美国内华达州巴特山附近铜浸出- 溶剂萃取- 电积工厂的发展挑战(二)

谭春梅 摘译

(云铜股份西南铜业分公司， 云南 昆明 650102)

2.4 工厂的创新

2.4.1 防火保护

本项目很多方面考虑了创新的设计理念。其中一项考虑是溶剂萃取(SX)工厂的布置。方形布置不是一个新概念，这是因为目前很多工厂都采用了这种设计。然而，对于菲尼克斯来说，这就是该布置与众不同的原因。溶剂萃取工厂的设计考虑了防火和灭火。

设计选择了负载有机缓冲槽，类似于混合澄清器，决定将缓冲槽放置在溶剂萃取区域而不是放置在槽罐区，基于防火考虑，已经拆除了槽罐区的有机槽。如果放置在槽罐区，库存有机物就分成了两个使用高度易燃试剂的区域。菲尼克斯的设计只在一个地方保留易燃液体。

很多传统溶剂萃取工厂的设计采用多个溶剂萃取系列。混合澄清器之间的间距通常小于4英尺(1.2 m)。美国国家消防协会(NFPA)起草的一套新规则，专门针对溶剂萃取工厂(NFPA 122)。“大型易燃液体储存区域”的建议距离为100英尺(30.5 m)。由于混合澄清器和有机槽可以考虑为“大型”区域，所以可能需要间距。对于菲尼克斯来说，为了保护设计的前瞻性，混合澄清器之间的间距采用30英尺，厂房距离最近混合澄清器之间的间距为75英尺。同样，方形布置也限制了有机管道的长度。

同样也考虑了管道的材质。除了选择316不锈钢管防腐外，还考虑到了防火。采用高密度聚乙烯(HDPE)管运输含有机物有火灾风险的溶液，随着溶液流经管线，静电累积足够大，火花放电有足够能量，会点燃存在的任何有机雾气和蒸汽。因此，为了降低这种风险，溶剂萃取工厂内的所有管道都是不锈钢材质。

溶剂萃取/电积(SX/EW)工厂的操作和维修人员长期使用传统的防酸工作服(≥65%涤纶混纺布)。然而，合成纤维是静电累积的源头，会引起放电，建议采用天然纤维。

作为可行性研究的一部分，同样也讨论和考虑了火陷阱和系统转储。很快发现，这些方法的任何一种在经济上或技术上都是不可行的，将不再采取这种方法。

为了减少有机雾气的产生数量，工厂设计中，所有的管线都是满负荷运行。最小的流量发生在澄清器的溢流口处1～3英寸(2.54 cm～7.62 cm)，位于排出管的对面，因此雾气的产生受到了限制。为了尽早探测火灾，打算在整个溶剂萃取工厂的管架和电缆桥架处安装保得威尔(Protectowire)导线火灾探测器。同时，还在负载有机糟、澄清槽、搅拌槽、负载有机泵箱中安装了火灾探测器。如果激活，导线将发出报警并反馈到中央火警控制板上，中央火警控制板将信息传递到工厂控制室。

同时，考虑在溶剂萃取工厂的周边安装防护栏，设一道安全入口大门。这种想法是为了减少未经培训人员无意进入该区域而带来火灾危险。

上述所有区域都要强调防火。菲尼克斯的设计同样想要做好万一发生火灾的充分准备。一些老设计或更加传统设计的工厂有多个系列，如果发生火灾，可以考虑“牺牲”某一个系列，目的是保护其余系列和结构。菲尼克斯没有那样的选项。任何混合澄清器或槽子发生火灾将会是灾难性的打击。

多年来采用水成膜泡沫灭火剂(AFFF)和其它泡沫剂作为主要的灭火介质。关于泡沫剂与工艺的相互影响，有很多问题没有得到解决。虽然灭火效果好，但是泡沫剂对溶剂萃取的生产有负面影响。从动力学影响到分离时间影响以及有机物降解方面，对安装这些系统都持有保留意见。了解到故障放电的潜在影响后，许多工厂的防火系统采用了人工模式而不是自动模式。如果发生火警，延迟系统部署。

除了生产问题以外，众所周知，水成膜泡沫灭火剂还会带来有关健康和环保的风险。当采用水成膜泡沫灭火剂时，在场内工作的员工就有风险。如果将水成膜泡沫灭火剂清理出原来的区域，应考虑将其作为有害废物无害化处理后排放。

为了替代水成膜泡沫灭火剂，纽芒特公司召集了一家萃取剂供应商和一家消防化学品生产厂来试验另一种可能的方案。消防公司提供了一种水成膜泡沫灭火剂的替代物，这是一种水基凝胶，消防能力极强，提供良好的结构保护。由于是水基的，所以对环境友好，对员工的危害较小。最初的试验结果表明，与水成膜泡沫灭火剂相比较，这种水基凝胶灭火剂更适用于工厂，它对回收率和有机相质量的影响较小。

如果发生意外放电，与其依赖一套可能会毁掉整个有机物库存的系统(或有待证实)，纽芒特公司选择使用一种新型的一次性灭火系统。HI-FOG(高压细水雾系统)使用了高压水雾，能够快速冷却所有燃烧的气体，并且用水蒸汽填充其余受影响的空间，这样起到了灭火的作用，并有助于吸收辐射热量。

这些系统的有效性已经在许多行业中得到验证，包括在船舶和很多陆地上的应用。在历史上，水雾灭火系统本身还没有在油性灭火应用中得到验证。但是，在这些应用中，在受控测试环境中，HI-FOG技术不仅得到了验证，而且全世界安装了很多套这种系统，在现场急救中，这种灭火系统以安全有效著称。

HI-FOG将安装在混合澄清槽和有机物缓冲槽中。该系统将与保得威尔(Protectowire)监测器连接，监测器将通知HI-FOG灭火资源应集中在哪里。系统有一套专门的供水和柴油泵系统，如果断电，可以保证动力。

由于HI-FOG产生一种简单的水雾，不存在环保和员工健康方面的风险。除此之外，还可以排除影响有机相质量和流程回收率的风险。同时，由于系统能够保持在自动状态，也降低了工厂风险。不仅不需要担心意外放电，而且，实际上系统可以定期地进行在线测试，以确保发生火灾时系统能够正常工作。

为了确保足够的二次灭火能力，在工厂周围布置了消防栓。在溶剂萃取工厂外面，至少安装两套便携灭火系统，可以是泡沫灭火剂系统，也可以是凝胶灭火剂系统。如果一次系统失灵或者不能充分控制火势，这两套系统可以直接连到消防栓上。

除了HI-FOG和二次防火系统外，纽蒙特公司还在考虑采用一套额外的消防工具。由于对溶剂萃取工厂灭火人员有潜在的风险，本文回顾了发生火灾时使用的火龙移动监测车(FireDrake Mobile Monitor)。移动监测车是一种遥控的灭火机器人。机器人在轨道上运行，能够拖动1 000英尺(305 m)、撑大成2英寸(5.1 cm)的软管。监测车可以使用泡沫灭火剂和凝胶灭火剂，允许灭火操作工进行灭火，而不需要置身于不必要的危险之中。

2.4.2 酸雾控制

电积厂产生酸雾是一种常见的问题。从防水油布到塑料空心球，直至化学试剂，为了控制酸雾，已经进行了诸多的尝试。采用了横向通风和屋顶通风。每一种成功的方式都不同，选择了上述多种组合来控制酸雾。许多这样的选择包括组合都不成功。为了保护员工，如果条件具备，一些工厂建议或要求使用防毒面具。

菲尼克斯也采用一种混合方法，采用PC-1100，一种塑料空心球和一种化学试剂的组合。然而，历史经验表明，即使这些系统一起使用也不能完全有效。因此，决定安装一套更有效的酸雾控制系统。

很多年前，SAME有限公司(一家智利公司)入围。SAME提供了一个罩子和歧管收集系统，每一个槽子上都安装了这套系统。通过烟罩吸风捕集酸雾，大幅度地减少了员工在酸雾中的曝露程度，更不用说电积厂在防腐方面所节约的成本。为了防止酸雾散发到环境中，空气流流经一台高效的湿式洗涤器。之后，洗涤器的洗涤水返回到溶剂萃取工厂，作为补充水使用。同时，还回收了可能含有的任何残余的铜。

预计，这套系统将捕集到95%以上产生的酸雾。每个槽子的实际空气流量为559立方英尺/min(15.83 m3/min)，总的实际空气流量达2.348 0万立方英尺/min(4万m3/h)。预计洗涤器将捕集到至少98%所产生的酸雾。

SAME系统的有效性很快得到认可。公司拥有一套成熟技术，目前，客户群涵盖了来自于智利、美国和南非的很多工厂，SAME开始发展成为产业标准。

3 工程的挑战

“菲尼克斯铜浸出项目”经历了与工程有关的许多挑战。在经济顶峰时期开展了可行性研究。然而，在过去几年中，本项目经历了很多工程问题，随着经济的蓬勃发展和金属价格的飙升，美国工程公司的工作变得应接不暇。

由于上述原因，不同规模和复杂程度不一的项目都在竞争同样的资源。由于资源限制，有些公司未能中标，而其他公司承担了当时无法完成的工作。

同时，很多公司缺乏足够的经验。在一段时间内，工程领域存在着年龄断层。有一段时期，新生代的工程师很少，而越来越多的有经验的工程师开始退休，因此年龄断层不断加大。今天，仍然还有经验丰富的工程师，但是，这些工作不能全部由这些人来处理。

为了填补年龄断层，许多公司开始招收年轻的或刚毕业的工程师，他们没什么经验。由于工作负荷太重，一些工程公司将工作分配给了这些新来的工程师，这超出了他们的能力范围。虽然这些学习、成长和积累经验的机会是宝贵的，但通常由客户买单。行业内充斥着无数的修改和重大失误，虽然从历史上看不成为问题。情况就是如此，办公室既缺乏经验，又缺乏有经验的工程师的监管。两者中无论是任何情况之一，对项目都是巨大的挑战。

传统上，谈及招标工作，项目经理倾向于发挥工程才能。他们知道，企业A、B、C和D在一种类型的项目上有优势，而企业W、X、Y和Z可能在另一种类型的项目上更具优势。当总工作量正常时，这种方法可行，因为，即使两家公司都很忙的话，仍然有两家有能力的和可靠的公司。然而随着经济的景气和项目遍地开花，老方法已经不适用了，这就迫使公司在圈外寻找其他的工程公司，这些工程公司通常在外地，甚至是国外公司。

毫无疑问，国际上的确有资质很好的公司。挑战性的问题是项目的管理，会有语言障碍和了解客户当地的市场情况等问题。所有这些都对项目构成额外的挑战。

在这段时间内，工程项目的其他挑战来自于不断上升的原料成本。很难估计如何在价格如此大幅度上涨的情况下适当提高成本。工程项目的实施需要几年的建设工期，很难精确地估算成本。如果投入的增加很少或者没有增加，会冒实际成本预测不足的风险。另一方面，如果投入增加过多，申请了不必要的资金，会使项目的经济效益受损，更不用说成本预算明显高估，通常令人难于接受。

过去几年中，关于工程化的确存在很多挑战，“菲尼克斯铜浸出项目”经历了许多这样的挑战。然而，由于拥有一只强大的核心团队和知识面广的智库，面临的挑战已轻松化解。

4 内达华州历史上的铜堆浸垫和环境问题

4.1 内华达州的耶灵顿(Yerington)

4.1.1 历史

耶灵顿矿区坐落于美国的西内华达州，占地约3 400英亩(1 376公顷)。其中51%的土地是私有的，另外49%的土地由美国土地管理局(BLM)管理。帝国矿山于1918年至1920年在耶灵顿运营。在1920年至1952年期间停止矿山作业。阿纳康达矿业公司(Anaconda)于1952年开始采矿作业。氧化铜矿经破碎，槽浸，以泥浆精矿(铜含量为83%)回收，然后运到厂外的位于蒙大拿州阿纳康达市的华秀冶炼厂(Washoe Smelter )进行冶炼。

用于槽浸的硫酸产自于现场的焙烧炉，每天大约生产450 t浓度为93%的硫酸。为了处理硫化矿石，阿纳康达公司于1965年安装了一台磨机和选矿设备，加工后的硫化矿经过铁溜槽与沉淀物一起被运往厂外的华秀冶炼厂冶炼。1977年，阿纳康达将此产业出售给了大西洋富田公司(ARCO)，该公司一直经营到1978年6月。1978年，此矿区又出售给一个私有土地所有者，几个不同的矿业公司在这里经营，一直到1989年，该矿区又被出售给Arimetco, Arimetco一直经营到2000年。

Arimetco经营占地约250英亩的五个堆浸垫，以及溶液萃取/电积设备。浸出垫和溶液萃取/电积设备设计为零泄漏设备。给衬垫上的矿石加入1%的稀硫酸溶液(20～30 g/L)。1996年11月Arimetco申请破产。1998年11月，内华达州环保局(NDEP)命令Arimetco停止耶灵顿工厂的运营，包括采矿和溶液处理。直到1999年11月Arimetco才停止从浸出液中回收铜，2000年1月Arimetco放弃了该矿区。2000年1月，5个堆浸垫和回收处理系统中剩下近900万加仑(348.2×106L)浸出液(PLS)。

4.1.2 矿区及溶液管理

在美国土地管理局和美国环保局(EPA)的支持下，内华达环保部门于2000年1月接管了耶灵顿矿区。内华达环保部门的初衷是对该矿区进行溶液管理，将矿区现场管理外包出去。浸出垫的初始排液量将近1 300加仑/分(4 900 L/min)。浸出池8h装满后溢出并导致失控。排液量因此减少到不足5加仑/分。电力成本从每月25 000美元开始往下降。2004年10月，美国环保局接手了矿区管理。

4.1.3 地下水污染

1953至1978年期间，矿区修建了无衬里的蒸发池，蒸发池占地约104英亩(42公顷)。蒸发池用于储存和蒸发氧化铜浸出厂的工艺溶液。1974至1978年期间修建造了有内衬蒸发池。内衬池面积约为101英亩(41公顷)，内衬薄薄的一层沥青衬里，容纳来自氧化铜浸出厂的加工后溶液。

硫化物尾矿库修建于1961年，1968年扩建。尾矿库没有衬里，储存着硫化矿选矿过程中排放的尾矿。内华达州环保局在1982年和1985年发布的违规调查结果，发现该地点的污染羽流向北移动。

酸处理过程中产生的溶液储存在无衬里池中，并渗入含水层。被污染的地下水pH值低，并含有高浓度的金属，如铝，砷，钡，铍，镉，铬，钴，铜，铁，汞，锰，镍，硒，钒和锌。地下水中还发现了高浓度的U-235和Ra-226和Ra-228。1985年ARCO公司在该厂址的北部边界安装了一个泵回路系统，1999年又安装了一个抽水井，防止场外污染物迁移到私人和市政井以及沃克河(Walker River)中。泵回路系统中的水被泵送到表面池中蒸发。1985年至1997年期间，该系统间断地使用。1997年，该系统全年平均运行流量为47加仑(178 L/min)。2006年，美国环保局建造了新的内衬池来处理该溶液。

5 天然放射性物质

耶灵顿(Yerington)矿区现场发现了较强的天然放射性物质(TENORM)。TENORM发现于当地的土壤和矿石中，集中分布在采矿活动区。其中现场的铀-235和镭-226和镭-228是受到关注的放射性核元素。在选矿区域的盐，蒸发池和尾矿池中发现了TENORM，因此这些地区的扬尘可能会将更高浓度的TENORM携带到外部。为了审查和分析收集的数据，2005年开始检测扬尘， 2008年4月1日暂停检测。2002年3月，为了防止含有高浓度铀的扬尘漂移出场地，对尾矿库设施进行了封闭和分级处理。

5.1 内华达州的托诺帕(Tonopah)

5.1.1 历史

托诺帕县的勘探始于十八世纪中期，但是直到1980年阿纳康达(Anaconda)铜矿公司才开始进行钼矿生产。阿纳康达铜矿公司一直经营到1984年。1988年，塞浦路斯托诺帕(Cyprus Tonopah)矿业公司从阿纳康达铜矿公司手中买下了该矿，并将其作为钼矿经营到1990年。此后，该矿产被闲置，直到1997年，赤道托诺帕公司(Equatorial)买下了该矿。1999年，赤道公司一边建造铜堆浸垫，一边在附近开始进行生产。莫伊(Moly)将军于2006年收购了该矿。

5.1.2 铜的生产

1999年，赤道公司在托诺帕建造了一个破碎后矿石的铜浸出垫，同年12月，第一次添加了浸出溶液，并于2000年1月首次回收铜。赤道公司对铜的开采持续到2001年3月，浸出作业持续到2001年7月。其后，由于冶金性能达不到要求，停止了作业。内衬区占地150英亩(61公顷)，其中铜垫占地137英亩(55公顷)。该垫包含大约1 440万短吨的矿石，矿石由升降机高度为20英尺的径向堆垛机筑堆。

除了所需的设计，工程和施工合同之外，美国克瓦纳(Kvaerner)公司还为赤道公司制定了铜生产可行性研究报告。克瓦纳公司在其可行性研究报告中预测，回收率为80%～85%，浸出液品位为3.42 g/L，每年将生产大约5 400万磅(2 400万kg)的铜。赤道公司经营期间，回收率约37%，浸出液品位为1.2 g/L。回收率之所以较差是因为克瓦纳公司在其可行性研究报告中，以及阿纳康达和塞浦路斯采集的核心样品中没有发现矿石中粘土和氟的含量较高。

5.1.3 结束

赤道公司2001年开始进行关闭作业，并且制定了最终永久性关闭计划(FPCP)。FPCP于2002年6月提交给内华达州环境保护司，并于2002年11月实施。浸出垫上覆盖一个2英尺的冲积覆盖层，以确保覆盖层的厚度足够。从2003年1月6日到2003年2月12日的短短一个月的时间，整个衬垫上铺上了覆盖层。

利用主动蒸发方式将溶液从衬垫上除去，2003年2月，排空流量从大约5 500加仑/分降低到8加仑/分。目前的排空流量小于1加仑/分。赤道公司并未准备排空模型提交给各机构审查，反而采取了“观望”的态度。赤道公司认为浸出池、中间浸出池(PLS和ILS池)和雨水池(大约2 900万加仑)有足够的储存空间。把碎石灰放入PLS和ILS池底后就可以转变为储存和处理池。赤道公司在衬垫上建了14个糊状物沉淀池，溶液与石灰和/或粉煤灰混合后泵入到池中。当溶液与石灰和粉煤灰反应时，会产生水泥状糊状沉淀物，然后将其覆盖。

该矿石被认为是酸性矿石，因此其衬垫不能像金的衬垫那样冲洗。浸出溶液质量低，超出了14个主要饮用水标准，操作时其pH值为1.5，而后pH值升高到3.3。尽管托诺帕矿区没有严重的环境问题，但政府机构对该地点的潜在问题表示担忧，包括衬垫固定问题，由于PLS和ILS池中的沉淀积累而导致的储存空间不足问题，以及长期的溶液管理问题。

5.2 菲尼克斯铜矿浸出项目许可

5.2.1 时间表

2006年6月和8月，州和联邦机构举行了初步会议讨论菲尼克斯铜矿项目。2006年12月12日提交了初步的水污染控制许可证(WPCP)申请，2007年2月撤回修改。2007年5月30日，土地管理局(BLM)向联邦政府提交了一份修订后的行动计划(PoO)。2007年8月和12月提交了修订后的水污染控制许可证，2008年1月提交了行动计划修订版。作为水污染控制许可证申请的一部分，暂定永久性关闭计划(TPCP)已做了若干修订。TPCP描述了作业停止后，如何完成项目的关闭和填埋工程。截至2009年9月，TPCP已经修订完毕并分五次提交审查。

5.2.2 问题和挑战

菲尼克斯铜矿项目面临的两大挑战是内华达州未成功关闭零排放铜堆浸垫，以及耶灵顿(Yerington)和托诺帕(Tonopah)矿区铜矿浸出设施的历史问题。该项目被设计为零排放，这意味着溶液不能排放到周围环境中。所有工艺部件均采用双重容器设计(即管中管和双衬管)。为了制定项目的关闭策略，已经耗费了大量的时间、精力和财力。

纽蒙特与州和联邦机构合作制定了项目的关闭策略。拟议的关闭策略分为三个阶段。阶段1包括在衬垫顶部主动蒸发，以及再循环溶液返回到衬垫的顶部。蒸发和再循环将持续进行，一直到主动蒸发(即雾化器)能够处理来自衬垫的所有排液，然后开始阶段2。除了残液池外，现有的工艺池将转化为回填的蒸发池(E-cell)。当蒸发池中的排出溶液能够在无主动蒸发的情况下处理时，开始阶段3。当排液停止时，蒸发池将被完全回填，覆盖并重铺植被。

该机构主要关心衬垫和蒸发池的沉淀收集。地球化学分析结果可用来判定拟议的堆浸能否完全排空，衬垫和蒸发池上将会沉淀下来什么，设备是否会被关闭，沉淀物何时将会填满蒸发池的空隙，以及排除的溶液最终是否会蒸发。地球化学研究着眼于耶灵顿(Yerington)和托诺帕(Tonopah)矿区的矿物学组成，并将其与菲尼克斯铜矿项目的铜矿物学组成进行了比较。耶灵顿铜矿主要是氧化铜(即硅孔雀石)，托诺帕铜矿主要由硫化铜(即辉铜矿和黄铜矿)组成。

菲尼克斯铜矿由氧化铜组成，观察其在衬垫上的矿物学和地球化学反应，可以发现衬垫的孔间隙小于2%时，将会填满沉淀物。由于沉淀或降解作用，垫板不会板结，并且会完全排空。虽然托诺帕衬垫含有能够分解成粘土的高浓度的萤石，衬垫仍然能够排水。

地球化学研究所关注的第二个问题是在衬垫和蒸发池中会形成何种沉淀物。衬垫的主要沉淀物是针铁矿和三水铝石，蒸发池的主要沉淀物是石膏和泻利盐。尽管溶液中含有大量的盐，研究表明最终溶液会在蒸发池中蒸发。接下来要研究蒸发池充满沉淀物所耗费的时间。

假设排水率稳定为15加仑/分，虽然这是不可预测的，四个蒸发池大概需要4.5年才会充满。为了解除机构的担忧，溶液将在四个蒸发池中交替，聚积的沉积物将从蒸发池中移除并现场处置。

各机构对拟议的关闭策略的合理性已经表示认同，正式运营期间收集的数据将用来制定最终的永久性关闭计划。

6 总结

尽管“菲尼克斯铜浸出项目”遭遇了一系列经济、工程和环保方面的挑战，但这些挑战均得以逐个攻破。无论是纽蒙特公司还是任何其他矿业公司都不能改变经济的波动。相反，尽管全球经济如此，但公司正在审查该项目，寻找节约投资的方向，使其经济上更具吸引力。此外，正在开展投资的重新估算，以统计高密度聚乙烯(HDPE)和不锈钢等价格大幅下跌后所需的资金。

随着经济增速的放缓，工程的挑战有所缓解。这给纽蒙特公司带来了潜在机遇，选择具有高素质团队的一家公司，能够更好地处理上述所面临的问题。公司内部认为，通过内部人员与工程公司合作，找到一种好的解决办法，有助于避免今后发生问题。

在环保方面，菲尼克斯的抗争历史由来已久，最后在没有关闭浸出垫的情况下，满足了机构标准。内华达州的两座工厂使这些机构对铜浸出项目不满，对项目推进带来了巨大的挑战。通过内部做出的巨大努力，借助于顾问的支持，与各种机构公开对话，已经攻克了这些挑战，找到了令各方都满意的办法。一旦许可证到位，只要铜价回升， “菲尼克斯铜浸出项目”正如其名，必将涅槃重生！