超导产业化项目-建议.doc

院地合作重大产业化项目建议 院地合作重大产业化项目建议 工业超导技术应用 电子垃圾资源化处理工业超导技术应用 电子垃圾资源化处理 与赤铁贫矿 尾矿 强磁场分选与赤铁贫矿 尾矿 强磁场分选 中国科学院高能物理研究所 广东省磁性材料工程技术研究开发中心 广州金南磁塑有限公司 一 一 中国科学院高能物理研究所发展的超导强磁场技术中国科学院高能物理研究所发展的超导强磁场技术 1 1 正负电子对撞机上的大型超导磁体正负电子对撞机上的大型超导磁体 在国家大科学工程 北京正负电子对撞机重大改造工程中 大 规模采用了低温超导技术 2006 年 9 月 研制成功了一台具有国际 水平的超大型超导磁体 北京谱仪 超导磁体 内径 3m 长度 4m 中心磁场 1 万高斯 带铁芯后总重量约 700 吨 储能 10 兆焦耳 现在常年稳定运行 2006 年中国十大科技进展之一的 北京正负电 子对撞机重大改造工程获关键性突破 中 该超导磁体的研制成功 是一项主要的技术突破 目前 国际上只有欧美 日本能制造这种 大型探测器超导磁体 2 2 工业超导技术工业超导技术 低温超导除铁器低温超导除铁器2008 年 11 月 高能物理所成功研制了一 台大型工业应用超导磁体系统 超导除铁器 用于消除煤炭中的 铁磁性杂质 其外径 2 2 米 重量 10 吨 中心磁场 3T 超导线圈直 径 1 1m 目前 该项技术通过了技术鉴定 产品鉴定 已在山东日 照港使用年处理煤炭超过三千万吨 技术指标达到国际领先水平 填补国内空白 彻底打破依赖国外进口的局面 超导除铁器主要用于港口 矿山 电厂等 用来除去采煤 运 输过程中混杂到煤炭中的铁磁性杂物 这些杂物是输运系统中破碎 机 研磨机 球磨机等机械设备的重大安全隐患 超导除铁器的应用优势 常规电磁除铁器由于线圈励磁后产生大量热量 且难以快速散 出 励磁电流受到限制 磁场强度难以提升 较小的铁磁性物质难 以从非铁磁性物料中吸取出来 低温超导除铁器使用超导线圈来产 生去除煤炭等物料中的铁磁性杂质所需的强磁场 具有磁场强度高 磁场梯度深 吸铁能力强 重量轻 能耗低 运行节能环保等普通 电磁除铁器无法比拟的优点 核磁共振成像超导磁体核磁共振成像超导磁体 2010 年 4 月 研制成功场强为 1 5T 的医用全身核磁共振成像超 导磁体 该超导磁体的磁场强度 稳定度 均匀度等性能指标都完 全达到了 MRI 整机的使用要求 1 5T 全身核磁共振成像超导磁体的 研制成功 为国内整机厂家提升产品性能和档次解决了关键部件 打通了超导磁体这个关键环节 能形成从超导材料 超导磁体到 MRI 整机的国产化产业链 3 超导磁体工程中心 中国科学院高能物理所超导磁体工程中心主要开展工业应用超 导磁体的研制与开发 推进超导磁体产业化 高能所已经突破了超 导线圈设计 线圈绕制和稳定 杜瓦吊挂 超导开关 超导接头 失超保护 电流引线 液氦液面测量等关键技术及工艺 积累了大 型超导磁体研发经验 具有大型低温制冷装置 超导磁体测试场地 超导电缆短样测试装置 磁场测量装置 今年全球超导市场预计将达到五十多亿欧元 煤炭用超导除铁器 进口一台需要 800 万人民币 高岭土用超导磁选机 进口一台需要 3800 万人民币 针对市场情况与需求 我们已经发展了下列项目 1 5T 核磁共振成像超导磁体 煤炭用超导除铁器 高岭土用超导磁选机 近期拟研发的项目包括 用于电子废弃物中金属资源回收的强磁机 弱磁性铁矿或尾矿用超导磁选机 3T 核磁共振成像超导磁体 超导污水处理系统 高能物理所超导磁体工程中心已经掌握超导设备设计与制造的关键 