Разработка экологически чистых технологий комплексного извлечения благородных и цветных металлов из электронного лома

На правах рукописи

Лолейт Сергей Ибрагимович

Разработка экологически чистых технологий комплексного извлечения благородных и цветных металлов из электронного лома

Специальность - 05.16.02 -
Металлургия чёрных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации
на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на ОАО «Щёлковский завод вторичных драгоценных металлов» и «Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Задиранов А. Н.

доктор технических наук, член-корреспондент РАН Бурханов Г.С.

доктор технических наук, профессор Карелов С.В.

Ведущая организация:

ГНЦ ОАО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»

Защита состоится «___» ___________ 2010 г. на заседании диссертационного совета Д.212.132.05 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке «Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов».

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Учёный секретарь
диссертационного совета Лобова Т.А.

Общая характеристика работы

В последние десятилетия в горнорудной промышленности практически во всех странах мира сформировались устойчивые тенденции роста затрат при добыче руд и производства из них цветных и драгоценных металлов. Основными причинами наблюдаемого удорожания являются:

- уменьшение запасов руд цветных и драгоценных металлов, необходимость добычи и переработки более бедных руд и, соответственно, увеличение затрат на добычу и производство из них металлов;

- быстрый рост цен на источники сырья и энергию;

- необходимость ориентироваться лишь на собственные источники сырья, особенно стратегического;

- выполнение международных соглашений и государственных требований по охране окружающей среды, в связи с чем удаление и захоронение отходов производства становятся экономически всё более затратными.

Особая роль драгоценных металлов обусловлена местом, которое они занимают в финансовой системе отдельных государств и мирового сообщества в целом. Использование вторичного металлосодержащего сырья в современном мировом производстве металлов быстро и неуклонно растёт. Причём из-за роста цен на сырьё и энергию рецикл отработанных техногенных продуктов может рассматриваться даже более эффективным, чем использование первичного сырья. В ряде промышленно развитых стран производство вторичных металлов составляет 30-40% от общего объёма первичного производства.

Одним из массовых и ценных видов комплексного вторичного металлургического сырья является электронный лом. Суммарная масса образующегося электронного лома в России в настоящее время составляет несколько миллионов тонн в год. В последние годы были остановлены и ликвидированы тысячи нерентабельных предприятий, образовался огромный парк оборудования и техники, подлежащей утилизации и переработке. Образовавшиеся отходы, с одной стороны, наносят огромный вред окружающей среде, но с другой стороны, представляют собой ценнейшие ресурсы, по содержанию полезных компонентов превосходящие природные источники. Всё это создаёт реальные предпосылки для развития в России крупномасштабного производства вторичных и, в частности – драгоценных металлов.

Экономические оценки возможных процессов переработки электронного лома с извлечением только драгоценных металлов указывают на недостаточную эффективность такого производства из-за низкого содержания драгоценных металлов в ломе, несмотря на их высокую стоимость. Только комплексная переработка электронного лома с извлечением из него не только драгоценных, но и цветных и даже чёрных металлов позволит сделать указанный технологический процесс экономически целесообразным. Учитывая то обстоятельство, что металлы в электронном ломе обладают существенно различными физико-химическими свойствами, находятся в различном структурном состоянии и в комбинациях с различными неметаллическими составляющими, реализация комплексной и полной переработки электронного лома является, безусловно, актуальной, но крайне сложной научно-технической проблемой.

Для решения указанной проблемы необходимо создание научных основ переработки многокомпонентных материалов электронного лома и на их базе – разработка эффективных экологически чистых технологий, предусматривающих комплексное дифференцированное извлечение драгоценных и цветных металлов из электронного лома, а также создание современного специализированного оборудования для их практической реализации.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является создание научных основ комплексной переработки электронного лома и на этой базе – разработка технологических процессов и оборудования для извлечения из электронного лома различных драгоценных и цветных металлов. Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

- анализ современного состояния отечественного и зарубежного опыта по переработке отходов электронной, радио- и электротехнической промышленности;

- изучение состава различных видов электронного лома и его компонентов и на основе статистически обоснованного анализа данных о структуре и химическом составе электронного лома различных видов разработка классификации различных видов электронного лома.

- определение интервалов усреднённых концентраций содержащихся в электронном ломе металлов: драгоценных (Au, Ag, Pt, Pd), цветных и чёрных, и их дифференциация по классам (группам) лома;

- исследование физико-химических процессов (гидрометаллургии, обжига, плавки) протекающих при переработке различных видов электронного лома и разработка технологий комплексного извлечения драгоценных и цветных металлов из электронного лома различного типа;

- исследование технологических характеристик процессов обжига электронного лома, его гидрометаллургической переработки и плавки электронного лома с использованием медного коллектора с целью оптимизации условий проведения указанных процессов и промышленного освоения переработки электронного лома;

- разработка технологических регламентов для проектирования печей для обжига электронного лома и печи для плавки электронного лома с использованием медного коллектора.

