静电的磷矿选矿: 回顾过去的工作与简易的分离体系的探讨

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3第国际磷酸盐工业创新与技术研讨会

磷矿的静电基液: 回顾过去的工作

并讨论改进的分离系统

法理学. 特纳a, S.A.加西奥罗夫斯基a, F.J.赫拉奇a, H. Guicherdb*

aST Equiment 与技术有限责任公司, 李约瑟, 马萨诸塞州, 美国

BST 设备 & 技术有限责任公司, 阿维尼翁, 法国

摘要

自20世纪40年代以来，各研究人员一直试图通过干静电工艺对磷酸盐矿进行优化处理。. 发展磷回收干燥工艺的根本原因是一些干旱地区的水量有限, 浮选化学成本, 和废水处理成本. 虽然静电过程可能不会提供一个完整的替代浮选, 它可能是矿石的适合作为一种补充一些流如降低罚款/泥含量浮选前, 浮选尾矿用于恢复丢失的产品加工, 并尽量减少对环境的影响. 虽然许多工作是在实验室秤上使用高张力辊和自由落体分离器进行的, 商业安装的唯一证据是大约 1940 皮尔斯矿场的"约翰逊"工艺; 目前静电的商业用途文献中没有证据表明, 虽然对干燥工艺的强烈兴趣继续用于干旱地区. 报告的各种研究项目强调饲料制备 (温度, 大小分类, 调理剂) 对性能有重大影响. 虽然通过从磷酸盐中去除二氧化硅已经实现了一些良好的分离, 和较少的例子，从磷酸盐的方解石和白云石, 当存在多种杂质时，结果不太积极. 研究工作继续进一步完善这些方法, 但传统静电系统的基本限制包括低容量, 需要多个阶段来充分升级矿石, 罚款引起的运营问题. 其中一些限制可以通过较新的静电工艺（包括三电带分离器）来克服.

© 2015 作者. 由埃尔塞维尔有限公司出版.

由SYMPHOS科学委员会负责的同行审查 2015.

关键字: 磷酸, 静电; 分离; 矿物; 细颗粒; 干工艺

*相应的作者: 电话: +33-4-8912-0306 电子邮件 地址: guicherdh@steqtech.com

1877-7058 © 2015 作者. 由埃尔塞维尔有限公司出版.

由SYMPHOS科学委员会负责的同行审查 2015.

法理学. 比特纳等人/普罗塞迪亚工程 00 (2015) 000–000

1. 关于磷酸盐矿静电基化的报告工作

长期以来，使用大量水的各种方法，对天然矿的磷酸盐浓度进行了测量. 然而, 由于世界各地各种磷酸盐矿床缺水, 以及增加许可和废水处理成本, 发展有效的, 经济干燥过程是非常可取的.

提出了磷矿干静电处理方法，并在小尺度上进行了超片测量 70 年. 然而, 这些方法的商业应用非常有限. "约翰逊过程" [1] 用于商业开始 1938 在美国皮尔斯佛罗里达附近的美国农业化学公司工厂工作一段时间. 这个过程使用了非常复杂的一系列滚子电极 (图 1) 用于从脱薄的乳化尾矿中磷酸盐回收的多级浓度, 浮选预浓缩物, 或浮选尾矿. 从 15.4% P2O5 和 57.3% 细尾矿中的不溶性材料, 通过大小分类的组合, 脱瘦, 和干尾矿的前提, 材料与 33.7% P2O5 只有 6.2% 不溶性被恢复. 在另一个示例中, 升级浮选尾矿 2.91% P2O5 导致 26.7% P2O5 与 80% 恢复. Johnson 指出，有必要使用磷酸盐浮选中常用的化学试剂对乳化尾矿进行处理，以获得高磷酸盐等级和回收. 他特别提到燃料油和脂肪酸作为试剂的有效性.

