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

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 благородных металлов. Основными причинами наблюдаемого удорожания являются:

— уменьшение запасов руд цветных и благородных металлов, необходимость добычи и переработки более бедных руд;

— 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 благородных металлов обусловлена местом, которое они занимают в финансовой системе отдельных государств и мирового сообщества в целом. Использование вторичного металлсодержащего 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 — представляют ценнейшие ресурсы, по содержанию полезных компонентов превосходящие природные источники. Всё 4 это создаёт реальные предпосылки для развития в России крупномасштабного производства вторичных и, в частности, благородных металлов.

Экономические оценки возможных процессов переработки электронного лома с извлечением только благородных металлов указывают на недостаточную эффективность такого производства из-за низкого содержания благородных металлов в ломе, несмотря на их высокую стоимость. Только комплексная переработка электронного лома с извлечением из него не только благородных, 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 благородных и цветных металлов из электронного лома, а также создание современного специализированного оборудования для их практической реализации.

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 благородных 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, радиои 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 разработка классификации различных видов электронного лома;

— определение интервалов усреднённых концентраций содержащихся в электронном ломе металлов: благородных (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 благородных и цветных металлов из электронного лома различного типа;

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

— разработка технологических регламентов для проектирования печи 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 6 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 процессе их выделения 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 СаО — Б Юг — РеО — МагО, образующихся при плавке электронного лома на коллектор, установлено соотношение компонентов, при котором обеспечивается низкая величина вязкости шлаков и снижение потерь 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 благородных металлов (золота, серебра) и цветных металлов (меди, олова, свинца), позволившая 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 электрообогре-ваемой 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/ч.

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 1,5 МВт на ОАО «Щелковский завод ВДМ»;

5. Внедрена на ОАО «Щелковский завод ВДМ» комплексная пирометаллурги-ческая переработка электронного лома, которая позволила повысить извлечение зо7 лота, серебра, металлов платиновой группы, меди и других цветных металлов, а также повысить производительность 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. Предложена 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. Разработана 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 целыо минимизации суммарных затрат на получение 1 кг благородного металла.

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 могут перерабатываться эти виды сырья. В основу оценки эффективности выбора технологических процессов положена себестоимость получения 1 кг благородного металла и экологическая безопасность.

4. Автор принимал активное и непосредственное участие на всех этапах выполнения работ по исследованию физико-химических основ гидрометаллургической переработки электронного лома, процессов обжига и плавки.

5. Автор непосредственно принимал участие в исследованиях и разработке технологических регламентов, проектировании, промышленном освоении трубчатой обжиговой печи и печи для плавки на медный 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.

Апробация работы Материалы диссертации доложены на 8 международных и отечественных научно-практических конференциях и совещаниях:

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

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-Варна — 2007 г.;

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

Международная конференция «Ресурсно-экологические проблемы в XXI веке: инновационное недропользование, энергетика, экологическая безопасность и нано-технологии» Алушта, Украина — 2009 г.

Публикации.

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

Общие выводы.

1. На основании анализа современного состояния отечественного и зарубежного опыта по переработке отходов электронной, радиои электротехнической промышленности разработаны научные основы комплексной переработки электронного лома и на этой базе разработаны технологические процессы и специализированное оборудование для извлечения из электронного лома благородных и цветных металлов.

2. Разработана классификация различных видов электронного лома по 6 группам, в основу которой положен детальный, статистически обоснованный анализ данных о структуре, химическом составе электронного лома, сочетаниях металлических компонентов и концентрационных интервалах для каждого металла, содержащегося в электронном ломе.

3. Установлено, что концентрация (усреднённые значения) компонентов в различных видах электронного лома находится в следующих пределах: 0,01−1,0% для золотаот 0,2 до 2,9% для серебраот 1,3 до 33% для медиот 1,2 до 12,4% для оловаот 13,7 до 32,7% для алюминияот 7,0 до 35% для железа.

4. Разработаны технологические схемы переработки различных видов электронного лома, учитывающие особенности состава и свойств компонентов в каждом виде сырья и включающие три основные технологические передела — гидрометаллургическую обработку, обжиг и плавку.

5. Изучены кинетические характеристики растворения серебра, золота, меди, олова и свинца в растворах сильных кислот (HNO3, HCl, H2S04) в зависимости от концентрации растворов, температуры и продолжительности процесса. Оптимизация условий гидрометаллургических процессов обеспечила получение концентратов олова, свинца, меди, серебра с содержанием основного компонента 78, 74, 38, 75% соответственно. Исследовано взаимное влияние компонентов в процессе их селективного выделения.

6. Определены режимы обжига электронного лома с целью удаления из него органических компонентов и изучено влияние на основные параметры обжига при.

203 роды органических материалов, температуры и продолжительности процесса. Определены оптимальные с точки зрения полноты удаления органических компонентов условия обжига (температура 700 °C при продолжительности 2 ч) и показано, что после стадий начального нагрева и воспламенения процесс обжига переходит в автогенный режим горения, не требующий нагрева и поддержание температуры обжига достигается регулированием скорости подачи материала.

7. Исследован процесс плавки различных видов электронного лома с использованием медного коллектора, в которой впервые в качестве коллектора применяется медь, находящаяся в электронном ломеустановлены количественные соотношения, в соответствии с которыми количество меди в коллекторе должно составлять не менее 10% от массы сырья, а содержание золота в меди не должно превышать 2,15%.

Исследованы шлаки на основе системы ЗЮг-СаО-МаоО-РеО, образующиеся при плавке электронного лома с медным коллектором, установлен их состав, обеспечивающий малую величину вязкости (до 0,12 Па-с) и незначительные (0,4−0,5%) г потери меди и золота в шлаках.? Определены основные технологические параметры плавки электронного ло.

1 ма: температура — 1200 С, продолжительность плавки — 1,0−1,5 ч, соотношение восстановитель: сырьё — 1:10, при которых обеспечивается извлечение в коллектор 89−99% золота и серебра и до 93% платины и палладия.

8. Разработаны технологические регламенты для проектирования, выполнено проектирование, изготовлены и промышленно>освоены в ОАО «Щелковский завод В ДМ»:

— электрообогреваемая трубчатая вращающаяся печь для обжига электронного лома производительностью 75−80 кг/ч лома;

— плавильная дуговая печь ЭПЗ-1,5 мощностью 1,5 МВт с системой воздушного дутья для плавки электронного лома с использованием медного коллектора.

9. Разработана математическая модель для выбора технологии переработки электронного лома в соответствии с его составом, которая нашла практическую реализацию в производстве вторичных драгоценных металлов.

10. Разработана система аналитического обеспечения всех этапов жизненного цикла процесса переработки электронного лома, включающая методы пробоотбо-ра, входного контроля, контроля по ходу технологического процесса, аттестации готовой продукции. Качество разработанных методов аналитического контроля подтверждено лабораторными испытаниями, аккредитацией аналитической лаборатории международным сертификатом «Гуд деливири».

11. Суммарный экономический эффект от внедрения комплексной технологической переработки электронного лома за счёт увеличения объёмов его переработки, повышения производительности оборудования, повышения извлечения золота, серебра, платиноидов, меди и других цветных металлов, снижения потребления электроэнергии составил 51,28 млн руб./год, в том числе: в ОАО «Щёлковский завод вторичных драгоценных металлов — 40,35 млн, в ОАО «Красноярский завод цветных металлов имени В.А. Гулидова» — 9,83 млн, в ЗАО «Научно-экспериментальный центр ДИЭМ-21» — 1,1 млн руб.