趙鵬飛 殷書巖

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

0 前言

難處理金礦現(xiàn)已成為黃金生產(chǎn)的主要原料之一,該類礦石中的金粒往往被毒砂、黃鐵礦等硫化物包裹,金與氰化物的直接接觸受到阻礙。采用傳統(tǒng)的直接氰化浸金工藝,金浸出率低,氰化物的消耗量大。對于這種金礦石,需要在氰化前進行預處理,即將包裹金的礦物進行分解,使金粒裸露出來,在后續(xù)氰化處理過程中能更好地與氰化物發(fā)生反應。目前加壓氧浸預氧化技術已經(jīng)成為難處理金礦優(yōu)選方案之一[1-4]。

加壓氧浸預氧化技術的原理是利用氧氣和金礦中的硫元素進行反應,在打開晶格的同時,利用反應熱作為維持系統(tǒng)反應及穩(wěn)定操作所需熱量,從而實現(xiàn)難處理金礦的預氧化,為后續(xù)氰化提金提供條件。在此過程中會有多余熱量產(chǎn)生,因此建立余熱循環(huán)利用系統(tǒng)能更好地優(yōu)化加壓預氧化技術,實現(xiàn)節(jié)能減排,從而增加工藝的經(jīng)濟性和環(huán)保性[5-6]。

余熱回收利用過程中,要解決的問題有:熱量載體的參數(shù)條件(如溫度和壓力等)要合理化,匹配原有流程的熱量回收點;熱載體的清潔性需要保障,熱量回收過程中不能污染過程中各部分的物料;余熱轉化的高效性,需兼顧工藝的切合性,從而保證可操作性和有效性;余熱循環(huán)利用系統(tǒng)需合理配置,實現(xiàn)熱量的逐級全面的循環(huán)利用。

本文在已有原則性加壓預氧化工藝的基礎上,對余熱回收進行研究,并針對不同工藝建立一套高效的余熱回收系統(tǒng)。

1 原則性工藝流程及操作參數(shù)研究

難處理金礦根據(jù)礦源情況主要分兩大類,一類(Ⅰ型)是較為純凈的金礦,含有其他有價金屬較少;一類(Ⅱ型)是復雜多金屬混合金礦,為了更好地進行該類礦石的資源開發(fā)利用,一般都會附帶其他金屬回收工藝,主要是含銅金礦[7-9]。

Ⅰ型難處理金礦原則性加壓預氧化工藝流程為金礦原料處理-加壓氧浸-閃蒸降壓-閃蒸后礦漿處理-氰化前準備-氰化提金-金精煉,另有礦漿處理尾液的處理回用。流程圖如圖1所示。

圖1 Ⅰ型原則性加壓預氧化工藝流程圖

礦漿處理主要是利用閃蒸后礦漿殘酸和余熱對原料進行預浸和加熱,從而穩(wěn)定進入加壓氧浸工序的物料參數(shù),去除賤金屬和其他因素的影響。

加壓氧浸采用自熱的方式進行生產(chǎn),操作溫度190～230 ℃,操作壓力為2.5～3.8 MPa,從而保障包裹金的晶格全部打開,將難處理金礦轉化成可通過氰化就能得到高回收率的浸出渣。

加壓氧浸后,采用減溫降壓的方式將物料的狀態(tài)轉化成可實現(xiàn)后續(xù)生產(chǎn)的存在狀態(tài)。減溫降壓后物料壓力為102～120 kPa,溫度為95～105 ℃。

閃蒸后礦漿經(jīng)過程中和以及降溫處理達到可直接氰化的工藝條件,pH值為11,溫度為40 ℃。

閃蒸后礦漿經(jīng)過洗滌、液固分離、中和、降溫處理后再進行氰化提金,得到金產(chǎn)品,氰化后尾渣一般經(jīng)過破氰后堆存或出售。

礦漿處理過程產(chǎn)生的廢液一般含鐵、砷以及其他雜質,通過中和等手段進行雜質沉淀和廢液凈化,凈化后的溶液可返回系統(tǒng)循環(huán)利用,沉淀渣則可進行堆存或出售。

Ⅱ型難處理金礦原則性加壓預氧化工藝流程為金礦原料準備-礦漿預浸-加壓氧浸-閃蒸降壓-液固分離-氰化前準備-氰化提金-金精煉。另外,礦漿處理產(chǎn)生的尾液還需進行有價金屬回收,含銅金精礦的回收工序通常包括銅萃取電積或銅化學沉淀回收等,含鋅金精礦通常采用化學沉淀法回收鋅等。流程圖如圖2所示。

