Комбинированная технология обогащения зернистых фосфоритов
Цель настоящей публикации -показать на конкретном примере, что сложные практические задачи, все чаще возникающие при создании новых горно-обогатительных производств, можно решить только применением комбинированной технологии, включающей комплекс прогрессивных процессов добычи и обогащения природного сырья.
Комбинированная технология производства фосфоритных концентратов, являющихся сырьем для получения минеральных удобрений, в настоящее время реализуется поэтапно в Республике Узбекистон на Кызылкумском фосфоритном комбинате (КФК). В разработке технологии участвовали специализированные организации: узбекские - САИГИМС, СредазНИПИПТ, ИОНХ АН РУз, УзНИИХ (г.Ташкент), российские-ГИГХС, НИУИФ, Гипрохим (г.Москва), "Горнозаводчик-Плюс" (г.Екатеринбург), НИИПроектасбест (г.Асбест), "Доза" (г.Менделеево), а также германские - Крупп Полизиус, Wirtgen, Man Takraf. Важную роль сыграли масштабные экспериментальные работы последних лет, выполненные Навоийским горно-металлургическим комбинатом (НГМК), осуществляющим промышленное освоение нового Джерой-Сардаринского фосфоритного месторождения.
В 1997 году НГМК начата добыча фосфоритной руды в первом на месторождении карьере Ташкура с применением комбайнов фрезерного типа фирмы Wirtgen. С 1998 года эксплуатируется 1 очередь КФК по сухой технологической схеме переработки фосфоритной руды, обеспечивающей получение фосфоритной муки для производства суперфосфата. В составе 1 очереди КФК в 2001 году введена в эксплуатацию промышленная установка обжига типа "Полкал", комплектное оборудование которой поставлено фирмой "Крупп Полизиус". Проектная мощность установки - 430 тыс. тонн в год обожженного фосфоритного концентрата с содержанием 27% P2O5, предназначенного для получения сложных удобрений типа аммофоса. Осуществляется реконструкция и расширение 1 очереди КФК, а также проектируется строительство объектов 11 очереди КФК по комбинированной технологии, включающей сухие и мокрые процессы обогащения.
Фосфоритная руда относится к зернистому типу и по составу является аналогом фосфоритов крупнейших месторождений Африкано-Аравийской провинции, но отличается сравнительно низким содержанием полезного компонента и более трудной обогатимостью. Среднее содержание P2O5 в добываемой руде уже отрабатываемосо участка Ташкура: 14.8% -в руде первого пласта и 19.3% - второго пласта. Средняя мощность этих двух продуктивных фосфоритных пластов - по 0.6 метра. Между ними залегают глинистые мергели и известковистые глины мощностью от 8 до 15 метров (внутренняя вскрыша). Породы внешней вскрыши имеют мощность от 5 до 30 метров.
Фосфатный минерал - франколит. Преобладающая крупность фосфатных зерен - от 0.02-0.05 мм до 0.3-0.5 мм. Главный породообразующий минерал - кальцит. Основная часть микрозернистого кальцита цементирует фосфатные зерна (экзокальцит). Другая морфологическая разновидность - эндокальцит находится внутри фосфатных зерен.
Кроме франколита и кальцита руда содержит глинистые минералы, гипс, кварц, гетит, галит, органическое вещество.
Задача обогащения руды состоит в получении при минимальных затратах кондиционных фосфоритных концентратов, отвечающих по качеству требованиям технологии их кислотной переработки в удобрения. К вредным примесям концентрата относятся оксиды кальция, магния, железа и алюминия, а также хлор и органическое вещество. Определенные ограничения предъявляются и к гранулометрическому составу концентратов.
По горно-геологическим параметрам и качественному составу кызылкумские фосфориты значительно уступают аналогичным месторождениям зернистых фосфоритов (Иордания, Израиль, Египет, Тунис и др.). Поэтому применение традиционных технологий оказывалось экономически неэффективным.
Комбинированная технологическая схема производства фосфоритных концентратов из кызылкумских фосфоритов наиболее полно учитывает специфические геологические характеристики месторождения и особенности вещественного состава фосфоритной руды. Схема предусматривает сочетание нескольких взаимодополняющих методов обогащения, основанных на разных признаках разделения минералов и используемых в определенной последовательности. Приводим краткое описание основных составных элементов комбинированной технологии, которая частично уже реализована на 1 очереди КФК и в полном объеме планируется к внедрению в составе II очереди КФК.
