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Die Zentrifugentechnologie im SX-Verfahren sorgt für eine Reduzierung des Lösungsmittelverlusts um 60 %

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Das Lösungsmittelextraktionsverfahren (SX-Verfahren) ist ein bergbauliches Verfahren, bei dem Metalle wie Kupfer, Platin, Gold, Kobalt, Nickel, Zink, Uran usw. mithilfe chemischer Mittel gewonnen werden.

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Nach dem SX-Verfahren folgt das Elektrowinning-Verfahren (auch Elektroextraktion genannt), bei dem Metalle, die durch einen allgemein als „Auslaugung“ bezeichneten Prozess in Lösung gebracht wurden, galvanisch abgeschieden werden. Bei der Elektroveredelung wird ein ähnliches Verfahren angewendet, um Verunreinigungen aus einem Metall zu entfernen.

Die meisten kommerziellen SX-Anlagen leiden unter der Bildung von Krude – einer feststoffstabilisierten Emulsion, die sich üblicherweise an der Grenzfläche zwischen wässriger und organischer Phase in den Absetzbehältern der Lösungsmittelextraktionsstufen ansammelt. Ursache hierfür sind verschiedene Substanzen, die in den SX-Kreislauf gelangen, darunter vom Wind verwehtes Staub, aus der Auslaugung mitgerissene Feststoffe, Verunreinigungen in den Anlagenlösungen und sogar Insekten, die von den Lichtern in der Lösungsmittelextraktionsanlage angezogen werden.

Während eine dünne Crud-Schicht an der Grenzfläche zwischen wässriger und organischer Phase die Koaleszenz feiner Tröpfchen fördern kann, kann übermäßiges Crud die Phasentrennung beeinträchtigen und die Effizienz der Absetzbecken erheblich verringern. Wenn sich Crud in den Absetzbecken ansammeln kann, gelangt es möglicherweise in die nächste Mischstufe. Dies kann rasch zu einem „Schmutzlauf“ führen, der eine stark erhöhte Mitführung zur Folge hat. Dies verursacht eine Verunreinigung der Elektrolyte mit der Auslaugungslösung und der organischen Phase.

Der Übergang von organischen Stoffen in die Elektrowinning-Anlage kann zu „Kathodenverbrennungen“ führen. Der Mitreiß von Elektrolyt in den Extraktionsabschnitt der Lösungsmittelextraktion kann zu Kupferverlusten in das Raffinat führen (in diesem Fall bei der Kupferraffination). Das Mitreißen von organischen Stoffen in das Raffinat führt zu erhöhten Verlusten an organischen Stoffen. Zwar stellt die Entfernung von Krud aus Solventextraktionsanlagen in der Regel kein großes Problem dar, doch weist Krud typischerweise einen organischen Anteil von mehr als 50 % auf. Verluste an organischen Stoffen durch das Krud können den Anlagen jährlich Hunderttausende Dollar kosten.

Lösung des Crud-Problems im SX-Prozess durch Technologie
Zentrifugen tragen dazu bei, Verluste der organischen Lösung zu vermeiden und gleichzeitig die Effizienz der SL-Beladung und des SX-Stripping-Prozesses aufrechtzuerhalten. Der Prozess hilft dabei, den pH-Wert unter Kontrolle zu halten und die Lebensdauer der Kathoden bei der Elektrogewinnung zu verlängern, um Anlagenstillstände aufgrund der Reinigung von Absetzbecken zu vermeiden.

Ein variables Laufrad ermöglicht eine präzise Anpassung während des Betriebs. Dies optimiert die Reinheit der zurückgewonnenen organischen Lösung selbst bei schwankenden Prozessbedingungen und sorgt für eine maximale Lösungsmittelrückgewinnung, wodurch Lösungsmittelverluste um bis zu 60 % reduziert werden.

