Tình hình thị trường, khai thác và chế biến muối mỏ kali trên thế giới, triển vọng phát triển tại Việt Nam

nhưng nhiều carnalit, vì vậy hàm lượng trung bình của quặng tại đây thấp hơn. Năm 2000, sản lượng muối kali của mỏ Saskatchewan đạt 13,0 triệu tấn KCl, chiếm 95 % tổng sản lượng muối kali của Canađa. Phần lớn sản phẩm muối kali khai thác tại Saskatchewan được dành cho xuất khẩu, trong đó Mỹ là nước tiêu thụ chính, chiếm 52 % khối lượng xuất khẩu của mỏ, 43 % được xuất khẩu sang các châu lục khác, chỉ có 5 % được tiêu thụ trực tiếp tại Canađa. Năm 2005, công ty Potash Corporation (hiện đang khai thác quặng kali ở Saskatchewan) đã có kế hoạch đầu tư 275 triệu USD để tăng sản lượng lên thêm 1,9 triệu tấn/năm. 3.2. Mỏ Udon, Thái Lan Mỏ kali Udon Thái Lan gồm hai mỏ chính là mỏ Udon Bắc và mỏ Udon Nam. Ước tính, tài nguyên đã khảo sát của mỏ Udon Bắc đạt 175 triệu tấn với hàm lượng trung bình 19,0 % K2O, độ dày vỉa quặng trung bình 12 m. Ngoài ra, dự đoán còn có khoảng 490 triệu tấn quặng chưa thăm dò với hàm lượng trung bình 16,5 % K2O và độ dày trung bình 12 m. Mỏ Udon Nam có tài nguyên quặng kali ước tính khoảng 302 triệu tấn với hàm lượng trung bình 23,5 % K2O, vỉa quặng dày 3,5 m và nằm sâu dưới mặt đất 350 m. Các nguồn quặng đã khảo sát bao gồm cả 30 triệu tấn quặng với hàm lượng 26,8 % K2O trong vùng lõi giá trị cao, dày 7,2 m. Cuối tháng 5/2003, công ty Asia Pacific Potash Corporation (APPC) đã nộp đơn xin khai thác khu mỏ kali Nam Udon với tổng diện tích 3600 ha, trong đó diện tích mỏ dưới mặt đất khoảng 2500 ha. Như vậy, sau 10 năm tưởng chừng bị trì hoãn vô hạn bởi các thủ tục giấy tờ và các vấn đề tài chính, dự án khai thác quặng kali của công ty tại vùng Udon ở đông bắc Thái Lan, cách biên giới Lào 50 km, đã trở thành hiện thực. Dự án mỏ kali Nam Udon là dự án có tầm cỡ thế giới. Mỏ sẽ được khai thác bằng phương pháp hầm lò thông thường, đuôi quặng được đưa trở lại khu mỏ đã khai thác trong lòng đất bằng hệ thống nạp bùn kiểu thủy lực. Theo kế hoạch khai thác hiện nay, mỏ sẽ có tuổi thọ vận hành 22 năm, nhưng có tiềm năng kéo dài đến 50 năm, vì các công việc khoan thăm dò và phân tích đang được tiếp tục thực hiện ở phần phía bắc của thân quặng. Hệ thống vận chuyển bùn bằng thủy lực là hệ thống có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với dự án mỏ Udon. Hệ thống này vận chuyển quặng đuôi trở về khu mỏ đã khai thác trong lòng đất để tăng cường độ bền của cấu trúc mỏ ngầm và ổn định đất sau khi khai thác. Hệ thống này đã được sử dụng tại các mỏ muối kali ở Đức và tỏ ra đặc biệt có hiệu quả. Kết quả lập mô hình cho thấy nó cũng sẽ đạt thành công tương tự tại dự án Udon. Từ hệ thống tuyển trên mặt đất, quặng đuôi sẽ được đưa trở về mặt đất ở dạng bùn bão hoà, chứ không ở dạng đất cát khô như ở nhiều mỏ khác. Việc áp dụng hệ thống thủy lực này có hai ưu điểm rất quan trọng : trước tiên sẽ không có quặng đuôi trên mặt đất, mọi phế thải sẽ được đưa trở về dưới mặt đất, thứ hai là do ở dạng bùn ướt nên phế thải quặng đuôi sẽ tựa đỡ vòm mỏ tốt hơn so với phế thải dạng đất khô, nhờ đó độ lún của đất sau khi chấm dứt khai thác mỏ sẽ nhỏ hơn. Tốc độ lún tại mỏ kali Nam Udon dự kiến sẽ tương tự như ở mỏ Saskatchewan, Canađa. Trong 22 năm tuổi thọ vận hành, dự kiến mức lún tối đa ở mỏ Nam Udon sẽ nhỏ hơn 70 cm và diễn ra rất từ từ. Sẽ không có hiện tượng lún lệch và ảnh hưởng đến cuộc sống của những người dân sống ở khu vực đất phía trên mỏ. Tổng chi phí đầu tư ban đầu cho dự án mỏ Nam Udon ước tính lên đến 530 triệu USD, chia thành hai giai đoạn. Công ty APPC dự kiến sẽ đưa sản phẩm kali đầu tiên ra thị trường vào quý I năm 2007 với sản lượng năm đầu đạt 1,0 triệu tấn/năm, sau 5-6 năm sẽ đạt sản lượng 2 triệu tấn /năm. 3.3. Mỏ Boulby, Anh Khu mỏ kali Boulby tại đông bắc nước Anh được phát hiện từ thập niên 1960, nằm ở độ sâu từ 1200 đến 1500 m, vỉa quặng trung bình dày 7 m, có nơi dày nhất đến 20 m. Quặng sylvinit ở đây gồm 25-45 % sylvit (KCl) và 45-55 % halit (NaCl). Trên trầm tích hình thành do bốc hơi này là một địa tầng có chứa sa thạch với nước muối bị ép dưới áp suất cao, cấu trúc này hạn chế nhiều khả năng khoan khai thác từ trên bề mặt. Độ sâu lớn của mỏ cũng là trở ngại cho khai thác theo phương pháp hầm lò. Vì vậy, đến năm 1969 công ty Cleveland Potash Ltd (CPL) mới bắt đầu công việc xây dựng và năm 1973 mẻ sản phẩm đầu tiên mới được đưa ra thị trường. Công suất thiết kế ban đầu của mỏ là 1,0 triệu tấn KCl / năm, chiếm khoảng 55 % thị trường phân kali tại Anh và đủ để xuất khẩu với lượng lớn. Tuy nhiên, mãi đến năm 1984 công ty CPL mới giảm được chi phí khai thác xuống đến mức đạt được lợi nhuận. Đến giữa thập niên 1990, sản lượng của mỏ đã ổn định ở mức 16.000 tấn quặng/ngày, tương đương khoảng 2,8 triệu tấn quặng /năm (bao gồm cả hai loại sản phẩm NaCl và KCl). Từ năm 1994, sản lượng KCl của mỏ Boulby dao động ở mức 800.000 tấn đến 1,02 triệu tấn /năm. Năm 2001, mỏ sản xuất 890.000 tấn KCl và 400.000 tấn NaCl. Tại mỏ Boulby, các hầm lò có đường kính 5,5 m, sâu 1150 m đã được thiết lập qua lớp sa thạch nhờ kỹ thuật đóng băng thành hầm lò và trát vữa lỏng. Năm 2001, để giải quyết vấn đề áp suất ngày càng tăng ở phần quặng dưới 1200 m và tăng sản lượng lên 3 triệu tấn /năm, CPL đã chuyển đổi các máy khai thác liên tục của mình sang chế độ vận hành điều khiển từ xa, nhờ đó các máy này có thể được sử dụng một cách an toàn trong các phần mỏ nhiều đá mà không cần khoan nổ trước. Hiện nay, ở đây cũng đã thiết lập hệ thống theo dõi vi địa chấn toàn bộ mỏ theo phương pháp kỹ thuật số. Tại nhà máy tuyển quặng, muối KCl được tách khỏi NaCl để thu hồi 3 bậc sản phẩm KCl. Quặng được nghiền trong máy nghiền đập và máy cán dây, sau đó đưa vào thiết bị tách bùn. Dòng nguyên liệu phía dưới được xử lý tiếp để tách NaCl và tạp chất bằng tuyển nổi, còn dòng nguyên liệu phía trên được phân loại và xử lý bằng thiết bị lọc hoặc tuyển nổi trong chất lỏng tỷ trọng cao. Nguyên liệu sau khi tuyển nổi sẽ được tách nước và sàng, thu được sản phẩm KCl đạt chất lượng phân bón, dạng cỡ hạt tiêu chuẩn. Một phần sản phẩm được chuyển thành sản phẩm dạng hạt to nhờ các thiết bị nén ép. Phần KCl thu hồi nhờ lọc và tuyển nổi với chất lỏng tỷ trọng cao sẽ được đưa sang các thiết bị kết tinh, thu được sản phẩm KCl. IV. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ TUYỂN QUẶNG KALI 1. Công nghệ khai thác 1.1. Các phương pháp khai thác muối mỏ kali Trong thực tế công nghệ hiện nay, người ta áp dụng 3 phương pháp khai thác muối mỏ kali là : - Khai thác hầm lò truyền thống, bao gồm các công đoạn khoan, nổ mìn, vận chuyển quặng lên mặt đất. Các máy khai thác liên tục có thể đạt năng suất trên 800 tấn quặng / giờ, mở ra một đường khai thác rộng 7,9 m và cao 2,4 m. Các máy này cũng có thể vận hành một cách tự động với điều khiển từ xa. Quặng được vận chuyển bằng băng tải đến các thùng lồng và được đưa lên mặt đất với tốc độ 500-1000 m/phút. - Khai thác bằng hoà tan, được áp dụng khi phương pháp khai thác hầm lò thông thường không khả thi vì chiều sâu của mỏ quá lớn, và khi có những khó khăn kỹ thuật như mỏ ngầm dưới đất bị ngập nước - Khai thác theo bậc : sử dụng các máy khai thác liên tục, quặng đuôi mới khai thác được dùng để tạo sàn khai thác tiếp. Phương pháp này cũng bao gồm việc vận chuyển thợ mỏ và máy móc tương tự như phương pháp khai thác truyền thống. Ngoài 3 phương pháp đã nêu, trên thực tế việc khai thác kali từ nước muối chứa kali bằng phương pháp bay hơi tự nhiên cũng được áp dụng. 1.2. Công nghệ khai thác hầm lò truyền thống Quặng kali dạng rắn ở độ sâu nhỏ hơn 1400m dưới mặt đất thường được khai thác bằng phương pháp hầm lò truyền thống. Quá trình khai thác thường được tiến hành trong các khối hầm lò. Tùy theo độ lớn của vỉa quặng mà xác định kích thước hầm lò, công suất thiết bị khoan khai thác, kích thước thùng chứa quặng, kích thước đường đi trong hầm lò, .... Hiệu suất khai thác phụ thuộc vào độ dày của các vỉa quặng, hàm lượng đất trong quặng. Công nhân khai thác hàng ngày được đưa xuống hầm lò qua giếng lò bằng gầu trục. Sản phẩm thu được sẽ được chuyển qua băng tải tới thùng chứa cho đến khi chuyển lên mặt đất qua hệ thống gầu trục để đưa đi nghiền, tinh tuyển và xử lý tiếp thành quặng thương phẩm. Công việc thiết kế hầm lò trong khai thác muối mỏ NaCl và KCl đã được phát triển và hoàn thiện trong quá trình hơn 100 năm nay. Trong thời gian đó, đã có nhiều mỏ kali được thiết kế và vận hành thành công, tuy nhiên cũng đã xuất hiện một số vấn đề, thường do chưa hiểu rõ đặc tính quặng muối mỏ hình thành do bốc hơi. Cách tiếp cận theo phương pháp khoa học để thiết kế các mỏ kali đã bắt đầu được áp dụng từ khoảng 40 năm nay. Trong hơn 20 năm qua, trong thiết kế các mỏ khoáng sản nói chung và thiết kế mỏ kali nói riêng người ta kết hợp ngày càng nhiều phương pháp lập mô hình tiên tiến bằng máy vi tính. Đồng thời, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và các công cụ khai thác hiện đại ngày nay đã cho phép hiểu rõ và giải quyết nhiều vấn đề của quá khứ. Ví dụ, trên cơ sở các thí nghiệm có thể dự báo khá chính xác khả năng làm việc của các cột chống trong mỏ kali trong quá trình khai thác. Sau đó, khi đo sự biến dạng của các cột trong quá trình khai thác thực tế, người ta có thể so sánh với kết quả dự báo và tiến hành thay đổi thiết kế nếu cần để đảm bảo an toàn và hiệu quả khai thác. Các phương pháp thiết kế mỏ hiện đại này đã được áp dụng thành công tại nhiều mỏ kali ở Canađa và cũng đang được áp dụng cho mỏ Udon Thái Lan. 1.3. Công nghệ khai thác bằng phương pháp hoà tan Về nguyên tắc, trong khai thác bằng phương pháp hoà tan người ta bơm nước muối nóng bão hoà muối NaCl (không chứa muối KCl) xuống mỏ ở vị trí thích hợp nhất cho quá trình khai thác (chẳng hạn ở một đầu của mỏ) để hoà tan KCl trong quặng. Sau khi dung dịch này bão hoà muối KCl thì sẽ nó được hút lên khỏi mỏ ở vị trí thích hợp nhất (chẳng hạn đầu phía kia của mỏ). Dung dịch thu được sẽ được làm lạnh trong hồ chứa trên mặt đất, để muối KCl kết tinh lắng xuống đáy hồ. Nước muối chứa NaCl trong hồ sẽ được gia nhiệt và lại được bơm xuống mỏ để hoà tan muối KCl. Quá trình bơm vào và hút dịch muối tại mỏ sẽ được tiến hành tuần hoàn. Tại hồ chứa trên mặt đất, muối KCl ở dạng tinh thể lắng xuống đáy hồ sẽ được lấy ra. Nhìn chung, phương pháp khai thác bằng hoà tan thường được áp dụng khi mỏ nằm ở độ sâu nhỏ và vỉa mỏ có độ dày lớn. Nhưng với những phát triển công nghệ mới đây, ngày nay người ta cũng có thể áp dụng phương pháp này cho những mỏ có độ dày không lớn. Trong trường hợp này người ta sẽ khoan một lỗ thẳng đứng, sau đó khoan một lỗ vuông góc với lỗ khoan thứ nhất, rồi tiếp tục khoan chếch theo hướng của lớp quặng. Phương pháp hoà tan không thể được áp dụng nếu mỏ có những đứt gãy kiến tạo và các thay đổi lớn về hướng của vỉa quặng. Việc khoan lỗ cũng sẽ trở nên phức tạp và tốn kém nếu các lớp đất đá phía trên có chứa khí ga hoặc nước. Những ưu điểm của phương pháp khai thác bằng hoà tan là : + Hiệu quả kinh tế rất cao do : - chi phí đầu tư thấp (không cần xây dựng hầm lò) - chi phí khoan lỗ thực tế là chi phí vận hành - nhu cầu nhân công thấp + Có thể áp dụng trong điều kiện thuỷ địa văn khó khăn + Không cần sử dụng thiết bị dưới mặt đất + Bã thải và nước muối nồng độ cao sẽ nằm lại dưới mặt đất, do đó tác động đối với môi trường sẽ không lớn Nhưng nếu các điều kiện thuỷ địa văn và kiến toạ rất phức tạp thì không thể áp dụng phương pháp khai thác bằng hoà tan. 2. Công nghệ tuyển quặng kali : Sau khi khai thác hầm lò, quặng thô được vận chuyển lên mặt đất cần được chế biến, xử lý bằng các công đoạn tuyển khác nhau để đạt chất lượng đáp ứng yêu cầu, mục đích sử dụng. Sau quá trình tách quặng kali ra khỏi muối ăn, đất đá và các khoáng sản không tan khác, quặng kali sẽ được phân ra thành nhiều chủng loại tuỳ theo nhu cầu sử dụng của khách hàng đối với sản phẩm cuối cùng. Có hai phương pháp cơ bản để tách muối KCl ra khỏi muối ăn NaCl là phương pháp tuyển nổi và phương pháp kết tinh. 3. Các công đoạn chính của quá trình khai thác và tuyển quặng kali : 3.1.Công đoạn nghiền Nghiền quặng sylvinit một cách đơn thuần là biện pháp đủ để tách rời các thành phần khoáng riêng rẽ, vì NaCl và KCl không cùng kết tinh để tạo thành muối kép tương tự như