Промышленное удаление хлоридов из фосфатной руды

Цезарь Норберт Вотцка, дипломированный инженер, руководитель конструкторского отдела Engineering Dobersek GmbH (Германия)

С начала 2007 года в пустыне Кызыл-Кум на территории Республики Узбекистан начала работу горно-обогатительная фабрика по обогащению фосфатной руды. Все оборудование было спроектировано, поставлено и пущено в эксплуатацию компанией Engineering Dobersek GmbH (Монхенгладбах, Германия). Сочетание процессов очистки, классификации, обезвоживания, обессоливания и сгущения в условиях соленых грунтовых вод пустыни позволило компании Engineering Dobersek (ED) выйти на промышленные объемы обогащения фосфатных руд. При этом потребление воды на фабрике было сведено к оптимальному минимуму.

Месторождения фосфатных руд осадочного происхождения (основная формула Ca5(PO4)3 (F, OH, Cl) встречаются практически на всех континентах. В наибольшей степени они распространены в США, Африке, Центральной Азии и на Ближнем Востоке и используются как сырье для производства фосфора и его соединений, таких как фосфорная кислота. Наиболее важными потребителями фо-сфатосодержащих продуктов являются химическая (производство удобрений, например, суперфосфатов), автомобильная (протравливание металлических частей кузова автомобилей перед покраской) и пищевая промышленности.

До начала 1990-х годов Узбекистан, являющийся одним из крупнейших в мире производителей хлопка, получал необходимую для производства фосфатных удобрений фосфорную муку в основном из Казахстана. Однако после распада Советского Союза, Узбекистан, чтобы поддержать на необходимом уровне производство удобрений для выращивания хлопка, был вынужден начать разработку собственных месторождений фосфатов в пустыне Кызыл-Кум.

Узбекские залежи фосфатов - фторкарбонатные апатиты - имеют морское происхождение. Они сформировались в виде отложений на дне моря, которое на протяжении геологической эпохи (в Меловом и Третичном периодах) дважды образовывалось и пересыхало. Одновременно с образованием двух пластов фосфатов откладывалась и морская соль в виде хлорида натрия (фото 1).

Почти 9 лет назад началась разработка фосфатного месторождения Ташкура. Была построена установка для сухого обогащения руды, в процессе которого руда подвергалась дроблению, грохочению и обжигу. Содержание P2O5 в фосфатном концентрате составляло около 26%. Спустя некоторое время обнаружилось, что хлорид натрия, содержащийся в руде, является основной причиной выхода из строя оборудования на химическом комбинате в Алмалыке - крупнейшем и основном потребителе фосфатного концентрата в Узбекистане.

В классическом производстве фосфорной кислоты порошкообразный фосфатный концентрат смешивается с серной кислотой. При этом процесс ее производства происходит при температуре почти 100°C. Содержащийся в фосфатном порошке NaCl быстро растворяется, образуя химически нестабильные ионы хлора, которые в этих условиях весьма агрессивны. В итоге происходит коррозия всех металлических частей оборудования.

Несколько безуспешных попыток остановить коррозию с помощью высококачественных сплавов позволили сделать вывод, что необходимо избавиться от самой причины коррозии - хлоридов, поскольку под угрозой оказалось производство стратегически важных для государства веществ - фосфорной кислоты и удобрений. Но в условиях труднодоступ-ности воды в пустыне и ее сильной засоленности отсутствовали эффективные и экономичные пути решения проблемы.

Техническое задание


Расположенный в г. Навои в Узбекистане «Навоийский горно-металлургический комбинат» (НГМК), в котором трудится более 70 тыс. человек, является крупнейшим производителем золота, урана и фосфатного концентрата.

Три года назад НГМК предложил компании ED сотрудничество по решению указанной проблемы и был подписан контракт на проектирование, поставку, монтаж оборудования и последующий запуск фабрики с учетом следующих условий: - производство фосфатного концентрата (104 т/час) с концентрацией хлоридов не выше 0.033% (лимит, определенный потребителем после многочисленных испытаний, в ходе которых было установлено, что коррозия оборудования при этой концентрации является допустимой). До этого момента концентрация хлоридов составляла 0.2%;

- использование воды только из скважин, пробуренных в непосредственной близости от комбината. Учитывая, что крайне труднодоступная в пустыне вода содержит хлоридов 650 мг/л, ее потребление должно быть минимизировано;

- фракции от 5 мм до 20 мкм, содержащие наибольший процент пятиоки-си фосфора (P2O5) не должны быть утеряны во время процесса (потери должны составлять не более 3%);

- остаточная влажность обогащенной руды не должна превышать 7%, чтобы установка обжига могла работать без риска спекания материала с поверхностями оборудования.

