Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние уровня развития теории и практики технологии кучного выщелачивания золота из руд 10
1.1 Анализ патентной информации и технических решений в области кучного выщелачивания в условиях низких температур 10
1.2 Анализ практики применения кучного выщелачивания золота в условиях низких температур на отечественных и зарубежных предприятиях 19
1.3 Состояние и перспективы использования кучного выщелачивания золота в Забайкалье 28
1.4 Климатические, геокриологические и горно-геологические условия Савкинского месторождения, как объекта кучного выщелачивания на территории Забайкалья 32
1.5 Цель и задачи исследований 38
Глава 2. Лабораторные исследования теплового режима рудного штабеля при его прогреве источником внешнего тепла 39
2.1 Методика проведения исследований 39
2.2 Обоснование прогрева рудного штабеля внешним теплоносителем 40
2.3 Экспериментальные исследования на лабораторном стенде 42
2.3.1 Методика отбора проб руды и изучение ее физических свойств 42
2.3.2 Экспериментальные исследования теплового режима на лабораторном стенде 44
2.4 Аналитическая обработка и интерпретация полученных данных 53
2.5 Математическая обработка данных моделирования 66
2.6 Выводы 70
Глава 3. Компьютерное моделирование теплового режима рудного штабеля при кучном выщелачивании в условиях низких температур 71
3.1 Теплофизические параметры, как комплексный критерий, определяю з щий тепловой режим в рудном штабеле 71
3.2 Компьютерное моделирование теплового режима в рудном штабеле 75
3.3 Интерпретация данных моделирования тепловых режимов рудного штабеля 84
3.4 Выводы 88
Глава 4. Обоснование и разработка технологии круглогодичного кучного выщелачивания золота в условиях низких температур 89
4.1 Разработка технического решения для эффективного круглогодичного кучного выщелачивания золота 90
4.2 Обоснование рациональных конструктивных и технологических параметров рудного штабеля 93
4.3 Оптимизация режимов работы предложенного технического решения 100
4.4 Выводы 106
Глава 5. Технико-экономическая оценка круглогодичного кучного выщелачивания золота 107
5.1 Технико-экономическая оценка способов продления сезона KB 108
5.2 Разработка методики предварительной экспресс-оценки экономической эффективности круглогодичного KB 113
5.3 Технико-экономическое сравнение сезонного и круглогодичного кучного выщелачивания золотосодержащих руд Савкинского месторождения 124
5.4 Выводы 130
Заключение 132
Список литературы
- Анализ практики применения кучного выщелачивания золота в условиях низких температур на отечественных и зарубежных предприятиях
- Экспериментальные исследования на лабораторном стенде
- Компьютерное моделирование теплового режима в рудном штабеле
- Обоснование рациональных конструктивных и технологических параметров рудного штабеля
Анализ практики применения кучного выщелачивания золота в условиях низких температур на отечественных и зарубежных предприятиях
Анализ патентной информации по способам кучного выщелачивания при низких температурах (как самих горных пород рудного штабеля, так и окружающего его атмосферного воздуха) Е 21В 43/28, С 22 В 3/08 показал, что имеющийся банк данных технических решений в Российской Федерации сравнительно небольшой. К числу основных держателей разработанных технических решений относятся Институт горного дела Севера СО РАН, Институт горного дела СО РАН, ОАО «Иргиредмет», Институт космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения РАН, Московский институт стали и сплавов (технологический университет), Российский университет Дружбы народов, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Забайкальский государственный университет (ЧитГУ) и другие.
Наиболее значимые патентно-защищенные технические решения в области KB при отрицательных температурах вовлечены в анализ для вычленения удачных приемов, для создания эффективной технологии круглогодичного КВ.
Хабировым В.В. и др. [52] предложен способ KB металлов при отрицательной температуре с выщелачиванием пленочными растворами (рисунок 1.1). В выемке 1 формируют антифильтрационный слой 2, на нем перфорированный трубопровод 3. Затем формируют штабель 4 пород с чашеобразной поверхностью 5. В зимний период времени подают в трубопровод реагенты в режиме отсутствия объемных вод. При этом реагенты мигрируют в виде пленок вверх под действием температурного градиента и выщелачивают металл. Металлоносные растворы заполняют поверхностную чашу, образуя ледяную линзу, лед из которой периоди 11 чески удаляют и отправляют на ГМЗ. В теплый период направление миграции меняется: реагент подают на поверхность штабеля, а трубопровод служит раство роприемником.
