Анализ и оптимизация процесса кучного выщелачивания золота в условиях сурового климата Ковалев Николай Васильевич

Введение к работе

Актуальность. Крупнейшие российские месторождения драгоценных и редких металлов расположены в районах сурового климата, составляющих более 65% территории России. Для добычи золота из этих месторождений применяется кучное выщелачивание (КВ) с невысокими степенями извлечения драгоценного металла. По различным оценкам, оно составляет 50–70%. В условиях сурового климата эффективность КВ существенно снижается из-за низких температур окружающего воздуха. Отрицательные среднегодовые температуры воздуха ведут к снижению интенсивности цианирования золота и росту энергетических затрат на поддержание температуры процесса.

Экспериментальные исследования на реальных рудных штабелях массой сотни тысяч тонн являются очень дорогостоящими. КВ золота – комплексный, многопараметрический технологический процесс, и для снижения затрат на его исследование и опытные работы, направленные на оптимизацию технологических режимов, применение математического моделирования является совершенно необходимым.

К приоритетным путям совершенствования технологии КВ золота следует отнести экспериментальные исследования, направленные на получение информации, необходимой для разработки математических моделей и проведение вычислительных экспериментов, что позволяет на этапе проектирования выбрать оптимальный температурный режим подогрева выщелачивающего раствора и определить рациональную геометрию рудного штабеля. Промышленная реализация таких решений позволит интенсифицировать процесс КВ и снизить себестоимость золота прежде всего за счет уменьшения энергетических затрат и сокращения продолжительности кампании КВ.

Степень разработанности темы.

Ведущие научно-исследовательские организации России (ИПКОН РАН, «Иргиредмет», ЦНИГРИ, ИГД СО РАН, «Гинцветмет», «Полиметалл» и др.) в течение более двадцати лет совершенствуют и внедряют на горно-перерабатывающих предприятиях страны эффективную технологию КВ золота. Значительный вклад в изучение физико-химических основ процесса выщелачивания золота внесли отечественные ученые.

В то же время до сих пор в теории и практике КВ золота, осуществляемого в условиях сурового климата, не решены задачи поддержания оптимального температурного режима выщелачивающих растворов и выбора рациональной геометрии рудного штабеля. Решение этих задач может обеспечить не только снижение энергетических затрат, но и повысить извлечение золота из руды.

Объект исследования – кучное выщелачивание золота в условиях сурового климата.

Предмет исследования – математическое моделирование процесса КВ золота в условиях сурового климата на основе системного подхода.

Целью работы является создание и применение математических моделей и комплекса программ для решения научных и технических задач получения оптимальных проектных решений для КВ золота в условиях сурового климата.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Экспериментально изучен процесс выщелачивания золота из полифракционной руды месторождения «Светлое» в температурном диапазоне, характерном для условий сурового климата.

2. На основе экспериментальных данных получена кинетическая модель выщелачивания золота из полифракционной руды.

3. Предложена математическая модель процесса КВ золота, пригодная для комплексной оценки влияния как технологических параметров, так и параметров окружающей среды на эффективность производства золота.

4. Экспериментально-расчетным путем определены параметры, необходимые для реализации математической модели: коэффициенты эффективной теплопроводности слоя сухой и влажной руды, параметры теплообмена слоя руды и выщелачивающего раствора.

Методы исследований. Изотермическое экспериментальное выщелачивание золота из руды проводилось в специально созданной лабораторной установке. Для определения параметров математической модели: коэффициентов эффективной теплопроводности слоя руды и параметров теплообмена растворов и руды была разработана экспериментально-расчетная методика и изготовлены специальные лабораторные устройства. При выводе основных уравнений моделей применены методы физического и математического моделирования, использованы основные уравнения гидродинамики и теплообмена в виде системы дифференциальных уравнений в частных и обыкновенных производных, численные методы их решения, сплайн-интерполяция.

Обработка результатов и математическое моделирование КВ золота осуществлялось с применением персональных компьютеров в современных программных продуктах Excel, MathCAD, FlexPDE.

При изучении вещественного состава руды и растворов использовались современные аналитические методы: гранулометрический, спектрометрия с индукционно связанной плазмой (iCAP 6300 Duo), атомно-абсорбционная спектрометрия (SpectrAA 220).

Научная новизна диссертационной работы. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований в работе получены следующие результаты:

5. Предложена модификация известной модели «сжимающееся ядро» для описания кинетики выщелачивания золота из рудных зерен произвольного размера, учитывающая влияние температуры процесса и наличия в руде так называемого «нецианируемого» золота.

6. Модифицированная модель «сжимающееся ядро» позволяет определить четыре коэффициента b₀, E, B₀, Q, характеризующих конкретную руду, используя данные, полученные в параллельных изотермических экспериментах, выполненных при различных температурах.

7. Предложен оригинальный численный метод нахождения интервальных значений параметров математического описания для сложных химико-технологических процессов.

4. Разработана новая математическая модель КВ золота, учитывающая скорость выщелачивания золота из полифракционной руды и теплообмен рудного штабеля с окружающей средой. Нестационарная математическая модель представляет собой систему уравнений в частных и обыкновенных производных и соответствующие начальные и граничные условия. Модель позволяет на этапе проектирования технологического процесса выбрать рациональную геометрию рудного штабеля и оптимальный режим подогрева выщелачивающих растворов.

5. Предложен экспериментально-расчетный метод определения характеристик слоя руды, необходимых для реализации модели КВ. Метод заключается в получении экспериментальных данных в контролируемых температурных условиях, их обработки с помощью математической модели, предложенной в пункте 4, с целью определения эффективных коэффициентов теплопроводности руды и параметров, характеризующих теплообмен между рудой и раствором.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций.

Достоверность научных положений, результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, аттестованными современными физико-химическими методами анализа, совпадением результатов математического моделирования и экспериментальных результатов исследования, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанных моделей.

Практическая значимость.

1. Модифицированная модель «сжимающееся ядро» использована для обработки экспериментальных данных по выщелачиванию золота из полифракционной руды месторождения «Светлое». Показано, что выщелачивание руды дроблением минус 25 мм протекает во внутридиффузионной области. Получены значения коэффициентов, позволяющие описать процесс выщелачивания золота из полифракционной руды в диапазоне температур, характерном для КВ.

2. Разработана новая математическая модель процесса КВ золота, учитывающая влияние основных технологических параметров и параметров окружающей среды на скорость процесса. Модель позволяет на этапе проектирования промышленного предприятия выбрать рациональную геометрию рудного штабеля и оптимальный режим подогрева выщелачивающих растворов.

3. Предложен экспериментально-расчетный метод определения характеристик слоя руды, необходимых для реализации модели КВ.

4. Созданная экспериментальная установка, разработанные математические модели и методики экспериментов используются при изучении руд и подготовке проектной документации в АО «Полиметалл-Инжиниринг».

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований перколяционного выщелачивания золота в диапазоне температур, характерном для КВ в условиях сурового климата, 3–20С.

2. Модифицированная модель «сжимающееся ядро», позволяющая учесть влияние
температуры процесса и наличие «нецианируемого» золота на скорость и степень
выщелачивания золота из полифракционной руды.

3. Нестационарная математическая модель процесса КВ золота, позволяющая на этапе проектирования процесса выбрать рациональную геометрию рудного штабеля и оптимальный режим подогрева выщелачивающих растворов.

4. Экспериментально-расчетный метод определения характеристик слоя руды, необходимых для реализации нестационарной модели процесса КВ.

Личный вклад автора. Разработка лабораторной установки для проведения КВ в изотермическом режиме в диапазоне температур 276–298 К (3–25С), экспериментальных устройств для изучения тепловых свойств слоя дробленой руды и закономерностей теплообмена в этом слое. Математическая обработка результатов экспериментов, выбор модели для описания процесса выщелачивания из частицы руды, модификация модели «сжимающееся ядро», разработка нестационарной математической модели КВ золота, создание комплекса программ, реализующих математические модели, выполнение вычислительных экспериментов и анализ результатов.

Внедрение. Созданная экспериментальная установка, разработанные математические модели и методики экспериментов используются при изучении руд и подготовке проектной документации в АО «Полиметалл-Инжиниринг». Также результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры системного анализа и информационных технологий Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Апробация. Основные результаты работы докладывались на Х конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2015), на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-29» (Санкт-Петербург, 2016).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях, в том числе 6 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Работа изложена на 260 станицах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 27 таблиц. Диссертация состоит из четырех глав и содержит введение, аналитический обзор, экспериментальную и теоретическую части, выводы, список цитируемой литературы, включающий 198 наименований, и 11 приложений.