Автоклавная технология переработки некондиционных медных концентратов с использованием гидротермальной обработки : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.02
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………………………………….. 9
1.1 Гидрометаллургическая переработка медьсодержащего сырья ………………………… 9
1.2 Автоклавные технологии в гидрометаллургии меди ………………………………………… 11
1.2.1 Сернокислотное выщелачивание …………………………………………………………………….. 12
1.2.2 Аммиачное выщелачивание ………………………………………………………………………….. 13
1.2.3 Нейтральное выщелачивание ……………………………………………………………………….. 14
1.3 Химизм автоклавного окисления основных минералов ……………………………………. 16
1.4. Обзор гидрометаллургических технологий ……………………………………………………….. 17
1.5 Методы выделения меди из растворов ……………………………………………………………….. 30
1.5.1 Жидкостная экстракция – электролиз (SX/EW)…………………………………………… 30
1.5.2 Осаждение сульфидами ………………………………………………………………………………….. 33
1.5.3 Гидротермальная обработка (ГТО) ………………………………………………………………. 34
1.5.4 Прочие технологии …………………………………………………………………………………………. 35
1.6 Переработка низкосортных цинковых концентратов на ………………………………….. 38
Балхашском цинковом заводе …………………………………………………………………………………… 38
Заключение …………………………………………………………………………………………………………………. 44
ГЛАВА 2. АВТОКЛАВНОЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ……………………… 46
2.1 Характеристика исходных медных концентратов ………………………………………………… 46
2.2 Характеристика дисперсности концентратов ……………………………………………………….. 47
2.3 Минералогический состав ……………………………………………………………………………………… 48
2.4 Автоклавное окислительное выщелачивание медных концентратов ………………….. 54
2.4.1 Особенности динамики автоклавного окисления ……………………………………………. 57
2.4.2 Влияние подготовительных операций …………………………………………………………….. 60
2.4.3 Влияние параметров процесса окисления ……………………………………………………….. 62
2.4.4 Влияние состава автоклавного раствора …………………………………………………………. 65
2.4.5 Очередность окисления сульфидов………………………………………………………………….. 73
Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 75
ГЛАВА 3. ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА МЕДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ …………. 77
3.1 Методика экспериментов ……………………………………………………………………………………….. 77
3.2 Влияние доизмельчения концентрата ……………………………………………………………………. 78
3.3 Влияние температуры ……………………………………………………………………………………………. 78
3.4 Влияние состава подаваемого раствора …………………………………………………………………. 80
3.5 Влияние предварительного окисления ………………………………………………………………….. 82
3.6 Скорость процесса осаждения меди ……………………………………………………………………….. 85
Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 89
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ……………………….. 91
4.1 Автоклавное окислительное выщелачивание……………………………………………………….. 91
4.1.1 Расчёт кинетических параметров ……………………………………………………………………. 91
4.1.2 Методика проведения испытаний ……………………………………………………………………. 95
4.1.3 Технологические параметры ……………………………………………………………………………. 98
4.1.4 Показатели процесса ………………………………………………………………………………………… 99
4.1.5 Результаты и их обсуждение …………………………………………………………………………… 101
4.1.6 Состав продуктов……………………………………………………………………………………………. 103
4.2 Гидротермальная обработка ………………………………………………………………………………… 110
4.2.1 Расчёт кинетических параметров ………………………………………………………………….. 111
4.2.2 Методика проведения испытаний ………………………………………………………………….. 113
4.2.3 Технологические параметры ………………………………………………………………………….. 114
4.2.4 Показатели процесса ………………………………………………………………………………………. 114
4.2.5 Результаты и их обсуждение …………………………………………………………………………… 117
Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 122
ГЛАВА 5. КОНТУРЫ ТЕХНОЛОГИИ …………………………………………………………………………. 124
5.1 Контуры технологии …………………………………………………………………………………………….. 124
5.1.1 Отходы производства ……………………………………………………………………………………… 128
5.1.2 Аппаратурная схема предлагаемой технологии …………………………………………….. 129
5.1.3 Технологический эффект гидрометаллургической обработки………………………. 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………….. 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………………………….. 139
ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………….. 144
Приложение А ……………………………………………………………………………………………………………. 144
Приложение Б…………………………………………………………………………………………………………….. 148
Приложение В…………………………………………………………………………………………………………….. 150
Приложение Г …………………………………………………………………………………………………………….. 158
Г.1 Технологические реагенты……………………………………………………………………………….. 160
Г.2 Экономическая оценка……………………………………………………………………………………… 164
Г.3 Изменение экономических показателей ТОО «Казахмыс Смэлтинг» …………….. 170
Приложение Д………………………………………………………………………….…. 176
Горно-металлургическая отрасль – это один из наиболее конкурентоспособных и
динамично развивающихся секторов промышленности Казахстана. Казахстан обладает
разнообразными полезными ископаемыми. Из 105 элементов таблицы Менделеева в
недрах Казахстана выявлено 99, разведаны запасы по 70, вовлечено в производство более
60 элементов. Значимое место в горно-металлургической отрасли всегда занимала и
занимает цветная металлургия. Производство меди в свою очередь занимает лидирующую
позицию в цветной металлургии Казахстана.