Dieses Verfahren kommt Raffinerien zugute, die 20 t/a Kupfer oder mehr produzieren. Zentrifugen werden zu diesem Zweck auch weltweit in kleinen, mittleren und großen Kupferbergwerken eingesetzt und kommen insbesondere in Bergwerken zum Einsatz, die das Solventextraktionsverfahren (SX) nutzen. Anlagenhersteller, Planungsbüros und EPC-Auftragnehmer, die im Bergbau tätig sind, können ebenfalls vom Einsatz von Zentrifugen für diesen kritischen Prozess profitieren.

Fallstudie 1 – Bwana Mkubwa, Sambia
Für Bwana Mkubwa, einen Kupferproduzenten in Ndola am sambischen Kupfergürtel, führte die Unfähigkeit, Crud effizient aufzubereiten, dazu, dass mehrere SX-Anlagen mit einer Ansammlung von Crud in den SX-Absetzbecken zu kämpfen hatten. Dies verursachte schwerwiegende Probleme im SX-Prozess und reduzierte die Verfügbarkeit des Prozesses um bis zu 10 %.

Auf Sambia und die Demokratische Republik Kongo entfallen 1,2 Mio. Tonnen pro Jahr an Kupferproduktion im SX/EW-Verfahren, wovon mindestens 80 % in Anlagen erzeugt werden, die 3-Phasen-Zentrifugen zur Krümelaufbereitung einsetzen. Bei Einsparungen von 12 USD/t Cu ergibt sich allein durch diese eine Anwendung in diesen beiden Ländern eine jährliche Einsparung von 12 Millionen USD.

Die Herausforderung
Vor zwanzig Jahren hatten die meisten Kupferraffinerien weltweit mit erheblichen finanziellen Verlusten zu kämpfen, die durch die Bildung von „Crud“ in ihren Solvent-Extraktionsanlagen (SX) verursacht wurden. Die Entfernung des „Crud“ aus dem Prozess war zwar unerlässlich, führte jedoch zu Verlusten an organischen Extraktionsmitteln und Verdünnungsmitteln, die sich jährlich auf Hunderttausende Dollar beliefen. Herkömmliche Rückgewinnungsverfahren mit Filterpressen waren aufwendig und ineffektiv. Selbst nach der Filtration enthielt der Schlamm noch erhebliche Mengen an organischer Lösung.

Die Ansammlung von Crud in den SX-Absetzbecken verursachte häufig schwerwiegende Probleme im SX-Prozess und verringerte die Verfügbarkeit des Prozesses um bis zu 10 %. Die verbleibenden Feststoffe mussten als Sondermüll behandelt werden, da die organische Lösung äußerst umweltschädlich ist.

Die Lösung
Mithilfe einer Dreiphasenzentrifuge konnten die organischen Stoffe als saubere Lösung zurückgewonnen werden, die direkt in die SX-Anlage zurückgeführt werden konnte. Allein die Einsparungen bei der organischen Lösung beliefen sich auf über 12 US-Dollar pro Tonne produziertem Kupfer. Eine Anlage, die 50.000 t/a Kupfer produziert, würde somit jährlich etwa 600.000 USD einsparen. Hinzu kamen weitere Einsparungen bei Arbeitsaufwand, Filtertüchern und Wartung.

Schließlich ermöglichte das effiziente Crud-Behandlungsverfahren, die Crud-Mengen in den SX-Anlagen unter Kontrolle zu halten. Dies führte zu weiteren Einsparungen, da sich die Stabilität des Betriebs der SX-Anlage verbesserte und deren Effizienz stieg. Auch die Entsorgung der Restfeststoffe wurde einfacher, da deren organischer Gehalt sehr gering war.

Der Prozess
Die Schlammbehandlung ist als Chargenbetrieb zu betrachten. Der Schlamm wird von den Bedienern mithilfe von Membran- oder Peristaltikpumpen aus den Absetzbecken abgesaugt. Die Zusammensetzung kann sich von Tag zu Tag erheblich ändern. Der Schlamm wird in einem Zuführtank gesammelt und mit einem Rührwerk mit geringer Scherwirkung durchmischt. Die Feststoffkonzentration im Schlamm liegt normalerweise zwischen 2 und 10 %.

