非洲氧化銅礦攪拌浸出及堆浸可行性

鄭明臻 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

國外工程技術

非洲氧化銅礦攪拌浸出及堆浸可行性

鄭明臻 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

最近十多年非洲銅帶區(qū)在國際礦業(yè)領域一直備受矚目。銅帶區(qū)是指從贊比亞的北部中心至剛果金南部的加丹加省，是世界上最大的成礦區(qū)，鈷、銅儲量分別占全世界34%和>10%。政局穩(wěn)定性的提高、礦石的高品位以及冶煉技術的改進為該地區(qū)吸引了大量投資。

銅回收工藝各有不同，包括濕法和火法。采用何種工藝取決于許多因素，如原礦物質(zhì)組成和品位、成礦地理位置、采礦成本、水電消耗、銅回收率及酸耗等。

氧化銅礦濕法提取技術包括攪拌浸出、浸泡浸出、廢石堆浸、堆浸和原地浸出。由于銅帶區(qū)礦石品位較高，攪拌浸出是最多采用的工藝流程。另一方面，對于低品位礦(包含尾礦)堆浸是潛在的可行方案。

最近十年，在南美采用堆浸的項目大幅增加。當秘魯積極發(fā)展銅堆浸項目時，智利作為世界上唯一的堆浸—萃取—電積項目數(shù)量增加最多的國家而備受關注。

本文旨在：選取智利一典型的堆浸工藝與銅帶區(qū)的攪拌浸出工藝進行比較。兩種工藝均用于從氧化礦中回收銅，從工藝流程圖的評價到對不同的技術方案進行討論，對資本費用和操作成本進行了深入的比較，闡明兩種工藝經(jīng)濟上的差異。

浸出； 溶液萃??； 經(jīng)濟性； 非洲銅帶區(qū)

1 簡介

世界上對于不同的氧化礦采用不同的浸出技術。智利已成功將堆浸技術用于處理氧化銅礦，而非洲銅帶區(qū)則普遍采用攪拌浸出。對于這些氧化礦首先采用酸液處理，然后以電積形式從富液中回收金屬。在電積之前，大多采用溶劑萃取來提純和富集，極少數(shù)情況下，除非原礦和次生礦的品位能保證攪拌浸出液中銅濃度足夠高，可以不經(jīng)溶劑萃取提純而直接進行電積。

對于銅帶區(qū)低品位氧化銅礦或尾礦，堆浸具有很大潛力。在Nkana的MCM已成功建造了一個小型的堆浸—萃取—電積廠。

基于此背景，本論文將提供：

·對在銅帶區(qū)(剛果和贊比亞)的一些銅項目的看法。

·對智利的典型堆浸工藝和非洲銅帶區(qū)典型攪拌浸出工藝進行技術經(jīng)濟比較。

2 非洲銅帶區(qū)綜述

非洲銅帶區(qū)確切的說是一個長600 km寬50 km，世界上銅和鈷儲量最大的區(qū)域，從贊比亞的北部中心一直延伸到剛果金南部的加丹加省。銅帶區(qū)礦物貯量可達世界規(guī)模，擁有數(shù)百萬噸銅品位>2%的礦石。

從高品位氧化礦的攪拌浸出到焙燒/浸出/電積硫化銅鈷礦，非洲銅帶區(qū)的濕法處理工藝具有很長的歷史。20世紀初已開始開采含銅礦物，直到30年代才開始大規(guī)?；厥浙~，隨后大城鎮(zhèn)和礦山不斷增長，直到70年代剛果國內(nèi)和國際(包含剛果和贊比亞)政局不穩(wěn)，出現(xiàn)一段工業(yè)低迷期。2000年時贊比亞開始復興，而剛果政局穩(wěn)定后，實行部分工業(yè)私有化， 2005年時也開始復興，現(xiàn)在的產(chǎn)量已達到20世紀60年代后期頂峰時的產(chǎn)量(表1)。此外，在剛果和贊比亞還有大量的項目處在規(guī)劃、可研和設計階段(參照表2)。

