Самый большой в мире автоклав для проекта расширения Амурского ГМК-2

Маррей Пирсон Murray Pearson — Директор по разработке технологий, Группа автоклавной металлургии, Hatch
Роберт Маховски Robert Machowski —Управляющий директор Hatch по России и СНГ

В мае 2020 года компания Hatch завершила совместно с АО «Полиметалл» проект поставки самого крупного в мире и уникального высокотемпературного автоклава для проекта АО «Полиметалл» по расширению Амурского гидрометаллургического комбината с отделением автоклавного окисления (Этап 4), расположенного в г. Амурск (Хабаровский край). Это самая большая в мире установка автоклавного окисления для переработки золотосодержащих концентратов: ее внешний диаметр составляет 5,95 м, общая длина — 50 м, рабочий объем — 1100 м3, а отгрузочный вес порядка 965 т.

Автоклав применяется для химического окисления минерального сырья, такого как пирит и арсенопирит, и высвобождения и извлечения тонко вкрапленного золота в форме твердого раствора или в промежуточном виде из матрицы сульфидного минерала. За шесть часов автоклав позволяет получить то, что естественным образом образуется в Земле в течение нескольких сотен тысяч лет. Процесс автоклавного выщелачивания в жидкой среде (гидрометаллургический процесс) также гораздо более экологичен, чем традиционные методы переработки, при использовании которых образуются токсичные побочные продукты, как, например, триоксид мышьяка и диоксид серы, удаление которых требует дорогостоящего газоочистного оборудования.

Автоклав работает при рабочей температуре 240 °C и рабочем давлении 52 бар (изб.) и станет центром нового цикла автоклавного окисления для переработки дважды упорных (высокоуглеродистых) сульфидных золотосодержащих концентратов с нескольких предприятий компании АО «Полиметалл», расположенных в России и Казахстане. Расчетное давление автоклава на 50 % выше, чем для других действующих в настоящее время установок автоклавного окисления.

Расширение Амурского ГМК позволит увеличить текущие показатели мощности по переработке АО «Полиметалл» на 250–300 тыс. т золотосодержащего концентрата в год. Концепция централизованного перерабатывающего комплекса сама по себе уникальна: концентрат с нескольких предприятий поставляется на центральный гидрометаллургический комбинат.

АО «Полиметалл» привлекло компанию Hatch для оказания услуг по инжинирингу и сопровождению закупки оборудования для автоклавного комплекса, инженерных сетей, системы очистки отходящих газов, рекуперации тепла и участков кондиционирования пульпы.

По данному проекту компания Hatch также выполнила поставку разработанного на заказ технологического оборудования, включая самоиспарители, циклоны для очистки газов, огнеупорную футеровку, клапаны сброса давления, конденсаторы отходящих газов, погружные трубы и кислородные распределители. Объем работ Hatch включал базовое проектирование и разработку рабочей документации, закупки, управление качеством, управление проектом, планирование и контроль за реализацией проекта.

Компания Coek Engineering, которая находится в г. Гел (Бельгия) по проекту компании Hatch изготовила автоклав, при этом заказ материалов и изготовление установки, а также испытания заняли всего 32 месяца. После последней проверки оборудования, специалисты компании Hatch забрали автоклав с площадки изготовителя для дальнейшей транспортировки автотранспортом и речной баржой в порт г. Антверпен. Автоклав был погружен на судно для тяжеловесных грузов MV Svenja для отгрузки в конце мая 2020 г. Судно прибыло в Россию в порт Де-Кастри, и автоклав путешествовал на речной барже еще три недели на площадку Амурского ГМК, где в конце июля 2020 г. были начаты работы по его установке. 

После монтажа автоклава последует монтаж вспомогательного оборудования для подачи пульпы, сброса давления, рекуперации тепла и очистки отходящих газов, а также соответствующих трубопроводов с запорной и контрольно-измерительной аппаратурой. Объем работ включает строительство инженерных сетей подачи охлаждающей воды высокого давления, пара высокого давления, систему водоснабжения после очистки методом обратного осмоса, системы технологического охлаждения и смазки вала перемешивающего устройства. Другие работы, выполняемые параллельно со строительством, включают подготовку к вводу объекта в эксплуатацию, обучение операторов, испытания комплекса и его заключительная сдача в эксплуатацию Амурскому ГМК в 2023 г.

Развитие автоклавных гидрометаллургических процессов 

За последние 120 лет процессы автоклавного выщелачивания и автоклавного окисления развивались периодически, стимулируемые сложностью минералогии, спросом на металлы, коммерческими возможностями и прогрессом развития технологического оборудования и конструкционных материалов.

Развитие автоклавной металлургии началось с щелочного выщелачивания глинозема из бокситовых руд с использованием процесса Байера, названного в честь его изобретателя, Карла Джозефа Байера. Технологический процесс, который был запатентован в 1888 г. и первоначально был применен в Санкт-Петербурге (Россия) в 1892 г., продолжает применяться в производстве алюминия по настоящий день [14]. Многие процессы выщелачивания и извлечения были определены в конце XX века. Те процессы, которые были доработаны до промышленного применения в это время, были основаны на испытаниях и понимании химических процессов для обеспечения полного извлечения и восстановления, экономичности применяемых реагентов и соответствующего технологического оборудования [15].

Автоклавное выщелачивание применяется в тех случаях, когда задача состоит в том, чтобы растворить нужные элементы, извлечь их из раствора и удалить остаточные твердые частицы и материал пустой породы. Технологический процесс может осуществляться в щелочной или кислой среде и может включать использование газообразного кислорода или другого окислителя, такого как перекись водорода, чтобы окислить и выщелочить полезные элементы из сульфидных минералов. Наиболее широко процессы щелочного автоклавного выщелачивания применяются при извлечении глинозема [12], вольфрама [19], урана и редкоземельных элементов [10], а также никеля, кобальта и меди из сульфидных минералов [4]. Кислотные процессы наиболее широко применяются в извлечении металлов платиновой группы [6], кобальто-никелевых латеритов [20], и урана [10], а также при переработке сульфидов меди и никеля [7], штейна кобальта [25, 24], сульфидов молибдена и цинка [18, 30].

Автоклавное окисление применяется к упорным золотоносным рудам или концентратам, в которых драгоценный металл (металлы) полностью заключены в матрицу сульфидного первичного материала породы, что делает его непригодным для традиционной переработки. Задача заключается в том, чтобы разложить сульфидную матрицу, сделав золотой осадок пригодным к растворению методом цианидного выщелачивания [21] с одновременной адсорбцией золота из пульпы активированным углем (CIL) или с последующей адсорбцией металла из пульпы активированным углем (CIP) [13], после которых следуют процесс десорбции угля или процесс Меррилл-Кроу [1] для извлечения драгоценного металла. Процесс автоклавного окисления (POX) выполняется, как правило, в кислой среде, поскольку серная кислота является естественным продуктом реакции серосодержащих пород с кислородом, хотя щелочное автоклавное выщелачивание также применяется к рудам, содержащим высокие уровни содержания углекислых солей. 

Процессы автоклавного выщелачивания и автоклавного окисления происходят в водной технологической среде, которая часто обеспечивает преимущества при извлечении металла и контроля за выбросами в окружающую среду, обеспечивая более быстрые темпы реакции. Эти преимущества становятся более очевидными, когда у концентрата или руды имеются некоторые проблемы, и другие процессы, такие как атмосферное выщелачивание, являются не столь эффективными или подходящими. Например, увеличение кинетики окисления, связанное с автоклавным окислением золотосодержащих упорных сульфидных руд, обеспечивает значительное преимущество перед биологическим окислением в области производительности по сульфидной руде. Стандартным показателем, применяемым при биологическом окислении, является 7 кг окисленной сульфидной серы на 1 м3 объема реактора в сутки (7 кг S2–/м3/сут.), тогда как типовой показатель для автоклавного окисления составляет 700 кг S2–/м3/сут. Таким образом, биологическое окисление, как правило, происходит за срок более 4–5 дней (96–120 часов), тогда как время выдержки при автоклавном окислении обычно составляет 60–90 минут. Такой порядок цифр в разнице удельной производительности обеспечивает стоимостное преимущество по размерам оборудования и компоновке цеха автоклавного окисления, когда требуется сравнительно высокая производительность по переработке сульфидной руды. Экономи ческая оценка на ранних этапах применения автоклавного окисления для предварительной обработки упорных сульфидных руд золотосодержащих рудных тел описана в исследовании [28].

В случае некоторых руд извлечение золота методом цианирования ограничено присутствием естественного углеродосодержащего материала, который адсорбирует золото из золотосодержащего (или обогащенного) щелочного раствора цианирования, если не были предприняты меры, препятствующие прохождению этой реакции адсорбции. Для описания этого явления такие руды чаще всего называются рудами с природной сорбционной активностью (прег-роббинг), и этот термин теперь широко используется в золотодобывающей промышленности, чтобы описать руды, обладающие такими свойствами. Такое поведение было обнаружено уже в 1911 г. Каусом (Cowes), который обнаружил, что потери золота в хвостах предприятия Waihi-Paerola в Новой Зеландии происходили из-за присутствия природного углерода в руде [23]. Элементы прег-роббинга руды включают щепу, углерод некарбонатный или другие органические компоненты, особенно естественный элементный углерод [27]. Элементный углерод конкурирует с адсорбцией цианоаурита на классифицированный измельченный активированный уголь в схемах адсорбции золота из пульпы CIL и CIP [2], делая их неспособными извлекать золото, которое переходит через углеродные экраны в хвосты.

Углеродистые материалы имеются во многих месторождениях в мире, как указывается в каталоге [22]. «Они являются типовыми компонентами метаосадочных пород, часто рассредоточенными в минеральной матрице. Углеродистый материал образуется из твердофазного метаморфического превращения первоначально органического материала, находящегося в контакте с породой. Это превращение именуется графитизацией, и она зависит от температуры, давления и типа углеродного исходного вещества» [3]. Естественный углеродистый материал был обнаружен во многих золотых месторождениях рассеянных вкрапленных руд в осадочных породах, таких как Карлин Тренд, расположенное на северо-востоке штата Невада, США, Майское на Чукотке, Россия, и Кызыл в Восточном Казахстане.

Проект расширения Амурского ГМК-2 — следующее поколение автоклавов 

Площадка АГМК-2 расположена в непосредственной близости с действующим предприятием Амурский гидрометаллургический комбинат (АГМК) в городе Амурск и будет делить с ним часть внешней инфраструктуры (газопровод, подъездной путь, водопроводная магистраль). Дополнительное электроснабжение будет обеспечено через новую специальную линию электропередач от региональной сети 110 кВ. Проект включает новый гидрометаллургический цех (сам цех автоклавного окисления), участки адсорбции на активированный уголь (CIL) и интенсивного цианирования, криогенную кислородную станцию производительностью 650 т/сут., модернизацию существующего объекта сухого складирования хвостов, водоочистные сооружения с применением метода обратного осмоса и несколько более мелких объектов инфраструкту-ры (склады, ремонтные участки и т.п.).

Проектная производительность нового проекта АГМК-2 составляет 250–300 тыс. т в год по переработке концентрата. Его способность перерабатывать концентраты на базе предприятий Полиметалла из руды месторождений Кызыл, Нежданинское, Майское и Пещерное существенно увеличит стои мость запасов упорных руд Полиметалла, которые составляют примерно 55 % от общих рудных запасов компании. Для переработки таких упорных руд требуются более высокие температуры окисления (> 220 °C), более высокое давление и большие объемы процесса окисления значительной части элементного углерода до CO/CO2, уменьшая таким образом объем материала с природной сорбционной активностью (материала прегроббинга) [16]. Новый автоклав для АГМК-2 был спроектирован для решения этих задач при рабочей температуре 240 °C, рабочем давлении 43–52 бар (изб.) и с рабочим объемом около 1100 м3. Автоклав назван в честь Николая Владимировича Воробьева-Десятовского — доктора химических наук, профессора, выдающегося ученого, специалиста мирового уровня в области гидрометаллургии золота, проработавшего много лет в компании и внесшего огромный вклад в ее развитие. Выполненные металлургические испытания на высокоуглеродистых концентратах месторождений Кызыл и Майское подтверждают степень извлечения 96 %, в то время как обычные методы цианирования обеспечивали бы нерентабельное извлечение 20–40 % [26].

Ожидается, что проект принесет значительную экономическую прибыль, так как все упорные концентраты будут перерабатываться на собственных мощностях вместо реализации сторонним покупателям по офтейкерным договорам. Проект АГМК-2 имеет стратегическое значение для Компании на фоне ужесточения экологических требований в Китае, который в настоящее время является основным рынком упорных золотых концентратов. Также проект АГМК-2 обеспечит АО «Полиметалл» дополнительными мощностями для переработки покупных упорных концентратов, рынок которых кардинально вырос в России и в мире за последние годы.

Новый проект отвечает стратегии компании Полиметалл в области устойчивого развития. Общее экологическое воздействие всей цепочки создания стоимости кардинально сократится на фоне значительного снижения вредных выбросов в атмосферу, а также сокращения использования воды и производства твердых токсичных отходов. Одно из преимуществ высокотемпературного (> 200 °C) окисления в водной среде является то, что фактически весь мышьяк, высвобожденный из минерала арсенопирит, становится полностью растворимым и повторно осаждается в виде скородита, очень устойчивого, не выщелачиваемого осадка мышьяковистого железа. Все продукты реакции сульфида, содержащего серу, также переходят в форму водных растворов сульфатов металлов, которые, после нейтрализации с известняком, выходят в хвосты в виде устойчивых сульфатов или гидроксидов металлов, которые соответствуют требованиям Российской Федерации и мировых признанных стандартов в области выщелачивания соединений из промышленных отходов.

Новая схема автоклавного окисления проекта АГМК-2 включает много конструктивных особенностей, которые повышают его энергоэффективность, коэффициент использования, универсальность применения и надежность. Проект разработан таким образом, что обеспечивается рекуперация до 22 МВт вырабатываемого в автоклаве тепла на нагрев технической воды для размораживания концентрата и отопления зданий в осенне-зимний период. Конденсаторы отходящего газа регенерируют 96 % пара, образующегося при сбросе давления высокотемпературной пульпы, и более 93 % водяного пара из выпускного вентиля автоклава для использования в качестве оборотной технической воды.

Проект включает несколько важных конструктивных особенностей, которые сводят к минимуму его воздействие на окружающую среду и снижают связанные с ним риски. Система технической воды полностью оборотная, и в результате такого замкнутого водного баланса у проекта будут нулевые выбросы жидких стоков в окружающую среду. Хвосты предприятия складируются в виде сухого кека без необходимости строительства прудов-накопителей или дамб. Выбросы углекислого газа от проекта будут минимальными, выбросы оксидов серы или мышьяка отсутствуют полностью [26].

Таким образом, преимущества этой металлургической автоклавной технологии включают следующие ключевые пункты технологической схемы гидрометаллургической переработки в интересах всех заинтересованных сторон проекта:

• повышение извлечения из руд, которые считаются рудами двойной упорности, и из которых ранее значительная часть драгоценного металла считалась неизвлекаемой;   
• увеличение времени эксплуатационной готовности оборудования благодаря запатентованным технологиям, которые обеспечивают большую годовую производительность по переработке; 
• повышение энергоэффективности с применением рекуперации технологического тепла для размораживания концентрата и отопления зданий;
• осаждение серосодержащих соединений и мышьяка в виде устойчивых хвостов; 
• оборот технической воды, делающий проект АГМК-2 предприятием с нулевыми жидкими выбросами.

Преимущества компании Hatch

Для того чтобы выбрать правильный, оптимальный технологический процесс, горнодобывающие компании должны рассмотреть капитальные затраты и эксплуатационные расходы, извлечение металла, использование ресурсов и воздействия на окружающую среду. Учитывая размер и сложность рудных тел, а также удаленность местоположения, где они часто залегают, понимание минералогии и потенциальных методов их извлечения может предоставить реальное преимущество при строительстве экономически эффективных перерабатывающих заводов, объектов инфраструктуры и планов ведения работ. Поскольку каждый проект разрабатывается в зависимости от конкретного местоположения и свойств руды, горнодобывающим компаниям следует выбирать компетентных партнеров, обладающих нужными знаниями и практическим опытом, которые могли бы предоставить наилучшие решения. 

Каждый автоклав и схема автоклавного окисления проектируются индивидуально под конкретные требования заказчика, основываясь на коллективных знаниях и опыте проектной команды. Используя правильное инновационное и запатентованное оборудование, можно обеспечить безопасное и экономически эффективное выполнение технологических задач. 

Услуги компании Hatch, которая уже более 25 лет предлагает экспертные знания, профессиональные компетенции и практический опыт в области автоклавной гидрометаллургии, не имеют аналогов и предоставляются с учетом требований конкретного проекта. Компания Hatch выполняет весь спектр работ: испытания перерабатываемого сырья, выбор конструкционных материалов, проектирование оборудования, применение усовершенствованных современных средств управления и контрольно-измерительных приборов, обеспечение безопасности и удобных для персонала эксплуатации компоновочных решений комплекса. Именно это внимание к деталям приводит к успеху при вводе новых предприятий в эксплуатацию и переработке упорных руд и концентратов.

Команда группы автоклавной металлургии компании Hatch предоставила следующие услуги для проекта Амурский ГМК-2: планирование и управление испытаниями, разработка технологической схемы, предварительная технико-экономическая оценка проекта, оценки затрат, базовое проектирование и разработка рабочей документации, сопровождение процесса закупок (МТО), индивидуальный проект и поставка запатентованного технологического оборудования.