超导产业化项目-建议

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1、-院地合作重大产业化工程建议：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 中国科学院高能物理研究所*省磁性材料工程技术研究开发中心*金南磁塑*一 中国科学院高能物理研究所开展的超导强磁场技术1正负电子对撞机上的大型超导磁体在国家大科学工程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(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“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

2、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工业超导技术低温超导除铁器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*日照港使用年处理煤炭超过三千万吨，技术指标到达国际领先水平，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平安隐患。超导除铁器的应用优势：常规电磁除铁器

3、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到达了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

4、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历，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到达五十多亿欧元。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，我们已经开展了以下工程： l 1.5T核磁共振成像超导磁体

5、；l 煤炭用超导除铁器；l 高岭土用超导磁选机。近期拟研发的工程包括：l 用于电子废弃物中金属资源回收的强磁机；l 弱磁性铁矿或尾矿用超导磁选机；l 3T核磁共振成像超导磁体；l 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，开展工业超导设备的坚实根底。我们最近把研究注意力转向我国经济与环境开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1广泛存在的赤铁尾矿构成环境与平安重大隐患2008年9月8号，*省*市襄汾县新塔矿业*塔儿山铁矿尾矿

6、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。*9.8”铁矿尾矿事故救灾现场*“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*省安监局统计*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：*大宝山尾矿库、*石人嶂钨矿、连平大顶铁矿尾矿库、连平大尖山矿尾矿库、*立源锡矿尾矿库、*市澄海区原莲花山钨矿尾矿库等。其中，*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*省*市，北

7、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* “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。不仅可以别离出三氧化二铁赤铁矿，还可以利用涡流磁选手段别离出稀缺贵金属。到达自选充分利用的目的。 含铁量在35-41%的

8、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，*矿冶研究院从上世纪八十年代开场在大宝山铁矿开场用高梯度强磁场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*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，实验进展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

9、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，设备已经开展到第三代，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*高岭土厂。但国外一直对中国同行技术*。甚至进入*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拟详尽的前期研究工作。高梯度强磁场对赤铁尾矿的别离度超过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SPECTRUM FILENAME : C:USER-IHEPPUBLIC20101215YUANKUANG.SPC KV:40 UA

10、: 250 1000 UM-SPOT TC: 17.0USECSNa2O0.400.61MgO0.491.15Al2O311.4810.62SiO235.7756.14P2O50.070.04K2O0.520.52CaO0.050.08TiO20.760.90Cr2O30.020.01MnO0.090.12Fe2O350.1229.59CuO0.090.10ZnO0.050.06Ga2O30.000.00As2O30.040.02Rb2O0.020.01SrO0.000.00Y2O30.000.00ZrO20.020.01典型取样大宝山尾矿的铁与重金属含量Na2O0.981.98MgO0.33

11、1.03Al2O37.288.93SiO211.6124.19P2O50.070.07K2O0.140.18CaO0.210.47TiO20.791.24Cr2O30.020.02MnO0.130.24Fe2O378.0761.20CuO0.130.20ZnO0.090.14Ga2O30.000.00As2O30.060.04Rb2O0.040.03SrO0.000.01Y2O30.000.00ZrO20.020.02SPECTRUM FILENAME : C:USER-IHEPFENGSONGLINZJDQ-YANCI *ING*IANG.SPC KV:40 UA: 250 1000 UM-

12、SPOT TC: 17.0USECS 超导磁选别离出的精铁矿，含铁量超过55%，选出率超过90%Na2O0.570.72MgO0.781.50Al2O314.1610.78SiO255.5471.77P2O50.090.05K2O0.790.65CaO0.170.23TiO21.341.30Cr2O30.010.01MnO0.050.06Fe2O326.3012.79CuO0.050.05ZnO0.050.05Ga2O30.000.00As2O30.040.01Rb2O0.010.00SrO0.000.00Y2O30.000.00ZrO20.030.02超导磁选后的尾矿，含铁量已经很低SPEC

13、TRUM FILENAME : C:USER-IHEPPUBLIC20101215FEICI*ING*IANG.SPC KV:40 UA: 250 1000 UM-SPOT TC: 17.0USECS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*地区的赤铁贫矿尾矿磁选既可以开采出国家急需的珍贵铁矿资源，也减轻了环境压力。当然，赤铁贫矿尾矿磁选工程涉及国家矿业资源，工业化中试也需要比拟大资金支持。 三 电子垃圾的涡流磁选与资源化处理1我国渐成世界电子垃圾集中地，严重影响环境去年全球生产家电用品约十

14、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。随着兴旺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开展中国家是兴旺国家处理废弃电子产品最经济的手段。 *是世界电子垃圾最重要的终端地之一。例如，*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。相关数据说明，这些工人每年分解的电子垃圾可以到达150万吨。 曾经遍地绿色的贵屿大地到处充

15、满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，从前局部在白天进展的操作改到了夜晚，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*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:贵屿环境不能承受之“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，贵屿的绝大局部电子垃圾会被不断地分拆，废旧的

16、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；其中一局部需要通过烧烤、酸浴等方式提取镀金、锡焊料、铜骨架等各种金属，电线则被剥皮或燃烧取铜；塑料局部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展分拆、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说明，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： l 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l 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

