Технологии компании Оутотек для упорных золотых руд — сравнение и обсуждение различных методов предварительной переработки

Микко Руонала — вице-президент, руководитель подразделения «Технологии для переработки золота»
Тимо Хаакана — менеджер по технологии
Маркус Рункель — ведущий инженер по обжигу
Йорг Хаммершмидт — руководитель бизнес-подразделения «Обжиг»
Ян ван Никерк — ведущий менеджер по BIOX

Настоящая статья посвящена основным аспектам, определяющим выбор технологии предварительной переработки. Рассматривается, как влияют на выбор технологии такие факторы как: имеющиеся минеральные запасы и ресурсы, металлургические и минералогические характеристики руды, наличие примесей, размер и местонахождение проекта, местные условия и законодательство, потребность в энергоносителях — в особенности расход и качество воды, а также потребление электроэнергии, характеристики отходов и стоков — с учетом данных и информации, полученных с действующих проектов компании Оутотек, где используются автоклавное окисление, обжиг и технология BIOX.

Наряду с эффективностью технологии сегодня большое значение имеют также и экологические аспекты. В настоящее время все три рассматриваемые технологии: Outotec POX, Outotec ROAST (обжиг) и Outotec BIOX отвечают требованиям действующего международного природоохранного законодательства.

Компания Оутотек может реализовать проект, начиная с этапа подготовки технического задания на проектирование вплоть до разработки рабочего проекта, для обеспечения оптимального варианта технологической схемы с применением технологий автоклавного окисления, обжига или BIOX. Объем поставки компании Оутотек может варьироваться от поставки единичного оборудования или всего комплекта технологического оборудования до выполнения рабочего проектирования и реализации проекта. Кроме того, возможности компании Оутотек не ограничиваются технологическими решениями для переработки упорных руд и охватывают все технологические переделы, начиная с измельчения руды, обогащения и переработки технологиями автоклавного окисления, BIOX или обжига и заканчивая извлечением золота и очист кой сточных вод.

Введение

В силу обширного опыта компании Оутотек в технологиях для переработки полезных ископаемых, гидрометаллургии и пирометаллургии, в сочетании с зарекомендовавшими себя технологическими решениями и оборудованием, компания Оутотек является уникальным стратегическим партнером для клиентов. Особенно важно то, что мы имеем возможность сочетать применение наших технологий и технологического оборудования с разработкой автоматизации. Предоставление услуг Оутотек по технологическому проектированию, планированию производства, поставке оборудования, средств автоматизации и управлению проектом позволяет избежать затрат времени и ресурсов, необходимых для сопряжения различных участков в ходе реализации проекта.

Современные тенденции в сфере извлечения золота указывают на то, что в будущем доля упорных золотых руд будет увеличиваться. Оутотек предлагает три проверенные технологии предварительной переработки: биоокисление (BIOX), автоклавное окисление (POX) и обжиг (ROAST) для переработки упорных руд, а также руд двойной упорности в материал, который можно легко и эффективно перерабатывать выщелачиванием, при этом мы не намерены рекомендовать определенную технологию; при выборе технологии необходимо руководствоваться фактической информацией и требованиями конкретного проекта.

Чем раньше Оутотек будет вовлечена в разработку проекта, тем больше преимуществ получит заказчик и тем более подходящая технология будет выбрана для конкретного проекта. Мы можем помочь специалистам по разработке проекта выбрать технологию на любом этапе разработки проекта, чтобы обеспечить оптимальное решение для заказчика.

Описание технологий

Снижение содержания золота, истощение ресурсов окисленных руд, а также ужесточение требований законодательства по охране окружающей среды определяют новые требования к технологиям, применяемым в золотодобывающей промышленности. При переработке большого объема руд эффективность применяемых технологий выходит на передний план и становится важным фактором эффективного и рационального использования природных ресурсов. Помимо увеличения объемов перерабатываемого материала и ужесточения требований природоохранного законодательства сложность проектов также усугубляется необходимостью разработки тел с упорными рудами.

Оутотек непрерывно совершенствует существующие технологии с целью повышения их эффективности. Например, решения Оутотек по сортировке руды с применением специальных датчиков (SBS), которые можно использовать для определенных типов руд, могут существенно уменьшить объем материала для последующих переделов, а также снизить влияние на окружающую среду. Мельницы Оутотек для тонкого помола представляют собой экономичное решение для тонкого и ультратонкого измельчения с применением существующей, проверенной технологии. Оутотек внедрила новаторские разработки в реакторы, повышающие эффективность технологических процессов обжига, автоклавного окисления и биоокисления, а также выщелачивания золота цианированием.

Обжиг, автоклавное окисление и биоокисление традиционно используются для предварительной переработки упорных золотых руд. Технология обжига применяется с конца 1940-х годов. Технологии автоклавного окисления и биоокисления стали широко применяться с середины 1980-х годов. Первая установка автоклавного окисления была введена в эксплуатацию в 1985 году в США, а первая установка биоокисления BIOX® — в 1986 году в Южной Африке (Marsden and House, 2006 г.).

Основными критериями выбора приемлемой технологии переработки являются техническая применимость, рентабельность проекта и экологические аспекты. Основой для выбора технологии являются капитальные и эксплуатационные затраты, а также металлургические показатели. Помимо извлечения золота наличие сопутствующих ценных компонентов также может повлиять на рентабельность проекта и выбор технологии.

Наряду с эффективностью технологии в настоящее время большое значение имеют экологические аспекты. При разработке технологической схемы очень важно учитывать выбросы экологически вредных элементов, таких как мышьяк, ртуть и галогениды. Как показывают примеры промышленных предприятий, расположенных в разных странах мира, все технологии предварительной переработки — биоокисление, автоклавное окисление и обжиг — могут быть спроектированы с учетом требований природоохранного законодательства.

Технология биоокисления BIOX®

Типовой контур BIOX® для руд двойной упорности состоит из следующих основных технологических этапов: измельчение и флотация с последующим биоокислением BIOX®, противоточной декантацией и нейтрализацией. Блок-схема типовой технологии переработки упорных руд с контуром биоокисления BIOX® представлена на рисунке 1.

Для обеспечения надлежащей активности бактерий на стадии биоокисления необходимо обеспечить минимальное содержание сульфидной серы в питании на уровне около 4–6 %.

Рис. 1. Блок-схема типовой технологии переработки упорных руд с контуром биоокисления BIOX®

Перед буферным резервуаром может устанавливаться контур доизмельчения. Концентрат, подаваемый в процесс BIOX®, как правило, измельчается до 80 % прохождения 75 мкм с минимальным количеством частиц крупнее 150 мкм. Тонкое измельчение до 80 % прохождения 20 мкм улучшит скорость окисления сульфидов, но также может отрицательно сказаться на последующих переделах.

Этап биоокисления включает две стадии, а именно первичную и вторичную стадии. Перед подачей в реакторы BIOX® первичной стадии концентрат из расходного бака разбавляется до 20 % твердого по массе. Плотность пульпы определяется в основном требованиями к массопередаче кислорода в процессе. Если содержание сульфидной серы низкое, то концентрация твердого может быть увеличена.

Время реакции в реакторах биоокисления составляет, как правило, от 4 до 6 суток, в зависимости от содержания сульфидной серы и минерального состава концентрата. Половина времени реакции в большинстве случаев проходит в реакторах первичной стадии с целью создания стабильной популяции бактерий и предотвращения вымывания бактерий.

Как правило, процесс BIOX® проводится при температуре 40–45 °C. В реакторы BIOX® под низким давлением подается воздух для обеспечения кислорода для окислительных реакций. Очень важно все время поддерживать концентрацию растворенного кислорода на уровне выше 2 мг/л.

В реакторы первичной стадии также добавляются питательные вещества в виде азотных, фосфорных и калиевых солей для стимулирования роста бактерий. Небольшое количество питательных веществ может присутствовать в концентрате, что может снизить потребность в добавлении минеральных солей при достижении стабильного режима работы.

Помимо воздуха и питательных веществ, как правило, необходимо обеспечить содержание во флотоконцентрате не менее 2 % карбоната, чтобы обеспечить наличие достаточного количества CO₂ для поддержания клеточного роста бактерий. Если карбонат отсутствует, в реакторы первичной стадии необходимо добавить известняк или углекислый газ в качестве источника углерода для роста клеток. Для поддержания уровня pH в реакторах BIOX® в оптимальном диапазоне pH от 1,2 до 1,8 добавляются известняк и серная кислота.

На стадии биоокисления BIOX® мышьяк окисляется до As⁵⁺, который можно осаждать вместе трехвалентным железом в виде устойчивого арсената железа. Это необходимо для того, чтобы сточные воды соответствовали наиболее жестким международным требованиям по защите окружающей среды в отношении стабильности продукта и остаточных концентраций мышьяка.

Технология автоклавного окисления

Типовой контур POX для руд двойной упорности состоит из следующих основных технологических этапов: измельчение и флотация с последующим удалением карбоната, удалением хлорида автоклавным окислением, очисткой отходящего газа, контактированием, сепарацией твердой и жидкой фаз и нейтрализацией. Блоксхема типового процесса переработки упорных руд с контуром автоклавного окисления представлена на рисунке 2. Технология автоклавного окисления применяется и к рудам, и к концентратам.

Рис. 2. Блок-схема типовой технологии переработки упорных руд с контуром автоклавного окисления

В зависимости от концентрации карбонатов карбонаты выщелачиваются образуемой в автоклаве кислотой для сведения к минимуму образования двуокиси углерода и максимального использования кислорода в автоклаве. Предварительная кислотная обработка также может способствовать растворению присутствующих в концентрате хлоридов.

Этап автоклавного окисления предназначен для окисления сульфидных минералов, например, арсенопирита и пирита в сульфаты, а также для высвобождения золота, находящегося внутри кристаллической структуры сульфида. Как правило, окисление проводится при температуре 190–230 °C и парциальном давлении кислорода 3–7 бар путем подачи в автоклав газообразного кислорода с чистотой более 98 %. Реакции высокоэкзотермичные, поэтому температура в автоклаве контролируется путем впрыска охлаждающей воды отдельно в каждый отсек автоклава.

При температурах свыше 190 °C образуется очень небольшое количество элементной серы. Соотношение образования Fe2O3 и FeOHSO4 зависит от рабочих условий, т.е. от рабочей температуры, кислотности и времени реакции в автоклаве. Основные сульфаты железа, FeOHSO4, образованные в автоклаве, в основном растворяются на стадии контактирования. Эти основные сульфаты железа разлагаются при последующей нейтрализации и приводят к дополнительному расходу нейтрализующего вещества — извести.

Стадия нейтрализации аналогична той, что применяется в технологической схеме BIOX®.

Технология обжига

Блок-схема типового процесса переработки упорных руд с контуром обжига представлена на рисунке 3. Технология обжига применяется и к рудам, и к концентратам.

Обжиг может осуществляться в одну или две стадии. Выбор одного из этих двух вариантов зависит от типа руды. Одностадийный процесс представляет собой окислительный обжиг до полного удаления серы в окислительной среде. В двухстадийной технологии обжига на первой стадии осуществляется восстановительный обжиг для удаления таких примесей, как мышьяк и сурьма, а на второй стадии проводится обжиг в окислительной среде до полного окисления.

Рис. 3. Типовая блок-схема технологии переработки упорных руд с контуром обжига

Основная цель технологии обжига — удалить серу и углерод, которые присутствуют в концентрате, а также удалить примеси, например мышьяк, и получить огарок и газ, содержащий SO2. Как правило, самым распространенным является диапазон температур 500–800 °C в зависимости от технологического процесса и требований к минералогии.

В результате применения технологии обжига получают огарок и обжиговый газ. Огарок состоит из Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeSO₄ и пустой породы. Обжиговый газ содержит SO₂, SO₃, O₂, N₂ и H₂O в виде пара. В зависимости от содержания хлорида в питании обжиговой печи в обжиговом газе также может присутствовать HCl в соответствующих концентрациях, который удаляется из технологического процесса со стоками участка мокрой газоочистки.

При высоком содержании мышьяка в питании для переработки требуется применение двухстадийного процесса обжига. Как правило, мышьяк присутствует в арсенопирите (FeAsS). В ходе обычного обжига, при небольшом избытке кислорода по сравнению с необходимым стехиометрическим соотношением для преобразования содержащегося железа в пирит или гематит, основная часть мышьяка окисляется до As(V) и вступает в реакцию с гематитом, образуя стабильный арсенат железа (FeAsO₄). Таким образом, примерно 70–80 % мышьяка в питании связывается в огарок. Такое преобразование можно оптимизировать в реакторе с циркулирующим кипящим слоем (CFB) с учетом конкретных технологических условий. Оставшийся мышьяк, который окисляется до As(III), улетучивается и уносится обжиговым газом, и его необходимо удалять в системе мокрой газоочистки.

Огарок из обжиговой печи, котлаутилизатора и системы обеспыливания горячего газа собирается в одном месте и направляется на последующую переработку на установку выщелачивания золота.

Газ SO₂ из участка охлаждения и очистки газа направляется в сушильную башню сернокислотного участка. После нагрева в теплообменниках газ подается в конвертер и способствует экзотермическому окислению SO₂ до SO₃. На участке абсорбции SO₃ абсорбируется циркулирующей серной кислотой с концентрацией 98,5 %.

Основные характеристики различных технологий предварительной переработки упорных руд

Основные характеристики различных технологий предварительной переработки упорных руд кратко изложены в таблице 1. Рекомендации по критериям выбора технологии показаны в таблице 2 и 3.

	BIOX®	POX	Обжиг
Сера	- S большей частью окисляется до SO4 2- в пульпе, и почти вся сера переходит в гипс - S частично окисляется до других форм серы, таких как полисульфиды, которые несколько увеличивают расход цианида	S большей частью окисляется до SO4 2- в пульпе, и почти вся сера переходит в гипс	- S полностью окисляется в виде SO2 в газе и частично сульфата. - В ходе обжига производится кислота
Железо	- Небольшое количество ярозитов на стадии BIOX® - FeAsO4 и Fe(OH)3 на стадии нейтрализации - Соответствующие химические реакции	- Fe2O3, FeAsO4 и некоторое количество ярозитов в автоклаве - FeAsO4 и Fe(OH)3 на стадии нейтрализации - Соответствующие химические реакции	- Fe2O3, Fe3O4 и FeSO4/Fe2(SO4)3 - Образуется меньше FeAsO4, так как As удаляется в виде сравнительно чистого As2O3 - Соответствующие химические реакции
Тип углерода — Лигнит — Антрацит	В основном все углистое вещество переходит в осадок BIOX®	- В основном все углистое вещество переходит в осадок POX - Может потребоваться дополнительный этап промывки хлоридов перед автоклавом	- В основном окисляется до CO2 при >700 °C - Может привести к неполному окислению
MeCO3	CO3 оказывает благоприятное влияние на рост бактерий, как правильно, оптимальным значением является 2–5 %	Снижение парциального давления O2 в автоклаве, затем, как правило, удаление до автоклава разбавленной кислотой, образованной в автоклаве	Разложение до оксидов при > 840 °C
Мышьяк	- Окисление до As5+ в реакторах BIOX® - Образование устойчивого FeAsO4, в основном, на стадии нейтрализации	- Окисление до As5+ в автоклаве - Образование устойчивого FeAsO4 как в автоклаве, так и на стадии нейтрализации	- При двухстадийном обжиге возможно окисление и удаление As2O3 - В настоящее время As2O3 удаляется, как правило, посредством образования арсената железа FeAsO4
Сурьма	При высоком содержании может подавлять активность бактерий	—	В обжиговый газ вместе с As и удаляется со стоками газоочистки
Ртуть	- В основном, вся ртуть переходит в осадок BIOX® - Для удаления ртути из золотых слитков необходима ретортная печь на ЗИФ после этапа цианирования	- В основном, вся ртуть переходит в осадок POX - Для удаления ртути из золотых слитков необходима ретортная печь на ЗИФ после этапа цианирования	- Почти полное испарение при обжиге - Очистка газа от Hg по технологии Boliden Norzink - Огарок почти не содержит Hg - Для удаления ртути из золотых слитков необходима ретортная печь на ЗИФ после этапа цианирования цианированием
Типичный расход цианида	10–15 кг/т	0,5–2 кг/т	0,5–2 кг/т
Типичный материал питания	Концентрат	- Цельная руда - Концентрат	- Цельная руда - Концентрат
Рабочая температура	40–45 °C	190–230 °C	500–800 °C
Рабочее давление	Атмосферное	До 35 бар изб.	Атмосферное
Время реакции	4–6 суток	0,5–1,5 ч	0,5 ч
Окислитель	Воздух	Кислород	Воздух, кислород (на выбор)
Нейтрализующее вещество	Известняк и известь	Известняк и известь	Известь может понадобиться для стабилизации As2O3
Утилизация тепловой энергии	Как правило, не применяется	- Как правило, не применяется - Тепло реакции может использоваться для нагрева воды и, например, для опреснения воды или централизованного теплоснабжения	Избыточное тепло реакции используется для производства пара высокого давления для генерирования электроэнергии
Серная кислота	—	—	Высококачественная серная кислота

Табл. 1. Основные характеристики различных технологий предварительной переработки упорных руд

Выбор предпочтительной или оптимальной технологии для каждого конкретного проекта зависит от многих факторов, включая техническую часть, финансы, эксплуатацию и требования законодательства. Также очень важно выбрать соответствующего поставщика технологии. В таблице 3 представлен перечень аспектов, которые необходимо принимать во внимание под каждой категорией, при этом данный перечень может дополняться и другими факторами, специфичными для каждого конкретного проекта. Еще одним усложняющим фактором является то, что в большинстве случаев выбор технологии осуществляется на этапе предварительного ТЭО, когда имеется только небольшой объем данных по результатам цикличных испытаний, а оценку капитальных и эксплуатационных затрат можно выполнить только с точностью +/-25 %.

	BIOX®	POX	Обжиг
Географическое местоположение	- Преимущество применения в удаленных местах благодаря сравнительной простоте в эксплуатации и техобслуживании - Доступность нейтрализующего вещества	- Доступность нейтрализующего вещества - Доступность квалифицированного персонала	- Рынок сбыта серной кислоты - Доступность квалифицированного персонала
Типовая производительность	Концентраты: от 50 до 2000 т/сут	- Концентраты: от 150 до 4000 т/сут - Упорные руды: от 2000 до 24000 т/сут	- Концентраты: от 500 до 2000 т/сут - Упорные руды: от 1000 до 15000 т/сут
Капитальные / эксплуатационные затраты	Определяются в ТЭО	Определяются в ТЭО	Определяются в ТЭО

Табл. 2. Рекомендации по основным критериям выбора

После выбора предпочтительной технологии, как правило, проводится более детальная оценка технологии в рамках окончательного или банковского ТЭО. Детальное ТЭО должно содержать подробный анализ структуры принятия решений, которая использовалась для выбора технологии. Также необходимо выработать четкие рекомендации для окончательного утверждения выбранной технологии или, когда потребуется повторить процесс выбора применительно к новой технологии.

Резюме

Снижение содержания золота, истощение ресурсов окисленных руд, а также ужесточение требований законодательства по охране окружающей среды определяют новые требования к технологиям, применяемым в золотодобывающей промышленности. Современные тенденции указывают на то, что в будущем доля упорных золотых руд будет увеличиваться.

Финансовые	Технические	Эксплуатационные	Требования законодательства	Поставщик технологии
- Рентабельность проекта (NPV) - Ожидаемое извлечение золота - Капитальные и эксплуатационные затраты - Время реализации проекта - Резерв запасных частей	- Риск превышения капитальных и эксплуатационных затрат - Риск достижения извлечения - Гибкость - Простота в расширении мощности - Требования к расходу и качеству воды	- Эксплуатационная технологичность - Ремонтопригодность - Требуемый уровень квалификации операторов - Простота запуска/ остановки - КИП и автоматика	- Экологическая приемлемость - Охрана труда - Использование местного персонала - Занимаемая площадь - Требования к закрытию производства	- Репутация и опыт работы - Объем услуг - Техническая поддержка

Табл. 3. Критерии выбора технологии

Оутотек предлагает три проверенных варианта предварительной переработки: биоокисление (BIOX), автоклавное окисление (POX) и обжиг (ROAST) для переработки упорных руд в материал, который можно легко и эффективно перерабатывать выщелачиванием. Добавление технологии биоокисления BIOX® в портфель Outotec расширяет уже имеющийся обширный опыт гидрометаллургической переработки минерального сырья.

Все три технологии предварительной переработки технически применимы для переработки большинства сульфидных руд и могут быть оптимизированы с учетом требований конкретного проекта и международного природоохранного законодательства. Для определения оптимального решения для каждого конкретного проекта необходимо выполнить соответствующие работы по разработке проекта, включая проведение испытаний и технологическое проектирование.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 4 (34)/декабрь 2016 г.