carnalit. Sau đó, người ta phải tách hỗn hợp các tinh thể này khỏi các chất không tan, rồi tách riêng NaCl và KCl để tạo ra sản phẩm KCl với hàm lượng kali tối thiểu tương đương 60% K2O (quy cách tối thiểu đối với phân kali bậc thương phẩm). Khi nghiền quặng, phải lựa chọn kích thước hạt qua nghiền tối ưu để đáp ứng hai yêu cầu: - duy trì cỡ hạt KCl lớn để tách khỏi NACl một cách dễ dàng - tạo điều kiện thuận lợi để rửa tạp chất không tan giải phóng trong quá trình Quặng được khai thác từ mỏ bằng các máy khai thác liên tục có thể có kích thước lớn nhất đến 1,5 m. Quặng thô này thường được nghiền thô ngay dưới mỏ bằng các máy kẹp hàm, giảm kích thước xuống tối đa 150-200 mm để vận chuyển thuận tiện lên mặt đất. Nhìn chung, quặng kali có thể được coi là quặng đá mềm, với chỉ số nghiền (Bond Work) khoảng 7-9. Các chu trình nghiền đơn giản nhất là nghiền khô một giai đoạn, sử dụng các máy đập búa tuần hoàn kín với các sàng rung. Các chu trình nghiền phức tạp hơn gồm có nghiền ướt hai giai đoạn kết hợp với sàng ướt và các xyclon nước. Quá trình nghiền khô tuy dễ vận hành hơn nhưng nhiều bụi. Quá trình nghiền ướt là quá trình sạch hơn, hiệu quả sàng cũng cao hơn và cho phép giải phóng các tạp chất không tan tốt hơn. Quặng đuôi sau khi nghiền thô thường được nghiền lại trong giai đoạn nghiền ướt thứ cấp. Các chu trình nghiền kiểu cũ thường sử dụng máy cán dây cho mục đích này. Hiện nay, ở các nhà máy mới mở rộng hoặc sửa chữa nâng cấp người ta thay thế các máy cán dây kiểu cũ bằng các máy đập kiểu lồng quay vì chi phí vận hành thấp hơn, chiếm ít diện tích hơn, công suất cao hơn và tỷ lệ hạt mịn nhỏ hơn. 3.3. Công đoạn rửa và khử bùn Trong quặng kali thường có các khoáng chất không tan được giải phóng ra sau khi nghiền và có thể được rửa bằng nước muối bão hoà. Trong giai đoạn rửa này, đối với quặng có hàm lượng carnalit cao người ta phải bổ sung đủ nước vào để hoà tan MgCl2. Công đoạn rửa được thực hiện trong một dãy thùng được lắp máy khuấy, do vật liệu trong thùng thường có tỷ lệ chất rắn cao ( 60 -70 % chất rắn trong nước muối bão hoà KCl-NaCl). Ở các mỏ mà quặng có hàm lượng chất không tan cao thì người ta thường phải áp dụng quy trình rửa hai giai đoạn. Sau khi rửa, các chất không tan được tách bằng xyclon, bình tuyển có ống xiphông hoặc các loại sàng ướt. Công đoạn tách thứ cấp thường được tiến hành với các thiết bị gạn lọc chia tách bằng nước, xyclon và máy làm đặc. Tại một số mỏ kali, người ta cũng áp dụng phương pháp tuyển nổi hai giai đoạn để tách bùn không tan khỏi quặng. Phương pháp này có ưu điểm là giảm chi phí đầu tư cho thiết bị tách bùn, nhưng có nhược điểm là chi phí thuốc tuyển cao. Ở phương pháp này, người ta bổ sung tác nhân keo tụ để tăng kích thước của các hạt bùn trước khi tuyển nổi. Sau đó, kết tủa bùn dạng bông sẽ được xử lý trong thiết bị gom và tuyển hai giai đoạn ở các khoang tuyển nổi bình thường. 3.4. Công đoạn tuyển Muối KCl là thành phần chính cần quan tâm trong quặng kali. Sau khi được khai thác bằng phương pháp hầm lò, quặng chứa KCl sẽ được nghiền, sau đó loại bớt đất đá rồi đi vào công đoạn tuyển để tách lấy dung dịch muối KCl nồng độ cao hơn. Tiếp theo, dung dịch muối KCl sẽ được cô đặc, kết tinh, sấy và tạo các loại sản phẩm khác nhau ở dạng rắn (hạt, hạt mịn) và dạng dung dịch để sản xuất phân bón hay sử dụng cho các mục đích khác trong công nghiệp hoặc chăn nuôi. Phương pháp tuyển nổi là phương pháp tuyển quặng kali được áp dụng phổ biến nhất hiện nay. 3.4.1. Quy trình tuyển quặng nói chung Trước khi tuyển nổi, đất đá trong quặng cần phải loại bỏ bằng việc rửa quặng. Trong trường hợp cần thiết sẽ phải sử dụng thuốc tuyển, tuy nhiên chi phí sẽ tăng lên và giảm hiệu suất của quá trình. Rất may là các tinh thể KCl và NaCl không đồng kết tinh mà chỉ dính kết cơ học với nhau, do đó cần nghiền quặng tới một cỡ hạt hợp lý để các tinh thể có thể được tách rời. Đầu tiên là nghiền quặng khô, sau đó rửa bằng dung dịch nước muối bão hoà chứa KCl và NaCl để loại bỏ đất đá (ở dạng hạt lơ lửng trong dung dịch), trong khi các tinh thể KCl và NaCl thì không thể tan tiếp được và sẽ lắng xuống đáy. Đất đá sau đó sẽ được lọc để loại bỏ, nước muối chứa KCl và NaCl được sử dụng lại, còn các tinh thể KCl và NaCl được lấy ra để tuyển nổi. Trong quá trình tuyển nổi, 3 loại thuốc tuyển sẽ được đưa vào. Loại thuốc tuyển đầu tiên là hồ tinh bột có tác dụng để dính đất đá còn sót lại nhằm tránh cho chúng hấp thụ vào các thuốc tuyển khác. Loại thuốc tuyển thứ 2 là amin dùng để dính các tinh thể muối KCl nhưng không dính các tinh thể muối NaCl. Không khí được xục qua dung dịch cùng với việc khuấy trộn sẽ tạo bong bóng hút các tinh thể KCl nổi lên trên bề mặt và được trôi vào máng thu. Loại thuốc tuyển cuối cùng đưa vào là rượu với mục đích giữ cho các bong bóng khỏi tan trước khi KCl được thu. Sản phẩm KCl thu được sau đó sẽ được sấy trong thiết bị sấy (dầu hoặc khí đốt) cho đến khi hàm lượng nước trong sản phẩm cuối cùng nhỏ hơn 0,1% khối lượng. 3.4.2. Quy trình tuyển quặng tại mỏ Saskatchewan, Canađa Tại mỏ Saskatchewan, nguyên liệu quặng thô và nguyên liệu quặng mịn được xử lý riêng nhằm mục đích tối ưu hoá tác dụng của các tác nhân xử lý (thuốc tuyển) và hỗ trợ sự tuyển nổi các hạt thô. Cả hai phần hạt thô và hạt mịn đều được xử lý với tác nhân gom KCl. Người ta bổ sung dầu độn vào thiết bị xử lý hạt thô và bổ sung các loại rượu để hỗ trợ sự tạo bọt. Các chất điện ly cao phân tử, thường được sử dụng như các tác nhân chống nhớt, cũng được sử dụng để giảm tác động bất lợi của đất sét khi tuyển nổi quặng kali. Các chất điện ly này ngăn không cho bề mặt đất sét hấp thụ thuốc tuyển dạng amin. Sau khi được xử lý với thuốc tuyển, các phần quặng hạt thô và hạt mịn tuyển nổi trong các khoang tuyển kiểu DENVER, có dung tích 100-300 phít khối. Tinh quặng thô (cỡ hạt 0,84 mm) được sử dụng như sản phẩm cấp cao. Tinh quặng hạt nhỏ hơn (dưới 0,84 mm) được đưa đi làm sạch và tuyển lại để tách NaCl. 3.4.3 Quy trình khai thác và tuyển quặng tại mỏ Boulby (Anh) 3.4.4. Các phương pháp tuyển nổi thông thường hiện nay 1)Phương pháp tuyển bằng bọt khí Phương pháp tách được áp