Движение пленочных растворов под действием осмотических сил имеет место, однако скорость его будет существенно ниже, чем при свободной фильтрации при орошении штабеля. Кроме того, в течение зимнего времени произойдет полное промерзание штабеля, что осложнит процесс выщелачивания в летний период.
Аналогичное, в техническом плане, решение предлагает Воробьев А. В. и др. [53]. Оно отличается тем, что при отрицательных температурах окружающей среды в штабель подают реагенты, растворяющие металлы в форме ионов с наименьшей степенью валентности.
ОАО «Иргиредмет» (авторы Татаринов А. П. и др. [54]) запатентовал способ извлечения золота из глинистых руд, в котором на стадию агломерации подаются глинистые золотосодержащие руды в мерзлом состоянии, что позволяет снизить затраты на окомкование за счет снижения количества стадий (оттайка пород, смачивание и т.д.). Иными словами подготовка к выщелачиванию может вестись в период отрицательных температур.
АО «Союзцветметавтоматика» (авторы Кирпищиков С. П. и др. [55, 56]) запатентовало ряд разработок по комбинированным способам переработки золотосодержащих руд и отвальных продуктов в районах Крайнего Севера. В своих па 12 тентах они ссылаются на использование чанового выщелачивания с подогревом чанов водой. Данный способ выщелачивания требует значительных затрат на приобретения дополнительного оборудования - чанов, трубопроводов, нагревательных элементов и т.д. Также следует отметить, что при данном способе объем перерабатываемых руд будет небольшим или же потребуется большое количество чанов.
ИГДС СО РАН (авторы Васильев П. Н. и др. [57]) запатентовал способ KB металлов в условиях многолетней мерзлоты (рисунок 1.2). На участке І, выбранном для KB, в теплое время года оттаявший грунт 2 извлекают и размещают за пределами участка, обваловывая будущий штабель выщелачиваемых пород. По мере оттайки эту операцию повторяют до тех пор, пока чашеобразная выемка 3 не разместится ниже границы сезонного протаивания 4 в зоне многолетней мерзлоты 5. При этом выемке придают чашеобразную форму. В месте с минимальной отметкой размещают оборудование 6 для откачки продуктивного раствора в процессе выщелачивания. Затем чашеобразную выемку заполняют выщелачиваемыми породами и формируют из них штабель 7. Процесс выщелачивания металлов начинают до наступления холодного времени года подачей в штабель растворов реагентов. Продуктивные растворы откачивают при помощи оборудования, которое в течение всего процесса выщелачивания находится в талой зоне с положительными или даже отрицательными температурами. При наступлении отрицательных температур штабель начинает замерзать с поверхности, а граница замерзших пород штабеля 8 - фронт промерзания - перемещаться все ниже, оттесняя раствор, повышая его концентрацию и создавая напорное давление в поровом растворе внутри штабеля. Это усиливает интенсивность процесса выщелачивания и способствует более полному извлечению полезных компонентов. После окончания выщелачивания металлов и откачки всего продуктивного раствора оборудование извлекают из штабеля. Впоследствии все породы штабеля и грунт, находящийся под ним, промерзают. Остатки растворов реагентов и продуктивных рас 13 творов в нижней части штабеля и даже не замерзшие локализуются в углублении, далее не распространяются и не наносят вреда окружающей среде.
Экспериментальные исследования на лабораторном стенде
Целью аналитической обработки данных экспериментов является определение оптимальных характеристик и пространственного размещения отдельных элементов установки по прогреву горной массы. Кроме того аналитические исследования позволят оценить возможность применения теплофизического моделирования для полноразмерного штабеля [4]. Аналитические работы выполнялись в программной среде ANSYS Workbench. Создание трехмерных моделей произведено в AutoCAD с размерами, соответствующими лабораторному стенду. Моделирование произведено по каждому эксперименту, модель представляет собой полноразмерную трехмерную виртуальную копию лабораторного стенда. Графические изображения (далее по тексту) представляют собой поперечный разрез модели в вертикальной плоскости.
Значения теплофизических характеристик материалов, использованных при моделировании, приведено в таблице 2.6. Таблица 2.6. - Теплофизические характеристики материалов, использованных при моделировании Элемент моделирования Теплоемкость, Дж/(кг-С) Теплопроводность, Вт/(мС) Рудная масса 790 2,35 Теплоизоляция 840 0,04 Теплоноситель (воздух) 1042 0,026 В качестве начальных температур пород и значений суточных колебаний температур атмосферного воздуха использованы соответствующие показатели экспериментов. Воздействие наружных температур учитывалось на внешних поверхностях теплоизоляции.
