Pneumatische Flotation • Anwendung der Hybrid Flotation in der Aufbereitung von Eisenerz

Zusammenfassung: Primetals Technologies führte die Hybrid Flotationstechnologie bereits erfolgreich in die Aufbereitung von Nichteisen-Metallen ein. Die steigende Nachfrage nach hochangereichertem Eisenerzkonzentrat mit geringen Silikat- und Sulfidgehalten als Aufgabe für die Pelletierung macht diese Technologie für die Eisenerzaufbereitung sehr interessant. Das Unternehmen führte eine Testkampagne mit der eigenen Hybrid Flotationszelle im Labor durch. Als Aufgabematerial wurde ein Eisenerzkonzentrat verwendet, welches 67 % Fe und 1,3 % S enthielt. Die Zielvorgabe der Testkampagne war die Reduzierung des Schwefelgehalts auf unter 0,4 % im Endkonzentrat. Dabei sollte das Ausbringen des Eisens mindestens bei 95 % liegen. Die Ergebnisse der Kampagne zeigen eine Übererfüllung der Zielvorgaben und damit das Potential der Hybrid Flotationstechnologie in der Anwendung als Rougher-Cleaner-Kombination. Die Hybrid Flotationstechnologie konnte ein Endkon­zentrat mit einem signifikant reduziertem Schwefelgehalt erzeugen.

1 Einführung

Die Eisenerzeugung folgt in der Regel einer festen Prozesskette. Dem Abbau in der Mine schließen sich die nachgeschalteten Prozesse der Aufbereitung, der Pelletierung oder Sinterung an, gefolgt vom Hochofen- oder Direktreduktionsprozess (Bild 1).

Die Flotation ist ein Sortierprozess der Aufbereitung, mit welchem die für die nachgeschalteten Prozesse notwendigen Gehalte der Mineralien erreicht werden sollen. Jeder der nachgeschalteten Prozesse besitzt verschiedene Anforderungen an das jeweilige Aufgabematerial, wie an das Konzentrat, die Pellets usw. Der Schwefelgehalt in den Aufgaben ist prozessbedingt und aufgrund von Umweltschutzbestimmungen besonders reguliert.

Die Literatur nennt keine konkreten Schwefel-Limits für die Pelletierung. Jedoch ist der Pelletierprozess entscheidend von der Rezirkulation der Prozessgase zwischen den verschiedenen Zonen des Prozesses abhängig. Um eine Schwefelrezirkulation und folglich eine Anreicherung von Schwefel im Prozessgas zu verhindern, wird üblicherweise das schwefelhaltige Gas am optimalen Punkt des Prozesses über Kamine ausgetragen. Der Temperaturbereich der Schwefeloxidation bestimmt dabei die Position des Abluftkanals im Pelletierprozess. Im Falle, dass der Schwefel in verschiedenen Verbindungen im Aufgabematerial vorkommt, können sich die Oxidationstemperaturen der Schwefelverbindungen unterscheiden. Das hat zur Folge, dass der Pelletierprozess an Komplexität gewinnt und sogar unwirtschaftlich werden kann.

Die Anforderungen an das Aufgabematerial der Sinterung bezüglich des Schwefelgehalts haben ihren Ursprung beim Umweltschutz. Es existieren Grenzwerte für Schwefel in den Abgasen, welche nicht überschritten werden dürfen. Der Schwefelgehalt in der Eisenerzaufgabe erzeugt keine negativen Auswirkungen auf den Sinterprozess. Jedoch wird die Menge an Schwefel im Abgas direkt von dem Schwefelgehalt in der Eisen­erzaufgabe beeinflusst – wenngleich der Hauptanteil des Schwefels durch Koks eingetragen wird.

Für den Hochofenprozess beträgt das übliche Limit des Schwefels 0,08 % [1]. Höhere Schwefelgehalte in der Aufgabe erhöhen auch die Schwefelbeladung des Hochofens, was eine erhöhte Zugabe von MgO und CaO für die Entschwefelung erfordert. Dies hat jedoch ein Anstieg des Volumens der Schlacke und der Koksrate zur Folge, wodurch die Kosten für die Entschwefelung steigen [2]. Eine zu hohe Schwefelbeladung im Hochofen kann zu einer verminderten Roheisenqualität führen. Ähnlich zu dem Sinterprozess werden ca. 70  % des Schwefels über den Koks eingetragen. Trotzdem die Menge an eingetragenem Schwefel, die in dem Eisenträger gebunden ist, einen geringen Teil ausmacht, beeinflusst dieser direkt die Roheisenqualität.

Für die Midrex-Technologie als Repräsentant der Direktreduktion sind die Anforderungen an das Aufgabematerial bekannt. Diese schreiben einen maximalen Schwefelgehalt von nur 0,008  % in den Pellets vor [3]. Der limitierende Faktor ist dabei der Nickel-Katalysator, welcher bei einem zu hohen Schwefelgehalt beschädigt wird.

Schwefeldioxid, welches durch die thermischen Prozesse der Eisenerzeugung generiert wird, ist ein wesentlicher Auslöser für sauren Regen. Nur Chinas Emissionen der Eisen- und Stahlindustrie erreichten im Jahr 2010 eine Menge von 1,76 Mio. t, was die Notwendigkeit für Umweltregularien unterstreicht [4].

Aufgrund der beschriebenen Prozesse und bestehender Umweltregularien muss der Schwefel ausgeschleust werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen kann das Abgas der thermischen Prozesse entschwefelt werden. Zum anderen kann über die Eisenerzaufbereitung der Schwefelgehalt gesenkt werden. Dabei spielt die Flotation als Sortierprozess eine fundamentale Rolle.

Das Ziel der im folgenden beschriebenen Testkampagne war die Reduzierung des Schwefelgehalts in einem Eisenerzkonzentrat von 1,3  % auf weniger als 0,4  %. Damit erfüllt das Konzentrat die Prozess- und Umweltanforderungen in Bezug auf die nachfolgende Pelletieranlage. Das Ausbringen des Eisens sollte nicht unter 95  % liegen.

2 Hybrid Flotationstechnologie

Die Hybrid Flotationstechnologie verbindet das pneumatische Flotationsprinzip mit dem Prinzip einer Flotationskolonne (Bild 2). Eines der Hauptmerkmale der pneumatischen Flotation ist, dass der Blasen-Partikel-Kontakt außerhalb des eigentlichen Flotationstanks stattfindet. Nach dieser Definition lässt sich die Hybrid Flotationstechnologie der pneumatischen Flotation zuordnen.

Die Hybrid Flotationszellen sind so konstruiert, dass die Aufgabetrübe zuerst durch die pneumatische Sektion strömt und anschließend in die Sektion der Flotationskolonne gelangt. Durch diesen Ablauf werden die Herausforderungen adressiert, welche sich durch immer feinere Partikelklassen und geringere Gehalte der Rohstoffe ergeben (Bild 3).

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Primetals Hybrid Flotation und konventionellen Flotationszellen betrifft die Mischung der Aufgabetrübe mit dem Flotationsgas. Bei der Hybrid Flotationstechnologie werden die Trübe und das Gas in den Kammern des Ejektors gemischt, bevor das Gemisch in die Flotationszelle gedüst wird. In der pneumatischen Sektion werden turbulente Strömungen erzeugt, welche eine hohe kinetische Energie ausweisen. Diese stellen die Erzeugung von kleinen Gasblasen einer gewünschten Größe sicher. Damit werden zum einen die Kontaktrate zwischen Blasen und sehr feinen Partikeln erhöht und zum anderen die Haftung der Partikel an den Gasblasen verbessert. Damit flotiert die pneumatische Sektion insbesondere feine und ultra-feine Partikel.

Wertstoffpartikel, welche nicht in den Kontakt mit einer Gasblase innerhalb der penumatischen Sektion gekommen sind, sinken gemeinsam mit dem Gang innerhalb der Hybrid Flotationszelle in die Sektion der Flotationskolonne. Eine zweite Begasungseinheit am Boden der Flotationskolonne versetzt die Trübe erneut mit Flotationsgas. Die abgesunkenen Partikel werden somit in der Kolonne einem zweiten Flotationsschritt zugeführt. Trotz der beiden Flotationsstufen erreicht die Hybrid Flotationstechnologie Verweilzeiten von 3 Minuten.

Die Prinzipien der Hybrid Flotationszellen sind sowohl in den Anlagen im Labormaßstab als auch in den Anlagen industriellen Maßstabs gleich. Genau wie in den industriellen Anlagen werden auch die Laborzellen der Hybrid Flotation kontinuierlich betrieben und zeigen einen stabilen Flotationsprozess während der Testdauer.

3 Versuchskampagne

Die Versuchskampagne wurde zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit der Hybrid Flotationstechnologie bei der Schwefelreduktion aufgesetzt. Um das angestrebte Ziel zu erreichen, enthielt die Kampagne die folgenden beiden Teile:

1. Allgemeine Untersuchung zur Flotierbarkeit des Eisen­erzes inklusive einer ganzheitlichen ­Charakterisierung des Materials und einer Vielzahl von ­Testversuchen mit einer konventionellen Tischflotation;
Identifizierung von ­Flotationsreagenzien und deren Kondi­tionierung;
Erstellung eines Benchmarks für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Hybrid Flotationszelle

2. Durchführung von Hybrid Flotationstests zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit der Technologie

3.1 Charakterisierung des Aufgabematerials

Die ganzheitliche Charakterisierung des Aufgabematerials beinhaltete eine chemische Analyse, eine Siebmetallanalyse sowie eine mikroskopische und mineralogische Untersuchung.

Die chemische Analyse der Aufgabe zeigte einen Eisengehalt von 67  % und einen Schwefelgehalt von 1,3  %. Die detaillierten Ergebnisse der Analyse sind in Tabelle 1 dargestellt. Das Aufgabematerial beinhaltete hauptsächlich eisentragende Minerale, was durch den hohen Eisenanteil von 66,95  % angezeigt wird. Die wichtigsten Gangelemente waren Magnesium, Silizium, Kalzium und Schwefel.

 

Die Siebmetallanalyse zeigt die Partikelverteilung sowie die Verteilung der Eisen- und Schwefelgehalte über die Fraktionen (Bild 4). 50  % der Masse waren demnach kleiner als 50 µm und 90  % waren bereits kleiner als 125 µm. Darüber hinaus ist zu entnehmen, dass der Schwefel über alle Fraktionen verteilt war. Eine leicht ansteigende Tendenz des Schwefelgehalts mit steigenden Partikelfraktionen ist zu erkennen. Dagegen sinkt der Eisengehalt mit steigenden Partikelfraktionen leicht.

Die mineralogische Analyse wurde mittels einer Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Bild 5 zeigt die wichtigsten Minerale Magnetit, Hämatit und Pyrit.

Wird der Eisengehalt der chemischen Analyse herangezogen, erhält man die in Tabelle 2 dargestellte Verteilung der Hauptminerale.

 

Der Aufschlussgrad wurde mittels mikroskopischer Analyse untersucht. Diese zeigte, dass zwischen 85  % und 90  % der Magnetit-, Hämatit und Pyritpartikel der Fraktion <125 µm vollkommen aufgeschlossen sind. Einzelne Verwachsungen existierten zwischen Magnetit und Pyrit und zwischen Magnetit und Hämatit. Die Fraktion >125 µm zeigte einen Aufschlussgrad von 85  %.

