Zentrifugentechnik im SX-Prozess ermöglicht eine Reduzierung des Lösungsmittelverlusts um 60 %.

Der Lösungsmittel-Extraktionsprozess (SX-Prozess) ist ein Bergbauverfahren, bei dem Metalle wie Kupfer, Platin, Gold, Kobalt, Nickel, Zink, Uran usw. mithilfe chemischer Mittel gewonnen werden. Nach dem SX-Prozess folgt der Elektrogewinnungsprozess (auch Elektroextraktion genannt), bei dem Metalle, die durch einen als Auslaugung bezeichneten Prozess in Lösung gebracht wurden, elektrolytisch abgeschieden werden. Bei der Elektroraffination werden Verunreinigungen aus einem Metall in einem ähnlichen Prozess entfernt. 

Die meisten kommerziellen SX-Anlagen leiden unter der Bildung von Crud – einer fest stabilisierten Emulsion, die sich häufig an der Grenzfläche zwischen Wasser und organischen Stoffen in den Absetzbehältern der Lösungsmittel-Extraktionsstufen ansammelt. Verursacht wird dies durch eine Vielzahl von Stoffen, die in den SX-Kreislauf gelangen, von Staub aus dem Wind, mitgeführten Feststoffen aus der Schlammbehandlung, Verunreinigungen in Anlagenlösungen bis hin zu Insekten, die vom Licht der Lösungsmittelextraktionsanlage angezogen werden. 

Während eine dünne Crud-Schicht an der wässrig-organischen Grenzfläche die Koaleszenz feiner Tröpfchen fördern kann, kann zu viel Crud die Phasentrennung beeinträchtigen und den Wirkungsgrad der Abscheider stark verringern.  Wenn sich Crud in den Abscheidern ansammeln kann, kann es sich auch zur nächsten Mischstufe bewegen. Dies kann schnell zu einem „Crud-Lauf“ führen, der eine stark erhöhte Mitführung zur Folge hat.  Dies führt zu einer Verunreinigung der Elektrolyte mit der Laugenlösung und der organischen Phase.  

Die Übertragung von organischen Stoffen in die Elektrogewinnung kann zu einem „Kathodenbrand“ führen. Das Mitführen von Elektrolyt in den Extraktionsabschnitt der Lösungsmitteledxtraktion kann zu Kupferverlusten an das Raffinat führen (in diesem Fall bei der Kupferraffination). Das Einziehen von organischen Stoffen in das Raffinat führt zu erhöhten organischen Verlusten.  Während die Entfernung von Crud aus Lösemittelextraktionsanlagen in der Regel kein großes Problem darstellt, hat Crud in der Regel einen organischen Gehalt von mehr als 50 %. Verluste an organischen Stoffen durch Crud können Anlagen Hunderttausende Dollar pro Jahr kosten. 

Crud im SX-Prozess mit Technologie lösen

Zentrifugen helfen dabei, Verluste der organischen Lösung zu vermeiden und gleichzeitig den Wirkungsgrad der SL-Beschickung und des SX-Prozesses aufrechtzuerhalten. Der Prozess hilft, den pH-Wert unter Kontrolle zu halten und die Lebensdauer der Kathode bei der Elektrogewinnung zu verlängern, um Ausfallzeiten der Anlage durch eine notwendige Reinigung des Abscheiders zu vermeiden. 

Eine variable Schälscheibe ermöglicht eine präzise Verstellung im laufenden Betrieb. Dies optimiert die Reinheit der zurückgewonnenen organischen Lösung selbst bei schwankenden Prozessbedingungen und bietet eine maximale Lösungsmittelrückgewinnung, die Lösungsmittelverluste um bis zu 60 % reduziert. 

Dieser Prozess hilft Raffinerien, die jährlich 20 Tonnen oder mehr Kupfer produzieren.  Zentrifugen werden hierfür weltweit auch in kleinen, mittleren und großen Kupferminen und speziell in Bergwerken eingesetzt, die den Lösungsmittel-Extraktionsprozess (SX) nutzen. Auch Anlagenhersteller, Konstruktionsbüros und EPC-Auftragnehmer, die im Bergbau tätig sind, können vom Einsatz von Zentrifugen für diesen kritischen Prozess profitieren. 

Fallstudie 1 – Bwana Mkubwa, Sambia

Bei Bwana Mkubwa, einem Kupferproduzenten inNdola im sambischen Kupfergürtel, führte die Unfähigkeit, Crud effizient zu verarbeiten, zu einer Ansammlung von Crud in den SX-Anlagen. Dies verursachte schwerwiegende Probleme im SX-Prozess und reduzierte die Verfügbarkeit des Prozesses um bis zu 10 %.  

Sambia und die Demokratische Republik Kongo haben einen Anteril von jährlich 1,2 Millionen Tonnen SX/EW der Kupferproduktion. Davon werden mindestens 80 % in Anlagen hergestellt, die Dreiphasen-Zentrifugen zur Behandlung von Crud verwenden. Bei einer Einsparung von 12 US-Dollar pro Tonne Kupfer entspricht dies einer jährlichen Einsparung von 12 Mio. US-Dollar allein durch diese eine Anwendung in den beiden Ländern. 

Die Herausforderung

Vor zwanzig Jahren hatten die meisten Kupferraffinerien weltweit mit erheblichen finanziellen Verlusten zu kämpfen, die durch die Bildung von Crud in ihren Lösungsmittel-Extraktionsanlagen (SX-Anlagen) verursacht wurden. Die Entfernung des Crud aus dem Prozess war zwar unerlässlich, führte jedoch zu Verlusten an organischen Extraktionsmitteln und Verdünnungsmitteln in Höhe von mehreren hunderttausend Dollar pro Jahr. Standard-Rückgewinnungstechniken mit Filterpressen waren aufwendig und ineffektiv. Auch nach der Filtration enthielt das Crud noch erhebliche Mengen an organischer Lösung. 

Die Ansammlung von Crud in den SX-Abscheidern verursachte häufig schwerwiegende Probleme im SX-Prozess und reduzierte die Verfügbarkeit des Prozesses um bis zu 10 %. Da die organische Lösung äußerst umweltschädlich ist, mussten die verbleibenden Feststoffe in der Schlammbehandlung als gefährlicher Abfall behandelt werden. 

Die Lösung

Mit einer Dreiphasen-Zentrifuge konnte das organische Material als saubere Lösung zurückgewonnen und direkt wieder der SX-Anlage zugeführt werden. Die Einsparungen allein bei organischen Lösungen beliefen sich auf über 12 US-Dollar pro Tonne produziertes Kupfer. Eine Anlage, die jährlich 50.000 Tonnen Kupfer produziert, konnte also etwa 600.000 US-Dollar pro Jahr einsparen. Zusätzliche Einsparungen wurden bei Arbeitsaufwand, Filtertüchern und Wartung erzielt.  

Schließlich ermöglichte der effiziente Prozess der Crud-Behandlung die Kontrolle des Crud-Gehaltes in den SX-Anlagen. Dies führte zu zusätzlichen Einsparungen, da die Betriebsstabilität der SX-Anlage verbessert und ihr Wirkungsgrad erhöht wurde. Die Entsorgung der festen Rückstände wurde ebenfalls leichter, da ihr organischer Anteil sehr gering war. 

Der Prozess

Die Behandlung von Crud muss als Batch-Betrieb betrachtet werden. Das Crud wird von Bedienern mit Membran- oder Peristaltikpumpen aus den Absetzern abgesaugt. Die Zusammensetzung kann sich von Tag zu Tag erheblich ändern. Das Crud wird dann in einem Speisetank gesammelt und mit einem Rührwerk mit geringer Scherung gerührt. Der Feststoffgehalt im Crud liegt in der Regel zwischen 2 und 10 %.  

Der Crud wird der Dreiphasen-Zentrifuge zugeführt, und die Bediener nehmen Anpassungen an der variablen Schälscheibe vor, um sicherzustellen, dass die organische Lösung zur Reinigung kommt. Es ist zu beachten, dass sich der meiste Crud weltweit bei der Zentrifugation nicht in drei Phasen, sondern in vier Phasen trennt.  

An der organischen wässrigen Grenzfläche baut sich eine stabile vierte Phase auf. Durch die korrekte Einstellung der variablen Schälscheibe der Dreiphaxen-Zentrifuge kann der Bediener sicherstellen, dass dieser Teil der ultrafeinen Feststoffe im Rahmen der wässrigen Phase der Schlammbehandlung abgeleitet wird. Aus diesem Grund ist die wässrige Phase nicht klar, sondern eher schlammbraun. Diese wässrige Phase muss zu den Abfällen geleitet werden. Sie kann nicht in die SX-Anlagen zurückgeleitet werden, da sich an ihr noch mehr Crud ansammeln würde. 

Zusammenfassung

Zwanzig Jahre später verwenden die meisten Kupfer-SX-Anlagen weltweit eine Dreiphasen-Zentrifuge für die SX-Crud-Behandlung. Derzeit sind weltweit mehr als 80 Maschinen im Einsatz. Wenn man bedenkt, dass derzeit nur rund 59 SX-Anlagen mit einer Kupferkathodenproduktion von über 20.000 Tonnen pro Jahr Betrieb sind, ist der Erfolg der Dreiphasen-Zentrifuge bei dieser Anwendung klar. 

Die Dreiphasen-Zentrifuge ist normalerweise eine wirtschaftliche Option für Kupfer-SX/EW-Raffinerien, die jährlich 20 Tonnen oder mehr Kupfer produzieren. Aufgrund der Einsparungen bei der organischen Rückgewinnung amortisiert sich eine Dreiphasen-Zentrifuge in etwa vier Monaten. Auch die Zuverlässigkeit der Maschine ist ein großer Vorteil, da die meisten dieser Maschinen in abgelegenen Regionen installiert sind. Dreiphasen-Zentrifugen, die vor 16 Jahren in Sambia installiert wurden, funktionieren noch immer problemlos. 

Während Kupfer-SX-Crud nach wie vor die Hauptanwendung für die Dreiphasen-Zentrifuge im hydrometallurgischen Bereich ist, wurde sie auch erfolgreich in Uran-, Molybdän-, Lithium- und Zink-SX-Prozessen eingesetzt. Die Dreiphasen-Zentrifuge ist somit weltweit zum Standard für Anlagen zur Crud-Behandlung geworden. 

Fallstudie 2 – Mehrere chinesische Projekte der Kupferproduktion

Chinesische Unternehmen, die Kupfer-Crud-Anlagen in Afrika und Myanmar unterstützen, setzen nach wie vor Kammerfilter für das Kupfer-Crud als Standard ein. Die Kammerfilterpresse ist sehr gut etabliert. Bei Testläufen in mehreren Anlagen stellten die Prozessingenieure jedoch fest, dass sie bei Verwendung einer Dreiphasen-Zentrifuge im Vergleich zu Kammerfiltern mehr als 60 % Lösungsmittel einsparen können.  

Die Herausforderung

Viele Dreiphasen-Zentrifugen werden erfolgreich in Südamerika, den USA, Australien und Afrika für Kupfer-SX-Crud-Anwendungen eingesetzt. Aber chinesische Unternehmen hatten die Zentrifugation noch nicht eingeführt und verließen sich für den Kupfer-Crud-Prozess immer noch auf Kammerfilter.  

Die Lösung

2013 zeigte bei einem technischen Treffen das Projektteam des Tochterunternehmens von China Wanbao Mining, Myanmar YangTse Copper Mining, Interesse an der Zentrifugentechnik. Wir konnten den Kunden jedoch noch nicht überzeugen, da China Nerin Engineering dessen Prozess mit Kammerfiltertechnologie konzipiert hatte und sein Budget auf 30.000 Euro begrenzt war.  

2015 konnte die Kammerfilterpresse die Erwartungen nicht mehr erfüllen. Im April 2016 erfolgte in Myanmar die Inbetriebnahme einer Dreiphasen-Zentrifuge in der Kupfer-Crud-Anwendung.  Da es sich um die erste Anwendung für das chinesische Unternehmen handelte, gab es eine gewisse Lernkurve, die jedoch angegangen und schnell überwunden wurde. Es gab Probleme bei der Schlammbehandlung mit wenigen festen Feststoffen und höherem Verschleiß als erwartet aufgrund einer zu hohen Trommeldrehzahl. 

Die Konstruktion der Trennscheibe wurde angepasst und die Schnecke wurde durch den Einsatz eines Fliesenschutzes mit erhöhtem Verschleißschutz aktualisiert. Das Ergebnis war eine Lösungsmitteleinsparung von 60 % nach der Umstellung auf die Dreiphasen-Zentrifuge im Vergleich zum Kammerfilter. Infolgedessen nutzte dann auch das benachbarte Bergwerk Myanmar Wanbao Mining, das 10 Kilometer von YangTse entfernt liegt, die Zentrifugentechnik.

Fazit

2018 kaufte YangTse seine zweite Zentrifuge für die derzeitigen Arbeiten.  Eine dritte SX-Anlage wurde 2022 gleich mit Dreiphasen-Zentrifugen errichtet.

Fallstudie 3 – Verschiedene Projekte von Fishtec Ltda., Chile

In Chile verwendeten Bergbauunternehmen seit vielen Jahrzehnten Lösungsmittel zur Extraktion im Kupferraffinierungsprozess. Die chilenische Bergbauindustrie war mit der Technik der Dreiphasen-Zentrifugen nicht vertraut und verwendete entweder Filterpressentechnik oder musste zu viel Lösungsmittel entsorgen. In dieser neuen Restphase kam es zu Produktverlusten und einer erheblichen Abfallerzeugung (Crud, eine Mischung aus organischen, wässrigen, Luft- und Schwebstoffen).  

Durch die kontinuierliche Entfernung und Aufbereitung des Cruds durch Dreiphasen-Zentrifugen konnten die Unternehmen den Einsatz von neuem Extrakt in der SX-Anlage um 40 bis 60 % reduzieren und erhebliche finanzielle Einsparungen erzielen.

