Сырьевой комплекс России. Системы технологий добычи, подготовки и обогащения сырья

 

2. Классификация сырья по агрегатному состоянию, по составу и происхождению. Виды сырья.
1. Сырье: общее понятие, классификация и применение.

Сырье является важнейшим  исходным элементом любого технологического процесса. Его качество, соответствие технологическим требованием и уровень переработки, стоимость и доступность в значительной степени определяют основные качественные, количественные и стоимостные показатели выпускаемой продукции.

Сырьем называют вещества природного и синтетического происхождения, используемые как исходный материал в производстве промышленной продукции и энергии. Сырье, в основном, классифицируется по агрегатному состоянию, составу и происхождению.

По  агрегатному состоянию сырье делится на твердое (уголь, торф, руды, сланцы, древесина), жидкое (вода, соляные рассолы, нефть) и газообразное (воздух, природные и промышленные газы).

По  составу сырье подразделяется на органическое и минеральное. Органическое, в свою очередь, подразделяется по происхождению на растительное и животное. К минеральному сырью (от лат. minera – руда) относятся полезные ископаемые, добываемые из недр земли. Их особенностью является невозобновляемость по мере добычи и использования. Неравномерность распределения сырьевых ресурсов по поверхности земли и ее недрам, концентрация полезных веществ и химический состав определяют стоимость добычи и переработки сырья.

Минеральное сырье. Минеральное сырье является важнейшим сырьем промышленности. Оно включает в себя около 2500 различных минералов, отличающихся друг от друга по химическому составу, физическим свойствам, кристаллической форме, по применению и прочим признакам. Земная кора состоит, в основном, из 14 химических элементов (99,5%): кислорода – 49,13%, кремния – 26,00, алюминия – 7,45, железа – 4,20, кальция – 3,25, натрия – 2,40, магния – 2,35, калия – 2,35, водорода – 1,00% и др.

Минеральное сырье делят  на рудное, нерудное и горючее.

Рудным сырьем называют полезные ископаемые (промышленные металлические руды), содержащие один или несколько металлов в количестве и форме, допускающими их экономически выгодное извлечение. По количеству содержащихся металлов руды подразделяются на монометаллические – содержат один металл, биметаллические – два металла и полиметаллические – содержат более двух извлекаемых при переработке металлов. Примером монометаллических руд являются железные, хромовые, золотые и другие руды, биметаллических – свинцово-цинковые, медно-молибденовые и др. Полиметаллические руды могут содержать цинк, свинец, медь, серебро, золото и др. металлы. Например, 50% мировой добычи серебра, а в России – 70% всего добываемого серебра извлекается из полиметаллических руд.

Металлы в рудах могут  находиться в виде оксидов (железные руды), сульфидов (медные руды) или более  сложных химических соединений. Некоторые металлы встречаются в чистом виде или в сплавах с другими металлами – в так называемых самородных рудах, например, золото и платина.

Металлические руды редко  состоят только из металлосодержащих  минералов. Обычно в их состав входят другие минералы, не содержащие металлы  и называемые пустой породой.

Месторождения руд делят  на коренные – в виде монолитных горных пород, рудных массивов и рассыпные – продукты распада и разрушения коренных горных пород. Вторые – хуже качеством, более рыхлые, мелкие, пылеватые и требуют больших затрат на добычу и обработку.

Нерудным называют сырье, используемое в производстве неметаллов (серы, фосфора и др.), различных солей (калийных, соды, поваренной соли и др.), минеральных удобрений и строительных материалов. Важнейшими видами нерудного сырья являются: самородная сера, апатиты, фосфориты, природные соли, песок, глина и т.д. К нерудному сырью относятся также и редкие минералы промышленного значения – алмазы, графит, асбест и др.

Для производства строительных материалов используют горные породы различного происхождения и состава: глину, песок, гравий, песчаник, гипс, известняк, мел, гранит, пемзу, туф и т.д. Многие виды сырья для производства строительных материалов добываются открытым способом в карьерах.

Хотя большая часть  нерудного сырья и содержит металлы, но в объемах и виде, экономически нецелесообразных для их извлечения, например, фосфориты, апатиты, алюмосиликаты и др.

К горючему минеральному сырью  относятся органические ископаемые: нефть, уголь, торф и сланцы, которые, в основном, используются как топливо или как сырье для химической промышленности.

