MISKOLCI EGYETEM NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA Doktori Értekezés Készítette: Gombkötő Imre Miskolc, 28 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola A doktori iskola vezetője: Dr. h.c. mult. Dr. Kovács Ferenc Egyetemi tanár, az MTA rendes tagja A doktori értekezés címe: ULTRA NAGY KONCENTRÁCIÓJÚ ZAGYOK CSŐVEZETÉKBEN TÖRTÉNŐ SZÁLLÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA, PASZTA TECHNOLÓGIA Kutatási Tématerület: KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKA ÉS NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉS Tématerület vezető: Prof. Dr. Csőke Barnabás, a műszaki tudomány kandidátusa Intézetigazgató, egyetemi tanár Kutatási Témacsoport: NYERSANYAG ÉS HULLADÉKELŐKÉSZÍTÉS Témavezető: Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens Tudományos témavezető: Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens Dr Faitli József, egyetemi docens NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
Témavezetői ajánlás A Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszéke a mechanikai eljárástechnika, azon belül a hidraulikus szállítás nemzetközi hírű, hazai viszonylatban egyedülálló oktatási és kutatási műhelye, amelyben több generációra visszatekintve jelentős tudás és tapasztalat halmozódott fel az évek során. A tanszék aktívan közreműködött a csővezetékben megvalósított zagyszállítás fejlesztésében, története szerint kezdetben a híg-, majd a sűrűzagyos technológia kidolgozásában, jelenleg pedig már az ultra nagy koncentrációjú zagyok kezelésének a kutatása folyik. Gombkötő Imre a tanszéken folyó oktatási és kutatómunkába a diploma megszerzését követően bekapcsolódott, ezen belül is ki kell emelni a TAILSAFE projektet, amely sikeres megvalósításában igen intenzíven közreműködött. Részt vett a berendezések tervezésében és kivitelezésében, önállóan végzett és irányított félüzemi méretű vizsgálatokat, ill. végezte el az eredmények kiértékelését és a következtetések levonását. A témaválasztása időszerű, mivel a gazdasági és környezetvédelmi szempontok további jelentős fejlesztésekre kényszerítik a témában érintett iparágakat, az un. paszta technológia megalapozása jelentős szakmai és tudományos kihívás. Mindezek alapján a mellékelt témavázlatot elfogadásra javasoljuk! Témavezetők: Dr. Bőhm József a műszaki tudomány kandidátusa, egyetemi docens Dr Faitli József egyetemi docens Miskolc, 28. február 5. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
I. Tartalomjegyzék I. TARTALOMJEGYZÉK... I.I ÁBRÁK JEGYZÉKE... 3 I.II. TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE... 5 I.III. NOMENKLATÚRA... 6. BEVEZETÉS... 7 2. AZ ÉRTEKEZÉS CÉLKITŰZÉSE, A KUTATÁSI FELADAT CÉLJA... 9 3. A SZAKIRODALOM ISMERTETÉSE... 3.. MEDDŐ, MEDDŐZAGY FOGALMA... 3.2. MEDDŐZAGY ELHELYEZÉSI MÓDSZEREK... 2 3.2.. HAGYOMÁNYOS, HÍG ZAGYOS MEDDŐELHELYEZÉS... 3 3.2.2. SŰRŰZAGYOS MEDDŐKEZELÉS ÉS PASZTA TECHNOLÓGIA... 7 3.2.2.. A sűrűzagy és paszta... 8 3.2.2.2. Paszta keverékek alkotórészeinek anyagjellemzői... 2 3.2.2.3. Sűrűzagy és paszta előállítása... 22 3.2.2.4. Sűrű zagyok és paszta hidraulikus szállítása... 23 3.2.2.5. Hidraulikus szállítás nyomásveszteségének számítása vízszintes csőben... 27 3.2.2.5.. Nyomásveszteség számítása finom szuszpenzió áramlása esetén... 29 3.2.2.5.2. Nyomásveszteség számítása durva keverékáramlás esetén... 38 3.2.2.5.3. Nyomásveszteség számítása polidiszperz keverékek áramlásakor... 39 4. A KÍSÉRLETI RENDSZER... 44 4.. SZEMCSEMÉRET ELOSZLÁS VIZSGÁLATA... 44 4.2. SŰRŰSÉG MÉRÉS... 45 4.3. SZUSZPENZIÓK FOLYÁSI TULAJDONSÁGÁNAK MÉRÉSE... 45 4.3.. FOLYÁSI GÖRBÉK MEGHATÁROZÁSA LAMINÁRIS TARTOMÁNYBAN, CSŐVISZKOZIMÉTERREL... 47 4.3.2. FOLYÁSI GÖRBÉK MEGHATÁROZÁSA TURBULENS TARTOMÁNYBAN CSŐ VISZKOZIMÉTERREL.. 48 4.4. HIDRAULIKUS SZÁLLÍTÁSI VIZSGÁLATOK... 49 4.5. ROSKADÁSI UN. SLUMP CONE TESZT... 54 4.6. FOLYÁSI HATÁR MEGHATÁROZÁSA... 55 5. MÉRÉSI EREDMÉNYEK... 56 5.. A VIZSGÁLATOKHOZ FELHASZNÁLT ANYAGOK ISMERTETÉSE... 56 5... MÁTRAI ERŐMŰI PERNYE... 56 5..2. MÁTRASZELEI HOMOK... 56 5..3. MÁTRASZELEI BENTONIT... 57 5..4. PERNYE (MÁTRAALJA) / BENTONIT (MÁTRASZELE) ÉS HOMOK (MÁTRASZELE) KEVERÉKEK... 57 5..5. PÉCSI PERNYE... 62 5..6. ÜVEGHOMOK LISZT:... 62 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
5..7. ADALÉKANYAGOK... 62 5..8. PERNYE (PÉCS), HOMOKLISZT ÉS ADALÉKANYAGOKBÓL KÉPZETT KEVERÉKEK... 62 5..9. INDIAI (NEYVELI) PERNYE... 67 5... GYÖNGYÖSOROSZI FLOTÁCIÓS MEDDŐ... 68 5... KÍSÉRLETI VÍZ... 7 5.2. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK FOLYÁSI TULAJDONSÁGOK MEGHATÁROZÁSÁRA... 7 5.3. HIDRAULIKUS SZÁLLÍTÁSI VIZSGÁLATOK KÍSÉRLETI EREDMÉNYEI... 78 6. MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE... 82 6.. MI A PASZTA?... 82 6.2. MEGÁLLAPÍTÁSOK... 87. TÉZIS... 87 2. TÉZIS... 88 3. TÉZIS... 89 4. TÉZIS... 9 5. TÉZIS... 9 7. ÖSSZEFOGLALÁS... 92 7.. SUMMARY... 94 8. HIVATKOZÁSOK... 96 8.. A TÉMÁBAN KÖZREADOTT SAJÁT PUBLIKÁCIÓK... 99 8.2. INTERNETES FORRÁSOK:... 9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS.... MELLÉKLETEK... 2 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 2
I.i Ábrák jegyzéke. ábra: Tipikus nyomásveszteség görbék. - víz, 2- finom szuszpenzió áramlás, 3- durva keverékáramlás (Faitli, Gombkötő, 25) 28 /a. ábra: durva keverék a finom szuszpenzióban (Tarján, Faitli, 998) 42 2. ábra: A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában található Fritsch gyártmányú Analysette 22 típusú lézeres szemcseméret elemző készülék 44 3. ábra: A csőviszkoziméter sematikus ábrája. (Faitli, Gombkötő, 25) 46 4. ábra: A hidraulikus mérőkör sematikus ábrája 5 5. és 6. ábra: Warman típusú forgólapátos zagyszivattyú 5 7. ábra: Mono típusú csavarszivattyú 5 8a és 8b.. ábra: ABEL típusú dugattyús membránszivattyú 52 9.ábra: A hidraulikus szállítókör fotója 53.ábra: A szabványos ASTM kúp és mellette a mérés közben roskadt anyag 54.ábra: Cassagrande készülék 55 2. ábra: Bentonit (Mátraszele, homok (Mátraszele) és pernye (Mátraalja) szemcseméreteloszlása (+ bentonit, homok, pernye) 58 3. ábra: A kísérletekhez felhasznált mátrai erőműi pernye és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása 6 4. ábra: A kísérletekhez felhasznált homok (Mátraszele) és bentonit (Mátraszele) keverékeinek szemcseméret eloszlása 6 5. ábra: Pernye (Mátraalja) és % bentonit (Mátraszele) roskadási tesztje 3% térfogati koncentráció mellett 6 6. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), pernye (Pécs), cement és gipsz szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 63 7. ábra: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 65 8. ábra: A kísérletekhez felhasznált pernye (Pécs), bentonit (Mád), és az azokból készített keverékek szemcseméret eloszlásának összehasonlítása 65 9. ábra: Üveghomok liszt, Üveghomok liszt és bentonit (5, 2%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (5, 2%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 66 2. ábra:üveghomok liszt és 2% bentonit (Mád) roskadási tesztje 5% térfogati koncentráció mellett 66 2. ábra:pernye (Pécs) és 2% bentonit (Mád) roskadási tesztje 5% térfogati koncentráció mellett 66 22. ábra: Üveghomok liszt, üveghomok liszt és bentonit (2%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (2%, Mád) keverékek folyási egyenesei, F% meghatározása Cassagrande - készülékkel. 67 23. ábra: A kísérletekhez felhasznált indiai (Neyveli) erőműi pernye szemcseméret eloszlása 68 24. ábra: A kísérletekhez felhasznált gyöngyösoroszi flotációs meddő szemcseméret eloszlása 69 25. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 7 26. ábra: A vizsgált szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció 72 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 3
függvényében. 27. ábra: A vizsgált szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében. 72 28. ábra: A finom (< 6 µm) pernye (Neyveli) víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében 74 29. ábra: A finom (< 6 µm) pernye (Neyveli) víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében 74 3. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat) 75 3. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (első sorozat) 76 32. ábra: A Gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat) 76 33.ábra: A Gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenziók nyugalmi határfeszültsége a térfogati koncentráció függvényében (második sorozat) 77 34. ábra: A,66 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye (Neyveli) víz szuszpenzió mérésének időbeli lefolyása 79 35. ábra: A 5,5 % szállítási térfogati koncentrációjú pernye(neyveli) víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje ( = 53 mm, = 4 mm csőátmérő) 79 36. ábra: A 48 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje ( = 53 mm, = 4 mm csőátmérő) 8 37. ábra: Megvalósult paszta szállítás csővezetékben 8 38. ábra: 53 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenzió nyomásvesztesége 8 39. ábra: Gyöngyösoroszi flotációs meddő roskadási tesztje 5% térfogati koncentráció mellett 82 4. ábra: pernye (Neyveli) roskadási tesztje 5,5% térfogati koncentráció mellett 82 4. ábra: Gyöngyösoroszi meddő és pernye (Neyveli) szuszpenzió határfeszültségeinek összehasonlítása a koncentráció függvényében. 83 42. ábra: Pszeudoplasztikus folyadék nyírási diagramja, összehasonlítva Bingham plasztikus folyadék nyírási diagramjával. 84 43. ábra: 38 % térfogati koncentrációjú finom (< 6 µm) pernye (Neyveli) víz szuszpenzió hibás pszeudó nyírási görbéje 84 44. ábra: Homokliszt, homokliszt és bentonit (5, 2%, Mád) valamint pernye (Pécs) és bentonit (5, 2%, Mád) keverékek roskadási tesztje. (Slump Cone Test). 86 45. ábra: A gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenziók merevségi tényezője a térfogati koncentráció függvényében, függvényillesztések összehasonlítása 88 46. ábra: 48 % szállítási térfogati koncentrációjú gyöngyösoroszi meddő víz szuszpenzió nyomásveszteség görbéje. mért / számított 9 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 4
I.ii. Táblázatok jegyzéke. táblázat: Pernye (Mátraalja), bentonit (Mátraszele) és homok (Mátraszele) sűrűségértékei 57 2. táblázat: A vizsgált anyagok nedves szitaelemzésének eredményei 58 3. táblázat: A pernye/bentonit és homok/bentonit keverékek sűrűségértékei 59 4. táblázat: A pernye (Mátraalja) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele 59 5. táblázat: A homok (Mátraszele) / bentonit (Mátraszele) keverékek szemcseméret összetétele 6 6. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), pernye (Pécs), cement és gipszkeverékeinek szemcseméret eloszlása 63 7. táblázat: A kísérletekhez felhasznált homokliszt, bentonit (Mád), pernye (Pécs), cement és gipsz sűrűség adatai. 64 8. táblázat: A vizsgálatokhoz felhasznált keverékek, képzési mátrixa 65 9. táblázat: Anyagok, melyek folyási tulajdonságait meghatároztam és a vizsgálatok során alkalmazott térfogati koncentrációk. 7. táblázat: A 26. ábrán ábrázolt függvényekben szereplő konstansok az egyes esetekben: 73. táblázat: Hidraulikus szállítási kísérletek mérésmátrixa 78 NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 5
I.iii. Nomenklatúra C E c V p p w du/dr D f f indexben Fr ψ g K K O K c L He He m k k 3 k n k Ellenállás tényező Térfogati koncentráció Nyomásveszteség Víz nyomásvesztesége Nyírási sebesség Csőátmérő Fanning féle csősúrlódási tényező Folyadék fázis Froude - szám Lamináris áramlási függvény Gravitációs gyorsulás Konzisztencia tényező Tarján Debreczeni módszer változója Korrekciós tényező Csőhossz Hedström - szám Módosított Hedström - szám Konstansok Cső érdesség µ Abszolút viszkozitás µ A víz abszolút viszkozitása µ κ Közeg abszolút viszkozitása n Folyási index η Merevségi tényező ρ Sűrűség ρ k A közeg sűrűsége ρ S A szilárd fázis sűrűsége ρ W A víz sűrűsége Re Reynolds - szám Re B Bingham plasztikus Reynolds - szám Re x Reynolds szám szemcse körüláramlásakor Re* Módosított Metzner Reed Reynolds szám. Re pl Reálplasztikus Reynolds - szám S Csővezeték metszetének kerülete τ Nyírási feszültség τ Kezdeti határfeszültség τ W Nyírófeszültség a csőfal mellett v Keresztmetszeti átlag áramlási sebesség v o Süllyedési sebesség x Szemcseméret x o x oc ϑ (d) τ O /τ W τ O /τ W lamináris turbulens átmenetkor Tarján Debreczeni, anyagfüggő változó NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 6
