JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

Energy consumption of a mechanical flotation cell comprises of the level of rotor tip speed and air supply. According to previous studies, there is evidence that reduction of rotation speed may not lead into significant losses in flotation rate in regard to grade and recovery. Similarly, reduction of rotor tip speed would create savings as the electricity consumption decreases. Purpose of this master’s thesis was to investigate whether the profitability of froth flotation could be increased by rotor tip speed reduction.

The effect of rotor tip speed on flotation cell performance was investigated as an assignment of Pöyry Finland Oy by laboratory flotation tests executed in Oulu Mining School R&D Centre. Flotation tests were performed with Ni-Cu-PGE ore with nickel flotation as a primary interest of the study. The flotation tests were executed as a sequential flotation where the tailings of copper flotation were the feed of nickel flotation. Outotec GTK LabCell® flotation machine was used in the tests. The objective of the laboratory tests was to simulate the industrial scale flotation plant performance and to gain useful information for the optimization of flotation plant. The examination was executed on nickel flotation with four different rotation speeds and one reference series of tests was performed. Other process variables were kept stable. Grades of concentrates and tailings were analyzed with X-ray fluorescence spectrometer. Recoveries were calculated according to the analyzed grades and masses of concentrates.

The results showed that decreased rotor tip speed improved the grade of nickel concentrate while recovery was decreasing. There was some variation between the reference tests executed in similar conditions which primary source was thought to be heterogeneous copper content of the feed. According to the results the importance of evenly performed copper flotation was emphasized. However, the trend in performance between different flotation conditions was assumed to be reliable. Cumulative nickel recovery was the greatest with the highest tested rotor tip speed (6.28 m/s) and the smallest with lowest tested rotor tip speed (3.46 m/s). The cumulative nickel grade was performing reversed. Furthermore, the rotor tip speed was found to have a non-linear relationship with nickel recovery. A reduction of rotor tip speed on higher speed was shown to have a smaller effect on flotation cell performance compared to a similar extent of reduction with lower rotor tip speed.

Lastly, the results were scaled into industrial scale and the profitability of the speed reduction was evaluated financially. The improvements in grade and losses in recovery were compared to earnings in energy savings. With current nickel $12,810/t and energy price $0.1/kWh the most optimal rotor tip speed is 5.34 m/s (1700 rpm). Based on the research it would be recommended to impugn the rotor tips speeds used in industrial conditions and further investigate whether savings could be created by the speed reduction. The results cannot be assumed to be applicable to all the conditions as the behaviour may change according to ore type and grades of minerals.

Tiivistelmä

Mekaanisen vaahdotuskennon energiankulutus määräytyy roottorin pyörimisnopeuden ja ilman syöttövirtauksen suuruuden mukaan. Aiempien tutkimusten perusteella voidaan odottaa, ettei rikasteen saanti kärsi merkittävästi roottorin pyörimisnopeutta laskettaessa. Sen sijaan tehdasmittakaavassa saavutettaisiin merkittäviä säästöjä energiankulutuksessa, kun pyörimisnopeutta lasketaan. Työn tarkoituksena oli tutkia, voitaisiinko roottorin pyörimisnopeutta laskemalla parantaa vaahdotuksen taloudellista kannattavuutta.

Roottorin pyörimisnopeuden vaikutusta vaahdotuskennon suorituskykyyn tutkittiin Pöyry Finland Oy:n toimeksiantona. Kokeellinen osuus suoritettiin laboratoriokokein Oulun yliopiston kaivannaisalan tiedekunnan tutkimuskeskuksessa. Vaahdotuskokeet tehtiin Ni-Cu-PGE malmilla nikkelivaahdotuksen ollessa pääasiallinen tutkimuskohde. Vaahdotus suoritettiin vaiheittaisena vaahdotuksena, jossa kuparivaahdotuksen jäte oli nikkelivaahdotuksen syöte. Kokeet suoritettiin Outotec GTK LabCell® vaahdotuskoneella. Laboratoriokokeiden tarkoituksena oli simuloida tehdasmittakaavan olosuhteita ja saavuttaa hyödyllistä tieto rikastamon optimointiin. Vaahdotuskokeet suoritettiin muuttamalla roottorin pyörimisnopeutta nikkelin esivaahdotuksessa ja pitämällä samanaikaisesti muut prosessiarvot vakioina. Kokeet tehtiin neljällä eri pyörimisnopeudella ja lisäksi tehtiin yksi vertailusarja. Mineraalien pitoisuudet rikasteissa ja vaahdotuksen jätteissä määritettiin röntgenfluoresenssin avulla. Rikasteiden saannit määritettiin mitattujen pitoisuuksien ja massojen avulla.

Tulosten perusteella nikkelin pitoisuus rikasteessa parani pyörimisnopeutta laskettaessa, mutta samanaikaisesti saanti heikkeni. Samoissa olosuhteissa suoritettujen vertailusarjojen välillä havaittiin vaihtelua, jonka pääasiallinen lähde arvioitiin olevan epätasainen kuparipitoisuus. Tulosten perusteella tasaisesti suoritetun kuparivaahdotuksen tärkeys korostui. Kuitenkin eri olosuhteiden välillä havaitun trendin arvioitiin olevan luotettava. Kumulatiivinen nikkelin saanti oli suurin korkeimmalla testatulla roottorin pyörimisnopeudella (6.28 m/s) ja pienin matalimmalla nopeudella (3.46 m/s). Kumulatiivinen nikkelin pitoisuus käyttäytyi päinvastaisesti. Lisäksi roottorin pyörimisnopeudella havaittiin olevan epälineaarinen suhde nikkelin saantiin. Samansuuruisen pyörimisnopeuden laskun vaikutuksen havaittiin olevan pienempi suurella pyörimisnopeudella.

Lopuksi tulokset skaalattiin tehdasmittakaavaan roottorin pyörimisnopeuden laskun taloudellisen kannattavuuden arvioimiseksi. Energiankulutuksen pienenemisestä saavutettuja hyötyjä verrattiin muuttuneisiin saantien ja pitoisuuksien arvoihin. Analyysin perusteella nykyisellä nikkelin $12,810/t ja energian hinnalla $0.1/kWh optimaalisin roottorin pyörimisnopeus on 5.34 m/s (1700 rpm). Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että tehdasolosuhteissa käytettäviä vaahdotuskennojen pyörimisnopeuksia olisi syytä kyseenalaistaa ja kokeilla, saavutettaisiinko roottorin pyörimisnopeutta laskemalla taloudellista hyötyä. Tuloksia ei voida yleistää kaikkiin olosuhteisiin, sillä havainnot eivät välttämättä päde kaikille malmityypeille ja mineraalien pitoisuuksille.