Mobile Anlagen zur Mineralaufbereitung: Stand der Technik (Teil 1)

1 Einleitung

1.1 Hintergrund

Der Bedarf an Metallen wird aufgrund der ständig wachsenden Weltbevölkerung (> 9 Mrd. bis Mitte dieses Jahrhunderts) und neuer Konsumenten in den Schwellenländern zwangsläufig zunehmen. Zudem wird durch die Entwicklung neuer Technologien weiterhin Nachfrage nach bestimmten Erzkonzentraten bestehen.

Die europäischen Hersteller sind auf eine sichere und kontinuierliche Versorgung mit Erzkonzentraten durch den Bergbau angewiesen, wobei der Großteil dieser Konzentrate derzeit von außerhalb der Europäischen Union (EU) stammt. Beispielsweise wird nur ein kleiner Teil der weltweit gewonnenen Metalle in Ländern der EU gefördert; dabei besitzen nur Österreich, Finnland, Griechenland, Irland, Polen, Portugal und Schweden einen Metallbergbau, der mehr als 1 % zur Gesamtförderung eines metallischen Minerals beiträgt.

Doch es besteht die Möglichkeit der Erhöhung der Bergbautätigkeit innerhalb Europas durch den Abbau wertvoller Mineralien im Rahmen neuer und früherer Projekte, die aufgrund technischer und/oder ökologisch-sozialer Herausforderungen bislang als unwirtschaftlich angesehen wurden. Außerdem ist die Konzentration der in Europa gefundenen Rohstoffe zu gering, als dass sie den für die Erschließung einer Mine erforderlichen Kapitaleinsatz rechtfertigen würde. Die für den Bau einer Aufbereitungsanlage benötigte Investition macht einen wesentlichen Teil des Kapitals aus, das für die Entwicklung eines Bergbauprojekts insgesamt eingesetzt wird. Deshalb wird die Reduzierung der Kapitalkosten von Aufbereitungsanlagen europäische Projekte wirtschaftlicher machen.

Die Entwicklung von flexiblen, modularen und mobilen Aufbereitungsausrüstungen bei Einsatz bestehender und innovativer Technologien wird als wichtiger Weg erachtet, um einige der wertvollen Ressourcen Europas zu erschließen. Es wird davon ausgegangen, dass eine mobile Anlage zu den verschiedenen Erzvorkommen transportiert werden könnte, die jedoch flexibel genug bleibt, um an die Aufarbeitung ähnlicher Mineralisierungsarten angepasst zu werden.

Das Konzept der mobilen Aufbereitungstechnik ist nicht neu und wird seit den 1970er Jahren von weltbekannten Herstellern wie Metso kommerziell genutzt. Allerdings ist der Einsatz dieser Technik weltweit auf eine Handvoll Betriebe begrenzt. Die Chance besteht, die Gestaltung dieser Technik weiterzuentwickeln und so auszulegen, dass sie speziell für europäische Projekte ausgeführt werden kann.

Dieses Dokument bietet im Folgenden einen Literaturüberblick hinsichtlich der aktuellen weltweiten Nutzung mobiler Ausrüstungen für die Erzaufbereitung. Eine erste Fassung dieses Dokuments wurde 2015 erstellt und ist seitdem regelmäßig bis zur vorliegenden Version 6.0 aktualisiert worden. Enthalten ist eine allgemeine Beschreibung typischer Aufbereitungsausrüstungen mit Fokus auf europäische Anlagenlieferanten und deren jeweilige mobile Aufbereitungsausrüstung. Die für die mobile Aufbereitung spezifischen Ausrüstungen und Prozesskreisläufe werden detailliert beschrieben und stützen sich auf weltweit angewandte Praktiken.

Zweck dieses Dokuments ist es, die aktuell in der mineralverarbeitenden Industrie genutzten Erfahrungen und Ideen zu bündeln, um die Entwicklung und Auslegung von Prozessen zu unterstützen, welche die von FAME angestrebten Ziele verfolgen, und um mögliche Lücken in dem den Bergbauunternehmen aktuell zur Verfügung stehenden Sortiment an mobilen Aufbereitungsausrüstungen zu ermitteln.

1.2 Konzept einer modularen Mobilanlage

Es wurde festgestellt, dass für die meisten europäischen Lagerstätten modular aufgebaute, mobile Brecher- und Mahlanlagen generell geeignet sind. Deshalb wird die Flexibilität, diese Anlagen in verschiedene Abbaustätten zu verlagern, nicht durch die Eigenschaften der Erze beschränkt – sofern die Anlagen entsprechend entwickelt wurden. Andererseits sind die Aufbereitungsanlagen hinsichtlich ihrer Eignung, unterschiedliche Erzarten zu bearbeiten, weitaus weniger flexibel. Daher sind, je nach benötigter Konfiguration, unterschiedliche Kreisläufe (mit Spezialausrüstung) erforderlich.

