カリ採掘プロセスにおけるカリスラリー密度測定

カリ浮選プロセス：密度制御による最適化

3.1 カリ浮選プロセス：基礎

カリ浮選は、主に塩化カリウム（KCl）を岩塩（NaCl）および不溶性物質から分離するために使用されます。このプロセスは、対象鉱物の表面化学特性の違いに左右されます。塩化カリウムは選択的捕集剤を用いて疎水化処理され、フロス分離が可能になります。一方、岩塩と粘土は抑制剤を用いて抑制されます。

脱泥浮選前の脱泥は非常に重要です。これにより、鉱物の表面を覆い、試薬の効果を阻害し、選択性を低下させる微細粘土やケイ酸塩が除去されます。効果的な脱泥は最大95%の効率を達成でき、浮選回路における高品位回収に直接貢献します。このアプローチにより、K₂O精鉱品位は一貫して61～62%に達しており、カリ塩分離における脱泥の重要性を裏付けています。

浮選回路は、脱泥後に原料を粗粒分と細粒分に分離することでカスタマイズされます。各分画には、シルバイト回収率を最大化するために、専用の試薬添加と調整が行われます。主な試薬は以下のとおりです。

• 塩型コレクター（シルバイトの場合）
• 合成ポリマー鎮静剤（KS-MFなど）不要な岩塩や不溶性物質を抑制するために、
• 界面活性剤と分散剤選択性をさらに高め、スライムの影響を軽減します。

流量、セル撹拌速度、試薬添加量などの操作パラメータは、最適な分離のために調整されます。世界的に、カリ生産の約70%はフロス浮選法に依存しており、浮選法と熱溶解結晶化法を組み合わせることで高純度の製品が得られます。

 

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3.2 浮選回路における密度測定

浮選回路におけるスラリー密度は重要な制御因子です。これは気泡と粒子の相互作用に直接影響し、シルバイトの付着効率、試薬消費量、そして最終的な分離に影響を与えます。

スラリー密度の影響:

• 低密度:気泡と粒子の接触は改善されますが、泡の安定性が弱まり、水の持ち越しが増加するため、回復に悪影響が出る可能性があります。
• 高密度:衝突は多く発生しますが、過剰な固形物は選択的な付着を妨げ、より多くの試薬投与量を必要とし、濃縮物の品質を薄める可能性があります。

鉱物の分離効率を最大化し、損失を最小限に抑えるには、粗粒分と細粒分の両方において最適な密度調整が必要です。オペレーターは密度計、核計、インラインセンサーを用いてリアルタイムのフィードバックを提供し、精鉱の品位と回収率を向上させる継続的な調整を可能にします。

スライム除去の役割:
事例研究では、密度測定による厳格な脱泥処理により、シルバイトの回収率が85～87%に達し、高い浮選選択性が維持されることが示されています。浮選工程前に不溶性物質を除去することで、試薬の性能が向上し、最終製品の品質が向上します。特に精密な密度管理と組み合わせることで、その効果はさらに高まります。

たとえば、合成抑制剤を使用する現場では、脱泥後の密度の最適化により回収率が 2% 以上向上することが示されており、大規模なカリ鉱物処理技術に大きな影響を与えます。

カリ結晶化プロセス：供給密度の役割

4.1 カリウム結晶化工程の概要

カリの結晶化は、カリ採掘プロセスにおいて、浮選と脱泥に続く熱処理プロセスです。浮選（塩化カリウム（KCl）を岩塩（NaCl）やその他の脈石から分離する）の後、精鉱は高温浸出処理を受けます。これは、粉砕したシルビナイト鉱石を通常85～100℃の加熱塩水と混合する処理で、高温での溶解度の違いにより、塩化カリウム（KCl）が塩化ナトリウム（NaCl）よりも多く溶解します。

KClを多く含む浸出液は、溶解していない固形物から分離されます。その後、冷却されます。KClの溶解度は温度とともに急激に低下するため、KClが優先的に結晶化します。これらのKCl結晶は、ろ過または遠心分離によって回収され、洗浄後、乾燥されます。この浮選、高温浸出、結晶化という一連の工程により、カリの回収率と製品の純度が最大限に高められ、最終製品は回収率85～99%、KCl含有量95～99%となります。