Научная новизна

1. На основании существующего лома предложена классификация различных видов электронного лома по шести группам, в основу, которой положены сочетания металлических компонентов, содержащихся в электронном ломе и концентрационные интервалы для каждого металла.

2. Изучены кинетические характеристики процессов совместного растворения серебра, золота, меди, олова и свинца в растворах сильных кислот (HCl, HNO3, H2SO4) в зависимости от концентрации раствора, температуры и продолжительности процесса. Установлено взаимное влияние компонентов в отдельные продукты.

3. Раскрыт механизм процессов, происходящих при обжиге электронного лома с целью удаления органических компонентов. Установлено, что после воспламенения «органики» процесс переходит в автогенный режим, поддерживаемый скоростью загрузки лома в печь.

4. На основании изучения фазовых превращений материалов в процессе плавки электронного лома в окислительной и восстановительной атмосферах показано, что 10 %-ного содержания меди в исходном сырье достаточно для наиболее эффективного использования ее, как коллектора золота.

5. На основе анализа физико-химических свойств многокомпонентных шлаков системы CaO – SiO2 - FeO – Na2O, образующихся при плавке электронного лома, при плавке на коллектор установлено соотношение компонентов при котором обеспечивается низкая величина вязкости шлаков, снижаются потери меди до 0,4% и золота до 0,5%.

6. Разработана математическая модель процесса переработки различных видов электронного лома, позволяющая снизить себестоимость переработки, увеличить производительность и процент загрузки оборудования.

Практическая значимость

1. Разработана технология комплексной переработки различных видов электронного лома и ее промышленное освоение на ОАО «Щелковский завод ВДМ».

2. Разработана технология гидрометаллургической переработки электронного лома с селективным выделением драгоценных металлов (золота, серебра) и цветных металлов (меди, олова, свинца), и снизить нагрузку на окружающую среду, которая внедрена на ОАО «Щелковский завод ВДМ» и на ОАО «Красноярский завод цветных металлов им. В.Н. Гулидова».

3. Разработан технологический регламент для проектирования электрообогреваемой трубчатой вращающейся печи для обжига электронного лома, спроектирована, изготовлена и внедрена в производство на ОАО «Щелковский завод ВДМ» печь для обжига электронного лома производительностью 75-80 кг в час.

4. Разработан технологический регламент для проектирования плавильной дуговой печи с системой воздушного дутья для плавки электронного лома на медный коллектор, спроектирована, изготовлена и внедрена в производство печь ЭПЗ-1,5 непрерывного действия мощностью 1,5МВт на ОАО «Щелковский завод ВДМ»;

5. Внедрена на ОАО «Щелковский завод ВДМ» комплексная пирометаллургическая переработка электронного лома, которая позволила повысить извлечение золота, серебра, металлов платиновой группы, меди и других цветных металлов, и повысить производительности оборудования;

Достоверность полученных результатов и выводов

Научные результаты, обоснования и выводы базируются на большом объёме опытных данных, подтверждаются результатами многочисленных экспериментов, выполненных как на лабораторном, так и на промышленном оборудовании. Достоверность представленных результатов подтверждена применением современных физико-химических методов исследования, приборов, методик, их метрологического обеспечения, математических методов моделирования, планирования и анализов результатов проведённых исследований. Подтверждается реализацией комплексных технологических процессов переработки сырья и выпуском опытных и промышленных партий продукции заданного качества в условиях промышленного производства.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенная система классификации различных видов электронного лома по группам, отличающимся формой нахождения металлических компонентов в электронном ломе и концентрацией, позволяющая предложить рациональные и соответствующие для каждой группы технологические схемы переработки электронного лома.
2. Результаты исследований и выявленные закономерности взаимного влияния компонентов при их селективном выделении в процессе гидрометаллургической переработки электронного лома.
3. Результаты исследований параметров технологии обжига электронного лома и конструкция вращающейся трубчатой печи для его осуществления.
4. Разработанная технология плавки электронного лома с медным коллектором с использованием меди, содержащейся в электронном ломе, и конструкция дуговой печи для реализации процесса с контролируемой атмосферой рабочего пространства.
5. Математическая модель, выбора технологии переработки различных видов электронного лома, с целью минимизации суммарных затрат на получение 1 кг золота.

Личный вклад автора.

1. На основании анализа опыта работы отечественных и зарубежных предприятий по переработке электронного лома автору принадлежит инициатива изучения состава электронного лома и выбор новых технологий.
2. Автор обосновал направление исследований по разработке нового оборудования необходимого для осуществления процесса переработки электронного лома.
3. Автору принадлежит идея классификации сырья на шесть групп и разработки девяти технологий по которым может перерабатываться эти виды сырья. В основу оценки эффективности выбора технологических процессов он положил себестоимость получения 1 кг золота и экологическую безопасность.
4. Автор принимал активное и непосредственное участие на всех этапах выполнения работ по исследованию физико-химических основ гидрометаллургической переработке электронного лома, процесса обжига и плавки.
5. Автор непосредственно принимал участие в исследованиях и обсуждении результатов по разработке технологических регламентов, проектирования, промышленного освоения трубчатой обжиговой печи и печи для плавки на коллектор с регулируемой атмосферой.
6. Автор руководил и проводил консультации по внедрению разработанных им технологических процессов и оборудования на ОАО «Щёлковский завод вторичных драгоценных металлов», ОАО «Красноярский завод цветных металлов им. В.Н. Гулидова», ЗАО «Научно-экспериментальный центр ДИЭМ-21».
7. Автором лично разработана математическая модель выбора рациональной технологии переработки электронного лома. Только хорошо зная технологию и оборудования можно было разработать такую систему, которая бы прогнозировала результаты переработки и могла компоновать группы сырья для переработки его по одной из девяти предложенных схем.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на 9 международных и отечественных научно-практических конференциях и совещаниях:

Международная научно-практическая конференция «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» Москва – 2009г.,

9-10-11 Международные научно-технические конференции «Моделирование, идентификация, синтез систем управления» Донецк – 2006, 2007, 2008 г.,

10-я национальная конференция по металлургии с международным участием Болгария-София – 2007г.

VII-VIII –международные конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» Москва-Ереван – 2008 г., Талин, Эстония – 2009 г.

Международная конференция «Ресурсно-экологические проблемы в XXI веке:

инновационное недропользование, энергетика, экологическая безопасность и нанотехнологии» Алушта, Украина – 2009 г.

Публикации

Основные научные положения работы, методики и экспериментальные результаты изложены в 37 публикациях, в том числе в 2-х монографиях, 10 статях в журналах из перечня ВАК и 15 патентах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений.

В первой главе рассмотрены вопросы хсуществующей классификации электронного лома. Подробно изучено состояние вопроса гидрометаллургической и пирометаллургической переработки ЭЛ в России и за рубежом. Сформулированы недостатки в области переработки электронного лома и намечены пути проведения исследований.

Во второй главе проведен анализ состава электронного лома поступающего на переработку за последние 14 лет, определен его элементный состав и предложена классификация его на 6 составов. Разработаны и определены девять технологических схем пригодных для переработки предложенных шести составов. Предложена методика и рассчитана себестоимость 1 кг золота при переработке каждого вида сырья по девяти технологиям, что легло в основы выбора эффективной технологии.

В третьей главе на основании анализа девяти технологических схем представлены результаты исследований по извлечению благородных и цветных металлов гидрометаллургическими методами. Представлены результаты физико-химических исследований по изучению свинца, олова, серебра и меди из электронного лома. Изучена кинетика и представлены результаты растворения свинцово-оловянного припоя в растворе соляной кислоты, извлечения серебра из печатных плат. Представлены результаты по изучению кинетики сернокислотного выщелачивания меди с печатных плат в присутствии различных окислителей.

Приведены результаты выполненных исследований и термодинамических расчетов и представлены основные технологические параметры гидрометаллургической переработки электронного лома, разработана и предложена схема поэтапного извлечения благородных и цветных металлов.

Четвертая глава содержит результаты исследований по обжигу и плавке электронного лома разработку, проектирование, изготовление и внедрение нового оборудования для осуществления процесса. Приведены результаты физико-химических исследований по обжигу электронного лома. Приведена установка для проведения исследований. Представлены результаты по удалению органических веществ в зависимости от времени и температуры процесса. Приведены результаты термодинамических расчетов, которые позволили разработать режимы работы печи. Представлены результаты по изучению поведения цветных и благородных металлов в процессе обжига. Проанализирован состав газовой фазы и предложены мероприятия по полному дожиганию газов. На основании исследований и разработанного регламента в работе описана новая обжиговая печь, и даны ее технологические параметры, отработанные на производстве и чертеж.

Представлены результаты физико-химических исследований плавки электронного лома с медным коллектором. В качестве коллектора используется медь, находящаяся в ломе. Приведены данные результатов исследования по выбору шлаков. Представлены результаты по изучению вязкости различных шлаков системы CaO-SiO2-FeO-Na2O в зависимости от температуры, состава и др., которые обеспечивают низкую вязкость и малую растворимость в них золота и меди. Представлены результаты по извлечению золота, серебра и платиноидов из электронного лома с предложенными шлаками. Проанализирована зависимость извлечения благородных металлов из ЭЛ в зависимости от соотношения лом-коллектор, температуры плавки, количества восстановителя и др.

Представлены результаты термодинамического анализа реакций проходящих при плавке. Представлены результаты физико-химических исследований по поведению цветных металлов при плавке ЭЛ и определены условия их более полного перевода в шлак (кроме меди). В главе приводится характеристика разработанной и внедренной печи ЭПЗ-1,5 и результаты ее промышленного применения.