Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Отходообразование в горно-добывающей и горно перерабатывающей промышленностях 11
1.1 Образование отходов при функционировании горно-добывающих предприятий 13
1.2 Образование отходов при функционировании предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК) 15
1.3 Образование отходов при функционировании предприятий металлургического комплекса 18
1.3.1 Цветная металлургия 18
1.3.1.1 Медная подотрасль 18
1.3.1.2 Никель-кобальтовая подотрасль 20
1.3.1.3 Оловянная подотрасль 21
1.3.1.4 Алюминиевая подотрасль 23
1.3.1.5 Свинцово-цинковая подотрасль 24
1.3.1.6 Золотоперерабатывающая подотрасль 25
1.3.1.7 Вольфрамомолибденовая подотрасль 26
1.3.2 Черная металлургия 27
1.4 Цинк-железосодержащие отходы предприятий горно перерабатывающей промышленности и способы их переработки 30
Выводы к первой главе 45
ГЛАВА 2 Воздействие накопителей пылевидных цинк железосодержащих отходов на компоненты окружающей природной среды 46
2.1 Исследование пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно перерабатывающего предприятия 48
2.1.1 Анализ отобранных проб цинк-железосодержащих отходов 49
2.1.2 Определение класса опасности пылевидных цинк-железосодержащих отходов 53
2.1.2.1 Определение класса опасности отхода расчетным методом 54
2.1.2.2 Определение класса опасности отхода методом биотестирования 58
2.2 Воздействие цинк-железосодержащих отходов на окружающую природную среду 63
2.2.1 Воздействие цинк-железосодержащих отходов на атмосферный воздух 63
2.2.2 Воздействие цинк-железосодержащих отходов на почвогрунты 64
2.2.3 Воздействие цинк-железосодержащих отходов на грунтовые воды
2.2.3.1 Моделирование процесса растворения металлов из пылевидных цинк-железосодержащих отходов 70
2.2.3.2 Определение воздействия объекта хранения пылевидных цинк-железосодержащих отходов на грунтовые воды 75
Выводы ко второй главе 79
ГЛАВА 3 Выбор способа переработки пылевидных цинк железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий 80
3.1 Способы извлечения цинка и сопутствующих ему компонентов из пылевидных цинк-железосодержащих отходов 80
3.1.1 Пирометаллургические способы 80
3.1.2 Гидрометаллургические способы
3.2 Выбор способа извлечения цинка и сопутствующих ему компонентов из пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий 90
3.3 Расчет термодинамических характеристик аммиачно-хлоридного выщелачивания пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий 94
3.4 Определение оптимальных условий процесса аммиачно-хлоридного выщелачивания цинк-железосодержащих отходов 97
Выводы к третьей главе 108
ГЛАВА 4 Разработка принципиальной технологической схемы выщелачивания пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий 109
4.1 Разработка принципиальной технологической и аппаратурно-технологической схем 109
4.2 Экономическое обоснование и расчет экономической эффективности типового проекта утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов предприятий горно-перерабатывающей промышленности
4.2.1 Методология расчета показателей, характеризующих финансово-хозяйственную деятельность 119
4.2.2 Расчет экономической эффективности 123
4.2.3 Расчет предотвращенного экологического ущерба 129
Выводы к четвертой главе 133
Заключение 134
Список литературы 136
- Никель-кобальтовая подотрасль
- Определение класса опасности пылевидных цинк-железосодержащих отходов
- Гидрометаллургические способы
- Методология расчета показателей, характеризующих финансово-хозяйственную деятельность
Введение к работе
Актуальность исследования. Функционирование
предприятий горно-перерабатывающей промышленности
Российской Федерации сопровождается ежегодным образованием
более 2 млрд. т твердых промышленных отходов, одними наиболее
опасными из которых являются пылевидные цинк-
железосодержащие отходы, что обуславливается их
тонкодисперсностью и полиэлементным составом. Их образование составляет около 200 тыс. т в год. При этом они представляют собой крупный сырьевой источник для производства черных и цветных металлов, сопоставимый по содержанию полезных компонентов с природными месторождениями.
Последствия складирования пылевидных цинк-
железосодержащих отходов заключаются в потере ценных компонентов и загрязнении компонентов окружающей природной среды, при этом происходит формирование атмо-, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения.
В связи с этим решение вопросов повторного использования
цинк-железосодержащих отходов предприятий горно-
перерабатывающей промышленности становится одной из
актуальных проблем.
Большое внимание определению состава и свойств пылевидных цинк-железосодержащих отходов уделялось такими учеными как Хилько А.А., Джалканен Г., Стовпченко А.П. и другими. Оценка воздействия хранилищей отходов на компоненты окружающей среды проводились Фоменко А.И., Кашивой И., Кузнецовым Л.Н. В развитие технологии утилизации цинк-железосодержащих пылевидных отходов существенный вклад внесли Симонян Л.М., Камкина Л.В., Волохонский Л.А., Наиринда Р.Л., Саерт Ф. Тем не менее, несмотря на негативное воздействие отходов на окружающую среду, ограниченные возможности по расширению объемов накопителей, до сих пор не разработаны технологические решения, позволяющие с высокой эколого-экономической эффективностью их утилизировать.
Цель работы - снижение техногенной нагрузки на
окружающую природную среду путем утилизации накопленных
пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-
перерабатывающих предприятий.
Идея работы: утилизацию пылевидных цинк-
железосодержащих отходов следует осуществлять
гидрометаллургическим способом путем аммиачно-хлоридного
выщелачивания.
Основные задачи исследований:
анализ экологической обстановки, сложившейся под воздействием антропогенной нагрузки, на территориях размещения накопителей пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий;
исследования трансформации соединений пылевидных цинк-железосодержащих отходов в зоне гипергенеза;
оценка техногенного ущерба, наносимого накопителями отходов природным экосистемам;
анализ существующих способов извлечения ценных компонентов из цинк-железосодержащего сырья;
разработка технологической схемы утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий;
эколого-экономическое обоснование эффективности предлагаемого природоохранного мероприятия.
Научная новизна:
-
Выявлены закономерности водной миграции железа, цинка, марганца, меди, свинца с территории накопителей пылевидных цинк-железосодержащих отходов, а также трансформации физико-химического состава грунтовых вод района размещения отходов.
-
Установлены закономерности извлечения полезных компонентов из пылевидных цинк-железосодержащих отходов при хлоридно-аммиачном выщелачивании в зависимости от концентрации исходного раствора, температуры и продолжительности процесса.
Основные защищаемые положения:
-
Складирование пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий в зоне активного гипергенеза вследствие отсутствия технической защищенности подстилающих хранилище грунтов и подземных вод, а также низких значений рН атмосферных осадков приводит к переходу загрязняющих компонентов отхода в водорастворимое состояние и формированию гидрогеохимических ореолов загрязнения железом, цинком, медью, марганцем, свинцом.
-
Снижение нагрузки на окружающую природную среду должно достигаться путем утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов с извлечением цинка до 97 % гидрометаллургическим способом с использованием раствора хлорида аммония концентрацией 250 г/дм3 при температуре 80 С и давлении 0,4 МПа.
-
Утилизация пылевидных цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий должна осуществляться в соответствии со следующей технологической схемой: хлоридно-аммиачное выщелачивание - фильтрация пульпы - карбонизация раствора - отделение осадка от аммиачного раствора с получением цинкового концентрата и железосодержащего остатка (кека).
Методы исследований. В качестве основных методов применялись:
системно-структурный анализ зоны воздействия накопителей цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности;
системный анализ способов утилизации цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий;
физическое моделирование процесса утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов;
лабораторные методы исследований (рентгенофлуоресцентная спектрометрия, рентгеновская дифрактометрия, гранулометрия, оптическая микроскопия, атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная спектрометрия, термические методы анализа).
Практическая значимость исследований:
выполнена оценка техногенной нагрузки накопителя пылевидных цинк-железосодержащих отходов на компоненты окружающей природной среды;
разработан способ извлечения цинка, кадмия, свинца из цинк-железосодержащих отходов;
предложена аппаратурно-технологическая схема утилизации цинк-железосодержащих отходов горно-перерабатывающих предприятий;
обоснована эколого-экономическая целесообразность использования разработанного способа утилизации отходов.
Достоверность и обоснованность научных положений,
выводов обеспечивается использованием значительного количества
исходных данных, а также проведением лабораторных исследований
с применением современного высокотехнологического
оборудования. Проведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты согласуются и дополняют новейшие данные по утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов, опубликованные другими авторами.
