国外某原生钾石盐矿选矿厂设备选型和设计优化

田鹏杰,李 丰,林 杰,陈兆荣,张守祥

(中蓝连海设计研究院有限公司,江苏 连云港 222004)

1 前言

目前,世界上农用KCl的生产主要通过盐湖卤水、钾石盐矿床、光卤石矿床获得,其中以原生钾石盐矿为原料,采用浮选法获得的氯化钾产品占北美氯化钾的80%,占欧洲和前苏联产量的50%,在农业钾肥市场,KCl粒度越粗销售效果愈好,在俄罗斯、加拿大等钾肥生产大国都强调生产粗粒钾肥,粒度可以达到3 mm[1]。乌兹别克斯坦钾盐矿床为无硫酸盐类型,氯化镁含量和不溶物均较低,矿物组分质量分数为:KCl 27.93%、NaCl 67.46%、MgCl2≥0.35%、CaSO4≥2.26%、不溶物<2%。乌兹别克斯坦钾石矿是由红色或者淡红色的大型晶体组成的盐,红色是由于存在极细而分散的某些含铁矿物所组成的,目前由钾石盐矿制取氯化钾的工业方法原则上有两种:浮选法和制盐法[2]。乌兹别克斯坦钾石盐矿中含光卤石和不溶物均较低,采用浮选法在生产成本上更具有优势。我国作为世界第一的农业大国,每年都需要进口大量的钾肥,我国的钾肥自给率只能满足钾肥需求的50%左右,为了缓解供需关系,在中亚、非洲、美洲购买了部分钾盐资源。因此,针对在国外开发钾盐时,如何尽可能地提高氯化钾精矿的品质和回收率,降低选矿成本具有重要的现实意义。文章以乌兹别克钾石盐浮选技术工业化为例,研究了原生钾石盐矿从原料破碎磨矿、脱泥工艺、浮选工艺、脱卤工艺以及干燥工艺的整个工艺过程的设备选型,为以后我国开发中亚、西亚以及加拿大等固体钾石盐矿类似项目提供参考依据。

1 原矿性质

该地区钾盐矿矿石主要为深粉红色、橘红色钾石盐,偶见光卤石包裹体,不含硫酸钾和硫酸镁,含少量酐和碳酸盐粘土物质,含水率平均为0.3%,设计开采范围内平均矿石矿物成分见表1。

表1 矿物成分表Tab.1 Mineral composition table %

2 工艺流程

原矿经破碎、磨矿分级、旋流脱泥后进入浮选作业,浮选入选粒度为-1 mm,采用一粗三精浮选流程[3],精Ⅲ泡沫加适量淡水洗涤即得精制氯化钾,对其进行脱水、干燥、冷却后即得氯化钾产品(图1)。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow diagram

3 主要工序设备选型

3.1 破碎工序

钾石盐矿的特点是硬度不高,很脆,其莫氏硬度为2～4,在破碎阶段要尽可能避免过磨,以保持盐类矿物粗粒结晶,钾石盐矿石的破碎大多采用锤式破碎机或反击式破碎机,特别是锤式破碎机已在世界大多数钾石盐加工厂得到广泛应用,目前一般选择PFCK型可逆反击锤式破碎机,该破碎机主要有破碎机主机、电动机、液力耦合器、液压站、减震系统等组成,该机锤头呈螺旋线排列,提高了效率,有利于防止物料堵塞,对物料水分适应性增强,排料畅通,破碎细度通过格栅间隙调节。破碎的缓冲仓的容积不宜过大,一般不超过30 min,存矿太多,时间长了,内壁起拱,严重时粉矿结块架桥,无法下料。

3.2 磨矿工序

浮选技术指标高低,在很大程度上取决于磨矿矿石的单体解离程度。浮选钾石盐,要求将钾石盐中钾盐和石盐分离成单体,并尽可能使不溶物也解离出,在达到以上要求的前提下,尽量使磨细后的粒度大一些,从而缩短浮选时间,而且能改善产品的粒度和回收率。目前一般选择棒磨机,棒磨机主要是用金属棒作为磨件,利用它的冲击和旋转时与磨壁间的研磨作用来粉碎矿石。棒磨机对矿石具有一定选择性磨碎作用,产品粒度均匀,过粉碎矿粒少。

3.3 脱泥工序

在浮选前钾石盐矿的脱泥是很重要的一个工序,钾石盐矿中伴生的粘土矿物形成的矿泥对浮选过程影响很大,不但能大量地吸附胺盐捕收剂,对粗粒浮选产生不利影响,而且能混入精矿中,使干燥后增加结块,影响后续产品使用。脱泥经常采用机械脱泥的方式,机械脱泥采用两级水力旋流器脱泥,一级水力旋流器选用FX350,二级旋流脱泥很重要,直径要小,选择FX150。

3.4 浮选工序

浮选机是本次设计的关键设备,设计采用俄罗斯进口的ФМ6,3-М1型机械搅拌式浮选机,其单槽有效容积为6.3 m3。该浮选机在乌兹别克斯坦某钾肥厂使用效果很好。该型号浮选机广泛应用于钾石盐粗颗粒浮选,而且既可以用于粗选作业,也可以用于精选作业。