4.2 スラリー密度が結晶化効率に与える影響

スラリー密度は、カリ結晶化プロセスにおいて決定的な要因です。これは液相中に懸濁している固体の質量を指し、核生成速度、結晶成長、そして純度に直接影響を与えます。

• 核形成速度スラリーの密度が高いほど、結晶核生成の可能性が高まり、結晶はより多く、より小さくなります。密度が高すぎると、システムは成長よりも核生成を優先し、回収可能な大きな結晶ではなく、微粒子を生成します。
• 結晶サイズ分布: 一般的に、高密度の投入ではKCl結晶が細かくなり、下流のろ過や洗浄が複雑になる可能性があります。密度が低いと核が少なくなり、より大きな結晶が成長しやすくなり、回収が容易になります。
• 純度スラリーの密度が高すぎると、NaClや不溶性粒子などの不純物が共沈し、製品の品質が低下する可能性があります。適切な密度管理により、これらの不純物を最小限に抑え、純度を最適化できます。
• 排水性能高密度原料からの微細結晶は密に詰まるため、ろ過や遠心分離における排水が阻害される可能性があります。これにより最終製品の水分含有量が増加し、乾燥に必要なエネルギーが増加します。

スラリー密度は、精鉱回収率、製品グレード、そして鉱物分離効率の最適化と密接に関係しています。適切な管理が不十分だと、塩化カリウムの収率と純度が低下し、カリ結晶化プロセスの経済的および運用上の成果が損なわれる可能性があります。

4.3 結晶化中の密度の監視と制御ポイント

スラリー密度の正確な測定と制御は、効率的なカリ抽出と高品質な結晶化結果を得るために不可欠です。振動管式密度計、コリオリ密度計、または原子核密度計を用いたインライン密度サンプリングは標準的な方法です。リアルタイムデータにより、継続的なモニタリングと、逸脱発生時の迅速な修正が可能になります。

ベストプラクティスは次のとおりです。

• センサーの戦略的な配置：晶析装置への供給ラインと循環ループにサンプリング機器を設置します。これにより、プロセス制御に必要なタイムリーかつ正確な測定が可能になります。
• 自動フィードバック制御密度信号をプログラマブルロジックコントローラ（PLC）または分散制御システム（DCS）に統合します。これらのシステムは、スラリー流量、リサイクル率、または塩水添加量を調整することで、目標密度範囲を維持します。
• 浮選システムとのデータ統合浮選回路から排出されるスラリーの密度は結晶化の初期条件を決定するため、浮選精鉱の密度を一定に保つことで、結晶化装置の安定した運転が可能になります。浮選ユニットと結晶化ユニットの両方から得られる密度の測定値はフィードバックループで連携し、精鉱回収率と鉱物分離効率を向上させるための調整を可能にします。

一例として、向流浸出回路が挙げられます。各段階での密度制御により、最適な結晶成長と下流の脱水がサポートされます。プラントでは、密度アラームやプロセスインターロックを導入することで、密度の過不足を防ぎ、製品の品質と設備の両方を保護します。

スラリー密度の効果的な制御は、現代のカリ生産方法の基礎であり、カリ鉱物処理技術のベストプラクティスを通じて、純度を高めるための結晶化の最適化、回収率の向上、エネルギーと水の消費量の削減を実現する手段を提供します。

鉱物処理における重力分離：カリウム回収の補完

5.1 カリに関連する重力分離法の紹介

重力分離は、粒子の密度と沈降速度の違いを利用して分離を行う鉱物処理技術です。カリ採掘プロセスにおいて、重力分離は浮選、脱泥、結晶化といった他の一次処理を補完するニッチな用途を有しています。カリに関連する重力分離法としては、重質媒体分離（HMS）、ジギング、スパイラル濃縮機などがありますが、カリ採掘フローシートでは依然として浮選が主流です。