技术 拥有一支 30 多人的高水平研发队伍与先进的实验室设备 具 备开发新的超导应用领域 发展工业超导设备的坚实基础 我们最 近把研究注意力转向我国经济与环境发展很突出的两个领域 赤铁 贫矿 尾矿 分选 电子垃圾处理与回收利用 二 赤铁贫矿 尾矿 的超导强磁场分选二 赤铁贫矿 尾矿 的超导强磁场分选 1 广泛存在的赤铁尾矿构成环境与安全重大隐患 2008 年 9 月 8 号 山西省临汾市襄汾县新塔矿业有限公司塔儿 山铁矿尾矿库发生特别重大溃坝事故 造成重大人员伤亡 该尾矿 库总库容约 30 万立方米 坝高约 50 米 尾砂流失量约 20 万立方 米 沿途带出大量泥沙 流经长度达 2 公里 最大扇面宽度约 300 米 过泥面积 30 2 公顷 临汾 9 8 铁矿尾矿事故救灾现场 临汾 9 8 尾矿事故之后 上至国家领导人下至人民群众都对 尾矿治理与防护非常关心 例如广东省安监局统计广东省共有尾矿 库 88 座 其中属于重大危险源的尾矿库就有 16 座 包括 韶关大 宝山尾矿库 韶关石人嶂钨矿 连平大顶铁矿尾矿库 连平大尖山 矿尾矿库 潮州立源锡矿尾矿库 汕头市澄海区原莲花山钨矿尾矿 库等 其中 韶关大宝山尾矿库曾经发生过坝边的山坡塌陷 经全 力抢救方化险为夷 大宝山铁矿位于广东省韶关市 北部是 800 1200 米山区 南部是低矮山地和冲积平原 大宝山的槽对坑尾矿设 计总坝高 53 8 米 总库容更大 上游集雨面积为 3 8 平方公里 且 处于北江上游 一旦发生问题将比临汾 9 8 事故危害更加严重 经过加固的高 53 米的尾矿重力坝 尾矿坝下面依旧有民居 尾矿既是一个重大危害隐患又对坏境造成很大影响 但同时也 是一笔重要财富与稀缺资源 大宝山一亿吨尾矿的铁含量达 37 左 右 同时含铜 铅 锌 镍 钴等重金属 经过众多研究单位几十 年的研究 大家明白 超强磁场磁选是处理赤铁尾矿最有效的手段 不仅可以 分离出三氧化二铁 赤铁矿 还可以利用涡流磁选手段分离 出稀缺贵金属 达到自选充分利用的目的 含铁量在 35 41 的大宝山尾矿 已经接近坝顶 尾矿排泄口 固体物中含铁量高达 41 2 超导强磁场与赤铁尾矿分选 国内外对赤铁矿 三氧化二铁 的磁选已经研究过很多年 很 清楚超强磁场磁选是处理赤铁贫矿与尾矿最有效的手段 实际上 长沙矿冶研究院从上世纪八十年代开始在大宝山铁矿开始用高梯度 强磁场 1 5T 左右 分选赤铁矿 1993 年前后最高产能到达 11 万 吨 年 实验过程中出现的最大问题是高梯度媒介容易堵塞 清理困 难 为了最求更高磁场 三十年前中国有色金属设计院等单位设计 制造了超导强磁场赤铁矿磁选机 实验效果非常明显 显示超导用 于赤铁矿磁选可行 可惜的是 超导设备液氦消耗量巨大 实验进 行仅仅两个小时后不得不下马 这次实验告诉大家超导强磁场用于 弱磁性物质分选技术上可行 但经济上不合算 国际上超导强磁场 分选主要用于高岭土除赤铁粉 Fe2O3 设备已经发展到第三代 进入成熟期 中国引进的一台超导强磁场高岭土磁选机安装在兖矿 集团北海高岭土厂 但国外一直对中国同行技术保密 甚至进入北 海高岭土厂参观都很困难 我们已经对赤铁尾矿强磁场分选做了比较详尽的前期研究工作 高梯度强磁场对赤铁尾矿的分离度超过 90 得到的精矿含铁量在 55 左右 可以直接用于高炉冶炼 在大宝山尾矿库各个区域取样 不同深度的尾矿含铁量存在很大差异 典型取样大宝山尾矿的铁与重金属含量 Oxide Wt At Na2O0 400 61 MgO0 491 15 Al2O311 4810 62 