В качестве передачи тепла через трубы воздухом принята конвективная теплопередача, основными показателями моделирования которой являются периоды подачи воздуха, его температура и коэффициент теплоотдачи. Периоды подачи теплоносителя и его температура соответствует данным экспериментов. Коэффициент теплоотдачи определен по формуле где: qreH - объем подачи воздуха в трубу, м /с; 5сеч - площадь сечения трубы, м .
Коэффициент, учитывающий шероховатость (перфорацию) принят равным 1,88 (определяется по номограмме), то есть увеличивает теплоотдачу за счет перфорации на 88 % [26]. Производительность теплогенератора, задействованного при проведении экспериментов, согласно паспорту 0,5 м /час (0,0083 м /с). Пло 9 9 щадь сечения трубы 9 см (0,0009 м ). Скорость потока воздуха равняется 9,2 м/с. Таким образом, итоговое значение коэффициента теплоотдачи равно 80 Вт/(м2-С).
Во время отключения подачи теплоносителя происходит постепенное охлаждение горной массы через трубу (даже при теплоизоляции входного патрубка). Для моделирования этого процесса произведены расчеты аналогичные подаче те-пла. При этом коэффициент теплоотдачи принят равным 10,5 Вт/(м С) - скорость поступления воздуха равна 0 м/с, а температура теплоносителя принята равной температуре атмосферного воздуха.
Аналитическое моделирование по результатам эксперимента № 1 (рисунок 2.5). При температуре подаваемого воздуха 50 С, при начальной температуре -20 С (средняя температура на датчиках по первому эксперименту), процесс прогрева идет относительно низкими темпами. По прошествии часа (рисунок 2.5 а) на датчике № 1 превышение значения температуры составляет 2 С и в абсолютном значении равно -16 С. В целом идет прогрев первых сантиметров околотрубного пространства.
После 5 часов (рисунок 2.5 б) объем прогретой рудной массы по-прежнему невелик и составляет менее 5 % от общего объема пород. Заметен рост температуры в районе датчика № 3 в 250 мм от трубы. Значение температуры на датчике № 1 равно -5,4 С.
После 9 часов (рисунок 2.5 в) подачи теплоносителя температура на датчике № 1 стала положительной. Доля горных пород с положительными температурами составляет около 10 % от общего объема. Повышение температуры на дат №1
Результаты моделирования эксперимента № 1 чиках № 2 и № 4 составляет около -2...-3 С, в абсолютном отношении -17,6 и -16,7 С. Наблюдается небольшое увеличение радиального распространения тепла в верхней части моделируемого объема, это связано с конвекцией нагретого воздуха и дополнительным прогревом верхних горизонтов. Данные температуры актуализированы на момент остановки подачи теплоносителя. Далее моделировался прогрев горной массы посредством массопереноса, от прогретой части к мерзлой.
После 27 часов 45 минут (рисунок 2.5 г) после начала прогрева и после 18 часов 45 минут после его остановки в горной массе установился практически равномерный режим температуры, составляющий около -9 С. Небольшое снижение температур наблюдается в области перфорированной трубы за счет привноса через нее холодного воздуха.
По результатам данного моделирования можно сделать следующие основные выводы:
Подача теплоносителя с температурой 50 С в значительный объем горных пород не целесообразна, так как не обеспечивает в должной мере прогрев, или же для достижения необходимого теплового режима потребуется значительные затраты времени, соразмерные с продолжительностью периода с отрицательными температурами. Данная температура теплоносителя подходит для периодической подачи его в разогретый рудный штабель для поддержания в нем оптимального теплового режима.
Относительно небольшая мощность слоя теплоизоляции (50 мм) обеспечивает приемлемый уровень снижения теплопотерь и, в течение суток и более, позволяет поддерживать высокий градиент температур на контакте рудной массы и атмосферы (рисунок 2.5 г). Это подтверждается не только моделированием, но и проведенными экспериментами.
Компьютерное моделирование теплового режима в рудном штабеле
При выборе основания придерживаться постоянно используемых площадок (ПИП [36, 114]), то есть сооруженных из прочных материалов. Их использование не только увеличивает капитальные затраты, но и повышает механическую надежность основания, увеличивает полноту сбора продуктивных растворов и экологическую безопасность.