重力分離の原理は、密度とサイズの異なる粒子が流体中に懸濁した際に、異なる速度で沈降することを利用して行われます。カリ工場では、この原理を利用して、粘土、不溶性鉱物、塩化ナトリウム（岩塩）などの密度の高い成分を、カリ石（カリ鉱石）から分離します。このプロセスは、鉱物の密度に十分な差がある場合に最も効果的です。例えば、カリ石（KCl）の密度は約1.99 g/cm³ですが、岩塩（NaCl）は2.17 g/cm³です。この密度差は小さいですが、フローシートの特定の段階では、浮選および結晶化工程と並行して、カリ石をさらに濃縮し、不純物を除去するために活用されます。

重力分離は通常、最初のふるい分けと脱泥の後に実施され、多くの場合、他のカリ鉱物処理技術と組み合わせて行われます。これは、重要な純度または濃縮物の回収を達成する必要がある場合の補助的なステップとして機能し、浮選分離の選択性が不十分な場合に粗粒分と微粒分を分離するための費用対効果の高い方法を提供します。例えば、浮選分離への原料中の不溶性粘土の除去、またはスクリーン洗浄からの粗粒分の品質向上は、どちらも重力分離のメリットをもたらします。一部のプラントでは、特定の廃棄物または塩分を処理するために、特に粗粒子に対して浮選分離の性能が最適でない場合や、試薬の化学に影響を与える塩水の場合に、古い重力回路が残っています。

重力分離はカリ浮選プロセスの代替手段ではありませんが、カリ鉱石採掘における浮選回収率の向上や、精鉱全体の回収率向上が重要な状況において、カリ浮選プロセスを補完する役割を果たします。超高純度製品の製造や残留鉱石の除去など、特定の鉱物の分離効率の最適化が必要な場合、重力分離は二次的なアプローチとして有用です。

5.2 スラリー密度と重力分離性能

カリ結晶化プロセスやその他のカリ製造方法における重力分離の有効性は、スラリー密度と直接結びついています。ここでの基本的な関係は、スラリー密度、粒子の沈降速度、そして全体的な分離効率の間にあります。

ストークスの法則によれば、層流における粒子の沈降速度は、粒子と流体の密度差が大きくなり、粒子径が大きくなるにつれて増大します。カリ採掘プロセスでは、スラリー密度を制御することで、オペレーターは媒質を調整し、シルバイトや関連鉱物が最適な速度で沈降または浮上するようにすることができます。スラリー密度が高すぎると沈降が阻害され（粒子同士の動きが阻害されるため）、鉱物の分離効率が低下し、精鉱品位が低下します。逆に、スラリー密度が低すぎると、分離スループットが低下し、微細な脈石が混入して回収率が低下する可能性があります。

正確なカリスラリー密度測定技術によって測定される供給密度を最適化することは、鉱業における重力分離のベストプラクティスの 1 つとして認識されています。

• 高密度スラリー:
  • 粒子間相互作用（沈降阻害）を引き起こす
  • 分離の鮮明度が低い
  • 罰金の繰り越しの増加
• 低密度スラリー:
  • スラリー処理のための水使用量とエネルギーの増加
  • プロセススループットの低下
  • 貴重な鉱物の損失の可能性

目標とする操作密度は、比重分離装置と鉱物組成に応じて、通常、固形分重量比で25%から40%の範囲です。オペレーターは通常、起動時と洗浄段階でこれらのレベルを調整し、濃縮回収率と製品純度という相反するニーズのバランスを取ります。

例えば、カリスパイラル回路では、供給密度をこの最適範囲内に調整することで、精鉱とミドルリングおよびテールにおけるKClの分離に影響を与えます。超微細粘土やシルトを除去する上流の脱泥は、重力分離への供給が適切な密度範囲内に維持されるようにするための重要な制御ステップです。核密度計やコリオリ計といった、鉱山におけるスラリーの高品質な密度測定技術は、自動制御システムによるこれらの目標値の維持を可能にし、一貫したプロセス性能と効率的なカリ抽出を実現します。

この段階での厳格なスラリー密度管理は、下流の浮選または結晶化の結果を向上させるだけでなく、中間分離工程における損失を最小限に抑えることで、鉱物処理における精鉱回収率を向上させる方法に直接的に影響します。重力回路内のスラリー密度へのこのような細心の注意は、現代のカリ鉱物処理技術にとって不可欠であり、純度と収率を向上させるためのカリ結晶化を最適化するためのより広範な戦略の基盤となります。