. Bevezetés A bányászat és a kibányászott nyersanyagok feldolgozása végigkíséri az embert történelme során. Az egyre fejlettebb technológiák, az iparosodás mértékének növekedésével a nyersanyagigény is arányosan nőtt és ez természetesen kihatott a bányászat volumenének növekedésére is. A kitermelt nyersanyag feldolgozásának első fázisában azonban jelentős mennyiségű hulladék is keletkezik technológiai és gazdasági okokból. Ezeket a hulladékokat a legtöbb esetben meddőhányókon illetve meddőzagy tározókban tárolják. Jelenleg az Európai Unióban keletkező hulladékmennyiség mintegy 8%-át a bányászati hulladékok adják (EEA). Az ércelőkészítésből származó, és tározókban tárolt mennyiség, becslések alapján meghaladhatja az 5 Mt t. (BRGM) A hagyományos módon tárolt ásványelőkészítési hulladékok azonban óriási kockázatot rejtenek magukban a környezetre és az emberre nézve. A zagytérre jutott szilárdanyag kiülepszik, a víz egy részét pedig technológiai víz formájában visszajáratják. A zagytározó létesítmény biztonsága érdekében a vissza nem járatott víz eltávolítása elsődleges fontosságú, hiszen a vízháztartás egyensúlyának figyelmen kívül hagyása a gát tönkremenetelét, és ezzel jelentős katasztrófát okozhat. Statisztikailag igazolható az is, hogy az elmúlt évszázadban, gátszakadás okozta katasztrófát jelentősebb mértékben (-szer több alkalommal) meddőzagy tározó gátak terhére írhatók. (Meggyes, 23 (WP)) Hagyományos víztározó gátak tönkremenetele arányaiban lényegesen kevesebbszer fordult elő. A lejegyzett meddőzagy tározó tönkremenetelek oka jól definiálhatóan visszavezethető a rossz vízháztartás gazdálkodás miatt, a zagytározóban tárolt túlzott mennyiségű víz és váratlan csapadék okozta haváriák kezelhetetlenségére. Erre a problémára számos (28 tönkremenetel 939 től világszerte, www.tailings.info), a közelmúltban bekövetkezett katasztrófa hívja fel a figyelmet. Ezek közül megemlíteném az 998. április 25-én, Andalúziában, Spanyolországban bekövetkező gátszakadást, ahol 6 millió köbméter meddőzagy, a Guadalquívir folyó mentén 62 km-es partszakaszon 46 hektár termőföldet árasztott el. A környezeti rehabilitáció a mai napig tart, ennek költsége 23-ig elérte a 65 millió eurót. Magyarországi szempontból jelentősebb, a 2 januárjában bekövetkező nagybányai gátszakadás, ahol a gáton átbukó víz elmosta a gátat, és körülbelül. köbméter (http: //www.zpok.hu/cyanide/ baiamare/index.htm), magas cianid tartalmú víz jutott a Szamos, a Tisza, végül a Duna folyóba. A kémiai adalékokat és oldott nehézfémeket tartalmazó meddőanyag közvetlen veszélyt jelent a talajvizekre is, hiszen a létesítményből szivárgó vizek elszennyezhetik azokat. A bányászati nyersanyag-előkészítés mellé ide sorolnám a széntüzelésű erőművek pernye és salak tárolását is. Ma Magyarországon, ahol szén és lignittüzelésű erőművek működnek, a NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 7
pernyét hidraulikus módon szállítják a pernyehányókra, többnyire jelentős mennyiségű víz kíséretében. A problématerület prioritását jelzi az is, hogy az Európai Bizottság direktívát terjesztett elő, amely kifejezetten a bányászatból, illetve a kitermelő iparból származó hulladékok kezelését kívánja szabályozni közösségi szinten. Természetesen az érintett iparágak is érzékelték a probléma nagyságát, és olyan új megoldások és technológiák bevezetésével szorgalmazták, amelyek megoldást nyújthatnak a kialakult helyzetre, valamint hosszú távon csökkenthetik a környezeti kockázatokat. Ilyen technológiai újítás az un. sűrűzagyos és paszta technológia, melyet az érc és szénbányászathoz kapcsolódó ásványelőkészítési meddő zagyok kezelésére kezdtek használni. Időközben más hasonló iparágak, pl. az alumínium ipar is adaptálta a technológiát a vörös-iszap kezelés területén. A Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kara, korábban Bányamérnöki Kar, régóta a hidraulikus zagyszállítás és a bányászathoz, ásványelőkészítési műveletekhez köthető hidromechanizáció kiemelkedő kutató és oktató műhelye. A Kar oktatói kutatói, jelentős eredményeket értek el általános áramlástani, fluidumbányászati, zagyszállítási, méretezési kérdések, csőkopással kapcsolatos feladatok, zsomptisztítási, hidraulikus kotrási / jövesztési, valamint bányatömedékelési témájú kutatásokban. Ezek az eredmények több publikációban és kutatási jelentésekben megjelentek, valamint beépültek a Kar oktatási törzsanyagába. Ez a tudásanyag jó alapot biztosított munkám elkezdéséhez. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 8
2. Az értekezés célkitűzése, a kutatási feladat célja A szilárd ásványi nyersanyagok feldolgozásakor keletkező, nagy mennyiségű nem hasznosítható nyersanyagok tárolása jelentős műszaki gazdasági feladat. A nedves technológiával feldolgozott ásványi nyersanyagok maradék anyagainak ártalmatlanítása, mennyiségük csökkentése elsődleges társadalmi érdek. Habár ma Magyarországon azok az érces ásványok, amelyek feldolgozása közben jelentős mennyiségű meddőzagy keletkezik, nem jelentős. A kérdéssel azonban mindenképpen foglalkozni kell, hiszen az alumíniumipar, a széntüzelésű erőművek mind zagy formájában tárolják nem hasznosuló maradékanyagaikat. A hígzagyos technológia sűrűzagyos, illetve paszta technológiával történő kiváltása jelentős összhangban van azzal a társadalmi törekvéssel, amely a környezet és természetes erőforrásaink védelmét célozzák. A paszta technológiával egy a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetén 23 és 26 között folyt EU kutatás fejlesztési program keretében ismerkedtem meg. A kutatási program címe Sustainable Improvement of Safety of Tailings Facilities TAILSAFE volt. Kutatási feladatom pedig a sűrűzagyos és paszta alapú meddőkezelés megvalósíthatósága és modellezése volt. Ezzel párhuzamosan számos Intézeti kutatásban vehettem részt, ahol főleg hazai és külföldi pernyék, illetve egyéb szilárd víz szuszpenziók hidraulikus szállíthatósági és reológiai tulajdonságaival foglalkoztam. Az ásványelőkészítési meddőzagyok és - korábbi tapasztalatok alapján - az erőműi pernyék is newtoni, illetve időtől független nem - newtoni folyási tulajdonságokat mutattak. A hidraulikus szállítási paraméterek meghatározása, mint a szállított zagy fajlagos nyomásvesztesége, a mérnöki gyakorlatban félüzemi kísérletek során megállapított folyási tulajdonságok alapján történik. A nagy koncentrációjú zagyok illetve a paszta állapotú zagyok tekintetében azonban nem ennyire egyértelmű a helyzet. Célomul tűztem ki, hogy megvizsgálom a rendelkezésre álló modelleket és méretezési módszereket annak megállapítása érdekében, hogy vajon a szakirodalomban fellelhető módszerek alkalmasak e nagykoncentrációjú zagyok nyomásveszteségének, mint fő hidraulikus szállítási paraméternek a számítására. Az is ismert, hogy azonos koncentrációjú és hasonló folyási tulajdonságokat mutató zagyok esetében előfordulhat, hogy az egyik paszta szerű viselkedést mutat, a másik nem. Itt az eltérés nagy valószínűséggel a zagyot alkotó szilárdanyag anyagi tulajdonságaiban keresendő. Ráadásul a szakma sem egységes a paszta állapot definiálásában, ami szintén feltárásra váró feladat. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 9