dụng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp sử dụng sự khác biệt trong tính chất ion của KCl và NaCl. Sự khác biệt này cho phép sử dụng các phụ gia có khả năng liên kết chọn lọc với một thành phần và làm biến đổi các đặc tính bề mặt của nó. Do các phụ gia cation (tích điện dương) thường liên kết ưu tiên với KCl, nên nếu bổ sung các chất hữu cơ như amin béo (trong đó một đầu phân tử là cation -NH2+, còn đầu kia là chuỗi hydrocacbon kỵ nước) thì có thể làm cho bề mặt của các hạt KCl trở nên kỵ nước. Điều này có nghĩa là, nếu cho không khí sục qua huyền phù quặng trong nước muối bão hoà thì các hạt KCl được xử lý với những phụ gia gọi là "chất gom" đó sẽ liên kết ưu tiên với các bong bóng không khí và nổi lên trên mặt nước. Để ngăn các bong bóng không khí không bị vỡ trên bề mặt nước muối và do đó thả rơi các hạt KCl xuống đáy, người ta bổ sung các chất hoạt động bề mặt như rượu vào nhằm tăng cường sự tạo bọt và ổn định hoá bọt được tạo ra. Các hạt muối kali được giữ lại trong bọt và được vớt đi cùng với bọt. Các hệ thống tuyển nổi thường gồm một số công đoạn bố trí nối tiếp (ví dụ tuyển thô, làm sạch, làm sạch lại). Thiết kế của khoang tuyển nổi ở mỗi công đoạn phụ thuộc đặc tính của nguyên liệu được xử lý, đặc biệt là cỡ hạt của sản phẩm dự kiến sẽ nổi lên. Vì muối kali là thành phần sẽ nổi, nên nếu các hạt càng thô thì chúng càng cần được sục khí kỹ hơn. Vì vậy, các khoang cao được sục khí mạnh, với diện tích mặt cắt ngang tương đối nhỏ (gọi là các khoang cột), sẽ có hiệu quả hơn đối với những hạt thô. Khi tách các hạt mịn hơn thì các điều kiện sục khí ít mạnh hơn sẽ thích hợp hơn, vì vậy người ta thường sử dụng các khoang tuyển kiểu thông thường, rộng và thấp hơn. Các quy trình tuyển bọt thường thích hợp cho quặng muối kali cho đến cỡ hạt khoảng 30 mesh. Nếu cỡ hạt cao hơn thì tỷ lệ sản phẩm bị mất vào dòng chảy bên dưới (đuôi quặng) sẽ lớn hơn, vì không thể giữ và duy trì một lượng không khí cần thiết trên từng hạt để tạo ra sức nổi đủ đưa các hạt đó lên lớp bọt bên trên. 2) Phương pháp tách bằng chất lỏng tỷ trọng cao : Giữa khối lượng riêng của KCl và NaCl có sự chênh lệch nhỏ nhưng quan trọng. Sự chênh lệch này có thể được sử dụng để tách riêng 2 loại muối đó bằng cách rắc các hạt quặng đã được nghiền vào một môi trường chất lỏng có khối lượng riêng nằm giữa khối lượng riêng của KCl và NaCl, sau đó để lắng. Các hạt NaCl với khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống dưới, còn các hạt KCl với khối lượng riêng nhỏ hơn sẽ nổi lên trên bề mặt. Dòng chất lỏng được liên tục đưa vào từ đáy bể, nó đẩy các hạt KCl lên và cho chúng đi qua bộ phận rửa trôi trên bề mặt. Sau đó, các hạt KCl này được tách khỏi chất lỏng trong thiết bị lắng hoặc xiclon nước, tiếp theo sẽ được lọc ép hoặc lọc ly tâm. Vì lý do kinh tế và môi trường, nước là chất được ưu tiên sử dụng hơn so với tất cả các chất lỏng khác, nhưng ngay cả nước muối bão hòa NaCl và KCl (cần thiết để tránh sự thất thoát do hòa tan) cũng không có khối lượng riêng đủ lớn. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách rắc các hạt mịn của những chất rắn có khối lượng riêng cao hơn nhiều (ví dụ magnetit- FeÂ3O4) vào nước muối này với nồng độ thích hợp để tạo cho nước muối có khối lượng riêng đủ lớn trong phạm vi mong muốn, và duy trì nó ở dạng huyền phù bằng cách khuấy nhẹ. Các hạt KCl sẽ di chuyển lên phía trên, vì có khối lượng riêng cao hơn môi trường chất lỏng và do ảnh hưởng của dòng nước muối được phun vào gần đáy bể chảy lên trên nhằm duy trì magnetit ở dạng huyền phù. Sau đó, các chất rắn có khối lượng riêng lớn (bao gồm cả NaCl) được tháo khỏi đáy bể và tách bằng xiclon nước. 3) Phương pháp tách bằng tầng cản : Một dạng khác của phương pháp tách trọng lực là phương pháp dùng thiết bị tách kiểu tầng cản. Thực tế đây là một tầng sôi trong môi trường nước. Thiết bị này là một chiếc thùng, nước muối được đưa vào đều đều qua mặt cắt ngang của thùng và đi lên trên qua một bộ phận rửa kiểu chảy tràn. Các chất rắn được đưa vào từ phía trên và sẽ lắng với tốc độ được xác định bởi cỡ hạt và khối lượng riêng, ngược với dòng chất lỏng đi lên, các hạt thô với khối lượng riêng cao hơn sẽ lắng xuống và đi vào một lớp chất rắn ở trạng thái tầng sôi. Kết quả là thành phần có khối lượng riêng thấp của nguyên liệu đưa vào sẽ tụ tập ở vùng trên của thùng và chảy tràn ra cùng với nước muối. Các hạt có khối lượng riêng cao hơn sẽ tụ tập ở tầng sôi và được đi lấy từ đáy của thiết bị tách để duy trì nồng độ tương đối ổn định trong vùng tầng sôi. Các hạt rất thô với khối lượng riêng thấp có xu hướng tụ tập giữa tầng sôi và vùng trên của bể, vì tốc độ của dòng nước không đủ để đẩy chúng lên trên. Cuối cùng chúng sẽ đạt đến nồng độ đủ lớn để buộc phải chìm xuống tầng sôi và đi vào dòng chảy phía dưới có khối lượng riêng cao. Nếu tăng tốc độ của dòng nước thì sẽ giảm được sự thất thoát các hạt thô vào dòng chảy phía dưới, nhưng lại làm tăng lượng hạt mịn có khối lượng riêng cao đi lên dòng chảy phía trên. 3.4.5. Công nghệ tuyển mới với thiết bị HydroFloat Đây là thiết bị kết hợp các đặc tính của các thiết bị tuyển nổi và thiết bị tách bằng trọng lực, do công ty Eriez of Erie, Pensylvania, Mỹ, phát triển. Nó giải quyết được những hạn chế của cả hai dạng thiết bị nêu trên. Thiết bị này đã được đăng ký sáng chế và thử nghiệm rất thành công trên quy mô pilot để tuyển các loại quặng phôtphat, fenspat, than và muối kali. Các thử nghiệm đối với muối kali đã được thực hiện tại mỏ muối kali Rocanville của công ty PCS Potash. Thiết bị HydroFloat hoạt động rất giống thiết bị tách kiểu tầng cản thông thường : nguyên liệu lắng xuống ngược dòng với dòng nước đi lên tạo tầng sôi. Nước tạo tầng sôi được cung cấp qua một hệ thống ống đặt trên toàn bộ mặt cắt ngang của đáy thiết bị tách. Nhưng trong trường hợp thiết bị HydroFloat thì tầng sôi được sục liên tục bằng không khí nén và một lượng nhỏ tác nhân tạo bọt sẽ được phun vào lớp nước tầng sôi. Các bong bóng không khí nhỏ phân tán nhờ sự tuần hoàn nước qua một bộ phối trộn trong chu kỳ kín bằng một máy bơm ly tâm. Các bong bóng không khí sẽ bám vào các hạt kỵ nước trong tầng sôi, vì vậy làm giảm khối lượng riêng thực của chúng. Các hạt này có thể là các hạt kỵ nước một cách tự nhiên, hoặc được làm cho kỵ nước bằng cách bổ sung các chất gom tuyển nổi. Các khối bong bóng-hạt nhẹ hơn sẽ nổi lên trên tầng sôi và chảy tràn qua đỉnh khoang tách. Khác với tuyển nổi, các khối bong bóng-hạt không cần có đủ sức nổi để nổi lên phía trên của khoang. Thay vào đó, tác động của tầng sôi sẽ buộc các khối hạt có khối lượng riêng thấp phải chảy tràn vào khoang rửa sản phẩm. Các hạt ưa nước không bám vào bong bóng không khí sẽ tiếp tục đi xuống dưới qua tầng sôi và cuối cùng sẽ lắng xuống phần chóp tách nước dạng hình nón. Các hạt này được tháo ra như một dòng có tỷ lệ chất rắn cao (đến 75 % chất rắn) nhờ một van tại đáy của thiết bị tách. Van này được kích hoạt để đáp ứng các tín hiệu điều khiển từ bộ chuyển đổi áp suất được lắp ở một bên của khoang tách. Cách bố trí này cho phép duy trì khối lượng riêng thực ở giá trị không đổi trong tầng sôi. Về lý thuyết, thiết bị tách HydroFloat có thể được áp dụng cho mọi hệ thống, nếu có thể tạo ra sự chênh lệch khối lượng riêng bằng cách cho các hạt quặng bám một cách chọn lọc vào các bong bóng không khí. Thường người ta làm cho thành phần tỷ trọng thấp trở nên kỵ nước để đạt được sự chênh lệch khối lượng riêng ở mức tối đa. So với các quy trình tuyển bọt thông thường, quy trình sử dụng thiết bị HydroFloat có một số ưu điểm quan trọng khi xử lý các hạt thô, ví dụ : sự tiếp xúc tốt hơn giữa các hạt và bong bóng không khí, sự kiểm soát tốt hơn thời gian lưu của hạt, sự khuấy, sục dọc trục nhỏ hơn, lượng không khí tiêu hao thấp hơn,... Khoang làm việc của thiết bị HydroFloat vận hành trong những điều kiện gần với dòng chảy, do sự phân bố đều các hạt trong tầng sôi nên sự khuấy dọc trục rất nhỏ. Kết quả là khoang này vận hành như thể nó được làm từ nhiều khoang nối tiếp nhau. Đặc điểm này cho phép một đơn vị vận hành có thể đạt được cũng tỷ lệ thu hồi như ở một dãy nhiều khoang thông thường (nếu tất cả các điều kiện khác đều như nhau). Nói cách khác, khoang vận hành của HydroFloat có thể sử dụng thể tích của nó một cách hiệu quả hơn so với các khoang hay các cột mở được khuấy theo kiểu thông thường. Môi trường tầng sôi cũng ảnh hưởng đến thời gian lưu của hạt và vì vậy đến mức thu hồi các hạt. Khi tuyển nổi trong cột, các hạt lắng theo chiều thẳng đứng qua khoang, hoặc là cùng chiều hoặc là ngược chiều với dòng chất lỏng. Cách bố trí chảy ngược chiều có những ưu điểm rõ ràng, vì tốc độ lắng bị giảm bởi dòng chất lỏng đi lên, nhờ đó thời gian lưu cao hơn. Quá trình lắng bị cản trở sẽ tạo ra một môi trường mà trong đó các hạt không bao giờ đạt được tốc độ rơi tự do của mình. Vì vậy tốc độ thực của các hạt khi đi qua khoang bị giảm mạnh, khiến cho thời gian lưu cao hơn nhiều so với hệ thống lắng tự do. Thời gian lưu cao hơn cũng cho phép duy trì tỷ lệ thu hồi mà không cần tăng thể tích của khoang. HydroFloat không phải là ví dụ đầu tiên về thiết bị tách kết hợp. Điểm khác biệt ở đây là chế độ đưa nước và không khí tạo tầng sôi vào khoang để làm tăng sự bám dính của các bong bóng không khí vào các hạt quặng. Để đánh giá hiệu quả của thiết bị HydroFloat trong việc tăng tỷ lệ thu hồi hạt thô (vì đây là sản phẩm có giá trị cao, có thể được bán ở dạng nguyên thể mà không cần xử lý tiếp bằng nén ép hoặc tạo hạt), tại nhà máy của công ty PCS Potash ở Rocanville, Sakatchewan, Canađa, người ta đã lập ra một khoang thử nghiệm vận hành với dòng quặng đuôi từ các khoang tuyển nổi hiện có. Nguyên liệu được nạp vào thiết bị HydroFloat với tốc độ được duy trì ở mức 15,7 tấn/giờ/m2 và hàm lượng chất rắn là 70 %. Để so sánh, người ta cũng thu thập mẫu từ các khoang thông thường, vận hành song song với thiết bị HydroFloat. Kết quả thử nghiệm cho thấy, tỷ lệ thu hồi K2O bằng hệ thống HydroFloat cao khoảng gấp đôi so với các hệ thống thông thường. Tỷ lệ thu hồi K2O ở HydroFloat là 90,4 %, trong khí đó ở những hệ thống thông thường chỉ là 51,9%. Khác với HydroFloat, các khoang tuyển cơ học có thời gian lưu tương đối ngắn, tốc độ khuấy cao và xác suất tiếp xúc bong bóng không khí/ hạt thấp, do hàm lượng chất rắn thấp của bùn. Ưu điểm rõ ràng của hệ thống HydroFloat là sự tăng tổng thể hiệu suất chung hoặc khối lượng sản phẩm. Trên thực tế, hiệu suất thu hồi đối với các khoang hiện tại là 6,7 %, còn hiệu suất này ở HydroFloat đạt trung bình 13,9 %. 3.5. Ly tâm và sấy Người ta thường sử dụng các máy ly tâm kiểu buồng vắt - lưới sàng để tách nước của tinh quặng tuyển nổi. Đối với công đoạn sấy, người ta sử dụng các máy sấy đồng dòng chảy, đốt bằng khí đốt, hoặc máy sấy tầng sôi. Hầu hết các máy sấy kiểu trống quay đã được chuyển sang kiểu máy đốt trực tiếp, các búa gõ trong các máy sấy cũng thường được tháo bỏ để giảm mức tiếng ồn. Khí thải của máy sấy được đưa vào xiclon thu hồi bụi, tiếp theo được rửa trong các thiết bị rửa ướt. Các thiết bị kết tủa bằng tĩnh điện cũng được sử dụng để làm sạch lần cuối cùng. Ở một số nơi người ta sử dụng các thiết bị rửa áp suất thấp. 3.6. Phân loại và ép Sản phẩm chứa kali thu được từ công đoạn tuyển nổi thường là loại có cỡ hạt tiêu chuẩn hoặc hạt mịn, nhưng cũng có một phần hạt nhỏ. Để thu được sản phẩm dạng hạt to và hạt nhỏ, người ta phải sử dụng các máy nén ép. Quy mô và kích thước của các máy nén ép phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ hạt to và hạt nhỏ theo yêu cầu. Sau khi sấy, sản phẩm được sàng trên các máy sàng để phân loại thành các bậc sản phẩm khác nhau. Ở mỏ kali Saskatchewan (Canađa), người ta sử dụng các máy sàng quay hai lớp để chia sản phẩm thành 3 loại : - hạt to : 2,35 x 0,85 mm (8 x 20 mesh) - hạt tiêu chuẩn : 1,18 x 0,30 mm (14 x 48 mesh) - hạt mịn : 425 x 149 mm (35 x 100 mesh) Do yêu cầu vận hành và hiệu quả sàng nên có sự trùng phủ một phần các cỡ hạt. Sản phẩm đã sàng được đưa vào các thùng chứa để vận chuyển đi cho khách hàng hoặc được xử lý tiếp. Nguyên liệu được phối trộn kỹ, nóng (> 130 0C) và đã được khử bụi trước sẽ được nạp vào các máy nén ép. Ở đây, các trục ép áp suất cao sẽ ép nguyên liệu thành các miếng mỏng, dày đến 16 mm. Sau