圖2 Ⅱ型原則性加壓氧浸流程

Ⅱ型難處理金礦原則性流程加壓氧浸主體工藝與Ⅰ型難處理金礦相同,溶液處理部分增加銅或鋅等有價金屬的回收工藝。

2 工藝熱源分布及熱源性質研究

由于加壓氧浸采用自熱的方式進行,整個系統(tǒng)的所有熱量均來自加壓氧浸過程中的反應熱,過程涉及的反應見式(1)～(6)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中反應式(1)～(2)產(chǎn)熱量可占到總熱量的90%～95%。過程中熱量釋放載體主要為加壓釜排汽Q汽1以及減溫降壓過程中的排汽Q汽2,閃蒸后礦漿熱量Q漿,過程設備散熱Q損。系統(tǒng)可利用的余熱為Q汽1、Q汽2以及Q漿。

加壓釜排汽Q汽1的操作參數(shù)為溫度190～230 ℃,操作壓力2.5～3.8 MPa。由于加壓氧浸過程中發(fā)生的副反應產(chǎn)生不凝結氣體如CO2,礦漿溶氣會帶進空氣,常用氧氣為變壓吸附方式制備,純度在90%～92%,加壓釜必須依靠排汽來實現(xiàn)溫度和壓力的穩(wěn)定,排汽量大小以及蘊含熱量多少與上述不凝氣的量有直接關系,因此加壓釜排汽Q汽1的熱量利用可通過操作條件建立排汽模型從而計算平衡排氣量。另外,加壓釜排汽會夾帶反應料漿,清潔程度比較差[9]。

減溫降壓過程Q汽2的操作參數(shù)為溫度95～105 ℃,壓力102～120 kPa。

加壓氧浸后,采用減溫降壓方式處理物料時,為了保持熱平衡,會釋放蒸汽實現(xiàn)能量轉化。該部分蒸汽溫度不高,壓力較低,清潔程度差,但是熱量高,需要重點研究余熱回收利用。

閃蒸后的礦漿熱量Q漿,操作參數(shù)為溫度95～105 ℃,常壓。此部分熱量會隨著漿料進行傳遞,直接換熱從而轉移熱量則需要整體考慮后續(xù)工藝的適應性;間接換熱存在換熱效果差、設備運行不好操作等問題。若能解決上述問題,間接換熱可以增強熱量轉移后的適用性。

過程設備散熱Q損則與工藝選擇的設備以及保溫隔熱措施有關,此部分熱量的處理需要對比經(jīng)濟性和可操作性。

了解加壓氧浸過程中熱量的分布和特性后,可以針對工藝操作參數(shù)建立專屬的余熱回收系統(tǒng)[10]。

3 工藝熱量轉化點位研究

在生產(chǎn)工藝中,由于各部分對操作條件的要求不同,各工藝熱量轉化點位采用保溫、升溫或降溫等措施。本文研究了不同點位的熱量轉化情況,并針對熱量轉化提出相應的解決方案。

3.1 礦漿處理點位

礦漿處理點位包括礦漿的預酸化、液固分離以及礦漿貯存。這些點位對溫度要求不高,如果溫度能保持在高位,則有助于預酸化過程的進行,對于液固分離也有利。但是為了保障溫度,采取保溫措施會增加較多的投資,經(jīng)濟性不好,另外和地域也有關,一般會選擇不做保溫措施。礦漿處理液固分離后液會進入尾液處理或者其他有價金屬回收工序,此處點位熱量轉化情況后續(xù)再詳述。

