Những xu hướng mới trong lĩnh vực thiết bị tuyển nổi trên thế giới

Các máy tuyển nổi cơ giới và cơ giới - khí nén (kiểu như Denver , Wemco, Mekhanobr, Agitair…) đã thống trị trong hầu hết thời gia của “thế kỷ tuyển nổi”. Và điều này có còn tiếp tục đến hiện nay? Nếu xem danh mục các thiết bị tuyển nổi chào bán của các hãng sản xuất thiết bị hàng đầu thế giới hiện nay, xem thiết kế của các nhà máy tuyển nổi lớn hơn mới và đang được xây dựng hoặc các bài báo mới trên tạp chí khoa học thì thật bất ngờ, các thiết bị tuyển nỏi ngăn máy - bánh khuấy truyền thống không còn là ưu tiên số một nữa. Đã có một sự thay đổi lớn trong thiết kế thiết bị tuyển nổi trong khoảng hai mươi năm qua. Trong bài này xin trình bày một cách sơ lược những xu hướng chính trong các thiết kế thiết bị tuyển nổi trên thế giới trong thời gian qua.

1. Những thùng tròn to và to hơn

Thiết kế ngăn máy dạng thùng tròn riêng rẽ (dạng tankcell) là điểm nổi bật trong các thiết kế thiết bị tuyển nổi hiện đại. Ba nhà sản xuất thiết bị tuyển nổi lớn nhất ngày nay đều đưa ra các ngăn tuyển nổi dạng này, Outokumpu với Tankcell, Metso với serie RCS và Dor - Oliverr Emico với Smartcell. Đó là ngăn có dạng hình trụ tròn với chiều cao lớn hơn đường kính đặt rời nhau. Theo các số liệu nghiên cứu và thực tế, ưu điểm của thiết kế này là: thiết kế dạng thùng tròn cho phép giảm đáng kể chi phí năng lượng so với ngăn thùng vuông, các ngăn dạng này có chi phí năng lượng riêng (kV/m ³dung tích ngăn) giảm nhiều lần so với ngăn vuông truyền thống: thiết kế thùng tròn cho phép thiết kế những ngăn này có dung tích lớn hơn. Từ lâu các nhà thiết kế luôn cố gắng tăng dung tích ngăn máy tuyển nổi vì các ngăn lớn đáp ứng nhu cầu xây dựng những nhà máy tuyển nổi lớn hơn, đồng thời có chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật thấp hơn so với các ngăn nhỏ.

Trong hàng chục năm trước ngăn máy tuyển nổi chỉ tăng lên đến vài chục m ³nhưng khi chuyển sang ngăn tròn thì chỉ trong vài năm dung tích ngăn đã tăng đến vài trăm m ³. Hiện tại ngăn Tankcell của Outokumpu đã có dung tích 300 m ³còn ngăn tự hút của Dorr - Oliverr Eimco thì có dung tích đến 257 m ³. Lý do đơn giản là các thùng tròn có kết cấu vững chãi hơn nhiều so với thùng vuông và điều này cho phép dễ thiết kế các thùng có dung tích khổng lồ. Các ngăn thùng tròn với dung tích lớn cho phép giảm số lượng ngăn trong dãy ngăn máy (< 10) và cho phé lắp đặt phân xưởng tuyển nổi ngoài trời với mặt bằng chiếm chỗ không lớn.

Điều này làm giảm đáng kể chi phí đầu tư cơ bản về xây dựng nhà xưởng cũng như chi phí vận hành, bảo dưỡng: - Thiết kê ngăn tròn được tối ưu hoá về thuỷ khí động học và dễ dàng tự động hoá. Chẳng hạn Outokumpu có công nghệ thiết kế ngăn tuyển tròn gọi là “FloatForce” có sử dụng công cụ Tính toán động lực học chất lỏng bằng máy tính (Computational Fluid Dynamics - CFD). Công nghệ này cho phép thiết kế hình dáng, vị trí các chi tiết (stator, rotor) nhanh chóng, đảm bảo hoạt động tối ưu mà không phải chế tạo và thử nghiệm vật lý nhiều. Dự kiến trong những năm tới, tại các nhà máy tuyển nổi mới có công suất lớn thì các ngăn tròn sẽ thay thế hoàn toàn các dãy ngăn vuông truyền thống.