图 1, 强生工艺仪器和流量表美国专利 2,135,716 和 2,197,865, 1940 [1][2]

虽然这种商业装置在文献中被引用为开始约 1938, 不清楚这个过程使用的时间有多广泛或有多长. 在他的静电分离状态摘要 1961, O. C. 罗尔斯顿

[3]写，五个大约翰逊分离器安装每个处理约 10 吨/小时 -20 网格馈送. 每个分隔符 10 滚动高与应用电压 20 kV. 据Ralston称，佛罗里达州没有安装其他使用静电的商业级磷酸盐集中器. 根据工艺设备描述, 作者

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得出结论，相对于其他进程的能力而言，该进程的总体能力相当低, 如湿浮选. 低容量和干燥饲料矿石在佛罗里达湿开采的成本可能是限制进一步应用该工艺在20世纪40年代和50年代的原因.

在20世纪50年代和60年代，国际矿物工人 & 化学品公司 (Imc) 研究干静电分离工艺在矿物资源中的应用. 弗洛里迪亚磷酸盐矿石加工对IMC特别感兴趣. IMC 工作采用自由落体分离器设计，有时通过搅拌器或冲击器（如锤子或杆磨机）增强颗粒充电功能. [4] 后续专利 [5] 包括使用不同材料的充电器增强分离, 虽然该系列的最终专利

[6]结论是 在高温下进行颗粒接触充电 (>70℉) 比使用充电器系统更有效. 这些专利中报告结果的代表性示例显示在表中 1.

表 1. 国际矿物报告的结果 & 化学品专利 1955-1965

各种IMC专利检查了颗粒大小的影响, 包括独立处理各种屏幕切割, 虽然很少的工作涉及非常精细 (<45 µ m) 粒子. 样品调理差异很大, 包括温度调节, 预清洗和干燥, 和不同的干燥方法 (间接干燥, 闪光干燥, 具有特定红外波长范围的热灯). 不同的杂质 (即. 硅酸盐与碳酸盐) 需要不同的处理和预处理方法，以优化分离. 虽然从专利描述中可以清楚地看出，IMC正在尝试开发一个商业规模流程, 对文献的检查并不表明这种装置曾经在任何IMC现场建造和操作过.

20世纪60年代，北卡罗来纳州矿物研究实验室对含有碳酸盐的磷酸盐矿石进行了具体研究。, [9] 使用实验室飞落分离器和地面壳碳酸盐和磷酸盐卵石浮选浓缩物的合成混合物，尺寸非常窄 (-20自 +48 网格), 研究表明，预置 具有酸磨砂或脂肪酸的材料将磷酸盐的相对电荷视为正电荷或负电荷. 获得相对清晰的分离. 然而, 使用含有大量罚款的天然矿石时, 只有差的分离是可能的. 与初始 P 的浮选升级中残留物的最佳分离2O5 浓度 8.2% 恢复的产品 22.1% P2O5. 未报告恢复级别. 特别是, 报告的困难之一是在分离电极上累积罚款.

使用高张力辊式分离器对北卡罗来纳州磷酸盐的静电分离进行额外工作

[10]结论是，虽然磷酸盐和石英的分离是可能的, 干燥成本过高. 然而, 鉴于烧结的磷酸矿是干燥的, 研究人员认为，这种液学的静电分离是可能的. 在报告的工作中，钙化磷酸盐的分离情况不佳. 分离似乎与颗粒大小有关，而不是与组成有关. 建议的改进包括使用其他静电分离系统, 试剂，增强颗粒充电特性和非常接近的屏幕尺寸的材料. 没有证据表明任何 对这个项目进行了后续工作.

使用高张力辊分离器的早期工作 [11] 从佛罗里达州的矿矿中成功去除铝和铁化合物. 矿石涸了, 粉碎, 分离前小心尺寸. The P2O5 浓度略有增加，从 30.1% 自 30.6% 但清除Al和Fe化合物，通过上市方法，使随后恢复更好. 这项工作说明了使用静电分离器来解决特定矿石的问题，该矿石限制了传统的湿处理.

