DE3300550C2 - Verfahren zum Sortieren eines partikelförmigen Kristallgemisches oder zum Anreichern partikelförmiger Mischkristalle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klassifizieren eines Kristallgemisches oder zum Anreichern von Gesteinsarten oder Mischkristallen in Partikelform durch Auffangen der Partikeln in einem Gasstrom zum Zweck des Separierens von Partikeln mit verschiedener Größe und/oder Gewicht mittels natürlicher oder künstlicher Gravitation. Erfindungsgemäß werden die Partikel auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß ein für Trennung hinreichender Unterschied im Volumen und/oder Gewicht der verschiedenen Partikel zustandekommt. Für Spodumen, Quarz und Feldspat ist diese Temperatur etwa 1000 ° C.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sortieren eines partikelförmigen Kristallgemisches oder zum Anreichern partikelförmiger Mischkristalle, wie bspw. Minerale, durch Trennen der Partikel in einem Gasstrom auf Grund des verschiedenen Volumens und/oder Dichte mittels natürlicher oder künstlicher Gravitation. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zum Sortieren eines Gemisches aus Kristallpartikeln verschiedener Art oder zum Anreichern von feinverteilten Gesteinsarten oder Mischkristallen mit so nahe beieinander liegenden Dichten, daß dieselben nicht in praktischer Weise mittels herkömmlicher Verfahren oder Vorrichtungen, wie z. B. Schwimmaufbereitungszellen, getrennt werden können.
• Unter "Kristallgemisch" wird in diesem Zusammenhang eine Mischung von zwei oder mehreren Kristalltypen verstanden, während dagegen "Mischkristalle" eine Mischung von Kristallen mit verschiedener Zusammensetzung bezeichnen soll. Ein Beispiel von "künstlicher Gravitation" stellt die Zyklonseparation dar.
• Anreicherung von Mineralien führt man gegenwärtig zumeist mittels chemischer Schwimmaufbereitungsverfahren oder mittels Mahl- und Siebverfahren durch. Auf der Grundlage der chemischen, physikalischen oder Struktureigenschaften der Minerale verhalten sich diese je nach dem Behandlungsmilieu verschieden. Verschiedene Minerale erfordern verschiedene Anreicherungsverfahren, die selbstverständlich jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Chemische Schwimmaufbereitungsverfahren erfordern Chemikalien, die im Hinblick auf den Umweltschutz möglichst weitgehend zurückgewonnen und wiederverwendet werden sollten. Die Schwimmaufbereitungsprozesse beruhen in hohem Grad auf praktischen Anwendungen, und dies gibt zu erkennen, daß es schwer fällt, auf Grund chemischer und physikalischer Gesetze direkt den Verlauf des Prozesses vorauszusagen. Anreicherung durch Mahlen und Sieben ist stark von den physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Minerale abhängig, wobei der Härte der Minerale eine entscheidende Bedeutung zukommt und gar oft spezielle Mahleinrichtungen zum Erzielen guter Anreicherungsergebnisse nötig sind.
• Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Trennverfahren so zu gestalten, daß es sich auch zum Trennen (Sortieren, Anreichern) solcher Partikel eignet, die sich wegen ihrer nahezu gleichen physikalischen Trenn-Eigenschaften mit üblichen Trennverfahren gar nicht oder nur sehr schwer trennen lassen.
• Erfindungsgemäß werden die Partikel vor oder während des Trennens auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß ein für das Trennen hinreichender Unterschied im Volumen und/oder Dichte der verschiedenen Partikel erhalten wird, jedoch ohne daß dabei ein Sintern eintritt. Indem die Trennung in einem Gasstrom auf Grund der verschiedenen Dichte oder Volumen der Partikel erfolgt, hat man demnach dahin gestrebt, eine selektive Veränderung dieser Parameter zu erzielen, so daß sich die Dichte und/oder das Volumen der verschiedenen Partikel auf Grund einer Umordnung in dem Partikel, auf Grund eines Austausches mit der Umgebung, eines Wärmeaustausches, eines Zerfalls usw. verändert.
