Industrielles Auswaschen von Chloriden aus Phosphaterzen unter ...

Industrielles Auswaschen von Chloriden aus
Phosphaterzen unter extremen Bedingungen
in der Wüste Usbekistans
Industrial Removal of Chlorides from Phosphate Ores by
Washing in Extreme Conditions in the Uzbekistan Desert
Extraction par lavage industriel des chlorures des
minerais de phosphates dans des conditions
extrêmes dans le désert d’Usbekistan
Dipl.-Ing. Cäsar Norbert Wotzka, Mönchengladbach (D)*)
Zusammenfassung Die Engineering Dobersek GmbH (ED) aus Mönchengladbach projektierte, lieferte und montierte eine neue Phosphaterzwaschanlage
zur Aufbereitung von Phosphaterzen in der Wüste Kysilkum in Usbekistan. Die Anlage wurde im Mai 2007 in Betrieb genommen.
Durch Kombination mehrerer Verfahren wie Läutern, Zyklonieren, Entwässern, Waschen, Entsalzen und Eindicken konnte ED trotz stark salzhaltigen,
in der Wüste verfügbaren Grundwassers Chloride aus Phosphaterzen industriell auswaschen. Dabei ist der Wasserverbrauch optimiert
und gering gehalten worden.
Summary The Mönchengladbach-based fi rm Engineering Dobersek GmbH (ED) planned, supplied and installed a new phosphate ore washing
plant for processing phosphate ores in the Qizilqum Desert in the Republic of Uzbekistan. The plant was started up in May 2007. With a combination
of several processes such as cleaning, cycloning, dewatering, washing, desalination and thickening, ED was able to ensure the industrial
washing out of chlorides from phosphate ores despite the extremely salty groundwater available in the desert. Water consumption of the plant
was optimized and minimized.
Résumé La société Engineering Dobersek GmbH (ED) de Mönchengladbach a assuré la conception, la livraison et le montage d’un nouvel atelier
de lavage de minerais de phosphates pour une installation la traitement de minerais de phosphates dans le désert de Kysilkum en Usbekistan.
L’installation a été mise en service en mai 2007. Par la combinaison de plusieurs procédés tels que débourbage, cyclonage, déshydratation,
lavage, dessalement et épaississement, ED a pu, malgré l’eau souterraine à teneur élevée en sel disponible dans le désert, assurer l’extraction par
lavage industriel des chlorures des minerais de phosphates. La consommation d’eau a été ici optimisée et maintenue faible.
Resumen La empresa Engineering Dobersek GmbH (ED) con sede en Mönchengladbach proyectó, entregó y montó una nueva planta de lavado
de minerales de fosfato para el tratamiento de minerales de fosfato en el desierto rojo de Uzbekistán. La planta entró en funcionamiento en
mayo de 2007. A pesar de que el agua subterránea existente en el desierto de Uzbekistán tiene un alto contenido en sales, mediante la combinación
de varios procedimientos como clarifi cación, ciclonaje, drenaje, lavado, desmineralización y reducción ED pudo lixiviar a nivel industrial
los cloruros de los minerales de fosfato. Con este procedimiento, el consumo de agua se ha optimizado y se ha mantenido bajo.
1. Einführung
Phosphaterze, insbesondere die sedimentären Apatite mit der allgemeinen
Formel Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, OH, Cl), sind sehr verbreitet, vor
allem in den USA, Afrika, Mittelasien sowie im Nahen Osten, und
werden als Rohstoff für die Herstellung von Phosphor und seinen
Verbindungen wie z. B. Phosphorsäure verwendet. Zu den wichtigsten
Abnehmern der Phosphatprodukte zählen die chemische
Industrie (Herstellung von Düngemitteln wie z. B. Superphosphate),
die Automobilindustrie (Reinigung der Karosseriebleche
vor der Lackierung) und die Lebensmittelindustrie.
Usbekistan, einer der führenden Baumwollproduzenten weltweit,
hat bis Anfang der 90er-Jahre das für seine Düngemittelindustrie
notwendige Phosphatmehl fast ausschließlich von der damaligen
Sowjetrepublik Kasachstan kostengünstig bezogen. Um die für
die Baumwollproduktion notwendigen Düngemittel weiterhin
konkurrenzfähig herzustellen, musste Usbekistan nach dem Zerfall
der Sowjetunion eigene Phosphatlagerstätten im Gebiet der
*) Abteilungsleiter Anlagenbau, Engineering Dobersek GmbH,
Mönchengladbach (D) (www.ed-mg.de)
Lixiviación industrial de cloruros de minerales de
fosfato en condiciones extremas en el desierto de
Uzbekistán
1. Introduction
Phosphate ores, especially sedimentary apatites with the general
formula Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, OH, Cl), are very widely distributed around
the world, especially in the USA, Africa, Central Asia and in the
Near East. They are used as a raw material for the production of
phosphorous and its compounds, such as phosphoric acid. The
most important buyers of phosphate products include the chemicals
industry (production of fertilizer, e.g. superphosphates), the
automotive industry (cleaning of car body sheets prior to painting)
and the food industry.
