IV. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ TUYỂN QUẶNG KALI
3. Các công đoạn chính của quá trình khai thác và tuyển quặng
không tan khác, quặng kali sẽ được phân ra thành nhiều chủng loại tuỳ theo nhu cầu sử dụng của khách hàng đối với sản phẩm cuối cùng.
Có hai phương pháp cơ bản để tách muối KCl ra khỏi muối ăn NaCl là phương pháp tuyển nổi và phương pháp kết tinh.
3. Các công đoạn chính của quá trình khai thác và tuyển quặng kali : kali :
3.1.Công đoạn nghiền
Nghiền quặng sylvinit một cách đơn thuần là biện pháp đủ để tách rời các thành phần khoáng riêng rẽ, vì NaCl và KCl không cùng kết tinh để tạo thành muối kép tương tự như carnalit. Sau đó, người ta phải tách hỗn hợp các tinh thể này khỏi các chất không tan, rồi tách riêng NaCl và KCl để tạo ra sản phẩm KCl với hàm lượng kali tối thiểu tương đương 60% K2O (quy cách tối thiểu đối với phân kali bậc thương phẩm).
Khi nghiền quặng, phải lựa chọn kích thước hạt qua nghiền tối ưu để đáp ứng hai yêu cầu:
- duy trì cỡ hạt KCl lớn để tách khỏi NACl một cách dễ dàng
- tạo điều kiện thuận lợi để rửa tạp chất không tan giải phóng trong quá trình
Quặng được khai thác từ mỏ bằng các máy khai thác liên tục có thể có kích thước lớn nhất đến 1,5 m. Quặng thô này thường được nghiền thô ngay dưới mỏ bằng các máy kẹp hàm, giảm kích thước xuống tối đa 150-200 mm để vận chuyển thuận tiện lên mặt đất.
Nhìn chung, quặng kali có thể được coi là quặng đá mềm, với chỉ số nghiền (Bond Work) khoảng 7-9. Các chu trình nghiền đơn giản nhất là nghiền khô một giai đoạn, sử dụng các máy đập búa tuần hoàn kín với các sàng rung. Các chu trình nghiền phức tạp hơn gồm có nghiền ướt hai giai đoạn kết hợp với sàng ướt và các xyclon nước. Quá trình nghiền khô tuy dễ vận hành hơn nhưng nhiều bụi. Quá trình nghiền ướt là quá trình sạch hơn, hiệu quả sàng cũng cao hơn và cho phép giải phóng các tạp chất không tan tốt hơn.
Quặng đuôi sau khi nghiền thô thường được nghiền lại trong giai đoạn nghiền ướt thứ cấp. Các chu trình nghiền kiểu cũ thường sử dụng máy cán dây cho mục đích này. Hiện nay, ở các nhà máy mới mở rộng hoặc sửa chữa nâng cấp người ta thay thế các máy cán dây kiểu cũ bằng các máy đập kiểu lồng quay vì chi phí vận hành thấp hơn, chiếm ít diện tích hơn, công suất cao hơn và tỷ lệ hạt mịn nhỏ hơn.
3.3. Công đoạn rửa và khử bùn
Trong quặng kali thường có các khoáng chất không tan được giải phóng ra sau khi nghiền và có thể được rửa bằng nước muối bão hoà. Trong giai đoạn rửa này, đối với quặng có hàm lượng carnalit cao người ta phải bổ sung đủ nước vào để hoà tan MgCl2.
Công đoạn rửa được thực hiện trong một dãy thùng được lắp máy khuấy, do vật liệu trong thùng thường có tỷ lệ chất rắn cao ( 60 -70 % chất rắn trong nước muối bão hoà KCl-NaCl). Ở các mỏ mà quặng có hàm lượng chất không tan cao thì người ta thường phải áp dụng quy trình rửa hai giai đoạn.
Sau khi rửa, các chất không tan được tách bằng xyclon, bình tuyển có ống xiphông hoặc các loại sàng ướt. Công đoạn tách thứ cấp thường được tiến hành với các thiết bị gạn lọc chia tách bằng nước, xyclon và máy làm đặc.
Tại một số mỏ kali, người ta cũng áp dụng phương pháp tuyển nổi hai giai đoạn để tách bùn không tan khỏi quặng. Phương pháp này có ưu điểm là giảm chi phí đầu tư cho thiết bị tách bùn, nhưng có nhược điểm là chi phí thuốc tuyển cao. Ở phương pháp này, người ta bổ sung tác nhân keo tụ để tăng kích thước của các hạt bùn trước khi tuyển nổi. Sau đó, kết tủa bùn dạng bông sẽ được xử lý trong thiết bị gom và tuyển hai giai đoạn ở các khoang tuyển nổi bình thường.
