Các biện pháp nâng cao hiệu quả khai thác và chế biến quặng kali

11:04' AM - Thứ tư, 15/09/2010

Ngày nay, phần lớn muối kali được khai thác theo phương pháp khai thác mỏ ngầm truyền thống hoặc theo phương pháp hòa tan. Sau khi khai thác từ mỏ, quặng nguyên liệu được chế biến tiếp để tách KCl ra khỏi quặng và xử lý muối kali thành sản phẩm thương mại.

Bốn kỹ thuật tuyển cơ bản thường được áp dụng trong khai thác quặng kali hiện nay là: tuyển nổi, hòa tan - kết tinh nóng (chiết nóng), tách tĩnh điện và tách bằng môi chất nặng.

Tuyển nổi

Khi tuyển nổi, KCl được tách ra khỏi các tạp chất khác nhờ áp dụng các tính chất kỵ nước và hút nước của bề mặt quặng. Khi không khí được sục vào hỗn hợp quặng nghiền trong nước, các hạt khoáng chất kỵ nước như KCl sẽ bám vào các hạt không khí và nổi lên bề mặt, tại đó chúng được tách ra bằng phương pháp cơ học. Quá trình tuyển nổi có một số ưu điểm so với quá trình chiết/kết tinh nóng như tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể, đồng thời chi phí bảo dưỡng và tốc độ hao mòn thiết bị cũng thấp hơn.

Giai đoạn đầu tiên bao gồm việc khuấy quặng nghèo với tác nhân ức chế đất sét hoặc tác nhân liên kết bùn để làm mất hoạt tính các hạt đất sét bị thu giữ trong quặng được nạp vào từ công đoạn khử bùn bằng phương pháp thủy lực. Tác nhân kết tập được bổ sung cho phần hạt dưới 100 mesh để tăng cỡ hạt hạt bùn trước khi tuyển nổi. Các chất ức chế thích hợp gồm có tinh bột, gôm, cacboxylmetyl xenluloza và các polyamit, liều lượng thường dao động trong phạm vi 50 - 500 g chất ức chế/ tấn quặng.

Khử bùn là giai đoạn rất quan trọng, vì cần phải thu được sản phẩm hầu như sạch bùn để nạp vào giai đoạn tuyển nổi nhằm giảm thiểu chi phí cho các tác nhân tuyển nổi và đảm bảo hiệu suất thu hồi cao đối với muối kali.

Do quặng kali thường chứa các muối tan trong nước, công đoạn tuyển nổi cần phải được thực hiện trong nước muối bão hòa - tức là trong một hệ thống các chất điện ly nồng độ cao. Nhưng trên thực tế các quá trình tuyển nổi thông thường thường sử dụng các dung dịch loãng. Tại mỏ Saskatchewan (Canađa), cả hai phần nguyên liệu thô và mịn đều được tuyển nổi, sử dụng các khoang tuyển nổi Denver thông thường, thể tích 100 - 300 phít khối. Tinh quặng thô thu được thường có cỡ hạt 0,84 mm (20 mesh).

Tại Saskatchewan, khoảng 70% muối kali và 90% KCl bậc chất lượng phân bón được sản xuất thông qua quá trình tuyển nổi thông thường, đôi khi được bổ sung bằng quá trình tuyển nổi với môi chất nặng. Quá trình kết tinh chủ yếu được sử dụng để sản xuất muối kali bậc công nghiệp và phân kali loại đặc biệt.

Cỡ hạt của quặng nạp vào máy nghiền thường được lựa chọn sao cho duy trì cỡ hạt KCl càng lớn càng tốt và tạo điều kiện rửa các chất không tan được giải phóng trong quá trình. Quặng trong mỏ được khai thác bằng các máy khai thác liên tục. Quặng thu được có kích thước lớn nhất khoảng 1500 mm và thường được chế biến dưới mặt đất bằng máy đập để phá các cục lớn thành các cục cỡ 150-200 mm.

Quặng kali nhìn chung là quặng mềm, có thể sử dụng máy đập khô để đập nhỏ. Nhưng một số công ty khai thác đã áp dụng phương án nghiền ướt và sử dụng xyclon nước để giảm xuống tối thiểu mức bụi phát tán. Các xưởng nghiền ướt thường sạch hơn, công đoạn sàng hoạt động có hiệu quả hơn, cho phép loại bỏ các chất không tan tốt hơn.

Quặng đuôi sau khi tuyển nổi thường được nghiền lại trong bậc nghiền ướt thứ cấp. Các nhà máy cũ thường sử dụng máy cán dây cho công đoạn này, nhưng ở các nhà máy mới hơn thì máy cán dây đã được thay thế bằng máy nghiền kiểu lồng quay gọn nhẹ với chi phí vận hành thấp hơn, công suất cao hơn và giảm tỷ lệ các hạt mịn.

Chiết nóng

Quá trình tách bằng chiết nóng sử dụng sự chênh lệch về độ tan giữa các thành phần của khoáng chất. KCl tan trong nước nóng nhiều hơn đáng kể so với trong nước lạnh, trong khi đó độ tan của NaCl trong nước nóng không cao hơn nhiều so với trong nước lạnh. Do đó, so với KCl thì NaCl tương đối ít tan hơn trong nước nóng. Sau khi các hạt đất sét bám bên ngoài được loại bỏ bằng quá trình rửa và tách bùn, dung dịch được gia nhiệt và được sử dụng để hòa tan KCl trong quặng đã rửa. NaCl không tan được loại bỏ. Sau đó, dung dịch được làm lạnh trong chân không để các hạt KCl kết tinh. Khi đã tạo thành tinh thể, KCl sẽ dễ dàng được tách ra khỏi dung dịch nước muối. Phần nước muối còn lại thường được đưa trở về công đoạn nghiền. Quá trình này thường được áp dụng để bổ sung cho tuyển nổi khi xử lý quặng carnalit có hàm lượng MgCl2 lớn mà cần phải được loại bỏ trước khi loại bỏ NaCl.

Tách tĩnh điện

Tách tĩnh điện là kỹ thuật tách khô, sử dụng sự chênh lệch về độ dẫn điện giữa các khoáng chất cần tách. Do các khoáng chất chứa kali thường không có tính dẫn điện nên trước khi áp dụng quy trình tách này người ta phải thực hiện một công đoạn xử lý nhằm làm cho các khoáng chất khác nhau tích điện với cường độ khác nhau và trong trường hợp tốt nhất là với điện tích trái dấu.

Tại Đức, Công ty TNHH K+S đã phát triển quá trình tuyển tĩnh điện ESTA và khoang tuyển thủy lực để cải thiện hiệu suất thu hồi muối kali. Việc thực hiện các kỹ thuật này cũng mang thêm những ích lợi khác như giảm tiêu thụ năng lượng và giảm phế thải. Quá trình ESTA bao gồm một công đoạn nghiền khô quặng kali/magiê đến cỡ hạt nhỏ hơn 1 mm để tách riêng các thành phần khoáng chất khác nhau. Quá trình tuyển diễn ra khi các hạt khoáng chất chịu tác động của sự sụt áp 125.000 V khi rơi tự do. Quá trình tách nhiều công đoạn này cho phép tách các sản phẩm khác nhau và nâng cao hàm lượng của chúng. Quá trình này có nhu cầu năng lượng tương đối thấp và không sinh ra nước muối phế thải. Công ty K+S cũng đã phát triển khoang tuyển thủy lực để tách kieserit (MgSO4) ra khỏi halit.

Tuyển nổi trong môi chất nặng

Quá trình này dựa trên sự chênh lệch giữa trọng lượng riêng của các loại muối khác nhau trong quặng. Các loại muối với trọng lượng riêng lớn hơn 1 sẽ chìm trong nước, còn các loại muối với trọng lượng riêng nhỏ hơn 1 sẽ nổi trên mặt nước. Trong quá trình này, magnetit nghiền mịn (trọng lượng riêng 5,18) được phối trộn với nước muối quá trình (trọng lượng riêng 1,26) để tăng trọng lượng riêng của hỗn hợp nước muối - magnetit lên mức nằm giữa trọng lượng riêng của KCl và của quặng nghiền còn lại cần được tách. Do đó, để tách KCl ra khỏi NaCl trong quặng sylvinit, hỗn hợp magnetit và nước muối được điều chỉnh để có trọng lượng riêng khoảng 2,08. Khi đó các tinh thể KCl sẽ nổi lên mặt nước còn các tinh thể NaCl chìm xuống đáy. Trên thực tế, người ta chỉ áp dụng phương pháp tuyển bằng môi chất nặng đối với quặng thô do có những khó khăn khi tách các hạt mịn ra khỏi magnetit - việc này cần phải được thực hiện bằng máy tuyển từ.