Aus diesem Grund zieht Wardell Armstrong International Ltd. (WAI) derzeit modulbasierte mobile Anlagen in Betracht, so dass einzelne Anlagenmodule ausgewählt und zu einem ergänzenden Anlagenteil zusammengebaut werden können, der auf die jeweils zu bearbeitende Erzart abgestimmt wird. Dieses Konzept ist in Bild 1 dargestellt.

Die Machbarkeit des Umzugs einer mobilen Anlage zwischen mehreren Abbaustätten gilt nicht als technisch herausfordernd. Allerdings muss dargelegt werden, dass die mobile Anlage auf die Bearbeitung der neuen Erzart angepasst werden kann. Deshalb ist vorab eine metallurgische Untersuchung erforderlich, um die Bearbeitbarkeit des Erzes festzustellen und dementsprechend eine geeignete Anlagenkonfiguration zu erstellen. Die erforderliche Konfiguration wird somit vorgeben, welche Anlagenmodule benötigt werden und wie diese zu betreiben sind.

Unabhängig von den gewählten Modulen ist es wahrscheinlich, dass die ausgewählten Konfigurationen einer Anpassung bedürfen, um eine maximale metallurgische Ausbeute zu erzielen. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen, z.B. durch:

einfache Anpassung der Ausrüstungen (im Rahmen der gegebenen konstruktiven Möglichkeiten);

Hinzufügen weiterer Ausrüstungsteile, entweder zur Steigerung der Durchsatzleistungen und/oder Verlängerung der Verweildauer; und

Hinzufügen neuer Ausrüstungsteile zur Erzielung der angestrebten Anlagenleistung (gemäß metallurgischer Untersuchung und Wirtschaftlichkeitsberechnung). Dies kann zum Beispiel einen zusätzlichen Gravitationskreislauf beinhalten, der einem Flotationskreislauf vorgelagert wird.

Das Konzept der mobilen Aufbereitung ist nicht neu und wird bereits seit den 1970er Jahren von Metso zur kommerziellen Nutzung entwickelt. Der neue Aspekt von FAME ist das Konzept der modularen Ausrüstung, die ausgewählt, transportiert und leicht montiert werden kann. Mit Umsetzung dieses Konzepts wird auch das Ziel von FAME erreicht, solche Metalle flexibel und relativ problemlos abzubauen, deren Förderung an allen ausgewählten europäischen Abbaustätten derzeit unwirtschaftlich ist.

1.3 Literaturüberblick

Dieser Literaturüberblick konzentriert sich auf die Erzaufbereitungstechnik, die spezifisch ist für die Trennung von Mineralkomponenten mit dem Ziel, marktfähige Produkte zu erhalten. Somit umfasst der Überblick keine Punkte, die außerhalb dieses Fokus liegen, wie z.B. der Transport und die Bewirtschaftung von Bergematerial oder die Marktfähigkeit von Produkten. Der Umfang des Literaturüberblicks ist in Bild 2 zusammengefasst.

2 Überblick der Aufbereitungstechniken

Innerhalb der mineralverarbeitenden Industrie werden verschiedene Techniken eingesetzt, deren Auswahl projektspezifisch erfolgt. Unabhängig davon gibt es gemeinsame Bereiche, in denen diese Techniken angesiedelt sind und die wie folgt zusammenfasst werden:

Zerkleinerung,

Aufbereitung und

Handhabung von Materialien.

Diese verallgemeinerten Einzelbereiche der Erzaufbereitung werden hier in den Abschnitten 2.1 bis 2.4 zusammengefasst, sind jedoch nicht als umfassende Beschreibung gedacht.

2.1 Zerkleinerung

Zerkleinerung bezeichnet das Brechen mineralhaltigen Gesteins zum Herauslösen (Aufschließung) der Werte aus unerwünschten Begleitmaterialien (Gangart). Da es sich um einen energieintensiven Bearbeitungsbereich handelt, ist eine erfolgreiche Zerkleinerung erreicht, wenn genügend Werte aufgeschlossen worden sind (ohne übermäßiges Brechen oder Mahlen des Erzes), um eine bestmögliche Trennung von Mineralkomponenten für die Gewinnung des/der gewünschten Minerals bzw. Mineralien zu erzielen.