Up to the beginning of the 90s, Uzbekistan, one of the world’s
leading cotton producers, bought in low-cost phosphate fl our
it needed for its fertilizer industry almost exclusively from the
former Soviet Republic of Kazakhstan. To ensure the continued
competitive production of fertilizer for cotton growing following
the collapse of the Soviet Union, Uzbekistan had to develop
its own phosphate deposits in the Qizilqum Desert. Uzbekistan’s
*) Manager of the Plant Engineering Department, Engineering
Dobersek GmbH, Mönchengladbach (D) (www.ed-mg.de)
2 AUFBEREITUNGS TECHNIK 48 (2007) Nr. 11-12

Wüste Kysilkum erschließen. Die usbekischen Phosphatvorkommen
– Fluorcarbonat-Apatite – sind mariner Herkunft und entstanden
als Sedimente eines Meeres, das sich zweimal in der Erdgeschichte
(Kreidezeit und Tertiär) über dem Gebiet der heutigen
Wüste Kysilkum gebildet hat und dann wieder ausgetrocknet ist.
Zusammen mit den dabei entstandenen zwei Phosphatschichten
hat sich auch Meersalz als Natriumchlorid abgelagert (Bild 1).
Vor fast neun Jahren ist die erste Phosphatlagerstätte Taschkura in
der Wüste Kysilkum erschlossen worden. Dabei wurde eine Anlage
für die trockene Aufbereitung gebaut, die das Erz zerkleinert,
siebt und zusätzlich kalziniert. Die Anreicherung an P 2 O 5 im Phosphatkonzentrat
lag bei ca. 26 %. Nach verhältnismäßig kurzer
Zeit stellte sich heraus, dass das im Erz enthaltene Natriumchlorid
dem Hauptabnehmer des Phosphatkonzentrates, dem größten
usbekischen Chemiewerk in der Stadt Almalyk, große technische
Probleme bereitete. Bei der klassischen Herstellung von Phosphorsäure
wird das Phosphatkonzentrat als Pulver mit Schwefelsäure
vermischt. Die dabei entstehenden Temperaturen liegen
knapp unter 100° C. Das im Phosphatpulver vorhandene NaCl
löst sich sofort auf. Dabei entstehen chemisch instabile und unter
diesen Bedingungen sehr aggressive Chlorid-Ionen „Cl¯“. Diese
verursachen eine starke Korrosion an allen Anlagekomponenten,
in denen der Prozess abläuft.
Das Auswaschen von Chloriden wollte der Betreiber zuerst nicht
in Betracht ziehen. Durch das in der Wüste knapp vorhandene
und zudem stark salzhaltige Wüstenwasser fehlten damals noch
wirtschaftlich vertretbare und kostengünstige Lösungen. Nach
mehreren erfolglosen Versuchen, die Korrosion durch Verwendung
von hochwertigen Legierungen zu stoppen, war der Betreiber
gezwungen, die Ursache des Problems – die Chloride – zu
beseitigen. Die Produktion der für das Land strategisch wichtigen
Phosphorsäure und der Düngemittel stand dabei auf dem Spiel.
2. Die Aufgabe
Das usbekische Bergbaukombinat „Navojinski Gornometalurgiceski
Kombinat“ (NGMK), mit dem Hauptsitz in der Stadt Navoi,
ist ein führender Hersteller von Gold, Uran und Phosphatkonzentrat
mit über 70 000 Beschäftigten. Vor drei Jahren wurde die
Firma Engineering Dobersek GmbH aus Mönchengladbach von
NGMK mit der Lösung der Problematik beauftragt. Eine Anlage
sollte konzipiert, projektiert, geliefert, montiert und in Betrieb genommen
werden, die folgende Aufgaben zu erfüllen hatte:
– Herstellung von 104 t/h gewaschenem Phosphaterz, mit einer
deutlich reduzierten Chloridkonzentration von ca. 0,2 %
auf max. 0,033 % (ein in zahlreichen Versuchen vom Kunden
ermittelter Grenzwert, bei dem die Korrosionsbildung an der
Ausrüstung akzeptabel bleibt).
– Ausschließliche Verwendung des stark salzhaltigen Wassers
aus den Wüstenbrunnen; das Wasser enthält 650 mg/l Chloride
und stand in begrenzter Menge zur Verfügung. Dadurch
musste der Wasserverbrauch auf niedrigem Niveau gehalten
werden.