Khi giai đoạn tuyển đã hoàn thành, các hạt muối kali sẽ được cho trải qua quá trình kết tinh. Tiếp theo, chúng được lọc và tách nước bằng cách sử dụng máy ly tâm kiểu đẩy cỡ lớn. Các hạt sau đó được sấy khô trong lò đốt khí và được phân loại theo cỡ hạt nhờ quá trình sàng với các cỡ sàng khác nhau.

Tuyển quặng carnalit

Phương pháp tuyển bọt để tách KCl khỏi quặng sylvinit được áp dụng đối với 80% lượng KCl sản xuất tại Bắc Mỹ và khoảng 50% lượng KCl sản xuất ở châu Âu cũng như các nước Liên Xô cũ. Phần KCl còn lại được cung cấp chủ yếu bởi các mỏ carnalit. Carnalit gây ra những khó khăn nhất định đối với quá trình chiết và xử lý khi khai thác bằng phương pháp hòa tan. Khi tiếp xúc với nước, khoáng chất này sẽ tách ra hoặc bị phân hủy. Về cơ bản, các hạt MgO sẽ tan trong dung dịch, trong khi đó phần lớn các hạt KCl nằm lại ở dạng rắn hoặc ở trạng thái bùn trong hố dưới mặt đất.

KCl rắn gây ra những khó khăn về mặt cơ học trong quá trình bơm nguyên liệu lên bề mặt. Do đó, khi xử lý quặng carnalit để thu được muối kali bằng phương pháp khai thác hòa tan, cần phải sử dụng dung dịch chiết có thể hòa tan carnalit mà không phân hủy nó.

Hiện nay, nhiều công ty đã có khả năng chiết muối kali một cách kinh tế từ quặng carnalit, nhìn chung bằng cách thực hiện các bước sau:

- Phân hủy carnalit mà trong đó sylvinit kết tủa trong khi MgCl hòa tan.

- Thu hồi K và Mg thông qua kết tinh theo phương pháp bay hơi.

- Tách các chất rắn carnalit.

- Chiết nóng sylvinit đã tách để tách các chất rắn NaCl ra.

- Kết tinh KCl.

Vấn đề tiêu thụ năng lượng và tác động đối với môi trường

Tinh chế muối kali là quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, quá trình của Công ty Cleveland Potash (Anh) tiêu thụ 25 mW điện và hơn 20.000 tấn dầu nhiên liệu nặng/năm.

Công ty TNHH K+S đã giảm 35% mức tiêu thụ năng lượng bằng cách lắp đặt các thiết bị sấy tầng sôi, gia nhiệt bằng hơi nước, dùng để sấy KCl. So với các thiết bị sấy quay, phát tán khí thải và bụi của thiết bị sấy tầng sôi cũng giảm đáng kể.

Để thu được 1 tấn sản phẩm, người ta thường phải khai thác khoảng 2 tấn quặng kali. Do đó, lượng rác thải sinh ra rất lớn, gồm ba dòng chính: muối, bùn và nước muối. Tất cả các dòng rác thải này đều cần phải được quản lý theo phương thức có thể chấp nhận về mặt môi trường. Ví dụ, tại Công ty Potash Corp tại New Brunswick, phần muối đuôi cỡ mịn từ nhà máy tinh chế được đưa trực tiếp đến công đoạn khai thác quặng kali và được sử dụng làm vật liệu lấp hố khai thác, trong khi đó bùn và nước muối thừa sẽ được bơm đến một trong những hố được tạo ra trong quá trình khai thác muối. Sau khi bùn lắng, nước muối trong sẽ được rút ra và đưa đến hố bên cạnh, sau đó được bơm trở lại bề mặt. Nước muối này được nạp vào quá trình bay hơi. Muối mịn thu được trong quá trình này sẽ được bổ sung vào dòng chất rắn thải để làm vật liệu lấp mỏ khai thác.

Quá trình tinh chế tạo ra sản phẩm phụ là nước muối. Tại New Brunswick, nước muối này được lưu trữ trong các hố muối ngầm khác, có thể được bơm trở lại bề mặt và tuần hoàn qua thiết bị cô. Nước muối này được đun nóng bằng hơi nước cho đến khi sôi và được tách thành ba sản phẩm: nước sạch, chất kết tủa NaCl để bổ sung vào công đoạn tuyển nổi, nước muối bão hòa KCl và NaCl. Nước muối bão hòa KCl và NaCl này lại được đun nóng cho đến khi sôi và được cho tuần hoàn qua một loạt các thiết bị kết tinh để tạo ra sản phẩm chất lượng cao, bổ sung vào tinh quặng thu được sau khi tuyển nổi.

Công ty PotashCorp cũng sử dụng khí thiên nhiên cho các lò tại nhà máy tinh chế của mình ở NewBrunswick từ năm 2003, nhờ đó đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao và giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.

Các công ty cung ứng công nghệ

Hiện nay, một số công ty đang cung cấp công nghệ và thiết bị chuyên dụng cho các nhà máy tinh chế quặng kali. Công ty AMEC Americas Ltd. là một chi nhánh Bắc Mỹ của Công ty AMEC tại Anh, chuyên cung cấp công nghệ, quản lý dự án và dịch vụ tư vấn cho khách hàng trong các ngành khai thác dầu khí và khoáng sản, kể cả khai thác quặng kali. AMEC sở hữu công nghệ đặc biệt trong tuyển nổi và kết tinh quặng kali. Công ty hiện đang thực hiện hai dự án mở rộng công suất các mỏ quặng kali ở Cory và Rocanville tại Saskatchewan (Canađa). Dự án tại Rocanville sẽ làm tăng công suất quặng kali lên thêm 2 triệu tấn/ năm, một phần nhờ khai thác mỏ mới, còn dự án tại Cory sẽ làm tăng công suất lên thêm 1,2 triệu tấn/năm.

Tập đoàn ERCOSPLAN là tập đoàn bao gồm các công ty đã có kinh nghiệm hơn nửa thế kỷ trong việc cung cấp các dịch vụ kỹ thuật, kể cả thiết kế quá trình và dịch vụ công nghệ cho ngành khai thác quặng kali. Bằng cách sử dụng công cụ phần mềm hiện đại, ERCOSPLAN thiết kế các quá trình và thiết bị cho các công đoạn chế biến quặng, nước ót và nước muối, kể cả các quá trình nghiền khô và ướt, tuyển nổi, ép nén, chiết nóng và lạnh, bay hơi, kết tinh và sấy. Ngoài ra, ERCOSPLAN còn cung cấp các thiết bị chuyên dụng cho việc bốc xếp, vận chuyển và lưu trữ quặng kali. ERCOSPLAN hợp tác chặt chẽ với các khách hàng và các nhà cung ứng thiết bị trong toàn bộ quá trình dự án để cung cấp các dịch vụ xây dựng, cơ điện, kỹ thuật cơ bản, kỹ thuật chi tiết, quản lý và điều khiển, giám sát lắp đặt và đưa thiết bị vào vận hành.

Công ty TNHH Koppern tại Hattingen (Đức) chào bán công nghệ cho quá trình tạo hạt khô đối với KCl và kali sunphat, cung cấp các thử nghiệm cỡ pilot, cung cấp công nghệ và thiết bị cơ bản, giám sát khởi động và đưa vào vận hành các thiết bị. Công ty đã cung cấp các máy nén ép, tạo vảy muối kali cho nhiều khách hàng trong ngành khai thác quặng kali từ thập niên 1950. Từ năm 2008, Koppern đã đưa ra thị trường thế hệ mới các máy nén ép với công suất 100 tấn/giờ và đã cung cấp những thiết bị này cho các khách hàng Mỹ, Canađa, Đức, Braxin, Trung Quốc, Gioocđani và Nga. Máy nén ép loại này có bộ truyền động một trục với bánh răng hành tinh, hai vít nạp với bộ truyền động có tốc độ thay đổi, thiết kế pít-tông thủy lực kiểu mới, hệ thống kiểm soát khe cùng với những tính năng khác cho phép thiết bị vận hành trơn tru.

Công ty Ferrum Ltd. (Thụy Sĩ) là công ty chuyên về công nghệ và thiết bị ly tâm ứng dụng trong tuyển nổi quặng và kết tinh muối kali, ví dụ các thiết bị ly tâm ngang và thẳng đứng để tách các pha rắn và lỏng, các cơ cấu gạt đẩy,…

Một số công ty khác cung cấp công nghệ và thiết bị cho ngành khai thác quặng kali là Bateman Litwin N.V., Wellman Process Engineering (Anh). Bateman Litwin đã phát triển công nghệ tinh chế chuyên dụng cho quặng carnalit, còn Wellman chuyên cung cấp các thiết bị bay hơi và kết tinh.

Hoàng Sơn

Theo Fertilizer International, 4/2009

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,