Апробация работы. Материалы диссертации включены в
состав проекта, выполняемого в рамках Федеральной целевой
программы по приоритетному направлению «Рациональное
природопользование», государственное соглашение
№ 14-579.21.0023. Основные и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных и научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на 54-ой международной научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (г. Краков, Польша, 2013 г.), на 5-ой международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука XXI века: новый подход» (г. Петрозаводск, 2013 г.), на Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных (г. Томск, 2013 г.), на 9-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Минск,
2013 г.), на Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2013 г., 2014 г.), на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.), на 11-ой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2015 г.).
Личный вклад автора заключается в постановке цели, формулировке задач, разработке методики исследований; в проведении исследований территории, подвергающейся антропогенному воздействию хранилища отходов; в разработке способа утилизации накопленных пылевидных цинк-железосодержащих отходов; в проведении аналитических и экспериментальных исследований в лабораторных условиях; в оценке эколого-экономической эффективности предлагаемого природоохранного мероприятия.
Реализация работы:
разработанный способ утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов может быть использован при проектировании природоохранных мероприятий ПАО «Северсталь»;
научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при проведении занятий по дисциплинам «Горнопромышленная экология», «Горное дело и окружающая среда», «Отходы производства и потребления».
Публикации.
По теме работы опубликовано 9 печатных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Содержит 165 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 40 таблиц, 5 приложений и список литературы из 109 наименований.
Автор благодарен профессору М.А. Пашкевич за научное руководство работой, доцентам А.Е. Исакову и А.Я. Бодуэн за ценные научные консультации, а также всему коллективу кафедры Геоэкологии Горного университета за практические советы при выполнении и обсуждении работы.
Никель-кобальтовая подотрасль
При хранении отходов добычи полезных ископаемых изымаются значительные земельные территории. Так, например, при подземном и открытом способах добычи угля на каждую тонну добываемого сырья приходится 0,2 – 3,5 м3 вмещающих пород (подземный способ), 2,9 – 4,5 м3 вскрышных пород (открытый способ), что приводит к необходимости отчуждения основной части земельного отвода горного предприятия (более 40 %) под отвалы [7]. Наибольшие площади нарушенных земель, занятые отвалами, приходятся на такие предприятия, как ОАО «Угольная компания «Кузбассразрезуголь» – 578,8 га, ОАО «Сибирская энергетическая угольная компания» (г. Иркутск) – 150,8 га, ОАО «Кузбасская топливная компания» – 120,0 га (г. Кемерово), ЗАО «Распадская угольная компания» (г. Междуреченск ) - 116,0 га.
В результате деятельности Михайловского ГОКа (г. Железногорск, Курская область) общий объем вскрышных пород составляет 143,6 млн. м3 (из них 64,5 млн. м3 - рыхлые породы; 60 млн. м3 – сланцы; 19,1 млн. м3 - окисленные кварциты; 2,5 млн. м3 - скальные породы) [7]. В отвалах Качканарского ГОКа (г. Качканар, Свердловская область) содержится примерно 775 млн. т вскрышных пород, их ежегодный выход составляет около 19 млн. т. На Кольском полуострове во вскрышные отвалы ежегодно поступает до 170 млн. т породы, из них около 23 млн. т - вскрышные породы предприятия ОАО «Апатит» [8]. В то же время остро стоит вопрос размещения отходов и утилизация уже скопившихся в отвалах вскрышных пород комбината ОАО «Магнезит» (г. Сатка, Челябинская область), в которых накоплено свыше 150 млн. тонн вскрышных доломитовых пород [9].
Основным источником образования твердых промышленных отходов ТЭК являются каменные и бурые угли, наиболее массовым потребителем которых являются тепловые электростанции (ТЭС).
Основными направлениями использования углей являются электростанции – 43,8 %, коксовое производство – 14,7 %, население – 3,4 %, коммунальное хозяйство – 4,2 %, агро-промышленный комплекс – 1,0 %, остальные потребители – 23,3 %, экспорт – 9,8 % [10]. Как правило, тепловым электростанциям поставляется уголь более низкого качества, чем другим потребителям. Поэтому ТЭС являются одними из самых крупных источников загрязнения окружающей природной среды золой и шлаками, оксидами углерода, серы и азота. Количество образующихся ежегодно золошлаковых отходов (ЗШО) в различных источниках оценивается по-разному: от 25 до 50 млн. т [6].
В России действуют 172 ТЭС, работающие на угольном топливе. В их золошлакоотвалах в настоящее время накоплено свыше 1,5 млрд. т ЗШО. По данным ЗАО «Агентства по прогнозированию балансов в электроэнергетике», в России используется и утилизируется не более 8 % (1,5 – 2,1 млн. т) годового выхода ЗШО (около 30 млн. т). При этом, территории, занятые золошлакоотвалами по площади уже достигают 28 тыс. га. Увеличение общей мощности тепловых электростанций, вовлечение в топливный баланс различных низкосортных топлив сопровождается прогрессирующим возрастанием массы отходов. Отходы сжигания углей на тепловых электростанциях представляют собой ценное сырье для народного хозяйства и, в первую очередь, для строительной индустрии. Шлаки, составляющие 10 – 20 % этих отходов, являются хорошим заполнителем бетона, используются в дорожном строительстве и для теплоизоляционных засыпок, а зола — в производстве цемента (как активная минеральная добавка к цементу и как компонент цементной сырьевой смеси), газобетона, керамзитобетонов, искусственных пористых заполнителей (аглопоритового и зольного гравия, золокерамзита), силикатного и глиняного кирпича (кремнеземистые добавки).
В соответствии с поручением Правительства РФ от 25.08.1992 г. №ВШ-011-31987 была разработана подпрограмма «Переработка золошлаковых отходов тепловых электростанций», показатели которой были включены в состав Федеральной центральной программы (ФПЦ) «Топливо и энергия», утвержденной Постановлением Правительства РФ от 6.12.1993 г. №1265. Подпрограмма предусматривала строительство 50 установок отбора сухой золы и 10 крупнотоннажных заводов золоаглопоритового гравия [10]. Ее реализация была намечена на 1993 – 2000 гг.
Переработка золошлаковых отходов с 4 млн. т в 1993 г. должна была увеличиться до 40 млн. т в 2000 г., что должно было обеспечить экономию до 15 млн. т цемента и до 20 млн. т природных инертных материалов. Невыполнение ФЦП «Топливо и энергия» (1993 - 2000 гг.) привело к тому, что в ФЦП «Энергоэффективная экономика на 2002 - 2005 гг. и на перспективу до 2015 года» фигурируют все те же 40 млн. т перерабатываемых золошлаковых отходов [11]. При этом, многие золошлакоотвалы находятся в предаварийном состоянии: переполнение, неэффективная работа или отказы дренажей и противофильтрационных устройств, деформация дамб на слабых основаниях, пыление и отсутствие способов борьбы с ним, низкий технический уровень эксплуатации отвалов.
Основные виды воздействия золошлакоотвалов на окружающую среду выражаются в изменениях качества атмосферного воздуха, состоянии почвы и растительности, состояния подземных вод, аварийных прорывах отходов из мест их хранения.
Так, на территории Красноярского края деятельностью ТЭС накоплено более 1,2 млн. т ЗШО, которые взаимодействуя с компонентами окружающей природной среды, загрязняют ее. В таблице 1.5 представлены данные водных вытяжек проб ЗШО, исходя из которых, можно судить о переходе металлов в водорастворимое состояние и загрязнении почвы [6].
Определение класса опасности пылевидных цинк-железосодержащих отходов
Примером образования пылевидных отходов сталеплавильного производства, уловленных системами аспирации и газоочистки, является электросталеплавильное производство (ЭСПП) Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) ОАО «Северсталь». В результате деятельности комбината ежегодно образуется свыше 10 тыс. т данного вида отходов, которые складируется на территории предприятия (рисунок 2.1). Так к концу 2015 года объем накопленных пылевидных отходов ЭСПП составил более 110 тыс. т [33]. Рисунок 2.1 - Накопитель пыли от систем аспирации и газоочистки ЭСПП ОАО «Северсталь»
Для оценки воздействия накопителя пылевидных цинк-железосодержащих отходов ЭСПП на компоненты окружающей природной среды был проведен анализ мониторинговых данных предприятия, а также отобраны пробы данного вида отходов в соответствии с ПНД Ф 12.4.2.1-99 «Отходы минерального происхождения. Рекомендации по отбору и подготовке проб. Общие положения» [34].
Пробы отбирались из лунок глубиной 0,2 - 0,5 м ручным способом с помощью совка. Отобранные точечные пробы на месте соединялись в объединенную.
Для определения качественного и количественного состава, а также крупности частиц отобранного материала были использованы методы рентгенофлуоресцентной спектрометрии и гранулометрии (рентгеновский флуоресцентный спектрометр Thermo Scientific ARL-9900 WorkStation и лазерный анализатор LA-950 (HORIBA) Центра коллективного пользования (ЦКП) Горного Университета). Для уточнения содержания серы, водорода, углерода и азота пробы отхода были проанализированы с использованием термических методов анализа на анализаторе содержания углерода, водорода, азота, серы в твердых образцах LECO CHN 628 с приставкой 628S. Результаты анализа проб пыли ЭСПП представлены в таблицах 2.2 и 2.3
Средний размер частиц 7.89 Минеральный состав проб пылевидных отходов ЭСПП был изучен на оптическом микроскопе Zeiss, химический состав минералов и минеральных фаз был определен на растровом электронном микроскопе CamScan S4 с ЭД спектрометром и системой микроанализа ISIS Oxford Instruments (рисунки 2.2 – 2.9).
Согласно результатам проведенных исследований пылевидные цинк-железосодержащие отходы ЭСПП ОАО «Северсталь» состоят из округлых, каплевидных и неправильной формы частиц магнетита и шпинелеподобных фаз разного состава.
Основными фазами пыли ЭСПП являются оксид цинка (ZnO), феррит цинка (ZnFе204), оксид кремния (Si02), кроме этого в пробе присутствуют магнетит (FeOFe203). Железо в пробе присутствует как в составе кислородсодержащих фаз, так и в виде металлических округлых и каплевидных выделений.
Сульфиды представлены пиритом (FeS2), халькопиритом (CuFeS2), сфалеритом (ZnS), ковеллином (CuS). Их содержание в пробе – 0,4 - 0,6 %. Кроме этого сульфиды присутствуют в форме мономинеральных зерен, в сростках и в виде тонких включений (размером менее 1 - 2 мкм) в оксидах железа.
Основные нерудные минералы – кварц, плагиоклазы, калиевые полевые шпаты, карбонаты, содержание которых варьируется от 6 до 15 %.
В соответствии с Федеральным законом № 89 «Об отходах производства и потребления» отходы, которые получаются в результате осуществления различными предприятиями и организациями своей деятельности, должны быть отнесены к определенному классу опасности, которую они могут представлять по отношению к окружающей среде.
Класс опасности отходов - характеристика относительной экологической опасности отхода, которая устанавливается по степени его возможного негативного воздействия на окружающую среду [35].
Накопитель пыли от систем аспирации и газоочистки ЭСПП является источником поступления в окружающую среду таких элементов, как цинк, железо, медь, кадмий, свинец и других металлов.
В соответствии с приказом Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 4 декабря 2014 г. N 536 «Об утверждении Критериев отнесения отходов к I - V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду» был рассчитан класс опасности пылевидных отходов ЭСПП ОАО «Северсталь» [36]. 2.1.2.1 Определение класса опасности отхода расчетным методом Степень опасности отхода для окружающей среды (К) определяется по сумме степеней опасности веществ, составляющих отход (Кi):
Степень опасности компонента отхода для окружающей среды определяется по формуле: Kt = Ci/Wt (2.2) где C - концентрация i-го компонента в отходе (мг/кг); Wi - коэффициент степени опасности i-го компонента отхода для окружающей среды (мг/кг).
Коэффициентом степени опасности компонента отхода для окружающей среды является показатель, численно равный количеству компонента отхода, ниже значения которого, он не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.
Коэффициент степени опасности компонента отхода для окружающей среды рассчитывается по одной из следующих формул: 4-4/ для 1 2 lgW= 1i для 2 4 (2-3) 2 + 4/(6- ) для 4 5 Zi = 4Xi/3 - 1/3 (2.4) где Zi - унифицированный относительный параметр опасности компонента отхода для окружающей среды; Xi - относительный параметр опасности компонента отхода для окружающей среды.
Относительный параметр опасности компонента отхода для окружающей среды (Xi): n+1 где Bj - значение балла, соответствующее каждому оцененному первичному показателю опасности компонента отхода (таблица 2.5); Binf - значение балла, соответствующее показателю информационного обеспечения системы первичных показателей опасности компонента отхода (таблица 2.6); n - количество оцененных первичных показателей опасности компонента отхода. Таблица 2.5- Первичные показатели опасности компонента отхода N п/п Первичные показателиопасности компонентаотхода Значения, интервалы и характеристикипервичных показателей опасности компонентаотхода для окружающей среды
Гидрометаллургические способы
Из шихтовых бункеров цинк-железосодержащее сырье, уголь и известь конвейером подаются в загрузочное отверстие печи и попадают на поверхность шлаковой ванны.