đó, các miếng này được nghiền trong máy nghiền đập và được sàng để phân loại thành các sản phẩm hạt to và sản phẩm hạt nhỏ. Ví dụ về một số kích thước và trọng lượng máy nén ép loại to : 610 x 610 mm (180 tấn), 710 x 710 x mm (270 tấn), 1000 x 1200 mm (680 tấn). Phân xưởng nén ép vận hành tốt thường đạt hiệu suất nén ép 30% (đo bằng hệ số chuyển hoá hoặc tỷ lệ giữa khối lượng sản phẩm cuối cùng và khối lượng nguyên liệu đầu vào). Các sản phẩm loại hạt to và hạt nhỏ thường được phối trộn với những lượng nước nhỏ và được sấy lại trong chu trình gọi là chu trình Glazing. Mục đích của công đoạn này là bít kín các lỗ và khe nứt trong các hạt và loại bỏ các góc sắc nhằm giảm bụi khi vận chuyển và thao tác. Qua các quá trình ép và sàng, sản phẩm thường được phân loại tuỳ theo chiến lược tiếp thị sản phẩm của các công ty. Nhìn chung, thị trường các sản phẩm kali có xu hướng ưa chuộng các sản phẩm dạng hạt, nhất là hạt to vì chúng có thể được phối trộn dễ dàng với các loại phân bón khác theo các công thức có thể điều chỉnh theo nhu cầu của khách hàng và nhu cầu bón phân. Ngày nay, các thị trường Bắc Mỹ và châu Âu đã ngừng sử dụng các loại sản phẩm dạng hạt tiêu chuẩn và hạt mịn, các loại sản phẩm này cũng hầu như không còn được sử dụng tại các thị trường Nam Mỹ. Chỉ còn Trung Quốc và các nước châu Á là vẫn sử dụng các loại sản phẩm kali hạt nhỏ để phối trộn với các loại phân khác và sản xuất các loại phân bón NPK và đa thành phần. 3.7. Kết tinh Kết tinh là quá trình được sử dụng để thu được sản phẩm KCl bậc công nghiệp, gọi là KCl tan, với hàm lượng đến 62,5 % K2O. Quặng KCl được khai thác hầm lò sau khi đưa lên mặt đất sẽ được nghiền và hoà tan bằng nước muối nóng chứa NaCl bão hoà trong thiết bị có khuấy ở nhiệt độ 100-110 0C. Nước muối sẽ hoà tan KCl, trong khi NaCl trong quặng và đất đá không tan sẽ lắng xuống dưới. Sau đó, nước muối trong, chứa KCl đậm đặc sẽ được đưa vào thiết bị kết tinh. Trong thiết bị kết tinh, nước muối chứa KCl được làm lạnh xuống đến 20 0C, các tinh thể KCl sẽ kết tinh và lắng xuống đáy thùng, sau đó được lấy ra. Dung dịch nước muối còn lại được tuần hoàn trở lại quá trình. Các tinh thể muối ăn, đất đá và các chất không tan khác sẽ được đưa ra bãi thải. Cũng giống như quá trình tuyển nổi, sản phẩm cuối cùng sẽ thu được sau khi sấy, phân loại cỡ hạt sản phẩm theo yêu cầu khách hàng. Quá trình kết tinh cũng được áp dụng để thu hồi bụi KCl phát sinh ở các công đoạn nghiền, vì bụi KCl này quá mịn nên không thể nén ép hiệu quả để tạo thành sản phẩm hạt to. Bằng quá trình kết tinh, bụi được nâng cấp thành sản phẩm hạt cỡ tiêu chuẩn, có thể được bán như KCl thương phẩm màu trắng, hoặc phối trộn với các phần sản phẩm tiêu chuẩn từ công đoạn tuyển và ép thành sản phẩm hạt to có giá trị cao hơn. 4. Tiêu hao năng lượng trong sản xuất muối kali và các biện pháp tiết kiệm năng lượng 4.1. Tiêu hao năng lượng Trong 11 mỏ kali đang được khai thác ở Canađa, có 9 mỏ khai thác bằng phương pháp hầm lò, còn 2 mỏ khai thác bằng phương pháp hoà tan. Trong 9 mỏ khai thác bằng phương pháp hầm lò, có 8 mỏ áp dụng phương pháp tuyển nổi để tinh chế KCl, chỉ có 1 mỏ tinh chế KCl bằng phương pháp kết tinh. So sánh tiêu hao năng lượng ở các mỏ của Canađa : Tên công ty Địa điểm mỏ Phương pháp khai thác Công suất (K2O/năm) Tiêu hao năng lượng (KWh/tấn) IMC Potash Belle Plaine, Hoà tan 1361000 > 1000 Saskatchewan Potash Corp. of Saskatchewan Inc. (PCS) Patience Lake, Saskatchewan Hoà tan 630000 >1000 PCS Cory, Saskatchewan Hầm lò/ kết tinh 830000 >1000 Agrium Inc. Vanscoy, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 1092000 <500 IMC Potash Colonsay, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 815000 <500 IMC Potash- K1 Esterhazy, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 2325000 (công suất hỗn hợp) <500 IMC Potash- K2 Esterhazy, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi - <500 PCS Allan, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 1150000 <500 PCS Lanigan, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 2335000 <500 PCS Rocanville, Saskatchewan Hầm lò/ tuyển nổi 1400000 <500 PCS Sussex, New Brunswick Hầm lò/ tuyển nổi 479000 <500 Có thể thấy, đối với các mỏ ở Canađa, phương pháp khai thác truyền thống hầm lò sau đó chế biến bằng nghiền và tuyển nổi có mức tiêu hao năng lượng trên 1 tấn quặng khai thác thấp hơn 2 lần so với phương pháp khai thác bằng hoà tan hoặc phương pháp khai thác hầm lò và kết tinh. Mức tiêu hao năng lượng còn phụ thuộc vào quy mô công suất khai thác. Về nguyên tắc, mức tiêu hao này sẽ giảm khi quy mô khai thác gia tăng. Kinh nghiệm khai thác và chế biến kali tại Canađa cho thấy ở quy mô khai thác khoảng 600.000 tấn/năm, mức tiêu hao về năng lượng khoảng 450-500 kWh/tấn, song nếu quy mô ở mức 1,8-2 triệu tấn/năm thì mức tiêu hao năng lượng chỉ khoảng 300 kWh/tấn. Tổng tiêu hao năng lượng trong khai thác hầm lò và tinh chế bằng phương pháp nghiền tuyển nổi tại Canađa, phân loại theo các mức cao và thấp ở các nhà máy khác nhau như sau: Mức trung bình (kWh/tấn) Mức cao (kWh/tấn) Mức thấp (kWh/tấn) Tỉ lệ mức thấp/mức cao (%) 364 483 255 53 Theo kết quả tính toán, tiêu hao năng lượng trung bình tại một mỏ kali công suất 7700 tấn/ ngày ở Mỹ như sau : 1/ Công đoạn khai thác hầm lò : Tiêu hao năng lượng Tất cả các đơn vị thiết bị Thiết bị (số đơn vị) Số giờ làm việc / ngày Một đơn vị thiết bị (Btu/tấn) (Btu/giờ ) (Btu/ngày) (Btu/tấn) Xe tải vận chuyển quặng (23) 16,00 706 7.810.000 125.000.000 16.200 Máy khai thác liên tục (2) 16,00 4.140 3.980.000 63.700.000 8.280 Bơm tháo nước (8) 16,00 918 3.530.000 56.500.000 7.350 Cầu trục (1) 16,00 7240 3.480.000 55.700.000 7.240 Máy nén (3) 0,72 955 30.600.000 22.000.000 2.860 Băng tải (2) 16,00 910 875.000 14.000.000 1.820 Quạt chính 16,00 459 221.000 3.530.000 459 (1) Bơm nạp trở lại (2) 16,00 91 87.800 1.400.000 182 Bơm nước (2) 16,00 23 22.300 357.000 46 Tổng cộng 50.600.000 342.000.000 44.500 Đơn vị thiết bị có mức tiêu hao năng lượng cao nhất là cầu trục (chiếm 16 % tổng tiêu hao năng lượng), tiếp theo là máy khai thác liên tục. Các thiết bị này lại đều vận hành bằng điện nên chi phí năng lượng càng cao hơn so với các thiết bị khác. Tương tự như tình hình chung trong cả ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, nhóm thiết bị có tỷ lệ tiêu hao năng lượng cao nhất trong khai thác quặng kali là nhóm thiết bị vận chuyển (chiếm 36 % tổng tiêu hao năng lượng). 