования галитовых  и шламовых отходов, позволяющая  исключать строительство шламохранилищ, и сокращает площади сельхозугодий, отводимые под хвостовое хозяйство.

При совместном складировании отходов содержание глинистых шламов до 25% не вызывает существенного изменения показателей  общей прочности смеси, а по сравнению  со свежими чистыми галитами даже несколько ее повышает.

Разработана технология регенерации отработанных шламохранилищ, которая дает возможность неоднократно использовать построенные емкости  для складирования шламовых отходов.

На некоторых калийных предприятиях, таких как «Сильвинит» (Россия), применяется технология закладки глинисто-солевых шламов в шахтные пустоты. Это частично решает проблему отчуждения земель, но с другой стороны не позволяет использовать глинисто-солевые шламы в качестве сырья для производства других продуктов.

Имеются исследования об использования шламовых отходов для бурения скважин в качестве глинисто-солевого порошка при приготовлении буровых растворов.  Данные исследования прошли стадию проверки в промышленных условиях при бурении глубоких скважин в Припятской впадине.

Известны работы по сухому освобождению сильвинита от шламов. Метод основан на ферромагнитных свойствах оксида железа Fe₂0₃, концентрация которого в составе н.о. достигает 5 – 7%.

По предлагаемому способу  сильвинит измельчают, нагревают  при температуре 150- 160 °С в течение 15 мин и помещают в магнитное поле. Степень извлечения н. о. достигает 81 %, общая степень извлечения KC1 также увеличивается. Сухие глинистые шламы могут быть использованы в качестве калий-магниевых удобрений на песчаных почвах. В промышленных масштабах этот метод не получил распространения, т. к. далеко не всегда концентрация оксида железа Fe₂0₃ в исходной руде достигает необходимого уровня, что приводит к уменьшению извлечения и этот способ становится экономически невыгодным.

Также имеются  работы по получению  золота и серебра из глинисто-солевых шламов, выделяемых при переработке хлоридного сырья щелочных и щелочноземельных металлов, преимущественно сильвинита, карналлита и галита. Способ переработки глинисто-солевых шламов производства хлоридных солей включает водную отмывку шламов от хлоридов с удалением соляных растворов, перевод золота в хлоридный раствор и сорбцию золота. Однако получение благородных металлов из шламов традиционными способами обогащения нерационально из-за высокого содержания хлора и низкой вскрываемости коллоидного золота, заключенного в объеме частиц глинистой составляющей шламов. Кроме того, эти способы не решают проблемы утилизации основной массы шламов.

Наиболее предпочтительным с точки зрения  использования  шламовых отходов, как источника полезного продукта KCL и микроэлементов, является производство новых форм удобрений и мелиоратов для сельского хозяйства.

В этом плане в опытных  условиях испытаны две технологии получения  гранулированных неслеживающихся медленно растворимых удобрений.

По первой технологии получение гранулированных удобрений предусматривается в барабанных аппаратах грануляторах-сушилках, в которые подается шламовая суспензия непосредственно с обогатительной фабрики после сгустителей. Процесс окатывания и сушки производится с добавлением пылящих фракций KCL (уловленных при пылегазоочистке) и связующих веществ. Получаемый гранулированный продукт содержит 40% K₂O.

По второй технологии предусматривается получение гранулированных комплексных удобрений с использованием фосфорных, азотных компонентов калия (в виде шламовых отходов), а также торфа в качестве связующего. Высокие ионообменные, сорбционные и связующие свойства органического вещества торфа снижают подвижность питательных элементов и соответственно их вымывание из почвы. Технология предусматривает дозацию компонентов, их смешивание в шламовых установках, грануляцию смеси путем продавливания ее через решетку с круглыми отверстиями и получением жгутикообразных гранул, их сушки и сепарации.

Перспективными  для использования в сельском хозяйстве являются глинисто-солевые продукты, получаемые при выделении глинистых минералов в процессе сухого обесшламливания сильвинитовой руды в вентилируемых контурах.

Проблема утилизации шламовых отходов до сих пор не нашла практического воплощения, в основном из-за межведомственных барьеров.

Анализ способов переработки и складирования показывает, что все мероприятия в той или иной мере позволяют уменьшить воздействие глинисто-солевых шламов калийного производства на окружающую среду, но кардинально решить проблему возможно только при комплексном подходе к этой проблеме.

7. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБРАЩЕНИЮ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫМИ  ШЛАМАМИ  КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Проведенная в нашей работе оценка воздействия глинисто-солевых шламов калийного производства на окружающую среду служит основанием для дальнейшего совершенствования природоохранных мероприятий прямо или косвенно направленных на предотвращение или уменьшение воздействия объекта на окружающую среду. С этой точки зрения к ним относятся:

• архитектурно-планировочные мероприятия;
• организационные мероприятия;
• технические мероприятия.

Архитектурно-планировочные мероприятия  направлены на организацию и благоустройство санитарно-защитной зоны, предусматривающие совершенствование существующей системы озеленения территории промышленной площадки и санитарно-защитной зоны, а также организация зоны отдыха.

Организационные мероприятия  хотя и не изменяют принципиального характера воздействия отходов на окружающую среду, однако, не требуют существенных капитальных вложений, предшествуют техническим мероприятиям и результат их наблюдается довольно быстро.

Технические мероприятия  являются центральным звеном в системе мероприятий по снижению уровня воздействия предприятия на среду, так как они способны кардинально менять характер воздействия предприятия на среду, при этом, требуют значительных капитальных затрат, а также предварительного технико-экономического обоснования. В качестве технического мероприятия предлагается схема переработки глинисто-солевых шламов с целью получения строительных материалов.

В настоящее  время ни один из методов утилизации шламов не реализован в промышленном масштабе. Одним из препятствий является его повышенная влажность – 70-80%, мелкодисперсность и высокая вязкость.

Шламы с помощью  гидротранспорта подают в шламохранилища. Шламохранилища обносят дамбами, углубляют  на 20 – 40 м в целях экономии площадей и снабжают полиэтиленовыми экранами. Они являются источниками загрязнения окружающей среды и требуют постоянного наблюдения. Поэтому постоянно ведется работа по исследованию отходов, прорабатываются пути их утилизации.

Наиболее экономически выгодным для предприятия является не просто утилизация отхода, а по возможности его использования в качестве сырья для производства других материалов. С этой точки зрения интересно изобретение позволяющее перерабатывать глинисто-солевые шламы калийного производства с целью их дальнейшего использования в качестве строительных материалов.

Изобретение позволяет  снизить содержание водорастворимых  солей калия и натрия в сфлокулированном осадке глинисто-солевого шлама.

Это достигается  тем, что в способе переработки  суспензии глинисто-солевого шлама калийного производства для последующей его утилизации, включающем предварительную обработку его полиакриламидом и последующую сферическую агломерацию в барабане-флокуляторе, предварительную обработку шлама полиакриламидом ведут двухстадийно по меньшей мере в одном статическом смесителе.

Переработка суспензии  глинисто-солевого шлама осуществляется следующим образом:

Суспензия глинисто-солевого шлама, поступающая из разгрузки (нижней части) отстойника-сгустителя с помощью  шламового центробежного насоса подается в первый по ходу статический смеситель. На вход статического смесителя из отдельной емкости дозируется 0,25% раствор полиакриламида. Статический смеситель представляет трубу с установленными внутри смесительными элементами и имеют торцевые патрубки для входа и выхода суспензии, а также патрубки отбора давления для измерения его перепада на длине смесителя.

На первый по ходу смеситель подают от 7 до 20% от общего количества полиакриламида, подаваемого  на всю стадию переработки.

Благодаря подаче небольшого количества полиакриламида флокуляционное его воздействие распространяется лишь на глинистую часть наиболее высокодисперсных частиц шлама (менее 1 мкм) при высокой скорости образования первичных флокул (до 20 мкм) и с меньшей скоростью вторичных флокул (менее 50 мкм). Вследствие этого, кристаллы хлоридов калия и натрия, имеющие значительно большие размеры механически не захватываются первичными и слабо захватываются вторичными флокулами, оставаясь при этом в суспендированном состоянии в сплошной фазе. При проведении последующих стадий обработки суспензии глинисто-солевого шлама полиакриламида в количестве 80-93% от общего его количества подаваемого на всю стадию переработки происходит дальнейшее укрупнение глинистой части шлама, при этом за счет более низких; чем на первой стадии сдвиговых напряжений в статическом смесителе уменьшается вероятность процесса деагрегации флокул глинистого шлама и захвата крупными флокулами хлоридов калия и натрия, благодаря высокой скорости процесса флокуляции за счет подачи большого количества полиакриламида. При этом происходит быстрое укрупнение первичных и вторичных флокул с образованием плотных агрегатов глинистого шлама с размерами более 500 мкм, содержащих малое количество кристаллов хлористого натрия и калия.