Der Schlamm wird der Dreiphasenzentrifuge zugeführt, und die Bediener nehmen Anpassungen am variablen Laufrad vor, um sicherzustellen, dass die organische Lösung sauber austritt. Es ist zu beachten, dass sich der Großteil des Schlamms weltweit bei der Zentrifugation nicht in drei, sondern in vier Phasen trennt.

An der Grenzfläche zwischen organischer und wässriger Phase bildet sich eine stabile vierte Phase. Durch die richtige Einstellung des variablen Laufrads der Dreiphasenzentrifuge kann der Bediener sicherstellen, dass dieser Anteil an ultrafeinen Feststoffen als Teil der wässrigen Phase ausgetragen wird. Dies ist der Grund, warum die wässrige Phase nicht klar, sondern schlammig-braun ist. Diese wässrige Phase muss in die Abraumhalde geleitet werden. Sie kann nicht in die SX-Anlagen zurückgeführt werden, da sie dort lediglich als Keim für die Bildung weiterer Schlammablagerungen dienen würde.

Zusammenfassung
Zwanzig Jahre später setzen die meisten Kupfer-SX-Anlagen weltweit Dreiphasenzentrifugen zur Aufbereitung von SX-Schlamm ein. Weltweit sind derzeit mehr als 80 Maschinen in Betrieb. Wenn man bedenkt, dass es derzeit nur etwa 59 SX-Anlagen mit einer Kupferkathodenproduktion von über 20 kt/Jahr gibt, wird der Erfolg der Dreiphasenzentrifuge in dieser Anwendung deutlich.

Die Dreiphasenzentrifuge ist in der Regel eine sinnvolle Option für Kupfer-SX/EW-Raffinerien, die 20 t/a Kupfer oder mehr produzieren. Durch die Einsparungen bei der Rückgewinnung organischer Stoffe amortisiert sich eine Dreiphasenzentrifuge in etwa vier Monaten. Die Zuverlässigkeit der Maschine ist ebenfalls ein wesentlicher Vorteil, da die meisten dieser Maschinen in abgelegenen Regionen installiert sind. Dreiphasenzentrifugen, die vor 16 Jahren in Sambia installiert wurden, sind nach wie vor problemlos in Betrieb.

Zwar bleibt Kupfer-SX-Crud die Hauptanwendung für die Dreiphasenzentrifuge im hydrometallurgischen Bereich, doch wurde sie auch erfolgreich in Uran-, Molybdän-, Lithium- und Zink-SX-Prozessen eingesetzt. Die Dreiphasenzentrifuge hat sich weltweit zum Standard für Crud-Behandlungsanlagen entwickelt.

Fallstudie 2 – Mehrere Kupferproduktionsprojekte in China
Chinesische Unternehmen, die CU-Crud-Anlagen in Afrika und Myanmar betreiben, verwenden nach wie vor Kammerfilter für den Kupfer-Crud als Standard. Die Kammerfilterpresse ist sehr gut etabliert. Durch Testläufe in mehreren Anlagen stellten die Verfahrenstechniker jedoch fest, dass sie durch den Einsatz von Dreiphasenzentrifugen im Vergleich zu Kammerfiltern mehr als 60 % Lösungsmittel einsparen konnten.

Die Herausforderung
Viele Dreiphasenzentrifugen wurden in Südamerika, den USA, Australien und Afrika erfolgreich für Kupfer-SX-Rohschlamm-Anwendungen eingesetzt. Chinesische Unternehmen hatten die Zentrifugentechnik jedoch noch nicht eingeführt und setzten beim Kupfer-Schlamm-Prozess weiterhin auf Kammerfilter.

Die Lösung
Im Jahr 2013 zeigte das Projektteam von China Wanbao Mining Myanmar YangTse Copper Mining bei einem technischen Treffen Interesse an der Zentrifugentechnik. Allerdings konnten wir den Kunden nicht überzeugen, da China Nerin Engineering seinen Prozess auf der Grundlage der Kammerfiltertechnologie konzipiert hatte und das Budget auf 30.000,00 Euro begrenzt war.

Im Jahr 2015 konnte die Kammerfilterpresse die Erwartungen nicht erfüllen. Im April 2016 wurde die Dreiphasenzentrifuge für die Kupferkrümel-Anwendung in Myanmar in Betrieb genommen. Da es sich um die erste Anwendung in China handelte, gab es eine steile Lernkurve, die jedoch bewältigt und überwunden wurde. Herausforderungen ergaben sich durch wenige abgesetzte feine Feststoffe sowie durch einen höher als erwarteten Verschleiß, der durch eine zu hohe Trommelgeschwindigkeit verursacht wurde.

Es wurde eine Anpassung am Design der Trennscheibe vorgenommen, und durch Modifikationen an der Spirale wurde mittels Fliesenschutz ein besserer Verschleißschutz erreicht. Das Ergebnis war eine Einsparung von 60 % an Lösungsmittel nach der Umstellung von der Kammerfilterpresse auf die Dreiphasenzentrifuge. In der Folge führte auch das benachbarte Bergwerk Myanmar Wanbao Mining, das 10 Kilometer von YangTse entfernt liegt, die Zentrifugentechnologie ein.

Fazit
Im Jahr 2018 erwarb YangTse eine zweite Zentrifuge für den laufenden Betrieb. Im Jahr 2022 wurde eine dritte SX-Anlage mit Dreiphasenzentrifugen errichtet.

Fallstudie 3 – Verschiedene Projekte von Fishtec Ltda., Chile
In Chile setzten Bergbauunternehmen jahrzehntelang die Lösungsmittelextraktion im Kupferveredelungsprozess ein. Die chilenische Bergbauindustrie war mit der Dreiphasenzentrifugentechnologie nicht vertraut und setzte entweder Filterpressentechnologie ein oder war gezwungen, zu viel Lösungsmittel zu entsorgen. Dabei gingen Produktverluste ein und es entstand eine große Menge an Abfall in Form dieser neuen Restphase (CRUD – eine Mischung aus organischen, wässrigen, luftgetragenen und suspendierten Feststoffen).

Durch die kontinuierliche Entfernung und Aufbereitung des CRUD mittels Dreiphasenzentrifugen stellten die Unternehmen fest, dass sie den Einsatz von neuem Extraktionsmittel in der Solventextraktionsanlage um 40 % bis 60 % reduzieren konnten, was zu erheblichen finanziellen Einsparungen führte.

Die Herausforderung
Durch den Einsatz der Filterpressentechnologie war die chilenische Bergbauindustrie gezwungen, zu viel Lösungsmittel zu entsorgen. Dabei gingen Produktverluste ein und es entstand eine große Menge an Abfall, alles in Form dieser neuen Restphase (CRUD – eine Mischung aus organischen, wässrigen, luftgetragenen und suspendierten Feststoffen).

Die Lösung
Seit den 1990er Jahren in Chile in der Fischereiindustrie etabliert, war dies schon immer das Kerngeschäft von Fishtec Ltda. Im Jahr 1995 wurde Fishtec gebeten, eine Crud-Probe eines kleinen Bergbauunternehmens, der Pudahuel-Mine, zu testen. Interessanterweise zeigte der Test, dass dieses Produkt der Sardinenproduktion bemerkenswert ähnlich war. Die Ähnlichkeit bestand darin, dass es vier Phasen in einem Gemisch gibt, das in drei Phasen aufgeteilt werden muss. Die Dreiphasenzentrifuge erzielt dank des einstellbaren Laufrads hervorragende Ergebnisse. Die vierte Phase wurde über die schwere Flüssigkeit abgetrennt, und die organische Komponente wurde vollkommen rein zurückgewonnen. Die neue Anwendung der Dreiphasenzentrifuge erwies sich als die beste Option für diesen Prozess, da sie die Produktqualität verbesserte, die Kosten für die Abfallentsorgung senkte und für geringere Betriebs- und Wartungskosten sorgte.

Nach diesem Versuch und da sich die Lösungsmittelextraktion weltweit als gängigstes Verfahren in Kupferbergwerken durchsetzte, öffnete sich der chilenische Markt, und Dreiphasenzentrifugen wurden in verschiedenen Bergwerken installiert, darunter Escondida Coloso (BHP Coloso, 1995) und Quebrada Blanca (Teck, 1995).

Fishtec machte die Erfahrung, dass die Kunden durchweg weder über die nötige Erfahrung noch über die richtige Maschine für diese Anwendung verfügten. Folglich wurden diese Zwei- oder Dreiphasenzentrifugen zwar installiert, nach einem Ausfall jedoch nie in Betrieb genommen. Aus diesem Grund begann sich in der chilenischen Bergbauindustrie eine negative Wahrnehmung der Zentrifugation bei der Aufbereitung von Kupferkrud zu bilden.

Die Strategie von Fishtec bestand darin, die Kunden mit durchweg zufriedenstellenden Leistungen zu „begeistern“. Seitdem hat Fishtec den Markt erschlossen und deckt mit dem Einsatz der Dreiphasen-Zentrifugentechnologie fast 95 % der SX-Anlagen ab.

Im Jahr 2020 wurde eine Pilotanlage für Codelco Salvador installiert. Codelco ist ein chilenisches Staatsunternehmen mit sechs aktiven Bergbaustandorten, von denen zwei über Dreiphasenzentrifugen in ihren SX-Betrieben verfügen. Die Ergebnisse waren sehr gut, und der Kunde ergriff die Initiative zum Kauf einer neuen Dreiphasenzentrifuge. Die vor Ort durch die Dreiphasenzentrifuge erzielte Lösungsmittelrückgewinnung ist die beste Lösung für eine stationäre Anwendung mit vorhersehbarer Leistung.

Der Prozess
Fishtec bietet dem Kunden eine Komplettlösung und passt die Dreiphasenzentrifuge an den Standort an, an dem sie installiert wird. Dies gilt sowohl für Neuanlagen als auch für bestehende Anlagenstandorte, wobei alle vom Kunden vor Ort benötigten Schnittstellen und Aspekte berücksichtigt werden – von einer Pumpe bis hin zu einem Bediener für die Zentrifuge.

Fazit
Die Erfahrungen in diesem Bereich haben positive Ergebnisse geliefert, die die Einsparungen und die Einfachheit des Betriebs belegen. Durch die kontinuierliche Aufbereitung des Schlamms reduziert der Kunde den Einsatz von neuem Extraktionsmittel in der SX-Anlage. Die Einsparungen lassen sich einfach berechnen: In der Regel wird eine Reduzierung des Einsatzes neuer Lösung im Bereich von 40 % bis 60 % erreicht.

Die Amortisationszeit hängt davon ab, wie die Maschine betrieben wird. Ein Betrieb rund um die Uhr (24/7) stellt das beste Szenario dar, um die Amortisationszeit von 6 bis 9 Monaten zu erreichen. Bei der Anwendung zur Aufbereitung des Restmaterials „Borra“ wird das Volumen um fast 60 % reduziert und 15 % bis 40 % des Materials als verwertbares „Crud“ zurückgewonnen. Dies macht das System zu einer wertvollen Anlage für die gesamte Crud-Aufbereitungsanlage.

Autor

Robert Klug ist Außendienstingenieur und Bergbauexperte bei Flottweg Separation Technology.