賀茂坤， 付建勛， 李浩宇

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著充填采礦法日益廣泛的應用，我國的充填技術經歷了廢石充填，水砂充填，膠結充填，全尾砂高濃度、膏體充填等發(fā)展歷程。膏體充填技術具有充填濃度高，采場脫水少，充填體強度高且膠凝材料消耗少等優(yōu)點，已成為近年充填技術重點研究和發(fā)展方向。

雖然膏體充填技術已逐漸推廣應用，但是使用效果參差不齊。部分工程出現了全尾砂濃縮脫水不穩(wěn)定的現象，特別是極細粒級較多的全尾砂濃縮脫水過程中，出現了絮凝劑添加方式粗放，添加量不科學，溢流水跑渾的現象；有些礦山選礦廠投入生產后，產出的尾砂濃度較原設計值變化大或者波動大，也導致了尾砂濃縮設備的濃縮脫水效果較差，進而導致了尾砂濃縮設備底流濃度不達標，充填濃度波動范圍大，充填站回水濃度不達標，絮凝劑添加成本過高等問題。因此，亟需開展充填尾砂濃縮技術的深入研究，實現尾砂的深度快速濃縮脫水，改善膏體制備質量，提升膏體充填技術。

2 尾砂深度濃縮快速脫水技術

2.1 主要影響因素

圍繞尾砂濃縮脫水技術研究現狀和相關濃縮設備應用現狀，尾砂深度濃縮快速脫水技術主要影響因素有以下方面：

1)絮凝劑的種類和添加量

尾砂濃縮時，絮凝劑的種類和添加量是基礎參數之

一，絮凝劑按照其化學成分總體可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑。在尾砂濃縮中大量使用的是有機高分子絮凝劑聚丙烯酰胺。絮凝劑的種類和添加量通過實驗能相對直觀的擇優(yōu)獲取。大量實驗和研究表明，在一定的尾砂濃度給料范圍內，絮凝劑有最佳的添加種類和相應的添加量[1]。

2)絮凝劑制備

絮凝劑添加在污水處理中有廣泛的使用，從而帶動了絮凝劑添加設備的發(fā)展。絮凝劑不宜溶于水，需要強制攪拌使藥劑快速而均勻的溶于制備溶液中，絮凝劑添加設備從分體式的半自動化裝置，已發(fā)展為集成計量、添加、制備、輸送一體式的連續(xù)自動配藥裝置。

3)尾砂二次稀釋

全尾砂的沉降速度受到尾砂的給料質量濃度影響比較大，尾砂在一定的質量濃度范圍內絮凝沉降效果最好，沉降速度快，絮凝劑添加當量最少。史秀志等以極限沉降速度作為考核絮凝沉降效果優(yōu)劣的指標，對試驗數據進行回歸分析，得出各因素對絮凝沉降影響的大小順序為尾砂濃度>絮凝劑濃度>絮凝劑單耗。極限沉降速度與尾砂濃度呈負相關，與絮凝劑濃度呈正相關，絮凝劑單耗對極限沉降速度基本沒有影響[2]。

4)濃縮設備內部構造及輔助裝置

濃縮設備進料桶的構造及設置方式，濃縮設備的耙架設置，倒水桿排列等濃縮設備的內部設施及布置形式，對尾砂的濃縮有進一步的影響，也是影響濃縮設備底流濃度的重要環(huán)節(jié)。這一部分側重設備內部結構，主要研究方向是設備的結構尺寸，設備耙架及筒體尺寸等。濃縮設備廠家的研究相對較多。

5)其他因素

在絮凝沉降中，還對水溫、水樣、助凝劑等進行了一系列研究。趙德貴發(fā)現不同季節(jié)不同溫度下的礦漿對絮凝劑用量影響較大，氣溫由10℃上升到20℃，絮凝劑添加量減少約11%[3]。

2.2 二次稀釋

1)稀釋濃度

尾砂絮團在濃縮裝置的上清液中做沉降運動時，沉降過程中受到重力、浮力的作用,絮凝團的沉降速度為[4]

