ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Новая технология хлорирования пентоксидов ниобия и тантала как основа технологии переработки их коллективных рудных концентратов».

Рекомендуемая область пременения

Горная промышленность:
- обогащение рудных концентратов;
- переработка сырья;
- извлечения ниобия и тантала в виде пентахлоридов из ниобий и танталсодержащего минерального сырья.
Химическая промышленность:
- создание принципиально новой технологии получения танталониобиевой продукции из черновых рудных концентратов, основанной на применении тетрахлорида кремния в качестве восстановителя и хлорирующего реагента с использованием оригинальной авторской аппаратуры.

Высокие технологии:
- авиация;
- машиностроение;
- радиотехника;
- ядерная энергетика

Назначение, цели и задачи проекта

Ниобий и тантал – стратегические металлы, сферы применения – высокие технологии. Существующие способы не обеспечивают эффективной переработки танталониобиевых руд на месторождениях России. Проект особенно актуален для Иркутской области с ее танталониобиевыми месторождениями: Белозиминское, Зашихинское, Большетагнинское.

В основе проекта лежат две идеи:

Извлечение металлов из рудных концентратов в виде хлориды хлорированием под давлением.

Использование тетрахлорида кремния в качестве хлорирующего агента.

Общая цель проекта – создание принципиально новой технологии получения танталониобиевой продукции из черновых рудных концентратов, основанной на применении тетрахлорида кремния в качестве восстановителя и хлорирующего реагента с использованием оригинальной авторской аппаратуры.

Конкретная задача – изготовление опытной двухавтоклавной установки для хлорирования и отработка процесса в новой хлорирующей системе на коллективных минеральных концентратах.

Проект относится к области химических технологий, в частности к новому способу получения пентахлорида ниобия, и может быть использовано для извлечения ниобия в виде его пентахлорида из ниобийсодержащего минерального сырья. Способ получения пентахлорида ниобия включает взаимодействие пентоксида ниобия с тетрахлоридом кремния при повышенном давлении и температуре. Процесс осуществляется в автоклаве, под давлением, развивающимся при нагревании 205-245°С смеси твердого химического концентрата пентоксида ниобия с тетрахлоридом кремния. Результат изобретения: исключение образования в ходе процесса высокотоксичных соединений таких, как фосген, монооксид углерода, хлоруглеводороды.

Другая задача проекта относится к новому способу получения пентахлорида тантала, и может быть использовано для извлечения тантала в виде его пентахлорида из танталсодержащего сырья. Способ получения пентахлорида тантала включает взаимодействие пентоксида тантала с тетрахлоридом кремния при повышенном давлении и температуре. Процесс осуществляется в автоклаве, под давлением, развивающимся при нагревании 245-300°С смеси твердого химического концентрата пентоксида тантала с тетрахлоридом кремния. Результат изобретения: исключение образования в ходе процесса высокотоксичных соединений таких, как фосген, монооксид углерода, хлоруглеводороды.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В литературе описан способ хлорирования ниобийсодержащего минерального сырья газообразным хлором (Морозов И.С. Применение хлора в металлургии редких и цветных металлов. - М.: Наука, 1966. - 253 с.; Коршунов Б.Г., Стефанюк С.Л. Введение в хлорную металлургию редких элементов. - М.: Металлургия, 1970. - 343 с.).

 Рудный концентрат хлорируют газообразным хлором в присутствии восстановителя: древесного угля или нефтекокса. Хлорированию подвергают либо брикетированную шихту, либо рудный концентрат в солевом расплаве. Процесс сопровождается выделением окиси и двуокиси углерода. Ниобий извлекается преимущественно в виде оксихлорида ниобия. Брикеты хлорируют в шахтных электропечах путем подачи газообразного хлора при температуре 800-900°С.

При хлорировании в солевом расплаве тонкоизмельченный концентрат в смеси с коксом подают в расплав высококипящих хлоридов, через который барботируют газообразный хлор при температуре 950-1000°С.

Получаемая парогазовая смесь содержит хлориды ниобия, тантала, титана, железа, алюминия, кремния и других составляющих минерального сырья, углекислый газ, угарный газ, фосген, хлор, хлористый водород, хлорпроизводные углеводородов. Температура парогазовой смеси на выходе из хлоратора 750-800°С.