A kutatómunka nyilvánvaló célja olyan alapkutatások elvégzése, amelyek alapján módszertan dolgozható ki, ultra - nagy koncentrációjú zagyok hidraulikus szállításának méretezésére. A kapott modell alapján - reményeim szerint - paszta - állapotú anyagok csővezetékben történő szállításának méretezési, optimalizálási kérdései is megoldhatóvá válnak. További célom, hogy a meddőkezelési technológiák áttekintésével megvizsgáljam a technológia hazai alkalmazási lehetőségeit. Munkámmal szeretnék lezárni egy kutatási időszakot, megnyitva ezzel egy újat, hiszen a megválaszolt kérdések továbbiakat szültek, melyek meghatározzák a kutatás további fő irányvonalait. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
3. A szakirodalom ismertetése 3.. Meddő, meddőzagy fogalma A szilárdásvány bányászat a hasznos ásványi alkotók mellett, jelentős mennyiségű nem hasznosítható anyagot termel, melynek általános elnevezése a meddő. Ebbe a csoportba, fenti meghatározás szerint beleesik minden olyan haszontalan ásványos alkotó, amelyet a kitermelés időszakában a kitermelő gazdaságilag haszontalannak ítélt, vagy a technológia nem állt rendelkezésére annak jövedelmező módon történő feldolgozására. Így tehát ide sorolhatjuk a kitermelés során letakarított fedő és kísérő kőzeteket, valamint a különböző ércek, szenek feldolgozása, dúsítása során keletkező jelentős mennyiségű maradék anyagot, nedves előkészítési technológiát alkalmazva pedig a finom szemcseméret eloszlással jellemezhető szilárd víz zagyokat is. Ez azért jelentős mennyiség, mert az ércelőkészítési technológiák folyamatos fejlődésével és az ásványi nyersanyagok világpiaci árának emelkedése folytán, az egyre kisebb hasznos ásványi alkotó tartalommal rendelkező kőzeteket is kitermelik. Ilyen módon a kitermelt kőzet 95 98% -a, szenek esetében 2-25% -a kerül ásványelőkézítési meddőként a meddőhányókra, zagytározókra (Szarka, 27 ) A kitermelési folyamatból származó, általában száraz v. földnedves meddőrészt, mely durvább szemszerkezetű, meddőhányókban tárolják, míg azt a meddő részt, ami az ásványelőkészítési folyamat során keletkezik, zagy formájában az erre a célra létesített zagytározó létesítményekben helyezik el. A jelenleg előterjesztés alatt lévő Európai Bányászati Hulladék Direktíva a kitermelő iparokból származó hulladékok kategóriáját definiálja, melybe beletartozik a fluidum-bányászat által termelt hulladékmennyiség is Az angol nyelvű szakirodalom is megkülönbözteti a fenti kategóriákat a tailings szót használva az ásványelőkészítési maradék anyagokra, beleértve ebbe a feldolgozás során felhasznált kémiai adalékanyagokat is (Meggyes, 27; Engels 27), míg a waste rock kifejezést pedig az egyéb bányászati meddőanyagokra használják. (European IPPC Bureau, 23) Bőhm (Bőhm, 23) megfogalmazásában a bányászati meddő a bányászat által kitermelt és a fizikai átalakuláson átesett szilárd anyag. Kitér azonban arra, hogy, bár a széntüzelésű erőművek maradékanyagai kémiai átalakuláson estek át, hasonló fizikai tulajdonságaik és a meddőkkel azonos módon történő tárolásuk, kezelésük miatt a meddő kategóriába sorolhatók. Ez a tanulmány elsősorban a szilárd ásványbányászathoz köthető ásványelőkészítési meddőzagyokkal és a széntüzelésű erőművek maradékanyagainak kezelésével foglalkozik NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET
3.2. Meddőzagy elhelyezési módszerek A meddő anyagok elhelyezése kezdetekben gyakran kényelmi és költséghatékonysági szempontok alapján történt, így gyakran került a meddő anyag a közeli vízfolyásokba (USEPA, 994) A közvélemény figyelme azonban hamar ráterelődött az alsó folyószakaszokon kiülepedő üledékek okozta környezeti és egészségügyi problémákra, és a víz felhasználhatóságának nehézségeire. Ezért az ipar ezt követően a meddő anyagot egyre gyakrabban, inkább gátak mögött helyezte el, mely gátak gyakran a meddőt alkotó durvább frakciókból és egyéb hulladék anyagokból épültek fel. Az így épült gátaknak a meddő tárolása mellett, főleg a szárazabb területeken, víztározó szerepe is volt. Manapság a zagytározó létesítmények mechanikai stabilitása és környezetvédelmi megfelelősége kap jelentős hangsúlyt és figyelmet. A radioaktív érceket, cianidot és más egyéb toxikus alkotót tartalmazó meddőzagy tározók egyre nagyobb száma a technológiai fejlesztés fő irányvonalát a zagytárolás helyett a zagykezelésre kell, hogy terelje. Az inaktív tározók is egyre nagyobb ráfordítást igényelnek, hiszen a szél általi kiporzás, oxidációs folyamatok miatti elsavasodás, ezzel együtt a nehézfémek mobilizációja komoly környezetvédelmi probléma. Az ezekben az esetekben szükséges helyreállítás költségei gyakran elérik, vagy meghaladják az eredeti üzemeltetési költségeket (USEPA, 994). A meddőzagyokat legelterjedtebben híg zagy formájában zagytározó gátak mögött helyezik el. Emellett számos egyéb módszer is létezik. Sok esetben a meddő anyagot erősen víztelenítik (6% szilárdanyag tömegkoncentráció, vagy szárítják (akár 25% vagy kisebb víztartalom) lerakás előtt. Ezeket a meddőkezelési eljárásokat összefoglalóan sűrűzagyos és paszta technológiának nevezzük. Ezek általában drágák, azonban környezetvédelmi és mechanikai, kémiai stabilitási szempontból rendkívül kedvezőek. Gyakran történik a meddő anyag felszínalatti bányaüregekbe történő visszajuttatása, ahol a meddő tárolás mellett másodlagos, vagy akár elsődleges cél a bányaüregek mechanikai stabilitásának biztosítása. Ezen speciális feladathoz, a meddőanyagnak kellően teherbírónak kell lennie és előny, ha gyorsan víztelenedik. Ezért gyakran a meddő anyag homok frakcióját használják erre a célra, a finom frakció ekkor szihtén zagytározókba kerül. Ennek másik alternatívája, amikor a meddőzagyot felhagyott, külszíni bányagödrökben helyezik el. További alternatív elhelyezési mód a vízalatti, jellemzően tengeri, vagy mély tavakban történő elhelyezés, ahol szintén többnyire a durva frakció tárolása a jellemző, mivel ezek a szemcsék gyorsan ülepednek. Nagy előnye a módszernek, hogy a szulfidos ásványok oxidációját gátolja, mivel azok nem érintkeznek a légkör oxigénjével. Hosszú távú hatásai azonban még nem ismertek (USEPA, 994). Mivel a dolgozat főleg a lehetséges hazai alkalmazásokkal, hagyományos és felszín alatti NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 2
módszerekkel illetve a sűrűzagyos és paszta - technológia témakörével foglalkozik, a következő részekben erre a területre helyeztem a hangsúlyt Jelenleg az ásványelőkészítési meddőanyagok elhelyezésével és azok kezelési technológiáival számos publikáció foglalkozik. A publikációk egyrészt szakmai szervezetek és hivatalok (USEPA, 994; European IPPC Bureau, 23; Mining Association of Canada, 998) által készített dokumentumok és irányelvek, internetes portálok, melyek többnyire szakmai alapokon szerveződtek, vagy kutatási programokhoz kapcsolhatóak. Ilyen az Infomine / Tailingsmine (technology.infomine.com), a tailings.info, a TAILSAFE projekt honlapja (www.tailsafe.com) vagy a projekt keretében készített un. Parameter Framework jelenlegi elérhetőségese a www.tailpro.com oldalon. Publikációk megszámlálhatatlan sokasága, köztük könyvek foglalkoznak a témával különböző szemszögekből. Ezek közül kiemelném Vick (Vick, 99), Engels (Engels, 23) és Jewell és szerzőtársai munkáit (Jewell at al, 22), valamint a témához köthető saját publikációkat. A szakmai, technikai és módszertani források mellett megtalálhatóak azok a hatósági irányelvek, szabályozások és törvények, amelyek a bányászati hulladékok kezelését és tárolását szabályozzák. Ezeket, világszerte egyre nagyobb számuk miatt most nem sorolnám fel, a téma nagyszerű összefoglalása olvasható Frilander és Saarela cikkében (Frilander, Saarela, 23). A meddőkezelés általános ismertetésénél, főleg a fenti szerzők munkáira támaszkodom. A témafeldolgozás során érintett speciális területek (paszta, hidraulikus szállítás, talajmechanika) és a közben felmerült speciális témapontok esetén adott helyen külön hivatkozom a szerzőkre. 3.2.. Hagyományos, híg zagyos meddőelhelyezés A híg zagyos meddőelhelyezés során a meddő anyagot mindig egy erre a célra épített gáttest mögé építik. A zagytározó gátakat leggyakrabban völgyzáróként, domboldalba építik. Ahol a topográfiai viszonyok ezt nem teszik lehetővé, gyűrű alakú gáttest kialakítást valósítanak meg. A gát elhelyezése általában jelentős gazdasági kérdés, hiszen a gáttestet célszerűen a meddő anyag durva frakciójából építik. Azonban, ha gyűrű alakú kialakítást kell megvalósítani, ahol a gáttestet gyakorlatilag körbe meg kell építeni, szemben a völgyzáró gát esetén kialakítandó egyetlen gátfallal, akkor egyéb, esetenként nagy távolságból a helyszínre szállított gátépítő anyagok használatára is szükség lehet a gát építéséhez, ami jelentős pénzügyi ráfordítást igényel. A gáttest kialakítása két alaptípus szerint osztályozható, vannak az un visszatartó (retention) gátak, melyek a víztározás területén elterjedtek, és az un inkrementális (raised) gát típusok. A visszatartó gátak általában rendelkeznek egy vízzáró maggal és egy ehhez kapcsolódó drén rendszerrel. Jellemzőjük, hogy ezeket rögtön a végleges méretükre építik, ezért csak fajlagosan nagy beruházási költséggel alakíthatók ki. Ez az oka annak, NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 3
hogy a meddőtározás gyakorlatában többnyire az inkrementális gátak használata terjedt el. Ezeknél a gáttípusoknál, egy kezdeti un. alap gát kialakítása szükséges. A gát magasítása a kívánt méretig pedig folyamatosan, a keletkező meddő durva frakciójából történik. Általánosan elmondható, hogy a zagytározó gátak tervezésekor, a gazdasági szempontok mellett figyelembe kell venni a keletkező meddő tulajdonságait, a szóba jöhető építőanyagokat, a terepi tényezőket (földrajzi viszonyok, geológia, hidrológia, szeizmikus aktivitás). A gáttest építésével kapcsolatban már említettem, hogy un. alap kezdeti gáttestre mindig szükség van. Az alapgátak építésénél figyelembe veszik az inkrementális gát építési módját, így elérhető, hogy kellő kezdeti mechanikai stabilitással és teherbírással rendelkezzen. A pórusvíz nyomás és szivárgó vizek szabályozására szigeteléssel ill. szivárgó rétegek beépítésével kell ellátni. Az inkrementális gátak magasítására 3 fő alapmódszer létezik. Az egyik az un. befelé építkező (upstream) módszer, amely talán a legrégebbi és leggazdaságosabb módszer. Az kezdeti alapgát testet úgy kell kialakítani, hogy a gátban ne alakulhassanak ki kitüntetett vízátfolyási csatornák, mivel ez a gáttest tönkremenetelét okozhatja. A meddőzagyot a gát belső pereméről ciklonokon, ill. kis átmérőjű csővezetéken keresztül közvetlenül juttatják a zagytérre. Ekkor az osztályozás illetve a szegregáció hatására, a durva részek a gát közvetlen közelében kiülepedve alkotják az újabb gáttestet, a finom rész pedig a gát közepe felé haladva fokozatosan kiülepszik, létrehozva egy finom részből álló dűnét és a létesítmény közepén elhelyezkedő szabad vízfelszínt. Ezzel a módszerrel a gáttest középvonala, ahogy a gát egyre magasabbra emelkedik, fokozatosan a gát belseje felé (upstream) mozdul el. Nagyon fontos, hogy a gáttest belső fala mellett kialakult dűnének el kell bírnia a következő fázisban ráépülő gátfokozat terhelését. Kicsit eltérően épül az un. kifelé építkező (downstream) gát. Ennél a módszernél is szükség van kezdeti alapgát kialakítására, azonban a gát következő magasító fázisa, az előző gát külső oldali leejtőjére van terhelve. Éppen ezért ennél a módszernél a gáttest középvonala, ahogy a gát egyre magasabb, fokozatosan a gát külső fele felé (downstream) mozdul el. Mivel eben az esetben a gáttest nagyobb mennyiségű építőanyagot igényel, talaj, bánya-meddő v. egyéb építőanyag használata válhat szükségessé. A meddőt ciklonozással illetve jellemzően a kerületről kis átmérőjű csöveken (spigoting) bevezetve juttatják a gát belsejébe. Azt a módszert, ahol a gáttest újabb és újabb fázisait egymásra, mind a belső és külső oldalra terhelve építjük, un. középvonalon építkező (centerline) módszernek hívjuk. A gáttest középvonala így folyamatosan a kezdeti gát középvonal fölé épül. Az előző bekezdésekből kitűnik, hogy a meddő anyagot 3 fő módszer segítségével juttathatjuk a zagytérre. Az un. egypontos kibocsátásnál, közvetlenül a zagytározóba engedik a meddőzagyot egy NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 4