(1)

由于沉降速度通過實驗能相對直接的測算，根據沉降速度公式可推算尾砂的體積濃度為

(2)

尾砂的體積濃度和重量濃度關系式為

(3)

根據式(1)、(2)、(3)，可得到尾砂絮凝沉降時，尾砂濃度公式為

(4)

上述式中，d為絮團當量直徑，m；μ為黏度，Pa·s；ρs、ρ分別為砂粒和上清液的密度，kg/m3；V為絮團沉降速度，m/s；KF為絮凝系數，表示單位體積固體的絮凝體積；CV為體積濃度，%，Cw為砂漿的質量濃度，%。

根據尾砂濃度式(4)可知，尾砂濃度和絮凝團的直徑和絮凝系數成冪律關系，而絮凝團的直徑和絮凝系數和尾砂的粒級直接和絮凝劑的種類相關，因此在確定稀釋濃度時，應重點關注尾砂粒級和絮團形狀，粒級較小時會導致絮凝團的直徑和絮凝系數變化較大，因而對稀釋濃度影響也較大。

2)最佳稀釋濃度

二次稀釋濃度是絮凝沉降的重點研究方向，如卞繼偉通過某礦全尾砂動態(tài)沉降試驗，確定最佳動態(tài)絮凝沉降參數：絮凝劑單耗為10g/t，供料速度為1.5L/min，全尾砂料漿濃度為13%左右[5]。司家營鐵礦沉降參數：絮凝劑單耗為10g/t，尾砂料漿濃度為18%，此時全尾砂在立式砂倉中的沉降速度最快(1.38m/h)，沉降效果最好，且大于1.05m/h，滿足動態(tài)放砂需要[6]。

但是這些研究主要針對研究目標礦山的最佳稀釋濃度，缺少對類似礦山的一般性、通用性研究。不同礦山的設計尾砂濃度，實驗最佳稀釋濃度和實際的稀釋后濃度不盡相同。本文統(tǒng)計了幾個礦山尾砂稀釋濃度見表1。

表1 尾砂稀釋濃度

根據固體通量的含義：單位時間內垂直通過單位面積的某種固體物理量，由于礦漿濃度越高，單位體積內的質量越高，但是降速度一般隨礦漿濃度增加而降低，因此存在一個固體通量最大的區(qū)間值。固體通量越大，其濃縮處理效率越大，濃縮速度越快。通過尾砂濃縮試驗研究固體通量與礦漿稀釋濃度的關系，可以為濃縮設備選型提供依據，選擇最佳的礦漿稀釋濃度可以使尾砂濃縮脫水最快，濃縮效率最高。根據稀釋的給料濃度繪制的固體通量曲線如圖1所示。

圖1 給料濃度- 固體通量曲線

根據固體通量曲線，初始段(濃度≤6%～8%)由于濃度偏低，絮凝劑捕捉的尾砂量偏少，故絮團體積偏小，基本處于自然沉降，沉降速度提升一般，固體通量增加偏慢。提升段(6%～8%≤濃度≤10%～12%)，隨著濃度的增加，尾砂沉降速度迅速增加并達到最大值，絮凝團的增多、增大，固體通量增加速度較快。穩(wěn)定段(10%～12%≤濃度≤16%～18%)，該區(qū)間尾砂絮凝團較大，上清液較澄清，相互干涉少，沉降速度已經達到最大值，由于尾砂濃度的增加，單位面積的固體通量最大的階段。干涉段(濃度≥16%～18%)，由于尾砂給料濃度增大，尾砂顆粒增多形成了大小和速度不同的絮團，相對干涉影響也增加，沉降速度相對下降，也造成固體通量的逐漸下降。

由于全尾砂的沉降速度受到尾砂漿質量濃度的影響，參照尾砂沉降實驗和相關絮凝沉降研究，最佳沉降濃度的范圍一般為尾砂濃度8%～18%，而最大固體通量對應的尾砂濃度為10%～14%(圖1圓圈內)。因此，為了兼顧處理效率和稀釋成本，建議常見有色金屬礦來料尾砂的最佳稀釋濃度為12%～18%。

3)稀釋沉降實驗

根據某銅礦尾砂沉降實驗，首先進行絮凝沉降實驗，選擇最優(yōu)絮凝劑和添加量。

實驗針對四種絮凝劑進行了研究，絮凝劑試驗濃度0.025%，發(fā)現615V、655S型效果較好，其中615V效果最佳。絮凝劑添加量：分別測試了15g/t、21g/t、28g/t、35g/t時的效果，發(fā)現在21g/t時效果較好，28～35g/t時上清液已經非常澄清。根據試驗結果，推薦采用615V絮凝劑，建議最終添加量在25～30g/t。

根據圖2、圖3所示，沉降速度與絮凝劑單耗、供料速度、料漿質量濃度均呈正相關；底流質量濃度隨絮凝劑單耗的增加先增加后基本保持不變，與供料速度呈負相關，與料漿質量濃度呈正相關；溢流水懸浮物質量濃度與絮凝劑單耗呈正相關，與供料速度、料漿質量濃度均呈負相關。根據實驗確定該尾砂最佳動態(tài)絮凝沉降條件如下：絮凝劑單耗為10g/t，供料速度為1.5L/min，全尾砂料漿濃度為13%左右，該濃度符合上述預測的范圍。

圖2 絮凝劑添加量- 沉降速度曲線

圖3 給料濃度- 沉降速度曲線

2.3 給料筒的設置

1)進料桶

絮凝沉降主要包括混合、反應和沉降，關鍵在于尾砂和絮凝劑的混合?；旌想A段的基本要求是使藥劑迅速而均勻地擴散到進料中，并形成微絮凝，因而混合要充分，消耗時間要控制在一定范圍。在反應階段則要求水流有適當的速度，既要為微絮凝的積聚成絮凝團創(chuàng)造充分的接觸機會，又要避免對已形成的絮凝團產生破壞。

尾砂輸送至濃縮設備處理時，首先輸送到進料桶中，進料桶是尾砂和絮凝劑接觸和混合的重要場所，屬于尾砂濃縮的咽喉環(huán)節(jié)，是絮凝沉降的關鍵步驟。進料桶的稀釋方式，規(guī)格和布置，絮凝劑添加入點，料漿的流向和改向、混合方式都會影響絮凝混合沉降的效果。一個合格的進料桶應包括以下設施和結構，具體如圖4所示。

圖4 進料桶組成

2)稀釋方式

目前濃縮設備進料裝置的稀釋方式主要利用進料桶的自帶裝置進行自主稀釋，或者利用泵的強制稀釋作用，強制吸入上清液或低濃度尾砂料漿，將進料尾砂稀釋到所需的二次稀釋濃度，促進尾砂和絮凝劑的混合，充分發(fā)揮絮凝劑的作用，提高濃縮設備的沉降效率。因此，選擇合適的稀釋方式，設置結構、工藝參數合理的稀釋進料裝置，將料漿稀釋到適合絮凝劑發(fā)揮作用的理想固含量，是提高沉降設備產能的重要途徑之一。

濃縮設備的二次稀釋一般設置在濃縮設備的進料桶內。目前大多數濃縮設備主要配備的是自稀釋為主的進料系統(tǒng)，其主要原理是通過不同速度形成的負壓，或進料桶內外不同濃度的料漿液位差，進行被動調節(jié)，這種稀釋方式的優(yōu)點是不消耗額外能量，但是稀釋濃度的范圍相對有限。根據尹德明對自稀釋系統(tǒng)的仿真研究，通過對不同吸入管直徑d1、進料管直徑d2、混合室直徑d3的仿真分析，最終得出能夠滿足二次稀釋濃度要求的進料管直徑d2、混合室直徑d3[7](各直徑對應管如圖5所示)。這表明進料管的直徑和混合管的直徑是影響自稀釋進料桶二次稀釋濃度的重要參數。