Die erste Zerkleinerungsstufe wird häufig mit dem Einsatz von Brechern erreicht. Brecher sind relativ robuste Geräte, die das geförderte Erz auf eine Größe reduzieren, die für die nächste Stufe des Zerkleinerungsprozesses (Mahlen) geeignet ist. Es gibt eine Vielzahl von Brechern, die projektspezifisch eingesetzt werden. Doch alle haben den gemeinsamen Zweck, das geförderte Erz bei minimalem Aufwand an Energie zu zerkleinern.

Nach dem Brechen des Erzes wird es häufig durch Anwendung von Mahltechniken weiter aufbereitet. Das Mahlen ist oftmals ein nassmechanisches Verfahren, bei dem verschiedene Zerkleinerungsmechanismen genutzt werden, um durch weitere Brechvorgänge die Erzkörner zu erreichen. Während dieser Zerkleinerungsstufe wird das gebrochene Material stetig verkleinert, um die gewünschte Aufschlussgröße für eine effektive Stofftrennung zu erzielen. Um die gewünschten Prozessziele zu erreichen, kann jedoch während der Trennung von Mineralkomponenten bei bestimmten Teilströmen eine weitere Mahlstufe (Nachzerkleinern) erfolgen.

Die Auslegung der Zerkleinerungsanlage und der Ausrüstungsarten können je nach Projekt erheblich variieren. Diese Technik wird meistens bei Bergbauprojekten zur Gewinnung von Eisenerz, unedlen und Edelmetallen sowie für nutzbare Mineralien eingesetzt.

2.2 Aufbereitungstechnik

Man unterscheidet grundsätzlich drei Methoden zur Gewinnung der aufgeschlossenen oder „nahezu“ aufgeschlossenen Mineralien: die physikalische Trennung, hydro- und pyrometallurgische Methoden. Diese Methoden können einzeln oder kombiniert angewandt werden, um ein Aufbereitungsverfahren festzulegen, mit dem die Prozessziele erreicht werden. Diese Methoden der Gewinnung werden nachstehend zusammengefasst.

2.2.1 Physikalische Trennung

Wie der Begriff nahelegt, werden bei der physikalischen Trennung die physikalischen Unterschiede der zu trennenden Mineralien genutzt. Beispielsweise lassen sich Unterschiede im spezifischen Gewicht dahingehend nutzen, eine effektive Trennung zweier Mineralienkomponenten zu erreichen. Unterschiede in der elektrostatischen Aufladung oder Oberflächenchemie können ebenfalls zur Erzielung einer effektiven Trennung genutzt werden. Die mit diesen Aufbereitungsverfahren erzeugten Produkte sind üblicherweise Erzkonzentrate.

Erzkonzentrate erfordern möglicherweise eine weitere Veredlung durch hydrometallurgische oder pyrometallurgische Prozesse. Hier sei erwähnt, dass Aufbau und Betrieb von hydrometallurgischen und insbesondere pyrometallurgischen Prozessen relativ kostspielig sein können. Deshalb ist die Vorkonzentration mit Hilfe physikalischer Trennmethoden vorteilhaft, wenn sich ein erheblicher Teil des Erzes vor dem Einsatz kostspieliger Behandlungsmethoden zurückweisen lässt. Dadurch können Kapital- und Betriebskosten reduziert werden und Bergbauprojekte eher für eine mobile Aufbereitung geeignet sein, bei der aus wirtschaftlicher Sicht ein Abbau in vergleichsweise hohen Mengen erforderlich ist.

2.2.2 Hydrometallurgie

Hydrometallurgische Prozesse bedingen den Einsatz einer Chemikalie, um das gewollte Metall in einer wässrigen Phase wiederzugewinnen. Anschließend wird das Metall aus der wässrigen Phase extrahiert und in eine Legierung oder ein Präzipitat (üblicherweise ein Hydroxid) umgewandelt.

2.2.3 Pyrometallurgie

In pyrometallurgischen Verfahren wird das Erz oder Mineralprodukt geschmolzen und in unvermischbare Schichten umgewandelt, die das gewollte Metall bzw. den Grundstoff sowie das ungewollte Material (Schlacke) enthalten. Dem Schmelzprozess werden Reagenzien (Flussmittel) hinzugefügt, um den Trennprozess zu unterstützen, beispielsweise indem die Viskosität und Temperatur der Schmelze geändert werden.

