Селективный окислительно-сульфидирующий обжиг никелевых штейнов в кипящем слое

В настоящее время окислительный обжиг никелевых сульфидных материалов и полупродуктов широко применяют в производстве никеля. В связи с тем, что объемы производства никеля во всем мире непрерывно возрастают, дальнейшее совершенствование технологии этого вида обжига имеет большое значение. Необходимо изыскивать резервы для дальнейшего улучшения технико-экономических показателей и повышения эффективности производства.

Практическое осуществление процесса обжига сульфидных никелевых материалов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамикой и кинетикой' окислительных процессов. Знание этих процессов и их термодинамических характеристик имеет большое значение для расчетов оптимальных режимов окислительного обжига никелевых сульфидных материалов в1 кипящем' слое перед их последующей переработкой на металл.

В области переработки сульфидных материалов всегда остро стояла проблема повышения степени извлечения цветных металлов из руд. Заметный вклад в изучение данного процесса внесли такие ученые как И. Н. Пискунов, Ф. Т. Бумажнов и др. [81−83] В настоящее время остаются неизученными возможность управления процессом обжига сульфидных материалов с целью снижения потерь цветных металлов при их дальнейшей переработке, влияние температуры газового реагента на процесс.

Предлагаемая технологическая схема, по которой могут быть переработаны сульфидные никель и кобальт, включает: электроплавку руды на штейнобжиг штейнавысокотемпературное выщелачивание обожженного материалапереработка растворов с применением процессов экстракции или ионной флотации и получение конечной продукции необходимого состава-оксидов никеля и кобальта, компактных металлов и порошков, либо солей.

Штейновая плавка окисленных никелевых руд и экстракционная переработка растворов обстоятельно, исследованы, и технология процессов отработана в опытно-промышленных условиях. Обжиг никелевого штейна, высокотемпературное выщелачивание обожженного материала изучены недостаточно.

Исследования выполнены в соответствии с проектом № 2.1.2/3788 «Исследование физико-химических превращений в гетерогенных системах при высокотемпературных, процессах» в рамках 'аналитической, ведомственной целевой программы «Развитие научного-потенциала Высшей школы"(2009;2010).

Цель работы. Разработка технологии обжига штейна с достижением определенного фазового состава оксидной и сульфидной фазы, пригодной для-гидрометаллургическойпереработки:

Идея работы. С целью достижения заданного фазового состава при обжиге никелевого штейна следует учитывать температуру газового реагента и его расход.

Методы исследования. Для решения поставленных задач основные экспериментальные исследования осуществляли в лабораторной печи кипящего слояпозволяющей обеспечивать различные режимы подачи дутья. Анализ продуктов обжига, выщелачивания осуществлялся классическими химическими методами. Для исследования химического И' фазового состава твердых продуктов обжига использовали метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА).

Научная новизна. Установлена высокая зависимость скорости окисления сульфидов железа, никеля и кобальта от температуры, которой соответствуют энергии активации процессов окисления воздухом сульфидов металлов. Энергия активации для окисления сульфида железа 220 кДж/моль, для сульфида никеля 258 кДж/моль, для сульфида кобальта 251 кДж/моль.

Кажущийся порядок соответствующих реакций составил 0,5- 0,48 и 0,52 соответственно.

Установлено существенное различие в скоростях окисления сульфидов железа до магнетита и гематита и сульфида никеля в температурном диапазоне газового реагента 500−800 °С и при его расходе 80% от теоретически необходимого.

Экспериментально установлена зависимость скорости" протекания реакции окисления сульфида никеля сернистым газом от температуры реакционной зоны и параметров подаваемой газовой смеси, что позволило установить лимитирующую роль химической стадии процесса по величине кажущейся энергии активации, составившей 138,0 кДж/моль.

Установлена возможность снижения температуры автоклавного выщелачивания за счет направленного формирования фаз в процессе селективного обжига.

Основные защищаемые положения.

Взаимодействие газового потока с полисульфидным сырьем, содержащим сульфиды железа, никеля и кобальта, при условии равенства температур газовой и твердой фазы в интервале 600−900 °С приводит к преимущественному образованию оксидов железа и сульфидных никеля и кобальта.

Для достижения высоких извлечений никеля при сернокислотном выщелачивании огарка (температура 160−200 °С) обжиг никелевого штейна следует вести при соблюдении изотермических условий в присутствии БОг.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлены использованием современных и надежных методов исследования и подтверждается хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов.

Практическая значимость работы.

Улучшение технологических показателей переработки окисленных никелевых руд. Увеличивается извлечение никеля до 97%, кобальта до 70%. Снижается температура автоклавного выщелачивания до 160 °C.

Возможность использования селективного окислительно-сульфидирующего обжига в процессе переработки сульфидных медно-никелевых руд, как основа для улучшения технико-экономических показателей технологии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались: на Международной конференции «Проблемы недропользования». Апрель 2008 г. Санкт-ПетербургНа международной научно-практической конференции «XXXIX неделя науки СПбГПУ». 2010 г. Санкт-ПетербургНа международной научно-технической конференции «АПИР-15». 2010 г. Тула.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных трудах, 3 из которых опубликованы в журналах, рекомендованых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 5 рисунков. Библиография включает 114 наименований.

Выводы по 4 главе.

1. Проведено теоретическое определение профиля температуры газа в кипящем слое, которое1 показало на необходимость учета влияния температуры сплошной фазы при изучении процессов. Показана применимость уравнения t (z) = Tn + (tbx — Tn) exp (-z/z*) для оценки влияния температуры сплошной фазы на характер взаимодействия в гетерогенной системе твердое — газ в кипящем" слое.

2. Впервые разработана и внедрена в лабораторную практику печь кипящего слоя, оборудованная камерой для подогрева сплошной фазы, использование которой в исследовании высокотемпературных кинетических закономерностей гетерогенных процессов позволило моделировать скорости химической реакции независимо от размеров аппарата и" высоты кипящего слоя.

3. Впервые изучена реакция окисления пирита диоксидом серы в кипящем слое. Показано, что при использовании методики проведения экспериментов в кипящем слое в условиях, приближенных к изотермическим, существенно меняется скорость, полнота, и характер протекания процесса окисления сульфидов железа.

4. Установлен последовательный механизм десульфуризации пирита, который в токе сернистого ангидрида протекает по реакциям.

FeS2 -> FeS + 0,5 S2 (4.10).

3 FeS + 2 S02 = Fe304 + 2,5 S2 (4.11).

Определены значения* кажущихся энергий активаций, которые показывают, что реакция FeS2 —"• FeS + 0,5*S2 при^ подаче термоуравновешенной сплошной фазы в* диапазоне температур 600−800 °С переходит при температурах 600−650 °С из промежуточной области в диффузионную. В неизотермических условиях реакция диссоциации пирита проходит в промежуточной области. Взаимодействие сернистого железа с диоксидом серы при подаче термоуравновешенной сплошной фазы и в неизотермических условиях имеет значения кажущихся энергий активации, соответственно, 165,39 и 180,70 кДж/моль.

Определен кажущийся порядок реакции окисления сернистого железа диоксидом серы.

5. Показано, что при окислительном обжиге пиритного концентрата на воздушном дутье механизм десульфуризации пирита протекает по следующим реакциям: Ре82 -> Ре8 + 0,5 82 82 + 2 02 = 2 802 3 Бе8 + 2 802 = Ре304 + 2,5 2 Ре304 + 0,5 02 = 3 Ре203.

Заключение

.

1. Выщелачивание огарка никелевого штейна при температуре 260 °C и л исходной концентрации серной кислоты 60−70 г/дм позволяет: извлечь в раствор никеля-97% масс, кобальта-90% масс и получить остаток от выщелачивания, пригодный для использования в доменном производстве.

2.

Введение

нейтрального выщелачивания при температурах 50−75 С может снизить исходную концентрацию4 серной кислоты при высокотемпературном" выщелачивании обожженного материала и нейтрализовать остаточную кислотность в растворах этого процесса.

3. Предложенная технологическая схема переработки никелевого штейна, обеспечивающая извлечение всех, содержащихся в нем* ценных компонентов-никеля, кобальта, меди, может быть значительно улучшена проведением окислительно-сульфатизирующего обжига штейна при неполном его окислении. В этом случае значительная часть никеля и кобальта находится в огарке всульфатной и сульфидных формах, а железов виде нерастворимого в серной кислоте гематита. Такой состав штейна позволяет снизить температуру автоклавного выщелачиваниями расход серной кислоты.

4. При проведении исследований по окислительно-сульфатизирующему обжигу штейна и его автоклавной переработке диоксид серы показал себя, как эффективный окислитель сульфидных руд. I.

5. Проведены укрупненно-лабораторные исследования по автоклавной переработке огарка обжига. Извлечение никеля и кобальта из огарков находится на уровне 90% при выщелачивании его в автоклаве при 260 °C. Лабораторные опыты по обжигу штейна показали возможность снижения температуры автоклавного выщелачивания до 160 °C за счет проведения обжига в режиме, обеспечивающем связывание части серы с никелем и кобальтом штейна в форму сульфидов и сульфатов при переводе железа штейна в форму гематита.