– Es war darauf zu achten, dass die Fraktion von –5 mm bis
+20 µm, die den größten Anteil an Phosphorpentoxid P 2 O 5
enthält, während des Prozesses nicht verloren geht – erlaubt
waren max. 3 %.
– Die Restfeuchte des gewaschenen Erzes durfte 7 % nicht übersteigen,
damit die nachgeschaltete vorhandene Kalzinierungsanlage
ohne Anbackungsgefahr arbeiten kann.
3. Die Lösung: ein speziell entwickeltes Verfahren
Nach mehreren von ED durchgeführten Untersuchungen – dafür
mussten über 3 t Phosphaterz aus Usbekistan nach Deutschland
transportiert werden – hat sich ED für ein Verfahren entschieden,
das alle defi nierten Anforderungen erfüllt und dabei auch eine
wirtschaftliche Produktion gewährleistet. Die Anlage wurde in
zwei separaten Linien (2 x 50 % Kapazität) konzipiert, um eine
Bild 1: links: Gewaschenes Phosphaterz in 100-facher Vergrößerung;
rechts: Salzkorn unter einem Rasterelektronenmikroskop
Fig. 1: left: Washed phosphate ore (100 x magnifi cation); right:
grain of salt under a scanning electron microscope
phosphate deposits – fl uorocarbonate apatites – are of marine
origin, having been formed as the sediment of a sea that covered
the area of today’s Qizilqum Desert twice in geological history
(Cretaceous and Tertiary periods) and dried out each time.
Together with the two strata of phosphate formed, sea salt was
deposited as sodium chloride (Fig. 1).
Almost nine years ago the fi rst phosphate deposit at Tashkura
was opened up in the Qizilqum Desert. A plant was built for dry
processing of the ore, in which it is comminuted, screened and
calcined. The content of P 2 O 5 in the phosphate concentrate was
around 26 %. After a relatively short time it was established that
the sodium chloride contained in the rock was causing major technical
problems at the facilities of the main buyer of the phosphate
concentrate, the largest Uzbekistan chemicals plant in the town
of Olmaliq. In the classical production of phosphoric acid, powdered
phosphate concentrate is mixed with sulphuric acid. The
temperatures generated during mixing are just below 100° C. The
NaCl contained in the phosphate powder immediately dissolves.
In this process chemically unstable chloride ions “Cl¯” are formed
which are very aggressive in these conditions. These cause severe
corrosion of all components in the processing plant.
The plant operator initially refused to consider washing out the
chlorides. In view of the scarcely available, but very salty water in
the desert, no economically viable and low-cost solutions could
be offered at that time. After several unsuccessful attempts to
stop the corrosion by using high-quality alloys, the operator was
forced to eliminate the cause of the problem, i.e. the chlorides.
The production of the strategically important phosphoric acid
and fertilizers for the country was at stake.
2. The Objective
The Uzbekistanian mining combine “Navojinski Gornometalurgiceski
Kombinat“ (NGMK), headquartered in the town of Navoi,
is a leading producer of gold, uranium and phosphate concentrate
with over 70,000 employees. Three years ago NGMK
called in Engineering Dobersek GmbH, a fi rm based in Mönchengladbach,
Germany, to come up with a solution to the problems.
The company was contracted to design, plan, supply, install and
commission a plant to meet the following requirements:
– Production of 104 t/h washed phosphate ore, with a substantially
reduced chloride concentration from around 0.2 % to
max. 0.033 % (a limit determined by the client in numerous
tests at which corrosion of the equipment is considered acceptable).
– Use of only the extremely salty water from the desert wells: this
water, which is only available in limited quantities, contains
650 mg/l chlorides. Water consumption therefore had to be
minimized.
– The fraction from –5 mm to +20 µm, which contains the largest
percentage of phosphorous pentoxide P 2 O 5 , must not be
lost during the process – a maximum of 3 % was allowed.
