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

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель и задачи работы Научная новизна Достоверность полученных результатов и выводов Основные положения, выносимые на защиту Апробация работы Структура работы. Во второй главе В третьей главе Четвертая глава Пятая глава Структура и объём диссертации. Основное содержание работы 1. Современное состояние теории и практики переработки электронного лома 2. Разработка классификации видов электронного лома и возможных технологических схем его переработки Технология №2. Технологии №7 и №8. 3. Исследование гидрометаллургических процессов и разработка технологии на их основе по переработке электронного лома 4. Физико-химические основы пирометаллургической технологии переработки электронного лома. Общие выводы ... Полное содержание

Подобный материал:

• Доклад об осуществлении лицензионного контроля в сфере заготовки, переработки и реализации, 129.86kb.
• Московский Государственный Институт Стали и Сплавов (Технологический Университет) Кафедра, 461.38kb.
• Правительства Российской Федерации от 23 июля 2002 г. # 552 "Об утверждении Положения, 136.41kb.
• Пленарные доклады, 942.76kb.
• Коэффициенты, применяемые при расчете цен на лом и отходы никеля и никелевых сплавов, 50.78kb.
• Коэффициенты, применяемые при расчете цен на лом и отходы олова и оловянно-свинцовых, 43.04kb.
• Отчет по результатам исследования «Создание предприятий по заготовке, переработке, 4399.59kb.
• Выявление и раскрытие незаконного предпринимательства в сфере оборота лома и отходов, 375.22kb.
• «Создание экологически чистых и энергосберегающих горно-технологических автоматизированных, 142.89kb.
• «производство отливок из сплавов цветных металлов», 38.25kb.

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.

Пятая глава содержит результаты разработки математической модели выбора рациональной технологии переработки ЭЛ в реальных условиях. Приводятся результаты разработки содержательной формулировки задачи планирования переработки ЭЛ. Рассмотрены граничные условия для разработки математической модели. Определены основные базовые компоненты модели. Представлены табличные формы исходных данных и переменных и взаимосвязи между ними выраженные в ограничениях и целевой функции. Разработаны таблицы для решения задач выбора рациональной технологии переработки ЭЛ. Сформулированы вопросы на которые должна отвечать модель в процессе исследования моделируемой ситуации. Определены вопросы, по которым можно оценивать модель на чувствительность. В работе приводятся данные по построению двойственной задачи и ее численное решение. Рассмотрены вопросы по формированию оборотных средств и совершенствования управления ими. Приведены результаты расчета целевой функции минимизации затрат и максимизации прибыли. Приведены результаты расчетов задачи в MS-Excel и формы отчетов как средство дополнительной информации о построенной модели. В работе приведены данные по построению двойственной задачи и ее численном решении. Показано, что с помощью двойственных оценок можно определить оптимальные условные затраты и результаты переработки ЭЛ.

Сформулирован экономический смысл двойственных оценок в задаче минимизации суммарных затрат на получение 1 кг золота из ЭЛ.

Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и приложения. Основное содержание работы изложено на 234 страницах машинописного текста. Содержит 37 таблиц и 72 рисунка.

Библиография включает 101 наименование отечественных и зарубежных источников.


Основное содержание работы

Во введении выполнен анализ современного состояния проблемы переработки вторичных драгоценных и цветных металлов и, прежде всего – отходов электронной, радио- и электротехнической промышленности. Показаны основные направления и сформулированы задачи, реализация которых должна обеспечить решение проблемы повышения эффективности производственных процессов по переработке электронного лома как ценнейшего сырья для комплексного извлечения драгоценных и цветных металлов.

Обоснована актуальность работы. Определены цели и задачи её постановки. Доказательно представлены элементы научной новизны.


1. Современное состояние теории и практики
переработки электронного лома

В настоящее время для производства вторичных металлов расширяется использование комплексного по составу и трудно перерабатываемого электронного лома (ЭЛ). В связи со сложностью переработки ЭЛ появилась необходимость разработки новых, более совершенных технологий, позволяющих наряду с драгоценными металлами извлекать и сопутствующие металлы, содержащиеся в электронном ломе. Извлечение и обогащение попутных металлов существенно повышает рентабельность производства и получение наряду с драгоценными достаточно дорогих цветных металлов.

В настоящее время за рубежом большое внимание уделяется разработке различных методов обогащения вторичного сырья с последующей пиро- и гидрометаллургической переработкой полученных концентратов. В этом отношении до последнего времени на отечественных предприятиях переработка вторичного сырья, содержащего драгоценные металлы, в основном была ориентирована на медеплавильные комбинаты, где драгоценные металлы извлекались попутно. При этом необходимо отметить, что переработка вторичного сырья на медеплавильных предприятиях имеет ряд существенных недостатков, к основным из которых следует отнести:

- неоправданно большие потери цветных и драгоценных металлов;

- значительный объём незавершенного производства из-за большой длительности цикла переработки;

- отсутствие технологий, обеспечивающих комплексное извлечение металлов;
- отсутствие технологий для переработки сложного по составу сырья с извлечением и разделением компонентов.

Многостадийность технологий медного и медно-никелевого производства, наличие значительных количеств отвальных продуктов приводит к снижению сквозного извлечения металлов в конечный концентрат. Кроме того, существуют виды вторичного сырья, переработка которых в медно-никелевом производстве нежелательна из-за присутствия в них олова и свинца. К этим видам материалов относятся в основном отходы электронной, радио- и электротехнической промышленности, в которых олово и свинец находятся в виде припоев и добавок. При этом в процессе обжига отходов электронной и электротехнической аппаратуры происходит загрязнение атмосферы неизвлекаемыми компонентами (образуются токсические и трудно поддающиеся утилизации соединения в составе дымовых газов, выбросы которых существенно загрязняют окружающую среду).

Гидрометаллургические схемы переработки вторичного сырья, применяемые в настоящее время, также имеют ряд недостатков, в частности, является некорректной практика выполнения расчетов (как материальных, так и энергетических) практически всех технологических процессов, исходя из очень грубого допущения об однородности сырья.

Практически открытым остается вопрос переработки отработанных растворов, что, с одной стороны, снижает экономические показатели производства из-за потерь целого ряда металлов, с другой стороны, создает дополнительные экологические проблемы.

Таким образом, создание научных основ переработки многокомпонентных материалов различных видов электронного лома и на их базе – разработка эффективных экологически чистых технологий и специализированного оборудования для комплексной переработки электронного лома с дифференцированным извлечением из него драгоценных и цветных металлов, является актуальной задачей.