3.4. Công đoạn tuyển
Muối KCl là thành phần chính cần quan tâm trong quặng kali. Sau khi được khai thác bằng phương pháp hầm lò, quặng chứa KCl sẽ được nghiền, sau đó loại bớt đất đá rồi đi vào công đoạn tuyển để tách lấy dung dịch muối KCl nồng độ cao hơn. Tiếp theo, dung dịch muối KCl sẽ được cô đặc, kết tinh, sấy và tạo các loại sản phẩm khác nhau ở dạng
rắn (hạt, hạt mịn) và dạng dung dịch để sản xuất phân bón hay sử dụng cho các mục đích khác trong công nghiệp hoặc chăn nuôi.
Phương pháp tuyển nổi là phương pháp tuyển quặng kali được áp dụng phổ biến nhất hiện nay.
3.4.1. Quy trình tuyển quặng nói chung
Trước khi tuyển nổi, đất đá trong quặng cần phải loại bỏ bằng việc rửa quặng. Trong trường hợp cần thiết sẽ phải sử dụng thuốc tuyển, tuy nhiên chi phí sẽ tăng lên và giảm hiệu suất của quá trình. Rất may là các tinh thể KCl và NaCl không đồng kết tinh mà chỉ dính kết cơ học với nhau, do đó cần nghiền quặng tới một cỡ hạt hợp lý để các tinh thể có thể được tách rời. Đầu tiên là nghiền quặng khô, sau đó rửa bằng dung dịch nước muối bão hoà chứa KCl và NaCl để loại bỏ đất đá (ở dạng hạt lơ lửng trong dung dịch), trong khi các tinh thể KCl và NaCl thì không thể tan tiếp được và sẽ lắng xuống đáy. Đất đá sau đó sẽ được lọc để loại bỏ, nước muối chứa KCl và NaCl được sử dụng lại, còn các tinh thể KCl và NaCl được lấy ra để tuyển nổi. Trong quá trình tuyển nổi, 3 loại thuốc tuyển sẽ được đưa vào. Loại thuốc tuyển đầu tiên là hồ tinh bột có tác dụng để dính đất đá còn sót lại nhằm tránh cho chúng hấp thụ vào các thuốc tuyển khác. Loại thuốc tuyển thứ 2 là amin dùng để dính các tinh thể muối KCl nhưng không dính các tinh thể muối NaCl. Không khí được xục qua dung dịch cùng với việc khuấy trộn sẽ tạo bong bóng hút các tinh thể KCl nổi lên trên bề mặt và được trôi vào máng thu. Loại thuốc tuyển cuối cùng đưa vào là rượu với mục đích
giữ cho các bong bóng khỏi tan trước khi KCl được thu. Sản phẩm KCl thu được sau đó sẽ được sấy trong thiết bị sấy (dầu hoặc khí đốt) cho đến khi hàm lượng nước trong sản phẩm cuối cùng nhỏ hơn 0,1% khối lượng.
3.4.2. Quy trình tuyển quặng tại mỏ Saskatchewan, Canađa
Tại mỏ Saskatchewan, nguyên liệu quặng thô và nguyên liệu quặng mịn được xử lý riêng nhằm mục đích tối ưu hoá tác dụng của các tác nhân xử lý (thuốc tuyển) và hỗ trợ sự tuyển nổi các hạt thô. Cả hai phần hạt thô và hạt mịn đều được xử lý với tác nhân gom KCl. Người ta bổ sung dầu độn vào thiết bị xử lý hạt thô và bổ sung các loại rượu để hỗ trợ sự tạo bọt.
Các chất điện ly cao phân tử, thường được sử dụng như các tác nhân chống nhớt, cũng được sử dụng để giảm tác động bất lợi của đất sét khi tuyển nổi quặng kali. Các chất điện ly này ngăn không cho bề mặt đất sét hấp thụ thuốc tuyển dạng amin.
Sau khi được xử lý với thuốc tuyển, các phần quặng hạt thô và hạt mịn tuyển nổi trong các khoang tuyển kiểu DENVER, có dung tích 100-300 phít khối. Tinh quặng thô (cỡ hạt 0,84 mm) được sử dụng như sản phẩm cấp cao. Tinh quặng hạt nhỏ hơn (dưới 0,84 mm) được đưa đi làm sạch và tuyển lại để tách NaCl.
3.4.3 Quy trình khai thác và tuyển quặng tại mỏ Boulby (Anh) 3.4.4. Các phương pháp tuyển nổi thông thường hiện nay
1)Phương pháp tuyển bằng bọt khí
Phương pháp tách được áp dụng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp sử dụng sự khác biệt trong tính chất ion của KCl và NaCl. Sự khác biệt này cho phép sử dụng các phụ gia có khả năng liên kết chọn lọc với một thành phần và làm biến đổi các đặc tính bề mặt của nó. Do các phụ gia cation (tích điện dương) thường liên kết ưu tiên với KCl, nên nếu bổ sung các chất hữu cơ như amin béo (trong đó một đầu phân tử là cation -NH2+, còn đầu kia là chuỗi hydrocacbon kỵ nước) thì có thể làm cho bề mặt của các hạt KCl trở nên kỵ nước. Điều này có nghĩa là, nếu cho không khí sục qua huyền phù quặng trong nước muối bão hoà thì các hạt KCl được xử lý với những phụ gia gọi là "chất gom" đó sẽ liên kết ưu tiên với các bong bóng không khí và nổi lên trên mặt nước. Để ngăn các bong bóng không khí không bị vỡ trên bề mặt nước muối và do đó thả rơi các hạt KCl xuống đáy, người ta bổ sung các chất hoạt động bề mặt như rượu vào nhằm tăng cường sự tạo bọt và ổn định hoá bọt được tạo ra. Các hạt muối kali được giữ lại trong bọt và được vớt đi cùng với bọt.
Các hệ thống tuyển nổi thường gồm một số công đoạn bố trí nối tiếp (ví dụ tuyển thô, làm sạch, làm sạch lại). Thiết kế của khoang tuyển nổi ở mỗi công đoạn phụ thuộc đặc tính của nguyên liệu được xử lý, đặc biệt là cỡ hạt của sản phẩm dự kiến sẽ nổi lên. Vì muối kali là thành phần sẽ nổi, nên nếu các hạt càng thô thì chúng càng cần được sục khí kỹ hơn. Vì vậy, các khoang cao được sục khí mạnh, với diện tích mặt cắt ngang tương đối nhỏ (gọi là các khoang cột), sẽ có hiệu quả hơn đối với
những hạt thô. Khi tách các hạt mịn hơn thì các điều kiện sục khí ít mạnh hơn sẽ thích hợp hơn, vì vậy người ta thường sử dụng các khoang tuyển kiểu thông thường, rộng và thấp hơn.
Các quy trình tuyển bọt thường thích hợp cho quặng muối kali cho đến cỡ hạt khoảng 30 mesh. Nếu cỡ hạt cao hơn thì tỷ lệ sản phẩm bị mất vào dòng chảy bên dưới (đuôi quặng) sẽ lớn hơn, vì không thể giữ và duy trì một lượng không khí cần thiết trên từng hạt để tạo ra sức nổi đủ đưa các hạt đó lên lớp bọt bên trên.
2) Phương pháp tách bằng chất lỏng tỷ trọng cao :
Giữa khối lượng riêng của KCl và NaCl có sự chênh lệch nhỏ nhưng quan trọng. Sự chênh lệch này có thể được sử dụng để tách riêng 2 loại muối đó bằng cách rắc các hạt quặng đã được nghiền vào một môi trường chất lỏng có khối lượng riêng nằm giữa khối lượng riêng của KCl và NaCl, sau đó để lắng. Các hạt NaCl với khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống dưới, còn các hạt KCl với khối lượng riêng nhỏ hơn sẽ nổi lên trên bề mặt. Dòng chất lỏng được liên tục đưa vào từ đáy bể, nó đẩy các hạt KCl lên và cho chúng đi qua bộ phận rửa trôi trên bề mặt. Sau đó, các hạt KCl này được tách khỏi chất lỏng trong thiết bị lắng hoặc xiclon nước, tiếp theo sẽ được lọc ép hoặc lọc ly tâm.
Vì lý do kinh tế và môi trường, nước là chất được ưu tiên sử dụng hơn so với tất cả các chất lỏng khác, nhưng ngay cả nước muối bão hòa NaCl và KCl (cần thiết để tránh sự thất thoát do hòa tan) cũng không có khối lượng riêng đủ lớn. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách
rắc các hạt mịn của những chất rắn có khối lượng riêng cao hơn nhiều (ví dụ magnetit- FeÂ3O4) vào nước muối này với nồng độ thích hợp để tạo cho nước muối có khối lượng riêng đủ lớn trong phạm vi mong muốn, và duy trì nó ở dạng huyền phù bằng cách khuấy nhẹ. Các hạt KCl sẽ di chuyển lên phía trên, vì có khối lượng riêng cao hơn môi trường chất lỏng và do ảnh hưởng của dòng nước muối được phun vào gần đáy bể chảy lên trên nhằm duy trì magnetit ở dạng huyền phù. Sau đó, các chất rắn có khối lượng riêng lớn (bao gồm cả NaCl) được tháo khỏi đáy bể và tách bằng xiclon nước.
