硫化铜精矿加压酸浸工艺大规模工业应用的可行性分析

仝一喆， 刘自亮， 何醒民， 王恒辉

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

铜是世界上产量规模第二的有色金属，2016年世界精铜产量约为2 200万t，中国精炼铜产量为796万t，大多数精铜产品由火法炼铜工艺产出。加压酸浸工艺是一种湿法冶炼工艺。湿法炼铜工艺在目前铜冶炼生产中所占比例较小，约占全世界产能的24%。

近年来，在一些铜矿资源丰富的南美洲、非洲等国家，多个大型湿法炼铜项目陆续投产，湿法炼铜工艺在特定条件下的优势日益显现，湿法炼铜的产量持续增长。已实现工业应用的最主要的湿法炼铜工艺为堆浸及生物浸出，用于处理低品位含铜原料，这两种工艺在工业生产中取得了长足的发展。

湿法炼铜工艺既有扩大应用的基础，又有进一步发展的需求。现有的生物浸出、堆浸工艺具有一定的局限性：不能把矿物中的硫转化为硫磺产品；只有在处理氧化矿、尾矿等低品位含铜物料时，才较火法炼铜工艺有相对经济优势；两者的反应效率均比较低。从长远来看，湿法炼铜工艺的趋势将会像锌等其它有色金属一样，朝着短流程、强化冶炼的加压浸出方向发展。

1 现代湿法炼铜工艺的发展

1.1 微生物浸出工艺

与传统的火法工艺相比，采用微生物浸出工艺处理硫化矿投资省、成本低，特别是可以避免SO2和As的排放对环境造成的污染[1]。微生物湿法冶金最早进入产业化且规模最大的是硫化铜矿的细菌浸出。然而，不是所有硫化铜矿都适合细菌浸出，中温细菌浸出时，各种硫化铜矿的浸出效果由易到难的排序为：辉铜矿(Cu2S)>斑铜矿(Cu5FeS4)>方铜矿(CuFe2S3)>铜蓝(CuS)>黄铁矿(FeS2)>硫砷铜矿(Cu3AsS4)>硫铜钴矿(Cu(Co,Ni)2S4)>黄铜矿(CuFeS2)。辉铜矿最易浸出，因此世界上的铜矿微生物浸出主要以辉铜矿为主，而罕见有黄铜矿的大规模细菌浸铜工业生产。

1.2 堆浸工艺

堆浸是使用最普遍的一种直接浸出方式，随着铜矿资源开发利用的不断深化，铜矿的开采品位不断降低，采用传统的方法生产成本高，经济效益差，湿法炼铜堆浸工艺已成为大型铜矿资源的主要浸出工艺之一。随着机械设备和自动化相关专业的发展，堆浸场也实现了大规模和自动化的生产。国外的智利、秘鲁、澳大利亚、美国等，国内的德兴铜矿、官房铜矿、金川铜矿、紫金山铜矿，从上世纪80年代开始就逐步采用氧化铜矿和硫化铜矿堆浸的工程化应用[2]。

1.3 加压浸出工艺

加压浸出是在高于大气压条件下进行的强化浸出，可以实现更高的浸出温度(>100 ℃)和浸出效率。不同的加压浸出体系有不同的温度、压力条件，就铜加压浸出工艺而言，工艺技术条件的控制范围一般为：温度100～240 ℃，压力0.5～3.5 MPa。目前国内外湿法炼铜技术主要还集中在氧化矿堆浸、辉铜矿及低品位硫化矿堆浸方面，而黄铜矿的堆浸效果不佳，铜回收率低，在大规模工业应用中存在一定的局限性。温度和压力会同时影响反应热力学和浸出动力学，温度和压力的升高会促进浸出。因此，国内外开展了较多黄铜矿的加压浸出工艺研究，国内的研究有采用在加压浸出前添加预处理工序，也有对黄铜矿直接进行浸出的工艺[3-4]，但均没有实现工业化应用。国外的几个加压酸浸工程或采用了较高的温度、或采用了较高的压力，需要考虑生产系统中多余的酸的开路问题，给大规模应用带来了一些困难。因此规模不大，产能占精铜总产能的比例微乎其微，还有待优化和突破。

2 硫化铜精矿加压酸浸工艺用于大规模铜冶炼生产的可行性

2.1 硫化铜精矿加压酸浸工艺的特点

2.1.1 短流程、强化浸出

火法炼铜工艺一般包括熔炼、吹炼、初步火法精炼、电解精炼、渣缓冷、渣选矿、烟气制酸及脱硫等工序，生产流程长、工艺复杂。而硫化铜精矿加压酸浸工艺仅包括浸出、溶液净化、电积，渣浮选、硫磺生产等主要工序，工艺流程短，因此在工厂占地、劳动定员、生产管理等方面比火法工艺更具优势。而且，湿法工艺生产过程更容易实现自动化[5]。

硫化铜精矿加压酸浸是一种强化浸出工艺，相比堆浸等传统湿法工艺，反应强度高，反应速率快，浸出率提高，反应时间缩短，可在2～4 h内完成浸出反应过程。物料在生产流程中周转的时间大大缩短，提高了生产效率、经济效益。

2.1.2 无二氧化硫冶炼烟气排放

通过控制加压酸浸工艺的反应条件，可以将硫化铜精矿中的大部分硫转化为单质硫，少量硫直接转化为硫酸进入溶液，生产过程无二氧化硫冶炼烟气排放。但在火法炼铜生产中，产生大量烟气、制酸尾气，即使经过脱硫后达标排放，每年也会向环境中排放数量惊人的SO2。

在合适的工艺技术条件下(浸出温度～150 ℃)，加压酸浸工艺产生的大量单质硫可生产硫磺产品，硫磺便于储存、输送。火法炼铜工艺产生的二氧化硫冶炼烟气一般生产出硫酸产品，且硫酸的产量巨大，每生产1 t电铜，同时产出3.5～4 t硫酸。硫酸虽然是工业血液，但由于价格低廉，其销售半径有限，一般不超过200 km，否则将因运输成本等问题导致亏损。硫酸也是危化品，其储存、运输条件苛刻，一旦不能及时售出，甚至可能逼停整个铜冶炼生产系统。

2.1.3 综合回收效果好

硫化铜精矿中伴生有金、银、铅、锌、钼、铋等有价金属，这些元素虽然品位不高，但由于硫化铜精矿处理量大，有价金属的总量是相当可观的。在火法冶炼过程中，铅、锌、钼比较分散，回收率低。在加压酸浸过程中，锌、钼等可浸金属的浸出率高，可从溶液中回收；金、银、铅、铋等不可浸的金属可通过浮选从浸出渣中回收。另外，加压酸浸工艺更易实现铁的资源化，若采用赤铁矿、针铁矿沉铁工艺，可得到高品位的铁渣(赤铁矿渣含铁～58%，针铁矿渣含铁～40%)，作为副产品外售。

2.1.4 规模灵活

火法炼铜的规模越来越趋向大型化，近年来新建火法炼铜项目的生产规模动辄达到40万t/a电铜，把生产的规模效应发挥到接近极致。这导致小规模的火法炼铜生产竞争力急剧下降，也导致精矿的采购和生产组织愈发困难，大规模火法炼铜项目的铜精矿往往来自全球各地，精矿输送距离远，运输成本高、途损大。而加压酸浸炼铜工艺由于自身特点，生产成本、经济效益对生产规模不敏感，可结合矿山的精矿产量确定相应规模，并在矿山或矿山附近就地应用，投资规模低，节约了精矿的运输成本，生产更灵活。

2.1.5 热电联产可大幅降低生产成本

同火法炼铜工艺相比，加压酸浸工艺的电积直流电耗及蒸汽消耗构成了生产成本的重要组成部分。配套建设热电联产设施，将有效降低加压酸浸炼铜工艺的生产成本。在铜精矿资源丰富的地区，煤炭资源往往也很丰富，如蒙古、印尼等重要铜精矿出口国。对湿法加压浸出大有裨益，热电联产为湿法提供电力、蒸汽，则可大幅降低生产成本。热电联产的热效率可达到60%～80%，可利用当地廉价的煤炭资源，为湿法炼铜提供电力、蒸汽。

2.2 硫化铜精矿加压酸浸工艺工业应用的技术经济指标分析

以10万t/a电铜生产规模为例，采用的铜精矿原料主要由黄铜矿(CuFeS2)构成，对比火法炼铜、加压酸浸湿法炼铜工艺的主要技术经济指标见表1。

表1 加压酸浸湿法炼铜与火法炼铜主要 技术经济指标对比表(10万t/a电铜)

2.3 硫化矿加压酸浸工艺的大规模工业应用基础

2.3.1 加压湿法炼铜的生产应用基础

铜精矿加压浸出可分为加压氨浸和加压酸浸两大类。由于在硫化矿加压氨浸后续过程中需进行石灰苛化蒸氨处理，存在设备结疤问题，仅美国Anaconda公司和BHP公司进行了应用。国内的加压湿法炼铜还处于试验阶段，未实现工业化[6-7]。国外有几个采用Fe3+浸出辉铜矿的工程案例，如澳大利亚西部金属公司的Mount Gordon工艺和老挝的Sepon工艺[8]。美国Bagdad氧压浸出工艺[9]和赞比亚Kansanshi氧压浸出工艺则是采用高温高压(反应温度高于200 ℃，操作压力大于3 MPa)处理黄铜矿，而非有利于单质硫形成的中温(反应温度～150 ℃)加压浸出。高温高压造成了精矿中的硫绝大部分氧化为硫酸，因此需要采用与堆浸工艺联合使用等措施才能消耗多余的硫酸，有一定的局限。但总体而言，硫化铜精矿加压浸出有一定的应用基础，对实现该工艺大规模应用具有借鉴意义。

2.3.2 硫化锌精矿加压浸出的生产运营基础

硫化锌精矿直接浸出工业生产起步于二十世纪80年代，建成投产了世界上第一个硫化锌精矿加压浸出工业化工厂，较早突破了工程化技术瓶颈。国内第一座大型加压浸出炼锌工程是丹霞冶炼厂锌氧压浸出工程，于2009年9月建成投产，已稳定运行多年。西部矿业锌氧压浸出工程也已投产，四川会理铅锌等氧压浸出工程又陆续建设。国内在加压浸出技术工程化方面积累了大量技术和经验，主要设备均实现了国产化，有利于铜加压酸浸工艺的应用[10]。

3 结论

(1)硫化铜精矿加压酸浸作为一种清洁冶炼工艺，相比传统湿法炼铜工艺，可有效提高资源利用率，提高企业经济效益，是湿法炼铜的发展方向。

(2)硫化铜精矿加压酸浸工艺相比火法炼铜工艺，副产硫磺而非硫酸，使生产组织更加灵活。加压酸浸工艺能够实现更好的资源综合回收效果、更低的建设投资、更少的劳动定员。由于采用电积提取阴极铜，电力成本是湿法炼铜生产成本的重要组成部分，如能配套热电联产以实现廉价的电力供应，将能更好发挥加压酸浸工艺的成本优势。

(3)其它类型加压浸出工艺在铜冶炼领域的实践经验，以及锌等其它有色金属加压酸浸工艺的成功运用，可为硫化铜精矿加压酸浸工艺的大规模工业应用提供有益借鉴。