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Phosphaterz
Phosphate
ore
Frischwasser
Fresh
water
Waschtrommel
Washing drum
Waschbehälter
Washing tank
Umkehrosmose
Reverse osmosis
Konzentrat
Concentrate
Kreislaufwasserbehälter
Circuit water tank
+5 mm
Permeat
Permeate
Steine
Rocks
Filtrat
Filtrate
Permeat
Permeate
Bild 2: Prozessschema der Phosphatwaschanlage von der Engineering Dobersek GmbH
Fig. 2: Process fl ow of the phosphate washing plant supplied by Engineering Dobersek GmbH
höhere Sicherheit und Elastizität zu garantieren. Die wichtigsten
technologischen Schritte des Prozesses stellten sich wie folgt dar
(Bild 2):
3.1 Läutern des Roherzes (Korngröße zwischen 0 und
200 mm) in Waschtrommeln
Das Erz wird aus einem Vorratsbunker mittels Dosier- und Förderbändern
zu einer Waschtrommel gebracht, in der sich die Erzagglomerate
auf schonende Weise zerlegen. Alle Steine, die keine
Phosphate beinhalten (Fraktion > 5 mm), werden dabei freigewaschen
und können in dem direkt an die Waschtrommel angeschlossenen
Trommelsieb vom restlichen Wertmaterial als Abfall
getrennt werden. Parallel dazu beginnt sich das durch den Zerfall
der Agglomerate frei gewordene und dadurch leichter für Wasser
zugängliche Salz (NaCl) aufzulösen. Um die Verweilzeit des
Salzes im Wasser zu erhöhen, wurde hinter der Waschtrommel
ein Waschbehälter installiert. Das dabei eingesetzte Wasser wird
dem geschlossenen Wasserkreislauf der Anlage entnommen, ist
zwar mit Chloriden angereichert, allerdings weit von dem Sättigungszustand
entfernt.
3.2 Trennen der ton- und lösshaltigen Fraktion < 20 µm
mit einem niedrigen P 2 O 5 -Gehalt vom restlichen
Wertmaterial in einer dreistufi gen Hydrozyklonanlage
Der Anteil an den ton- und lösshaltigen Schlämmen < 20 µm in
der Phosphaterzsuspension ist verhältnismäßig groß und liegt im
Bereich von 25 % bis sogar 45 %. Das bedeutet, dass der Anlage
zwischen 139 t/h und 190 t/h Roherz zugeführt werden muss,
Luft
Air
Stufe 1
Stage 1
Vakuumpumpe
Vacuum pump
Flockulant
Flocculant
Eindicker
Thickener
Schlamm < 20 µm 40 % TS
Slurry < 20 µm 40 % DS
– The residual moisture content of the washed ore was not to
exceed 7 %, so that the existing calcining plant installed downstream
can operate without any risk of material caking to its
parts.
3. The Solution: a Specially Developed Process
After ED had performed several tests – for which over 3 t of phosphate
ore had to be transported from Uzbekistan to Germany,
engineering fi rm opted for a process that meets all defi ned requirements
and guarantees cost-effi cient production. The plant
was designed in two separate lines (2 x 50 % capacity) to ensure
higher reliability and fl exibility. The key technological stages in
the process are as follows (Fig. 2):
3.1 Washing of the raw ore (particle size between
0 and 200 mm) in a washing drum
The ore is taken from a storage bin and sent to a washing drum
on belt conveyors and feeders. In the washing drum the rock
agglomerates are gently broken down. All the rocks that do not
contain any phosphates (fraction > 5 mm) are washed off and can
be separated as waste material from any remaining value material
in a drum screen that is directly connected to the washing drum.
Parallel to this, the salt (NaCl) liberated from the feed material as
a result of the decomposition of the agglomerates and therefore
more easily accessible for the water begins to dissolve. To increase
the residence time of the salt in the water, a washing tank is installed
downstream of the washing drum. The water used here
is taken from the plant’s closed water circuit. This contains chlorides,
but is far off being fully saturated.
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Stufe 3
Stage 3
Hydrozyklone
Hydrocyclones
Stufe 2
Stage 2
M
Filter
Filter
Luft
Air
Gewaschenes Phosphaterz
Washed phosphate ore

um die vertraglich vorgeschriebenen 104 t/h gewaschenen Phosphaterze
herzustellen.
Das möglichst saubere Entfernen dieser schlammartigen Fraktion
vom restlichen Material hat eine fundamentale Bedeutung für
das Auswaschen der Chloride auf dem nachgeschalteten Vakuumbandfi
lter (s. Abs. 3.3). Deutlich mehr als 3 % dieser Fraktion
in dem entwässerten Material hätten zur Bildung einer undurchdringlichen
Kruste auf der Filterkuchenoberfl äche des Vakuumbandfi
lters geführt und das Entwässern sowie Waschen des Phosphates
praktisch unmöglich gemacht.
Die Hydrozyklonanlage wurde dreistufi g ausgeführt. Der Unterlauf
der zweiten Stufe beaufschlagt den Vakuumbandfi lter und
der Überlauf der dritten Stufe wird als Abfallschlamm einem Eindicker
(Bild 2) zugeführt. Diese Schaltung gewährleistet, dass
trotz schwankender Mengen und variierender Kornverteilung im
Roherz eine zuverlässige und scharfe Trennung der feinkörnigen
Schlämme vom restlichen Wertmaterial erreicht wird. Dabei werden
ca. 1200 m³/h Wasser aus dem Kreislauf umgewälzt.