3) Phương pháp tách bằng tầng cản :
Một dạng khác của phương pháp tách trọng lực là phương pháp dùng thiết bị tách kiểu tầng cản. Thực tế đây là một tầng sôi trong môi trường nước. Thiết bị này là một chiếc thùng, nước muối được đưa vào đều đều qua mặt cắt ngang của thùng và đi lên trên qua một bộ phận rửa kiểu chảy tràn. Các chất rắn được đưa vào từ phía trên và sẽ lắng với tốc độ được xác định bởi cỡ hạt và khối lượng riêng, ngược với dòng chất lỏng đi lên, các hạt thô với khối lượng riêng cao hơn sẽ lắng xuống và đi vào một lớp chất rắn ở trạng thái tầng sôi. Kết quả là thành phần có khối lượng riêng thấp của nguyên liệu đưa vào sẽ tụ tập ở vùng trên của thùng và chảy tràn ra cùng với nước muối. Các hạt có khối lượng riêng cao hơn sẽ tụ tập ở tầng sôi và được đi lấy từ đáy của thiết bị tách để duy trì nồng độ tương đối ổn định trong vùng tầng sôi. Các hạt rất thô với khối lượng riêng thấp có xu hướng tụ tập giữa tầng sôi và vùng trên của bể, vì tốc độ của dòng nước không đủ để đẩy chúng
lên trên. Cuối cùng chúng sẽ đạt đến nồng độ đủ lớn để buộc phải chìm xuống tầng sôi và đi vào dòng chảy phía dưới có khối lượng riêng cao. Nếu tăng tốc độ của dòng nước thì sẽ giảm được sự thất thoát các hạt thô vào dòng chảy phía dưới, nhưng lại làm tăng lượng hạt mịn có khối lượng riêng cao đi lên dòng chảy phía trên.
3.4.5. Công nghệ tuyển mới với thiết bị HydroFloat
Đây là thiết bị kết hợp các đặc tính của các thiết bị tuyển nổi và thiết bị tách bằng trọng lực, do công ty Eriez of Erie, Pensylvania, Mỹ, phát triển. Nó giải quyết được những hạn chế của cả hai dạng thiết bị nêu trên. Thiết bị này đã được đăng ký sáng chế và thử nghiệm rất thành công trên quy mô pilot để tuyển các loại quặng phôtphat, fenspat, than và muối kali. Các thử nghiệm đối với muối kali đã được thực hiện tại mỏ muối kali Rocanville của công ty PCS Potash.
Thiết bị HydroFloat hoạt động rất giống thiết bị tách kiểu tầng cản thông thường : nguyên liệu lắng xuống ngược dòng với dòng nước đi lên tạo tầng sôi. Nước tạo tầng sôi được cung cấp qua một hệ thống ống đặt trên toàn bộ mặt cắt ngang của đáy thiết bị tách. Nhưng trong trường hợp thiết bị HydroFloat thì tầng sôi được sục liên tục bằng không khí nén và một lượng nhỏ tác nhân tạo bọt sẽ được phun vào lớp nước tầng sôi. Các bong bóng không khí nhỏ phân tán nhờ sự tuần hoàn nước qua một bộ phối trộn trong chu kỳ kín bằng một máy bơm ly tâm. Các bong bóng không khí sẽ bám vào các hạt kỵ nước trong tầng sôi, vì vậy làm giảm khối lượng riêng thực của chúng. Các hạt này có thể là
các hạt kỵ nước một cách tự nhiên, hoặc được làm cho kỵ nước bằng cách bổ sung các chất gom tuyển nổi. Các khối bong bóng-hạt nhẹ hơn sẽ nổi lên trên tầng sôi và chảy tràn qua đỉnh khoang tách. Khác với tuyển nổi, các khối bong bóng-hạt không cần có đủ sức nổi để nổi lên phía trên của khoang. Thay vào đó, tác động của tầng sôi sẽ buộc các khối hạt có khối lượng riêng thấp phải chảy tràn vào khoang rửa sản phẩm. Các hạt ưa nước không bám vào bong bóng không khí sẽ tiếp tục đi xuống dưới qua tầng sôi và cuối cùng sẽ lắng xuống phần chóp tách nước dạng hình nón. Các hạt này được tháo ra như một dòng có tỷ lệ chất rắn cao (đến 75 % chất rắn) nhờ một van tại đáy của thiết bị tách. Van này được kích hoạt để đáp ứng các tín hiệu điều khiển từ bộ chuyển đổi áp suất được lắp ở một bên của khoang tách. Cách bố trí này cho phép duy trì khối lượng riêng thực ở giá trị không đổi trong tầng sôi.
Về lý thuyết, thiết bị tách HydroFloat có thể được áp dụng cho mọi hệ thống, nếu có thể tạo ra sự chênh lệch khối lượng riêng bằng cách cho các hạt quặng bám một cách chọn lọc vào các bong bóng không khí. Thường người ta làm cho thành phần tỷ trọng thấp trở nên kỵ nước để đạt được sự chênh lệch khối lượng riêng ở mức tối đa. So với các quy