2. Làn sóng tuyển nổi cột

Máy tuyển nổi không thể thiếu bọt khí và cách thức tạo bọt khí là một trong những điểm mấu chốt của thiết kế máy tuyển nổi. Cách thức truyền thống là sử dụng cơ cấu bánh khuấy để hút và phân tán không khí tạo thành các bọt khí có kích thước phù hợp với quá trình tuyển nổi. Các kỹ sư thiết kế đã mát nhiều năm tìm kiếm các cách thức tạo khí mới cho máy tuyển nỏi, kể cả du nhập các cơ cấu của thiết bị hoá chất. Một trong các thiết kế đó là tuyển nổi cột. Đó là kết cấu dạng cột (vuông hoặc tròn) có cơ cấu tạo khí ở đáy và tháo bọt tuyển nổi ở đỉnh. Bùn cấp liệu được cấp ở phía giữa cột và chảy xuống phía dưới, ngược dòng với các bóng khí sinh ở đáy cột. Tuyển nổi cột xuất hiện nhiều chục năm trước khi áp dụng thành công ở quy mô công nghiệp tại nhà máy tuyển môlipdden Mines Gaspé tại Canada năm 1980.

Tại đây với tuyển nổi cột số công đoạn tuyển tinh đã giảm từ mười ba xuống còn ba vì lý do thật đơn giản: cột tuyển nổi cho phép duy trì chiều dày lớp bọt đến hơn 1 m và có thể tổ chức cấp nước rửa bọt, điều không thực hiện được với máy tuyển nổi truyền thống. Và một làn sóng tuyển nổi cột bắt đầu. Cuối những năm tám mươi và đầu những năm chín mươi thế kỷ trước đâu đâu cũng thử nghiệm để thay thế máy tuyển nổi truyền thống bằng tuyển nổi cột và cho đến thời điểm này cơn sốt tuyển nổi cột có thể nói đã chấm dứt. Mặc dù cho phép nhận được tinh quặng chất lượng cao nhưng thực thu lại không cao và không ổn định. Đây chính là nguyên nhân ngành công nghiệp tuyển kim loại cơ bản từ chối tuyển nổi cột. Tuyển nổi cột chỉ được áp dụng phổ biến ở ngành công nghiệp than còn đối với các đối tượng khác, nó chỉ phù hợp với khâu tuyển tinh. Ngày nay tuyển nổi cột đã phát triển và có nhiều thiết kế đa dạng, nhiều khi không còn hình dáng dạng cột như ban đầu. Người ta thường đồng nhất khái niệm tuyển nổi cột với các khái niệm máy tuyển nổi tạo bọt bằng khí nén. Xin giới thiệt một số thiết kế chủ đạo của dòng thiết bị tuyển nổi này.

3. Tuyển nổi cột dạng Canada

Đây là thế hệ tuyển nổi cột đầu tiên được áp dụng trong công nghiệp, cấu tạo như đã mô tả ở trên. Cho đến nay cơ cấu tạo bọt khí đã được cải tiến nhiều, từ dạng thổi khí qua vải lọc lúc ban đầu sang các cơ cấu phức tạp hơn. Phổ biến hiện tại là cơ cấu tạo bọt khí hai pha dạng SlamJet dùng nước cao áp và khí nén kết hợp với nhau tạo thành hỗn hợp nước và bọt khí mịn phun vào đáy cột tuyển nổi. Máy tuyển nổi dạng này ngày nay vẫn phổ biến ở Bắc Mỹ.

4. Tuyển nổi cột kiểu Mỹ

Tại Mỹ đã xuất hiện nhiều thiết kế mới máy tuyển nổi cột. Cuối những 1980 tại Mỹ tương đối phổ biến máy tuyển nổi Flotair (đúng hơn là có dạng thùng tròn) và đặc biệt là gần đây xuất hiện máy tuyển nổi cột Microcell. Đây là thiết kế của trường Đại học Bách khoa Virginia để tuyển than cực mịn và nay được Metso thương mại hoá với thương hiệu CISA. Đặc điểm nổi bật của thiết bị này là cơ cấu tạo bọt khí bằng cách bơm tuần hoàn bùn vật liệu kết hợp với khí nén đi qua ống trộn tĩnh (static mixer) và phun vào đáy cột. Khi đi qua ống trộn, không khí sẽ được phân tán thành những bọt khí rất nhỏ (vài chục m m so với vài trăm m m ở máy tuyển nổi thông thường) phù hợp để tuyển vật liệu cực mịn.