17、量；l 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；l 通过对酸洗工厂上游和下游所采集的类似沉积物样本进展比照，可以清楚发现污染现象的本质和*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开展道路，目前国际上较为成熟的电子废弃物处理技术要求必须到达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

18、地提高人们的*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开展意义十分巨大。资源有限、 循环无限是当今社会普遍认识的开展理念。消除污染、再造资源是最正确和谐开展之路。本工程的的目的是开展电子废弃物的“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

19、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开展现状与趋势美国比拟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，美国才开场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到达97%左右。在欧洲，从20世纪80年代初开场，德国、瑞典、挪威、瑞士等国对电子废弃物的综合利用进展了深入研究，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

20、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展粉碎和分类处理，然后对材料充分回收利用，每年可处理1500t2000t，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开展并在西欧实施。其具体工艺路线为：首先进展手工拆解，然后将电子废弃物进展破碎和筛分，经过一系列的设备分选，最终获得不同的金属富集体。工厂不对它们进展金属再提炼加工，而是将其送到不同的金属冶炼公司去进展深加工。德国废旧电器回收厂普遍采用了一种

21、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，先通过磁力分选别离出铁，第二步进入涡流磁选机别离出铝，第三步通过风力别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*围最广的国家。1991年l

22、0月，日本就公布实施了?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。假设有大型粉碎设施，则直接进展一次性粉碎处理；假设是小型粉碎设施，则要先除去电机、压缩机等，经切割后再进展粉碎处理。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，其余的进展分类回收。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：工业兴旺国家对电子废弃物进展环境管理，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

23、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，因为不用考虑本钱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。欧盟国家大局部电子垃圾外运中国等开展中国家，真正需要在国内处理的数量并不大。3工程的产业化前景分析本工程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

24、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消耗的金达82t，1973年更是到达127t的顶峰，自1978年以后，金的消耗量保持在80ta，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

25、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展计算后得出的。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*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

26、济不断开展，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、

27、电子设备及其它废弃物规定为“危险废物，1995年70多个国家，包括绝大局部兴旺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、3.25mgkg，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13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展彻底地物理分选是本工程的主要研究内

28、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，别离亚微米尺度的有色金属和贵金属，开展潜力巨大。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，绝大局部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别离。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别离很有效。利用涡流分选机从电脑废弃物中回收金属铝，可获得品位高达85金属铝的富集体，回收率也可到达90。涡流分选已经成为电子垃圾

29、处理最成熟与有效的手段。但工业化电子垃圾处理需要高强度(大于3特斯拉)、大梯度磁场。欧洲现在最先进的涡流磁选设备采用钕铁硼永磁材料，最大磁场强度1特斯拉左右，对重金属的分选程度不彻底、效率不高 ，运行本钱高昂。欧洲国家的垃圾处理公司都享受欧盟高强度的补贴才得以生存。建立高效率、大处理量的涡流磁选设备必须设计建造节能、高效强磁体。这是电子垃圾处理界的共识。本工程拟在世界上首次采用低温超导技术建造大于5特斯拉的大尺寸强磁场用于电子废弃物的涡流磁选。整体技术路线与工艺流程为：本工程采用中国科学院高能物理研究所在建造国家大科学工程正负电子对撞机重大改造工程中开展的成熟低温超导技术，建造超过5特斯拉的大

30、区域高梯度强磁场，用于涡流磁选电子废弃物。把有用资源的回收率提高到95%以上。年处理电子垃圾3万吨。所有的废弃物处理都采用直接物理方法，不产生进一步的环境污染。把危害*环境的电子垃圾转变成经济建立中必不可少的稀有资源。我们的研究工作说明，可以用中国科学院高能物理所开展的超导强磁场技术开展年处理3万吨电子垃圾的成套涡流磁选设备。我们设想的设备运转模式是：加工厂+个体作业户。由实力企业购置设备，或者设备制造商直接提供效劳，收集个体租用设备处理自己拥有的电子垃圾、回收得到的贵金属与塑料都归自己。设备拥有人只收取合理的设备租赁费用。这个模式的好处是：尽可能发挥设备的大批量处理能力，个体电子垃圾收集人不

31、需要大规模资金投入，不改变现在的盈利与运作模式。中国现在正处在经济快速开展与构造急剧转型之中。*省作为中国最兴旺的经济区域开展高端产业迫在眉睫。院地合作建立了一套有效的转化中国科学院高新技术成果的途径。高能物理研究所作为中国最大的科研与开发综合基地掌握很多最先进的技术，超导技术经过多年的研究已经成熟，具备产业化条件。我们共同建议电子垃圾处理等为突破口，以院地合作模式，发挥各自优势，共同开发超导技术应用新领域。 本工程将把电子废弃物转变为“城市矿山富集体，创立中国 电子废弃物处理新模式。对电子废弃物进展集中分类、规*收集，成为跨地区、多层次的城市矿山资源的社会开采体系，年回收处理电子废弃物到达3万吨以上，成为中国“城市矿山资源开采与利用的示*模式。 . z