3.5 脱卤工序

目前氯化钾脱卤主要采用带式过滤机和双级活塞推料离心机,带式过滤机具有处理能力大、设备运行故障率低的优点。离心机具有含湿率低的优点,但结合乌兹别克斯坦氯化钾浮选精矿粒度为-1 mm,采用真空带式过滤机能将氯化钾洗涤精矿的含湿量控制在6%以下,使用离心机优势不明显,另外离心机会使氯化钾颗粒二次破碎,造成产品粒度变小,而且离心机筛网存在穿滤现象,离心机能耗高,综合比较采用真空带式过滤机作为浮选精矿和浮选尾矿的脱卤设备。

3.6 干燥—冷却工序

目前氯化钾干燥设备主要有转筒干燥机和沸腾床干燥机两种,其中转筒干燥机具有设备简单,生产运行平稳、操作弹性较大、对入料含水量没有严格要求、单机生产能力大、产品含水量低的优点,目前我国青海地方以及老挝的氯化钾产品的干燥都是以转筒干燥机为主。氯化钾产品冷却采用转筒冷却机,在冷却机入料口添加抑尘剂和防结块剂,可以降低氯化钾产品结块的风险。

4 主要设计优化

4.1 原矿上料

原矿定量给料设备在选用中型板式给料机,在试车过程中发现当原矿料仓满仓时,中型板式给料机难以启动,现场通过在原矿仓下料口调小,有效减少了链板负荷,并调整了设备转矩,后板式给料机启动和运行状况良好。

导师(通讯作者):郭立新(1968-)，男，教授，博士，主要研究方向为复杂目标与地海环境电磁散射特性、随机介质中的电波传播特性等. Email:lxguo@xidian.edu.cn

4.2 磨矿分级工序

在磨矿作业前增加预先筛分作业,在生产运行中预先筛筛上物料经常跑偏,经分析原因是皮带头部卸料处给水为单点给水,矿石与给水混合不均匀,现场将头部补水由单点方式调整为线状补水,物料与补加水得到充分混合,改善了物料布料方式。

4.3 尾盐浓密机

尾盐浓密机给料由脱气槽自流至浓密机中心布料桶内,在生产运行中脱气槽经常冒,通过分析发现是浓密机进料管没入水中段坡度较小导致,增大坡度后,消除了浓密机进料管经常堵的问题。

4.4 浮选作业

精Ⅲ浮选作业浮选泡沫层较厚,经常出现冒槽现象,后将浮选机的增加一组刮板及将刮板电机由定频电机调整为变频电机后解决该问题。精Ⅲ浮选泡沫浓度较高,达到50%,且含有大量泡沫,采用卧式渣浆泵很难输送,后增加一个消泡槽,消泡槽在圆锥形结构,矿浆沿切向给入,在消泡槽周边设置高压消泡管,输送采用立式泵输送,解决了该问题。

4.5 精钾洗涤

氯化钾洗涤作业由两个洗涤槽组成,现场运行过程中发现精Ⅲ泡沫经洗涤后氯化钾品位只能提高0.5%,通过分析洗涤效果差的原因主要有矿浆短路和洗涤时间不够,现场通过在第一个洗涤槽中增加折流板以及在精Ⅲ泡沫槽中增加洗涤水后,洗涤效果大大提高。

4.6 精钾干燥

现场实际运行中干燥窑给料口经常会结盐堵塞,是由于窑头温度较高,过滤滤饼水分迅速闪蒸,现场将干燥后的一部分干料用埋括板输送机返回干燥前入料,和过滤后的湿精矿混合在一起,再给入转筒干燥机。

4.7 精钾冷却

现场成品料仓内出现较多的结块,这主要是滤饼冷却时产生了结块,现场一方面调整了冷却窑窑头防结块剂的添加方式,另一方面在冷却窑窑尾增加固定格筛网,筛上的物料给入破碎机,破碎后的物料再由斗式提升机返回至成品胶带。

5 对新建钾石盐矿浮选加工厂的建议

(1)氯化钾饱和母液在昼夜温度差大时,容易再管内壁结晶,尤其在管速流动慢时,结晶现象更为严重,建议搅拌槽出料管和渣浆泵出料管分支处的阀门离接口越近越好,且泵出料管道要配管道冲洗水。

(2)氯化钾料仓不宜过大,如果长时间堆放,容易板结影响整个流程通畅,建议料仓的容积储存时间不宜超过0.5 h,且料斗角度不宜小于60°,氯化钾破碎工作制度宜与后续磨矿作业保持一致,设备按一开一备设计。

(3)在干燥条件下,氯化钾保护母液对混凝土的腐蚀比钢结构大,有母液流动的地槽、地沟要全部内衬钢板。

(4)尾盐过滤采用旋流器+浓密机组合对正浮选粗选槽内晶浆提前进行浓缩,适当增大过滤机给料的浓度,可以提高尾盐过滤设备的处理能力。

(5)浮选前矿浆的脱泥对于钾石盐选矿来说是很关键的问题,针对含不溶物较高的钾石盐,可以考虑采用机械脱泥+浮选脱泥两种组合脱泥的方式,但是浮选脱泥的泡沫在后续浓密方面较为困难,需要考虑增设机械消泡和化学消泡。

(6)氯化钾干燥和冷却出料为间断出料,瞬时最大出料量为流程量的2倍左右,下料胶带的宽度和功率要按此进行选型,干燥的胶带输送机选型要选择耐高温胶带,冷却的胶带输送机选型要选择耐油型胶带。

(7)脱泥的过程也会损失一定量的氯化钾,为了尽可能地降低脱泥作业损失的氯化钾,在矿泥浓密过程中可以采用三级逆流洗涤。