2/Công đoạn tuyển quặng : Thiết bị Số giờ Tiêu hao năng lượng Tất cả các đơn vị thiết bị (số đơn vị) làm việc / ngày Một đơn vị thiết bị (Btu/tấn) (Btu/giờ ) (Btu/ngày) (Btu/tấn) Máy cán dây (1) 16,00 41.300 19.900.000 318.000.000 41.300 Máy nghiền đập (1) 16,00 224 108.000 1.730.000 224 Bể tuyển nổi (20) 16,00 138 1.320.000 21.200.000 2.750 Máy sấy (1) 16,00 91 43.900 702.000 91 Sàng (1) 16,00 46 22.300 357.000 46 Máy ép (1) 16,00 23 11.100 178.000 23 Tổng cộng 21.400.000 342.000.000 44.400 Trong công đoạn tuyển quặng, máy cán dây là thiết bị tiêu hao nhiều năng lượng nhất (chiếm đến 93 % tổng tiêu hao năng lượng ở công đoạn này), đồng thời thiết bị này lại vận hành bằng điện nên chi phí năng lượng rất cao. Nhìn chung, các công đoạn khai thác và tuyển quặng đều chiếm 50 % tổng tiêu hao năng lượng trong khai thác quặng kali. Trung bình, ở Mỹ tổng năng lượng tiêu hao cho một tấn quặng kali là khoảng 88.900 Btu/tấn. 4.2. Các biện pháp tiết kiệm năng lượng trong khai thác muối mỏ kali Giống như các cơ sở công nghiệp khác, các nhà máy khai thác quặng và sản xuất muối kali sử dụng cả điện năng để chạy máy và nhiên liệu để gia nhiệt. Phần lớn các mỏ kali nằm ở những vị trí khá cách biệt, không có những cơ sở công nghiệp xung quanh, vì vậy ít có cơ hội kết hợp các hệ thống năng lượng của mình với những nhà máy khác. Tại nhà máy khai thác quặng kali, điện năng được sử dụng chủ yếu trong các công đoạn nghiền, phân loại và tách nước khỏi sản phẩm sau khi tuyển nổi. Các thiết bị sử dụng điện chủ yếu là máy nghiền, máy ly tâm hoặc máy lọc, máy sấy và các máy ép hạt. Ngoài ra, các máy khuấy trong hệ thống tuyển nổi, nhiều loại máy bơm khác nhau dùng để bơm nước muối và nước làm mát cũng tiêu thụ một lượng điện đáng kể. Nhiệt năng được sử dụng chủ yếu cho các máy sấy và các chu trình chiết (hoà tan) nóng / kết tinh lạnh. Tuy các máy sấy dạng trống phần lớn được gia nhiệt trực tiếp bằng khí thải khi đốt nhiên liệu hydrocacbon, nhưng thường các nhà máy đều có những nồi hơi đốt bằng nhiên liệu để sản xuất hơi nước cho các mục đích khác nhau như gia nhiệt chất lỏng chiết và cô nước muối. 4.2.1. Các biện pháp cải thiện công nghệ để tiết kiệm năng lượng Các nhà máy khai thác, sản xuất muối kali đã áp dụng nhiều phương pháp để cải thiện hiệu quả năng lượng. Do các khác biệt trong điều kiện vận hành, thành phần quặng được xử lý, nên không có phương pháp nào có thể được áp dụng chung cho tất cả các nhà máy. Các biện pháp tiết kiệm này bao gồm từ giảm định mức tiêu hao năng lượng của từng đơn vị vận hành cho đến hợp lý hoá các hệ thống năng lượng, các hệ thống điện và các hệ thống điều khiển trong cả nhà máy. 1) Máy sấy dùng hơi nước Trong những năm gần đây, công ty K+S Kali GmbH, nhà sản xuất muối kali lớn nhất Đức, đã thay thế các máy sấy truyền thống bằng máy sấy tầng sôi tận dụng nhiệt thải, nhờ đó giảm được 33 % chi phí năng lượng sấy. Trên thực tế, do sự có mặt của MgCl2 dễ phân hủy nhiệt trong bã nước muối của quặng kali nên mục đích ban đầu của công ty là xử lý kiềm đối với khí thải để đáp ứng quy định chính thức về mức phát thải HCl là 30 mg/Nm3. Công ty đã khảo sát khả năng tránh không cho muối kali ướt chịu tác động của khí nóng nói chung bằng cách gia nhiệt quá nóng muối kali khô tuần hoàn trong các thiết bị trao đổi nhiệt (đốt dầu), và sau đó phối trộn nó với sản phẩm ướt. Khí HCl phát sinh trong quá trình này được thu giữ trong thiết bị rửa. Sau khi nghiên cứu tiếp, ý tưởng này đã được thay thế bằng máy sấy tầng sôi gia nhiệt gián tiếp theo cách thông thường. Nhưng máy sấy tầng sôi này không dùng không khí để tạo tầng sôi, mà sử dụng hơi nước tuần hoàn được tạo ra trong quá trình sấy. Tiêu hao năng lượng của máy sấy này chỉ khoảng 86 kWh /tấn sản phẩm so với mức tiêu hao 128 kWh/tấn sản phẩm ở máy sấy kiểu trống quay. Hơn nữa, thiết bị rửa hai giai đoạn cho phép thu hồi thêm từ khí thải một lượng năng lượng là 44 kWh/tấn sản phẩm. Lượng khí thải phát sinh chỉ bằng 20 % so với máy sấy kiểu trống quay, hàm lượng HCl cuối cùng nằm dưới mức 10 mg/Nm3. Sản phẩm khô cũng ít bụi hơn so với sản phẩm được sấy bằng trống sấy thông thường. 2) Các cải thiện trong quá trình tuyển Tuy không phải là sự phát triển mới trong công nghiệp nói chung, nhưng trong một số trường hợp phương pháp tuyển tĩnh điện có thể được áp dụng cho công đoạn tuyển quặng kali.Trong nhiều năm, công ty K+S Kali đã nghiên cứu và áp dụng rộng rãi phương pháp này trong vận hành sản xuất của mình để tách kieserit (MgSO4) khỏi hartsalz - một loại quặng độc đáo của Đức có chứa sylvit, halit và canxi sunfat khan. Về cơ bản phương pháp này bao gồm việc gây điện tích tĩnh điện ma sát trên các hạt quặng (mà trước đó đã được nghiền mịn và xử lý với các chất hoạt động bề mặt như axit béo mạch dài) trong tầng sôi với nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chính xác. Sau đó, các hạt này rơi tự do qua điện trường giữa các điện cực được nạp điện với mức chênh lệch điện thế 40-160 kV. Các hạt mang điện tích âm bị lệch hướng về phía điện cực dương, còn các hạt mang điện rích dương bị lệch hướng về phía điện cực âm. Các hạt không tích điện thì gần như không bị chệch hướng. Bằng cách này, công ty đã có thể tách các hạt MgSO4 với kết quả tốt. 3) Tuyển bằng khí nén Đây là phương pháp được Đại học bách khoa Claustahl, Đức, phát triển. Công ty K+S Kali đã nghiên cứu phát triển thêm phương pháp này và đưa vào áp dụng tại mỏ Sigmundshall. Trước đây mỏ này xử lý quặng sylvinit, nó cần 3 giai đoạn tuyển để thu được sản phẩm có hàm lượng 60% K2O. Nhưng sau đó mỏ chuyển sang xử lý quặng hartsalz, phương pháp chiết áp dụng trước đây đối với quặng sylvinit để tách các phần halit còn dư khỏi muối kali đã không còn hiệu quả để loại bỏ thành phần kieserit, vì nó hầu như không tan. Trong khoang tuyển nổi thông thường theo nguyên lý cơ học, tất cả các công việc quan trọng như đưa không khí vào hỗn hợp quặng nghiền nhỏ và nước, cho bong bóng không khí tiếp xúc với các hạt quặng (chức năng "thu gom hạt quặng "), sau đó tách và thu hồi các hạt nổi, đều được thực hiện trong cùng một khoang khuấy có cánh khuấy. Còn trong hệ thống tuyển bằng khí nén, các chức năng này được tách riêng sao cho chỉ chức năng tách và thu hồi được thực hiện trong bản thân khoang tuyển. Việc sục không khí và thu gom hạt quặng được thực hiện trong thiết bị sục khí riêng. Hỗn hợp được tháo xuống đáy của khoang tuyển nhờ một dãy các ống phun hướng lên trên, có thể thay đổi góc quay. Do tác động của thiết bị này, thời gian lưu cần thiết trong khoang tuyển thực sự rất ngắn (2-3 phút so với 8 phút ở khoang tuyển thông thường), và không cần khuấy cơ học để khuấy hỗn hợp và hỗ trợ việc xả bọt. Tỷ lệ thu hồi quặng được tăng thêm nhờ tuần hoàn một phần quặng đuôi vào thiết bị sục khí. Tháng 2-2000, một nhà máy pilot với các khoang tuyển có đường kính 1,4 m bố trí theo bậc đã được lắp đặt tại Sigmundshall và tiến hành hai đợt chạy thử, mỗi đợt 1500 tấn quặng. Kết quả cho thấy, với hàm lượng kieserit không quá 4,5 % thì dây chuyền có khả năng thu được sản phẩm 60% K2O. Cuối năm 2001, một dây chuyền quy mô sản xuất với các khoang tuyển 3 m đã được lắp đặt và đưa vào vận hành. 4.2.2 Đồng phát điện hơi Trong năm 2001, công ty PCS Potash Cory đã giảm 0,4 m3 khí đốt/ tấn sản phẩm trong mức tiêu thụ khí đốt chung (tương đương mức giảm 0,75 kg CO2 / m3 bằng cách thay thế các bình chứa trong chu trình chiết sơ cấp và thứ cấp và nâng cao tỷ lệ thu hồi sản phẩm. Nhưng cải thiện lớn nhất là việc xây dựng phân xưởng đồng phát điện hơi 228 MW. Phân xưởng này gồm hai tuabin khí sử dụng khí thiên nhiên và các máy phát điện. Khí thải từ từng tuabin điện được cho đi qua nồi hơi thu hồi nhiệt thải để sản xuất hơi. Hơi này được sử dụng cho tua bin hơi và các bộ phận khác có nhu cầu. Đơn vị đồng phát điện hơi có thể được chuyển đổi để sử dụng toàn bộ hơi nếu phân xưởng tuyển quặng ngừng vận hành vì bất cứ lý do gì. các tua bin khí được trang bị những vòi đốt có mức phát thải NOx thấp để giảm thiểu tác động đối với môi trường. Trạm đồng phát điện hơi của công ty Cory chuyển khoảng 55-70 % năng lượng của khí thiên nhiên thành điện năng và hơi - so với mức trung bình là 35 % ở các trạm phát điện thông thường, trong khí đó mức khí thải gây hiệu ứng nhà kính chỉ bằng 1/3 so với nhà máy điện đốt than có cùng công suất. Do hệ thống đồng phát điện hơi có hiệu quả nhiệt cao hơn 8 % so với các nồi hơi hiện nay tại nhà máy của công ty nên nó góp phần giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng hàng năm. 5. Công nghệ sản xuất muối kali từ nước biển Ngoài phương pháp khai thác hầm lò, khai thác dung dịch, muối KCl còn có thể được sản xuất từ nguồn nguyên liệu nước biển. Tại Công ty ARAB POTASH CO. (APC) - Jordani, dung dịch nước muối lấy từ “Biển Chếtâ € với tỉ trọng 1,23 sẽ được bơm vào hồ chứa để bay hơi tự nhiên sao cho nước muối đầu ra có tỉ trọng 1,3. Tiếp theo là quá trình tách carnalit (KCl.MgCl2.6H2O) và kết tinh thu hồi KCl, MgCl2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm muối KCl công nghiệp được sản xuất từ nước biển của Công ty APC : Thành phần Hàm lượng (% khối lượng) KCl Thấp nhất 99,2 K2O Thấp nhất 62,66 NaCl Cao nhất 0,5% Nước Cao nhất 0,2% Các chất không tan: Br Mg Ca SO4++ Tối đa 600 ppm Tối đa 100 ppm Tối đa 50 ppm Tối đa 20 ppm Cỡ hạt: 150 mesh (trên 95%) 6. Các vấn đề về môi trường Một trong những vấn đề then chốt đối với các dự án khai thác khoáng sản, trong đó có quặng chứa kali, là tác động đối với môi trường. Ở một số nước có ngành khai thác mỏ rất phát triển như ôxtrâylia và Canađa, một số mỏ kali ngầm dưới mặt đất đã được khai thác song song với việc canh tác nông nghiệp rất có hiệu quả ở khu vực xung quanh mỏ. Đặc biệt, bang Saskatchewan tại Canađa, nơi đang khai thác mỏ kali lớn nhất thế giới, đã xây dựng rất thành công phương thức cùng tồn tại giữa mỏ khai thác muối kali và các cánh đồng nông nghiệp liền kề với khu mỏ. Dự án mỏ kali Udon của Thái Lan đã gặp phải sự chống đối của một số tổ chức phi chính phủ, họ tỏ ra nghi ngờ những đề xuất của công ty APPC về chương trình phát triển mỏ Udon, một phần vì không hiểu rõ công nghệ khai thác dưới mặt đất. Với cam kết thường xuyên cải tiến công nghệ, công ty APPC đã tiếp tục triển khai các công việc lập mô hình địa chất của khu mỏ và cải thiện thiết kế mỏ để đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế chặt chẽ đối với việc khai thác, xử lý quặng, nhằm làm giảm lo ngại của những nhà bảo vệ môi trường đối với tác động của dự án. Một trong những lo ngại đặc biệt là phương pháp xử lý muối quặng đuôi. Vì vậy, các biện pháp nghiêm khắc đã được lập kế hoạch để xử lý phế thải muối. Phế thải muối của mỏ Udon tối đa sẽ là 230 g/ m3 , nhỏ hơn một nửa tiêu chuẩn được Canađa công bố là 570 g/ m3. Thái Lan hiện vẫn chưa có tiêu chuẩn về phế thải muối, nhưng các tiêu chuẩn được đề ra đối với dự án muối kali của các nước ASEAN (dự án quặng kali bậc thấp do một số chính phủ các nước Đông Nam Á sở hữu một phần) là phù hợp với tiêu chuẩn của Canađa. Một số những biện pháp được dự kiến tại mỏ Udon để kiểm soát phát thải muối là : - Kết hợp hệ thống rửa xyclon khô / tháp venturi ướt và hệ thống va đập / tháp venturi ướt để rửa toàn bộ lượng không khí phát thải từ nhà máy nhằm đảm bảo không khí sạch trước khi thải ra ngoài. - Tất cả các thiết bị xử lý và thiết bị vận chuyển tại địa điểm khai thác đều là thiết bị kín - Áp dụng hệ thống theo dõi bụi ở bãi quặng đuôi và phun nước nếu cần - Tất cả các bể chứa nước muối, các bãi muối và bể bay hơi nước muối được bao quanh bởi các gờ đất. Một biện pháp đặc biệt quan trọng để giảm thiểu tối đa sự nhiễm mặn của muối vào đất và nước ngầm là lót các bể chứa nước muối hai lần bằng các lớp HDPE, lớp lót ngoài dày 2 mm và lớp lót trong dày 1,5 mm, giữa hai lớp là khoảng không để đặt các ống thải và thiết bị phát hiện rò rỉ. Đồng thời, các giếng tiếp nhận trung chuyển sẽ được sử dụng để đề phòng trường hợp cả hai lớp lót bị hỏng.