5. Cột tuyển nổi ngày càng thấp đi hay tuyển nổi cột kiểu Úc

Đó là máy tuyển nổi dạng Jameson (do Giáo sư Graeme Jameson thuộc Đại học Tổng hợp Newcastlephát minh năm 1989) rất phổ biến tại Australia ngày nay. Trong máy này bùn quặng được bơm vào một ống cắm thẳng đứng (downcomer, ống phun), không khí được hút cuốn theo vào nhờ ống dẫn khí nổi vào downcomer, phân tán và quá trình hình thành tổ hợp bóng khí - hạt khoáng được diễn ra đồng thời. Hỗn hợp bùn và bọt tuyển nổi sau đó từ ống phun xả vào một ngăn phân tách bọt. Đối với máy có năng suất lớn thì chia làm nhiều ống phun. Thiết kế này cho phép tăng hiệu suất va chạm hạt khoáng - bóng khí đồng thời giảm đáng kể chiều cao cột tuyển nổi.

Máy tuyển nổi Jameson ngày nay đã chiếm lĩnh hoàn toàn thị trường thiết bị tuyển nổi than mịn tại Australia . Ngoài ra thiết bị này còn được áp dụng để thu hồi chất trích ky trong ngành thuỷ luyện kim loại màu. Những thiết kế mới của máy tuyển nổi Jameson có năng suất lớn đến 2000 - 2500 m ³/ giờ.

6. Tiến hoá của tuyển nổi cột kiểu Đức

Mặc dù ra đời cách nhau nhiều năm, của nhiều hãng khác nhau nhưng các thiết bị tuyển nổi cột này vẫn có những nét tương đồng, đơn giản vì tất cả chúng đều do giáo sư người Đức Rainer Imhof thiết kế. Đầu tiên là máy Ekoflot của hãng EKOF, sau đó Pneuflot của KHD Humbolt wedag cuối cùng là Imhoflot của MMS. Bộ phận tạo bọt khí của chúng đều giống nhau gồm các tấm gốm đặt sát nhau và từ đó khí nén được thổi qua. Bùn quặng được bơm qua bộ phận tạo bọt khí đi vuông góc với các tấm gốm cuốn theo các bọt khí nhỏ.

Trong máy Ekoflot thì ống dẫn bùn chứa bọt khí được cấp vào và xả ở tâm ngăn máy (tương tự như ngăn Jamesson). Điểm nổi bật của Ekoflot (và của Pneuflot) là có bộ phận chỉnh kheo tháo bọt, gọi là froth crowwder. Cơ cấu này cho phép điều chỉnh độ đậm đặc và nhất là tốc độ chuyển động của bọt tuyển nổi. Imhoflot G-Cell được coi là thiết bị tuyển nổi khí nén tiên tiến nhất hiện nay. Cách thức tạo bọt khí cũng tương tự như Ekoflot và Pneuflot nhưng cách thức đưa bùn chứa bọt khí vào ngăn máy thì có sự cải tiến mang tính cách mạng. Bùn chứa bọt khí được chia thành nhiều luồng và cấp vào ngăn theo phương tiếp tuyến tạo thành dòng bùn chuyển động xoay. Tại đây bọt được tách ra khỏi bùn quặng nhờ lực ly tâm. Nhờ có tác động ly tâm này mà thời gian lưu bùn quặng giảm đáng kể, chỉ có 30 giây (so với các máy tuyển khí nén khác là 2 - 3 phút, tuyển nổi cột 5 - 10 phút và dãy ngăn máy tuyển nổi thông thường là 20 - 30 phút). Điều này cho phép giảm đáng kể chi phí khác.

Trên đây mới chỉ đề cập đến những máy tuyển nổi mới được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực tuyển nổi than và quặng. Còn một số thiết bị tuyển nổi mới khác chưa đề cập ở đây như: ngăn máy tuyển nổi nhanh (flash flotation), tuyển nổi thoát khí từ dung dịch (DAF), máy phân ly bọt, máy tuyển nổi trọng lực… mà phạm vi ứng dụng trong tuyển khoáng ít hơn. Cuối cùng, như nhận định của các chuyên gia, với các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế ngăn máy tuyển nổi, diện mạo các nhà máy tuyển nổi sẽ thay đổi hẳn trong những năm tới.

Nguồn: Công nghiệp mỏ, 1 - 2008, tr 26