Согласно данным Комитета геологии и недропользования Республики Казахстан по
выявленным ресурсам (33,2 млн т) и подтвержденным запасам (18,3 млн т) меди
Казахстан занимает, соответственно, 14-е и 10-е место в мире. В стране известно более 90
меднорудных и медьсодержащих месторождений, основная часть которых относится к
стратиформному, колчеданному, медно-порфировому и скарновому геолого-
промышленным типам. Ведущее место, как по запасам, так и по добыче меди занимает
Центральный Казахстан, где выделены Жезказганский (месторождения Жезказган,
Жомарт, Жиландинская группа), Балхашский (месторождения Актогай, Жайсан,
Шатыркуль, Коунрад, Саяк-I, Саяк-III), Карагандинский (месторождения Абыз,
Нурказган) и Майкаинский (месторождение Бозшаколь) рудные районы.
Актуальность темы исследования
В настоящее время вследствие интенсивной разработки месторождений цветных
металлов в значительной степени отработаны запасы богатых и легкообогатимых руд,
наблюдается общая тенденция снижения содержания металлов в добываемых рудах. Все
чаще имеет место вовлечение в переработку труднообогатимого, тонковкрапленного,
низкокачественного, полиметаллического и техногенного сырья. Сложный
минералогический состав таких материалов неизбежно приводит к необходимости
применения комплексных технологий, позволяющих выделить основные ценные
компоненты сырья и обеспечивать рентабельность переработки. Снижение качества
шихты вызывает проблемы технологического характера; в частности, повышается выход
отходов производства, возрастает циклическая нагрузка, снижается извлечение меди и
производительность, что, в свою очередь, приводит к повышению операционных затрат и
себестоимости продукции.
Исследовательскими институтами и предприятиями ведутся работы, направленные
на поиск новых или модернизированных технологических решений. При выборе
технологии учитывается минеральный состав сырья, географическое расположение
месторождения, удалённость от основных промышленных районов, наличие
существующих производственных мощностей, доступность квалифицированной рабочей
силы, стоимость кислорода, электроэнергии, реагентов.
Таким образом, несмотря на достаточно прочные позиции пиропроцессов в
металлургии меди, практика переработки сульфидных медных концентратов на
медеплавильных заводах вызывает необходимость поиска альтернативных вариантов
переработки сырья, в том числе на основе гидрометаллургических процессов.
Степень разработанности темы
Общеизвестным способом улучшения медных концентратов являлась их
перефлотация с неизбежными потерями меди и благородных металлов с хвостами и
промпродуктами. Впервые предлагается улучшить качество медных концентратов путем
их гидротермальной обработки подкисленным раствором сульфата меди, получаемого на
первой стадии автоклавного окислительного выщелачивания исходного концентрата, что
позволит селективно отделить цинк, железо и исключить потери благородных металлов.
Цель работы
Целью данного исследования является разработка технологии переработки
некондиционных медных концентратов ТОО «Корпорация Казахмыс» с использованием
существующего оборудования Цинкового завода ТОО «Kazakhmys Smelting (Казахмыс
Смэлтинг)», позволяющей снизить общую стоимость производства меди. Данная
технология должна обеспечивать возможность экономически эффективной переработки
двух типов некондиционных медных сульфидных концентратов с содержанием меди на
уровне 11 % и 18 %, в которых в качестве ценных компонентов также присутствуют цинк,
свинец, золото и серебро.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
– определение свойств рассматриваемых концентратов и возможности их
автоклавного окислительного выщелачивания с переводом меди и цинка в раствор;
– определение возможности рационального использования и анализ пригодности
действующего автоклавного оборудования Цинкового завода ТОО «Корпорация
Казахмыс» для проведения операций автоклавного окисления и гидротермального
осаждения;
– определение рабочих параметров процессов автоклавного окисления и
гидротермального осаждения;
– определение методов выделения основных продуктов в рассматриваемой схеме;
– снижение общей себестоимости продукции (производства меди) за счет снижения
выхода отходов производства, снижения циклической нагрузки и увеличения
производительности предприятия;
– оптимальная компоновка технологической схемы в условиях существующего
производства.