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以及对许多其他材料分离的调查, 西库和同事测试了各种磷酸盐矿的分离，包括来自印度的矿源, 阿尔及利亚, 突尼斯, 和安哥拉. [12] 从经济角度来看，静电分离是替代浮选的一种替代方法，因为干旱地区存在大量磷酸盐矿床. [13] 使用实验室级无跌落分离器与"涡轮增压器", 这些研究人员能够获得与相对简单的甘蔗成分的奥液的浮选过程类似的分离结果. 特别, 他们发现磷酸盐在二氧化硅的存在中电荷为正, 但方解石的存在是负面的. 然而, 如果矿石含有大量的二氧化硅和碳酸盐, 静电分离较差，浮选过程证明更灵活，可进行实际分离. 从涡轮增压器对单个颗粒充电的影响的研究, 这些研究人员得出结论，甘蔗材料主要通过粒子接触而不是与涡轮增压器表面接触来充电。. [13] [14] 充电对材料温度也高度敏感, 良好的分离只能获得超过100°C. 此外, 精细材料的存在导致分离器出现问题，良好的结果取决于在分离前对三种尺寸范围内的颗粒进行仔细调整. 表中显示了此组的结果摘要 2. 没有满- 规模应用程序似乎已经根据此工作实现.

表 2. 从西库报告的结果, Et. 铝. 从实验室规模自由落体分离器

哈穆德研究了埃及矿石的静电分离, 等. 使用实验室尺度自由落体分离器. [15] 使用的矿石主要含有二氧化硅和其他不溶性，初始 P2O5 浓度 27.5%. 回收的产品具有 P2O5 浓度 33% 与 71.5% 恢复.

阿布扎伊德对埃及一种以硅石石为主开采的矿石进行了另一项研究。, 等. 使用实验室滚筒分离器. [16] 研究人员特别寻求确定在缺水地区浓缩和/或去尘磷酸盐矿的干燥技术. 本研究获得了一种产品： 30% P2O5 从饲料材料与 18.2 % P2O5 与恢复 76.3 % 仔细调整材料尺寸后，将材料缩小到两者之间的狭窄范围 0.20 毫米和 0.09 毫米.

在随后的评论文章中，涵盖了磷酸盐回收的所有仁慈过程, Abouzeid报告说，虽然静电分离技术成功地通过去除二氧化硅和碳酸盐来提升磷酸盐矿, 分离器的低容量限制了其用于商业生产. [17]

最近，Stencel和建利用实验室无流流进行了研究佛罗里达的静电分离- 秋天分隔符. [18] 目的是确定长期使用的浮选系统的替代或补充处理方案，因为浮选不能用于低于 105 µ m. 这种精细材料被简单地填埋, 导致损失近 30% 最初开采的磷酸盐. 他们测试了已脱利的原矿石, 精细浮选进给, 粗加工浮选浓缩物, 和最终浮选浓缩物从佛罗里达州的两个加工厂获得，饲料率高达 14 实验室比例分离器中的千克/小时. 精细浮料的分离效果良好 (+0.1 毫米; ±12% P2O5) 从一个源升级到 21-23% P2O5 在两个通行证与 81- 87% P2O5 通过拒绝主要不溶性二氧化硅进行回收. 使用气动输送管或旋转三元充电器对进给进行三角充电时，也取得了类似的效果.

最近报道的对磷酸盐矿静电分离的研究涉及系统，旨在更好地优化材料的充电，然后引入自由落体分离器, 陶和阿尔赫瓦蒂 [19] 发现没有商业用途的静电磷酸盐的致用，由于系统低

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吞吐量, 效率低，需要使用狭窄的颗粒大小分布. 这些研究人员特别寻求克服与依赖于粒子的系统相关的低粒子电荷密度，以粒子接触或对简单充电系统的影响. 与约旦矿石合作，主要使用二氧化硅钢刚石, 材料被粉碎到 -1.53 毫米和小心拒绝删除下面的材料 0.045 毫米. 小型实验室液位自由落体分离器配有新设计的旋转充电器，设计有固定气缸和旋转滚筒, 或充电器, 和两者之间的环形空间. 外部电源用于在快速旋转滚筒和固定气缸之间施加电位. 通过与旋转滚筒接触充电后, 粒子进入传统的自由落体分离器. 使用 100 克批次大小， 从下降的饲料 P 开始2O5 内容 23.8%, 两次通过后，一个浓缩高达 32.11% P2O5 已恢复, 虽然只有与整体恢复 29%.