Основными недостатками данного способа являются:

- недостаточно полное освобождение ниобиевых полупродуктов от основных примесей (железо, алюминий, титан, щелочные металлы), что приводит к дополнительным затратам на их очистку;

- значительный расход хлора, что требует территориальной привязки к действующему хлорному производству или организации собственного;

- присутствие в парогазовой фазе угарного газа, фосгена, хлора, хлористого водорода, что создает неблагоприятные экологические условия производства и требует организации специальной системы защиты;

- большие энергетические затраты.

Наиболее близким к заявляемому способу как по составу получаемого продукта, так и по методу обработки, является способ, описанный в работе (Гармазов Ю.Л., Турчанинов В.К., Кольцов В.П. Новый автоклавный способ вскрытия низкосортных танталониобиевых минеральных концентратов. Материалы международного совещания "Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья", г.Чита, 16-19.09.2002 г.). По этому способу ниобийсодержащее минеральное сырье обрабатывают в автоклаве жидким четыреххлористым углеродом при повышенной температуре и давлении, а полученный продукт выделяют охлаждением до комнатной температуры и декантацией избытка четыреххлористого углерода. Этот способ обладает несомненными преимуществами перед стандартной хлорной технологией. Однако и он несвободен от ряда недостатков, присущих традиционному хлорированию, - по-прежнему образуются угарный газ, фосген, хлористый водород, хлоруглеводороды.

В литературе описан способ хлорирования танталсодержих руд хлором (Морозов И.С. Применение хлора в металлургии редких и цветных металлов. М.: Наука, 1966, 253 с.; Коршунов Б.Г., Стефанюк С.Л. Введение в хлорную металлургию редких элементов. М.: Металлургия, 1970, 343 с.). Рудный концентрат хлорируют газообразным хлором при 800-1000°С в присутствии восстановителя: древесного угля или кокса. Хлорированию подвергают либо брикетированную шихту, либо рудный концентрат в солевом расплаве. Получаемая парогазовая смесь содержит хлориды тантала, ниобия, титана, железа, марганца, алюминия, кремния и других составляющих минерального сырья, углекислый газ, угарный газ, фосген, хлор, хлористый водород, хлорпроизводные углеводородов. Температура парогазовой смеси на выходе из хлоратора 750-800°С.

Основными недостатками данного способа являются:

- недостаточно полное освобождение танталовых полупродуктов от основных примесей (железо, марганец, алюминий, титан, щелочные металлы), что приводит к дополнительным затратам на их очистку;

- значительный расход хлора, что требует территориальной привязки к действующему хлорному производству или организации собственного;

- присутствие в парогазовой фазе таких ядовитых и отравляющих веществ, как угарный газ, фосген, хлор, хлористый водород, что создает экологически неблагоприятные условия и требует специальных мер защиты;

- большие энергетические затраты.

Известен также способ хлорирования самого пентоксида тантала (-Ta2O5) газообразным хлором и его смесями с аргоном и кислородом в присутствии различных видов углерода (сажа, графит, углерод из сахарозы) при температурах 500-800°С - так называемое карбохлорирование - (Gonzales J., Bohe A., Pasquevich D., Ruiz M. Del С. -Ta2O5 Carbochlorination with Different Types of Carbon. Canad. Metallurg. Quart. 2002, 41, №1, 29-40; Gonzales J., Rivarola J.B., Ruiz M. Del C. Kinetics of Chlorination of Tantalum Pentoxide with Sucrose Carbon by Chlorine Gas. Metallurg. Mater. Trans. B, 2004, 35, №3, 439-448). Процесс идет при атмосферном давлении, реакции способствует увеличение удельной поверхности углерода, и скорость хлорирования увеличивается в ряду графит < углерод из сахарозы < сажа.

Известен способ получения пентахлорида тантала четыреххлористым углеродом (Jena P.K., Brocchi E.A., Lima M.P.A.C. Studies on the Kinetics of Carbon Tetrachloride Chlorination of Tantalum Pentoxide. Metallurg. Mater. Trans. B, 2004, 32, №5, 801-810). Процесс изучен в интервале температур от 425 до 500°С и от 520 до 580°С.

Наиболее близким к заявляемому способу как по составу получаемого продукта, так и по методу обработки, является способ, описанный в работе (Гармазов Ю.Л., Турчанинов В.К., Кольцов В.П. Новый автоклавный способ вскрытия низкосортных танталониобиевых минеральных концентратов. Материалы международного совещания "Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья", г.Чита, 16-19.09.2002 г.). По этому способу танталсодержащее минеральное сырье обрабатывают в автоклаве жидким четыреххлористым углеродом при повышенной температуре и давлении, а полученный продукт выделяют охлаждением до комнатной температуры и декантацией избытка четыреххлористого углерода. Этот способ обладает несомненными преимуществами перед стандартной хлорной технологией [1, 2]. Однако и он несвободен от ряда недостатков, присущих традиционному хлорированию, - по-прежнему образуются угарный газ, фосген, хлористый водород, хлоруглеводороды.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Целью предлагаемого проекта является исключение из процесса хлорирования элементного хлора и четыреххлористого углерода, которые в условиях процесса дают высокотоксичные соединения, а также снижение температуры и тем самым энергозатратности процесса. Данная цель достигается тем, что танталсодержащее минеральное сырье подвергают взаимодействию с тетрахлоридом кремния в автоклаве при повышенной температуре и давлении. Применение новой хлорирующей системы, не содержащей соединений углерода, исключает образование таких ядовитых и опасных продуктов как угарный газ, фосген и хлоруглеводороды. Основным продуктом превращения хлорирующего агента является диоксид кремния. Кроме того, данная хлорирующая система позволяет вести процесс в более мягких условиях, что резко снижает энергопотребление. Предлагаемая технология иллюстрируется следующим примером:

Пример 1. В стальной автоклав объемом 80 мл загружали 10 г (0.023 моль) высушенного при 200°С химического концентрата пентоксида тантала и заливали 26 мл (38.5 г, 0.23 моль) SiCl 4 марки «ч». Автоклав герметично закрывали, ставили в трубчатую печь и выдерживали 2 ч при ?280°С, периодически перемешивая содержимое путем встряхивания автоклава. По окончании автоклав охлаждали и вскрывали, содержимое автоклава фильтровали. Хлориды тантала, будучи нерастворимы в SiCl4, остаются на фильтре вместе с диоксидом кремния. Оставшийся на фильтре осадок обрабатывали сухим ацетонитрилом, извлекая пентахлорид тантала и отфильтровывали экстракт от диоксида кремния. Фильтрат упаривали, получая 17.6 г зеленовато-желтой массы. Возгонкой в вакууме получено ?9 г (56%) чистого пентахлорида тантала с т.пл 217-219°С. Лит.т.пл. 220°С.

Опыты, проведенные по примеру 1 с варьированием температуры, соотношения реагентов и времени процесса сводятся к семи примерам, представленным в виде таблицы (пример 1 соответствует опыту №4).

Реализация предлагаемого способа хлорирования в промышленном масштабе позволит исключить из процесса использование элементного хлора и образование высокотоксичных соединений (фосген, монооксид углерода, хлоруглеводороды), снизить затраты на извлечение целевого продукта и обеспечить его высокий выход.

Таблица 1

В случае соединений ниобия поставленная цель достигается тем, что ниобийсодержащее минеральное сырье подвергают взаимодействию с тетрахлоридом кремния в автоклаве при повышенной температуре и давлении. Применение новой хлорирующей системы, не содержащей соединений углерода, исключает образование таких ядовитых и опасных продуктов, как угарный газ, фосген и хлоруглеводороды. Основным продуктом превращения хлорирующего агента является диоксид кремния. Кроме того, данная хлорирующая система позволяет вести процесс в более мягких условиях, что резко снижает энергопотребление.