2.3 Materialhandhabung

2.3.1 Entwässerung

Sowohl die physikalische Trennung als auch hydrometallurgische Aufbereitungsverfahren setzen grundsätzlich Wasser als Medium ein, was einen relativ leichten Transport des Produkts erlaubt. Das eingesetzte Wasser muss dem Aufbereitungskreislauf an bestimmten Punkten wieder entzogen werden. Dies erfolgt häufig bei den Abfallströmen (zur Wasserwiedergewinnung) und Konzentraten (zur Senkung von Förderkosten und zur Umwandlung der Konzentrate in eine für die Beförderung geeignete Form). Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, für die üblicherweise Eindicker und Filter eingesetzt werden.

2.3.2 Förderung

Für die Förderung von Materialien (Erz, Konzentrate, Abraum) zwischen den Aufbereitungsausrüstungen wird eine Vielzahl von Techniken eingesetzt. Die Wahl der Fördergeräte hängt von einer ganzen Reihe von Bedingungen ab, doch verallgemeinernd werden Förderer eingesetzt, um Trockenmaterial (Erz, gefilterte Konzentrate) zu transportieren und Feststoffpumpen für das in Wasser oder Chemikalien gelöste Mahlgut.

3 Definition stationärer und mobiler Anlagen

3.1 Einleitung

Eine mobile Anlage sollte mit Gleisketten oder Rädern ausgestattet sein und sich idealerweise aus eigener Kraft fortbewegen können. Semi-mobile Anlagen werden von den Herstellern oft als „radmobil“ beschrieben, haben für gewöhnlich einen modularen Aufbau und können auf einem Tieflader oder in Containern, die auf dem Lkw montiert sind, befördert werden. Mitunter werden stapelbare Container, die schwere Ausrüstung enthalten und einen Kran benötigen, als „radmobil“ bezeichnet, doch bedeutet dies nicht mobil im eigentlichen Wortsinn.

Brecheranlagen werden als mobile, semi-mobile oder stationäre Anlagen geliefert. Die Anlagen für das Mahlen, die Aufbereitung und Entwässerung sind fest installiert und in einem Gebäude untergebracht („Anlage“ oder „Mühle“ genannt). Die Unterschiede zwischen den Anlagenarten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

3.2 Stationäre Anlagen

Aufbereitungsanlagen sind für gewöhnlich fest installiert und selten beweglich. Eine Ausnahme sind Brecheranlagen, bei denen manchmal die Möglichkeit zur Verlegung der Anlage gegeben sein muss, um die Transportstrecken verkürzen zu können. Eine weitere Ausnahme ist die Installation von Versuchsanlagen, die vor Ort in Betrieb sind. Sie stehen mitunter auf festen Fundamenten, allerdings kann die Ausrüstung vom Fundament gelöst und innerhalb der Anlage verlegt werden.

Fest installierte Anlagen verbleiben bei der Abbaustätte, bis die Mine geschlossen wird oder eine Änderung der Erzart bedeutet, dass eine völlig neue Anlage benötigt wird (auch wenn die vorherige Ausrüstung in die neue Aufbereitungsanlage eingebaut werden kann). Anlagen können eine Lebensdauer von 25 Jahren oder länger haben, obgleich an älteren Anlagen im Laufe ihres Einsatzes möglicherweise verschiedene Änderungen durch die Integration neuerer Technologien vorgenommen wurden. Die Bilder 3a – d zeigen Beispiele für stationäre Aufbereitungsanlagen.

Bergbauprojekte sind generell mit hohen Kapitalinvestitionen verbunden und müssen deshalb eine schnelle Kapitalrendite für den Investor generieren. Zur Reduzierung der Betriebskosten einer Einheit sind oftmals hohe Durchsatzleistungen nötig, was wiederum die Installation relativ großer, grundsätzlich stationärer Anlagen zur Folge hat. In Tabelle 2 sind beispielhaft die typischen Durchsatzleistungen und Kosten für kleine, mittlere und große Brecher-Mahl-Flotationsanlagen aufgeführt.

3.3 Mobile Anlagen

3.3.1 Einleitung

Mobile Aufbereitungsanlagen sind in der mineralverarbeitenden Industrie nicht üblich, obwohl es für Aufbereitungsanlagen nicht unüblich ist, dass sie über mobile Brecheranlagen verfügen. Zu den mobilen Aufbereitungsprozessen in der Mineralindustrie gehören:

Brecheranlagen;

alluviale Dredgeanlagen sowie

handwerkliche Erzaufbereitung.

Bilder 4 a – c zeigen Beispiele für mobile, semi-mobile und fest installierte Brecheranlagen.

Teil 2 und 3 erscheinen in den nächsten Ausgaben der AT MINERAL PROCESSING: