加壓浸出法處理含鈧原料的關(guān)鍵設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱 爽， 杜國(guó)山， 周文龍， 李永忠

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.包頭鋼鐵(集團(tuán))公司礦山研究院有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 前言

白云鄂博礦是世界少有的多金屬元素共生的綜合礦床，具有或可能具有綜合利用價(jià)值的元素多達(dá)26種。其中，氧化鈧的平均含量50ppm，經(jīng)過選鐵、選稀土、選鈮綜合回收后，尾礦中鈧富集高達(dá)約300～500ppm，總儲(chǔ)量14萬t，是世界難得的集中鈧資源[1-2]。針對(duì)這一特色資源，國(guó)內(nèi)眾多從業(yè)人員開展了基礎(chǔ)研究工作，提出了諸如在尾礦中加入氯化物、純堿或燒堿進(jìn)行焙燒后以鹽酸進(jìn)行酸浸等工藝[4-9]。雖然獲得了較高浸出率，但過高的成本阻礙這些方法的工業(yè)應(yīng)用。李永忠等[3]以包鋼尾礦為原料進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，確定了硫酸加壓浸出→P204萃取→反萃優(yōu)溶分離鈮鈧→P350提純→草酸沉淀→高溫煅燒生產(chǎn)氧化鈧的工藝路線，探索出了完整的工藝流程參數(shù)。為了進(jìn)一步確定工藝流程、技術(shù)參數(shù)及設(shè)備選型，需建設(shè)一條工業(yè)試驗(yàn)線，為大規(guī)模工業(yè)化實(shí)施夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

在工業(yè)試驗(yàn)線的設(shè)計(jì)過程中，加壓浸出及過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型是關(guān)鍵，決定了生產(chǎn)的可靠性及安全性。

1 加壓浸出設(shè)備材質(zhì)選擇

原料中F含量4.1%，F(xiàn)e2O3含量9.1%，在硫酸浸出過程中會(huì)發(fā)生如下副反應(yīng)：

工藝試驗(yàn)確定的浸出溫度高達(dá)180 ℃，包括哈C合金、蒙乃爾合金在內(nèi)的常用的金屬材質(zhì)在此環(huán)境下均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕[11]。經(jīng)多方論證及材料試驗(yàn)，最終確定加壓浸出釜群采用鋼襯PTFE材質(zhì)。PTFE中文商品名“特氟隆”(Teflon)。它是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳材料之一，除熔融堿金屬、三氟化氯、五氟化氯和液氟外，能耐其它一切化學(xué)藥品。耐溫優(yōu)異，能在-180～250 ℃的溫度下長(zhǎng)期工作。該材料是作為加壓釜系統(tǒng)過流部件的最佳材料。

2 加壓浸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于鋼襯PTFE設(shè)備而言，限制其廣泛應(yīng)用的重要原因，一是由于系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)壓，導(dǎo)致襯里層出現(xiàn)鼓包與拉裂[10]，二是PTFE材料的線性膨脹系數(shù)在20～200 ℃的平均值為128×10-6/℃[12]，而鋼在相同溫度范圍內(nèi)的平均值僅為12.8×10-6/℃[13]。兩者比較，PTFE是鋼鐵的10倍。設(shè)備在運(yùn)行過程中的溫度變化使得襯里的PTFE材料或處于拉伸狀態(tài)，或處于收縮狀態(tài)。如此反復(fù)若干次之后，材料疲勞，出現(xiàn)斷裂，破壞了設(shè)備的防腐，從而使設(shè)備損壞。為避免這一情況，采用如下設(shè)計(jì)方案：

(1)浸出系統(tǒng)采用連續(xù)浸出- 連續(xù)閃蒸工藝。礦漿通過高揚(yáng)程的輸送泵送入高位緩沖釜，而后自流依次流經(jīng)6臺(tái)連續(xù)浸出釜完成浸出反應(yīng)(其中，前2級(jí)主要作用為加熱，后4級(jí)用于保溫浸出)。最后經(jīng)過閃蒸釜降至常壓及100 ℃左右，自流進(jìn)入冷卻釜中。在這個(gè)系統(tǒng)中，各設(shè)備工作的操作條件如表1所示。

表1 加壓浸出設(shè)備操作條件

從表1中可以看出，除閃蒸釜之外的各設(shè)備的操作溫度和操作壓力均維持在相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)下。由于閃蒸過程中的礦漿溫度與壓力的變化是在由噴嘴進(jìn)入釜體的一瞬間完成的，實(shí)際上對(duì)于該系統(tǒng)而言，每個(gè)過流部件的工作溫度與壓力也是相對(duì)穩(wěn)定的。這樣的設(shè)計(jì)，避免了在設(shè)備中出現(xiàn)負(fù)壓和溫度的急劇變化，從而降低了設(shè)備因襯里材料破壞而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在加熱方式的選擇上，傳統(tǒng)的加熱方式有間接加熱與直接加熱兩種。直接加熱通常采用蒸汽直接通入礦漿加熱，間接加熱又根據(jù)熱源的不同分為電加熱、導(dǎo)熱油加熱與蒸汽加熱。兩種加熱方式對(duì)比如表2所示。

表2 不同的加熱方式對(duì)比

對(duì)于鋼襯PTFE釜，由于其襯里層厚度為20 mm，設(shè)備傳熱系數(shù)低，若采用間接加熱，需要在釜內(nèi)設(shè)計(jì)換熱面積很大的加熱盤管，增加了鋼襯PTFE設(shè)備的制造難度。同時(shí)，考慮到浸出過程中需要加入工業(yè)用水，設(shè)計(jì)最終決定采用飽和蒸汽直接通入加壓浸出釜內(nèi)，既能加熱礦漿，又能作為補(bǔ)水來源。

(3)考慮到浸出工序?qū)儆诟邷馗邏呵矣袣浞峒傲蛩峄旌细g的特殊性，且為連續(xù)浸出工藝，系統(tǒng)在安全方面進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

①緩沖釜與加壓浸出釜之間設(shè)氣相管線連通，在管路上設(shè)壓力表，與排氣閥聯(lián)鎖，壓力超過一定數(shù)值時(shí)排氣閥自動(dòng)打開，使生成的氟化氫及不凝氣體排往尾氣吸收系統(tǒng)；

②6臺(tái)連續(xù)浸出釜之間設(shè)連通管，浸出釜下方設(shè)應(yīng)急釜，當(dāng)某一臺(tái)浸出釜出現(xiàn)緊急情況或需要檢修時(shí)，關(guān)閉該釜的進(jìn)料閥及出料閥，打開與其相鄰的兩臺(tái)釜連通管上的閥門，將該釜短接。同時(shí)打開釜底放料閥，將料漿排往應(yīng)急釜。這樣的設(shè)計(jì)，既能處理應(yīng)急情況，又能保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。

3 固液分離設(shè)備選型

固液分離設(shè)備的選型上，設(shè)計(jì)思路是以配合連續(xù)浸出為原則，優(yōu)先選用能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化過濾、且濾餅含水率低的設(shè)備。經(jīng)過比選，最終考慮采用立式壓濾機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)濾板層疊式結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)向裝置，運(yùn)行平穩(wěn)；(2)過濾、擠壓、洗滌、干燥、卸料、濾布再生整個(gè)運(yùn)行過程可連續(xù)自動(dòng)完成；(3)過濾壓力可達(dá)2.0 MPa，濾餅水分低；(4)動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用液壓控制，設(shè)備運(yùn)行可靠；(5)采用PLC+觸摸屏+自動(dòng)閥門控制，具有操作靈活，簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度；(6)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，使用壓力大，工作效率高。處理的料漿溫度約90 ℃，H2SO4含量30%，F(xiàn)離子含量約1%，F(xiàn)e離子含量6%，設(shè)備防腐方面，進(jìn)料管、濾液管及料漿框選用鋼襯氟，機(jī)架部分采用鋼襯塑，濾板主板、上下壓板采用鋼噴涂聚脲，以滿足工況腐蝕環(huán)境。

該浸出壓濾系統(tǒng)的設(shè)備連接圖如圖1所示。

圖1 浸出壓濾系統(tǒng)的設(shè)備連接圖

4 總結(jié)

通過回顧該系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)過程，可以總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)：

工藝流程的設(shè)計(jì)與設(shè)備選型是有機(jī)統(tǒng)一的整體，兩者需要互相結(jié)合與妥協(xié)。本項(xiàng)目中，由于加壓浸出工況惡劣，只能采用鋼襯PTFE材質(zhì)的反應(yīng)容器，浸出及過濾的系統(tǒng)就需要圍繞該設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用連續(xù)浸出、連續(xù)閃蒸、連續(xù)過濾的流程，使設(shè)備盡可能運(yùn)行在穩(wěn)定的操作壓力和溫度下，降低設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)；加熱方式采用飽和蒸汽直接通入加壓浸出釜內(nèi)對(duì)礦漿進(jìn)行加熱；對(duì)于連續(xù)加壓浸出過程，一旦出現(xiàn)緊急情況，通過短路事故設(shè)備、設(shè)應(yīng)急釜接收事故料漿的方式保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。在過濾設(shè)備的選型上，以配合連續(xù)浸出為原則，優(yōu)先選用能實(shí)現(xiàn)連續(xù)過濾、且濾餅含水率低的設(shè)備，因此選用立式壓濾機(jī)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，配合DCS控制系統(tǒng)及自動(dòng)化的儀表及閥門，能實(shí)現(xiàn)流程的自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。目前，該系統(tǒng)正在施工過程中，預(yù)計(jì)于2020年底前投產(chǎn)試車。