Традиционная технология извлечения из руд

Предлагаемая технология

Предлагаемая технология иллюстрируется следующим примером:

Пример 1. В стальной автоклав объемом 100 мл загружали 10 г высушенного при 200°С химического концентрата пентоксида ниобия и заливали 55 мл SiCl 4 марки «ч». Автоклав герметично закрывали, погружали в масляную баню и выдерживали 4 ч при ?210°С, периодически перемешивая содержимое путем встряхивания автоклава. По окончании автоклав охлаждали и вскрывали. Содержимое автоклава фильтровали. Хлориды ниобия практически не растворимы в SiCl 4 и их содержание в фильтрате очень мало. По окончании фильтрации остаток обрабатывали сухим ацетонитрилом и фильтровали. Фильтрат упаривали, получая 15.6 г зеленовато-желтой массы.

Опыты, проведенные по примеру 1 с варьированием температуры, соотношения реагентов и времени процесса сводятся к восьми примерам, представленным в виде Таблицы 1 (пример 1 соответствует опыту №7).

Реализация предлагаемого способа хлорирования в промышленном масштабе позволит исключить из процесса использование элементного хлора и образование высокотоксичных соединений (фосген, монооксид углерода, хлоруглеводороды), снизить затраты на извлечение целевого продукта и обеспечить его высокий выход.

Таблица 2

На диаграмме приведена принципиальная схема обогащения минерального сырья согласно предлагаемой технологии.

Рис. 1.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Применение инновационной технологии позволит обеспечить:

- Возможность работы с рудными концентратами низкого качества с извлечением 95-97% металлов, исключение из технологического цикла дорогостоящих и трудо­емких операций по обогащению концентрата;

- Возможность селективного извлечения из коллективных рудных концентратов тантала и ниобия в виде обогащенных по каждому металлу хлоридов, что упрощает и удешевляет стадию очистки конечных продуктов;

- Снижение себестоимости конечной продукции (в 2-3 раза);

Инновационный проект отвечает задаче интеграции академической науки с малыми предприятиями, занятыми созданием наукоемкой продукции, и имеет региональную и экологическую направленность.

Проект особенно актуален для Иркутской области с ее месторождениями, такими как: Гольцовое, Вешняковское Зашихинское, месторождениями редких металлов, Большетагнинское и Белозиминское месторождения фосфорниобиевых руд.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Извлечение до 95-97% металлов даже из руд очень низкого качества.

Энергосбережение. Новая технология позволяет обеспечить 50-70% снижение энергозатрат по сравнению с действующими технологиями по излечению руд (за счет снижения температуры процесса).

Экологическая безопасность. Исключение из процесса газообразного хлора, фосгена, окиси углерода, хлоруглеводородов (озоноразрушающие вещества)

Безлюдная технология. 100% автоматизация.

Кроме того, внедрение данного проекта позволяет снизить себестоимость продукции промышленных предприятий и ТЭК за счет повышения эффективности использования энергоресурсов и снижения их фактического потребления, а также уменьшения экологических платежей.

Новые потребительские свойства продукции

- Возможность вскрытия низкосортных танталониобиевых концентратов
- Снижение температуры процесса с 850-1000 до 200-280 градусов.
- Исключение из процесса газообразного хлора.
- Исключение образования фосгена, окиси углерода, хлоруглеводородов (озоноразрушающие вещества).
- Превращение хлорирующего агента в безвредный продукт (песок).
- Возможность селективного извлечения ниобия и тантала
- Снижение энергоемкости (на 50-70%);
- Повышение экологической безопасности.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам РФ.

Стадия и уровень разработки

- Проведены НИР и отработаны режимы хлорирования химических концентратов пентоксида ниобия и тантала, получены чистые пентахлориды металлов, установлен состав и содержание примесей.
- Проведены первичные опыты по хлорированию рудного концентрата Зашихинского месторождения редких металлов (Иркутская область).
- проведено хлорирование ниобиевого рудного концентрата (взят на руднике одного из предприятий ОАО «Стальмаг» 07.12.06).
- проведен анализ извлекаемых продуктов хлорирования и кека.

Предлагаемые инвестиции

28 млн. руб.

Рынки сбыта

Иркутская область: Гольцовое, Вешняковское Зашихинское, месторождения редких металлов, Большетагнинское и Белозиминское месторождения фосфорниобиевых руд.
Российская федерация: регионы с месторождениями ниобия и тантала

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

28.02.2007