• Indem die physikalischen und strukturmäßigen Eigenschaften als Funktion der Temperatur variieren, baut die vorliegende Erfindung folglich auf dem Auftreten verschiedener Kristalle und Minerale unter verschiedenen thermischen Verhältnissen auf. Gesteinsarten, die verschiedene Mineralzusammensetzungen enthalten, kann man durch eine thermische Behandlung in einer geeigneten Apparatur so beeinflussen, daß eine gegebene Mineralfraktion angereichert werden kann. Falls die verschiedenen Minerale in den Gesteinsarten oder Kristallen passend hohe Verschiedenheit ihrer physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Härte, Wärmeleitvermögen und Wärmeausdehnungsvermögen, aufweisen sowie falls sich die Struktur eines Minerals oder Kristalls infolge der thermischen Bedingungen verändert, kann man die Anreicherung eines gegebenen Minerals oder einer Kristallfraktion durch Wahl eines geeigneten Reaktortyps und geeigneter Strömungsverhältnisse bewirken.
• Im Vergleich mit den chemischen Schwimmaufbereitungsverfahren gewinnt man beim Ausführen einer thermischen Anreicherung die folgenden Vorteile: der Prozeß kann in trockener Umgebung durchgeführt werden; man vermeidet die Chemikalienanwendung; der Mahlvorgang wird einfacher.
• Die vorliegende thermische Anreicherungsweise beruht somit auf den physikalischen und strukturmäßigen Eigenschaften verschiedener Minerale und Kristalle und darauf, wie diese Eigenschaften als Funktion der Temperatur variieren. Physikalische Eigenschaften wie z. B. Härte, Wärmeleitvermögen und Wärmeausdehnung sowie Strukturumwandlungen sind hierbei wichtige Parameter, und für Mineral- oder Kristallzusammensetzungen, wo diese kombiniert werden können, kann man den Anreicherungsprozeß noch weiter verbessern. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen können auch Partikel mit nahezu gleicher Dichte, jedoch mit ungleichem Wärmeausdehnungsvermögen durch ihr verändertes Volumen getrennt werden. Beim Behandeln chemischer Salzmischungen, z. B. verschiedener Hydrate (Gips), können Unterschiede in der Partikelform der verschiedenen Salze erzeugt werden, wonach anschließend Partikel der verschiedenen Salzkristalle sortiert werden können.
• Wenn eine Gesteinsart, die mehrere Mineralkomponenten enthält, zu passender Partikelgröße gebrochen und gemahlen worden ist und danach in einen passend erhitzten Reaktor eingegeben wird, in dem passende Strömungsverhältnisse herrschen, wird das Material rasch erhitzt. Hierbei können sich infolge des Wärmeschocks, dem das Material ausgesetzt wird, kleine Risse in einigen Mineralen oder an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Mineralen bilden, da verschiedene Minerale je nach den spezifischen Eigenschaften der Minerale verschiedenen Einflüssen unterliegen. Falls sich die Kristallstruktur der Minerale ändert, wirkt dies auch zumeist auf das Kristallvolumen ein, und dies trägt seinerseits zu Rißbildung und Zerteilung der Partikel bei. Sind die Strömungsverhältnisse im Reaktor passend, so daß erhitzte Gase die Partikel in der Schwebe und in Bewegung halten können, werden Abnutzungseffekte dazu beitragen, daß Material mit geringerer Härte bzw. solches, wo Rißbildung eingetreten ist, zerkleinert wird. Nachdem der Prozeß sein Gleichgewicht erreicht hat und die Materialbilanz festliegt, kann die zerkleinerte Materialfraktion durch eine passende Gasströmung aus dem Reaktor herausgezogen und z. B. in einem Zyklon abgeschieden werden. Die gröbere Fraktion kann aus dem Bett herausgeholt werden. Bei Bedarf können die Materialfraktionen nach der Partikelgröße oder nach gewünschtem Mineralgehalt aufgeteilt werden, so daß man das Material teilweise als Produkt entnehmen und teilweise in den Reaktor zurückführen kann.
• Man kann den thermischen Anreicherungsprozeß auf Mineralgemische anwenden, wenn z. B. Spodumen aus einem Gemisch von Spodumen, Quarz und Feldspat angereichert wird; Wollastonit aus einem Gemisch von Wollastonit und Kalzit; Dolomit aus einem Gemisch von Dolomit und Quarz oder einer Aufteilung von Dolomit in Mg-reiche und Ca-reiche Fraktionen.
• Für das thermische Anreicherungsverfahren kann ein passender Reaktor ein solcher vom Wirbelbetttyp sein (s. z. B. FI-PS 54 160 und Daizo Kunü und Octave Levenspiel, "Fluidization Engineering", 1969, 28-31) um gute Wärmeübertragung, passende Gasströmungsverhältnisse und passende Partikelbewegungsverhältnisse zu erhalten. Das Materialgemisch soll vorzugsweise zu einer Partikelgröße bis zu 2 mm gemahlen sein. Eine untere Grenze für den Partikeldurchmesser ist nicht notwendig, aber es kann in bestimmten Fällen günstig sein, wenn die feinsten Partikel abgeschieden sind, ehe das Material im Reaktor eingeführt wird. Der Reaktor kann indirekt oder direkt geheizt sein. Um eine passende Mischung des Materials im Reaktor zu erzielen, kann man passende Gasströme gegen das Material richten. Der Gasstrom im Reaktor ist auch so zu regeln, daß die gewünschte Menge kleiner Partikel aus dem Reaktor herausgeführt und vom Gasstrom abgeschieden werden kann, z. B. über ein Filter, einen Zyklon, ein Sieb, einen Sichter oder einen Venturiwäscher.
• Es ist allerdings bekannt, verschiedenartige Materiale in einem Wirbelbettreaktor zu behandeln und daran anschließend das Gas mitsamt seinem Gehalt an Festpartikeln einem Zyklonseparator zuzuleiten. Das Ziel war hierbei jedoch vorwiegend, das feste Material entweder zu trocknen oder umzusetzen und danach die mit den Gasen mitgerissenen feineren Partikel in einem Zyklonseparator abzuscheiden. Solche Vorrichtungen sind nicht verwendet worden zum Trennen einer Kristallmischung oder zum Anreichern von Gesteinsarten oder Mischkristallen in Partikelform durch Erhitzen der Partikel auf eine derart hohe Temperatur, daß die für die Trennung hinreichende Differenz in der Dichte und/oder Volumen der verschiedenartigen Partikel erzielt wird. Es ist besonders zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung das Trennen von Partikeln möglich macht, die ansonsten mittels herkömmlicher Verfahren gar nicht oder nur schwer voneinander zu trennen wären. Es genügt somit nicht, daß man die Temperatur der Partikel erhöht; vielmehr muß die Temperatur so weit gesteigert werden, daß ein für die Separation genügender Unterschied in der Dichte und/oder Volumen der Partikel erreicht wird, jedoch ohne daß Sintern eintritt. Man kann den Wärmeinhalt der Partikel anschließend verwerten, indem diese direkt in einen passenden pyrotechnischen Prozeß eingegeben werden.
• Die vorliegende Erfindung wird hiernach näher mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in welcher
• Fig. 1 ein schematisches Fließschema für die thermische Anreicherung gemäß vorliegender Erfindung wiedergibt, und
• Fig. 2 ein zweites Fließschema darstellt, das speziell zum Anreichern von Spodumen aus einer Spodumen, Quarz und Felspat enthaltenden Mineralmischung dient.
• Das Kristall- oder Mineralgemisch durchläuft den Brechvorgang 1 und den Mahlvorgang 2 zu passender Partikelgröße (mindestens 50% unter 2 mm). Das Material wird dann in einen Reaktor 3 eingeführt, in den auch Brennstoff 12 und Gas 13 eingeleitet werden, und aus dem ein grobe Partikel enthaltender Materialstrom 14 sowie ein feine Partikel enthaltender Materialstrom 15 herausgeführt werden. Der Materialstrom 14, der grobe Partikel enthält, kann über einen Wärmetauscher 8 Wärmeenergie abgeben. Der Materialstrom 15, der feine Partikel im Abgas 20 enthält, wird in ein Partikelabscheidesystem 4, 5, 6, 9 eingeführt, welches je nach den Prozeßverhältnissen aus einem Filter, Sieb, Zyklon, Sichter, Venturiwäscher oder aus einer Kombination von diesen bestehen kann.
• Der Materialstrom 15, der feine Partikel enthält, kann somit in eine Anzahl Fraktionen 16-18 aufgeteilt werden, deren Partikelgrößen und Kristallgehalte variieren. Die Fraktionen, die Produkte verschiedener Grade ausmachen können, oder auch Abfall, kann man bei Bedarf auch zum Reaktor 3 zurückführen (Leitung 19). Um verbesserten Wärmehaushalt im Prozeß zu erlangen, kann man verschiedene Wärmeaustauschertypen 7, 10, 11 einbauen. Abgeführte Materialfraktionen kann man auch in erhitztem Zustand solchen nachfolgenden Prozeßsystemen zuführen, die erhitzte Materialströme erfordern. Das Abgas 20, das durch den Partikelabscheider 4, die Kühlstufe 5, den Partikelabscheider 6 und den Wärmetauscher 11 geht, wird aus dem letztgenannten abgeführt, nachdem es Wärme an den Brennstoff 12 abgegeben hat.
Beispiel
• Ein Mineralgemisch mit der Zusammensetzung 61 Gew.-% Spodumen und 39 Gew.-% Quarz und Feldspat und mit Partikeldurchmesser 0,19 mm wurde in einen nach Fig. 2 angeschlossenen Wirbelbettreaktor eingegeben, und zwar ist in der Zeichnung der Reaktor mit der Bezugsziffer 1, der Zyklon mit 2 und der Venturiwäscher mit 3 bezeichnet. Die Temperatur im Reaktor 1 betrug 1000°C, erzielt durch Verbrennung von leichtem Heizöl. Der Reaktor hatte 300 mm Durchmesser und 3400 mm Höhe.
• Die Materialzufuhr in den Reaktor 1 belief sich auf 29,9 kg/h, und man erhielt 11,5 kg/h Konzentrat der groben Fraktion sowie 18,4 kg/h Konzentrat der feinen Fraktion. Der Spodumengehalt des Konzentrats der feinen Fraktion vom Venturiwäscher 3 war 83 Gew.-% und derjenige des Konzentrats der groben Fraktion war 27 Gew.-% vom Reaktor 1. Im Konzentrat der feinen Fraktion erfolgte somit eine Anreicherung des Spodumengehalts um 22 Prozenteinheiten, während der Quarz- und Feldspatgehalt im Konzentrat der groben Fraktion um 34 Prozenteinheiten angereichert wurde.
• Bei Temperaturen um 1000°C erfahren die Spodumenkristalle eine Strukturumwandlung von der Alpha- zur Betaform, und hierbei findet eine Kristallausdehnung von etwa 23 Vol.-% statt, bei Abfall der Dichte von 3,15 auf 2,41 g/cm³. Die Volumenausdehnung für Feldspat und Quarz bei Erhitzung auf 1000°C ist hingegen nur etwa 2-3%. Die Mohs-Härte der Minerale beträgt 6 bis 7.

Claims (6)

1. Verfahren zum Sortieren eines partikelförmigen Kristallgemisches oder zum Anreichern partikelförmiger Mischkristalle, wie bspw. Minerale, durch Trennen der Partikel in einem Gasstrom auf Grund des verschiedenen Volumens und/oder Dichte mittels natürlicher oder künstlicher Gravitation, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel vor oder während des Trennens auf eine so hohe Temperatur erhitzt werden, daß ein für das Trennen hinreichender Unterschied im Volumen und/ oder Dichte der verschiedenen Partikel erzielt wird, jedoch ohne daß Sintern eintritt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel einer schockähnlichen Erhitzung unterzogen werden, um die Rißbildung und den Zerfall der Partikel in kleinere Teilpartikel verschiedener Größen zu fördern.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel mit Hilfe von heißen Verbrennungsgasen erhitzt und in einem Wirbelbett schwebend gehalten werden, wobei eine grobe Fraktion dem Wirbelbett entnommen wird, während eine oder mehrere immer feinere Fraktionen von den Gasen getrennt werden, die durch das Wirbelbett hindurchgegangen sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gröberen Fraktion oder Fraktionen zurückgeführt und erneut erhitzt wird.

5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erhitzenden Partikel einen Durchmesser haben, der im Durchschnitt unter 2 mm liegt.

6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mineralmischung von Spodumen, Quarz und Feldspat auf eine Temperatur von 900 bis 1000°C, vorteilhaft etwa 1000°C, erhitzt wird.