3.2 加壓氧浸及閃蒸點位

加壓氧浸及閃蒸點位如前敘述為產(chǎn)熱點位,此處不存在熱量再次回用的問題,加壓釜及閃蒸系統(tǒng)一般采用襯磚設置,保溫性能較好,熱量損失較少。

3.3 閃蒸后礦漿處理點位

閃蒸后礦漿處理點位最終銜接點位為氰化提金,氰化提金對溫度及pH值均有要求,需要對閃蒸后礦漿進行中和及降溫處理。另外,閃蒸后礦漿中含有大量酸,這部分酸需最大程度循環(huán)利用至礦漿處理點位,從而減小酸堿等試劑的消耗量。閃蒸后礦漿一般采用CCD洗滌方式進行液固分離,底流作為去氰化的原料,溢流作為去礦漿處理的試劑。在中和過程中,由于pH值變化,物料中的鐵元素會進一步轉化成鐵礬包裹金,導致后續(xù)金的氰化率降低,因此需要保障高溫、高pH值以減少鐵礬的形成。因此,在此點位,需要采用在底流礦漿中和前升溫,在中和后降溫的方式進行熱量轉化。升溫部分,由于所需溫度較高,超過90 ℃,采用間接換熱的方式效率較低,因此研究選用直接換熱的方式;降溫部分,由于溫降大于50 ℃,采用直接換熱方式會影響體系的處理量,增加氰化工序的限制條件,因此要研究間接換熱的方式。

3.4 廢液處理點位

根據(jù)礦源不同,廢液處理點位采用不同工藝方案,Ⅰ型難處理金礦工藝主要處理溶液中的鐵、砷、鎂等雜質,需求溫度保持在80 ℃以上,這樣形成的渣漿固液分離容易,溫度低時則不利于后續(xù)生產(chǎn)。該點位的溫度保障手段,一是合理加熱溶液,二是減少過程散熱。Ⅱ型難處理金礦工藝需要設置銅回收系統(tǒng),萃取工序要求工藝溫度不超過40 ℃,萃取之前做降溫處理,但后續(xù)除雜又回到Ⅰ型廢液處理工藝,需再次對廢液進行升溫處理,熱量損失較為嚴重,因此余熱利用需采用分階梯換熱的方式,最終實現(xiàn)相應的工藝條件要求。

4 工藝余熱回收系統(tǒng)研究

通過系統(tǒng)研究難處理金礦氧壓預浸工藝過程中余熱的產(chǎn)生原理、余熱分布以及涉及點位,建立一套適用于該體系的余熱循環(huán)利用系統(tǒng)。針對不同礦源及工藝路線,需從以下幾個方面建立完整的余熱利用體系:余熱清潔化,余熱采集,余熱轉化,余熱利用等。

4.1 余熱清潔化

余熱從加壓氧浸、閃蒸降壓部分釋放,熱量形式為直接生產(chǎn)的蒸汽。由于氣流原因,蒸汽會夾帶所接觸介質,包括液滴、固體顆粒等,需根據(jù)熱量需求端對熱量的要求,建立不同的清潔化體系。

現(xiàn)在常用的清潔化體系包括壓力文丘里分離體系和冷凝分離體系,該體系利用流速和各物相密度不同的原理,可以最小的熱量損失實現(xiàn)氣液固的有效分離。

壓力文丘里分離體系包括排氣閥體系和噴淋文丘里分離體系。排汽利用各物質密度不同的原理進行離心分離、調節(jié)氣量及流速,最終實現(xiàn)氣液固的初步分離,再通過部分噴淋實現(xiàn)排汽的清潔化。

冷凝分離體系主要進行排汽的深度清潔。該體系主要添加冷卻物質(一般是體系的過程液或者工藝新水),進行直接換熱,對排汽進行少量冷凝,減小流速,從而進行深度洗滌。該體系的優(yōu)點是對排汽的初始壓力要求低,壓力降幅小,可實現(xiàn)排汽最大程度的清潔化、能源化。

清潔化系統(tǒng)可采用單個體系或多個體系組合,根據(jù)后端對排汽清潔程度的要求進行系統(tǒng)調整,靈活性強。根據(jù)工業(yè)實際生產(chǎn),清潔程度可達到95%以上,熱量損失小于5%[10-12]。

4.2 余熱采集

余熱采集研究如何選用不同的熱量載體實現(xiàn)熱量采集的合理化。根據(jù)上述熱源特性研究,可選用蒸汽、礦漿、過程液以及新水作為余熱載體進行熱量采集。

4.2.1 蒸汽載體

選用適當?shù)臏囟群蛪毫崃考拇嬗谡羝?從而實現(xiàn)熱量采集,后續(xù)可將蒸汽用于熱量轉化。蒸汽的參數(shù)可根據(jù)工藝需求進行采集操作的確認,此處蒸汽均為過壓非飽和蒸汽,在使用過程中要考慮不凝氣體的處理。在此系統(tǒng)中,將蒸汽載體的操作條件優(yōu)化至105～115 ℃,操作壓力可設定為100～200 kPa,以便后續(xù)工序使用。

4.2.2 礦漿載體

礦漿作為該工藝流程中的重要物料,也是熱源的直接接受者,不需要采取另外的措施便實現(xiàn)了熱量采集,但該部分的熱量較難利用,工業(yè)可操作性較低,因此該流程中均采用混合的方式將其熱量進行轉移和利用。

4.2.3 過程液載體

過程液并不能直接采集熱量,可伴隨上述兩種介質進行熱量二次或者多次采集。過程液載體是實現(xiàn)工藝操作的重要物流,可將熱量多次傳遞,具體方案可根據(jù)工藝流程需求確定。

4.2.4 新水載體

新水載體可以實現(xiàn)熱量從生產(chǎn)區(qū)向生活區(qū)流動,最直接的體現(xiàn)則為采暖。通過新水載體將熱量儲存,輸送至可利用區(qū)域進行熱量轉化,可根據(jù)熱量需求量進行熱量采集和分配。

4.3 余熱轉化

余熱采集載體確定后,根據(jù)熱量需求點選取熱量轉化的方式。余熱轉化的方式分為直接轉化和間接轉化。

直接轉化是將載體與需求點直接接觸進行熱量轉化的方式,需要考慮各個參數(shù)的匹配性。由于工藝過程中余熱的清潔程度并不能完全達到無害,因此在該系統(tǒng)中除增加系統(tǒng)容量以及其他必須要求外,所有的余熱轉化均采用直接換熱的方式,如加熱礦漿,加熱過程液等。

間接轉化是在對介質操作參數(shù)要求較高或者體系不允許更多介質進入的情況下選取的方式。例如加壓氧浸工藝中的氰化前礦漿冷卻工序屬于此類型,后續(xù)操作溫度不能太高,氰化物處理體系又不能太大,因此采用間接換熱器實現(xiàn)余熱轉化。

4.4 余熱利用

針對難處理金礦氧壓預浸工藝中余熱的回收利用,建立余熱利用系統(tǒng)(圖3)。

圖3 余熱利用系統(tǒng)圖

1)利用礦中的硫自熱為系統(tǒng)的反應提供熱量。

2)加壓氧浸過程中的排汽以及閃蒸降壓后的排汽直接用于加熱氰化前礦漿,以保障生產(chǎn)的溫度要求。

3)排汽與除雜前溶液直接換熱,實現(xiàn)初步熱源的清潔化,同時保障溶液的操作溫度。

4)加壓氧浸后的高溫礦漿與洗水結合,將熱量散布至原料準備以及液固分離工序,實現(xiàn)熱量均布和工藝參數(shù)合理。

5)排汽清潔化后的熱量通過間接轉化方式為廠區(qū)采暖提供熱源。

4.5 余熱回收系統(tǒng)應用情況

目前在某金礦項目上已使用上述余熱回收系統(tǒng),熱量回收率可以達到92%以上。利用硫實現(xiàn)自熱,保障生產(chǎn)的正常進行,加熱氰化前礦漿,溫度可以升高40～45 ℃。排汽直接與除雜前溶液進行換熱,除雜前溶液溫度可以提升30 ℃。另外液固分離部分溫度也升高10 ℃左右,沉降效果良好,上清液含固量低于設定值。

5 結束語

加壓預氧化工藝作為難處理金礦的主要處理工藝,為金礦的處理拓展了新的思路,但此工藝的余熱循環(huán)利用方面的工作并不成型,也沒有形成全面的利用系統(tǒng)。本論文通過對該工藝過程中的余熱回收體系進行系統(tǒng)研究,給出了一套確實可行的余熱回收利用系統(tǒng)。

論文對該工藝的產(chǎn)熱原理、操作條件進行研究,指明了熱量來源。針對不同礦源對工藝進行分類,并對熱源性質及熱源分布進行研究,為熱量利用提供理論基礎。利用硫元素反應所產(chǎn)生的熱量作為熱源,保障正常生產(chǎn),對多余的熱量進行逐一回收,利用直接換熱法實現(xiàn)排汽的清潔,加熱氰化前礦漿和除雜前溶液;另外,利用清潔水進行換熱提高反應系統(tǒng)的溫度,同時保障外排不凝氣體的清潔性,以實現(xiàn)熱量的最大化利用,滿足環(huán)保等排放要求,最終形成一套包括余熱清潔化、余熱采集、余熱轉化、余熱利用等步驟的余熱回收系統(tǒng)。