預計到2011年銅帶區(qū)將成為世界第二大產(chǎn)銅區(qū)，目前贊比亞和剛果分別占世界銅產(chǎn)量的4%和2.1%，到2013年將分別上升至約5.7%和4.9%[3]，銅的儲量約55.5 Mt，鈷約3.6 Mt。

表1列出了在贊比亞和剛果的一些現(xiàn)有的工程項目，但不是所有的項目。

表1 贊比亞和剛果已有的主要濕法項目

*估算

表2 贊比亞和剛果將來的濕法項目

*估算

3 工藝流程

3.1 攪拌浸出工藝描述

銅帶是由各種不同品位的氧化礦和硫化礦組成。氧化礦品位一般較高，含Cu 2%～10%。礦石的特性由酸耗量、粒度和粘土含量來表征。圖1A所示為采用攪拌浸出工藝處理氧化礦的典型工藝流程圖，該流程已在非洲銅帶區(qū)采用。圖1B所示為已在智利建設的典型堆浸工藝流程圖。

圖1 A—典型的攪拌浸出工藝流程和B—典型的堆浸工藝流程

3.1.1 磨礦

原礦收集后，破碎并進入閉路磨礦系統(tǒng)。磨礦排料在進入漩流器前用工藝水稀釋，漩流器溢流進入濃密機進料斗，底流則返回磨礦加料系統(tǒng)，同時加入稀釋水。

3.1.2 預浸脫水濃密機

漩流器溢流收集在預浸脫水濃密機的加料斗內(nèi)，濃密底流泵入浸出槽，溢流進入回水槽，并返回磨礦回路。

3.1.3 浸出

濃密底流與來自萃余液池的銅萃余液混合，使其含固量約20%～30%，之后加入第一個浸出槽。

浸出在機械攪拌槽內(nèi)進行，若需要會在浸出槽內(nèi)通入SO2作為還原劑浸出鈷。通過加入濃硫酸控制浸出槽的pH在1.5～2.2，常壓，溫度在室溫與60 ℃之間。

3.1.4 固液分離

礦漿進入CCD系統(tǒng)，第一級CCD濃密機的溢流進入澄清器。固液分離區(qū)有兩個重要標準：首先保證足夠的洗水量，其次減小富銅液中固含量，滿足下游對銅萃取的要求。CCD洗滌是必須的，因為溶液夾帶脈石量比較大。普遍采用澄清床減小富銅液中的固含量。除此之外，萃取之前采用澄清池將微小顆粒再次進行沉降，因為澄清池具有大的表面積且流速減小。

3.1.5 銅萃取

溶劑萃取的作用是提高溶液中的銅濃度，同時去除雜質(zhì)。傳統(tǒng)的銅萃取采用兩級萃取、一級洗滌、兩級反萃。在萃取段水相和混有稀釋劑的有機相逆流混合，稀釋劑作為傳媒，是一種煤油基化學物，很多油料生產(chǎn)商都提供。銅被有機相選擇性的萃取，同時在水相(萃余液)里放出一定量酸，大部分萃余液返回浸出，剩余部分進入鈷回收系統(tǒng)。

萃取段的負載有機首先用含酸溶液進行洗滌，然后進入反萃，洗滌段的洗水作為洗水返回CCD系統(tǒng)。

在反萃段負載有機相與電積系統(tǒng)的廢電解液混合，有機相中的銅進入水相(現(xiàn)在稱為負載反萃液(LSL))，獲得LSL溶液。LSL液送至電積系統(tǒng)，作為陰極液進入電解槽。

3.1.6 銅電積

電解槽內(nèi)裝有陽極(鉛合金)和不銹鋼陰極，銅沉積在陰極上。由于銅的沉積反應，在電解槽內(nèi)同時產(chǎn)生酸，廢電解液返回廢電解液槽，其中一部分返回萃取作為反萃液，其余則進入電解液循環(huán)槽。

陰極板出槽后，沖洗、剝銅，返回電解槽，剝下的銅板取樣、打捆、稱重、堆存后等待運輸。

3.1.7 尾礦中和

最后一級CCD濃密機底流泵入尾礦，加入石灰乳中和其中的酸，控制終點pH～8.0。溶液中的重金屬離子和雜質(zhì)以氫氧化物形式沉淀下來，中和后的尾礦礦漿送至尾礦庫貯存。

3.1.8 尾礦庫

中和后的礦漿泵送至尾礦庫(或尾礦壩)進行堆存，同時使固相沉淀下來，析出的工藝水和雨水流入尾礦回水池，酸化后作為CCD系統(tǒng)的洗水返回工藝系統(tǒng)。

3.1.9 污水收集和水酸化

在CCD系統(tǒng)中為避免銅沉淀，pH值維持在3以下。漏液污水、尾礦回水、不含鈷離子液以及其它的水都作為CCD洗水，使用前需酸化。

3.2 堆浸工藝描述

堆浸是一種礦石處理工藝，即大量經(jīng)破碎或制團的礦石通過各種化學溶液進行浸出獲得有價金屬。占地面積和每年排水量的最大配置與銅礦山一致，在堆場用弱酸溶液噴淋含銅礦石(品位在0.5～2%)，酸液從礦石中溶出銅，得到的富銅液穿過礦石堆后匯集在底部的浸出底墊上。對于氧化礦，50～100天內(nèi)銅浸出率一般75%～80%，通過萃取從浸出液中萃銅，然后電積，酸液則返回浸出堆。

最近幾十年南美的銅堆浸項目大幅增加。當秘魯積極發(fā)展銅堆浸項目時，智利作為世界上唯一的堆浸—萃取—電積項目數(shù)量增加最多的國家而備受關注。

堆浸處理流程有以下幾個步驟：破碎、酸預處理、筑堆和噴淋。為優(yōu)化萃取，浸出流程中每個階段的設計和操作都必須小心注意。

具體的堆浸流程如圖1B所示。

3.2.1 礦石準備

礦石一般經(jīng)過兩段或三段破碎，公稱直徑6～25 mm。為減小運輸費用，粗碎一般在采場附近，采用獨立的回轉(zhuǎn)破碎機，經(jīng)粗碎后的礦石通過粗礦輸送帶送至粗礦堆場，然后通過帶式給料機送至細碎廠的料倉，細碎廠采用傳統(tǒng)的圓錐破碎機，篩分廠則采用水平振動篩。

破碎后的礦石與濃硫酸和水或萃余液制團、加工后，球團既有好的滲透性能，還能使浸出液中銅濃度高。

3.2.2 礦石處理：筑堆和犁松系統(tǒng)

(1)浸出墊結(jié)構

智利銅堆浸項目采用兩種基本底墊，可重復利用的和永久性的。可重復利用的底墊主要用在浸出時間短的氧化礦上，要求底墊持久耐用，因為底墊之上要堆放礦石、浸出、洗滌和清除浸完的廢礦石。永久型底墊適合浸出時間長的混合礦和硫化礦，礦石的準備和堆放是通過多級布料機放在抗?jié)B底墊上，浸出之后，礦石則堆放在原處不移除。

(2)筑堆

礦石筑堆時采用前端裝料機還是傳送帶方式，取決于操作的噸位，堆高在2.5～8 m之間。由于制團礦較脆，輸送帶與礦堆之間石料的自由降落是有限制的。

3.2.3 回收銅：萃取和電積

來自堆浸的溶液進行萃取電積與攪拌浸出得到的溶液進行萃取電積是相似的，因此不再進一步闡述。

4 技術考慮

4.1 破碎

破碎的主要目的是為堆浸提供破碎好的礦石：有一定的粒度，可保證礦石與溶液接觸并有一定的滲透力；有一定的穩(wěn)定性，可保證有足夠的浸出速率通過礦堆。對于破碎后礦石粒度分析，粗碎礦石的最大尺寸是有要求的。對于滲透性好的，則盡可能尺寸較大。花費在礦石制備上的工作和金錢直接與銅回收的經(jīng)濟性有關。

在傳統(tǒng)攪拌浸出中，不同礦石要求的粒度是不同的，一般在25 μm與1 mm之間。攪拌浸出中制備礦石的目的：獲得合適粒度的產(chǎn)品，既保證礦物有足夠的面積被浸濕，又使顆粒懸浮在溶液中。一般采取破碎與磨礦相結(jié)合的形式，特別是粗碎、二級和三級破碎與SAG或棒磨相結(jié)合的形式。磨礦消耗大量能量，同時也需考慮停工期的維護費用。

4.2 浸出

要使堆浸成功，筑堆礦石必須是多孔的，以便溶液能穿過。當?shù)V石與銅帶區(qū)礦石類似且含泥高時，針對礦石孔隙度問題需進行試驗。在固體連續(xù)相和層流條件下堆浸會進行，與攪拌浸出相比，堆浸的回收率低，傳質(zhì)速率慢，需要較長的反應時間。由于溶液以層流狀態(tài)通過礦堆，夾帶的固相有限，因此萃取之前需要澄清的溶液量很少。

攪拌浸出是在液相連續(xù)湍流狀態(tài)下進行的，因此具有高的傳質(zhì)速率和回收率。湍流狀態(tài)下的高傳質(zhì)速率必須輸入較高的功率，除了功率增加，相連續(xù)和顆粒尺寸對固體傳遞和萃取過程中都有一定的影響。微粒子懸浮在水相中，易于被夾帶，因此攪拌浸出需要額外的溶液澄清設備，這將增加投資費用和潛在的操作成本，該成本又取決于工廠的設計和固相的夾帶量。

4.3 固液分離

固液分離設備取決于浸出類型，在堆浸中，液相在通過礦堆時很容易被自然過濾。除此之外，溶液進入收集池前一般采用分離器或固相澄清設備，傳統(tǒng)的配置是在集液池上游設置兩個平行的除砂池。

在攪拌浸出系統(tǒng)中，固液分離要求既要保證足夠的洗水，又要減少浸出液中固相的含量，從而避免給下游系統(tǒng)造成麻煩。由于浸出渣中夾帶大量溶液，因此必須進行洗滌。一般采用兩種方法進行固液分離，一是多級過濾加逆流洗滌，二是CCD洗滌。選擇哪種液固分離方式需考慮的主要因素有：礦石品位、浸出礦漿的過濾性和澄清性能、處理的噸位、費用和設備可行性、當?shù)厮臈l件和參數(shù)選擇。

4.4 溶液萃取系統(tǒng)

在南美和非洲銅帶區(qū)已有許多萃取系統(tǒng)，最合適的配置一般由具體情況決定。最理想的設計是與之相關的諸多因素的投資與生產(chǎn)費用的平衡，包括富銅液組成和pH值，電解液銅和酸濃度以及整個系統(tǒng)的操作對于銅回收率、凈銅傳遞量和試劑利用是否最大化。富銅液含銅4～10 g/L，采用2萃，1反或2反的萃取系統(tǒng)最為普遍。平行系列配置也應用在很多項目中，最明顯的是采用高/低銅(1～3 g/L)萃取。萃取系統(tǒng)從一個結(jié)構形式轉(zhuǎn)換為另一個比較容易，對整個生產(chǎn)過程中的變化較易控制。

4.5 水平衡

為防止體積和雜質(zhì)在銅系統(tǒng)內(nèi)累積，從銅萃取和浸出系統(tǒng)中需開路一部分溶液。開路液包含浸出的鈷和其它雜質(zhì)，需精煉回收可銷售鈷。

開路液量等于銅系統(tǒng)加入的水量，減去系統(tǒng)損失的水量。已做過大量的研究工作減少開路液量，因為開路量大需要的設備就大，且鈷濃度較低需要經(jīng)過濃縮步驟，凈化后獲得合適的鈷濃度方可進行鈷電積。

在系統(tǒng)中盡量少加入水，需要開路液量也會隨之減小，可采用以下措施：

·用萃余液磨礦。磨礦在酸性介質(zhì)中進行，同時萃余液在銅系統(tǒng)中回收，因此在磨礦系統(tǒng)中無需新加水。

·磨礦后用濃密后過濾代替濃密。這可使大部分的水在磨礦系統(tǒng)中停留，避免額外的水進入銅系統(tǒng)。

·改CCD系統(tǒng)為過濾，或者兩者結(jié)合，這可以提高洗滌效率，并減小在銅系統(tǒng)中加入水量。

相比而言，堆浸無需磨礦和固液分離步驟，因此不必考慮溶液開路問題。

4.6 尾礦處理

在攪拌浸出系統(tǒng)，來自固液分離系統(tǒng)的尾渣需要進行中和以及安全處理。作為中和劑的石灰石或石灰以及尾礦庫對攪拌浸出系統(tǒng)的操作和投資成本有影響。相比而言，智利堆浸堆則留在原地復墾。

5 經(jīng)濟性考慮

銅帶區(qū)銅回收項目包括資本費用和操作費用，同樣與智利的堆浸銅項目的資本費用和操作費用進行了比較。

來自最近相關項目的數(shù)據(jù)，第一原則和內(nèi)部專業(yè)知識用于完成費用比較表，比較的精確性接近50%。

費用比較的每個數(shù)據(jù)高度依賴于以下方面：

·礦石品位

·采礦費用

·銅回收率

·脈石酸耗

·動力消耗

·人力成本

·地理位置和地質(zhì)構造

需強調(diào)的是，攪拌浸出工藝的操作費用評估包括開路液的尾渣中和，但是不含后續(xù)獲得鈷中間產(chǎn)品的過程。

硫酸的來源，在攪拌浸出工藝的費用評估內(nèi)需包含一個硫磺制酸廠，對于僅處理氧化礦的項目，在銅帶區(qū)非常普遍。原因是相對于進口大量的硫酸，這可避免額外的費用。所有的費用均采用美元計價。

5.1 資本費用

對于攪拌浸出/萃取/電積和堆浸/萃取/電積的項目收集了許多費用數(shù)據(jù)。在銅帶區(qū)采用攪拌浸出工藝的整個工程費用大約在7 000～7 500美元/t 銅，而智利堆浸項目，整個的費用約4 000～6 000美元/t銅。

這些項目典型的細分費用如表3和表4所示，需要指出的是這些數(shù)據(jù)僅做為資料使用。

表3 攪拌浸出/萃取/電積項目的費用占比明細

表4 堆浸/萃取/電積項目的費用明細

5.2 操作費用

兩種工藝流程可表示的操作費用如表5、表6。

表5 參數(shù)

表6 操作費用明細

從表6不難看出兩種工藝流程的操作費用最大的不同在于試劑和耗材，動力和維護方面。

攪拌浸出中反應試劑量比較大的原因是含有中和開路液所需的試劑，如同在智利堆浸中全酸消耗約40～50 kg/t，相比較而言，銅帶攪拌浸出則需要65～75 kg/t。

與攪拌浸出相比，堆浸的電力消耗要多，因為要獲得相同數(shù)量的最終產(chǎn)品銅，堆浸需要處理大量的原礦，堆浸流程處理原礦需要的電力約54 000 000 kWh/a，而攪拌浸出僅需要21 000 000 kWh/t。浸出、維修、萃取—電積需要的電力消耗約115 000 000～120 000 000 kWh/a。

堆浸工藝的維護費用比攪拌浸出要多，因為需要大量的原礦處理，底墊和礦堆內(nèi)對應管道的維護。

6 前景設想

6.1 位置和氣候的考慮

南美的堆浸項目位于從秘魯南部至智利北部這一帶型區(qū)域，氣候干燥蒸發(fā)率高。這些項目的水源普遍受限制，且含有大量雜質(zhì)。其它的項目則位于溫和的海洋氣候，但同樣有再生水的問題，甚至有些項目直接采用海水。

銅帶區(qū)從贊比亞的北部和東部一直延伸至剛果，該區(qū)域?qū)儆跐駶櫟膩啛釒Ш蜔釒С睗窈透稍餁夂?。一年有兩個主要季節(jié)，夏季是濕潤雨季(11月—4月)，冬季干燥(5/6月—10/11月)，雨季的特點是大暴雨，平均降雨量多。

在降雨量多的區(qū)域諸如銅帶區(qū)，堆浸會遇到溶液平衡問題，需要處理和排放生產(chǎn)水。礦堆的穩(wěn)定性和相關滲透率需要考慮，包含浸完礦堆的處理都將會受影響。

6.2 操作的便利性

與堆浸系統(tǒng)相比，單元操作的數(shù)量和種類使攪拌浸出系統(tǒng)的操作更有挑戰(zhàn)性。由于缺少固液分離系統(tǒng)和尾渣中和，堆浸的浸出操作只需有限的操作員控制，很少的集中控制和操作員，然而與攪拌浸出相比，堆浸操作的維護費用要高一些，具體詳見表6。

6.3 基礎設施

從上世紀30年代銅帶區(qū)大規(guī)模的銅礦山項目給非洲的這個區(qū)域帶來了巨大的工業(yè)商機，同時也帶來了基礎設施的大發(fā)展，以便為各個工業(yè)項目和礦山服務。在上世紀60年代后期，贊比亞和剛果礦山的國有化對當?shù)氐幕A設施和經(jīng)濟有很大的影響。然而，隨著贊比亞(90年代后期)和剛果(2001年)最初民主政權的當選，實行了經(jīng)濟改革，刺激經(jīng)濟活動和鼓勵國外投資。穩(wěn)定的政治環(huán)境連同誘人的礦石品位以及工藝技術的發(fā)展給銅帶區(qū)帶來了全新的機會。

過去的幾年里，發(fā)達國家和發(fā)展中國家已開始在非洲投資提高其基礎設施，譬如中國和印度已在安哥拉、剛果和贊比亞投資了數(shù)十億美元。另外，世界銀行、非洲發(fā)展銀行、歐共體、英國和許多其它捐贈人已投資12億美元提高目前連接銅帶和南非港口的南北走廊系統(tǒng)，目的是通過改善交通、貿(mào)易機會和能源供應來提高非洲的競爭力。

7 結(jié)論

低投資、操作費用，操作簡單，以及就地產(chǎn)陰極銅使得堆浸/萃取/電積工藝的經(jīng)濟性很吸引人。但技術問題，諸如符合不同浸出步驟的礦石、水平衡問題、雜質(zhì)和經(jīng)濟性需在工藝選擇上仔細考慮。

在多雨區(qū)域如非洲銅帶區(qū)，堆浸工藝中溶液平衡問題無法避免，需要管理、處理和排放大量的工藝水，幾個半工業(yè)規(guī)模的堆浸廠在過去幾年已經(jīng)運轉(zhuǎn)，以期更好地了解怎樣解決這個問題。

在銅帶區(qū)堆浸不可能代替攪拌浸出，原因是其固有的溶液平衡問題和非常高的礦石銅品位。

蘇平校對

CopperoxideagitatedleachingontheAfricanCopperbeltandpossibleheapleachapplication

Translated selectively by ZHENG Ming-zhen

The Central African Copperbelt has been an important focus point for the international mining industry over the last decade. The Copperbelt, which extends from north-central Zambia into the southern portion of the Katanga province in the Democratic Republic of Congo (DRC), is one of the world’s greatest metallogenic regions containing an estimated 34% of the world’s cobalt reserves and over 10% of the world’s copper reserves. The steady improvement in political stability in the region, together with attractive ore grades and improvements in processing technology has brought about a renewed interest in the Copperbelt.

Various processes have been developed to recover copper and these include both hydrometallurgical and pyrometallurgical processes. The viability of each of these applications depends on numerous factors, such as ore mineralogy and grade, geographical location of the deposit, mining costs, power and water costs, copper recovery, and acid requirements.

Effective hydrometallurgical extraction methods for copper oxide ore include agitation, vat, dump, heap and in-situ leaching. Agitation leaching is the most prominent process practiced in the Copperbelt due to the favourable copper ore grades. Heap leaching, on the other hand, is a potentially feasible process for treating low grade material, which also includes tailings.