某铀水冶厂压滤工艺改造方案研究

张兆光，韩 伟，杜桂茹，刘 辉，费本涛

(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021；2.中国中原对外工程有限公司，北京 100044；3.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；4.中国铀业有限公司，北京 100013)

某铀水冶厂采用碱法搅拌浸出处理砂岩型铀矿石，主要工艺流程为：矿石破碎—磨矿—分级溢流—搅拌浸出—厢式隔膜压滤机压滤—离子交换—产品沉淀[1]，设计要求铀金属浸出率大于90%、水冶过程铀总回收率大于87%、浸回差[2](铀金属浸出率与铀回收率的差)小于3%。但在实际生产中，该水冶厂多年的铀浸回差平均值为9.2%，远超过设计指标的要求。浸回差大的根本原因是厢式隔膜压滤机(简称压滤机)的洗涤效果较差[3]，且压滤机的处理能力不足。

针对该水冶厂压滤工序存在的问题，为进一步提高铀回收率，对压滤工序生产现状(因该水冶厂2015年停产，故采用2014年数据)进行了统计分析；并利用现场已有设备，对现有工艺进行局部改造方案研究，以达到提高压滤机产能及提高水冶回收率的目的。

1 压滤工序现状分析

1.1 压滤工序生产情况

厢式隔膜压滤机具有操作压强高、适用范围广和便于操作等特点，广泛应用于工业生产[4-6]。厢式隔膜压滤机属于间歇式压滤机，进料、过滤、洗涤、松板、卸料和合板等流程依次进行，完成一个操作循环即为压滤一次[7]。

该水冶厂压滤工序共有2条生产线，每条生产线配置6台压滤机(5用1备)，采用进料、预压榨、第一次洗涤、预压榨、第二次洗涤、预压榨、第三次洗涤、滤饼压榨、松板、卸料、合板的循环运行方式，金属洗涤效率约为94%，与99%的设计指标存在一定差距。该水冶厂2014年完成板框压滤约1.35万次，统计数据见表1。可以看出，压滤机处理能力大的月份为6月和7月，单台压滤机单次压滤处理干矿石量均大于19 t，而全年压滤机平均单次处理干矿石量只有15.50 t。主要原因分析如下：一是受矿山条件限制，滤布供应经常不能满足生产要求，而滤布是板框式压滤机的“心脏”[8]，滤布破损后没有及时更换导致跑料严重，影响压滤机进料量；二是液固比控制较差，根据考察及生产实际情况来看，进料液固比越大，进料时间越长；三是部分班次为处理浸出来料而缩短进料时间，增加了压滤机操作的循环次数，这会影响压滤机单次进料量。

表1 2014年压滤机处理量统计

1.2 压滤机完成1次压滤操作的运行时间

滤布的洗涤对压滤机运行影响较大。为保障压滤机的正常运行，在2014年度生产过程中，每条生产线仅有5台压滤机同时运行，安排另外1台压滤机进行滤布拆洗、滤板冲洗及机器维护工作。正常生产过程中，压滤机完成1次压滤操作的运行时间见表2。

表2 压滤机完成1次压滤操作的运行时间计算

表2是连续稳定运行72 h及以上的数据，可以较好地反映压滤机生产线的单次压滤操作时间。在总运行时间384 h内，共完成压滤操作1 276次，有10台压滤机运行，则压滤机完成1次压滤操作用时3.00 h。

1.3 压滤机进料时间

压滤机1个操作循环的时间称为操作周期，其中松板、卸料和合板等时间为辅助时间，它与压滤机结构、浆体性质、操作水平和自动化程度有关；当这些因素一定时，辅助时间为定值，而进料过滤时间是人为控制的。若进料时间过长，会导致滤饼过厚，延长滤饼洗涤时间，影响压滤机的处理能力；相反，若进料时间过短，则需要频繁卸渣等辅助操作，板框压滤机处理能力同样较小。在该水冶厂生产中，进料时间完整可用的数据共422次，见表3。

表3 压滤机进料时间分布情况

按以上统计方法，进料时间20～53 min属于正常范围，共404次，压滤机平均进料时间为33 min。

1.4 压滤机实际生产能力计算

根据分析，在压滤机运行工况良好的情况下，单台压滤机1次平均处理干矿量为19.8 t，单台压滤机的单次运行周期为3 h，每天有2条压滤生产线共10台压滤机处于运行状态，压滤机每天处理干矿石量为24 h÷3 h×5(台/条)×2(条/d)×19.8(t/台)=1 584 t/d。

原设计每天处理干矿石量为2 000 t。因此在运行工况良好的情况下，压滤机的实际生产能力为原设计的1 584(t/d)÷2 000(t/d)×100%=79.2%。

1.5 压滤机洗涤效率及回收率

通过2014年吸附原液金属量除以浸出金属量，可得到压滤机洗涤效率，统计结果见表4。

表4 2014年吸附原液金属量统计

由表4可知，2014年共浸出金属370.016 t，吸附岗位统计金属量为342.895 t。2014年12月31日盘点数据(按浸出后金属计算)，流程中的金属为5.200 t(除沉淀岗位)，则全年共吸附金属为342.895 t+5.200 t=348.095 t，压滤机洗涤效率为348.095 t÷370.016 t×100%=94.1%，压滤机岗位损失金属为370.016 t-348.095 t=21.921 t，压滤机金属回收损失率为21.921 t÷370.016 t×100%=5.92%。压滤机金属回收损失率与原设计3%的浸回差相比，超出了2.92%。

2 压滤工艺改造方案研究

2.1 压滤工艺改造方案

鉴于目前压滤机生产能力不足及洗涤效率较低的情况，本次设计改造方案为：1)浸出矿浆进压滤机，其中第一次、第二次洗涤仍采用压滤机机洗方式，第三次洗涤调整为再制浆洗涤、浓密沉降方式；2)改变第一次、第二次洗涤进液方式，由对角洗涤改为中心孔进液洗涤。将压滤机第二次洗涤后的滤饼，用吸附尾液制浆(液固比为2∶1)并添加絮凝剂后[9]，进浓密机进行浓密沉降，溢流液去压滤机作为洗水或再制浆用；浓密底流采用压滤机进行固液分离，滤液返回原压滤机作为第二次洗水，尾渣仍使用尾矿皮带输送至尾矿库。

试验表明，在相同条件下未添加絮凝剂的矿浆采用布氏漏斗抽滤，用时约25 min；添加絮凝剂的矿浆，10 min即可抽干(自然过滤约2 min矿浆表面即无积液)。结合相似矿山运行经验及矿浆实际过滤试验[10-11]，在该矿压滤机进料前添加絮凝剂，可使进料时间由33 min缩短至28 min，缩短5 min。

同时，第一次、第二次洗涤由对角进液改为中心孔进液洗涤后，洗涤时间可节约3 min左右。通过添加絮凝剂改变滤饼性能，卸料将会更加容易，只需3～5 min即可合板。

2.2 压滤工艺改造效果

2.2.1 产能提高分析

通过在矿山开采过程中对泥岩的剥离及絮凝剂的添加，结合对2014年该矿水冶厂压滤机部分运行数据的分析，改造后单台压滤机的运行周期可缩短至123 min，见表5。

表5 压滤机运行周期对比

压滤机的处理能力不仅与单台压滤机的运行周期有关，还与进料时间有关(每条线1个进料管)。单台压滤机运行周期为123 min，进料时间为28 min，有2条压滤生产线，每条按5用1备考虑，压滤机的处理能力计算如下。

按单台压滤机运行周期计算，压滤机每天处理干矿石量为24(h/d)×60(min/h)÷123 min×5(台/条)×2(条/d)×19.8(t/d)=2 318 t/d。原设计压滤机处理干矿石量为2 000 t/d，改造后的生产能力为原设计能力的115.9%(即：2 318÷2 000×100%=115.9%)。

按压滤机进料时间计算，压滤机每天处理干矿石量为24(h/d)×60(min/h)÷28(min/条)×2(条/d)×19.8(t/d)=2 036.6 t/d，改造后的生产能力为原设计的101.8%(即：2 036.6÷2 000×100%=101.8%)。

压滤机生产能力必须同时满足进料时间和运行周期条件，因此该条件下压滤机的生产能力为原设计的101.8%，可实现达产。

2.2.2 金属回收率提高分析

设计年处理60万t矿石(原矿品位0.130%)，尾渣含水率20%，则产生尾渣量为75万t(固相60万t，液相15万t)。2014年生产工艺洗液铀质量浓度为411.0 mg/L，滤饼液相中的金属量为61.65 t，回收率损失为7.90%。

根据改造后的压滤工艺，在制浆液固比分别为2∶1、1.5∶1条件下计算回收率，结果见表6。

表6 不同液固比制浆洗涤后的回收率

由表6可见，按设计产能计算，优化压滤工艺后，按2∶1液固比制浆，压滤岗位回收率提高约6.25%，每年多回收金属约48.8 t；按1.5∶1液固比制浆，压滤岗位回收率提高约5.70%；每年多回收金属约44.5 t。

2.3 改造固定投资及新增生产成本测算

测算依据：设计年处理60万t矿石(原矿品位0.130%)；压滤工艺按2∶1液固比制浆。

2.3.1 固定投资

新增主要工艺设备情况见表7。可以看出，需一次性投入设备费用约2 129.8万元。

表7 新增主要工艺设备明细

2.3.2 新增生产费用

新增生产费用为压滤多回收48.8 t金属产生的费用，压滤工序前的其他各工序的化工材料不会变化，主要是增加压滤后续生产原材料、电力、人力及其他成本，具体见表8。可以看出，每年需新增人力、材料成本约663.34万元。

表8 压滤工艺改造后新增人力、材料成本测算

2.4 改造后收益分析

测算依据：设计年处理60万t矿石(原矿品位0.130%)；压滤工艺按2∶1液固比制浆，每年多回收金属约48.8 t。以40美元/磅U3O8、人民币兑美元汇率按6.5∶1估算，折合得出67.7万元/t金属。则每年因提高回收率、多产出金属产生的收益为：48.8 t×67.7(万元/t)≈3 304万元。

提高压滤机洗涤效率不仅提高金属回收率，也会降低碱耗。因在试生产过程中，碱耗问题未做专题考察，此处做粗略测算。压滤机二洗后碳酸钠质量浓度约22.1 g/L，碳酸氢钠质量浓度约8.1 g/L；经测算采用制浆洗涤后，碳酸钠、碳酸氢钠质量浓度均可降低50%以上，按年处理60万吨矿石计算，每年可回收碳酸钠约1 658 t、碳酸氢钠约608 t，按2014年价格测算可节约费用约838万元。

结合投入及产出费用，改造后第一年即可收回全部投资，且可实现增收1 348.8万元(即：3 304万元-2 129.8万元-663.4万元+838万元≈1 348.8万元，未扣除设备安装及运输费用)。

3 结论

在考虑现场实际情况的基础上，结合类似矿山的生产数据，进行了压滤工艺改造方案研究。测算结果表明，改造后单台压滤机运行周期可由目前的180 min缩短至123 min；按设计产能计算，每年可多回收金属约48.8 t，提高金属回收率约6.25%。此改造方案可提高滤饼洗涤效率，增加回收率，同时可降低压滤机作业运行周期，提升压滤机产能。

压滤工艺改造方案需一次性投入设备费用约2 129.8万元，每年需新增人力、原材料成本约663.4万元，改造后第一年即可收回全部投资，且可实现增收1 348.8万元。