Im Laufe des Hydrozyklonierungsprozesses setzt sich das Aufl ösen
des Natriumchlorids im Wasser weiter fort. Zum Schluss der
beiden ersten technologischen Schritte (s. Abs. 3.1 u. 3.2) sind
über 95 % der Chloride aufgelöst. Die für die nachgeschaltete Vakuumbandfi
lterentwässerung notwendige Entfernung der phosphatarmen
Fraktion < 20 µm hat einen weiteren sehr positiven
Nebeneffekt: die Anreicherung des gewaschenen Phosphaterzes
an P 2 O 5 um rund 2 bis 4 %.
3.3 Vakuumbandfi lter
Sämtliche Chloride sind im Wasser gelöst und befi nden sich in
der fl üssigen Phase der Suspension, die den Vakuumbandfi ltern
(Bild 3) zur eigentlichen Auswaschung zugeführt wird. Die Aufgabe
der Vakuumbandfi lter, mit einer effektiven Filterfl äche von
22 m² je Linie, besteht aus zwei wesentlichen Bereichen:
Auswaschen der Chloride aus dem Filterkuchen in einer
4-stufi gen Gegenstromwäsche
Dabei wird das chloridhaltige Kreislaufwasser gegen das praktisch
salzfreie, in einer Umkehrosmoseanlage (s. Abs. 3.6) erzeugte
Permeat ausgetauscht.
Bild 3: Vakuumbandfi lter mit den Hydrozyklonstufen 1 und 2
Fig. 3: Vacuum belt fi lter with the hydrocyclone stages 1 and 2
Flüssigkeits-Feststofftrennung (Entwässerung) mittels
einer angeschlossenen Vakuumpumpe
Das Filtrat, das auf den ersten Metern des Vakuumbandfi lters aus
stark chloridhaltigem Wasser besteht, wird auf den letzten Metern
des Bandfi lters durch die Gegenstromwäsche zu fast reinem
Permeat und dem Kreislaufwassersystem der Anlage zugeführt. Es
ergänzt annähernd die Wasserverluste, die durch das Entfernen
3.2 Removal of the clay- and loess-containing fraction
< 20 µm with a low P 2 O 5 content from the remaining
value material in a three-stage hydrocyclone plant
The content of clay- and loess-containing slimes < 20 µm in the
phosphate ore suspension is relatively high and ranges from
25 % up to even 45 %. This means that the plant has to be fed
with between 139 t/h and 190 t/h raw ore in order to produce
the contractually specifi ed 104 t/h washed phosphate ore.
The clean removal of this slurry fraction from the remaining material
is crucial to the washing out of the chlorides on the downstream
vacuum belt fi lter (see section 3.3). Much more than 3 %
of this fraction in the dewatered material would have led to the
formation of an impenetrable crust on the surface of the fi lter
cake of the vacuum belt fi lter, which in turn would have made dewatering
and washing of the phosphate practically impossible.
The hydrocyclone plant was designed as a three-stage unit. The
underfl ow of the second stage is fed to the vacuum belt fi lter and
the overfl ow of the third stage is fed as waste slurry to a thickener
(Fig. 2). This sequence guarantees reliable and sharp separation
of the fi nes slurry from the remaining value material despite fl uctuations
in the feed rate and varying particle size distribution in
the raw ore. Around 1200 m³/h water from the water circuit is
recirculated.
During the hydrocycloning process, dissolution of the sodium
chloride continues in the water. By the end of the two fi rst technological
stages (see sections 3.1 and 3.2), over 95 % of the chlorides
are dissolved. The removal of the low-phosphate fraction
< 20 µm necessary for the downstream vacuum belt fi lter dewatering
has another very positive side-effect: the enrichment of
P 2 O 5 in the washed phosphate ore by around 2 to 4 %.
3.3 Vacuum belt fi lter
All chlorides are dissolved in the water and found in the liquid
phase of the suspension, which is fed to the vacuum belt fi lters
(Fig. 3) for actual washing out. The vacuum belt fi lter, with an effective
fi lter area of 22 m 2 per line, has two main duties:
Washing out of the chlorides from the fi lter cake in a
4-stage counter-current washing process
The chloride-containing circuit water is exchanged for the practically
salt-free permeate produced in a reverse osmosis fi lter (see
section 3.6).
Liquid-solid separation (dewatering) by means of a
connected vacuum pump
The fi ltrate, which consists of water with a high chloride content
on the fi rst metres of the vacuum belt fi lter, is fed on the last metres
of the belt fi lter, by means of counter-current washing, to the
almost pure permeate and the circuit water system of the plant. It
just about replenishes the water losses caused by the removal of
the thickened slurry from the system (see section 3.5). The possible
residual moisture content for the Uzbekistanian phosphates
after the vacuum belt fi lter ranges from 18 to 20 %.