Die Herausforderung

Durch den Einsatz von Filterpressentechnologie war die chilenische Bergbauindustrie gezwungen, zu viel Lösungsmittel zu entsorgen. In dieser neuen Restphase kam es zu Produktverlusten und einer erheblichen Abfallerzeugung (Crud, eine Mischung aus organischen, wässrigen, Luft- und Schwebstoffen).  

Die Lösung

Fishtec Ltda. hatte sich seit den 1990er-Jahren in Chile in der Fischereibranche etabliert. Dies war daher seit jeher das Kerngeschäft von Fishtec Ltda. 1995 wurde Fishtec gebeten, eine Probe von Crud eines kleinen Bergbauunternehmens, der Pudahuel Mine, zu testen.  Interessanterweise ergab der Test, dass dieses Produkt bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit der Sardinenproduktion aufwies. Die Ähnlichkeit bestand darin, dass es vier Phasen in einem Gemisch gibt, das in drei Phasen aufgeteilt werden muss. Die Dreiphasen-Zentrifuge erzielt dank der verstellbaren Schälscheibe hervorragende Ergebnisse. Die vierte Phase wurde mittels einer schweren Flüssigkeit abgetrennt und die organische Substanz wurde vollständig gereinigt zurückgewonnen. Die neue Anwendung für die Dreiphasen-Zentrifuge wurde zur besten Option für diesen Prozess. Sie verbesserte die Produktqualität, reduzierte die Entsorgungskosten für Abfälle und sorgte für einen geringeren Betriebs- und Wartungsaufwand. 

Nach diesem Versuch und da die Lösungsmittel-Extraktion weltweit als der häufigste Prozess in Kupferminen eingeführt wurde, öffnete sich der chilenische Markt und in verschiedenen Bergwerken, wie Escondida Coloso (BHP Coloso, 1995) und Quebrada Blanca (Teck, 1995), wurden Dreiphasen-Zentrifugen installiert.   

Fishtec machte jedoch die Erfahrung, dass diese Bergwerke durchweg weder über die Erfahrung noch über die richtige Maschine für die Anwendung verfügte.  Folglich wurden diese Zwei- oder Dreiphasien-Dekanter zwar installiert, aber nach einem Ausfall nie wieder in Betrieb genommen.  Daraufhin begann sich in der chilenischen Bergbauindustrie eine negative Wahrnehmung der Zentrifugation in der Kupfer-Crud-Anwendung zu bilden. 

Die Strategie von Fishtec bestand nun darin, seine Kunden mit der gleichbleibend zufriedenstellenden Leistungsfähigkeit der Zentrifugen zu überzeugen. Seitdem hat Fishtec den Markt geöffnet und erreicht mit der Dreiphasen-Zentrifugentechnik fast 95 % der SX-Anlagen.  

2020 wurde eine Versuchsanlage bei Codelco Salvador installiert. Codelco ist ein staatliches chilenisches Bergwerksunternehmen mit sechs aktiven Bergwerksstandorten, von denen zwei Dreiphasen-Zentrifugen im SX-Betrieb betreiben.  Die Ergebnisse waren sehr gut und der Kunde ergriff die Initiative, eine weitere Dreiphasen-Zentrifuge zu kaufen. Die Rückgewinnung von Lösungsmitteln durch die Dreiphasen-Zentrifuge vor Ort ist die beste Lösung für eine Anwendung mit vorhersehbarer Leistungsfähigkeit.  

Der Prozess

Fishtec bietet dem Kunden eine Komplettlösung, bei dem Fishtec die Dreiphasen-Zentrifuge an den Standort anpasst, an dem sie installiert wird. Dies gilt sowohl für neue als auch für bestehende Standorte und fügt alle Schnittstellen und Aspekte hinzu, die der Kunde vor Ort benötigt – von einer Pumpe bis zu einem Bediener für die Zentrifuge.

Fazit

Die Erfahrungen in diesem Bereich haben positive Ergebnisse erbracht, wie die erzielten Einsparungen und die Erleichterungen beim Betriebs belegen. Durch eine konstante Behandlung des Crud reduziert der Kunde die Zufuhr von neuem Extrakt in die SX-Anlage.  Die Einsparungen lassen sich einfach berechnen und erreichen in der Regel einen Verringerung des Einsatzes neuer Lösungen von 40 bis 60 %. 

Die Amortisation hängt davon ab, wie die Maschine betrieben wird.  Ein Betrieb rund um die Uhr optimal, da sich die Maschine dann in 6 bis 9 Monaten amortisiert. Bei der anderen Anwendung, die den Reststoff „Borra“ behandelt, wird das Volumen um fast 60 % reduziert und 15 % bis 40 % des Materials als wirtschaftliches Crud zurückgewonnen. Dies macht das System zu einer wertvollen Ausrüstung für die gesamte Crud-Behandlungsanlage. 

Autor

Robert Klug ist Außendiensttechniker und Bergbauexperte bei Flottweg.