книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты

11.4. Химические м етоаы обогащ ения

Химические, как и термохимические, процессы испо^ЬЗу. ются в начале, середине или конце комбинированных схе^ пе_ реработки и обогащения труднообогатимого минерального сы­ рья. Из химических процессов наиболее часто используются вы_ щелачивание, осаждение, сорбция и экстракция. Применение комбинированных схем позволяет вовлечь в переработку Неподцающиеся обычными методами обогащения минеральное сырье и резко повысить комплексность его использования. На­ иболее перспективно использование комбинированных СХем при извлечении из руд меди, молибдена, свинца, ниобия, же­ леза, алюминия, золота, урана и других металлов.

11.4.1. Процесс вышелачпванпя

Из химических процессов основным, определяющим по­ казатели переработки сырья, является выщелачивание. Оно пред­ ставляет собой операцию селективного растворения одного или нескольких компонентов. В качестве растворителя используются в зависимости от природы растворимых минералов кислота (сер­ ная и др.), щелочь (сода, едкий натр) или комплексообразую­ щие реагенты (цианид, аммиак или соли аммония и др.).

Концентрация растворителей изменяется от 0,02 % KCN (при выщелачивании золота) до 94 % H2S04 (при разложении редкометалльных концентратов). Извлечение металлов в рас­ твор при этом может достигать 98— 99 % при незначительном растворении (3—5 %) сопутствующих минералов. Увеличение скорости выщелачивания достигается повышением темпера­ туры раствора, применением добавок окислителей, восстано­ вителей, бактериальных культур и продуктов их жизнедея­ тельности, наложением магнитных и электрических полей, виброакустических и других воздействий. Трудноизвлекаемые ком­ поненты предварительно переводят в легкорастворимые со­ единения путем окислительного обжига (например, сульфид­ ного сырья), восстановительного или хлорирующего обжига (например, окисленных руд), сплавления или спекания с содой (вольфрамсодержащего сырья), известью (алюминийсодержа­ щего сырья) или фторсиликатами (редкометалльного сырья).

Выщалачивание осуществляется чановым, автоклавным, перколяционным, кучным и подземным способами.

11.4.2. Чановое выщелачивание

При чановом выщелачивании измельченная до 50—90 % класса -0,074 мм руда проходит через ряд последовательно со­ единенных чанов, интенсивное перемешивание пульпы в кото­ рых производится механическими мешалками, сжатым возду­ хом или комбинированным воздушно-механическим способом.

При механическом перемешивании пульпы применяются про­ пеллерные, импеллерные, турбинные, цепные и другие мешал­ ки. Чаны с пневматическим перемешиванием (пачуки) исполь­ зуются обычно для выщелачивания плотных пульп с соотно­ шением Т : Ж = 1,2:1 при переработке цинк-, золотоили уран­ содержащего сырья. Они представляют собой цилиндрические чаны с коническим днищем диаметром 3,0—4,5 м и высотой от 9 до 15 м, в нижнюю часть которых подают воздух под давлением 0,15—0,20 МПа. Чаны с комбинированным перемешиванием имеют или центральный аэролифт и вращающиеся гребки, или периферический аэролифт и центральный импеллер.

При использовании любого аппарата скорость выщела­ чивания извлекаемого металла примерно в 100 раз больше по сравнению с перколяцией (просачиванием выщелачивающего раствора через неподвижный слой материала) и процесс за­ канчивается за 0,5—2,0 ч. Необходимый объем аппаратуры для выщелачивания также уменьшается в 80— 100 раз. Однако для отделения растворов от твердого материала требуется со­ оружение сгустителей, работающих по системе непрерывной промывочной декантации (когда слив сгустителя последую­ щего цикла выщелачивания и сгущения направляется в пре­ дыдущий). Образование пены при выделении С 02в чанах вы­ щелачивания предотвращается порционной подачей кислоты, гипсование труб — применением труб из пластика.

По сравнению с перколяцией процесс чанового выщела­ чивания требует более высоких капитальных затрат (на со­ оружение зданий для установки чанов и сгустителей, отделе­ ния измельчения и классификации), поэтому его целесообраз­ но применять при переработке труднообогатимых богатых руд, промпродуктов и бедных черновых концентратов.

11.4.3. Автоклавное выщелачивание

Автоклавное выщелачивание нашло широкое примен^ние в урановой, никелевой, алюминиевой и вольфрамовой |^р0_ мышленности. Автоклавы представляют собой металлические вертикальные или горизонтальные сосуды вместимость^ 0т 5— 10 до 130 м3, работающие под давлением от 1до 5 МПа При нагреве пульпы через внешние нагреватели (паровые рубаш. ки, электронагреватели) или путем продувки ее в автоклаве острым паром, обеспечивающим также интенсивное переме­ шивание пульпы. Повышение температуры и давления в авто­ клаве вызывает резкое увеличение скорости выщелачивания. Для окисления выщелачиваемых компонентов, например суль­ фидов, в автоклав подают кислород, воздух, перекись водоро­ да, соли марганца, хлор и др. Автоклавы объединяют обычно в батареи, состоящие из 5— 10 аппаратов, работающие по принципу непрерывного выщелачивания сырья.

11.4.4. Перколяипонное вышепачпванпе

Методом перколяции обрабатывают дробленую, а если шла­ мов больше 10 %, то обесшламленную руду обычно крупно­ стью -15 +1 мм. Ее загружают в большие прямоугольные бе­ тонные (длиной 35—60, шириной 25—35, высотой 2—6 м) или круглые деревянные чаны с внутренним кислотоупорным по­ крытием и ложным перфорированным днищем для прохожде­ ния выщелачивающего раствора, который фильтруется через слой руды. Процесс используется для выщелачивания окис­ ленных медных руд. Продолжительность полного цикла вы­ щелачивания, включая загрузку и выгрузку руды, составляет 6— 14 сут. Операции выщелачивания и выделения меди из рас­ твора представляют собой замкнутый цикл, в котором рас­ твор циркулирует из выщелачивания на выделение меди, а оттуда — снова на выщелачивание. Достоинствами процесса перколяции являются отсутствие тонкого измельчения, малый расход кислоты при выщелачивании, растворение меньшего количества примесей и достаточно высокая концентрация ме­ ди (10—26 г/л) в растворах, позволяющая использовать для ее выделения электролиз. Извлечение меди достигает 75—90 % при расходе серной кислоты в пределах 10—55 кг/т.

При кучном выщелачивании дробленая до 120—400 мм руда размещается в виде штабеля (кучи) высотой до 60, шири­ ной до 200 и длиной до 800 м на специальной слегка покатой плотно утрамбованной, зацементированной или покрытой по­ лимерной пленкой водонепроницаемой площадке. Кучи оро­ шают при выщелачивании меди и урана раствором серной ки­ слоты (pH 1,2—2,5), при выщелачивании золота и серебра — раствором цианида (pH 10,0— 10,5). Раствор разбрызгивают че­ рез перфорированный распределительный трубопровод, раз­ брызгивающие головки или подают через нагнетательные сква­ жины, футерованные перфорированными трубами. Обогащен­ ный извлекаемым металлом раствор, прошедший через кучу, собирается в бассейне с отстойником для осаждения глины и шламов, а затем поступает на извлечение металла.

Кучным выщелачиванием перерабатывают бедные, заба­ лансовые руды и отвалы вскрытых пород с низким содержа­ нием в них меди (0,15—0,5 %), золота (около 0,5 г/т) или урана (0,02—0,07 % U90 8). Оно требует небольших капитальных за­ трат и эксплуатационных расходов, однако является длитель­ ным процессом и получаемые растворы характеризуются низ­ ким содержанием в них металла. Поэтому обычно весь цикл на­ сыщения, сбора и переработки раствора повторяют до тех пор, пока содержание, например меди, в растворе, полученном из штабеля, не будет менее 1 г/л. Урансодержащие растворы со­ держат обычно 0,3—3,0 г/л с pH 1,2— 1,4. При длительности выщелачивания 30—80 сут извлечение урана и золота состав­ ляет 60—80 %. В соответствии с существующей практикой вы­ щелачивание меди выгодно проводить в течение 3— 4 лет (18 —-24 цикла) при содержании меди в исходном материале бо­ лее 0,15 % и среднем извлечении меди из него 40—50 %.

11.4.6. Поаземное выщелачивание

При подземном выщелачивании, например, меди и урана оборотные или свежие сернокислые растворы (pH 1,2—2,4) закачивают в специальные скважины, дренажные канавы или разбрызгивают по поверхности участка выщелачивания. Прой-

дя (за 3—4 недели) через всю толщу руды, они собираются в нижних горизонтах и подаются насосами на извлечение из них меди или урана.

Подземное выщелачивание характеризуется довольно Низ­ кими капитальными затратами, быстрой окупаемостью, Ми­ нимальным воздействием на окружающую среду, высоким уров­ нем безопасности горных работ и применяется для руд, добы­ ча которых горными работами нерентабельна. Наиболее Щироко подземное выщелачивание используется для извлечения металлов из оставшихся целиков и заброшенных участков При подземной добыче богатых руд, содержащих менее 0,4 % меди (иногда менее 0,1 %), а урана менее 0,01 %. Необходимыми ус­ ловиями применения подземного выщелачивания являются проницаемость руды (естественная или создаваемая взрывом) и наличие под выщелачиваемым участком непроницаемого слоя, обеспечивающего сбор растворов, направляемых на из­ влечение металлов.

Растворы выщелачивания отделяют от твердого вещества сгущением в прудах, чанах и сгустителях или фильтрованием на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах разных конструкций.

11.4.7. Выделение металлов из растворов

Выделение металлов из растворов производят осаждени­ ем, сорбцией на ионообменных смолах и экстракцией органи­ ческими жидкостями.

При осаждении используются электролиз (например, ме­ ди), восстановление до металла (например, никеля, кобальта) продувкой раствора газом-восстановителем (например, водо­ родом), образование труднорастворимых соединений (напри­ мер, сульфидов молибдена, никеля, меди), цементация более электроотрицательным металлом (например, меди — железной стружкой, скрапом, порошком или губчатым железом; золота

— цинковой или алюминиевой пылью) в цементаторах раз­ личной конструкции (конусах, барабанах, желобах, чанах, ван­ нах, аппаратах кипящего слоя и др.).

Сорбция металлов из раствора основана на способности синтетических ионообменных смол и некоторых природных сорбентов поглощать (сорбировать) ионы металла, отдавая в

раствор эквивалентное число других ионов. При обычной сорбции осветленный раствор пропускают через колонку с не­ подвижным слоем сорбента, который может также загружать­ ся в раствор или пульпу и после перемешивания и насыщения отделяться грохочением. Удаление ионов металла с поверхно­ сти сорбента и его регенерация осуществляются промывкой сорбента раствором (кислоты, щелочи или соли) с высокой концентрацией тех ионов, которые были замещены в сорбенте

впроцессе сорбции. Извлеченный металл переходит при этом

вконцентрированный по металлу раствор, а сорбент направ­ ляется снова в процесс.

Жидкостная экстракция основана на избирательной спо­ собности некоторых органических жидкостей (аминов, кето­ нов, карбоновых кислот, спиртов, эфиров, фосфорсодержащих соединений и других), не растворимых в воде, поглощать (экс­ трагировать) ионы металла из раствора. Для экстракции при­ меняют смесители, отстойники, колонны с насадкой, тарельча­ тые колонны с пульсацией, центробежные экстракторы. После отделения насыщенной металлом органической фазы (экстра­ гента) от водной производится реэкстракция металла обра­ боткой экстрагента щелочным или кислым раствором, а ино­ гда только водой. Концентрированный раствор металла (реэк­ стракт) поступает в дальнейшую переработку, а органическая фаза — снова в процесс.

Экстракционные и сорбционные методы извлечения ме­ таллов из растворов выщелачивания получили широкое рас­ пространение при переработке урановых, золотосодержащих, вольфрамовых, молибденовых, медных руд. Окончательное вы­ деление металлов из полученных этими методами растворов осуществляется путем осаждения.

11.5. Ком бинированны е м етоаы обогащ ения

Комбинированные методы обогащения основаны на раз­ личиях нескольких технологических свойств разделяемых ми­ нералов (смачиваемости и плотности, плотности и электромаг­ нитных свойств).

Флотогравитация основана на различии физико-химиче­ ских свойств поверхности и разнице плотностей разделяемых минералов. В процессе флотогравитации происходят отделе­ ние флотируемых частиц и разделение нефлотируемых частиц по плотности. В промышленности процесс применяется для выделения сульфидных минералов из гравитационных, вольф­ рамовых и оловянных концентратов, для отделения апатита и фосфорита от кварца и силикатов, циркона от пирохлора, ше­ елита от касситерита и для разделения других минералов. Пре­ имуществом флотогравитации перед пенной флотацией явля­ ется возможность обогащения крупнозернистого материала

— от 3 до 0,1 мм.

Флотогравитации предшествуют операции обезвожива­ ния исходного материала с дешламацией его и перемешива­ ния плотной пульпы, содержащей от 50 до 70 % твердого, с фло­ тационными реагентами. Для перемешивания пульпы с реа­ гентами применяют вращающиеся трубы, барабаны, оборудо­ ванные внутри полками или обратной спиралью, шнеки, ло­ пастные мешалки, эжекторные устройства (при давлении воз­ духа 0,3—0,4 МПа). В качестве реагентов для флотационного отделения сульфидов используют серную кислоту, ксантогенат и аполярные масла, для отделения несульфидных минера­ лов — щелочь (соду или едкий натр), жирные кислоты или мыла в смеси с аполярными маслами.

Флотогравитация чаще всего осуществляется на концен­ трационных столах с дополнительными приспособлениями, а также на винтовых сепараторах и реже на ленточных шлюзах и отсадочных машинах.

При осуществлении флотогравитации на концентрацион­ ном столе основной задачей является обеспечение выхода круп­ ных флотируемых частиц в положение пленочной флотации. Для улучшения контакта частиц с атмосферным воздухом на деках концентрационных столов (рис. 11.11, а, б) применяют различные устройства-контакторы: возвышения 2 с выпуклой поверхностью непосредственно у разгрузочных отверстий пи­ тающего желоба 1; зоны осушения 5 между продольными нарифлениями 4 в виде клиновидных планок (см. рис. 11.11, а),

Рис. 11.11. Деки концентрационных столов (а — в) и винтовой сепаратор (г)

для ф лотогравитации

площадок-контакторов I клиновидного сечения, располагае­ мых параллельно нарифлениям в загрузочной части стола (см. рис. 11.11,6). Преодолевая эти барьеры, твердые частицы вступают в контакт с воздухом, переходят в положение пле­ ночной флотации и сходят с деки стола в месте обычной раз­ грузки шламов. Нефлотирующиеся зерна разделяются по плот­ ности, образуя веер, как и на обычном концентрационном столе.

Для интенсификации процесса используют также подачу воздуха различными способами:

• через отверстия трубок (диаметром 1,5—2 мм), распола­ гаемых вдоль деки над поверхностью стола. Воздушные струй­ ки при этом образуют на поверхности пульпы воронки Глу. биной около 1/3 толщины потока, способствуя контакту фло­ тируемых частиц с атмосферой воздуха и их всплытию;

• в виде водовоздушной эмульсии (получаемой в эжектор­ ном устройстве), которая смешивается с поступающей в за­ грузочный желоб пульпой, образуя аэрофлокулы мелких фло­ тируемых частиц, сразу же переходящие на поверхность По­ тока при поступлении пульпы на деку стола;

• снизу через диспергаторы воздуха 2 (рис. 11.11, в), ко­ торые в специальных обоймах вмонтированы в деку 3 стола перед каждым из диагональных рифлей /. Воздух из диспер­ гаторов (при абсолютном давлении 0,15 МПа) в виде микро­ пузырьков движется вверх через слой пульпы и, перемешивая минеральную суспензию, выталкивает флотируемые частицы из нижних слоев на поверхность. Флотация их осуществляется в результате контакта с атмосферным воздухом во время пере­ хода через диагональные рифли. Пульпа поступает из лоткараспределителя 4, вода — из ресивера 5 через водораспредели­ тельные желоба <5. Этот стол для флотогравитации рекомен­ дуется обычно как наиболее эффективный из всех известных.

При использовании для флотогравитации винтового се­ паратора (рис. 11.11, г) пульпа аэрируется брызгалами 1. Фло­ тируемые частицы, вступающие в контакт с воздухом, всплы­ вают на поверхность и удаляются к наружному борту желоба, где захватываются уловителями 3 с разгрузочными патрубка­ ми 5, закрепленными в обоймах 4. Тяжелые нефлотируемые минералы разгружаются через разгрузочные отверстия 2 у внутреннего борта желоба, а минералы меньшей плотности — в конце желоба.

Ленточный шлюз (рис. 11.12, а) для флотогравитации пред­ ставляет собой наклонно установленный короткий ленточный конвейер. Пульпа насыщается воздухом благодаря эжектирующему действию тонких струй воды, подаваемой на ленту че­ рез ороситель 1. Дальнейший контакт минералов с воздухом происходит при помощи щитков 2 и прутков 4, перемешива­ ющих и направляющих поток на ленте. Всплывшие частицы разгружаются в боковой желоб 3.

Рис. 11.12. Ленточный ш люз для флотогравитации (а) и флотоотсадочная

маш ина (б)

Флотоотсадочная машина (рис. 11.12, 6) является разно­ видностью диафрагмовой отсадочной машины, оснащенной диспергирующим устройством воздуха специальной конструк­ ции 2. Устройство обеспечивает равномерное насыщение все­ го объема камеры мельчайшими пузырьками воздуха, посту­ пающего из коллектора, установленного на корпусе 1 машины. Толщина образующего слоя пены, переливающейся через по­ рог в приемник 5 с флотированных частиц, регулируется уст­ ройством 3. Пульсация потоков в машине через сетку 7 осуще­ ствляется с помощью подвижных конусов 10. Мелкие зерна лег­ ких минералов разгружаются через внутренний 4 и регулиру­ емый внешний 6 сливные пороги, крупные удаляются из при­ емника 8 аэролифтом 9. Машины пока не получили широкого применения в основном из-за сложности конструкции и регу­ лирования их работы.

11.5.2. Магнптогпароапнампческая сепарация (МГД)

Магнитогидродинамическая сепарация зерен по плотности и электромагнитным свойствам — электропроводности, маг­ нитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости — осуществляется в жидкости, помещенной в скрещенные магнит­ ное и электрическое поля. На жидкость и минеральные части­ цы, обладающие существенной электропроводностью, магнит­