Топливо – горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии. Топлива делятся по агрегатному состоянию и по происхождению,

По  агрегатному состоянию все топлива подразделяются на твердые (ископаемые угли, торф, древесина, сланцы), жидкие (нефть, нефтепродукты), газообразные (природный и

попутный газы).

По  происхождению топливо подразделяется на естественное и искусственное, т. е. полученное в результате переработки естественного топлива или в качестве отходов различных технологических процессов (например, доменный газ).

Для оценки топлива основным показателем служит его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема топлива (Дж/кг и Дж/м3). Техническая характеристика топлива определяется его составом. В состав всех видов топлива входит горючая масса (органическая масса + горючие неорганические вещества, например, сера) и негорючая масса (зола, влага) – балласт. Органическая масса топлива состоит в основном из углерода, водорода, а также азота и кислорода. Чем больше в топливе золы и влаги, тем ниже его теплота сгорания; чем выше содержание углерода и водорода и меньше кислорода и азота, тем больше его теплота сгорания. Для сопоставления тепловой ценности различных видов органического топлива принята единица условного топлива. Теплота сгорания 1 кг твердого условного топлива (или 1 м3 газообразного) составляет 29,3 мДж или 7000 ккал. Соответственно, 1 т бурого угля принимается за 0,4 т, каменного угля – за 1,0 т, а нефти – за 1,4 т условного топлива. Для сопоставления экономической ценности топливных материалов берется цена нефти на мировом рынке.

 

2.2. Комплексное использование сырья

Под комплексным использованием сырья понимается максимальное извлечение и использование всех ценных компонентов, входящих в добываемые полезные ископаемые на соответствующем месторождении, исходя из технологических возможностей предприятия.

Практически большинство  месторождений являются комплексными и содержат ряд полезных компонентов. Так, на месторождениях нефти попутными компонентами являются газ, сера, бром, йод, бор; на газовых месторождениях – гелий, сера, азот; в ископаемых углях – колчедан, сера, глинозем, германий и т. д. В цветной металлургии профилирующими считаются 11 металлов (алюминий, медь, никель, кобальт, свинец, цинк, вольфрам, молибден, ртуть, олово, сурьма), а совместно с ними можно извлекать еще более 60 компонентов (редкие, редкоземельные и благородные металлы). На предприятиях цветной металлургии попутно производится 30% серы, 10% цинка, меди, свинца.

Комплексное использование  сырья достигается его обогащением, а также разнообразной химической переработкой сложного сырья с последовательным выделением его компонентов. В результате из одной горной породы извлекаются различные металлы, неметаллы, кислоты, соли, строительные материалы.

Примером комплексного использования  твердого топлива, состоящего из сложной  смеси органических веществ, может служить коксохимическое производство, где из углей разных марок помимо кокса и коксового (светильного) газа получают аммиак, сероуглерод, различные органические соединения для получения пластмасс, химических волокон, красителей, взрывчатых веществ и лекарственных препаратов. Из газов, получающихся при нефтепереработке, можно так же получить метан, этан, пропан, бутан, пентан, этилен, пропилен, бутилен, ацетилен, сероводород и многие другие газы, являющиеся ценнейшим сырьем для получения пластмасс, каучука, химических волокон, серной кислоты, красителей и лекарств.

Таким образом, комплексное  использование сырья позволяет  получить не только основной компонент, но и ряд сопутствующих материалов, т.е. более широкий спектр продуктов.

 

2.3. Общая характеристика сырьевой базы России.

Советский Союз обладал практически  всеми видами полезных ископаемых, но после его распада мы почти  полностью лишились запасов таких стратегически важных элементов, как хром, марганец, титан, цирконий, стронций и др. Резко сократился сырьевой потенциал по золоту, урану, алюминию. И хотя исследования подтверждают наличие этих ископаемых в недрах России, залегают они либо в труднодоступных регионах нашего Севера и Востока, либо в таких типах руд, для переработки которых мы не имеем сегодня промышленной технологии.

