Lateritik nikel cevherlerinde yüksek basınçlı kademeli asit liçi uygulama parametrelerinin proses verimi ve sürekliliği üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of high pressure incremental acid leaching application parameters on process efficiency and continuity in lateritic nickel ores
Yazar: BÜŞRA ÖZSOY DUMAN
Danışman: DOÇ. DR. İLKAY BENGÜ CAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Lateritik nikel cevherlerinin işlenmesinde kullanılan yüksek basınçlı asit liçi (HPAL) prosesinde, çözünme ve çökelme mekanizmalarının sonucunda meydana gelen ve otoklav ile aktarma ekipmanlarının yüzeylerinde birikerek çalışma verimini doğrudan etkileyen kabuklaşma (scale) önemli bir sorun oluşturmaktadır. Scale oluşumları çalışma günü kayıplarına sebep olan tesis duruşları ile temizlendiğinden, proses sürekliliğini bozan bu hususun ortadan kaldırılması önem taşımaktadır.
HPAL yönteminde, sülfürik asit genellikle otoklavın ilk bölmesinden beslenmektedir. Bu çalışma kapsamında, sülfürik asidin otoklav içerisine kademeli ve değişken oranlarda dozajlanmasının metal ekstraksiyon verimi ve scale oluşumuna bağlı proses sürekliliği üzerine etkileri incelenmiştir. Yüksek basınç ve sıcaklık altında çalışan otoklav içerisine istenilen miktarda asitin belirli zaman aralıklarında ilave edilebilmesi için laboratuvar ölçekli otoklav üzerinde bazı modifikasyonlar uygulanarak yeni bir tasarım yapılmıştır.
Liç için gerekli toplam asit miktarı değiştirilmeden, bu miktarın otoklava tek seferde eklenmesinin yanı sıra iki ve üç kademede ve bu kademelerde de artan, eşit ve azalan oranlarda asit dozajlanarak yüksek basınçlı asit liçi testleri yapılmıştır. Tüm rutinler arasında üç kademede ve eşit oranda asit dağılımı deney koşulu (3K-E), standart sistem olan tek kademe asit dozajı (STD) deneyine göre hem değerli metal ekstraksiyon verimi hem de scale oluşum oranında iyileşme sağlamıştır. Üç kademeli eşit dağılım rutinine göre ekstraksiyon verimi nikel bazında %2,5 ve kobalt bazında %4,1 oranında artarken aynı zamanda liç sonrası yüklü solüsyon (PLS) içeriğindeki safsızlıklar azalarak seçimlilik artmıştır. Üç kademe eşit asit dağılımı ile standart koşul kıyaslandığında scale oluşum oranı %96 azalmaktadır.
Ekstraksiyon verimi ve scale oluşum oranı verilerinin deney grupları arasında güvenilirlik ve anlamlılık düzeyini belirlemek için istatistik analiz yöntemlerinden tek yönlü varyans analizi ve post-hoc testi uygulanmıştır. En iyi koşul olarak belirlenen 3K-E deney sonuçlarının standart koşula göre anlamlı düzeyde farklı olduğu bulunmuştur. Bu iki deneye ait liç kinetiği incelenerek reaksiyon hızını etkileyen mekanizma modeli belirlenmiştir. Ayrıca 3K-E koşulunda sıcaklık, asit cevher oranı, tane boyu ve karıştırıcı hızı parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda incelenen parametrelerin değerli metal ekstraksiyon verimi üzerinde bir iyileştirme sağlamadığı ancak tane boyutunun incelmesi ve karıştırıcı hızının artması ile PLS seçimlilik değerinin bir miktar arttığı belirlenmiştir.
Üç kademe eşit asit dağılımı deneyinden elde edilen yüklü solüsyonun liç sonrası prosese etkisinin belirlenebilmesi amacıyla saflaştırma ve karışık hidroksit çökelti (MHP) eldesi deneyleri yapılmış ve standart yöntemle elde edilen PLS ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Standart koşula ait PLS içeriğinde daha yüksek miktarlarda bulunan safsızlıkları gidermek, bu safsızlıkların çökelmesi sırasında daha yüksek nikel, kobalt kayıplarına yol açmış ve safsızlık konsantrasyonlarını istenen seviyelere düşürmek için daha yüksek miktarda alkali reaktifi gerekli olmuştur. Kademeli deneyden elde edilen yüklü solüsyonun hedeflenen oranda saflaştırılması için gereken reaktif tüketimi standart koşula göre %21 daha düşüktür. Her iki koşul için MHP kalitesi gözetilmiş ve deneyler satılabilir ürün özelliklerini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Standart koşula ait MHP ürünü %38,4 Ni ve %2,2 Co içerirken, kademeli koşula ait MHP ürünü %38,9 Ni ve %2,2 Co içermektedir. Kademeli deneyde standart koşula göre miktarca %12 daha fazla kuru bazda MHP ürünü elde edilmiştir. Buradaki iyileşme kademeli asit dağılımı sonucunda elde edilen değerli metal çözünme verimi ile bağlantılıdır.

Abstract:
In the high-pressure acid leaching process of lateritic nickel ores, scaling, which occurs as a result of dissolution and precipitation mechanisms and accumulates on the surfaces of autoclave and transfer equipment, is an important problem that directly affects the working efficiency. Since scale formations are cleaned with plant shutdowns that cause working day losses, it is important to eliminate this issue that disrupts process continuity.
In the HPAL process, sulfuric acid is usually fed from the first compartment of the autoclave. Within the scope of this study, the effects of incremental and variable sulfuric acid dosing into the autoclave on metal extraction recovery and process continuity due to scale formation was examined. A new design has been made by applying some modifications on the laboratory-scale autoclave in order to add desired amount of acid at certain time intervals to the autoclave operating under high pressure and temperature.
Without changing the total amount of acid required for leaching, besides adding this amount to the autoclave at once, high-pressure acid leaching tests were performed by dosing acid in two and three stages and in these stages at increasing, equal and decreasing rates. The test condition (3K-E) of equal distribution in three stages across all routines provided significant improvement on both the precious metal extraction recovery and the scale formation rate compared to the standard system of single-stage acid dosage (STD) experiment. According to the three-stage equal distribution routine, the extraction recovery increased by 2.5% on nickel basis and 4.1% on cobalt basis, while at the same time impurities in the pregnant leach solution (PLS) content decreased and selectivity increased. When 3K-E is compared with the standard condition, the scale formation rate decreases by 96%.
One-way analysis of variance and post-hoc tests were applied as statistical analysis methods to determine the reliability and significance level of extraction recovery and scale formation rate data between experimental groups. It was found that the results of the 3K-E experiment, which was determined as the best condition, were significantly different from the standard condition.
The mechanism model controlling the reaction rate was determined by examining the leaching kinetics of these two experimental conditions. Also, the effects of temperature, acid-to-ore ratio, particle size, and agitator speed parameters were investigated in the 3K-E condition. In this context, it was determined that the parameters did not provide an improvement in the precious metal extraction, but the PLS selectivity increased a little with the fine grain size and the higher agitator speed.
Neutralization and mixed hydroxide precipitate (MHP) experiments were carried out to determine the effect of the PLS obtained from the 3K-E test on the downstream process and compared with the PLS of STD condition. Removing impurities contained in higher quantities in the PLS content of the STD condition led to higher nickel and cobalt losses during the precipitation of these impurities, and a higher amount of alkaline reagent was required to reduce the impurity concentrations to the desired levels. The reagent consumption required to purify the PLS of the 3K-E experiment was 21% lower than the STD. MHP quality was considered for both conditions and experiments were designed to provide saleable product characteristics. The MHP products of the STD and 3K-E contain 38,4% Ni, 2,2% Co, and 38,9% Ni and 2,2% Co, respectively. In the 3K-E, 12% more dry-based MHP product was obtained compared to the standard condition. This improvement here is correlated with the precious metal dissolution ratio obtained as a result of incremental acid distribution.