硫化銅精礦加壓酸浸工藝大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可行性分析

仝一喆， 劉自亮， 何醒民， 王恒輝

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

銅是世界上產(chǎn)量規(guī)模第二的有色金屬，2016年世界精銅產(chǎn)量約為2 200萬t，中國精煉銅產(chǎn)量為796萬t，大多數(shù)精銅產(chǎn)品由火法煉銅工藝產(chǎn)出。加壓酸浸工藝是一種濕法冶煉工藝。濕法煉銅工藝在目前銅冶煉生產(chǎn)中所占比例較小，約占全世界產(chǎn)能的24%。

近年來，在一些銅礦資源豐富的南美洲、非洲等國家，多個(gè)大型濕法煉銅項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)，濕法煉銅工藝在特定條件下的優(yōu)勢(shì)日益顯現(xiàn)，濕法煉銅的產(chǎn)量持續(xù)增長。已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的最主要的濕法煉銅工藝為堆浸及生物浸出，用于處理低品位含銅原料，這兩種工藝在工業(yè)生產(chǎn)中取得了長足的發(fā)展。

濕法煉銅工藝既有擴(kuò)大應(yīng)用的基礎(chǔ)，又有進(jìn)一步發(fā)展的需求?，F(xiàn)有的生物浸出、堆浸工藝具有一定的局限性：不能把礦物中的硫轉(zhuǎn)化為硫磺產(chǎn)品；只有在處理氧化礦、尾礦等低品位含銅物料時(shí)，才較火法煉銅工藝有相對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；兩者的反應(yīng)效率均比較低。從長遠(yuǎn)來看，濕法煉銅工藝的趨勢(shì)將會(huì)像鋅等其它有色金屬一樣，朝著短流程、強(qiáng)化冶煉的加壓浸出方向發(fā)展。

1 現(xiàn)代濕法煉銅工藝的發(fā)展

1.1 微生物浸出工藝

與傳統(tǒng)的火法工藝相比，采用微生物浸出工藝處理硫化礦投資省、成本低，特別是可以避免SO2和As的排放對(duì)環(huán)境造成的污染[1]。微生物濕法冶金最早進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化且規(guī)模最大的是硫化銅礦的細(xì)菌浸出。然而，不是所有硫化銅礦都適合細(xì)菌浸出，中溫細(xì)菌浸出時(shí)，各種硫化銅礦的浸出效果由易到難的排序?yàn)椋狠x銅礦(Cu2S)>斑銅礦(Cu5FeS4)>方銅礦(CuFe2S3)>銅藍(lán)(CuS)>黃鐵礦(FeS2)>硫砷銅礦(Cu3AsS4)>硫銅鈷礦(Cu(Co,Ni)2S4)>黃銅礦(CuFeS2)。輝銅礦最易浸出，因此世界上的銅礦微生物浸出主要以輝銅礦為主，而罕見有黃銅礦的大規(guī)模細(xì)菌浸銅工業(yè)生產(chǎn)。

1.2 堆浸工藝

堆浸是使用最普遍的一種直接浸出方式，隨著銅礦資源開發(fā)利用的不斷深化，銅礦的開采品位不斷降低，采用傳統(tǒng)的方法生產(chǎn)成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，濕法煉銅堆浸工藝已成為大型銅礦資源的主要浸出工藝之一。隨著機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的發(fā)展，堆浸場也實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模和自動(dòng)化的生產(chǎn)。國外的智利、秘魯、澳大利亞、美國等，國內(nèi)的德興銅礦、官房銅礦、金川銅礦、紫金山銅礦，從上世紀(jì)80年代開始就逐步采用氧化銅礦和硫化銅礦堆浸的工程化應(yīng)用[2]。

1.3 加壓浸出工藝

加壓浸出是在高于大氣壓條件下進(jìn)行的強(qiáng)化浸出，可以實(shí)現(xiàn)更高的浸出溫度(>100 ℃)和浸出效率。不同的加壓浸出體系有不同的溫度、壓力條件，就銅加壓浸出工藝而言，工藝技術(shù)條件的控制范圍一般為：溫度100～240 ℃，壓力0.5～3.5 MPa。目前國內(nèi)外濕法煉銅技術(shù)主要還集中在氧化礦堆浸、輝銅礦及低品位硫化礦堆浸方面，而黃銅礦的堆浸效果不佳，銅回收率低，在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中存在一定的局限性。溫度和壓力會(huì)同時(shí)影響反應(yīng)熱力學(xué)和浸出動(dòng)力學(xué)，溫度和壓力的升高會(huì)促進(jìn)浸出。因此，國內(nèi)外開展了較多黃銅礦的加壓浸出工藝研究，國內(nèi)的研究有采用在加壓浸出前添加預(yù)處理工序，也有對(duì)黃銅礦直接進(jìn)行浸出的工藝[3-4]，但均沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。國外的幾個(gè)加壓酸浸工程或采用了較高的溫度、或采用了較高的壓力，需要考慮生產(chǎn)系統(tǒng)中多余的酸的開路問題，給大規(guī)模應(yīng)用帶來了一些困難。因此規(guī)模不大，產(chǎn)能占精銅總產(chǎn)能的比例微乎其微，還有待優(yōu)化和突破。

2 硫化銅精礦加壓酸浸工藝用于大規(guī)模銅冶煉生產(chǎn)的可行性

2.1 硫化銅精礦加壓酸浸工藝的特點(diǎn)

2.1.1 短流程、強(qiáng)化浸出

火法煉銅工藝一般包括熔煉、吹煉、初步火法精煉、電解精煉、渣緩冷、渣選礦、煙氣制酸及脫硫等工序，生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜。而硫化銅精礦加壓酸浸工藝僅包括浸出、溶液凈化、電積，渣浮選、硫磺生產(chǎn)等主要工序，工藝流程短，因此在工廠占地、勞動(dòng)定員、生產(chǎn)管理等方面比火法工藝更具優(yōu)勢(shì)。而且，濕法工藝生產(chǎn)過程更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[5]。

硫化銅精礦加壓酸浸是一種強(qiáng)化浸出工藝，相比堆浸等傳統(tǒng)濕法工藝，反應(yīng)強(qiáng)度高，反應(yīng)速率快，浸出率提高，反應(yīng)時(shí)間縮短，可在2～4 h內(nèi)完成浸出反應(yīng)過程。物料在生產(chǎn)流程中周轉(zhuǎn)的時(shí)間大大縮短，提高了生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 無二氧化硫冶煉煙氣排放

通過控制加壓酸浸工藝的反應(yīng)條件，可以將硫化銅精礦中的大部分硫轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，少量硫直接轉(zhuǎn)化為硫酸進(jìn)入溶液，生產(chǎn)過程無二氧化硫冶煉煙氣排放。但在火法煉銅生產(chǎn)中，產(chǎn)生大量煙氣、制酸尾氣，即使經(jīng)過脫硫后達(dá)標(biāo)排放，每年也會(huì)向環(huán)境中排放數(shù)量驚人的SO2。

在合適的工藝技術(shù)條件下(浸出溫度～150 ℃)，加壓酸浸工藝產(chǎn)生的大量單質(zhì)硫可生產(chǎn)硫磺產(chǎn)品，硫磺便于儲(chǔ)存、輸送。火法煉銅工藝產(chǎn)生的二氧化硫冶煉煙氣一般生產(chǎn)出硫酸產(chǎn)品，且硫酸的產(chǎn)量巨大，每生產(chǎn)1 t電銅，同時(shí)產(chǎn)出3.5～4 t硫酸。硫酸雖然是工業(yè)血液，但由于價(jià)格低廉，其銷售半徑有限，一般不超過200 km，否則將因運(yùn)輸成本等問題導(dǎo)致虧損。硫酸也是?；?，其儲(chǔ)存、運(yùn)輸條件苛刻，一旦不能及時(shí)售出，甚至可能逼停整個(gè)銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)。

2.1.3 綜合回收效果好

硫化銅精礦中伴生有金、銀、鉛、鋅、鉬、鉍等有價(jià)金屬，這些元素雖然品位不高，但由于硫化銅精礦處理量大，有價(jià)金屬的總量是相當(dāng)可觀的。在火法冶煉過程中，鉛、鋅、鉬比較分散，回收率低。在加壓酸浸過程中，鋅、鉬等可浸金屬的浸出率高，可從溶液中回收；金、銀、鉛、鉍等不可浸的金屬可通過浮選從浸出渣中回收。另外，加壓酸浸工藝更易實(shí)現(xiàn)鐵的資源化，若采用赤鐵礦、針鐵礦沉鐵工藝，可得到高品位的鐵渣(赤鐵礦渣含鐵～58%，針鐵礦渣含鐵～40%)，作為副產(chǎn)品外售。

2.1.4 規(guī)模靈活

火法煉銅的規(guī)模越來越趨向大型化，近年來新建火法煉銅項(xiàng)目的生產(chǎn)規(guī)模動(dòng)輒達(dá)到40萬t/a電銅，把生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)發(fā)揮到接近極致。這導(dǎo)致小規(guī)模的火法煉銅生產(chǎn)競爭力急劇下降，也導(dǎo)致精礦的采購和生產(chǎn)組織愈發(fā)困難，大規(guī)?；鸱掋~項(xiàng)目的銅精礦往往來自全球各地，精礦輸送距離遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本高、途損大。而加壓酸浸煉銅工藝由于自身特點(diǎn)，生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)生產(chǎn)規(guī)模不敏感，可結(jié)合礦山的精礦產(chǎn)量確定相應(yīng)規(guī)模，并在礦山或礦山附近就地應(yīng)用，投資規(guī)模低，節(jié)約了精礦的運(yùn)輸成本，生產(chǎn)更靈活。

2.1.5 熱電聯(lián)產(chǎn)可大幅降低生產(chǎn)成本

同火法煉銅工藝相比，加壓酸浸工藝的電積直流電耗及蒸汽消耗構(gòu)成了生產(chǎn)成本的重要組成部分。配套建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施，將有效降低加壓酸浸煉銅工藝的生產(chǎn)成本。在銅精礦資源豐富的地區(qū)，煤炭資源往往也很豐富，如蒙古、印尼等重要銅精礦出口國。對(duì)濕法加壓浸出大有裨益，熱電聯(lián)產(chǎn)為濕法提供電力、蒸汽，則可大幅降低生產(chǎn)成本。熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率可達(dá)到60%～80%，可利用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)的煤炭資源，為濕法煉銅提供電力、蒸汽。

2.2 硫化銅精礦加壓酸浸工藝工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

以10萬t/a電銅生產(chǎn)規(guī)模為例，采用的銅精礦原料主要由黃銅礦(CuFeS2)構(gòu)成，對(duì)比火法煉銅、加壓酸浸濕法煉銅工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 加壓酸浸濕法煉銅與火法煉銅主要 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表(10萬t/a電銅)

2.3 硫化礦加壓酸浸工藝的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)

2.3.1 加壓濕法煉銅的生產(chǎn)應(yīng)用基礎(chǔ)

銅精礦加壓浸出可分為加壓氨浸和加壓酸浸兩大類。由于在硫化礦加壓氨浸后續(xù)過程中需進(jìn)行石灰苛化蒸氨處理，存在設(shè)備結(jié)疤問題，僅美國Anaconda公司和BHP公司進(jìn)行了應(yīng)用。國內(nèi)的加壓濕法煉銅還處于試驗(yàn)階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[6-7]。國外有幾個(gè)采用Fe3+浸出輝銅礦的工程案例，如澳大利亞西部金屬公司的Mount Gordon工藝和老撾的Sepon工藝[8]。美國Bagdad氧壓浸出工藝[9]和贊比亞Kansanshi氧壓浸出工藝則是采用高溫高壓(反應(yīng)溫度高于200 ℃，操作壓力大于3 MPa)處理黃銅礦，而非有利于單質(zhì)硫形成的中溫(反應(yīng)溫度～150 ℃)加壓浸出。高溫高壓造成了精礦中的硫絕大部分氧化為硫酸，因此需要采用與堆浸工藝聯(lián)合使用等措施才能消耗多余的硫酸，有一定的局限。但總體而言，硫化銅精礦加壓浸出有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)該工藝大規(guī)模應(yīng)用具有借鑒意義。

2.3.2 硫化鋅精礦加壓浸出的生產(chǎn)運(yùn)營基礎(chǔ)

硫化鋅精礦直接浸出工業(yè)生產(chǎn)起步于二十世紀(jì)80年代，建成投產(chǎn)了世界上第一個(gè)硫化鋅精礦加壓浸出工業(yè)化工廠，較早突破了工程化技術(shù)瓶頸。國內(nèi)第一座大型加壓浸出煉鋅工程是丹霞冶煉廠鋅氧壓浸出工程，于2009年9月建成投產(chǎn)，已穩(wěn)定運(yùn)行多年。西部礦業(yè)鋅氧壓浸出工程也已投產(chǎn)，四川會(huì)理鉛鋅等氧壓浸出工程又陸續(xù)建設(shè)。國內(nèi)在加壓浸出技術(shù)工程化方面積累了大量技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，主要設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，有利于銅加壓酸浸工藝的應(yīng)用[10]。

3 結(jié)論

(1)硫化銅精礦加壓酸浸作為一種清潔冶煉工藝，相比傳統(tǒng)濕法煉銅工藝，可有效提高資源利用率，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，是濕法煉銅的發(fā)展方向。

(2)硫化銅精礦加壓酸浸工藝相比火法煉銅工藝，副產(chǎn)硫磺而非硫酸，使生產(chǎn)組織更加靈活。加壓酸浸工藝能夠?qū)崿F(xiàn)更好的資源綜合回收效果、更低的建設(shè)投資、更少的勞動(dòng)定員。由于采用電積提取陰極銅，電力成本是濕法煉銅生產(chǎn)成本的重要組成部分，如能配套熱電聯(lián)產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的電力供應(yīng)，將能更好發(fā)揮加壓酸浸工藝的成本優(yōu)勢(shì)。

(3)其它類型加壓浸出工藝在銅冶煉領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及鋅等其它有色金屬加壓酸浸工藝的成功運(yùn)用，可為硫化銅精礦加壓酸浸工藝的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供有益借鑒。