viszonylag nagyobb átmérőjű csövön keresztül. Általában völgyzáró gátak esetén alkalmazzák a gát felső szakaszán bejuttatva a meddő anyagot. Figyelni kell a bevezető pont időszakos áthelyezésére, mivel ennek elmaradása a gáttest aszimmetrikus emelkedését okozhatja. A második módszer, amikor a gát kerületén elhelyezett kis átmérőjű csöveken egyenletesen elosztva vezetjük a meddőzagyot a zagytérre. Ekkor a durva szemek a gáttesthez közel kiülepednek, a finom frakció viszont attól távol. Így a létesítményben tárolt anyag nyírószilárdsága és vízáteresztő képessége a zagytározó belseje felé csökken. Ennek nagy jelentősége van a gát magasításakor és a mechanikai stabilitás megőrzésekor, mivel a talajvíztükör (Phreatic surface) szintje ahol a pórusvíz nyomása a pórusokban egyenlő a légköri nyomással - szabályozható módon csökkenthető a gáttestben. A ciklonozási technikát is elterjedten használják. Alapelve, hogy hidrociklon segítségével a meddőzagyból leválasztják a homok frakciót, amiből a gáttestet magasítják. A leválasztott finom részt pedig a tározóba eresztik. 2 fő alaptípus létezik a módszer használatára. Az első esetben a ciklont, vagy ciklontelepet a gáttól távolabb, egy specifikus helyen építik ki, ahonnan a durva frakciót tehergépkocsikkal illetve egyéb szállító eszközökkel szállítják a gátmagasítás helyére. A második módszer, hogy a gáttest kerületén, számos kis ciklont elhelyezve, folyamatosan jutatják a gáttestre a durva frakciót, a finomrészt pedig a zagytérre. A hígzagyos meddőtárolásnál jelentős szerepe van a létesítmény vízháztartásának folyamatos megfigyelésére és kontrolljára. A három legfontosabb feladat a tározótéren lévő szabad vízfelület szintjének szabályozása, felszíni vizek ellenőrzése és a szivárgó vizek gyűjtése, ártalmatlanítása. A felszíni vizek esetén figyelembe kell venni a területen található felszíni vízfolyásokat, forrásokat, a csapadékot, párolgást és az extrém időjárási viszonyokból esetlegesen adódó, az átlagosnál magasabb csapadékmennyiséget is. A szabad vízfelszín magasságának szabályzása a gát stabilitásának megőrzése szempontjából alapvető feladat, hiszen a magas vízfelszín magasság megemeli a talajvíztükör szintjét, extrém esetben a gáton való vízátbukáshoz és a gátfal teljes elmosásához vezethet. A szabad zagytéri víz, kordában tartható az előkészítő mű vízháztartásának helyes méretezésével és beépített műtárgyakkal, úgy mint szifonok, túlfolyók vagy szivattyútelepek telepítésével és üzemeltetésével. A szivárgó vizek kezelésére vonatkozóan 2 stratégia létezik. Az egyik stratégia szerint, preventív módón valamilyen szigetelést alkalmazva (agyag, szintetikus szigetelők) kizárjuk a szivárgás lehetőségét. A másik lehetőség, hogy összegyűjtjük a szivárgó vizeket és visszajuttatjuk a zagytározó térre. Ekkor szivárgó vizeket gyűjtő kutak, drén rendszerek, vagy a szivárgó vízeket gyűjtő tó kialakítása szükséges. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 5
A vízháztartás alakulásának figyelmen kívül hagyása, gondatlan tervezés vagy üzemeltetés, katasztrófát idézhet elő. Ha a gáttestben a nyírási feszültség a nyírási szilárdságnál nagyobb, a gát fala megfolyik, illetve megcsúszik. Ilyen esetek akkor fordulhatnak elő, ha a vízszint emelkedik és a gáttest nagy része telített állapotba kerül. A gát tönkremenetel bekövetkezhet továbbá vibráció vagy hirtelen terhelésnövekedés hatására. A talán legelterjedtebb gát tönkremeneteli mód, a létesítményben tárolt víz gáton történő átbukása. Ez az eset akkor következik be, ha a gát tárolókapacitását meghaladja a benne lévő víz mennyisége (extrém csapadék, egyenlőtlen gátfal magasság). Mivel a gáttestek kevéssé védettek az erózióval szemben, a rajta átbukó vízmennyiség gyorsan képes magával sodorni a gáttest egy részét, ahol azután a zagytömeg folyamatosan távozhat. A gáttestben hirtelen megnövekvő pórusnyomás megnöveli az átbukó víz által még nem károsított gátszakaszon is a gáttest folyási hajlandóságát, amely esemény a kialakult helyzet további romlását idézi elő. Egyéb vízfolyás okozta erózió is lehet gát tönkremenetel forrása. Főként csapadékos területeken, ahol a lehullott csapadékvíz összegyűlhet és nagy mennyiségben, gyorsan, a gáttestet felszíni vízfolyásként erodálva folyik. Előfordulhat olyan szivárgás, pl. zagyszállító csővezetékek mentén, ahol áramlási csatorna mentén történő erózió lép fel. Ekkor a gáttest vagy annak alapzata szintén tönkre mehet. Az ilyen jellegű tönkrementelek könnyen megelőzhetőek rendszeres karbantartással, illetve olyan műszaki megoldásokkal (növénytakaró, övárok) amelyek megakadályozzák, hogy a lehullott csapadékvíz felszíni vízfolyás formájában a gátat károsítsa. Az erózió egy másik formája, a felszín alatti erózió, amely szintén jelentős károkat okozhat. Amennyiben a szivárgó vizek egy kitüntetett csatorna mentén folynak, a szivárgás koncentrálódhat, elmosva ezzel a gáttestet vagy annak alapzatát. A gáttest nagyjából azonos szemcsemérettel rendelkező, konszolidálatlan homokfrakció. Folyási potenciálja igen nagy, ez azt jelenti, hogy valamilyen gyors deformáció következtében (vibráció hatására - robbantás, földrengés) a fellépő feszültségeket a pórusvíz veszi fel. Ezen a ponton a vázszerkezetet alkotó szemcsék elvesztik tartásukat és a feszültség alatt álló pórusvízben úsznak. Ezért az eddig itt hordott feszültségek átterhelődnek a szomszédos részecskékre, ami viszont a folyamat láncreakciójához vezet. (Kézdi, 952) A gáttest elveszti stabilitását és elfolyik, utat engedve ezzel az általa támasztott folyékony zagytömegnek. Az ilyen, és hasonló gát tönkremenetelek mellett, a gáton és a gáttest alatt átszivárgó vizek összetétele is potenciális veszélyforrás a környezetre. Ha a kitermelt és feldolgozott kőzetekben szulfidos ércek vannak jelen, mint pl. pirit, galenit, szfalerit, arzenopirit, stb.,a nedves környezetben oxigén hatására ezek oxidációja indul meg (ARD). A szulfid ion oxidációja során szulfát ionná alakul, mely a zagytéren lévő víz savasodásához vezet. A savasodás hatására azonban olyan nehézfémek is oldatba mennek és mobillá válnak, amelyek korábban nem voltak azok. A szivárgó vizekkel a környezetbe, ott a felszíni és a felszín alatti vizekbe jutva jelentős károkat okozhatnak. A folyamatot NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 6
sokan kutatták az elmúlt évtizedben (pl: Elander et al, 998). Fontos szerepe van az oxidációban az oxigén és víz jelenlétén kívül a bakteriális hatásoknak, a ph, Eh, hőmérséklet és a szulfidok közötti galvanikus folyamatoknak. A szivárgó vizekkel nem csak a mobillá vált nehézfém ionok, hanem az ásványelőkészítés során használt, különböző kémiai adalékanyagok is a felszín alatti vizekbe juthatnak. Ezek az adalék anyagok többnyire szervetlen sók oldatai (flotáló reagensek, ph szabályozók, koaguláló szerek), szerves vegyületek (flotáló reagensek) és akár toxikus vegyületek (NaCN) is lehetnek. Mindezen veszélyforrások által okozott kockázatok nagymértékben csökkenthetőek a sűrűzagyos és paszta - technológia alkalmazásával. Mivel a víz jelentős részét a deponálás előtt eltávolítjuk a rendszerből, a szivárgó és erodáló vizek problémáját megszüntethetjük. A homogén, szegregáció mentes pasztapépbe az oxigén nehezen jut be, így a szulfidos ásványok oxidációja lényegesen lassabban játszódik le. 3.2.2. Sűrűzagyos meddőkezelés és paszta technológia A kanadai Falconbridge Limited Kidd Creek réz és cinkbánya 967. óta működik. Jelenleg a termelés 8 t/nap kapacitással folyik. (Robinsky, 22). Az üzemben a kitermelt kőzetet, annak aprítása után vasúton szállítják a bányától 7 km-re lévő dúsító műbe. A flotáló cellákból a cellamaradékot, 4 8% tömegszázalékos koncentrációjú zagy formájában a 4 Km-re lévő zagysűrítő állomásra szivattyúzzák, ahonnan tovább szivattyúzva, az, Km-re lévő egypontos kivezetésen a meddőtérre engedik. Eredetileg, 967.-ben a meddőt, híg zagy formájában, hagyományos zagytározó létesítményben tárolták, két, egymástól elkülönített tároló téren. A zagytérre az anyagot az un. többpontos spigot technikával jutatták ki. Az üzem I. E. Robinsky előterjesztésére (Robinsky, 22), két év tesztelés után átállt az un TTD (Thickened Tailing Disposal) technikára, ezzel a világon elsőként alkalmazva az új technológiát. A zagy többpontos, gátfalról történő zagytérre juttatását felváltotta egy egypontos rendszer, melyet a zagytér közepén helyeztek el. Az első alkalmazott zagysűrítő, amelyet 973-tól használtak, egy m átmérőjű hagyományos zagysűrítő volt. A zagysűrítő nem működött kielégítően, mivel az által előállított zagy koncentrációja nem érte el a megfelelő értéket, ezért a meddő nagyobb területen terült szét, mint azt eredetileg szerették volna. A hiba kiküszöböléseképpen a zagysűrítőt 98.-ben lecserélték és szintén egy m átmérőjű berendezést helyeztek üzembe, amely a folyamatos műszaki meghibásodások és a kis teljesítmény miatt szintén nem vált be. Jelenleg az üzem egy Outokumpu gyártmányú nagyteljesítményű sűrítőt használ, flokkulálószer adagolása mellett. Ez a sűrítő 35 m átmérőjű és a meddőben a szilárd anyag tömeg koncentrációja eléri a 8%-ot a lerakás után. Ezzel a Falconbridge Ltd. megalapozta a sűrűzagyos és paszta technológiát, amelyet azóta számos helyen alkalmaznak. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 7
A technológia fejlesztésében és alkalmazásában az Alcoa World Alumina Australia is élen járt. A cég jelenleg 7,3 Mt / év alumíniumot állít elő Nyugat - Ausztráliában. A feldolgozott bauxitból 2 tonna maradék anyag keletkezik minden előállított tonna alumínium után. Mivel az előkészítő üzemek közel estek a lakott településekhez és a talajvíz elszennyeződésének veszélyét felismerték, az Alcoa az 97-es években jelentős fejlesztésekbe kezdett. Az addig híg zagy formájában tárolt vörösiszap alternatív elhelyezési megoldásai után kutatott. Első lépésként, olyan új vörösiszap tárolókat építettek ki, amelyeknek alsó szigetelő rétege fölé egy szivárgó réteget is beépítettek. Ezzel megnövelték a kiszállított meddő konszolidációs hajlandóságát, a csurgalék vizet pedig gyűjtötték, és visszaszivattyúzták az üzembe. A további fejlesztések után 985-ben kialakult a ma is üzemelő un. dry stacking módszer. Ennek lényege, hogy a vörösiszapot hidrociklon és ellenáramú mosótornyok alkalmazásával elválasztják 5 µm-nél. A durva frakciót használják a külső gát magasítására és a gáttesten belül kialakított kazetták alsó szűrőrétegének kialakítására. A finom részt zagysűrítőben, flokkuláló szerek alkalmazásával besűrítik. Az így elért 5% tömegkoncentrációjú zagyot a tároló kazettákba szivattyúzzák, ahol a további konszolidáció és a nap szárító hatására a végleges koncentráció (tömeg) eléri a 7%-ot (Cooling, 22). 3.2.2.. A sűrűzagy és paszta A paszta tulajdonképpen nagy szilárdanyag koncentrációjú szilárd víz keverék. A szakirodalomban sok próbálkozás van a paszta, mint keverékállapot, osztályba sorolására, és elsődleges, mérhető ismertető jegyeinek, definíciójának meghatározására. Az átmenet a hígzagy és sűrűzagy, valamint a zagy paszta - szűrőlepény hármas között ma eléggé homályosan meghatározott, egyértelmű osztályba sorolási rendszer nincs. A híg zagyok, vagy zagyok azok olyan szilárd víz keverékek melyek meghatározott folyási viselkedéssel jellemezhetőek. A szűrőlepény meghatározás elsősorban a szűréssel történő víztelenítéskor létrejövő, a szűrő felületre tapadó, alacsony víztartalmú szilárd víz keverékek megnevezése. A paszta kifejezéssel leírt keverék állapot valahol a kettő között helyezkedik el. Jewell és társai (Jewell, 22) elképzelése szerint, ez a keverékállapot változás leírható egy kontinuumként, ahol a híg állapottól indulunk ki. Ekkor a kvázi homogén folyadéknak nincs ellenálló képessége a nyíró feszültségekkel szemben és folyik. Ahogy folyamatosan növeljük a szilárd rész arányát, elérünk egy pontot, ez az un. gél pont, ahol a szilárd - víz keverék már számottevő nyíró szilárdsággal jellemezhető. A szilárdanyag koncentráció további növeléssel ez a nyíró szilárdság tovább nő, és a szerzők szerint ezért a nyíró szilárdság kiválóan alkalmas a zagy paszta szűrőlepény átmenetek határértékeinek a definiálására. Ipari tapasztalatok alapján előterjesztik, hogy a paszta az a keverék ahol a massza folyásához szükséges határ nyírófeszültség eléri a 2 +/- 25 Pa-t. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 8
Természetesen további meghatározások léteznek, amik nagyon megnehezítik az osztályba sorolást. A fő nehézséget a meghatározás pontos definiálása körül az okozza, hogy más - más szakterületen dolgozó szakemberek, eltérő terminológiát használnak. Jó példa erre a zagysűrítő berendezések gyártásával, méretezésével foglalkozó szakemberek szóhasználata, akiknek terminológiájában a zagy, vagy híg zagy a sűrítetlen szilárd - víz keveréket jelenti. A zagysűrítő berendezések alsó kifolyása a sűrített zagy. A technika fejlődésével kialakultak az un nagy kapacitású sűrítők melyek alsó kifolyásán jelenik meg a sűrűzagy és az újabban alkalmazott ultra nagy kapacitású sűrítők terméke a paszta (Jewell, 22). Mivel ez az osztályba sorolás főként az elért keverék koncentrációján alapszik, látható a fenti, nyíró szilárdságon alapuló megfogalmazással való összehasonlíthatatlansága. Hogy a helyzet ennél is bonyolultabb legyen, számos további megközelítés létezik. Newman leírja (Newman, 23), hogy Dr. E. Rubinsky vezetésével Kanadában beüzemelt első paszta üzem esetén azt az állapotot hívták pasztának, amikor a lerakott keverék a magára hagyásakor már nem adott le több vizet. Egy másik definíció szerint azonban a paszta az az állapot, ahol, csővezetéken történő hidraulikus szállításkor a szilárdanyag koncentrációja a csővezeték metszetének vertikális tengelye mellett homogén marad, függetlenül attól, hogy mekkora a szállítási sebesség. (Newman, 23). Ezekkel a meghatározásokkal - szemben akár a nyírószilárdság alapján történő besorolással is - nem kapunk egy pontos módon mérhető értéket, mely alapján a keverék besorolható és más keverékekkel összehasonlítható, mivel fenti tulajdonságok erősen függenek a keveréket alkotó anyagnak egyéb tulajdonságaitól, mint pl. szemcseméret eloszlás, ásványos összetétel vagy felületi tulajdonságok. Phasias és szerzőtársai vezették be az un. Slump Cone Test et, mely eredetileg egy, betonok konzisztenciájának meghatározására szolgáló ASTM szabvány (Phasias et al., 996) A mérés menete nagyon egyszerű. A szabványos, 35 mm magas csonka-kúp vizsgáló eszközt fel kell tölteni a vizsgálandó keverékkel, úgy, hogy megakadályozzuk a töltés közben a keverék alul történő elszivárgását. A betöltés után a kúpot hirtelen eltávolítva az anyag összeroskad és a keverék nyírószilárdságára jellemző magasságon áll be. Az összeroskadt kúp magassága könnyen és gyorsan mérhető és alkalmas a szerzők szerint az osztályba sorolás elvégzésére. Ezek szerint a paszta állapotú anyag roskadás utáni kúpmagassága 2 és 25 mm között mozog. Azonban a helyzet nem ennyire egyértelmű, mivel az ilyen konzisztenciával rendelkező keverékek kiválóan alkalmasak pl. felszín alatti bányaüregek tömedékelésére, azonban a felszíni tározáskor rendszerint problémát okozhat, ha a kibocsátott keverék nem folyik elég messze a kibocsátás helyétől. Ekkor gyakran kell áthelyezni a kibocsátó rendszert, vagy drága, kibocsátó mechanizmusokat kell üzemeltetni. (Jewell, 22) Éppen ezért a fenti tesztet módosították úgy hogy paszta az anyag, ha 2 és 25 mm között van a roskadt kúp magassága, felszín alatti alkalmazások esetén, felszíni alkalmazásokkor ez a határérték azonban 5 és 2 mm-re módosul. NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 9
3.2.2.2. Paszta keverékek alkotórészeinek anyagjellemzői A kitermelt szilárd ásványi nyersanyagok, tulajdonképpen szilárd diszperz rendszerek. A diszperz rendszerekre jellemző, hogy, a diszpergált rész minden egyes elemének eltérő fizikai, fizikai-kémiai és kémiai tulajdonágai vannak, ezért a diszperz rendszerre, az adott tulajdonságot annak eloszlásával lehet megadni. Ezek a tulajdonságok alapvetően meghatározzák a kitermelt ásványi nyersanyag feldolgozási módját. A feldolgozás során a maradék anyag tulajdonságai általában jelentősen eltérnek a kiinduló anyagétól, azonban a további feldolgozást az így kialakult tulajdonságok határozzák meg. A sűrűzagyos meddőkezelés és paszta technológia szempontjából a következő tulajdonságok alapvető fontosságúak: Szemcseméret eloszlás. A paszta technológia szempontjából a szemcseméret eloszlásnak meghatározó szerepe van. Általában elmondható, hogy mind a zagysűrítés, mind a kialakult paszta konzisztenciájában a 2 µm-nél kisebb szemek aránya meghatározó (Fouire, 22). A meddőzagy tározásban a szemcseméret eloszlásnak nagy szerepe van a kialakuló nyírószilárdság mértékében is. A finom szemek általában nehezen ülepíthetőek, viszont a kis mérettel, nagy fajlagos felület társul, amely a kialakult halmaz vízfelvevő képességére nézve kedvező. A szemcseméret eloszlás meghatározása általában szabványos szitasorozattal a durvább tartományokban, illetve dekantációs és lézeres szemcseméret eloszlás meghatározással történhet a finomabb tartományokban. Bizonyos esetekben (kolloidok, agyagásványok) a vizsgálati módszert úgy kell megválasztani, hogy a valóságnak minél inkább megfelelő eredményt adjanak. Ásványos összetétel. Az ásványelőkészítési gyakorlatban általános a feldolgozott kőzetanyagok finom őrlése, ezzel a 2 µm nél kisebb szemek arányának a megnövekedése. Ebbe a szemcseméret tartományba eső szemeknél feltétlenül vizsgálni kell az agyagásványok jelenlétét és mennyiségét. A valódi agyagásvány szemcsék jellemezhetőek egy elektromos tulajdonsággal, amelyet kation cserélési képességnek hívunk. A kationcserélő képesség erőteljesen befolyásolja az agyagásvány szemek ülepíthetőségét, így a zagysűrítés eredményességét is. Az agyagásványok jelenlétének másik fontos szerepe a talajmechanikából ismert határok, a folyási és a sodrási határok változására gyakorolt hatása. A folyási határ azt a víztartalmat jelenti, ahol a talaj elveszti nyírószilárdságát. A sodrási határ viszont azt a víztartalmat jelenti, amely alatt a talaj elveszti képlékenységét, morzsolhatóvá válik. (Kézdy, 952) Reológia. A szilárd víz keverékek reológiai tulajdonságainak elsősorban a zagysűrítés és zagyszállítás tervezésekor van nagy gyakorlati jelentőssége. Ezek meghatározására csőviszkoziméter a legalkalmasabb, mivel a rotációs viszkoziméterekben a szilárd keverékek NYERSANYAGELŐKÉSZÍTÉSI ÉS KÖRNYEZETI ELJÁRÁSTECHNIKAI INTÉZET 2