Технологические перспективы переработки сульфидных цинковых концентратов Республики Бурятия

Цинковая промышленность России в настоящее время пока не играет ключевой роли на мировом рынке, однако имеет весомое значение для отечественной экономики, использующей оцинкованные материалы в строительстве и машиностроении. В целом из всего потребляемого в России цинка 54% идет на оцинкование, 30% – на производство латунного проката, а почти 14% востребовано химической промышленностью. В последние годы на Россию приходится около 1,7% мировой добычи цинка и 2,2% глобального производства рафинированного металла. При этом доля страны в мировых запасах цинка значительно выше. По запасам руд данного металла Россия уступает только Австралии и КНР.

Согласно последним данным в настоящее время потребление цинка на душу населения в США составляет 4,6 кг, в Японии – 5,9 кг, в Германии – 7,0 кг. Потребление цинка на душу населения увеличивается на 1,8 % в год, причем в развитых странах оно растет значительно быстрее. Обладая огромными ресурсными возможностями и высоким потенциальным спросом на мировом рынке, развитие цинковой добывающей и перерабатывающей промышленности РФ становится перспективным направлением для инвестирования и финансирования.

В настоящее время на территории России выделяются три крупные группы месторождений цинка. Первая группа – Холоднинское месторождение и цинковые месторождения Озернинского рудного узла (Озерное и Назаровское месторождения). Данная группа представляет огромный интерес для мировой цинковой промышленности. Вторая группа – месторождения Алтайского края (Корбалихинское и Рубцовское) и последняя группа – Ново-Широкинские месторождения в Забайкальском крае. Лидерами по балансовым запасам цинка в Российской Федерации являются Республика Бурятия (около 48% всех запасов), Республика Башкирия (11%) и Алтайский край (8%), также запасы имеются в Оренбургской и Челябинской областях. В настоящее время основным центром добычи и выпуска цинка является Урал, однако в будущем тенденция склоняется к Восточной Сибири – Республика Бурятия, Алтайский и Забайкальский края.

С 2010 г. начата разработка Ново-Широкинского месторождения компаниями ООО «Русдрагмет» и казахской компанией «Kazzinc» с получением свинцовых и цинковых концентратов, для последующей реализации их в КНР и Казахстан. Месторождения Алтайского края разрабатываются ОАО «Сибирь-Полиметаллы», которое входит в состав холдинга «УГМК», в 2007 г. было начато сооружение обогатительной фабрики на Рубцовском месторождении. Также ОАО «Сибирь-Полиметаллы» приобрело лицензии на Степное (запасы – 5 млн. т полиметаллических руд) и Таловское месторождения (запасы – 3,5 млн. т). Сферой особых интересов компании является Корбалихинское месторождение с высоким содержанием цинка в руде – 9,8%, разработка которого начата в 2010 г. [1]

Нерешенным остается вопрос о разработке крупнейших месторождений РФ в Республике Бурятия. Компания ООО «Металлы Восточной Сибири» – управляющая компания данными проектами, в настоящее время имеет ряд проблем с освоением месторождений. Холоднинское месторождение находится в Водоохранной зоне озера Байкал, что требует проектирования эффективной системы отработки с учетом максимально высоких экологических стандартов. Озерное месторождение обладает сложной структурой руд, в результате чего будет построена Опытно-промышленная фабрика, которая позволит более точно определить эффективный способ их обогащения. В настоящее время основной потенциал компании сконцентрирован на Назаровском золото-сульфидно-цинковом месторождении. Запасы основных полезных компонентов – 465 тыс. т цинка и 11 т золота.

Использование эффективных технологий переработки цинковых руд дает возможность минимизировать затраты, повысить эффективность извлечения полезных компонентов и качество готовой продукции. В целом применение экономичных ресурсо- и энергосберегающих технологий является перспективным направлением развития металлургической отрасли России.

Согласно «Стратегии развития металлургической промышленности России до 2020 года» рост потребления цинка внутри страны вырастет до 400 тыс. т. Такие результаты потребления цинка будут связаны с активным развитием транспортного машиностроения и стройиндустрии. Для этих целей планируется увеличить суммарную мощность металлургических заводов по производству цинка до 240 тыс. в 2012 г. [1]

Активный рост потребления цинка заставляет активизировать интерес к внутренним резервам страны как экономическим потенциальным источникам для инвестирования. Современный инвестор в значительной степени заинтересован в максимизации прибыли и минимизация издержек. Результатом привлечения интереса инвестора может служить использование современных технологий на производстве и применение полного производственного цикла: «Руда→Концентрат→Металл». Использование современных технологий позволит в значительной степени уменьшить операционные затраты на производство продукции, а также повысить его качество. Применение схемы полной переработки и выпуска готовой продукции в настоящее время также является перспективной по ряду причин. Во-первых, при продаже готового металла экономическая эффективность в 2-3 раза больше, чем при продаже концентрата. Во-вторых, рынок реализации готовой продукции (металлы) более открыт и менее зависим, чем при реализации полусырья (концентрата). Перечисленные выше причины и мировое развитие цинкового производства в настоящее время строятся на основе данной схемы. Такие компании, как Nystar NV, Zak-lady Gorniczo-Hutnicze «Boleslaw», Huludao Zinc Industry Co., Ltd., Lundin Mining, повсеместно применяют данную схему, эффективно функционируя и развиваясь.

Перспективные технологии переработки цинкового сырья

В связи с перспективой вовлечения в переработку сульфидных цинковых руд Назаровского месторождения актуальным становится вопрос о разработке эффективных технологий обогащения и переработки сырья, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели производства.

В современной металлургии цинка основное его количество производят по классической схеме окислительный обжиг – 2-стадийное противоточное (нейтральное и кислое) выщелачивание – очистка нейтрального электролита от примесей – электролиз и переплавка катодного цинка с получением металла в форме слитков, частично порошка. Данная технология обеспечивает высокое извлечение цинка, комплексное использование сырья, базирование на доступных, хорошо освоенных и простых в аппаратурном оформлении операциях [2]. Однако для эффективной работы данной технологии принципиальным является высокое качество исходного цинкового концентрата. Повышение качества цинковых концентратов в настоящее время достигается за счет увеличения числа перечистных флотаций, которые приводят к значительному повышению циркуляционных нагрузок, повышению энергоемкости и снижению эффективности процесса, получению большого количества трудно перерабатываемых полупродуктов [3]. Все вышеперечисленное неизбежно приводит к невысоким показателям извлечения.

При переработке низкосортных концентратов по этой схеме характерно интенсивное ферритооб-разование при обжиге, повышенный выход кеков, увеличение содержания в растворе ряда примесей при выщелачивании. Все это осложняет очистку раствора и электроэкстракцию цинка, снижает извлечение цинка и сопутствующих редких элементов.

Кроме того, для современной технологии производства цинка характерны недостатки, которые заложены в существо самой схемы: громоздкость пирометаллургических операций с развитыми системами очистки и использования отходящих газов при неизбежных экологических проблемах; заметное ухудшение показателей при переработке низкокачественных концентратов; многостадийность и образование полупродуктов, требующих самостоятельной переработки .

Одним из эффективных способов прямого вскрытия, обеспечивающих высокие показатели при переработке даже низкосортного сырья, является автоклавное выщелачивание. Автоклавная гидрометаллургия, отличающаяся использованием высоких температур и давления реакционных газов, позволяет интенсифицировать процесс и повысить прямое извлечение цветных металлов.

Вскрытие цинковых концентратов в автоклавных условиях может быть реализовано на основе щелочного, кислотного и нейтрального выщелачивания.

Щелочное выщелачивание

Аммиачную схему автоклавного выщелачивания цинковых концентратов исследовали в институте «Гинветмет» (И. М. Нелень, С. И. Соболь). Установлено, что при 410-430 К, МПа за 4-6 ч в раствор извлекали до 98 - 99 % Zn, Cd, Си, Ag, РЬ, As, Sb. Компоненты пустой породы оставались в кеке.

Аммиачные растворы (смесь аммиака и аммиачной соли) обеспечивают высокую селективность извлечения цинка, меди, кадмия относительно других металлов и компонентов пустой породы. Однако их использование вызывает окисление сульфидной серы до сульфатной с большим расходом кислорода; требует громоздкой схемы регенерации аммиака; не обеспечивает вскрытие соединений цинка, ассоциированных с сульфидами железа и пустой породой [4].

Экономичность технологии во многом определяется условиями реализации сульфата аммония. С учетом повышенных капитальных затрат и ряда эксплуатационных осложнений применение аммиачного выщелачивания для коллективных, а тем более цинковых сульфидных концентратов пока малоперспективно.

Растворы соды, щелочи малоэффективны для вскрытия сульфидных цинксодержащих концентратов, поскольку количественное окисление сульфидов в этих средах возможно при высоких температу -рах (до 500-550 К). Но даже и в этом случае извлечение цинка и регенерация растворителя представляют значительные трудности [2].

Окислительное нейтральное выщелачивание

При нейтральном выщелачивании сульфидный концентрат обрабатывают при 440-470 К, РО2=0,6-1,0 МПа, используют раствор с исходной величиной рН>1,0. Характерным для окислительного нейтрального выщелачивания является: высокая интенсивность, количественное и селективное извлечение цинка, кадмия, меди в раствор относительно железа и компонентов пустой породы; небольшой выход кека (30-40 %). Данный процесс экзотермичен, достигается полная сульфатизация свинца, олова, количественное соосаждение с железистым кеком мышьяка, сурьмы [2].

Путем изменения показателей процесса (давление кислорода, температура, плотность пульпы, интенсивность перемешивания) можно регулировать извлечение в раствор тех или иных компонентов выщелачиваемых материалов [5].

Так, при 450К, МПа, рН=2,5-3,5 из материалов, содержащих, %: 3-20 Zn, 2-12 Си, 29-36 Fe, 38-46 S, через 1,0-2,5 ч извлекали не менее 92-96 % Zn и не более 3-5% Си, 10-20% Fe.

К недостаткам метода относится отсутствие образования элементарной серы. Накапливающуюся сульфатную серу приходится выводить из цикла в форме гипсожелезистого осадка путем нейтрализации раствора известью.

Сернокислотное выщелачивание

При использовании исходных кислых растворов (рН<1,0) окисление сульфидов большинства металлов при повышенных температурах и давлениях кислорода протекает с образованием элементной серы [4].

Возможности использования сернокислотного автоклавного выщелачивания в технологии производства цинка сформулированы исследователями фирмы «Шерритт Гордон». Показана возможность извлечения до 96–99 % Zn за 1 стадию в течение 6–8 ч при t<105±2°С, МПа, при этом до 70–80 % сульфидной серы окислилось до элементной.

Основными причинами, сдерживающими промышленную реализацию автоклавного сернокислотного выщелачивания в цинковом производстве, стали повышенные капитальные затраты из-за существенной продолжительности операции, неустойчивость технологического процесса, в частности температурного режима, вызывающего локальные перегревы, образование настылей.

Путем усовершенствования процесса автоклавного сернокислотного выщелачивания сульфидных концентратов стало использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных предотвращать смачивание сульфидов пленкой расплавленной серы, обеспечив ее автономное пребывание в объеме пульпы.

Сернокислотное выщелачивание наиболее предпочтительно для переработки цинксодержащих концентратов в технологии цинкового завода, так как основное производство цинка базируется на использовании сернокислотных растворов, что упрощает возможную кооперацию автоклавной технологии с существующей схемой очистки раствора и электролиза цинка [2].

Заключение

Локальное расположение крупных и уникальных месторождений в Республике Бурятия создает благоприятные предпосылки для строительства металлургического комбината полного цикла. Использование сернокислотного автоклавного выщелачивания как головной операции позволяет снизить качество поступающих на переработку концентратов и как следствие повысить извлечение ценных компонентов на переделе обогащения. При герметичном аппаратурном оформлении, дистанционном контроле и управлении процессом возможна организация экологически чистого производства и гибкого автоматизированного процесса.

В настоящее время на территории СНГ по данной технологии работает Балхашский цинковый завод корпорации «Казахмыс». Завод рассчитан на переработку 250 тыс. т/год концентрата с получением 100 тыс. т чушкового цинка марки ЦОА или ЦО (ГОСТ-3640). Извлечение цинка из концентрата в готовую продукцию составляет не менее 90-92%. Попутной продукцией служит медный и медно-кадмиевый кеки [4].

Материалы ТЭО показали высокую эффективность автоклавной технологии (при цене цинка 1088 дол/т):

• 1)    выпуск продукции на одного работающего 93 тыс. дол/год;

• 2)    прибыль 21 млн. дол.;

• 3)    срок окупаемости 2,4 г.

Применение данной технологии на базе Назаровского месторождения как «основного» также будет иметь высокий экономический эффект, что впоследствии может превратить регион и Россию в крупнейшего мирового производителя цинка.