Разработанная технология


Проведенные фирмой ED исследования трех тонн фосфатной руды, поставленной из Узбекистана в Германию, позволили разработать технологию, отвечающую всем требованиям Заказчика и обеспечивающую рентабельное производство. Для обеспечения большей надежности и гибкости производства проектом предусматривалось строительство двух технологических линий одинаковой производительности.

Мокрое обогащение руды (с размером частиц от 0 до 200 мм) в бутаре


Руда транспортируется из бункера и подается в скруббер-бутару по ленточному конвейеру через дозаторы. В бутаре конгломераты породы постепенно разбиваются. Фракция, не содержащая фосфатов (более 5 мм) вымывается и подается на грохот. В результате распада конгломератов соль (NaCl), содержащаяся в загружаемом материале, начинает растворяться. Для обеспечения максимального срока нахождения соли в растворенном виде промывочная емкость установлена ниже скруббер-бутары. Вода, используемая на этой стадии, забирается из закрытой системы водоснабжения фабрики. При этом содержание хлоридов в ней далеко от насыщения.

Дезинтегрирование глинистых и лессовых фракций (менее 20 мкм) с низким содержанием P2O5 из концентрата в трехступенчатом гидроциклоне


Содержание глинистых и лессовых фракций < 20 мкм в суспензии фосфатной руды относительно велико и колеблется от 25% до 45%. Это означает, что для получения на выходе необходимых 104 т/час обогащенного фосфатного концентрата, нужно загружать в установку от 130 до 190 т необогащенной руды.

Полное удаление этих шламов из концентрата имеет решающее значение для процесса вымывания хлоридов на ленточном вакуум-фильтре. Значительное превышение 3%-го содержания этих фракций в сухом материале могло бы привести к образованию непроницаемой корки на поверхности кека ленточного вакуум-фильтра, что в свою очередь могло сделать обезвоживание и обогащение фосфата практически невозможным. Гидроциклонная установка - трехступенчатая. Нижний продукт со второй стадии подается на ленточный вакуум-фильтр, а верхний слив возвращается в виде сбросов в сгуститель (см. схему).

Такая последовательность гарантирует надежное и четкое отделение пульпы с мелкими фракциями от остаточной суспензии ценного материала, несмотря на колебания скорости подачи и размер частиц необогащенной руды. В процессе расходуется около 1200 м3 воды в час. Во время гидроциклонного процесса растворение хлорида натрия в воде продолжается. К концу двух первых технологических стадий около 95% хлоридов растворено. Осложняющая обезвоживание на ленточном вакуум-фильтре низкофосфатная фракция <20 мкм удаляется, что ведет к увеличению процентного содержания P2O5 на 2-4%.

Ленточный вакуум-фильтр


Когда все хлориды растворены в воде и продукт находится в жидкой фазе, суспензия подается на ленточный вакуум-фильтр (фото 2) для вымывания хлоридов. Ленточный вакуум-фильтр выполняет две задачи:

1. Вымывание хлоридов из фильтрационных кеков в ходе четырехступенчатого противоточного процесса промывки. В процессе промывки вода, содержащая соли, заменяется почти свободным от соли фильтратом, образующимся в установке обратного осмоса.

2. Разделение твердых и жидких фракций (обезвоживание) при помощи вакуум-фильтра. Фильтрат, содержащий на первых метрах ленточного вакуум-фильтра воду с высокой концентрацией хлоридов, в процессе промывки заменяется практически свободным от хлоридов пермеатом. Отработанный раствор подводится к системе водоснабжения предприятия. Большая часть воды из кека возвращается в систему.

Таким образом, почти полностью восполняются потери воды, возникшие в связи с удалением сгущенной пульпы из системы водооборота. Влажность кека может достигать на выходе 18-20%. Прежде чем пермеат будет подан на промывочные сопла, он используется для гидроуплотнения в вакуумном насосе и служит для очистки фильтровальной ткани. Повышение температуры пермеата в вакуумном насосе приводит к повышению растворимости, что положительно сказывается на эффективности промывочного процесса.

При этом важно учитывать, что, при нормальном атмосферном давлении pH пермеата снижается до значения 4.5, поэтому он не подходит в качестве запорной воды в ленточном вакуумном фильтре, так как это может привести к снижению стабильности процесса и разрушению поддерживающего полотна.

Сушка


Обезвоженный и свободный от хлоридов материал подается в две сушилки для снижения остаточной влажности с 20% до требуемых 7%. Используются наиболее подходящие для сушки фосфатных руд две однокамерные барабанные сушилки с жаровой трубой (2.8х 16.0 м).

Максимальная тепловая мощность каждой сушилки составляет 9.5 МВт, топливом служит природный газ. Производительность каждой сушилки составляет 52 т концентрата в час при рекомендованной для фосфатов температуре от 600°C до 700°C. В конструкции сушилки используется вибратор и специальная конструкция лопатки на внутренней поверхности барабана для предотвращения спекания влажных фосфатов.