SiO235 7756 14 P2O50 070 04 K2O0 520 52 CaO0 050 08 TiO20 760 90 Cr2O30 020 01 MnO0 090 12 Fe2O350 1229 59 CuO0 090 10 ZnO0 050 06 Ga2O30 000 00 As2O30 040 02 Rb2O0 020 01 SrO0 000 00 Y2O30 000 00 ZrO20 020 01 SPECTRUM FILENAME C USER IHEP PUBLIC 20101215 YUANKUANG SPC KV 40 UA 250 1000 UM SPOT TC 17 0USECS Oxide Wt At Na2O0 981 98 MgO0 331 03 Al2O37 288 93 SiO211 6124 19 P2O50 070 07 K2O0 140 18 CaO0 210 47 TiO20 791 24 Cr2O30 020 02 MnO0 130 24 Fe2O378 0761 20 CuO0 130 20 ZnO0 090 14 Ga2O30 000 00 As2O30 060 04 Rb2O0 040 03 SrO0 000 01 Y2O30 000 00 ZrO20 020 02 SPECTRUM FILENAME C USER IHEP FENGSONGLIN ZJDQ YAN CI XINGXIANG SPC KV 40 UA 250 1000 UM SPOT TC 17 0USECS 超导磁选分离出的精铁矿 含铁量超过 55 选出率超过 90 Oxide Wt At Na2O0 570 72 MgO0 781 50 Al2O314 1610 78 SiO255 5471 77 P2O50 090 05 K2O0 790 65 CaO0 170 23 TiO21 341 30 Cr2O30 010 01 MnO0 050 06 Fe2O326 3012 79 CuO0 050 05 ZnO0 050 05 Ga2O30 000 00 As2O30 040 01 Rb2O0 010 00 SrO0 000 00 Y2O30 000 00 ZrO20 030 02 SPECTRUM FILENAME C USER IHEP PUBLIC 20101215 FEICIXINGXIANG SPC KV 40 UA 250 1000 UM SPOT TC 17 0USECS 超导磁选后的尾矿 含铁量已经很低 超导强磁场磁选机原理图 超导强磁场磁选机初步设计图 把中国科学院高能物理所在大科学装置研发过程中开发的国际 先进水平的超导强磁场技术用于我国南方特别是广东地区的赤铁贫 矿 尾矿 磁选既可以开采出国家急需的宝贵铁矿资源 也减轻了 环境压力 当然 赤铁贫矿 尾矿 磁选项目涉及国家矿业资源 工业化中试也需要比较大资金支持 三 三 电子垃圾的涡流磁选与资源化处理电子垃圾的涡流磁选与资源化处理 1 1 我国渐成世界电子垃圾集中地 我国渐成世界电子垃圾集中地 严重影响环境严重影响环境 去年全球生产家电用品约十八亿台 其中中国的产量占 77 与此同时 世界超过 80 的废弃电器电子产品返运中国 随着发达 国家对废弃电子产品处理的立法越来越严格 废弃电子垃圾进入中 国的趋势更加严重 把电子垃圾出口国外特别是发展中国家是发达 国家处理废弃电子产品最经济的手段 广东是世界电子垃圾最重要 的终端地之一 例如 汕头市贵屿镇被称为全世界最大的电子垃圾 拆解基地 是电子废物的终点站 在贵屿的 28 个村中 有 21 个村 80 以上的家庭直接参与电子垃圾相关的工作 他们组成了数百个 家庭电子垃圾拆解作坊 吸纳了来自全国各地数以万计的打工者来 到这里 相关数据表明 这些工人每年分解的电子垃圾可以达到 150 万吨 曾经遍地绿色的贵屿大地到处充斥废弃电子垃圾曾经遍地绿色的贵屿大地到处充斥废弃电子垃圾 拆解电子废弃物在给居民带来丰厚利润的同时 由于工艺陈旧 又缺乏相应的环境保护措施 对环境也导致了严重的污染 中央电 视台曾深入贵屿调查 发现电子垃圾拆解依然以家庭作坊为主 由 于地方政府对电子垃圾拆解的打击力度加大 从前在街头工作的小 火炉转入了室内 从前部分在白天进行的操作改到了夜晚 从前密 集的黄烟作坊转移到荒郊野外 拆解工作的恶劣环境给从业人员带 来巨大的健康隐忧 拆解过程产生的污染对当地环境已产生不可逆 的损害 落后工艺处理电子垃圾落后工艺处理电子垃圾 贵屿环境不能承受之贵屿环境不能承受之 污污 有人把贵屿处理电子垃圾的方式称为 19 世纪工艺处理 21 世纪的 垃圾 除了进入二手市场外 贵屿的绝大部分电子垃圾会被不断 地分拆 废旧的电路板上有各种芯片 电容 极管等零部件 可以 回收重复利用 其中一部分需要通过烧烤 酸浴等方式提取镀金 锡焊料 铜骨架等各种金属 电线则被剥皮或焚烧取铜 塑料部分 会被加工成简单的塑料颗粒原料或是做成塑料假花 在对这些电子 垃圾进行分拆 烧烤与酸浴的过程中 产生大量有害物质 对环境 造成了极为严重的危害 绿色和平组织的研究调查结果表明 贵屿 地区众多有毒重金属和持久的有机污染物对电子垃圾拆解工作场所 和邻近环境造成了严重的污染 工厂采集的尘埃中铅浓度高于其它地方尘埃标准铅浓度数百倍 河流与水源的污染成为难以恢复的生态问题河流与水源的污染成为难以恢复的生态问题 从事电子垃圾拆解的工人家里尘埃铜 铅 锡 锑的含量远远高 于普通人家尘埃中的含量 电子垃圾酸处理工厂采集而来的酸性固体废物样本含有高含量重 金属 通过对酸洗工厂上游和下游所采集的类似沉积物样本进行对比 可以清楚发现污染现象的本质和范围源自这些工厂的生产活动 电子废弃物的资源化利用和环境无害化回收必须走产业化的发 展道路 目前国际上较为成熟的电子废弃物处理技术要求必须达到 一定的处理规模才有市场可行性 才有赢利的空间 企业的规模化 和专业化是前提 而且电子废弃物回收处理的技术和工艺必须是机 械化 自动化的 这样才不会产生有毒有害物质 日本在电子产品 废弃物的回收利用已形成产业化 建立有效的电子产品废弃物的回 收处理体系和资源化再生利用体系 不仅有效地改善人类生存的环 境 极大程度地提高人们的健康水平 而且为解决我国资源相对缺 乏 能源相对短缺的问题提供了一条有效手段 实际上 国外一些 原来的矿山巨头已经成功转型为为矿山修复与 城市矿山 专家 对于推动我国实现循环经济的可持续发展意义十分巨大 资源有限 循环无限是当今社会普遍认识的发展理念 消除污染 再造资源是 最佳和谐发展之路 本项目的的目的是发展电子废弃物的 城市矿 产 化 探寻电子垃圾资源的循环利用与循环再造产品的研究与产 业化 积极探索中国 城市矿产 报废资源的开采模式 突破了电 子废弃物资源循环利用的关键技术 建立自主知识产权的电子垃圾 资源化技术与专利体系 创立电子废弃物绿色再造的低碳资源化模 式 建立一个中国电子废弃物循环利用的技术先导企业 成为中国 循环经济与低碳制造的领军企业之一 2 国外电子垃圾处理技术发展现状与趋势 美国比较注重清洁生产工艺的开发 立足于在生产过程中减废 通过减少废物的产生量来减少有害废物的处理量 