3.2 Konventionelle Tastversuche

Die Tastversuche wurden mit einer konventionellen Tisch-Flotationszelle durchgeführt. Durch diese Tests konnten die folgenden zwei Aspekte bestimmt werden:

1. Die beste Zusammensetzung der Reagenzien, um den Schwefel zu flotieren.

2. Einen Benchmark für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Hybrid Flotationszelle

Insgesamt wurden 16 Tastversuche durchgeführt. Für jeden Tastversuch wurde ca. 1 kg Aufgabematerial verwendet. Zu Beginn wurden die Oberflächen des Materials in einer Attritionszelle gereinigt und aktiviert. Der Feststoffgehalt wurde für alle Tastversuche auf 30 wt % eingestellt. Variiert wurde nur das Flotationsregime.

In Tabelle 3 sind die Flotationsregimes jedes einzelnen Tastversuchs dargestellt. Der Sammler wurde alle 2 Minuten konditioniert. Der Schäumer wurde einmalig direkt vor dem Start des Tests zugegeben. Mittels Regulator wurde der pH-Wert auf den gewünschten Wert eingestellt. Zudem zeigt die Tabelle 3 die erreichten Schwefelgehalte im Eisenerzkonzentrat nach dem Flotationsversuch sowie das Massenausbringen (Ausbeute) jedes Tastversuchs.

Die Ergebnisse variieren sowohl im Massenausbringen als auch beim Schwefelgehalt stark. Das Massenausbringen bewegte sich im Bereich von 85,4  % und 97,6  %. Der Schwefelgehalt lag zwischen 0,26  % und 0,91  %.

Das beste Ergebnis bezüglich Schwefelgehalt wurde mit Sammler C und einer Konzentration von 250 g/t sowie mit Schäumer A und einer Konzentration von 50 g/t erreicht. Zudem war das Massenausbringen sehr hoch. Der pH-Wert wurde zu Beginn des Tests mittels NaOH auf 8 gestellt.

Die Konditionierung mit Sammler D zeigte eine mittlere Leistung. Der erreichte Schwefelgehalt lag über dem des besten Tests, jedoch war das Massenausbringen sehr gut. Die Tests #15 und #16 unterscheiden sich nur durch die Anwendung des Regulators. Das Ergebnis, welches ohne die Beimengung vom Regulator H2SO4 erreicht wurde, übertraf leicht das Ergebnis des Tests mit Regulator. Die schlechtesten Gehalte wurden mit dem Sammler A in Verbindung mit dem Schäumer A erreicht. Der höchste Massenverlust wurde bei der Anwendung von Sammler B in Kombination mit Schäumer A festgestellt.

3.3 Hybrid Flotationtests

Die Hybrid Flotationtests wurden mit den Flotationsregimen durchgeführt, welche sich in den Tastversuchen bewährt haben. Zwei Flotationsregime wurden aufgrund der Leistung in Bezug auf Schwefelgehalt und Massenausbringen dazu ausgewählt ­(Tabelle 4).

 

Insgesamt wurden zwei Hybrid Flotationstests durchgeführt. Jeder Test besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen wie in Bild 6 dargestellt. Im ersten Schritt wurden die Oberflächen des Aufgabematerials in einer Attritionszelle gereinigt und aktiviert. Darauffolgend wurde die Aufgabetrübe im Vorlagebehälter nach folgendem Ablauf konditioniert:

1. Regulator

2. Schäumer

3. Sammler

Das Eisenerzkonzentrat des ersten Flotationsdurchlaufs entsprach der neuen Aufgabe des zweiten Durchlaufs und wurde in einem Behälter aufgefangen. In diesem Behälter zwischen den beiden Durchläufen wurde einmalig Sammler nachkonditioniert. Der schwefeltragende Pyrit wurde direkt flotiert und in einem Überlaufbehälter aufgefangen. Das Endkonzentrat wurde in einem weiteren Behälter aufgefangen.

In jedem der Hybrid Flotationstest wurden ungefähr 90 kg Aufgabematerial verwendet und auf einen Feststoffgehalt von 30 wt % eingestellt. Die erzeugten Gehalte sind in Tabelle 5 dargestellt. Im ersten Flotationstest, in welchem Sammler C verwendet wurde, könnte ein Endkonzentrat mit einem Schwefelgehalt von 0,31  % erreicht werden. Dagegen konnte im zweiten Hybrid Flotationstest mit Sammler D ein nur wesentlich schlechterer Schwefelgehalt von 0,75  % im Endkonzentrat erreicht werden.

 

Das mineralogische Ausbringen wurde über die Massen als auch über die Gehalte berechnet:

Ausbringen = (C ∙ c)/(F ∙ f)⇥(1)

 

Massenausbringen = (C)/(F)⇥(2)

C = Masse des Konzentrats

F = Masse der Aufgabe

c = Elementgehalt im Konzentrat

f = Elementgehalt in der Aufgabe

4 Ergebnisse

Die  Versuchskampagne wurde mit dem Ziel durchgeführt, den Schwefel vom Eisenerzkonzentrat auszuflotieren. Der Schwefelgehalt des Ausgangsmaterials lag bei 1,3  %. Das Ziel war eine Reduzierung auf weniger als 0,4  %, wobei das Fe-Ausbringen mindestens 95  % betragen sollte.

Es wurde eine erfolgreiche Reduktion des Schwefelgehalts in der Versuchskampagne mit der Hybrid Flotationstechnologie gezeigt. Das beste Ergebnis der Kampagne wurde mit dem ersten Hybrid Flotationstest erreicht und beträgt 0,31  % Schwefelgehalt, verbunden mit einem 96  %igen Fe-Ausbringen. Dieses Ergebnis stellt eine Übererfüllung der Zielstellung für die Versuchskampagne dar. Mit dem zweiten Hybrid Flotationstest konnte der Schwefelgehalt nur auf 0,75  % reduziert werden. Trotzdem lag das Fe-Ausbringen mit 97,9  % und das Massenausbringen mit 97,36  % etwas über dem Ergebnis des ersten Versuchs.

Für den Vergleich mit den konventionellen Tastversuchen stellt Tabelle 7 die Kenndaten der besten Versuche beider Technologien gegenüber.

 

Die Leistung der Hybrid Flotationstechnologie erreichte die Werte der konventionellen Laborflotation. Bei der Einordnung der Ergebnisse muss beachtet werden, dass die Dimensionen der Hybrid Flotationstests die der konventionellen Tests um ein Vielfaches übertrafen. Darüber hinaus lag bei den Tests mit der Hybrid Flotationstechnologie ein kontinuierlicher Prozess vor, was die herausragende Leistung der Technologie als pneumatische Flotation zur Reduzierung des Schwefels in einem Eisenerzkonzentrat unterstreicht.

5 Fazit

Die Kampagne bewies, dass die Hybrid Flotationstechnologie eine Möglichkeit für die Reduzierung des Schwefelgehalts darstellt. Durch eine Verringerung des Schwefelgehalts auf 0,31  % entspricht das produzierte Konzentrat den Prozess- und Umweltanforderungen einer Pelletieranlage.

In weiteren Untersuchungen können die Menge der eingesetzten Flotationsreagenzien optimiert sowie weitere Reagenzien getestet werden. Zudem könnte der Einfluss einer Erhöhung des Feststoffgehalts überprüft werden.

Literatur • Literature

[1] L. Lu, Iron Ore – Mineralogy, Processing and Enviromental Sustainability, Elsevier, Cambridge (2015), p. 68

[2] J.J. Poveromo, Iron Ores. in D.H. Wakelin, The Making, Shaping and Treating of Steel (S. 569-664), The AISE Steel Foundation, Pittsburgh (1999), p. 642

[3] Midrex Technologies Inc., The MIDREX Process – The world’s most reliable and productive Direct Reduction Technology, Charlotte (2014), p. 9

[4] H. Zhang, M. Rao, Z. Fan, Y. Zhang, G. Li and T. Jiang, Effects of Circulated Flue Gas Components on Iron Ore Sintering, ISIJ International, (2012), p. 2139

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