В то же время Россия является одним из крупнейших в мире продуцентов минерального сырья и его запасов. Сырьевые отрасли в современной России играют ведущую роль в экономике и дают 1/3 ВВП. За счет производства минерального сырья и продукции его первичной переработки обеспечивается более 50% поступлений в свободно конвертируемой валюте. На предприятиях по производству промышленного сырья в России занято более 30% промышленно-производственного персонала (ППП). На Россию приходится 22% лесных ресурсов и 20% пресных вод мира, 16% всех природных минерально-сырьевых ресурсов мира, в том числе 32% газа (первое место в мире), 12% нефти, 12% угля (28% – с учётом прогнозных ресурсов), по запасам золота у нас третье место в мире. Доля России в мировых запасах железа свыше 27%, никеля – 36%, меди – 11%, кобальта – 20%, олова – 12%, цинка – 16%, металлов платиновой группы – 40%. Стоимость сырья, ежегодно извлекаемого из недр России, по ценам мирового рынка составляет от 95 до 105 млрд. долларов. Из наших недр извлекается около 30% мирового объема природного газа, 10% нефти, 12% железной руды, 22% никеля и кобальта.

Следует отметить, что запасы разрабатываемых залежей иссякают. На состоянии добывающих отраслей сказывается как сокращение геологоразведочных работ (рис.1), так и состояние технологического парка оборудования в отрасли. Сокращение финансирования геологоразведочных работ из федерального бюджета привело к перераспределению геологоразведочных работ преимущественно на энергетическое сырье и золото. Прирост вновь разведанных запасов почти по всем видам полезных ископаемых отстает от объемов добычи. Распад СССР привел к разрыву хозяйственно-технологических связей в отраслях экономики. Это привело к сокращению транспортных потоков минерального сырья между странами СНГ: угля и железной руды из Казахстана в Россию, урана из Узбекистана, хрома с Украины, сурьмы из России в Киргизию, марганца из Грузии и т.д., т.е. нарушилась вертикальная интеграция от минеральных ресурсов до выпуска металла и металлопродукции. В последние годы положение несколько улучшается – в ряде отраслей происходит вертикальная интеграция и восстановление хозяйственно-технологических связей между предприятиями.

 

 

 

Рис.1 Распределение геологоразведочных работ по видам полезных ископаемых (а) и глубокое разведочное бурение (б)

 

3. Основные технологии добычи, подготовки и обогащения сырья.

Добыча сырья. Способ добычи сырьевых материалов определяется технико-экономическими факторами, зависящими от вида и свойств минерального сырья, климатических условий и геологических особенностей расположения месторождения.

Разработка  месторождения (карьера) включает в  себя два вида работ:

- подготовительный, в который входит удаление  в летнее время верхнего слоя  почвы, растительности, устройство  водоотводных канав и подъездных  дорог к карьеру, удаление вскрышных  пород (пород, закрывающих необходимое  для добычи сырье) в отвал;

- добычу  сырья, состоящую в извлечении  его из массива, погрузке и  транспортировании к месту потребления  или хранения.

Добычу  глин и каолинов осуществляют главным  образом открытым способом, т. е. удаляют  вскрышную породу и далее выбирают полезные сырьевые материалы. Добыча этим способом может быть полностью механизирована. Вскрышные породы удаляют с помощью  типового оборудования по нескольким вариантам. Например, одноковшовый экскаватор — автосамосвал — бульдозер или  многоковшовый экскаватор — ленточный  конвейер и др. Таким же образом  выбирают и транспортируют полезное сырье.

В зимнее время глину добывают, применяя различные  способы утепления: укрытие фронта разработки толстым слоем утепляющего  материала (торф, солома, опилки), сжигание дешевых сортов угля, торфа на поверхности  разрабатываемого участка карьера, разрыхление поверхностного слоя разрабатываемого участка с последующей засыпкой слоем бурого угля и сжиганием  его. В районах с суровыми климатическими условиями и при наличии большой  мощности добываемого пласта используют передвижные или постоянные закрытые помещения — тепляки, оборудованные  калориферами, которые обогревают закрытый участок добычи. В передвижных  тепляках перекрытие из ферм смонтировано на катках и перемещается по рельсам.

При добыче плотных и прочных пород (полевой шпат, жильный кварц, доломит  и др.) применяют предварительное  их разрыхление буровзрывными операциями.

Обогащение сырья. Для очистки от посторонних примесей и включений применяют обогащение минерального сырья, основными методами которого являются: рудоразработка, гравитационный, классификация по крупности, флотация, электромагнитная сепарация и термическая очистка.

Рудоразработку осуществляют ручной сортировкой сырья на движущемся ленточном конвейере, при этом 1 используется различие в цвете полезных и примесных минералов и пород.

Гравитационный метод основан на различии в скорости движения частиц сырьевых материалов в жидкостях или газах под действием центробежных сил в центрифугах, аэро- и гидроциклонах, концентрационных желобах.

Классификацию по крупности производят выборочным дроблением и измельчением сырья.