1. На базе установленной закономерности слоистого распределения фосфата в разрезе фосфоритных пластов, а также благодаря применению комбайнов фрезерного типа осуществляется селективная послойная добыча руды разных технологических сортов для их раздельного обогащения по оптимальной для каждого сорта технологической схеме.
В средних слоях фосфоритных пластов концентрируются в основном рыхлые относительно богатые и легко обогатимые зернистые фосфориты. Разубоживание этих фосфоритов при отработке их тонкими слоями с величиной уступа порядка 15 см минимальное.
В верхней и особенно нижней частях пластов сосредоточены бедные и труднообогатимые фосфориты на глинисто-карбонатном цементе. При отработке этих слоев руда неизбежно разубоживается вмещающими мергелями и глинами, и ее качество становится еще худшим.
Для контроля и управления процессом селективной послойной отработки фосфоритных пластов проводится опережающее определение содержания P2O5 в отрабатываемом слое радиометрическим методом.
Селективная добыча руды и параметры применяемого горного оборудования обеспечивают минимальные потери и разубоживание в процессе горных работ, что улучшает качественный состав и обогатимость руды.
2. Различие естественной радиоактивности фосфорита и вмещающих пород, а также корреляционная связь между содержанием урана и P2O5 служат предпосылкой применения радиометрического метода сепарации.
Посамосвальная сортировка вывозимой из карьера фосфоритной руды осуществляется на передвижной рудоконтрольной станции (РКС). Отработанная в производственных условиях методика радиометрической сепарации добытой руды сводится к измерению радиометром суммарного гамма-излучения по двум боковым поверхностям самосвалов с рудой: и соответствующему пересчету показаний радиометра на содержание P2O5.
Радиометрическая посамосвальная сортировка выполняет роль контрольной операции, дополняя селективную выемку руды. В результате сортировки в отвал удаляется до 15% по выходу бедной минерализованной массы, содержащей менее 10% P2O5. Таким наиболее дешевым способом сокращается масса руды, направляемой на дальнейшее обогащение достаточно дорогими и энергоемкими методами. Одновременно уменьшается количество примесей и повышается содержание Р2О5 в отсортированной кондиционной руде, чем облегчается ее последующая обогатимость.
3. Облагороженная радиометрической сепарацией руда вначале обогащается сухими приемами, которые примерно вдвое дешевле водных процессов обогащения. Последовательность технологических процессов комбинированной схемы отвечает принципу "от простого и дешевого к более сложному и дорогостоящему".
Подготовительной технологической операцией сухого обогащения является избирательная дезинтеграция, совмещаемая с подсушкой, которая осуществляется в сушильном барабане. За счет дробления, механической дезинтеграции минеральных сростков и оттирки примесей с поверхности фосфатных зерен происходит перераспределение фосфата по фракциям крупности с увеличением контрастности фракций по признаку содержания в них P2O5. Эти благоприятные изменения гранулометрического состава руды, достигаемые при сухой дезинтеграции, способствуют последующему эффективному обогащению методами классификации по крупности - грохочением и обеспыливанием.
Сухое грохочение позволяет удалить в отвал крупные фракции, обедненные фосфатом, с повышенным содержанием в них карбонатных и силикатных примесей.
Обеспыливание позволяет повысить качество концентрата как по содержанию P2O5, так и по гранулометрическому составу, поскольку присутствие в концентрате пылевой фракции затрудняет процесс производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК).
Уловленная пылевая фракция выделяется в самостоятельный товарный продукт, предназначенный для получения новых видов простых и смешанных, в том числе органоминеральных, фосфорсодержащих удобрений по разработанным технологиям. Выделение из руды товарной пылевой фракции на 5-10% увеличивает извлечение P20s в конечные продукты обогащения.
В результате применения сухих приемов получается обогащенный промежуточный продукт с улучшенными технологическими свойствами, который затем обогащается более дорогим, но одновременно и более эффективным методом интенсивной промывки.