По возможности необходимо сооружать штабель в таликах, либо зауглуб-лять ниже слоя сезонного промерзания грунтов (кюветное KB). При необходимости сооружения основания в многолетнемерзлых горных породах, кроме сопутствующих этому традиционных инженерных мероприятий, необходимо тщательно защищать и основание, и нижележащие многолетнемерзлые породы от взаимного негативного влияния, используя для этого материалы с высокими теплоизоляционными свойствами.
Использование в качестве материала основания керамзито- и пенобетона значительно уменьшает коэффициент теплопроводности, что способствует улучшению теплозащитных характеристик штабеля. Но, с другой стороны, бетоны с такими видами заполнителей обладают более низкими прочностными показателями, что потребует при сооружении основания значительной толщины и армирования, увеличивая тем самым стоимость строительства. Возможным решением может стать комбинирование бетонов прочных марок (М450, М550) и керамзито-пенобетонов.
Если основание все же допускает промерзание, необходимо использовать подогрев, чтобы не допустить замерзание продуктивных растворов в нижних горизонтах штабеля. Прогрев основания целесообразно проводить до t О С, что бы снизить затраты на излишний подогрев растворов. Не менее важным при KB в условиях низких температур является и теплозащитное покрытие. Рассмотрим основные материалы, используемые для покрытия штабелей в холодный период (таблица 3.2) и определим их необходимую мощность h — Заб Х т , (3-3) где: h - необходимая мощность теплозащитного покрытия для достижения температуры в штабеле (без прогрева) заданной температуры, м;
Для исключения промерзания необходимая мощность насыпного слоя по ним велика и соответствует мощности сезонного промерзания грунта в районах отсутствия многолетней мерзлоты. Для поддержания температуры в штабеле 14 С мощность этих материалов возрастает до соизмеримости их с высотой штабеля. На практике их использование возможно только в районах с достаточно мягким климатом, малой продолжительностью периода низких температур. В условиях Забайкалья данные материалы неэффективны и могут применяться только для продления сезона.
Непосредственно общестроительные теплоизоляторы требуют затрат времени и средств на монтаж, но они в десятки раз эффективнее горных пород и сне-га. Для укрытия штабеля объемом 100 тыс. т необходимо около 2000 м теплоизоляции. Выбор конкретного материала должен обуславливаться его доступностью, а также повторностью использования (порча пенопласта при демонтаже экрана составляет около 50 %). Некоторые типы теплоизоляции обладают высокой абсорбцией, что при высокой влажности в штабеле приведет к снижению ее эффективности, а его использование потребует применение паро- и гидроизоляции.
Немаловажным условием для успешной тепловой защиты штабеля при KB в условиях низких температур являются так называемые «температурные мосты» -локальные участки конструкции, способствующие распространению низкой температуры внутрь штабеля. Типичным температурным мостом будет являться зона контакта теплозащитного покрытия и основания (нижняя часть откосов), как видно из компьютерного моделирование непосредственно с этого участка начинается промерзание штабеля. Также подобные эффекты могут происходить в местах некачественного соединения листов (рулонов) теплоизоляции и по трубопроводам системы орошения, при отсутствии их теплозащиты.
По результатам моделирования при заложении источников тепла только в центральных частях штабеля, видно, что откосная часть практически полностью промерзает. В случаях при моделировании штабеля с размерами 40x40 м объем замороженного материала составляет 40 %, он будет уменьшаться при увеличении штабеля (20 % при размере 100x100 м), оставаясь, тем не менее, достаточно большим. Следовательно, необходимо дополнительное расположение источников тепла непосредственно в откосах штабеля.
При сдерживании основанием низкой температуры подстилающих пород необходимость расположения источников тепла на протяжении всей высоты штабеля отпадает, так как на нижних горизонтах сохраняется положительный тепловой режим. Кроме того тепловая энергия выщелачивающих растворов будет вместе с ними передаваться вниз, дополнительно прогревая нижнюю часть штабеля. В тоже время верхняя часть промерзает гораздо быстрее, источники тепла должны быть приурочены именно к поверхности штабеля. Дополнительная польза от такого размещения нагревательных элементов состоит в том, что часть конвекци 88 онного теплового потока от них будет стремиться вверх и частично накапливаться под теплозащитным покрытием.
Обоснование рациональных конструктивных и технологических параметров рудного штабеля
Исходя из того, что климатические, геокриологические и другие условия изначально определены на территории Забайкальского края, можно составить схематическую карту суммарного коэффициента условий (рисунок 5.3).
Годовые непрогнозируемые колебания одних коэффициентов вызовут колебания других и в долгосрочной перспективе взаимно уравновесят друг друга. Этот факт характеризует возможность учитывать коэффициент условий при технико-экономических расчетах как относительно постоянный, иными словами, коэффициент условий - константа.
Увеличение продолжительности сезона повышает запас финансовой прочности предприятия, так как продление сезона KB можно рассматривать как процесс инновации и модернизации предприятия, т.е. получение дополнительной прибыли путем снижения удельной себестоимости, за счет экономии на постоянных издержках предприятия при увеличении объема производства - силы воздействия производственного рычага (производственный леверидж, СВПР).
С другой стороны, продление сезона существенно увеличивает риск неудачи технической составляющей деятельности предприятия - отсутствие отладки технологии KB в условиях отрицательных температур может привести к полной остановке процесса выщелачивания и потери значительного времени и финансовых средств. Кроме того, как было замечено раннее, предприятия понесет дополнительные затраты на выпуск золота при работе в зимнее время.
Схематическая карта суммарного коэффициента условий на территории Забайкальского края Характерной особенностью экономики продления сезона KB на предприятии является взаимодействие двух разнонаправленных экономических сил: положительной - снижение удельной себестоимости получения золота за счет сни 118 жения доли постоянных затрат (эффект масштаба), и отрицательной - увеличение себестоимости за счет роста переменных издержек на дополнительные мероприятия.
С точки зрения финансового менеджмента, издержки (затраты) предприятия подразделяются на две категории: постоянные (fixed cost, FC) и переменные (variable costs, VC).
Постоянные издержки - это те, которые не зависят от объема выпускаемой продукции. К ним следует отнести затраты, связанные с погашением кредитов и выплаты процентов по ним, арендой земли и помещений, амортизацией средств труда, выплатой зарплаты руководителям и некоторые другие.
Переменные же издержки - это те, величина которых связана с изменением объема производства продукции. К ним следует отнести затраты на приобретение сырья, материалов, топлива, энергии, выплаты зарплаты работникам предприятия.
Тогда себестоимость продукции при сезонном режиме работ можно представить как сумму издержек Сс = FC + VC , (5.4) где: Сс - себестоимость продукции при сезонном режиме работ, руб; FC и VC - постоянные и переменные издержки соответственно, руб. Как видно из рисунка 5.4 годовой цикл функционирования предприятия состоит из двух периодов - работы в сезон положительных и отрицательных темпе 120 ратур. Причем удельная себестоимость работ в период отрицательных температур увеличивается относительно себестоимости периода положительных температур. Тогда себестоимость годового цикла предприятия можно представить как Сг = FC + VC + Ky(VCr - VQKn , (5.5) где: Сг - себестоимость продукции при круглогодичном KB, руб; Ку - суммарный коэффициент условий (ф. 5.1); VCr - переменные издержки годового цикла KB, руб. Постоянные издержки (FC) не зависят от продолжительности сезона работы и объема производства, поэтому учитываются один раз, выражение (VCr - VC) характеризует переменные издержки в период отрицательных температур.
Исходя из того, что увеличение переменных издержек прямо пропорционально объему производства VCr рассчитывается как
Зная принцип распределения себестоимости круглогодичного KB, представим выражение для нахождения критического коэффициента условий первого рода, при котором предприятие, решившее вывести работу на круглогодичный цикл, сохранит тот же объем прибыли в активе: П - прибыль (здесь и далее имеется в иду балансовая прибыль, без вычета налогов взимаемых с прибыли) предприятия при сезонном режиме работы, руб.
Если на предприятии доля постоянных издержек сравнительно невелика, то есть операционный (производственный) леверидж относительно низок, для определения предельного критического коэффициента первого рода можно использовать следующее выражение:
Выражение Кук = 1 + R применимо для определения «визуального» уровня границы затрат, так как даже незначительное увеличение доли постоянных затрат потенциально позволяет высвободить значительное количество денежных средств при увеличении объема производства. Так, например, увеличение доли постоянных затрат на 1 % ведет к росту Кук на 10-15 % (в зависимости от значения рентабельности).
Аналогично можно представить выражение для нахождения критического коэффициента условий второго рода, при котором предприятие, решившее вывести работу на круглогодичный цикл, выйдет на нулевую рентабельность (то есть коэффициент условий в точке безубыточности):
Если на предприятии доля постоянных издержек сравнительно невелика, то есть операционный (производственный) леверидж относительно низок, для опре 122 деления предельного критического коэффициента второго рода можно использовать следующее выражение: