Кучное выщелачивание
КУЧНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (а. heap leaching; н. Наufenlaugen; ф. lixiviation en tas; и. lixiviacion en montones) — способ переработки химическим или бактериальным выщелачиванием попутно добытых забалансовых и бедных балансовых крупнокусковатых руд, заскладированных в отвалах, извлечение из которых полезных компонентов обычными обогатительными или гидрометаллургическими методами (выщелачивание в пачуках, автоклавах и других аппаратах) нерентабельно.
Кучное выщелачивание меди практиковалось с 16 века в Венгрии и Германии. С середины 20 века этот способ в промышленных масштабах применяют для извлечения меди, золота и урана. Ведутся экспериментальные работы по его использованию для извлечения других металлов.
При кучном выщелачивании в качестве реагентов используют водные растворы минеральных (серной, азотной, соляной) и органических (например, уксусной) кислот, соды, солей аммония и др. (см. Выщелачивание, бактериальное выщелачивание, выщелачивание подземное). Площадки для размещения куч, отвалов руд подготавливают с обеспечением соответствующих уклонов в сторону растворсборников; покрывают гидроизолирующим материалом (глина, асфальт, цемент, твердеющие растворы синтетических смол и др.), сооружают дренажную систему в виде перфорированных труб из материалов, инертных к действию выщелачивающих реагентов. Высоту куч, отвалов и способ отсыпки руд (бульдозерами, автосамосвалами, экскаваторами и др.) выбирают в зависимости от их физико-механических свойств, способности к уплотнению. Важно обеспечить в конечном итоге хорошую проницаемость руд, исключить переуплотнённые невовлекаемые в процесс кучного выщелачивания участки. Различают две схемы ведения процесса кучного выщелачивания: непрерывную (рис. 1) и цикличную (рис. 2).
Реклама
При непрерывной схеме руда в кучах и отвалах после выщелачивания металла остаётся на месте складирования. Цикличная схема предусматривает периодическую замену выщелоченной горной массы с вывозом её в породный отвал. Для применения этой схемы необходимы площадки меньших размеров. Выбор той или иной схемы зависит от рельефа местности, производительности установки кучного выщелачивания по руде, технико-экономических показателей и других факторов. В зависимости от физико-механических свойств руд возможны два режима кучного выщелачивания: инфильтрационный и фильтрационный. Инфильтрационный режим применяют при кучном выщелачивании крепких руд, не подверженных уплотнению. При небольшой плотности орошения таких руд выщелачивающим реагентом он не заполняет полностью все пустоты (как при фильтрационном режиме), а лишь смачивает или покрывает тонкой плёнкой поверхность рудных кусков, заполняет капилляры и постепенно стекает к днищу площадки. При инфильтрационном режиме кучное выщелачивание с помощью специальных оросительных устройств (перфорированных шлангов, форсунок, разбрызгивателей и др.) подачу реагента проводят циклично, чередуя циклы орошения и выстаивания. Продолжительность циклов может быть разной (зависит от минерального и вещественного состава руд). Для руд с локализацией оруденения по трещинам размер куска при кучном выщелачивании существенной роли не играет, так как кусковатость отбитой горной массы соответствует естественной кусковатости массива. Для вкрапленного оруденения решающими факторами в процессе инфильтрационного кучного выщелачивания являются скорость и глубина проникновения раствора реагента в глубь рудного куска.
Технико-экономические показатели переработки забалансовых и балансовых руд кучного выщелачивания в ряде случаев могут быть повышены путём включения в технологическую схему подготовительных операций грохочения, сортировки и додрабливания руды. Предварительное грохочение руды с выделением в отвалы крупного материала с низким содержанием металла позволяет в ряде случаев снизить расходы на переработку и увеличить производительность установки кучного выщелачивания. В других случаях грохочение, сортировка руды и додрабливание крупных фракций приводят к значительному увеличению извлечения металла (иногда в 1,5-1,7 раза). Фильтрационный режим применяют при кучном выщелачивании песчано-глинистых руд, подверженных уплотнению. При этом подачу реагента осуществляют по скважинам, пробурённым с поверхности кучи, отвала.
Для интенсификации процесса кучного выщелачивания в зависимости от конкретных условий применяют аэрацию куч и отвалов с помощью перфорированных труб, наращиваемых в процессе отсыпки руд; встряхивающие взрывы; повышение температуры и напора раствора; поверхностно активных веществ и др.
Кучное выщелачивание
Кучное выщелачивание — способ переработки химическим или бактериальным выщелачиванием попутно добытых забалансовых и бедных балансовых крупнокусковатых руд, заскладированных в отвалах, извлечение из которых полезных компонентов обычными обогатительными или гидрометаллургическими методами (выщелачивание в пачуках, автоклавах и других аппаратах) нерентабельно.
При кучном выщелачивании в качестве реагентов используют водные растворы минеральных (серной, азотной, соляной) и органических (например, уксусной) кислот, соды, солей аммония и др. Площадки для размещения куч, отвалов руд подготавливают с обеспечением соответствующих уклонов в сторону растворсборников; покрывают гидроизолирующим материалом (глина, асфальт, цемент, твердеющие растворы синтетических смол и др.), сооружают дренажную систему в виде перфорированных труб из материалов, инертных к действию выщелачивающих реагентов. Высоту куч, отвалов и способ отсыпки руд (бульдозерами, автосамосвалами, экскаваторами и др.) выбирают в зависимости от их физико-механических свойств, способности к уплотнению. Важно обеспечить в конечном итоге хорошую проницаемость руд, исключить переуплотнённые невовлекаемые в процесс кучного выщелачивания участки. Различают две схемы ведения процесса кучного выщелачивания: непрерывную и цикличную.
При непрерывной схеме руда в кучах и отвалах после выщелачивания металла остаётся на месте складирования. Цикличная схема предусматривает периодическую замену выщелоченной горной массы с вывозом её в породный отвал. Для применения этой схемы необходимы площадки меньших размеров. Выбор той или иной схемы зависит от рельефа местности, производительности установки кучного выщелачивания по руде, технико-экономических показателей и других факторов. В зависимости от физико-механических свойств руд возможны два режима кучного выщелачивания: инфильтрационный и фильтрационный. Инфильтрационный режим применяют при кучном выщелачивании крепких руд, не подверженных уплотнению.
В настоящее время в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из руды нашли широкое применение цианиды. Цианид представляет собой весьма часто встречающееся в природе соединение. Цианид натрия — это ключевой ингредиент раствора, применяемого для процесса извлечения золота методом кучного выщелачивания. Цианидный ион CN — образует с золотом и серебром настолько прочные комплексные соединения, что становится возможным процесс окисления благородных металлов кислородом воздухам и их переход из руды в раствор. Помимо NaCN (концентрация 0.1%) в выщелачивающий раствор обязательно добавляется щелочь (гидроксид натрия или кальция) для предотвращения выделения из него цианистого водорода.
Схема кучного выщелачивания
Наибольшую трудность при кучном выщелачивании золота представляют руды, содержащие большое количество глины, а также лежалые и текущие хвосты гравитационного и флотационного обогащения и цианирования. В отдельных случаях глина или шламы могут полностью закупорить штабель для фильтрации цианистого раствора.
Подготовленную для выщелачивания руду укладывают в штабель (отвал). Важным при этом является сохранение пористости руды и минимальное ее уплотнение.
Минимальное уплотнение руды (обусловленное лишь собственным весом) обеспечивают методы с использованием отвалообразователей, стакеров или экскаваторов — драглайнов. Эти методы применимы для всех категорий минерального сырья. Для окомкованной руды применим метод с использованием конвейеров и стакеров.
Наиболее простым и недорогим является метод формирования отвала с использованием автосамосвалов и фронтальных погрузчиков, когда нижний слой отсыпается с помощью автосамосвалов с последующим наращиванием штабеля погрузчиком.
Бульдозерный способ формирования отвала, когда руда завозится на площадку автосамосвалами, а штабель формируется бульдозером, применим для прочной кусковой руды.
После отсыпки кучи на ее поверхности монтируют систему орошения выщелачивающими растворами, которая в простейшем случае представляет гибкие либо жесткие шланги с отверстиями. Шланги (трубы) отводят от коллектора и располагают параллельно с определенным шагом (например, 1 м). Для орошения рудного штабеля используют системы напорных эмиттеров (капельное орошение), позволяющие уменьшить испарение, либо вращающиеся оросители, позволяющие увеличить испарение с целью сокращения водного баланса. Продолжают широко использовать обычные дождевальные установки, особенно когда у предприятия имеет место положительный водный баланс. Предприятия кучного выщелачивания также продолжают применять метод прудкового орошения уложенной в штабель руды. Главным требованием к системе орошения является соблюдение равномерной смачиваемости частиц руды в штабеле как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
Цианистые растворы кучного выщелачивания поступают на переработку на специальные установки или фабрики. В технологическом отношении для извлечения золота и серебра из цианистых растворов используют методы сорбции на анионит АМ-2Б, цементации на металлический цинк, сорбции на активированный уголь. Каждый из этих методов обладает уникальными особенностями и каждый в определенных условиях имеет преимущества.
Подземное выщелачивание
Подземное выщелачивание — способ разработки рудных месторождений избирательным переводом полезного компонента в жидкую фазу в недрах с последующей переработкой металлсодержащих (продукционных) растворов. Промышленное освоение выщелачивания подземного медных руд было осуществлено в США в 1919, в CCCP (на Урале) — в 1939. С 60-х годов выщелачивание подземное применяют для добычи урана. В 70-х годах во многих странах (CCCP, США, Канада, ГДР, ЧССР, НРБ и др.) значительная часть урана и меди добывается выщелачиванием подземным, ведутся экспериментальные работы по применению его для добычи титана, ванадия, марганца, железа, кобальта, никеля, цинка, селена, молибдена, золота и других металлов. Выщелачивание подземное позволяет полнее использовать недра за счёт вовлечения в производство бедных руд, добыча и переработка которых традиционными способами нерентабельна.
При выщелачивании подземном металл извлекается путём ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив с естественной проницаемостью предварительно разрушенной различными методами или замагазинированной руды. Главные условия успешного применения выщелачивания подземного: присутствие полезного компонента в соединениях, растворимых минеральными или органическими кислотами, щелочами, растворами солей; достаточная естественная водопроницаемость руд или возможность её создания искусственным путём, благоприятные горнотехнические и гидрогеологические условия, позволяющие осуществить подачу реагента к руде и откачку продукционных растворов; возможность эффективного извлечения полезных компонентов из продукционных растворов.
Принцип подземного выщелачивания
При подземном выщелачивании проницаемых рудных тел месторождение вскрывается системой скважин, располагаемых (в плане) рядами, многоугольниками, кольцами. В скважины подают растворитель, который, фильтруясь по пласту, выщелачивает полезные компоненты. Продуктивный раствор откачивается через другие скважины. В случае монолитных непроницаемых рудных тел залежь вскрывают подземными горными выработками, отдельные рудные блоки дробят с помощью буровзрывных работ. Затем на верхнем горизонте массив орошают растворителем, который, стекая вниз, растворяет полезное ископаемое. На нижнем горизонте растворы собирают и перекачивают на поверхность для переработки.
Одно из основных препятствий для применения подземного выщелачивания — низкая скорость реакций, для увеличения которой ведутся исследования способов воздействия на рудный массив электрическими и электромагнитными полями, предварительным нагревом, обжигом и др. Применяются также ядерные взрывы и микробиологические способы.
Подземное выщелачивание позволяет вовлечь в разработку месторождения полезных ископаемых, залегающие на значительных глубинах (недоступных по экономическим показателям для обычной технологии), месторождения бедных руд и т.п.
Схема подземного выщелачивания
1 — узел приготовления растворов; 2 — нагнетательные скважины; 3 — дренажные скважины; 4 — компрессор; 5 — воздухопровод для эрлифта продуктивных растворов; 6 — коллектор для продуктивных растворов; 7 — отстойник; 8 — установка для переработки раствора.
Основные аспекты технологии кучного выщелачивания из золотосодержащего сырья
Кучное выщелачивание, как высокорентабельный и экологически безопасный процесс золотодобычи, прочно вошло в практику золотодобычи США, Канады, Австралии, ЮАР, КНР, Мексики, Чили, Португалии и многих других стран. Внедрение этой технологии идет очень быстро и весьма эффективно.
География использования кучного выщелачивания благородных металлов из различного минерального сырья (от сравнительно богатых руд с содержанием золота свыше 3 г/т до лежалых хвостов обогащения и отходов химических производств) простирается от Канады с относительно суровой зимой до Центральной Америки с очень жарким климатом и высоким уровнем выпадения атмосферных осадков.
Сроки окупаемости инвестиций в создание промышленных мощностей по добыче золота методом кучного выщелачивания чрезвычайно малы, для многих горнорудных компаний, использующих кучное выщелачивание, срок окупаемости не превышает одного года.
В настоящее время для крупнотоннажных бедных месторождений содержание извлекаемого кучным выщелачиванием золота в рудах может быть 0,65-0,82 г/т, а при больших объемах производства (в несколько млн. тонн) — 0,35-0,65 г/т.
Переработка руды методом кучного выщелачивания включает следующие технологические операции (рис.): рудоподготовку, которая в зависимости от содержания золота, фильтрационных свойств, гранулометрического и минералогического состава сырья может включать дробление, грохочение, шихтовку глинистых руд со скальными, окомкование мелких и тонкодисперсных фракций; выбор и подготовку площадки под кучное выщелачивание (снятие плодородного слоя и планировка площадки); подготовку гидроизоляционного основания (отсыпка глины, ее уплотнение, укладка полиэтиленовой пленки, отсыпка дренажного слоя, укладка коллекгоров сбора продуктивных растворов); укладку руды в штабель (кучу); орошение рудного штабеля цианидными растворами; собственно выщелачивание золота; дренаж растворов через кучу; накопление золотосодержащих растворов в емкости и их отстаивание; извлечение золота из растворов; плавку осадков (цинковых, катодных); обезвреживание отработанных рудных штабелей (хвостов выщелачивания); рекультивацию отвалов и нарушенных земель.
Многолетняя практика зарубежных предприятий KB подтверждает их высокую технико-экономическую эффективность. По сравнению с традиционными фабричными технологиями KB характеризуется низкими капитальными вложениями и эксплуатационными затратами, меньшим энерго- и водопотреблением, высокой производительностью труда.
Несмотря на эффективность процесса KB золота из руд большинства месторождений Алдана, Забайкалья, Приморья, Узбекистана, Таджикистана, Казахстана и других регионов, промышленное освоение технологий KB благородных металлов в СССР сдерживалось по ряду причин, лишь с начала 90-х годов началось промышленное освоение технологии KB для золотосодержащего сырья.
Построены и введены в эксплуатацию при непосредственном участии специалистов Иргиредмета промышленные установки ЮЗ впервые в СССР на месторождении «Васильевское» в 1991 г. в Казахстане, и впервые в России (республика Хакасия) на месторождении «Майское» в 1994 г. На установке Васильковского ГОКа перерабатывают руды исходной крупности (минус 300+0 мм) с содержанием золота 2 г/т, на Майском месторождении (ЗАО ЗДК «Золотая звезда») выщелачивают более богатую руду с содержанием золота не менее 4 г/т, предварительно дробленную до крупности минус 20+0 мм. Извлечение золота из продуктивных растворов осуществляют по разным схемам. За три года эксплуатации установки KB на майском месторождении было добыто более 1 т золота. В 1996 г. проведены опытно-промышленные испытания на рудах Куранахского рудного поля и залежи «Физкультурная-Холодная» Алданского района Якутии. В 1997 г. пущена в эксплуатацию установка KB на Сахсарской золоторудной зоне (ЗАО ЗДК «Золотоая звезда») производительностью 300 тыс. т., в 1998 г. — на руде Комсомольской залежи, в 1999 г. — на руде Покровского месторождения, в 2000 г. — на руде Бамского месторождения /1-4/.
К минеральному сырью, наиболее пригодному для переработки методом KB, относится сырье, облачающее достаточной пористостью и проницаемостью, обеспечивающей доступ цианистых растворов к поверхности благородных металлов и диффузию растворенных цианистых комплексов металлов в продуктивный раствор КВ; поступающий в дальнейшем на извлечение благородных металлов известными методами.
Рудоподготовка может полностью исключать операцию дробления или предусматривать только операцию дробления, включать операции дробления и окомкования. присущей для шламистой руды и хвостов обогащения.
Цель рудоподготовки перед KB — получение достаточно мелких частиц руды, позволяющих цианистому раствору вступать в контакт с благородными металлами с достижением степени проницаемости и устойчивости штабеля руды, достаточной для прохождения выщелачивающего раствора через кучу с приемлемой скоростью. Эти требования, зачастую, могут входить в противоречие друг с другом, когда при низкой скорости фильтрации достигаются приемлемые показатели KB, но за очень длительный промежуток времени. Расходы на дробление руды прямо связаны с рентабельностью извлечения золота. Так, если затраты на дробление крупной руды не компенсируются прибылью, полученной в результате повышения степени извлечения золота, то операция дробления неприемлема.
Операция дробления аппаратурно может быть оформлена в двух вариантах: с использованием стационарных дробилок и мобильных дробилыю-сортировочных комплексов.
Проблема, возникающая при переработке золотосодержащих руд методом KB с повышенным содержанием глины, руды с повышенным содержанием шламов. образующихся в результате дробления, а также лежалые хвосты гравитационного и гравитационно-флотационного обогащения, из-за крайне медленной скорости фильтрации, что приводит к нерентабельности их переработки KB, может быть решена путем предварительного окомкования. Основная цель окомкования — получение пористого материала, который был бы устойчив к механическому воздействию при транспортировке, формировании кучи и просачивании цианистых растворов через штабель. Качество окомкованного сырья определяется природой и зафузкой связующей композиции, продолжительностью операции отвердевания и упрочения окомкованной руды и количеством воды или цианистого раствора подаваемого на операцию окомкования.
Для процесса окомкования применяют цемент, известь, отходы ряда производств и различные композиции на их основе. Для ряда сырьевых объектов продолжительность KB окомкованного сырья в сравнении с традиционным вариантом сокращается от 2 до 5 раз, а для многих эта операция является обязательной, поскольку без нее последующее KB практически неосуществимо.
В зависимости от гранулометрического и минерального состава аппаратурно процесс окомкования может быть оформлен различно: чашевые и барабанные окомкователи и окомкователи из каскада ленточных транспортеров.
Для промышленного применения разработаны и рекомендованы три основных метода KB, отличающиеся между собой организацией основных и вспомогательных работ, конструкцией гидротехнических сооружений промышленного комплекса и характером общеинженерных мероприятий.
Первый предусматривает строительство долговременных площадок многоразового использования из твердых гидроизоляционных покрытий, способных выдерживать возникающие рабочие давления от складированного штабеля и от погрузочно-разгрузочных механизмов и транспортных средств. Для этого метода необходимы: ограниченный по площади участок земли; участок, пригодный для строительства хвостохранилища; высокопрочное гидроизоляционное основание из бетона или асфальта; технологические емкости должны иметь меньшие размеры из-за ограниченной площади куч, подвергаемых цианистому выщелачиванию; двойная переработка рудной массы (загрузка, выгрузка); относительно короткий и постоянный по времени цикл выщелачивания.
Второй вариант, который наиболее распространен, предусматривает строительство гидроизоляционных площадок одноразового использования из мягких изолирующих покрытий (полиэтиленовые или поливинилхлоридные пленки, листовая резина) в сочетании с глинистой изоляцией или без нее при наличии естественного водоупора толщиной не менее 1 м. Набор технологического оборудования остается таким же, как и в первом варианте.
По второму варианту выщелоченная и обезвреженная руда остается на месте переработки. В этом случае отпадает необходимость в сооружении и эксплуатации хвостохранилища. Затраты на строительство гидроизоляционных площадок должны быть минимальными (сооружаются из местных глин в сочетании с полиэтиленовым покрытием или без такового).
Третий вариант KB — отвальное выщелачивание, подготовка которого заключается в укладке руды перед удерживающим сооружением, имеющим вид дамбы. Большая часть руды нижележащего слоя выщелачивается во время последующего выщелачивания. После выщелачивания руды осуществляется дренаж растворов и складирование свежей руды. По окончании выщелачивания хвосты обезвреживаются и рекультивируются, подобно отвалам пустой породы.
Для организации отвального выщелачивания необходима крепкая руда. Метод может использоваться в районах с крутым углом наклона. Необходимы резервуары хранения растворов меньшего объема, прочное высокоплотное покрытие из-за гидравлического напора, возведение устойчивых куч, подобно отвалам пустой породы. Метод может использоваться в широком диапазоне климатических условий, и приспособлен к длительному периоду выщелачивания (до нескольких дет).
Формирование рудного отвала — важная и ответственная задача, при решении которой уплотнение руды в отвале должно быть сведено до минимума.
Наиболее простым и менее затратным с экономической точки зрения является метод формирования отвала с использованием автосамосвалов и фронтальных погрузчиков, когда нижний слой отсыпается с помощью автосамосвалов с последующим наращиванием штабеля погрузчиком. Минимальное уплотнение руды, обусловленное лишь собственным весом, обеспечивают методы с использованием отвалообразователей или экскаваторов-драглайнов. Эти методы применимы для всех категорий минерального сырья. Бульдозерный способ формирования отвала, когда руда завозится на площадку автосамосвалами, а штабель формируется бульдозером, применим для прочной руды. Для окомкованной руды применим метод с использованием конвейеров и стакеров.
Выбор метода переработки растворов зависит от ряда факторов: наличия примесей — Сu, As, Sb; масштабов производства; соотношением Аu и Ag в растворах и др.
В промышленной практике золотодобычи методом KB для извлечения благородных металлов используются три метода: метод сорбции на анионит АМ-2Б или активный уголь и метод цементации на металлический цинк. Метод сорбции на АМ-2Б используется в технологической схеме промышленной установки в составе Васильковского ГОКа (Казахстан), ТОО «Колорадо» (г. Учалы, Башкортостан).
Более предпочтительным является метод сорбции на активный уголь, поскольку характеризуется меньшими капвложениями и эксплуатационными затратами. Метод менее чувствителен к присутствующим в растворах цианистым комплексам меди и цинка, осложняющим процесс сорбции на АМ-2Б. Из растворов KB сорбция на активированный уголь применяется на большинстве зарубежных предприятий, а в России — на АК «Алданзолото» (САХА, Якутия).
Для маломасштабных предприятий и при соотношении серебра и золота в растворах более 10 целесообразно использовать метод цементации благодаря быстрой фондоотдачи, низкой капиталоемкости и эксплуатационным затратам по сравнению с сорбцией. Метод цементации также отличается крайне низкой, потребляемой электрической мощностью, особенно в варианте осаждения на цинковую стружку, что в условиях дефицита электроэнергии может иметь решающее значение. Метод используется на установках KB Майского месторождения и Сахсарской золоторудной зоне, Покровском и Бамском месторождениях.
Промежуточной богатой продукцией при извлечении благородных металлов из продуктивных растворов KB являются золотосодержащие шламы кислотной обработки осадков цинкового осаждения, катодные осадки операции электролиза товарных щелочно-цианистых и тиомочевинных элюатов, содержание золота в которых составляет 20-25 % в шламах и 70-80 % в катодных осадках.
Плавка после обжига золотосодержащих материалов осуществляется в тигельной индукционной печи типа ИСТ или в руднотермической печи конструкции Иргиредмета производительностью от 1 до 10 кг золота за одну плавку. Первичные шлаки после дробления рекомендуется подвергать гравитационному обогащению. Золотосодержащие слитки содержат более 80% суммы благородных металлов.
С учетом особенностей KB для конкретного сырьевого объекта в районе сооружения добывающих и перерабатывающих мощностей необходимо осуществлять мониторинг окружающей среды по двум основным направлениям: охрана воздушного бассейна и охрана поверхностных и грунтовых вод. Перед строительством промплощадки плодородный почвенно-растительный слой необходимо заскладировать в спецотвалы. После отработки рудного штабеля и его обезвреживания производится сглаживание углов естественного откоса, покрытие глинистым слоем. На глинистый слой отсыпается ранее заскладированный в спецотвалы почвенно-растительный слой.
ОАО «Иргиредмет» рекомендует золотодобывающим предприятиям любых форм собственности провести ревизию рудных объектов, переработка которых до настоящего времени считалась нерентабельной. Наши специалисты проведут их геологическую оценку, лабораторные и полупромышленные испытания по технологии KB, разработают технологический регламент и проект; окажут помощь в его согласовании, подборе основного оборудования и осуществят руководство внедренческими работами.
Внедрение KB — один из действенных методов подъема золотодобычи в России в короткие сроки и с минимальными капитальными затратами.