4. Суть разработанного метода интенсивной промывки состоит в оптимальном сочетании подготовительных и разделительных операций, обеспечивающем "мягкое" освобождение фосфатных зерен от сростков с цементирующими их минералами и выделение в концентрат хрупких очищенных фосфатных зерен в естественном природном состоянии - без их разрушения. Подготовительные операции процесса обогащения интенсивной промывкой - мокрая дезинтеграция сухих промежуточных продуктов в скруббере и механическая оттирка чернового концентрата в оттирочной камере. Разделительные операции - мокрое грохочение по граничной крупности 5 мм и 0.5 мм, обесшламливание по граничной крупности 0.04-0.05 мм в гидроциклоне и спиральном классификаторе.
В результате промывки с крупной фракцией +5 мм в отвал удаляются наиболее прочные кремнистые и карбонатные включения, а со шламовой фракцией мельче 0.04-0.05 мм отделяются диспергированные глинистые и карбонатные минералы, цементировавшие фосфатные зерна.
Шламовые отходы промывки осветляются и сгущаются в радиальных отстойниках с получением оборотной технологической воды.
Одновременно при промывке специальными приемами, с использованием свежей воды, достигается снижение до допустимых норм содержания в концентрате хлора - не более 0.04-0.05%.
Важен и принцип построения технологической схемы промывки, которая должна включать оптимальное количество разделительных операций обесшламливания, причем с получением как конечных продуктов (концентрата и шламовых отходов), так и циркулирующих в процессе промпродуктов. Достаточно полное отделение дисперсных отходов промывки достигается минимум 3-кратным обесшламливанием.
В результате промывки получается фосфоритный концентрат двух сортов разного назначения. Основная часть мытого концентрата первого сорта крупностью -0.5 +0.05 мм содержит 23-27% P2O5 и служит исходным сырьем для производства ЭФК и сложных удобрений. Концентрат второго сорта крупнее 0.5 мм, включающий сростки фосфатных зерен с сопутствующими минералами, содержит около 20% P2O5. Этот концентрат после сушки и доизмельчения используется в производствах простых удобрений типа суперфосфата.
Получаемый в результате промывки концентрат первого сорта по качеству в принципе уже пригоден для переработки в сложные удобрения, но при высоких эксплуатационных расходах. Производимые из такого концентрата удобрения имеют низкую потребительскую ценность. Поэтому, с учетом современных концепций в данной области, в комбинированной технологии обосновано производство фосфоритных концентратов максимально возможного качества.
5. Методы обжига и флотации исследованы в качестве доводочных операций в комбинированной технологии обогащения.
Промытый и фракционированный по крупности при промывке фосфоритный концентрат идеально подготовлен для окончательной его доводки методом так называемого "мгновенного обжига" во взвешенном состоянии при температуре 850-950шС. Путем такого обжига содержание P2O5 в концентратах повышается с 23-27% до 27-30% и более за счет удаления связанной влаги, выгорания органики и частичной декарбонизации (удаления диоксида углерода). Вследствие происходящих при обжиге изменений состава и свойств минералов обожженный фосфоритный концентрат становится значительно более технологичным при его сернокислотной переработке в сложные удобрения - не происходит вспенивания в реакторе и улучшается фильтруемость фосфогипса. Получаемая из обожженного концентрата ЭФК содержит меньше примесей, в том числе органики. На ее основе возможно производить высококачественные удобрения типа диаммонийфосфата, отвечающие лучшим мировым стандартам.
Прогрессивный процесс "мгновенного обжига" зернистых фосфоритов впервые был реализован в Израиле, где до этого применялся менее экономичный процесс обжига с использование вращающейся печи.
Исследованиями показано, что доводку мытого фосфоритного концентрата второго сорта, содержащего около 23% P2O5, возможно осуществить после его доизмельчения методом флотации. Лучшие показатели в части снижения содержания в концентрате карбонатных примесей достигнуты при "обратной" флотации в кислой среде (рН 5-6) с применением в качестве реагента-регулятора фосфорной кислоты. Однако процесс карбонатной флотации зернистых фосфоритов достаточно сложен и требует всестороннего дополнительного изучения. Поэтому применение флотации в комбинированной схеме обогащения кызылкумских фосфоритов рассматривается на более отдаленную перспективу, причем в ограниченном объеме.
Многолетние исследования по разработке технологии обогащения фосфоритной руды сложного минерального состава показали, что получение высоких технологических и приемлемых экономических показателей можно достичь только совокупным комплексом эффективных процессов на стадиях добычи руды и ее обогащения. Использование традиционных, часто упрощенных технологий, в подобных случаях не решает актуальные практические задачи.