Расчёт расхода кислоты: баланс в выщелачивании и POX

Что такое кислотный баланс и почему он определяет экономику

Кислотный баланс — это количественный учёт: он фиксирует каждую реакцию, образующую или потребляющую H2SO4 в схеме, и закрывается одним итоговым числом в кг H2SO4 на сухую тонну питания. Баланс строят на тонну для проектирования и тестов, либо на сутки для операционной сверки; за опорную форму принимают удельную. Расход кислоты на пустую породу (GAC) показывает, сколько кислоты связывают карбонаты и реакционноспособные силикаты. Свободная кислотность — остаточная H2SO4 в растворе, г/л — это та переменная управления, которую баланс предсказывает.

Знак итогового числа определяет реальные деньги. Сульфидные концентраты, перерабатываемые окислением под давлением, обычно являются нетто-генераторами: капитальный вопрос не в том, сколько кислоты купить, а в том, какой мощности нужна известняковая нейтрализация и сколько гипса даст effluent, а гипс задаёт нагрузку на сгустители и хвостовое хозяйство. Окисленные медные руды — нетто-потребители: здесь заниженный GAC означает падение свободной кислотности, низкое извлечение и аварийные поставки кислоты. Кислота, как правило, первая или вторая статья реагентных затрат, и ошибка в 10% напрямую переносится в бюджет реагентов, объём ёмкостей и соответствие нормативам по стокам.

Баланс дисциплинирует и трактовку тестов. Результат «45 кг/т расхода кислоты» без указания, включён ли нейтрализующий реагент или потери с влагой отмытых твёрдых, не масштабируется, а две лаборатории с разными соглашениями дадут разные числа по одной руде. Поэтому кислотный баланс — это прежде всего единое правило учёта: одна база, один набор коэффициентов и проверка закрытия по химии раствора, применяемые одинаково от первого агитационного теста до годовой сверки купленной и израсходованной кислоты.

Справочник стехиометрии для выщелачивания и POX

Каждое слагаемое сводится к уравненной реакции с фиксированным массовым коэффициентом. Соглашение: окисление сульфида до сульфата — центральный член генерации; осаждение железа — корректировка, которая оставляет сульфат свободным либо связывает его в твёрдой фазе, что исключает классический двойной учёт гидролиза трёхвалентного железа.

Окисление элементарной серы до сульфата (S + 1,5 O2 + H2O → H2SO4) даёт 3,06 кг H2SO4 на кг окисленной сульфидной серы. То же число получается при записи реакции пирита с железом в гематит или в гидроксид железа: гидролиз железа уже включён в этот коэффициент. Когда железо осаждается в виде основного сульфата (FeOHSO4) или ярозита, сульфат уходит из раствора и связывается в твёрдом: 1,75 кг эквивалента H2SO4 на кг Fe в BIS и 1,17 кг в ярозите, связывающем 2/3 моль на моль Fe. Это самый крупный рычаг стехиометрии POX: при ~0,875 кг Fe на кг S минералогия железа сдвигает баланс на сотни кг/т. Горячие кислые автоклавы благоприятствуют гематиту, более холодный режим — основным солям. Биоокисление осаждает железо преимущественно гидроксидами и ярозитами.

Правило знаков: положительные коэффициенты добавляют свободную кислоту, отрицательные — отнимают.

Пошаговый расчёт

1. Задать базу. Одна сухая тонна питания; все массы относятся к ней, а влага учитывается отдельным членом раствора.
2. Определить кислотообразующие и кислотонейтрализующие компоненты. Нужны сульфидная S (по разности с общей), Fe, карбонатный CO3 с разделением кальцит/доломит, а также оценка реакционноспособных глин.
3. Задать степени превращения по тестам. Процент окисления сульфидов, распределение форм железа и извлечения металлов берутся из периодических или пилотных данных, никогда из допущений.
4. Суммировать генерацию. Окисленная сульфидная S × 3,06 минус сульфат, связанный в основных солях, по −1,75 (BIS) или −1,17 (ярозит) на кг Fe.
5. Суммировать потребление. Коэффициенты на GAC-минералы, на каждый кг растворённого металла (1,54 для Cu хризоколлы, 0,77 для Cu халькозина), на нейтрализующие реагенты и на кислоту во влаге отмытых твёрдых.
6. Закрыть баланс по химии раствора. Нетто-генерация минус потребление, делённые на объём раствора на тонну, дают свободную кислотность в г/л; при расхождении с целью ошибочен обычно баланс, а не завод.
7. Перевести в производительность и добавить запас. Умножить кг/т на сухие тонны в сутки, привести к товарной концентрации (обычно 98% w/w) и заложить 10–20% резерва.

Пример 1: пиритный концентрат в POX

Концентрат с 32% сульфидной серы, вся сера в пирите, перерабатывается в автоклаве POX; железо следует стехиометрии: 32 × (56/64) = 28,0% Fe. Допущения: окисление 98%, 75% железа в гематит и 25% в BIS, кальцит 2,5%, реакционноспособный каолинит 4,0%, разгрузка при 15 г/л свободной кислоты и 30 мас.% твёрдого.

• Окислено S = 320,0 × 0,98 = 313,6 кг
• Кислотный потенциал = 313,6 × 3,06 = 959,6 кг H2SO4
• Окислено Fe = 274,4 кг; Fe в BIS = 274,4 × 0,25 = 68,6 кг
• Связано сульфата в BIS = 68,6 × 1,75 = 120,1 кг эквивалента
• Нетто-генерация = 959,6 − 120,1 = 839,5 кг
• GAC = (25,0 × 0,98) + (40,0 × 1,14) = 24,5 + 45,6 = 70,1 кг
• Итоговый избыток = 839,5 − 70,1 = 769,4 ≈ 770 кг H2SO4/т

Покупать кислоту не нужно: концентрат является нетто-генератором около 770 кг/т, поэтому реальная проблема кислоты находится ниже по схеме — в нейтрализации. Разгрузка при 30 мас.% твёрдого несёт 2,33 м³ воды на тонну; при 15 г/л это 35,0 кг H2SO4, что требует 35,7 кг CaCO3, то есть 37,6 кг известняка 95% — примерно 45 кг/т с 20% запасом на растворённые Fe, Mg и Al.

Пример 2 и анализ чувствительности

Окисленная руда с вторичными сульфидами, агитационное выщелачивание: Cu 0,80%, 60% меди в хризоколле, 25% в халькозине при извлечении 70%, GAC 45,0 кг/т, пульпа 40 мас.% твёрдого, цель 8 г/л свободной кислоты, влажность отмытых твёрдых 20%, остаточная кислотность промывного раствора 5 г/л.

• Растворено Cu хризоколлы = 8,0 × 0,60 = 4,8 кг → 4,8 × 1,54 = 7,4 кг
• Растворено Cu халькозина = 8,0 × 0,25 × 0,70 = 1,4 кг → 1,4 × 0,77 = 1,1 кг
• GAC = 45,0 кг; раствора на тонну = (1 − 0,40)/0,40 = 1,50 м³ → удерживаемая кислота = 12,0 кг
• Кислота во влаге = 0,20 м³ × 5 г/л = 1,0 кг
• Итого = 7,4 + 1,1 + 45,0 + 12,0 + 1,0 = 66,5 кг H2SO4/т

В однопроходном периодическом режиме расход равен 66,5 кг/т. В непрерывной схеме с рециклом промывного раствора CCD эти 12,0 кг свободной кислоты являются рабочим инвентарём, а не расходом, и подпитка на стационарном режиме падает примерно до 54,5 кг/т — базу нужно указывать всегда.

GAC сдвигает баланс один к одному и подавляет всё остальное; вторая по значимости переменная — цель по свободной кислоте, умноженная на объём раствора на тонну, а плотные пульпы дешевле и по кислоте, и по объёму аппаратов. Содержание и минералогия меди при таких коэффициентах почти не влияют (≤1,5 кг H2SO4 на кг Cu). Для POX-шихты порядок обратный: снижение окисления с 98% до 95% сокращает генерацию на 9,6 × 3,06 = 29,4 кг/т, а сдвиг распределения железа с 25% до 50% в BIS связывает дополнительно 68,6 × 1,75 = 120,1 кг/т.

Какие ошибки сильнее всего искажают расчёт

1. Смешение влажной и сухой базы. Расход выглядит на 5–15% лучше фактических закупок. По концентратам ошибка влажности менее 1% равна 10 кг/т: указывайте «сухая база» на каждом числе и сверяйте влажность ежемесячно.
2. Игнорирование кислоты во влаге отмытых твёрдых. Баланс даёт 55 кг/т, завод расходует 58–60: кислота в интерстициальной воде, уходящей с хвостами, не учитывалась. Добавьте её отдельной строкой расхода.
3. Забытый нейтрализующий реагент. Известняковое отделение оказывается мало при пуске, потому что нейтрализацию стоков считали «водоподготовкой», а не членом баланса; закрывайте баланс по всей схеме, включая гипсовую нагрузку.
4. Двойной учёт гидролиза железа. Нетто-потребность выходит абсурдно высокой для пиритной шихты, если к полному члену сульфид→сульфат добавлено выделение кислоты при гидролизе. Применяйте одно соглашение, но никогда оба сразу.
5. Использование общей серы вместо сульфидной. Генерация завышается на концентратах с остаточным сульфатом; запрашивайте сульфидную серу по разности или минералогическое разделение серы по каждому композиту.
6. Допущение полного окисления или полного связывания. Баланс показывает комфортный избыток, а автоклав работает с дефицитом кислоты: привязывайте процент окисления и распределение железа к анализам кека и считайте варианты 95%, 98% и 100% до фиксации проекта.
7. Игнорирование концентрации кислоты и рециркулирующих примесей. Купленный тоннаж «исчезает», потому что кислоту учли как 100%, а не 98% w/w, а накапливающиеся сульфаты Mg и Al потребляют кислоту незаметно; магний — обычный виновник в схемах на скважинной воде.

От лаборатории к заводу

Лабораторные числа и заводские закупки никогда не совпадают точно, и расхождение диагностируемо. Бутылочные и агитационные тесты — закрытые системы: фиксированный объём раствора, полная финальная отмывка, отсутствие рециклов. Завод работает в открытых схемах с рециклом раствора, меняющейся шихтой, товарной кислотой ниже номинала и сезонным водным балансом; кроме того, тесты отмывают полнее, чем промышленная цепь CCD, поэтому лабораторный прогноз несёт скрытый оптимизм. Привычка сверки проста: каждое число — на базе 100% H2SO4 и сухой тонны, поставки учитываются по анализу, а не по объёму в счёте, а затем расхождение разносится по статьям.

Иллюстративный пример: кампания бутылочных тестов предсказывает 62 кг H2SO4/т (100% база) для окисленной руды; двенадцать месяцев заводских данных дают закупки, эквивалентные 71 кг/т товарной кислоты. Коррекция на концентрацию: 71 × 0,98 = 69,6 кг/т, то есть разрыв 7,6 кг/т. Распределение причин: потери кислоты с отмытыми твёрдыми оказались на 3,0 кг выше из-за заниженного отношения промывки CCD; GAC вырос на 4,5 кг/т при входе карьера в более доломитовую зону; измерение и округление анализа дают оставшиеся 0,1 кг/т. Сверка закрывается на 69,5 против 69,6 кг/т. При пересборке раз в квартал такой баланс выявляет дрейф зоны за месяцы до того, как он попадёт в прогноз добычи, и подкрепляет переговоры по контракту: там, где доминирует GAC, управление шихтой и есть управление кислотой. Для новых схем интегрированная пилотная кампания снимает большую часть неопределённости до подписания реагентного контракта.

Часто задаваемые вопросы

Чем расход кислоты отличается от её генерации?

Генерация — это кислота, образующаяся внутри схемы, прежде всего при окислении сульфида до сульфата с коэффициентом 3,06 кг H2SO4 на кг S. Расход — кислота, отводимая нейтрализацией пустой породы, растворением металлов, осаждением и потерями с влагой. Нетто-потребность равна генерации минус расход: положительное значение означает закупку кислоты, отрицательное — обязанность по нейтрализации.

Как перевести кг/т в суточную потребность в реагенте?

Умножьте удельное значение на сухие тонны в сутки и разделите на долю товарной концентрации (0,98 для кислоты 98%). Схема с расходом 66,5 кг/т при 5 000 сухих т/сут требует 332,5 т/сут кислоты в пересчёте на 100%, около 339 т/сут при 98%, то есть порядка 124 000 т в год. Более высокая цель по свободной кислоте ускоряет растворение оксидов меди, но повышает расход на пустую породу и потери с влагой, поэтому оптимум экономический: поднимайте цель только там, где тесты показывают прирост извлечения выше предельных затрат на реагент.

См. также

• Выщелачивание в чанах или кучное выщелачивание: правила выбора
• Расход кислоты при выщелачивании меди
• Расчёт извлечения при выщелачивании