圖5 自稀釋進料裝置

常見的另外一種稀釋方式為強制稀釋，即通過軸流泵將水或低濃度尾砂料漿泵入來料尾砂中，對來料尾砂濃度進行主動強制稀釋。稀釋濃度受稀釋泵的流量影響最大，泵入的水量或低濃度尾砂料漿量決定了稀釋后的總量，直接影響了二次稀釋濃度；稀釋泵的出口壓力，如果出口壓力波動較大，并造成相應流速、流量變化，從而影響二次稀釋濃度。

自稀釋方式受限于進料管、混合管的直徑匹配關系，自稀釋的稀釋倍數一般不超過2倍。強制稀釋由于泵的選擇范圍較自稀釋進料管徑匹配的范圍大，強制稀釋濃度范圍也較自稀釋大的多，通?？蛇_2～5倍，理論上稀釋的倍數范圍非常大，但稀釋量過大在混合桶的有限空間和有限時間內混合均勻會比較困難。因此在給料濃度小，稀釋倍數要求小的場合，宜選擇自稀釋方式；給料濃度大，濃度波動范圍大的場合，應選擇強制稀釋方式。

3)進料桶的布置方式仿真分析

為了滿足尾砂的充分混合和接觸需要，本文研究了不同尾砂進料桶布置數量、位置對尾砂沉降和濃縮的影響。建立了兩個仿真模型進行計算分析，仿真一為單進料桶，仿真二為四個同樣的進料桶，均布在濃縮設備的四周，兩個模型總進料量相同，進料桶的總面積相同。利用RNGk-ε紊流模型[8]和MIXTURE多相流模型對單點進料和多點進料的流場進行求解。

根據RNGk-ε紊流模型，紊動能k方程為

(5)

紊動能耗散率ε方程為

(6)

上述式中，ρ為密度，kg/m3；k為紊動能；ui為各個方向時均速度的分量，m/s；Gk為由平均速度梯度引起的紊動能；ε為紊動能耗散率；ut為時均速度的分量,m/s。

參照尾礦牛頓體與賓漢體費祥俊流變參數公式，計算公式還有：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

上述式中，極限體積濃度CVm，牛頓體與賓漢體分界濃度CV0；賓漢體屈服應力τB，Pa；賓漢體剛度系數η，Pa·s；粒徑di，mm；ΔPi/di粒級權重；A=1.26，B=8.45；20℃時的水黏度μs為0.001Pa·s，k為系數。

濃縮設備進料干量為126t/h，質量濃度10%。通過分析進料點的沙粒流向，多點進料由于距離溢流槽的距離較近，一部分未沉降的砂粒溢流走了，濃縮設備內部流動特征如圖6所示。由于多點進料的濃縮效率下降，造成濃縮速度和固體通量的下降，通過連續(xù)9h的進料仿真計算，單進料桶模型的砂位高于四進料桶模型，即單點進料濃縮速度優(yōu)于多點進料，計算結果如圖7所示。

圖6 濃縮設備內部料漿流動特征

圖7 多點- 單點進料計算模型

3 結論

本文重點圍繞尾砂的二次稀釋及最佳稀釋濃度，進料桶的稀釋和布置形式研究，以實現尾砂的高效率深度濃縮脫水，為尾砂濃縮設備的設計、選型提供了參考。主要結論有：

(1)通過分析影響尾砂濃縮的因素特別是進料濃度對深度濃縮的影響，為了尋求最佳稀釋濃度，提出了稀釋濃度計算公式。

(2)根據來料濃度和固體通量曲線，為了兼顧處理效率和稀釋成本，建議常見有色金屬礦來料尾砂的最佳稀釋濃度為12%～18%，并通過相關實驗驗證。

(3)選擇自稀釋還是強制稀釋主要和尾砂濃度及其波動范圍等工況有關，應根據具體情況擇合適的稀釋方式，選擇強制稀釋更能適應復雜的工況。

(4)通過仿真分析尾砂進料桶布置數量、位置對尾砂沉降和濃縮的影響，表明進料桶布置在中央的方式更有利于尾砂的快速濃縮。