濕法冶金浸出過程機理模型

周天馳

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

濕法冶金浸出過程機理模型

周天馳

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

針對山東某黃金精煉廠的實際工藝，以氰化鈉為浸出劑的金浸出過程為背景，基于物料及能量平衡關(guān)系,建立了金的氰化浸出機理模型,并通過實際數(shù)據(jù)對模型進行了仿真,驗證了模型的有效性及泛化性。

濕法冶金；金；浸出過程；機理模型；浸出率

濕法冶金相對于火法冶金的顯著優(yōu)點在于原料中有價金屬綜合回收程度高、有利于環(huán)境保護、生產(chǎn)過程較易實現(xiàn)連續(xù)化和自動化[1]。而浸出過程作為濕法冶金的一道重要工序,直接決定金屬提取的純度。本文擬針對山東某黃金精煉廠的實際工藝,以氰化鈉為浸出劑的金浸出過程為背景,基于物料及能量平衡關(guān)系,建立浸出過程的機理模型，并采用實際數(shù)據(jù)對模型進行仿真,以驗證模型的有效性及泛化性。

1 浸出過程

濕法冶金全過程的一般工藝流程為：1)礦石預(yù)處理(磨礦);2)礦石原料浸出;3)固液分離;4)溶液凈化富集及分離;5)從溶液制取金屬或化合物[2-3]。其中浸出過程就是用化學(xué)試劑將礦石或精礦中的有用組分轉(zhuǎn)化為可溶性化合物,得到含金屬的溶液,實現(xiàn)有用組分與雜質(zhì)組分的分離過程。本文所研究的是黃金的濕法冶煉工藝，采用的浸出設(shè)備為氣力浸出槽，利用充入空氣在礦漿中的攪拌、溶解作用,使礦漿在槽內(nèi)運動、循環(huán)，讓精礦顆粒、浸出劑、空氣在礦漿中充分接觸,以利于金的溶解。此浸出過程是以氰化鈉為浸出劑,同時通入空氣增加浸出槽中的氧濃度。氰化浸出過程如圖1所示。

圖1 氰化浸出過程示意

浸出過程作為濕法冶金的第一個工序，浸出液的品質(zhì)好壞直接決定了后面工序提取金屬的純度,因此對浸出過程的研究就顯得尤為重要。從浸出過程看,影響氰化浸出的因素主要有浸出劑流量、壓縮空氣流量、進料流量、溶解氧濃度、礦石粒徑、初始金品位等[2]。由于該工藝為連續(xù)浸出,因此有多路浸出劑流量和壓縮空氣流量需要考慮。浸出過程主要的生產(chǎn)指標(biāo)是浸出率,浸出率直接反應(yīng)浸出過程的產(chǎn)品質(zhì)量,目前浸出率的檢測方法大多是離線化驗檢測,檢測時間長、成本高，故通常只化驗最終的浸出率。因此,建立浸出過程準確的模型來預(yù)測浸出率就成為進一步提高濕法冶金自動化生產(chǎn)效率的首要任務(wù)。

2 浸出過程機理模型

對浸出過程模型做如下設(shè)定：1)模型輸入。模型輸入包括礦石流量、礦漿濃度、溶解氧濃度、粒子粒徑、氰化鈉添加量、初始金品位、流入礦漿中氰根離子濃度等內(nèi)容。2)模型輸出。模型輸出包括浸出率、浸出后的礦石中金的品位、浸出后氰化鈉濃度等。3)反應(yīng)條件。(1)攪拌槽內(nèi)礦漿攪拌均勻；(2)攪拌槽內(nèi)溫度分布均勻；(3)忽略反應(yīng)器中的物料隔離；(4)泥漿的容量阻力恒定[4]。

一般認為在氧存在的條件下，氰化浸金屬于電化學(xué)腐蝕過程，化學(xué)方程可表示為[5]：

綜合化學(xué)反應(yīng)方程式為：

在單個浸出槽發(fā)生反應(yīng)的過程稱之為單級浸出。本文的機理模型由研究礦石浸出的原理出發(fā),逐步建立浸出過程物料平衡方程及能量守恒方程。

單級浸出過程的輸入為氰化鈉流量、溶解氧濃度、礦石流量、礦漿濃度、粒子粒徑,輸出分別為浸出率、浸出后的礦石中金的品位、浸出后氰化鈉濃度,以下推導(dǎo)單級浸出機理模型。浸出機理模型變量符號見表1。

表1 浸出機理模型變量符號

根據(jù)物料平衡原理,可以分別得到礦石的流量平衡方程、液體流量平衡方程：

式中：Qs0、Qs分別為浸出前后礦石的流量；Ql0、Ql分別為浸出前后液體的流量。

由固相中金守恒可得：

式中：QsCs0為初始流入浸出槽的金；QsCs為反應(yīng)結(jié)束后流出浸出槽的金；MsrAu為反應(yīng)掉的金。其中Cs0、Cs分別為浸出前后金的品位,Ms表示礦石的質(zhì)量,rAu表示金浸出時的反應(yīng)速率。

由液相中氰根守恒可得：

式中：QlCCN0為初始料液中的氰；QCN為添加進入浸出槽的氰；QlCCN為反應(yīng)結(jié)束后剩余的氰；MlrCN為反應(yīng)掉的氰。其中CCN0、CCN分別為浸出前后氰根的濃度,Ml表示礦液的質(zhì)量,rCN表示氰的反應(yīng)速率。

假設(shè)物料最大程度上混合,可得：

式中：Cw表示礦漿的濃度；Ml、Ms分別為液體的質(zhì)量、礦石的質(zhì)量；ρs、ρl分別表示礦石的密度、液體密度。

又因為物料充分混合,因此固體顆粒、液體和礦漿有相同的平均停留時間,可得：

式中：τ表示浸出過程反應(yīng)時間。

浸出過程金粒的反應(yīng)速率和氰化鈉的消耗速率根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)可得到如下方程[6]：

上式表明，金的反應(yīng)速率模型與礦石粒徑、反應(yīng)前后金品位、氰及氧的濃度相關(guān)；氰根反應(yīng)的速率模型與礦石粒徑、氰濃度相關(guān)。其中,d表示礦石的粒徑；Cs、Cs∞分別表示當(dāng)前時刻金的濃度、反應(yīng)后金的理想最終濃度。a1～a6、b1～b4分別為反應(yīng)動力學(xué)方程中的參數(shù)。查詢相應(yīng)文獻可得到理想情況下礦石中金的最終濃度為：

綜合上述各式，把式(11)、式(12)、式(16)代入式(10)便可求得氰根離子濃度。然后把式(11)、式(13)、式(15)、式(17)代入式(9)便可求得固相中金的濃度。由固相中金濃度的變化,便可求得金的浸出率X為式(18)：

機理模型中參數(shù)眾多,確定準確的參數(shù)是模型成功的關(guān)鍵,本模型中的參數(shù)可分為3種：現(xiàn)場已知參數(shù)、查閱文獻得到的參數(shù)、實驗所得參數(shù)及辨識所得參數(shù)。其中,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況有如下已知參數(shù)：V=68 m3；Qs=2 540 kg/h；Cw=0.33；CCN0=0；d=80 μm。而經(jīng)筆者查閱相關(guān)的文獻資料后,進而又確定了模型中的一部分參數(shù)[5]：rho_s=2.8 g/cm3；rho_l=1 g/cm3。實際生產(chǎn)過程中浸出槽中會安置溶氧儀,因此溶氧量CO可作為已知的參數(shù)作為模型的輸入。機理模型中最主要的動力學(xué)參數(shù)：金和氰化鈉的反應(yīng)速率，是一個與粒徑和初始金品位和浸出后金品位、氰化鈉濃度和溶解氧濃度有關(guān)的可變參數(shù),根據(jù)相關(guān)浸出過程建模文獻[7]：

3 模型仿真分析

為了驗證模型的可靠性,從現(xiàn)場采集最終浸出率樣本20個,與機理模型預(yù)測值進行比較，結(jié)果如圖2所示。

圖2 浸出率預(yù)測結(jié)果

機理模型的性能采用最大誤差(EMAX)、均方根誤差(RMSE)、相對均方根誤差(RRMSE)以及擬合度(RR)來驗證,誤差如表2所示。

表2 機理模型性能評價

圖2和表2表明,所建浸出過程機理模型對浸出率的預(yù)測趨勢與實際相符,但還存在較大的誤差。故可以認為機理模型原理和結(jié)構(gòu)正確,但模型內(nèi)部參數(shù)與實際過程存在誤差。

4 總結(jié)

本文建立了金的氰化浸出機理模型,考慮各種影響浸出率的因素,以金反應(yīng)速率的動力學(xué)模型為基礎(chǔ),根據(jù)物料平衡和能量平衡關(guān)系,建立了浸出過程的機理模型,并通過實際數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性。但浸出過程的影響因素很多,由于不同工業(yè)現(xiàn)場工藝流程復(fù)雜,設(shè)備類型多樣,限制了這一模型的應(yīng)用,需采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型中重要參數(shù)進行辨識,以提高模型準確性[8]。

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[2] 陳家鏞,楊守志,柯家駿,等.濕法冶金的研究與發(fā)展[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1998：1-3.

[3] 胡廣浩,毛志忠,周俊武,等.濕法冶金浸出過程建模與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2011,23(6):1220-1224.

[4] 潘驚雷.濕法冶金浸出過程建模與優(yōu)化[D].沈陽:東北大學(xué),2012.

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[8] 賈潤達.濕法冶金萃取過程組分濃度軟測量方法的研究與應(yīng)用[D].沈陽:東北大學(xué),2011.

Mechanism Model in Process of Hydrometallurgical Leaching

ZHOU Tianchi
(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

For actual process of a certain Shandong gold refinery plant,taking gold leaching process (sodium cyanide is considered as leaching agent)as background,mechanism model of gold cyanide leaching is established based on relationship of materials and energy balance,model simulation is carried out through actual data to verify availability and generalization of model.

hydrometallurgy;gold;leaching process;mechanism model;leaching rate

TP15

A

1004-4345(2014)04-0040-03

2014-06-06

周天馳(1990—),男,主要從事有色冶金行業(yè)儀表自動化設(shè)計工作,研究方向為復(fù)雜工業(yè)過程建模及優(yōu)化。