Prior to being fed to the washing jets, the permeate is used for
operation of the liquid-ring vacuum pump and cleaning of the fi lter
cloth. The increase in the temperature of the permeate caused
by the vacuum pump reduces its viscosity and improves the effi
ciency of the washing process. In the free atmosphere the pH
value of the permeate falls to values of around 4.5 and therefore
it is not suitable as packing water for the vacuum belt fi lter as it
can lead to lower stability and expansion of the backing cloth of
the wearing and sealing belts.
3.4 Drying
The dewatered material cleaned of chlorides is fed to the two
dryers to reduce the residual moisture content from around
20 % to the required max. 7 %. Two single-shell rotary drum dry-
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des eingedickten Schlammes aus dem System verursacht werden
(s. Abs. 3.5). Die Restfeuchte nach dem Vakuumbandfi lter, die
bei den usbekischen Phosphaten erzeugt werden kann, liegt im
Bereich von 18 bis 20 %.
Vor dem Zuführen zu den Waschdüsen wird das Permeat zum
Betreiben der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe und zur Filtertuchreinigung
verwendet. Die durch die Vakuumpumpe verursachte
Temperaturerhöhung des Permeats reduziert seine Viskosität und
verbessert dadurch zusätzlich die Effektivität des Auswaschungsprozesses.
Der pH-Wert des Permeats sinkt in der freien Atmosphäre
auf Werte um ca. 4,5 und eignet sich deshalb nicht als
Dichtwasser des Vakuumbandfi lters, da es zu einem Stabilitätsverlust
und zur Ausdehnung des Traggewebes der Schleiß- und
Dichtgurte führen kann.
3.4 Trocknen
Das entwässerte und von Chloriden gereinigte Material wird den
beiden Trocknern zugeführt, um die Restfeuchte von ca. 20 % auf
die erforderlichen max. 7 % zu reduzieren. Zum Einsatz kommen
die für Phosphaterze gut geeigneten Einzug-Drehrohrtrockner
(ø 2,8 x 16 m) mit Flammrohr. Jeder Trockner weist eine maximale
Wärmeleistung von 9,5 MW auf. Als Brennstoff steht Erdgas
zur Verfügung. Die Trocknung von je 52 t/h Erz erfolgt in
dem für Phosphate empfohlenen Temperaturbereich von 600 bis
700 °C.
Spezielle Maßnahmen im Bereich der Aufgabeschurre wie der
Einbau eines Rüttlers und die entsprechende Gestaltung der
Paddel im Aufgabebereich der Trommel wirken der Tendenz des
feuchten Phosphaterzes zum sehr starken Anbacken entgegen.
3.5 Eindicken
Die durch den Überlauf der dritten Hydrozyklonstufe aus dem
Prozess entfernte phosphatarme Schlammsuspension ist sehr
feinkörnig (100 % < 20 µm, wobei 80 % < 6 µm sind) und besteht
nur aus 4 % Feststoffen. Der Rest ist Wasser, welches dem
System in möglichst großen Teil wieder zugeführt werden sollte.
Die Investitions- und Betriebskosten sowie das Handling der entwässerten
Schlämme mussten dabei berücksichtigt werden.
Bei der Suche nach einer optimalen Methode, dieses Wasser für
den Prozess zurückzugewinnen, wurden drei Verfahren untersucht:
– Kammerfi lterpressen
– Dekanter
– Eindicker.
Der Eindicker erwies sich in diesem Fall als die beste Lösung, wobei
es sich um einen Pasteneindicker (Bild 4) handelt, in dem
die feste Fraktion der Schlämme bis zu 40 % Feststoffanteil eingedickt
werden kann und dabei eine Viskosität von ca. 33 m Pas
erreicht. Bei einem konventionellen Eindicker wäre bei diesen äußerst
feinen Schlämmen eine Eindickung von max. 20 % möglich
gewesen.
Der Pasteneindicker wurde mit einem auf dem Injektorprinzip
basierenden Zulauf-Verdünnungssystem ausgestattet, um die
optimale Konzentration für die Flockung und die Sedimentation
zu erreichen. Die einströmende Suspension wird mit überstehendem
Wasser aus dem Klarwasserbereich des Eindickers verdünnt.
Eine im Eindicker installierte Absetzgeschwindigkeitsmessung für
die Flocken steuert die Dosierung der Flockungshilfsmittel.
Der Eindickerinhalt wird durch die Messung des Druckes innerhalb
des Eindickertanks kontrolliert. Die Druckmesszelle befi ndet
sich im unteren Bereich des Entnahmezylinders. Mit wachsendem
Schlammbettniveau wächst der Druck und die unter dem Eindicker
installierte frequenzgesteuerte Membrankolbenpumpe erhöht
automatisch ihre Fördermenge.
Um die Schlammentnahme aus dem unten liegenden Entnahmezylinder
des Eindickers, an dem der Druck und die Scherkräfte
im Schlamm am größten sind, gut zu kontrollieren, wurde eine
ers (ø 2.8 x 16 m) with fi re tube are used as these are very suitable
for drying phosphate ores. Each dryer has a maximum thermal
output of 9.5 MW. Natural gas is available as fuel. The 52 t/h ore
is dried in the temperature range from 600 to 700° C, the range
recommended for phosphates.
Special measures in the vicinity of the feed chute, e.g. the installation
of a vibrator and dedicated design of the paddle in the feed
zone of the drum are used to combat the caking tendency of the
moist phosphate rock.
3.5 Thickening
The low-phosphate slurry suspension removed from the process
with the overfl ow of the third hydrocyclone stage consists of very
fi ne particles (100 % < 20 µm, including 80 % < 6 µm) and contains
only 4 % solids. The rest is water, the largest possible volume
of which must be returned to the system. The investment and
operating costs as well as the handling of the dewatered sludges
had to be taken into consideration.
In the search for an optimum method of recovery for this water
for the process, three options were tested:
– chamber presses
– decanters
– thickeners.
For this application, the thickener proved the best solution. A
paste thickener (Fig. 4) was selected, in which the solid fraction
of the slurry can be thickened up to 40 % solids concentration,
thus achieving a viscosity of around 33 m Pas. In a conventional
thickener, thickening of max. 20 % would have been possible for
these extremely fi ne slurries.
Bild 4: Eindicker ø 16 m, H = 16 m während der Montage
Fig. 4: Paste thickener ø 16 m, H = 16 m during assembly
The paste thickener is equipped with a feed thinning system
based on the injector principle to obtain the optimal concentration
for fl occulation and sedimentation. The infl owing suspension
is diluted with supernatant water from the clarifi ed water
section of the thickener. A system for measuring the settling rate
of the fl ocs is installed in the thickener and, based on this measurement,
dosing of the fl occulants is controlled.
The content of the thickener is controlled based on measurement
of the pressure inside the thickener tank. The pressure measurement
cell is located in the lower part of the extraction cylinder.
When the level of the slurry bed rises, the pressure increases and
the frequency-controlled membrane piston pump installed below
the thickener automatically controls the discharge rate.
To effectively control the slurry extraction from the extraction
cylinder below the thickener, in which the pressure and shear
forces in the slurry are highest, a centrifugal pump is installed as
a circulation pump. This ensures that part of the thickened slurry
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Bild 5: Gesamtansicht der Phosphatwaschanlage
Fig. 5: Overview of the phosphate washing plant
Kreiselpumpe als Rezirkulationspumpe installiert. Dadurch wird
kontinuierlich ein Teil des eingedickten Schlammes in Bewegung
gehalten und die Ansaugung durch die nachgeschaltete Membrankolbenpumpe
deutlich erleichtert. Der eingedickte Schlamm
wird 5 km zu einer im alten Tagebau platzierten Deponie gefördert.
3.6 Entsalzen des Frischwassers mittels Umkehrosmose
Die zahlreichen durch ED vor der Projektierung der Anlage durchgeführten
Untersuchungen haben gezeigt, dass das bei dem Vakuumbandfi
lter verwendete Waschwasser nahezu salzfrei sein
muss, damit der vom Kunden defi nierte Chloridrestgehalt im
Wertprodukt von max. 0,033 % erreicht werden kann. Da bereits
das zur Verfügung stehende Frischwasser ca. 650 mg/l Chloride
aufweist, musste eine Entsalzungsanlage vorgesehen werden.
Die realisierte Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Kiesfi lterstation
und zwei parallel arbeitenden Umkehrosmoseanlagen.
Die Förderleistung der Anlage beträgt ca. 35 m³/h salzfreies
Permeat. Das während des Umkehrosmoseprozesses gleichzeitig
zum Permeat entstehende salzhaltige Konzentrat wird dem
Kreislaufwassersystem wieder zugeführt.
4. Aufbau der Anlage
Die gesamte Phosphatwaschanlage wurde auf einer Fläche von
ca. 350 m x 380 m aufgebaut (Bild 5) und kann vollautomatisch
betrieben werden. Die wichtigsten Elemente der Anlage
wie die Waschtrommeln, die Hydrozykloncluster, die beiden
Vakuumbandfi lterlinien und die Wasserentsalzung, in denen
der nasse Prozess stattfi ndet, wurden in einer geschlossenen,
56 x 33 x 28 m großen Halle kompakt untergebracht, um sie
vor den extremen Außentemperaturen von –29 °C bis +55 °C zu
schützen. Zur Erhöhung der Betriebsverfügbarkeit wurde die Anlage
in zwei parallel arbeitende Produktionslinien aufgeteilt. Für
den internen notwendigen Transport des Erzes sorgen insgesamt
22 Förderbänder. Das auf dem Vakuumbandfi lter gewaschene
und entwässerte Erz kann entweder direkt zu den Trocknern
oder auch zu einem Zwischenlager vor der Trockneranlage gefördert
werden. Dort können dem Erz durch die Sonnenbestrahlung
während des langen Wüstensommers einige Prozente an
Restfeuchte zusätzlich entzogen werden. Der Gasverbrauch der
Trockner wird durch diese Maßnahme wesentlich reduziert.
