某鈾水冶廠壓濾工藝改造方案研究

張兆光，韓 偉，杜桂茹，劉 輝，費本濤

(1.中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.中國中原對外工程有限公司，北京 100044；3.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；4.中國鈾業(yè)有限公司，北京 100013)

某鈾水冶廠采用堿法攪拌浸出處理砂巖型鈾礦石，主要工藝流程為：礦石破碎—磨礦—分級溢流—攪拌浸出—廂式隔膜壓濾機壓濾—離子交換—產品沉淀[1]，設計要求鈾金屬浸出率大于90%、水冶過程鈾總回收率大于87%、浸回差[2](鈾金屬浸出率與鈾回收率的差)小于3%。但在實際生產中，該水冶廠多年的鈾浸回差平均值為9.2%，遠超過設計指標的要求。浸回差大的根本原因是廂式隔膜壓濾機(簡稱壓濾機)的洗滌效果較差[3]，且壓濾機的處理能力不足。

針對該水冶廠壓濾工序存在的問題，為進一步提高鈾回收率，對壓濾工序生產現狀(因該水冶廠2015年停產，故采用2014年數據)進行了統(tǒng)計分析；并利用現場已有設備，對現有工藝進行局部改造方案研究，以達到提高壓濾機產能及提高水冶回收率的目的。

1 壓濾工序現狀分析

1.1 壓濾工序生產情況

廂式隔膜壓濾機具有操作壓強高、適用范圍廣和便于操作等特點，廣泛應用于工業(yè)生產[4-6]。廂式隔膜壓濾機屬于間歇式壓濾機，進料、過濾、洗滌、松板、卸料和合板等流程依次進行，完成一個操作循環(huán)即為壓濾一次[7]。

該水冶廠壓濾工序共有2條生產線，每條生產線配置6臺壓濾機(5用1備)，采用進料、預壓榨、第一次洗滌、預壓榨、第二次洗滌、預壓榨、第三次洗滌、濾餅壓榨、松板、卸料、合板的循環(huán)運行方式，金屬洗滌效率約為94%，與99%的設計指標存在一定差距。該水冶廠2014年完成板框壓濾約1.35萬次，統(tǒng)計數據見表1?？梢钥闯觯瑝簽V機處理能力大的月份為6月和7月，單臺壓濾機單次壓濾處理干礦石量均大于19 t，而全年壓濾機平均單次處理干礦石量只有15.50 t。主要原因分析如下：一是受礦山條件限制，濾布供應經常不能滿足生產要求，而濾布是板框式壓濾機的“心臟”[8]，濾布破損后沒有及時更換導致跑料嚴重，影響壓濾機進料量；二是液固比控制較差，根據考察及生產實際情況來看，進料液固比越大，進料時間越長；三是部分班次為處理浸出來料而縮短進料時間，增加了壓濾機操作的循環(huán)次數，這會影響壓濾機單次進料量。

表1 2014年壓濾機處理量統(tǒng)計

1.2 壓濾機完成1次壓濾操作的運行時間

濾布的洗滌對壓濾機運行影響較大。為保障壓濾機的正常運行，在2014年度生產過程中，每條生產線僅有5臺壓濾機同時運行，安排另外1臺壓濾機進行濾布拆洗、濾板沖洗及機器維護工作。正常生產過程中，壓濾機完成1次壓濾操作的運行時間見表2。

表2 壓濾機完成1次壓濾操作的運行時間計算

表2是連續(xù)穩(wěn)定運行72 h及以上的數據，可以較好地反映壓濾機生產線的單次壓濾操作時間。在總運行時間384 h內，共完成壓濾操作1 276次，有10臺壓濾機運行，則壓濾機完成1次壓濾操作用時3.00 h。

1.3 壓濾機進料時間

壓濾機1個操作循環(huán)的時間稱為操作周期，其中松板、卸料和合板等時間為輔助時間，它與壓濾機結構、漿體性質、操作水平和自動化程度有關；當這些因素一定時，輔助時間為定值，而進料過濾時間是人為控制的。若進料時間過長，會導致濾餅過厚，延長濾餅洗滌時間，影響壓濾機的處理能力；相反，若進料時間過短，則需要頻繁卸渣等輔助操作，板框壓濾機處理能力同樣較小。在該水冶廠生產中，進料時間完整可用的數據共422次，見表3。

表3 壓濾機進料時間分布情況

按以上統(tǒng)計方法，進料時間20～53 min屬于正常范圍，共404次，壓濾機平均進料時間為33 min。

1.4 壓濾機實際生產能力計算

根據分析，在壓濾機運行工況良好的情況下，單臺壓濾機1次平均處理干礦量為19.8 t，單臺壓濾機的單次運行周期為3 h，每天有2條壓濾生產線共10臺壓濾機處于運行狀態(tài)，壓濾機每天處理干礦石量為24 h÷3 h×5(臺/條)×2(條/d)×19.8(t/臺)=1 584 t/d。

原設計每天處理干礦石量為2 000 t。因此在運行工況良好的情況下，壓濾機的實際生產能力為原設計的1 584(t/d)÷2 000(t/d)×100%=79.2%。

1.5 壓濾機洗滌效率及回收率

通過2014年吸附原液金屬量除以浸出金屬量，可得到壓濾機洗滌效率，統(tǒng)計結果見表4。

表4 2014年吸附原液金屬量統(tǒng)計

由表4可知，2014年共浸出金屬370.016 t，吸附崗位統(tǒng)計金屬量為342.895 t。2014年12月31日盤點數據(按浸出后金屬計算)，流程中的金屬為5.200 t(除沉淀崗位)，則全年共吸附金屬為342.895 t+5.200 t=348.095 t，壓濾機洗滌效率為348.095 t÷370.016 t×100%=94.1%，壓濾機崗位損失金屬為370.016 t-348.095 t=21.921 t，壓濾機金屬回收損失率為21.921 t÷370.016 t×100%=5.92%。壓濾機金屬回收損失率與原設計3%的浸回差相比，超出了2.92%。

2 壓濾工藝改造方案研究

2.1 壓濾工藝改造方案

鑒于目前壓濾機生產能力不足及洗滌效率較低的情況，本次設計改造方案為：1)浸出礦漿進壓濾機，其中第一次、第二次洗滌仍采用壓濾機機洗方式，第三次洗滌調整為再制漿洗滌、濃密沉降方式；2)改變第一次、第二次洗滌進液方式，由對角洗滌改為中心孔進液洗滌。將壓濾機第二次洗滌后的濾餅，用吸附尾液制漿(液固比為2∶1)并添加絮凝劑后[9]，進濃密機進行濃密沉降，溢流液去壓濾機作為洗水或再制漿用；濃密底流采用壓濾機進行固液分離，濾液返回原壓濾機作為第二次洗水，尾渣仍使用尾礦皮帶輸送至尾礦庫。

試驗表明，在相同條件下未添加絮凝劑的礦漿采用布氏漏斗抽濾，用時約25 min；添加絮凝劑的礦漿，10 min即可抽干(自然過濾約2 min礦漿表面即無積液)。結合相似礦山運行經驗及礦漿實際過濾試驗[10-11]，在該礦壓濾機進料前添加絮凝劑，可使進料時間由33 min縮短至28 min，縮短5 min。

同時，第一次、第二次洗滌由對角進液改為中心孔進液洗滌后，洗滌時間可節(jié)約3 min左右。通過添加絮凝劑改變?yōu)V餅性能，卸料將會更加容易，只需3～5 min即可合板。

2.2 壓濾工藝改造效果

2.2.1 產能提高分析

通過在礦山開采過程中對泥巖的剝離及絮凝劑的添加，結合對2014年該礦水冶廠壓濾機部分運行數據的分析，改造后單臺壓濾機的運行周期可縮短至123 min，見表5。

表5 壓濾機運行周期對比

壓濾機的處理能力不僅與單臺壓濾機的運行周期有關，還與進料時間有關(每條線1個進料管)。單臺壓濾機運行周期為123 min，進料時間為28 min，有2條壓濾生產線，每條按5用1備考慮，壓濾機的處理能力計算如下。

按單臺壓濾機運行周期計算，壓濾機每天處理干礦石量為24(h/d)×60(min/h)÷123 min×5(臺/條)×2(條/d)×19.8(t/d)=2 318 t/d。原設計壓濾機處理干礦石量為2 000 t/d，改造后的生產能力為原設計能力的115.9%(即：2 318÷2 000×100%=115.9%)。

按壓濾機進料時間計算，壓濾機每天處理干礦石量為24(h/d)×60(min/h)÷28(min/條)×2(條/d)×19.8(t/d)=2 036.6 t/d，改造后的生產能力為原設計的101.8%(即：2 036.6÷2 000×100%=101.8%)。

壓濾機生產能力必須同時滿足進料時間和運行周期條件，因此該條件下壓濾機的生產能力為原設計的101.8%，可實現達產。

2.2.2 金屬回收率提高分析

設計年處理60萬t礦石(原礦品位0.130%)，尾渣含水率20%，則產生尾渣量為75萬t(固相60萬t，液相15萬t)。2014年生產工藝洗液鈾質量濃度為411.0 mg/L，濾餅液相中的金屬量為61.65 t，回收率損失為7.90%。

根據改造后的壓濾工藝，在制漿液固比分別為2∶1、1.5∶1條件下計算回收率，結果見表6。

表6 不同液固比制漿洗滌后的回收率

由表6可見，按設計產能計算，優(yōu)化壓濾工藝后，按2∶1液固比制漿，壓濾崗位回收率提高約6.25%，每年多回收金屬約48.8 t；按1.5∶1液固比制漿，壓濾崗位回收率提高約5.70%；每年多回收金屬約44.5 t。

2.3 改造固定投資及新增生產成本測算

測算依據：設計年處理60萬t礦石(原礦品位0.130%)；壓濾工藝按2∶1液固比制漿。

2.3.1 固定投資

新增主要工藝設備情況見表7?？梢钥闯觯枰淮涡酝度朐O備費用約2 129.8萬元。

表7 新增主要工藝設備明細

2.3.2 新增生產費用

新增生產費用為壓濾多回收48.8 t金屬產生的費用，壓濾工序前的其他各工序的化工材料不會變化，主要是增加壓濾后續(xù)生產原材料、電力、人力及其他成本，具體見表8?？梢钥闯?，每年需新增人力、材料成本約663.34萬元。

表8 壓濾工藝改造后新增人力、材料成本測算

2.4 改造后收益分析

測算依據：設計年處理60萬t礦石(原礦品位0.130%)；壓濾工藝按2∶1液固比制漿，每年多回收金屬約48.8 t。以40美元/磅U3O8、人民幣兌美元匯率按6.5∶1估算，折合得出67.7萬元/t金屬。則每年因提高回收率、多產出金屬產生的收益為：48.8 t×67.7(萬元/t)≈3 304萬元。

提高壓濾機洗滌效率不僅提高金屬回收率，也會降低堿耗。因在試生產過程中，堿耗問題未做專題考察，此處做粗略測算。壓濾機二洗后碳酸鈉質量濃度約22.1 g/L，碳酸氫鈉質量濃度約8.1 g/L；經測算采用制漿洗滌后，碳酸鈉、碳酸氫鈉質量濃度均可降低50%以上，按年處理60萬噸礦石計算，每年可回收碳酸鈉約1 658 t、碳酸氫鈉約608 t，按2014年價格測算可節(jié)約費用約838萬元。

結合投入及產出費用，改造后第一年即可收回全部投資，且可實現增收1 348.8萬元(即：3 304萬元-2 129.8萬元-663.4萬元+838萬元≈1 348.8萬元，未扣除設備安裝及運輸費用)。

3 結論

在考慮現場實際情況的基礎上，結合類似礦山的生產數據，進行了壓濾工藝改造方案研究。測算結果表明，改造后單臺壓濾機運行周期可由目前的180 min縮短至123 min；按設計產能計算，每年可多回收金屬約48.8 t，提高金屬回收率約6.25%。此改造方案可提高濾餅洗滌效率，增加回收率，同時可降低壓濾機作業(yè)運行周期，提升壓濾機產能。

壓濾工藝改造方案需一次性投入設備費用約2 129.8萬元，每年需新增人力、原材料成本約663.4萬元，改造后第一年即可收回全部投資，且可實現增收1 348.8萬元。