Научная новизна:
1. Установлено, что селективное окисление сфалерита и халькопирита достигается
с понижением давления кислорода;
2. Уменьшение выхода элементной серы достигается за счет процесса обмена с
сульфатом меди, который стимулируется пониженным давлением кислорода и
повышенной концентрацией меди в растворе АОВ;
3. Определено влияние кислорода на показатели извлечения цинка из медно-
цинкового концентрата в процессе гидротермальной обработки;
4. Получены кинетические характеристики процесса автоклавного окислительного
выщелачивания полиметаллических концентратов;
5. Определены обратные зависимости ключевых показателей процесса
гидротермального обогащения из растворов автоклавного выщелачивания (степени
извлечения меди и цинка) от величины параметров процесса ГТО.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Впервые принято решение использовать низкосортные полиметаллические
концентраты по разным направлениям технологической схемы, с целью получения
кондиционного селективных концентратов, а также дополнительного извлечения других
ценных компонентов в селективные продукты, в частности, в цинковый и свинцовый
концентраты, золотосеребряный цементат, а также снижения выбросов вредных веществ
основного пирометаллургического производства компании.
2. Определены кинетические характеристики процесса гидротермальной обработки
в режиме частичного окисления в первой секции автоклава, позволяющие моделировать
промышленный процесс.
3. Предлагаемая технологическая схема может быть реализована на Балхашской
промышленной площадке металлургического производства ТОО «Kazakhmys Smelting
(Казахмыс Смэлтинг)» в качестве экономически выгодной и позволяющей перерабатывать
некондиционные полиметаллические концентраты с селективным извлечением попутных
ценных компонентов. Определен положительный экономический эффект от внедрения.
Методология и методы исследования
Использован стандартный набор инструментов интегрированного пакета ОС
Windows и других стандартных компьютерных программ, финансово–математическое
моделирование, физико–химические методы исследования и анализа сырья, рабочих
растворов и пульп, промышленных продуктов и готовых товарных продуктов:
– рентгенофазовый анализ (оптический микроскоп Zeiss);
– микрорентгеноспектральный анализ (растровый электронный микроскоп Tescan
Vega LMH II LMH с ЭД спектрометром и системой микроанализа INCA Oxford
Instruments).
Положения, выносимые на защиту
1. Автоклавное окислительное выщелачивание концентрата БОФ при
температуре 170 °С и парциальном давлении кислорода 0,6 МПа позволяет перевести
медь в раствор на 89 % и цинка на 63 % при ограниченном окислении пирита.
2. Гидротермальное осаждение меди после частичного автоклавного
выщелачивании концентрата ЖГОК при температуре 170 °С и парциальном давлении
кислорода 0,6 МПа позволяет переводить в твердую фазу более 99 % меди.
3. Технологическая схема гидрометаллургической переработки
полиметаллического сырья, состоящая из параллельных веток, первая из которых
включает в себя автоклавное окисление концентрата БОФ, флотационное обогащение кека
АОВ, а вторая – гидротермальное осаждение меди, обогащение кека ГТО, позволяет
получить объединенный медно–сульфидный концентрат с содержанием меди более 28 %.
Достоверность результатов
Степень достоверности результатов проведенного исследования обусловлена
отсутствием противоречий известным положениям наук: металлургической;
неорганической и физической химии. Экспериментальные результаты согласуются с
известным опытом создания новых и совершенствования существующих технологий,
процессов и агрегатов в металлургической и смежных отраслях промышленности.
Результаты получены при использовании сертифицированных общепризнанных методик
исследования и анализа, что гарантирует воспроизводимость экспериментальных данных
с точностью до 90 % на стадиях лабораторных и полупромышленный испытаний.
Апробация результатов
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:
– Конгрессе «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов
переработки и утилизации техногенных образований» (Екатеринбург, 2017);
– Международной научно–практической конференции «Интенсификация
гидрометаллургических процессов переработки природного и техногенного сырья.
Технологии и оборудование» (Санкт–Петербург, 2018);
– XXIV Международной научно–технической конференции «Научные основы и
практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург, 2019).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 9 научных трудах, включая 3 статьи в
рецензируемых научных журналах, входящих в международную базу данных Scopus.
Автор выражает огромную благодарность научному руководителю Набойченко
Станиславу Степановичу и кафедре МЦМ УрФУ им. Первого Президента России
Б.Н.Ельцина, а также коллективу компании ООО «НИЦ «Гидрометаллургия» и лично
Шнеерсону Якову Михайловичу и Фоменко Илье Владимировичу.
Особая благодарность выражается Оспанову Ержану Арыстанбековичу за
внимание к работе, методическую и финансовую поддержку.
1. В начале 2000-х годов внимание технологов возросло к использованию
автоклавных процессов для обработки медных концентратов в связи с нарастающей
проблемой утилизации серосодержащих газов и производимой серной кислоты в
пирометаллургическом производстве.
2. На крупнейших горных предприятиях Казахстана в связи с истощением богатых
руд обострилась проблема получения качественных концентратов при обогащении
(снизилось содержание меди, возросло содержание цинка и свинца), что ухудшило
показатели их переработки по классической пирометаллургической технологии.
3. Одним из эффективных вариантов улучшения качества низкосортных
концентратов является их гидротермальное рафинирование по сернокислотной
автоклавной технологии.
4. В структуре Балхашского комбината компании ТОО «Kazakhmys Holding»
имеется законсервированный Цинковый завод, включающий автоклавное отделение,
пригодное для реакций сернокислотного выщелачивания.
5. Руководством Компании совместно со специалистами ООО «НИЦ
«Гидрометаллургия» (г. Санкт-Петербург) предложено использовать мощности
существующего автоклавного отделения для кондиционирования низкосортных медных
концентратов, однако это предполагало проведение целевых исследований по
оптимизации технологии, в том числе по использованию повышенных температур (150-
170 °С).
6. Представлены результаты разработки технологии комплексной переработки
медных концентратов компании ТОО «Kazakhmys Holding». В ходе лабораторных,
укрупненных лабораторных и полупромышленных испытаний выделены следующие
ключевые моменты технологии:
• Автоклавное окислительное выщелачивание концентрата БОФ в
лабораторных условиях и с использованием реальных оборотных растворов, с наработкой
растворов и твёрдой фазы для последующих операций.
• Гидротермальная обработка концентрата ЖГОК с использованием
растворов, полученных в процессе АОВ, с наработкой достаточного количества раствора
и кека ГТО для исследования последующих операций.
• Проведение флотационного разделения твёрдых продуктов —
кондиционированных кеков АОВ, автоклавных остатков ГТО и гипсово-цинкового кека.
Уточнение параметров и показателей флотационного разделения продуктов.
7. На основании результатов испытаний процесса автоклавного окислительного
выщелачивания (АОВ) в непрерывном режиме рекомендованы следующие режимные
параметры окисления концентратов БОФ с использованием оборотного раствора АОВ:
• измельчение концентрата до 85 % класса минус 45 мкм;
• температура 170 °С;
• давление кислорода 0,6 МПа при общем давлении в автоклаве 1,4 МПа;
• удельная производительность АОВ: 68 кг сульфидной серы в 1 час на 1 м³
пульпы в автоклаве (68 кг S/(ч∙м³));
• удельный расход кислорода: 1090 нл кислорода на 1 кг сульфидной серы
(1090 нл/кг S).
8. Проведенные испытания процесса гидротермальной обработки (ГТО) в
непрерывном режиме определили следующие параметры процесса:
• измельчение концентрата до 88 % класса минус 45 мкм;
• температура 170 °С;
• проведение окисления в первой секции автоклава: при давлении кислорода
0,6 МПа; при общем давлении в автоклаве 1,4 МПа; и удельном расходе кислорода: 45 – 90
Нл кислорода на 1 кг концентрата (45 – 90 нл/кг);
• удельная производительность АОВ: до 280 кг концентрата в 1 час на 1 м³
пульпы в автоклаве (283 кг/(ч∙м³));
• остаточная концентрация меди в растворе ГТО (в разгрузке автоклава) от 0,5
до 1 г/дм3.
Содержание меди в кеках ГТО составляло 35 – 38 % при извлечении меди из
раствора в кек на уровне 98 – 99 %. Извлечение цинка стимулировалось увеличением
расхода кислорода и достигало 63 %.
9. При нейтрализации растворов ГТО достигается степень очистки раствора от
железа более 99,5 %, при его остаточном содержании менее 0,2 г/дм3; степень очистки от
кремния 85 – 88 %, при его остаточном содержании 0,25 г/дм3. При этом потери цинка с
кеком нейтрализации составляют от 6 до 11 %.
10. Испытания операций обогащения остатков после кондиционирования кеков
АОВ подтвердили возможность извлечения 98 – 99 % меди в сульфидный продукт.
Увеличение содержания меди в остатке кондиционирования позволило выделить из
автоклавных остатков сульфидные концентраты с содержанием меди 23 24 %.
Извлечение меди в концентрат составило свыше 98 %, а содержание меди в окисленных
хвостах флотации – 0,2 – 0,4 %. По сравнению с исходным концентратом БОФ, данный
продукт содержит значительно меньше вредных примесей: свинца не более 0,1 – 0,2 %,
цинка 0,3 – 0,4 %.
11. Проведенные исследования позволили подтвердить принципиальную
осуществимость автоклавных процессов с целью повышения качества медных
концентратов, с извлечением попутных металлов в виде селективной продукции, а также
подтвердить возможность использования имеющегося оборудования Цинкового завода.
12. Аппаратурное оформление гидрометаллургического производства предполагает
использование в максимально возможной степени существующего здания и оборудования
законсервированного Цинкового завода. На его модернизацию в вариантах ∼63 млн. USD
при строительстве участка цианирования Строительство кислородного завода на
производительность по кислороду 13 000 нм³/ч составит 18,6 млн. USD (≈ 34 % от всего
объема инвестиций).
Эксплуатационные затраты составляют около 22,3 млн. USD/год. Почти 50 % в
структуре операционных затрат занимают расходы на реагенты, материалы и
электроэнергию, ∼15 % расходы на оплату труда, ∼20 % расходы на ремонты.
13. Технико-экономические расчеты доказывают эффективность разработанной
технологии, что обуславливает перспективность ее внедрения в условиях Цинкового
завода.
14. Снижение издержек и себестоимости производства по компании при
использовании гидрометаллургического обработки медных концентратов достигается за
счет следующих факторов:
– снижение массы цинка (на 24,5 %) и свинца (на 34,5 %) в шихте, поступающей на
плавку;
– повышения извлечения меди в катодную с (92,9 до 93,7 %);
– увеличения объема переработки концентратов (на 153 тыс. т/год или 12,7 %) и
выпуска катодной меди (на 35,2 – 35,7 тыс.т/год);
– снижению массы шлака, получаемого при плавке.
15. Положительный экономический эффект складывается из четырех основных
составляющих:
1 – реализация товарных цинковых концентратов (∼15,3 млн. USD/год);
2 – реализация товарных свинцовых концентратов (∼6,4 млн. USD/год);
3 – снижение издержек и себестоимости производства катодной меди на БМЗ и по
компании в целом (для компании ∼20,7 млн. USD/год или 56,3 USD/т меди);
4 – выручка от реализации дополнительного объема катодной меди (35,2 – 35,7
тыс.т/год или 201 –203 млн. USD/год).
16. Прирост производительности действующего пирометаллургического и
медерафинировочного производств становится возможен за счёт того, что после
переработки 201 тыс. т/год концентрата БОФ и 181,4 тыс. т/год концентрата ЖГОК на
рафинирование будет поступать лишь 210 – 220 тыс. т/год медно-сульфидных продуктов.
17. На основании результатов проведенных испытаний ведутся проектные работы
по модернизации существующего оборудования Балхашского цинкового завода для
технологии гидротермального рафинирования низкосортных медных концентратов.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования будут продиктованы
фактическим состоянием сырьевой базы и запросом, как потребителей продукции, так и
потенциальными поставщиками. В зависимости от состава сырья может измениться
задача по получению конечного продукта определенного качества, например, на момент
настоящей публикации уже проведены исследования по получению концентратов после
гидротермальной обработки с содержанием меди более 35 %, которые допустимо будет
перерабатывать на Жезказганском медеплавильном заводе в рудно-термических
электропечах. Дополнительное направление исследований складывается при попытке
переработки в гидрометаллургическом цикле отходов производства и полиметаллических
промежуточных продуктов, таких как свинцовые пыли медеплавильных заводов. Схема
производства позволяет не потерять металлы со сбросными растворами электролитного
цеха, внедрить дополнительные переделы для выщелачивания свинцовых пылей
медеплавильных заводов, содержащих целевые медь, цинк, свинец и драгметаллы, а также
рассмотреть возможности привлечения стороннего сырья, что дает весьма обширный
фронт дальнейших действий.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (1033 отзыва)
4.9 (20 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
5 (428 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