直到 20 世纪 90 年代以后 美国才开始重视电子垃圾处理与资源回收技术的开发 总体水平还落后于欧洲和日本 目前美国只有新泽西州有一个处理 电子废弃物 20000T 年 的工厂 利用专门技术处理的电子垃圾 回收再利用率可达到 97 左右 在欧洲 从 20 世纪 80 年代初开始 德国 瑞典 挪威 瑞士等国对电子废弃物的综合利用进行了深入 研究 他们致力于手工拆解和金属富集工艺技术的开发 取得了很 好的效果并获得了可观的经济效益 世界首家电子垃圾处理工厂于 2001 年 2 月在芬兰北部的电子城奥鲁市正式建成并投入生产 名 为生态电子公司 采用类似矿山冶冻的生产工艺 把废旧手机和个 人电脑及家用电器进行粉碎和分类处理 然后对材料充分回收利用 每年可处理 1500t 2000t 建有良好的环保处理系统 20 世纪 90 年代 鉴于机械化处理不会产生有毒性产物这个独一无二的优点 金属富集体的机械化工艺被进一步发展并在西欧实施 其具体工艺 路线为 首先进行手工拆解 然后将电子废弃物进行破碎和筛分 经过一系列的设备分选 最终获得不同的金属富集体 工厂不对它 们进行金属再提炼加工 而是将其送到不同的金属冶炼公司去进行 深加工 德国废旧电器回收厂普遍采用了一种电子破碎机来分选废 旧电器中的有用物和废物 其流程是 先用人工拆卸的方法将废旧 电器中的含有有毒物质的器件 如电视显像管 荧光屏 取出 然 后将剩余部件放入破碎机中 先通过磁力分选分离出铁 第二步进 入涡流磁选机分离出铝 第三步通过风力分离出塑料等较轻物质 剩下的是铜和一些稀有贵金属 这些分选出来的金属 会根据它的 含金量来卖给终端处理厂 国际上欧盟国家对电子垃圾的处理最重 视 他们多年来一直坚持高强度支持各个专业的科学家合作研究电 子垃圾的回收利用 取得很多重要成果 今天垃圾破碎 金属颗粒 涡流强磁高梯度选取都已经从实验室走向工业化处理 日本是亚洲 国家中电子技术最为先进 电子产品应用范围最广的国家 1991 年 l0 月 日本就颁布实施了 关于促进再生资源利用的法律 简 称 再生利用法 强力推行资源的再生循环利用 日本电子废弃物 的处理工艺 因地方及专门处理业设施的不同而有所不同 若有大 型粉碎设施 则直接进行一次性粉碎处理 若是小型粉碎设施 则 要先除去电机 压缩机等 经切割后再进行粉碎处理 粉碎后 经 电磁筛选 风力筛选等 将铁屑 铜屑和铝屑等选出 作为再生资 源回收利用 其余的进行分类回收 新加坡则建有采用机械化综合 处理利用工艺的电子废弃物的工厂 必须指出的是 工业发达国家对电子废弃物进行环境管理 是 受了政府的重视 政策的支持 法律法规的保障以及全民环保意识 的提高和资金的支持 欧盟设计 生产的涡流磁选电子垃圾处理设 备也并不符合中国的现实 首先 欧盟的电子垃圾处理都享受高额 的国家补贴 这导致他们的电子垃圾处理费用昂贵 我们的情况相 反 不但国家不可能给予大规模补贴 还必须有利润才可能取代现 在的简单落后处理方式 第二 因为不用考虑成本国外的设备都采 用稀土永磁 要取得高磁场就必须减少磁场区域 这严重限制了垃 圾处理量 欧盟国家大部分电子垃圾外运中国等发展中国家 真正 需要在国内处理的数量并不大 3 项目的产业化前景分析 本项目的重大产业化前景来源于电子废弃物的高价值性 电子废弃 物中含有 40 的金属 30 的塑料及 30 的氧化物 几种典型电子废弃物的成分 废弃线路板的成分 由上表可以看出 电子废弃物含有大量可供回收利用的金属 玻璃 及塑料等 废弃线路板仅铜的含量即达 20 还含有铝 铁等贱金 