轻稀土萃取分离新工艺技术研发工作报告

轻稀土萃取分离新工艺技术

工 作 报 告

广东富远稀土新材料股份有限公司

2015年1月

一、项目背景

1.1 立项背景

轻稀土含量多，应用范围广，用量大，是稀土元素中重要的部分。我国南方离子型稀土矿（除高钇矿外）普遍以轻稀土（La、Ce、Pr、Nd）为主，约占60%，我国北方的混合稀土精矿和四川的氟碳铈矿也均以轻稀土为主，占96%～98%，南北稀土矿的这一特点决定了稀土分离的关键在于轻稀土的分离，轻稀土的分离成本占到整个分离成本的30%～60%。北方的混合稀土精矿和四川的氟碳铈矿经化学提铈的轻稀土组份与离子吸附型稀土矿的轻稀土组份类似，其数量约占总量的40%，可以使用相同的分离流程。我国对氟碳铈矿稀土萃取分离工艺研究起步较早，在生产工艺和理论研究方面取得了颇具特色的成果，并建立了相应的轻稀土分离工艺流程，这些流程各有不同缺点和不足，是针对高铈的北方轻稀土原料而设计的，特别是对南方离子型稀土矿分组得到的轻稀土和北方矿经化学提铈、分组得到的轻稀土的分离不甚理想，普遍存在充槽物料和酸碱消耗大，固定投资和生产成本过高的问题，因此，有必要研究开发充槽物料和酸碱消耗更省的轻稀土萃取分离的方法。

2.2 国内外技术发展现状与趋势

轻稀土通常是指镧、铈、镨、钕四种稀土元素的总称。它们具有较低的原子序数和较小质量。目前轻稀土的萃取分离普遍采用P204—煤油—盐酸体系或P507—煤油—盐酸体系，其国内外技术发展现状与趋势有以下几个方面。

（1）传统分离方法

轻稀土萃取分离的传统方法和流程是采用P204—煤油—盐酸体系或P507—煤油—盐酸体系按Pr/Nd、Ce/Pr、La/Ce分离顺序先后得到Nd、Pr和La、Ce产品，或按LaCe/PrNd、La/Ce、Pr/Nd分离顺序先后得到La、Ce和Pr、Nd产品，这两种传统方法充槽物料和酸碱消耗大，固定投资和生产成本高。

传统的轻稀土分离工艺流程图如下：

第二种流程的Pr/Nd的分离则可以选择水相进料和有机进料（OF）方式，如采用有机进料方式可减少了LaCePr/CePrNd前一分离槽负载有机相的反萃酸的消耗和Pr/Nd分离时有机相重新负载PrNd的碱的消耗，生产成本会有所下降。但会大大增加Pr/Nd分离槽的体积，造成设备投资变大和充槽物料变多。

目前，在全国稀土分离企业中还有相当数量的企业使用这种传统工艺，究其原因是这种工艺流程短，控制简单，技术要求低，技术人员水平和工人素质要求低。

（2）三出口方法

针对传统方法的不足，严纯华等人对氟碳铈矿稀土萃取分离流程做过改进，开发了带三出口的轻稀土分离工艺流程，其针对高铈的北方轻稀土原料而设计的。带三出口的轻稀土分离工艺流程图如下：

这两个流程均采用三出口技术，三出口能有效利用分离功，它从中间引出高浓度、小体积的富集物溶液，使后续分离槽进料量下降，从而减少后续分离所需的萃取量和洗涤量，后续分离槽的体积变小，减小了设备及充槽的投资，降低了酸碱单耗。第二种流程中Pr/Nd分离也可以选择水相进料和有机进料方式。

这种工艺在1995年前后开始在有些稀土分离企业中应用，由于充槽物料和酸碱单耗没有很大下降，加上三出口控制要求高，三出口组份和出口量波动大，不稳定，易出质量问题，所以未能普及推广。

（3）组合联动法

邓佐国等人也对混合轻稀土萃取分离工艺进行了优化研究，开发了带模糊分离的轻稀土分离工艺流程，其针对高铈的北方轻稀土原料而设计的。组合联动轻稀土分离工艺流程图如下：

在组合联动萃取分离工艺流程中采用了模糊分离、置换萃取、有机相进料技术，将多套具有一定分离功能的分离模块通过一定的方法巧妙地组合串联在一起，形成联动，组合联动技术实现用一个工序得到多个分离产品，且整个工序酸、碱、料各只有一个加入点，简化了工序环节和操作控制，实现减小固定投资、降低生产成本的目的。模糊分离技术可以选用很小的萃取量来分离，大大减小萃取槽体积和缩短工艺级数，降低了充槽一次性投资和化工材料单耗。置换萃取技术利用La/CePr分离槽的负载有机相的S量顶替CePr/Nd分离槽的S量，CePr/Nd分离槽的W量来顶替La/CePr分离槽的W量，实现La/CePr分离槽反萃不用酸和CePr/Nd分离槽有机相不用碱皂化，大大降低了酸碱单耗，可以节省大量的生产成本。

这种工艺在2003年前后开始在有些稀土分离企业中应用，由于充槽物料和酸碱单耗没有较大下降，由于这种工艺控制稍复杂，技术人员水平和工人素质要求需，只有相当实力的企业采用。

加上三出口控制要求高，三出口组份和出口量波动大，不稳定，易出质量问题，所以未能普及推广。

（4）萃取槽级段配置

在传统的萃取分离工艺中，有机相采用按批次地间歇式皂化，将皂化好的有机相从高位槽流进萃取槽第1级，这种传统的有机相皂化方式既增加了工序，又不方便及时工艺参数。而且出口水相浓度低，水相衡接不理想，存在后续分离萃取槽和存贮设备体积增大的问题，降低了分离能力，另还存在出口水相杂质富集，易造成NaCl等结晶盐对槽体的堵塞现象。

在传统的萃取分离工艺中，洗涤段加入洗酸，反萃段加入反酸，经常存在洗涤段和反萃段负载有机相与洗酸、反酸流量相差很大的情况，造成相比失调，产生的后果是负载有机相与洗酸、反酸在混合室未能充分接触反应，造成反应平衡时间延长，洗涤和反萃效果差，级效率低，生产上需用超过理论值数倍的酸量进行洗涤和反萃，导致体系平衡酸度和反萃液剩余酸度高，降低了洗酸和反酸的利用率，增大了酸的消耗，提高了分离成本，也影响分离产品质量下降，反萃液稀土浓度低、酸度高、体积大，与后续工序的衔接带来许多麻烦。

二、项目的工作内容

公司高度重视研发工作，成立了研发小组，组织人力，安排资金，迅速展开了相关研发工作。自主开发出“一种轻稀土萃取分离的方法”，本工艺技术解决目前轻稀土萃取分离充槽物料和酸碱消耗过大的问题，使生产线达到连续、稳定、低耗的流水线作业要求，降低了生产成本，减小了环境污染，提高了产品质量，产生了较好的经济效益和社会效益。

2.1项目的组织管理

1、研发小组

研发工作由公司工程技术研究开发中心负责。项目成立了由公司领导任负责人的13人研究开发小组，其中2人为辅助人员，成员专业涵盖：治金、机械设备、环境、无机化工等。详见下表2-1。

表2-1  研究开发小组成员名单

参加人员	所属部门	职务、职称	承担任务
杨金华		总经理	技术指导
凌  诚		副总经理、工程师	技术指导
韩旗英	技术部	经理、工程师	项目负责
韩德义	质监部	经理	项目实施
钟德强	生产部	经理	项目实施
韩新福	生产部	副经理	项目实施
林强绪	技术部	副经理	项目实施
李世清	沉淀车间	车间主任	项目实施
杨聪产	前处理车间	车间主任	项目实施
韩芳悦	萃取车间	车间主任	项目实施
姚日金	灼烧车间	车间主任	项目实施
林永忠	中心化验室	主任	项目实施
廖  赣	中心化验室	副主任	项目实施
凌  雁	中心化验室	分析员	项目实施

2、研发资金

项目投入经费600万元，主要用于研究开发和购买分离设备和原辅材料。项目研发资金使用情况详见下表2-2。

表2-2  项目研发资金使用情况表

科目	金额（元）	说明
内部研究开发投入额
其中:人员人工
直接投入
折旧费用
长期费用摊销
设计费
设备调试费
无形资产摊销
其他费用
委托外部研究开发投入额
其中:境内的外部研发投入额
研究开发投入额(内、外部)小计

3、研发进度

研发从2014年1月展开，历时12个月。项目研发进度包括项目前期工作、勘察设计、建筑施工、设备订货、设备安装调试、试生产、竣工验收交付使用共7个阶段。本项目研发进实施度见表2-3。

表2-3  研发实施进度表

序号	项目	时间
1	工程前期工作	2014.1.1——2014.2.28
2	勘察设计	2014.3.1——2014.3.31
3	建筑施工、改造	2014.4.1——2014.4.30
4	设备订货、制作	2014.5.1——2014.7.15
5	设备安装调试	2014.7.16——2014.8.15
6	试生产	2014.8.16——2014.11.30
7	验收交付使用	2014.12.1

2.2 主要研究内容

项目主要研内容有两方面：

（1）轻稀土萃取分离新工艺技术研究；

工艺设计的指导思想是实现最小的设备和充槽投资、最低的生产成本、最方便的操作控制。

（2）工业化生产设备的研制

根据萃取分离生产要求，研究高效混合澄清萃取槽和能实现液体连续稳定给料的加料装置。

2.3 解决的关键技术

项目需解决的关键技术主要有三点：

（1）尽量减少设备和充槽物料及酸碱单耗，设计可节省投资和降低生产成本的先进合理工艺技术。

（2）提高萃取分离槽级效率和两相流通稳定性，解决槽体密封性，有机和盐酸气体不逸出槽外污染环境。

（3）萃取分离过程中液体的定量加入控制方式，使生产线达到连续、稳定的流水线作业要求。

2.4 采用的工艺流程

工艺设计的指导思想是实现最小的设备和充槽投资、最低的生产成本、最方便的操作控制。为此需使用最小的萃取量和最大程度利用萃取量，经广泛查阅文献资料和深入研究，轻稀土萃取分离新工艺技术拟采用工艺流程如下：

第一步利用较经济合适的萃取量得到最大量的单一产品和最少量的中间组份和难分离元素组份，以减少后续的进料量；第二步利用模糊分离和置换萃取减少萃取量；第三步多次重复利用萃取量并提高单一La的料液质量，把从原料及酸碱中引入的轻金属离子予以大部分去除，生产出钙含量低的镧料液。

三、项目的成果水平及创新性

3.1 项目达到的主要技术、经济指标

我公司采用自主开发的“一种轻稀土萃取分离的方法”，于2010年开始工业化应用，建成了年分离1800吨轻稀土富集物的生产线，经验证达到了如下技术、经济指标：

（1）存槽有机相（1.5mol/L P507—煤油）减少近125.3M3，稀土存槽量减少18.18吨，充槽投资大幅下降。

（2）萃取分离得到的单一轻稀土产品料液Ca等杂质＜10mg/l，与传统萃取分离工艺相比，提高了产品质量档次。

（3）吨轻稀土（REO）萃取分离的总萃取量为9975mol，消耗工业盐酸3.46吨，工业液碱4.04吨，大幅度降低酸碱单耗。

（4）箱式混合澄清萃取槽级效率达85%，分离效果加大，槽体采用水封使槽内气体不外逸。转盘式连续加液装置流量误差小于3%，满足生产要求。

3.2 成果技术水平

经公司应用认为：“该工艺技术合理先进、效果明显，能为公司带来了巨大经济效益和社会效益”。目前国内外未见与本项目技术特点相同的文献报道，也未有企业采用该轻稀土萃取分离工艺技术的报道，该轻稀土萃取分离工艺技术达到国内领先水平。

3.3 技术创新性

该轻稀土萃取分离新工艺技术充分利用了模糊分离、置换萃取、组合联动、三出口、有机进料、稀土洗涤、萃取槽连续碱皂化、萃取槽连续稀土皂、萃取量和洗涤量复用等工艺技术进行优化，工艺先进合理，流程设计独特，具有以下技术创新：

（1）降低了槽存有机相和稀土的物料量，降低了酸碱试剂单耗，减小了设备和充槽投资，降低了生产成本，减少了生产废水排放量；

（2）萃取分离得到的单一轻稀土产品料液Ca等杂质含量少，提高了产品质量档次。

（3）设备结构合理，性能好，操作控制方便。

3.4 与国内外同类技术比较

针对稀土中含量多、应用范围广、用量大的轻稀土组份萃取分离充槽物料和酸碱单耗过大的问题，采用自主研发的新工艺技术，使轻稀土萃取分离生产线达到连续、稳定、低耗的流水线作业要求，减少了充槽投资，降低了生产成本，减小了环境污染，提高了产品质量，创造了较好的经济效益和社会效益，工艺先进合理，流程设计独特，达到国内领先水平，研究取得2项发明专利，发表论文1篇。

通过对传统、三出口、组合联动三种方式的六个流程工艺参数的详细计算，归纳比较技术经济指标如下表：

技术经济指标	传统流程		三出口流程		组合联动流程
	流程A	流程B	流程A	流程B	流程A	流程B
萃取槽（套）	4	4	4	4	5	8
总级数（级）	305	305	305	305	325	545
有机相存槽量（m3）	473.8	505.4	401.2	545.1	432.4	348.5
稀土存槽量（t）	82.31	93.71	70.02	92.92	77.47	.13
总萃取量（mol/吨REO）	19037	19185	16148	19111	15136	9975
HCl单耗（t/吨REO）	6.6	6.65	5.55	6.62	5.26	3.46
液碱单耗（t/吨REO）	7.71	7.77	6.54	7.74	6.13	4.04
废水排放量（m3/吨REO）	17.19	17.32	14.5	17.25	13.69	9

从对传统、三出口、组合联动三种方式的六个流程的存槽投资与试剂消耗等技术经济指标比较中可以看出，组合联动流程B即本轻稀土萃取分离新工艺技术存槽有机相比传统流程A减少26.4%为125.3 m3，稀土存槽量减少22.1%为18.18吨，按2010年充槽期间P507（比重0.9g/cm3）、煤油（比重0.8g/cm3）、轻稀土富集物价格5.2万元/吨、0.78万元/吨、8.5万元/吨计算，充槽物料减少约503万元。每分离1吨（纯REO）轻稀土富集物原料的总萃取量减少47.6%，盐酸消耗减少47.6%为3.14吨，液碱消耗减少47.6%为3.67吨，按投产时盐酸、液碱价格650元/吨、700元/吨计算，用新工艺每分离1吨（纯REO）轻稀土富集物原料，可减少酸碱生产成本约5096元，每年可减少酸碱生产成本约917.28万元，并分离1吨轻稀土减少生产废水8.19m3。

由此可见，组合联动流程B即本轻稀土萃取分离新工艺技术是最优的，这种带有模糊分离和置换萃取的组合联动轻稀土分离新工艺流程充分利用了模糊分离、置换萃取、组合联动、三出口、有机进料、稀土洗涤、萃取槽连续碱皂化、萃取槽连续稀土皂等工艺技术进行优化，降低了槽存有机相和稀土的物料量，降低了酸、碱试剂耗量，减小了充槽投资、生产成本和生产废水排放量，工艺先进合理，经济效益十分显著。

3.5 知识产权状况

本项目拥有自主知识产权，其核心技术已授权发明专利两项，授权发明专利名称为：

（1）一种轻稀土萃取分离的方法(授权专利号:ZL201210433593.1)；

（2）转盘式连续加液装置(授权专利号:ZL201020635592.2)。

四、项目产业化现状与趋势

4.1 科研成果转化状况

本工艺技术已在公司生产中应用，已于2010年开始工业化应用，建成了年分离1800吨轻稀土富集物的生产线，解决目前轻稀土萃取分离充槽物料和酸碱消耗过大的问题，节省充槽物料资金约503万元，满负荷生产时每年可减少酸碱生产成本约917.28万元。工艺先进合理，使生产线达到连续、稳定、低耗的流水线作业要求。降低了建设投资和生产成本，减小了环境污染，提高了产品质量。经过三年多的生产运行，该生产线为我公司带来了巨大经济效益和社会效益，累计新增利润8742.18万元，新增税收8280.9万元，详见下表。

年份	轻稀土处理量 （吨）	销售额 (万元)	新增利润 (万元)	新增税收 (万元)	节支总额 (万元)
2011	810	280377	5939.91	5243.04	385.80
2012	905	155185	2682.19	2901.95	419.75
2013	470	726.7	120.09	135.90	203.19
累计

4.2 市场需求

近l0年来，随着稀土在高科技领域的开发应用研究不断取得重大突破，稀土材料的应用越来越广，特别是稀土永磁材料、发光材料、储氢材料等稀土功能材料在高新技术产业中的大规模应用，已成为拉动国民经济及国防建设持续稳定发展的重要支撑条件，并促进了相关产业的发展和科学进步。2012年中国拥有稀土冶炼分离企业100多家，稀土分离能力保守估计已经达到17万吨，实际可能超过20万吨。其中稀土金属的生产能力已经达到4～5万吨的水平，其中单一稀土金属的年生产能力达3万吨，混合稀土金属的年生产能力约为2万吨。

以区域稀土资源为核心，中国稀土产业形成了三大基地和南北两大稀土生产体系的格局。这三大基地一是以包头混合型稀土为原料的北方稀土生产基地，分离能力约8万吨；二是以江西等南方七省的离子型稀土矿为原料的中重稀土生产基地，分离能力约6万吨；三是以四川冕宁氟碳铈为原料的氟碳饰矿生声基地分离能力约3万吨。

2012年稀土冶炼分离产品产量达11万吨(REO)，占世界总产量的88%，国内稀土消费量为6.7万吨。广东6家稀土冶炼分离企业，年分离能力1.5万吨；2012年，实际生产稀土冶炼分离产品9130吨；实现销售收入约11亿元；出口稀土产品3361吨(REO)，创汇7000万美元，广东已成为我国稀土生产大省和消费大省，在我国稀土市场上具有举足轻重的地位。广东省离子型稀土资源分布广，资源保有储量大，广东省在未来将会成为我国离子型稀土分离大省。随着稀土产业规模的不断扩大，稀土冶炼分离过程中的节能减排问题日趋严重，需要大力降低产品单耗和提高资源的综合利用率。

目前广东省内南方离子型稀土矿稀土分离厂有5家，年处理能力达15000吨，轻稀土组份约占60%，轻稀土数量为9000吨，同时国内南方离子型稀土矿分离能力达60000吨，轻稀土数量有36000吨。另外我国北方矿年处理能力已达110000吨，其化学提铈后的轻稀土组份约占总量的40%，轻稀土数量约有44000吨。因此本项目有很大的推广市场，能为稀土行业带来较大的技术进步。

4.3 竞争能力

本工艺技术解决目前轻稀土萃取分离充槽物料和酸碱消耗过大的问题，工艺先进合理，使生产线达到连续、稳定、低耗的流水线作业要求。降低了建设投资和生产成本，减小了环境污染，提高了产品质量。目前，国内外未见与本项目技术特点相同的文献报道，也未有企业采用该轻稀土萃取分离工艺技术的报道，该轻稀土萃取分离工艺技术达到国内领先水平，竟争能力强。同时我们还将利用自身的技术优势，进一步提高技术水平量，增强竞争优势。

4.4 预期经济和社会效益

目前广东省内南方离子型稀土矿稀土分离厂有5家，年处理能力达15000吨，轻稀土组份约占60%，按每分离一吨轻稀土可节约生产成本5096元计，广东省内南方离子型稀土矿稀土分离厂每年可节约生产成本4586.4万元。同时国内南方离子型稀土矿分离能力达60000吨以上，按上述计算方式，如果采用本分离工艺技术可年节约生产成本1.83亿元以上。另外我国北方矿年处理能力已达110000吨以上，其化学提铈后的轻稀土组份约占总量的40%，按上述计算方式，如果采用本分离工艺技术可年节约生产成本2.24亿元以上，即全国推广累计可节约生产成本近4亿元。因此本项目有很大的推广市场，产业化前景广阔，能为稀土行业带来巨大效益和技术进步。