为了对磷酸盐处以罚款 (< 0.1 毫米), 巴达等人. 采用了自由落体分离器，旋转充电系统与陶的非常相似。[20]. 起始材料来自浮选浓缩物，包含带 P 的罚款2O5 的 28.5%. A product of 34.2% P2O5 被恢复，但再次与低恢复率 33.4%.

这种"旋转三角静态自由落体分离器"再次应用于索比和陶对磷酸盐的干性增生。. [21] 与来自佛罗里达州的碎多洛米磷酸盐卵石合作，颗粒大小范围非常宽 (1.25 毫米 – <0.010 毫米), 磷酸盐浓缩物 1.8% 姆戈和 47% P2O5 恢复从饲料开始约 23% P2O5 和 2.3% 氧化镁. 在进料时，在实验室规模设备上实现了最佳结果 9 千克/小时和 + 3kV 应用于旋转充电器. 据报道，由于大颗粒中材料的解放不良和分离室中不同颗粒尺寸的干扰，分离效率受到限制.

在处理浮料进给样品时，使用更窄的颗粒大小分布，取得了更好的结果。 1 自 0.1 毫米. 使用初始 P2O5 内容约 10%, 获得的产品样本与约 25% P2O5 内容, P2O5 恢复 90%, 和拒绝 85% 石英. 这证明效率比使用 Stencel 使用的更传统的充电系统的自由落分离器获得的效率好得多 [18] 展示了新设计的旋转充电器的优势. 处理含有浮选浓缩物 31.7% P2O5 导致大于 35% P2O5 与恢复 82%. 据指出，通过浮选，这种升级比可能更好.

该实验室刻度分离器具有分离系统宽度 7.5 厘米被描述为具有容量 25 公斤/小时, 相当于 1/3 吨/小时/米的宽度. 然而, 所报告的进给率对分离效率的影响表明，仅获得最优分离 9 千克/小时或略高于系统标称容量的三分之一.

整体, 以往磷矿静电升级工作受到复杂结粒相对充电和颗粒尺寸效应不利影响的有限。, 特别是, 罚款的影响. 大部分工作只涉及实验室规模设备，没有进行商业规模的验证, 可连续操作的设备. 此外, 可用静电工艺设备的低容量使得商业应用不经济.

2. 传统静电分离工艺的局限性

格罗波使用的高张力辊静电分离系统 [10] 和库洛赫里斯等人. [11] 通常用于升级各种材料，当一个组件比其他组件导电性强时. 在这些过程中, 材料必须接触接地的鼓或板, 通常是在材料颗粒通过电离电晕放电负电荷后. 导电材料会很快失去电荷, 并被从鼓中抛出. 非- 导电材料继续被吸引到滚筒，因为电荷会消散得更慢，从导电材料分离后会从滚筒上掉下或刷掉.

下图 (图 2) 说明了这种类型的分隔符的基本特征. 这些流程是

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由于每个颗粒与滚筒或板的所需接触，容量有限. 由于需要接触接地板和所需的颗粒流动力学，这些滚筒分离器的有效性也仅限于约 0.1mm 或更大的颗粒。. 由于惯性效应, 不同大小的粒子也会有不同的流动动力学, 并将导致降解分离.

图 2: 鼓式静电分离器 (长老和燕, 2003 [22]

对磷酸盐的分类应用有限，是由于磷酸盐和典型钢化材料的非导电性. 库洛赫里斯观察到主要一些去除铁和铝含有颗粒，, 由于其导电性, 从滚筒中 "抛出". 磷酸盐矿中这种材料的存在并不常见. 格罗波指出， 作为 "非导体" 的滚筒上唯一被 "固定" 的材料是罚款, 指示按颗粒大小而不是材料成分分离. [9] 除了可能罕见的例外, 磷酸盐矿不能受高张力辊分离器的缓解.