В ванне при температуре 1500 – 1600 С происходит быстрое плавление цинк-железосодержащего сырья и замешивание угля в барботируемый слой шлака, который образуется при подаче дутья через фурмы нижнего ряда (дутье обеспечивает необходимое барботирование ванны и генерирование тепла в результате неполного сжигания углерода до монооксида углерода). Капли восстановленного в шлаковой ванне железа науглероживаются, укрупняются и опускаются на подину агрегата через зону спокойного шлака. Металл и шлак удаляются из печи через раздельные сифонные устройства [67,68].
Отходящие газы полностью досжигаются атмосферным воздухом в котле-утилизаторе, после поступают на газоочистку. 5. Плазменный процесс СканАрк (ScanArc) с погруженной плазменной струей в открытой ванне (рисунок 3.5).
Необходимый процесс шихтоподготовки включает в себя смешивание цинк железосодержащих отходов со шлакообразующими добавками и восстановителями (кокс, коксовая мелочь и прочее) в заданных пропорциях. Отходы плавятся в турбулизованной жидкой шлаковой ванне, кокс обеспечивает восстановление оксидов металлов. Так, оксид цинка восстанавливается до металлического газообразного цинка, удаляемого с отходящими газами, оксиды железа – до FeO, формируя с песком и известью стекловидный шлак (железо в производственный цикл не возвращается) [69]. Отходящие газы досжигаются в потоке сжатого воздуха непосредственно над шлаковой ванной. При этом, пары цинка переходят в оксид цинка и собираются на фильтрах. Электричество воздух, мазут Стекловидный шлак Полупродукт, содержащий Zn, Cu, Cd и другие металлы Рисунок 3.5 - Схема СканАрк процесса Несмотря на то, что в результате использования пирометаллургических способов переработки цинк-железосодержащих отходов горно перерабатывающих предприятий может быть достигнуто до 98 % извлечения железа, 96,5 % - цинка и сопутствующих ему компонентов, причинами незначительного развития данного способа утилизации являются [70,71,73]: 1) отсутствие плавильного агрегата, способного безотходно перерабатывать цинк-железосодержащие отходы; 2) необходимость предварительного окомковывания, брикетирования отходов, что приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат; 3) извлечение железа необходимо осуществлять в дополнительной электропечи, переплавляющей железо прямого восстановления; 4) необходимость установки современного газоочистного оборудования; 5) трудности улавливания цинка из-за большого объема отходящих газов, при этом уловленный системой газоочистки цинк низкого качества, так как загрязнен примесными компонентами; 6) получаемый при выплавке шлак в настоящее время не находит применения и складируется на площадках хранения отходов.
Выщелачивание – процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов руды, рудного концентрата, отходов в раствор. По данным литературных источников можно выделить несколько способов гидрометаллургической переработки цинк-железосодержащих отходов: 1) щелочное; 2) нейтральное; 3) кислотное; 4) с использованием нетрадиционных растворителей (растворы солей, органические растворители и другие). Переработка отходов с помощью щелочного способа производится в две стадии: 1) пыли (шламы) обрабатываются раствором щелочи (например, раствором NaOH); 2) проводится электролитическое осаждение цинка из раствора []. Перевод в раствор цветных металлов из обрабатываемых материалов с использованием гидроксида натрия в качестве выщелачивающего агента является достаточно эффективным процессом на фоне незначительного растворения железа. Щелочным выщелачиванием в концентрированных растворах гидроксида натрия можно получить насыщенные растворы по цинку, свинцу, хрому, меди. При использовании высоких концентраций щелочи и температур, растворение цинка происходит быстро и извлечение его в раствор может достигать 80 – 85 % [74].
Степень перевода цинка в раствор ограничивает наличие ферритов цинка. Если содержание феррита цинка в пыли высокое, то извлечение цинка остается низким.
Уральским государственным техническим университетом совместно с ОАО «Уралмеханобр» были произведены исследования щелочного способа переработки цинк-железосодержащих отходов [75]. В результате были найдены оптимальные параметры выщелачивания [75, 76], а также был сделан вывод, что щелочной способ применим лишь для отходов с массовой долей цинка не более 1,2 %, так как при повышенном содержании цинка железосодержащий продукт оказывается непригодным к использованию в дальнейшей переработке из-за высокого содержания в нем щелочей [77].
В процессе кислотного выщелачивания цинк-железосодержащие отходы обрабатываются раствором кислоты с последующим извлечением цинка и сопутствующих ему компонентов из раствора и подготовкой железосодержащего остатка к использованию в агло-доменном производстве.