5. Fazit
Die Kombination von bekannten Komponenten wie Waschtrommel,
Vakuumbandfi lter und Trommeltrockner mit unkonventionellen
Lösungen wie das dreistufi ge Hydrozyklonieren, die Verwendung
von Permeat beim Betrieb eines Vakuumbandfi lters
sowie der Einsatz eines Pasteneindickers führte zu einer betriebs-
is kept in continuous motion, considerably facilitating extraction
by the downstream membrane piston pump. The thickened slurry
is pumped over 5 km to a landfi ll located in an old open-cast
mine.
3.6 Desalination of the fresh water by reverse osmosis
fi ltration
The numerous tests performed by ED prior to planning of the
plant showed that the water used in the vacuum belt fi lter must
be practically salt-free in order to achieve the residual chloride
content of max. 0.033 % in the value product as specifi ed by
the client. As the fresh water available contains around 650 mg/l
chlorides, a desalination plant had to be included in the planning.
The realized plant consists essentially of a gravel fi lter station and
two reverse osmosis fi lters that operate parallel. The delivery rate
of the plant reaches around 35 m³/h salt-free permeate. The salty
concentrate produced at the same time as the permeate during
the reverse osmosis process is returned to the water circuit.
4. Plant Installation
The entire phosphate washing plant was installed over an area
covering around 350 m x 380 m (Fig. 5) and can be operated
fully automatically. The key elements of the plant, such as the
washing trommel, the hydrocyclone cluster, the two vacuum
belt fi lter lines and the water desalination unit, in which wet
processing takes place, were housed in a closed facility measuring
56 x 33 x 28 m, to protect them from the extreme outside
temperatures from –29° C to +55° C. To enhance operating availability,
the plant was split into two parallel operating production
lines. A total of 22 belt conveyors are used for the necessary internal
transport of the ore. The washed and dewatered ore on
the vacuum belt fi lter can either be sent direct to the dryers or
to an intermediate storage facility upstream of the dryer. Here
several percent of the residual moisture in the ore can be additionally
extracted by means of solar radiation during the long
desert summer. This reduces the gas consumption of the dryers
substantially.
5. Conclusion
The combination of proven components such as washing trommel,
vacuum belt fi lter and drum dryer with unconventional solutions,
such as the three-stage hydrocycloning, the use of permeate
in operation of a vacuum belt fi lter and the use of a paste
thickener, led to the installation of a reliably operating plant that
meets all specifi cations defi ned in the contract (see section 2).
Thanks to economical water management in the plant, the entire
water consumption could be reduced by more than a half
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sicheren Anlage, die alle vertraglich defi nierten Anforderungen
(s. Abs. 2) vollständig erfüllt hat. Durch eine geschickte Wasserwirtschaft
innerhalb der Anlage konnte der gesamte Wasserverbrauch
um mehr als die Hälfte – im Vergleich zu den früher vom
Kunden erwarteten und gleichzeitig befürchteten Werten – verringert
werden. Dies hatte die positive Konsequenz, dass sich neben
dem für den Kunden akzeptablen Wasserverbrauch – von ca.
80 m³/h bei 25 % Schlämme bis ca. 160 m³/h bei 45 % Schlämme
im Roherz – auch die Größe der im aufgelassenen Bereich des
Phosphaterz-Tagebaues platzierten Schlammdeponie deutlich
verringern konnte.
Als weiterer positiver Nebeneffekt kann das Phosphaterz durch
die Trennung von den phosphatarmen, ton- und lösshaltigen
Schlämmen um 2 bis 4 % P 2 O 5 zusätzlich angereichert werden.
of the level originally expected and feared by the client. Besides
ensuring a water consumption of approx, 80 m³/h at 25 % slurry
to around 160 m³/h at 45 % slimes in the raw ore, which was
acceptable to the client, this had the positive consequence of a
considerable reduction in the size of the slurry landfi ll located in
the old open-case phosphate rock mine.
Another positive side-effect is that the phosphate ore can be concentrated
by an additional 2 to 4 % P 2 O 5 thanks to the removal of
the low-phosphate clay and loess-containing slurries.
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