鼓辊分离器也用于依靠粒子的三波电充电而不是由高压场引起的电离引起的充电的配置中. 位于滚筒上方的一个或多个电极, 如图所示的"静态"电极 2, 用于从滚筒表面"提升"相反电荷的颗粒. 阿布扎伊德使用这样的系统, 等. [16] 发现分离效率根据极性而改变，并应用了静态电极的电压. 约翰逊进程 [1] 使用鼓辊分离器的另一种变体. 然而, 单滚轮系统的容量和效率有限，导致系统非常复杂，如图所示 1. 如上文所述, 看来，这种复杂性和整体效率低下的过程严重限制了其应用.

三电静分离不限于导电分离 / 非导电材料，但取决于不同表面化学材料摩擦接触的电荷转移现象. 这种现象几十年来一直用于"自由落体"分离过程. 如下图所示 3. 颗粒混合物的成分首先通过与金属表面接触而产生不同的电荷, 如在三元充电器中, 或由粒子到粒子接触, 如在流化床喂食装置中. 当粒子从

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电极区中的电场, 每个粒子的轨迹都偏转到相反电荷的电极上. 经过一定的距离, 收集箱被用来分隔流. 典型的安装需要多个分离器阶段, 回收的分数中等. 有些设备使用稳定的气体流, 以协助通过电极区输送粒子.

图 5: "自由落体"三波静电分离器

而不是仅仅依靠粒子到粒子的接触来诱导电荷转移, 许多此类系统使用由带或不带施加电压的选定材料组成的"充电器"部分来增强粒子充电. 在20世纪50年代, Lawver 使用各种设备（包括锤磨机和棒磨机）进行调查，以在分离阶段之间为材料充电 [4] 以及各种材料的简单板充电器. [5] [6] 然而, Lawver 的结论是，材料温度具有压倒一切的重要性，高于环境温度的颗粒电荷传输比使用充电器效果更好. 奇库等人. [12] 调查了电荷转移的相对程度，认为由于充电器板冲击频率的概率较低，小颗粒材料主要通过粒子接触获得电荷. 这说明了使用充电器系统的限制: 所有颗粒必须接触充电器表面，因此进给率必须相对较低. 通过使用湍流条件来输送材料或使用较大的表面积移动充电器，可以改善接触. 陶的最近作品 [19] 和巴达 [20] 和索比 [21] 使用特别设计的旋转充电器，带施加电压，但仅使用非常小规模的实验室分离器. 虽然这种改进的充电器设计已证明优于旧系统, 这些系统的显示处理能力仍然相当低. [21]

这种类型的自由落体分离器也有可加工材料的粒径限制. 必须控制电极区域内的流量，以尽量减少湍流，以避免分离的"涂抹". 细颗粒的轨迹受湍流的影响更大, 因为细颗粒上的空气动力阻力远远大于重力和静力. 如果处理颗粒尺寸范围相对狭窄的材料，可以一定程度的克服此问题. 以上讨论的主要研究包括将预筛选材料纳入不同尺寸范围，以优化分离. [5] [6] [7] [9] [12] [14] [16] [19] [20] [21] 中。

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差异 8 自 20 kV. 皮带, 这是由非导电塑料制成, 是大网格 60% 开放区. 颗粒很容易穿过皮带上的孔. 电极之间的差距进入负电的粒子被吸引到底部正面电极电场力. 带正电的粒子被吸引到负电荷顶电极. 连续循环带速度从变量 4 至 20 米/s. 横向股的几何形状用于将粒子从电极上扫除，将粒子向分离器的正确端移动，并回到皮带相反移动部分之间的高剪切区. 因为粒子数密度是如此之高内电极之间的差距 (大约一个- 第三体积被粒子占据) 大力搅拌流, 有很多粒子之间的碰撞和最优充电在分离区各地不断发生. 逆流流动诱导相反移动带章节并不断重新充电和重新分离创建计数器当前多级分离内单项电器. 分离器中颗粒的连续充电和充电消除了任何必要的"充电器"系统，然后将材料引入分离器, 从而消除了其他静电分离器容量的严重限制. 这种分离器的输出是两个流, 精矿和残渣, 没有中矿流. 这种分离器的效率已被证明是相当于自由落体分离与中矿回收大约三个阶段.

矿物 A 端

图 7: STET 皮带分离器的基本原理

颗粒的高效分离小于 0.5 毫米，使其成为分离罚款的理想和经过验证的选择 (灰尘) 从钾干磨操作. STET 分离器可以高效处理各种颗粒尺寸，而无需分类为窄尺寸范围. 因为剧烈的激动, 移动带之间的高剪切率, 和处理非常细的颗粒的能力 (<0.001 毫米) ST 分离器可能有效分离其他静电分离器失败的磷酸盐矿粘液.

3.1 资本和运营成本

一项比较成本研究由STET委托，由Soutex公司进行. [25] soutex 是一家总部位于魁北克的加拿大工程公司, 在湿浮选和静电分离工艺评估和设计方面拥有丰富的经验. 该研究比较了三聚苯乙烯带分离工艺的资本和运营成本与低品位巴利特矿石的富化的传统泡沫浮选. 预计运营成本包括营运劳工, 维护, 能源 (电气和燃料), 和消耗品 (例如, 上市化学试剂成本). 投入成本基于位于战山附近的假设工厂的典型值, 美国内华达州. 十年来的总拥有成本是根据资本和运营成本计算的，假设

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8% 贴现率. 成本比较结果在表中作为相对百分比存在 3. 表 3. 巴里特加工的成本比较

三波静电带分离工艺的资本设备总采购成本略低于浮选. 但是，如果计算总资本支出包括设备安装, 管道和电气成本, 和流程建设成本, 差异较大. 三波静电带分离过程的总资本成本为 63.2% 上市过程的成本. 更简单的流程表显著降低了干流程的成本. 三波静电带分离过程的运行成本为 75.5% 由于主要操作人员要求较低和能耗较低，浮选过程.

三波静电带分离工艺的总拥有成本明显低于浮选. 研究作者, 苏的克斯公司, 结论三波静电带分离工艺在CAPEX中具有明显的优势, 运营公司, 操作简单性.

4. 总结

虽然自20世纪40年代以来，各种研究人员一直试图通过干静电工艺对磷酸盐矿进行利用，但这种工艺在商业规模上的使用非常有限。. 有限的成功是由于分离器系统设计和奥数的复杂性造成的多种因素.

进给准备 (温度, 大小分类, 调理剂) 对分离系统的性能产生重大影响. 在这一领域进一步工作的机会, 特别是探索化学调理剂，以提高颗粒的差分充电，使后续分离效率更高. 使用这种电荷修改剂可能导致能够成功利用复杂钢水材料对电图的电图进行加工, 包括硅酸盐和碳酸盐.

虽然工作继续进一步完善这些方法, 传统静电系统的基本限制包括容量, 矿石充分升级的多个阶段所需的, 罚款引起的运营问题. 为了可行的商业规模应用所展示的实验室技术, 必须作出重大改进，以确保可靠, 连续运行，效率下降.

STET 三波电分离器为矿物加工业提供了一种利用完全干燥的技术对精细材料进行利用的手段. 环保工艺可消除湿加工和最终材料的干燥要求. STET 工艺以高容量运行 – 40 小型机器每小时吨. STET 分离器可以高效处理各种颗粒尺寸，而无需分类为窄尺寸范围. 因为剧烈的激动, 移动带之间的高剪切率, 和处理非常细的颗粒的能力 (<0.001 毫米) STET 分离器可能有效地将粘液与其他静电分离器发生故障的磷酸盐矿分离. 能耗低, 大约 1-2 kWh/吨加工材料. 由于工艺的唯一潜在排放是灰尘, 许可通常相对容易.

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