В мировой практике гидрометаллургии цинка технологические схемы для выщелачивания цинк-железосодержащего сырья различаются тремя основными особенностями: способом выщелачивания (непрерывный или периодический), количеством стадий (одно-, двух- и трехстадийные схемы) и кислотным режимом (в зависимости от концентрации кислоты в растворе) [78].
По кислотному режиму технологические схемы выщелачивания можно разделить на стандартные, высококислотные и низкокислотные. Широко практикуется применение стандартной схемы, в которой максимальная концентрация кислоты отработанного электролита, используемого для выщелачивания цинк-железосодержащего сырья, составляет 120 - 170 г/дм3 [79]. Растворы серной кислоты отличаются достаточной активностью, невысокой стоимостью, умеренной агрессивностью. Особенностью этого растворителя является возможность его регенерации при выделении металлов электролизом или осаждением. Эффективность растворов серной кислоты снижается при переработке сырья с повышенным содержанием компонентов основного характера, что приводит к увеличению удельного расхода растворителя и осложняет (исключает) возможность его регенерации [80, 81].
В ОАО «Уралмеханобр» была разработана технология, по которой сернокислотное выщелачивание возможно проводить при любой массовой доли цинка в цинк-железосодержащем сырье [82]. При этом отмечается, что чем выше массовая доля цинка в отходах, тем выше степень его извлечения в цинксодержащий продукт (извлекается до 98 %). Оставшийся обесцинкованный железосодержащий продукт пригоден в использовании в агломерационном производстве, а цинксодержащий продукт - в производстве цемента или в цветной металлургии в том случае, если массовая доля цинка превысит 12 % [83].
К недостаткам этого способа можно отнести: вредность, высокие эксплуатационные затраты, получение цинксодержащего продукта годного для цветной металлургии только при очень высоких содержаниях цинка в отходах.
Растворы соляной кислоты отличаются повышенной агрессивностью как к перерабатываемому сырью, так и к материалу используемой аппаратуры. Это более дорогой и токсичный реагент, который трудно регенерируется. Однако, исследования с использованием соляной кислоты продолжаются, вследствие возможности эффективного применения экстракции для селективного разделения металлов из хлоридов.
Методология расчета показателей, характеризующих финансово-хозяйственную деятельность
Эффективность инвестиционного проекта оценивается в течение всего расчетного периода, охватывающего интервал во времени от первоначального вложения средств до его прекращения, воплощающегося в прекращении получения полезного результата и демонтаже оборудования. Расчетный период разбивается на шаги - отрезки времени, в пределах которых осуществляется промежуточный расчет результата реализации проекта. Шагам расчета даются номера: 0, 1, 2, ...n. Реализация инвестиционного проекта порождает денежные потоки (потоки реальных денег).
Денежный поток инвестиционного проекта – полученные или уплаченные денежные средства за определенный период (шаг) и за весь расчетный период. При каждом шаге значение денежного потока характеризуется: - притоком, равным размеру денежных поступлений на этом шаге; - оттоком в размере расходов или платежей данного шага; - сальдо, равным разности между притоком и оттоком денежных средств. Общий (суммарный) денежный поток состоит из совокупности потоков от отдельных видов деятельности: - денежного потока от инвестиционной деятельности; - денежного потока от операционной деятельности. Сальдо денежного потока по отдельным видам деятельности рассчитывается путем алгебраического суммирования притоков денежных средств (со знаком плюс) и оттоков (со знаком минус) от конкретного вида деятельности на определенном шаге. Суммарное сальдо отражает суммарный итог (приток и отток) денежных средств по двум или трем видам деятельности, рассчитанный на каждом шаге расчета. Накопленное сальдо денежного потока может определяться как разница между накопленным притоком и накопленным оттоком денежных средств или как накопленное сальдо (накопленный эффект) денежного потока нарастающим итогом по шагам расчета [93, 94, 95].
Дисконтированием денежных потоков называется приведение их разновременных значений (относящихся к разным шагам расчета) к их ценности на определенный момент времени, который называется моментом приведения и обозначается через to. Дисконтирование применяется к денежным потокам, выраженным в текущих или дефлированных ценах и в единой валюте. Для Технически приведение к базисному моменту времени затрат, результатов и эффектов, имеющих место на t-м шаге расчета реализации проекта, удобно производить путем их умножения на коэффициент дисконтирования t, определяемый для постоянной нормы дисконта (Е) как: a =1W (4Л) где t - номер шага расчета (t = 0, 1, 2, ..., n); Е - норма дисконта, доли единиц или %. Сравнение различных инвестиционных проектов (или вариантов проекта) и выбор лучшего из них этой цели используется норма дисконта. рекомендуется производить с использованием различных показателей, к которым относятся: чистый дисконтированный доход (ЧДД), или интегральный эффект; индекс доходности (ИД); внутренняя норма доходности (ВНД); срок окупаемости; другие показатели, отражающие интересы участников или специфику проекта. При использовании показателей для сравнения различных инвестиционных проектов (вариантов проекта) они должны быть приведены к сопоставимому виду.
Расчет чистого дисконтированного дохода: ЧДД определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу, или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами. Если в течение расчетного периода не происходит инфляционное изменение цен или расчет производится в базовых ценах, то величина ЧДД для постоянной нормы дисконта вычисляется по формуле: Э инт=ЧДД= (xt-З t)—1— (4.2) Т 1 где R. - результаты, достигаемые на первом шаге расчета; Зt - затраты, осуществляемые на том же шаге; Т - горизонт расчета (равный номеру шага расчета, на котором производится ликвидация объекта); Э = \Rf -ЗА - эффект, достигаемый на t-м шаге. Если ЧДД инвестиционного проекта положителен, проект является эффективным (при данной норме дисконта) и может рассматриваться вопрос о его принятии. Чем больше ЧДД, тем эффективнее проект. Если инвестиционный проект будет осуществлен при отрицательном ЧДД, инвестор понесет убытки, следовательно, проект будет неэффективен.
Расчет индекса доходности дисконтируемых затрат (ИДДЗ): Индекс доходности тесно связан с ЧДД. Он строится из тех же элементов и его значение связано со значением ЧДД: если ЧДД положителен, то ИДДЗ 1 и наоборот. Если ИДДЗ 1, проект эффективен, если ИДДЗ 1 - неэффективен. Индекс доходности дисконтируемых затрат (показатель «выгоды/затраты»), представляет собой отношение суммы дисконтированных денежных притоков (накопленных поступлений) к сумме дисконтированных денежных оттоков (накопленным платежам):
Расчет внутренней нормы доходности (ВНД): Внутренняя норма доходности представляет собой ту норму дисконта (Евн), при которой величина приведенных эффектов равна приведенным капиталовложениям: Т Rf- Зt Т К, Т.Т1 v= 7 - т (4-4) t=0 (і + Евн J t=0 (і + Е вн ; Если расчет ЧДД инвестиционного проекта дает ответ на вопрос, является он эффективным или нет при некоторой заданной норме дисконта (Е), то ВНД проекта определяется в процессе расчета и затем сравнивается с требуемой инвестором нормой дохода на вкладываемый капитал.
В случае, когда ВНД равна или больше требуемой инвестором нормы дохода на капитал, инвестиции в данный инвестиционный проект оправданы, и может рассматриваться вопрос о его принятии. В противном случае инвестиции в данный проект нецелесообразны [96].
Если сравнение альтернативных (взаимоисключающих) инвестиционных проектов (вариантов проекта) по чистому дисконтируемому доходу и внутренней норме доходности приводит к противоположным результатам, предпочтение следует отдавать ЧДД. Расчет срока окупаемости: Срок окупаемости - минимальный временной интервал (от начала осуществления проекта), за пределами которого интегральный эффект становится и в дальнейшем остается неотрицательным, другими словами, это период (измеряемый в месяцах, кварталах или годах), начиная с которого первоначальные вложения и другие затраты, связанные с инвестиционным проектом, покрываются суммарными результатами его осуществления.
Результаты и затраты, связанные с осуществлением проекта, можно вычислять с дисконтированием или без него. Соответственно получатся два различных срока окупаемости. Срок окупаемости рекомендуется определять с использованием дисконтирования [98].
Расчет экономической эффективности Наиболее привлекательными для вложения средств и экономически эффективными принято считать инвестиционные проекты со сроками окупаемости от трех до пяти лет. Для расчета экономической эффективности типового инвестиционного проекта утилизации пылевидных цинк-железосодержащих отходов предприятий горно-перерабатывающей промышленности была выбрана нормативная продолжительность эффекта сроком на три года. Исходные данные для расчета экономической эффективности проекта представлены в таблице 4.2. Расчет экономической эффективности представлен в приложении Д.