属及微量的金 银 铂等稀贵金属 1968 年 美国和西欧在电子产 品中耗费的金达 82t 1973 年更是达到 127t 的高峰 自 1978 年以后 金的消耗量保持在 80t a 这使得电子废弃物比普通垃圾具有高得 多的价值 根据金属含量的不同 每吨电子废弃物价值可达几千美 元 甚至高达近万美元 此外 电子废弃物中还含有较高价值且仍 可使用的元器件 如内存条等 由此可见回收利用的价值 因此电 子垃圾是真实意义上的 城市矿山 的富矿 2008 年日本公布了一 项统计数据 称日本是世界上最大的金 银 铅和铟的资源国 其 铜 白金和钽资源也位居世界前三位 这与人们普遍的日本资源稀 缺印象大相径庭 实际上 该数据是对日本国内蓄积的可回收金属 总量进行计算后得出的 日本是稀有金属消费大国 同时也是回收 稀有金属的资源大国 据统计 日本国内黄金的可回收量为 6800 吨 约占世界现有总储量 42000 吨 的约 16 这个数值超过了世界黄 金储量最大的南非 银的可回收量达 60000 吨 占全世界总储量的 约 23 超过了储量世界第一的波兰 稀有金属铟目前面临资源枯 竭 是制作液晶显示器和发光二极管的原料 日本的藏量占全世界 储量约 38 与银和铅一样 都位居世界首位 日本锂的消费量是 全世界年消费量的 7 倍 而且 日本还拥有世界总量约 6 倍的白金 它是燃料电池中不可或缺的电极原料 随着经济不断发展 我们的 资源短缺问题已经非常突出 研究稀有金属回收再利用很有必要的 目前我国这些包括电子废弃物这样的 城市矿山 资源大多被丢弃 或者简单处理仅利用很少的有用成分 在废弃的手机或电脑中 含 有稀有金属 这样的废物数量巨大 因而被称为是沉睡在城市里的 矿山 由于稀有金属价格上涨 使这些本来的废物成了香饽饽 一部旧手机可以提取约 0 03 克黄金 也就是说一万部手机可以提 取约 300 克黄金 而如果直接从金矿中采掘黄金的话 每吨矿石只 能得到 5 克黄金 所以说 城市矿山 要比真正的矿山更具价值 除了一般意义上的城市资源矿山以外 电子废弃物还有另外一个 特殊属性 那就是它的有害性 巴塞尔公约将废弃的计算机 电子 设备及其它废弃物规定为 危险废物 1995 年 70 多个国家 包括 绝大部分发达国家在这一公约上认可签字 电子废弃物中的有害成分 由上表看出电子废弃物含有大量的有害物质 如美国新泽西州城 市固体废弃物中镉 铅 汞的含量分别达 l5 25 543 25 3 25mg kg 而废弃家电是其主要来源 美国环境 保护署估算 2000 年城市垃圾中有 1 3 的铅来源于阴极射线管及 废弃线路板 是仅次于铅酸电池的铅污染源 这些有害物质在处理 过程中稍有不慎 就将进入地下水或空气中 引起严重的环境污染 给人类带来危害 4 4 研究开发内容 方法 技术路线研究开发内容 方法 技术路线 利用电子废弃物不同物理成分的磁电性质的差异性进行彻底地 物理分选是本项目的主要研究内容 电子废弃物通过弱磁选能方便 分选铁磁性物质和有色金属及非金属 强磁选 高梯度磁选可用于 弱磁性物料的分选 分离亚微米尺度的有色金属和贵金属 发展潜 力巨大 电子废弃物磁选后物料 非金属主要是玻璃纤维和树脂热 固性塑料 氧化硅等 绝大部分属于绝缘材料作为良好导体的金属 可以通过静电或涡流分选与非金属分离 涡流分选技术过去一般用 于从废旧汽车及城市垃圾中回收解离颗粒在 50mm 以上的金属铝 采 用强力涡电流及稀土永久磁铁 涡流分选技术已成功应用于电子废 弃物的分选 它对轻金属与塑料的分离很有效 利用涡流分选机从 电脑废弃物中回收金属铝