Сгущение


Суспензия с низким содержанием фосфата, удаляемая верхним сливом на третьей стадии гидроциклонирования, состоит из очень мелких частиц (100% <20 мкм, включая 80% <6 мкм) и содержит всего 4% твердых фракций.

Оставшейся составной частью является вода, максимально возможное количество которой должно быть возвращено в технологический процесс.

С учетом экономичности было испытано три варианта возврата воды в систему:

- камерные фильтр-прессы;

- центрифуги;

- сгустители.

Наилучшим решением оказалось применение сгустителя. Был выбран пастовый сгуститель (фото 3), в котором процентное содержание твердых фракций в пульпе доводится до 40%, таким образом, достигается вязкость 33 мПа. В обычном сгустителе возможность сгущения тонкодисперсных пульп составит не более 20%.

Пастовый сгуститель снабжен системой разбавления питания, основанной на применении инжекторов, что позволяет достичь оптимальной концентрации для процессов флокуляции и осаждения. Поступающая суспензия разбавляется технологической водой из промывочной секции сгустителя. На сгустителе установлена система измерения скорости осаждения материала. На основании этих замеров контролируется дозирование флокулянта.

Контроль уровня заполнения сгустителя основан на измерении давления внутри емкости сгустителя. Датчики давления установлены в нижней части сгустителя. Как только уровень шлама повышается, давление возрастает и частотно-управляемый мембранный плунжерный насос, установленный под сгустителем, автоматически регулирует скорость удаления сгущенного продукта.

С целью эффективного контроля скорости вывода шлама через экстракционный цилиндр, в нижней части сгустителя установлен поддерживающий циркуляцию центробежный насос. Это обеспечивает постоянное движение пульпы, что значительно облегчает откачку сгущенной пульпы плунжерным насосом. Сгущенная пульпа перекачивается на расстояние 5 км в хвостохранилище.

Обессоливание природной воды обратноосмотической фильтрацией


Многочисленные тесты, проведенные фирмой ED в процессе проектирования фабрики, показали, что вода, используемая на ленточном вакуум-фильтре, должна быть практически свободна от соли. Это позволяет достичь остаточной концентрации хлорид-иона в продукте не более 0.033% согласно требованиям Заказчика.

Поскольку доступная на месте природная вода содержит около 650 мг/л хлорид-ионов, в проект был включен участок обессоливания, который состоит из станции гравийной фильтрации и двух фильтров обратного осмоса, действующих параллельно. Производительность установки составляет около 35 м3/час бессолевого пермеата. Солевой концентрат, получаемый одновременно с пермеатом в осмотическом процессе, возвращается в систему водоснабжения.

Монтаж оборудования


Полностью автоматизированная фабрика по обогащению фосфатов размещена на территории размерами около 350x380 м (фото 4). Ключевые элементы технологического оборудования: промывочный барабан, гидроциклонная установка, ленточный вакуум-фильтр, установка обессоливания - были установлены для защиты оборудования от экстремальных наружных температур (от -29°C до +55°C) в закрытом цеху размером 56x33x28 м.

Для обеспечения надежности фабрика имеет две параллельные технологические линии. Транспортирование руды

внутри фабрики осуществляют 22 ленточных конвейера. Промытая и обезвоженная в вакуум-фильтре руда может подаваться непосредственно в сушилки либо на промежуточное открытое хранение перед сушкой. В летний период благодаря воздействию солнечной энергии возможно снижение остаточной влажности еще на несколько процентов. Это значительно снижает расход газа, необходимого для сушки.

Комбинация проверенных технологических решений (промывочный барабан, ленточный вакуум-фильтр, барабанная сушилка) с новыми или нестандартными решениями, такими как трехступенчатое гидроциклонирование, использование пермеата в процессе вакуумного фильтрования, применение пастового сгустителя, привели к созданию рентабельного промышленного предприятия, отвечающего всем условиям контракта.

Благодаря экономичному подходу к использованию воды общий ее расход снижен более чем в два раза по сравнению с ожидаемым. Обеспечение допустимого расхода воды примерно в 80 м3/час для пульпы с 25% твердого и 160 м3/час для пульпы с 45% твердого и приемлемое для Заказчика содержание шламов в необогащенной руде помогло значительно снизить объем отходов, сбрасываемых в отработанный карьер фосфатного рудника.

Еще один косвенный положительный эффект, возникший благодаря удалению низкофосфатных глин и лессовых шламов, заключается в дополнительном повышении процентного содержания P2O5 на 2-4% в конечном продукте.

 

Журнал "Горная Промышленность" №5 (81) 2008, стр.42