基于磁化水的含硫高黏性全尾砂充填新技術(shù)

王新民，李帥，張欽禮，賀嚴(yán)，康虔

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

全尾砂膠結(jié)充填具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在有色金屬礦山應(yīng)用越來越廣泛[1]。但是國(guó)內(nèi)部分礦山如新橋硫鐵礦、和睦山鐵礦、羅河鐵礦等在進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于尾礦中雜質(zhì)成分復(fù)雜，殘留硫含量較大，導(dǎo)致全尾砂黏度增大，新鮮尾砂極易黏結(jié)成團(tuán)，堆放時(shí)間過長(zhǎng)易結(jié)塊，繁瑣的攪拌破碎工藝嚴(yán)重影響了全尾砂膠結(jié)充填管道輸送效率，制約了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在含硫礦山的推廣應(yīng)用。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外的主要研究方向集中在尾砂脫硫和破碎工藝上。Hulshof等[2]利用有機(jī)覆蓋法，發(fā)現(xiàn)黏漿狀有機(jī)廢物覆蓋可以使硫的最高還原速度達(dá)到5 g/(L·a)。萬淑娟等[3]通過改變菌種培養(yǎng)試驗(yàn)條件研究了氧化亞鐵硫桿菌在尾礦脫硫中的作用。張欽禮等[4]通過調(diào)整全尾砂儲(chǔ)存方式，增加了打散、破碎裝置，采用尾礦活化運(yùn)輸來保證下料順利和生產(chǎn)的正常運(yùn)行。但是尾礦脫硫技術(shù)成本高、工藝復(fù)雜，尾砂破碎活化系統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易堵管溢流，充填效率難以保證，全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在含硫高黏性礦山的應(yīng)用仍然舉步維艱。磁化水是近些年迅速發(fā)展起來的在工業(yè)鍋爐除垢防垢、油田的防蠟降黏、農(nóng)業(yè)磁化育苗、醫(yī)學(xué)磁化殺菌、城市污水處理等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的一門新技術(shù)[5-6]?；魪V新等[7]研究了磁處理在提高高水充填材料膠凝體抗壓強(qiáng)度方面的作用，王貴和等[8]通過將磁化水與膨潤(rùn)土進(jìn)行配漿，研究磁化水在改變膨潤(rùn)土漿液流變特性的變化規(guī)律，這些研究為磁化水在礦山生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用提供了參考。在此，本文作者把磁化水引入全尾砂膠結(jié)充填配漿試驗(yàn)中，結(jié)合某硫鐵礦含硫全尾砂的實(shí)際情況，探究不同磁化條件下，磁化水-全尾砂漿體的主要流變參數(shù)屈服剪切應(yīng)力、表觀黏度以及管道輸送性能的變化規(guī)律。

1 磁化水系統(tǒng)

1.1 磁化水機(jī)理

磁化水是一種被磁場(chǎng)磁化了的水。由法拉第的電磁理論，有一定導(dǎo)電性的水流在外力作用下通過磁場(chǎng)，做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，水即被磁化。磁場(chǎng)給水分子熱運(yùn)動(dòng)提供了能量，由于氫鍵的相互吸引而聚集締合起來的大的水分子集團(tuán)不斷被破壞，由原來的13～18 個(gè)大分子團(tuán)變成5～6 個(gè)小分子團(tuán)，使水的黏度和表面張力減小。磁化后水的氫鍵角由104.5°變成103°左右，水中的水合離子受到磁場(chǎng)的影響作螺旋式的圓周運(yùn)動(dòng)，由于正負(fù)離子旋轉(zhuǎn)方向相反，它們之間的氫鍵被扭斷。磁化后水的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)發(fā)生了一系列的變化，主要體現(xiàn)在以下方面：黏度與表面張力下降，pH、電導(dǎo)率、鹽類溶解度提升，活性增強(qiáng)等[9-11]。

1.2 磁化水制備

圖1 所示為磁化水制備系統(tǒng)示意圖。電磁鐵接入專門的磁化水電源，通過滑線變阻器調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，循環(huán)管路由非磁性材料有機(jī)玻璃管組成。啟動(dòng)水泵，在節(jié)流閥的控制下，水流可以以不同的流速通過電磁場(chǎng)，從而獲得磁化程度各異的磁化水[12]。

圖1 磁化水制備系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of magnetized water system

2 磁化水全尾砂配漿試驗(yàn)

2.1 全尾砂物化性能

表1 所示為某硫鐵礦全尾砂粒徑組成，表2 所示為新橋礦全尾砂化學(xué)成分。新橋礦含硫全尾砂粒級(jí)較細(xì)(見表1)，0.05 mm 以下顆粒占68%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上，中值粒徑僅為 0.038 mm ， 滲透系數(shù)小(1.62×10-4～4.41×10-4cm/s)；尾砂中含有較多的雜質(zhì)成分(見表2)，其中殘留硫含量較大，新鮮全尾砂容易黏結(jié)成團(tuán)，如圖2 所示，堆放時(shí)間過長(zhǎng)易結(jié)塊，不利于儲(chǔ)存和輸送。

表1 某硫鐵礦全尾砂粒徑組成Table 1 Composition of total tailings’ grain diameter in a pyrite mine

表2 某硫鐵礦全尾砂化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of a pyritic mine’s total tailing %

2.2 漿體流變參數(shù)測(cè)定

圖2 某硫鐵礦含硫全尾砂黏結(jié)成團(tuán)照片F(xiàn)ig.2 Photo of caking sulfur-content total tailings of a pyrite mine

礦山充填料漿是典型的固液兩相流體，充填料漿的表觀黏度、屈服剪切應(yīng)力等指標(biāo)在管道輸送壓力損失計(jì)算、流速分布規(guī)律研究、管道磨損性能評(píng)價(jià)等方面都有很重要的作用[13]。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)是適用簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確的新型黏度測(cè)量?jī)x器，黏度測(cè)量步驟如下：將被測(cè)漿體置于直徑為100 mm、高度150 mm 的燒杯中，準(zhǔn)確地控制被測(cè)漿體的溫度，調(diào)整儀器使得水準(zhǔn)器氣泡居中。采用不同的轉(zhuǎn)子類型，更換不同的轉(zhuǎn)速對(duì)某硫鐵礦含硫全尾砂漿體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%)的表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，并多次測(cè)量平均值。

2.3 試驗(yàn)步驟

濰坊博思特公司生產(chǎn)的磁水器磁化面積大，磁場(chǎng)均勻性好，磁感應(yīng)強(qiáng)度精確可調(diào)，可滿足室內(nèi)磁化水制備實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。磁場(chǎng)強(qiáng)度過高，磁化耗能負(fù)擔(dān)大，不符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)能減排的要求；水流速度過快，磁化時(shí)間過短，水得不到充分有效地磁化。借鑒前人關(guān)于磁化水處理的成果，確定試驗(yàn)初選的磁化條件為：磁場(chǎng)強(qiáng)度B 控制在0.1～0.4 T，水流在管徑中循環(huán)流速v 控制在1～4 m/s，磁化時(shí)間t 控制在10～40 min。

1) 室內(nèi)磁化水制備：磁化水制備系統(tǒng)安放要求穩(wěn)定可靠，避免外界磁干擾。按照初選的磁化條件調(diào)節(jié)磁化電源、管路節(jié)流閥、控制磁化時(shí)間，制備磁化條件不同、磁化效果各異的磁化水。

2) 磁化水-全尾砂配漿：將磁化程度各異的磁化水和新橋全尾砂相混合，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的全尾砂漿體，高速攪拌10 min。

3) 磁化條件初選：利用漏斗法測(cè)試等量磁化水-全尾砂漿體通過相同漏斗的時(shí)間，時(shí)間越短，黏度越小。初選出適宜的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化時(shí)間、循環(huán)流速。

4) 控制磁感應(yīng)強(qiáng)度、水流循環(huán)速度為初選的適宜值，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同磁化時(shí)間下的磁化水-全尾砂漿體流變參數(shù)的變化規(guī)律。

5) 控制水流循環(huán)速度、磁化時(shí)間為初選的適宜值，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁化水-全尾砂漿體流變參數(shù)的變化規(guī)律。

6) 控制磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化時(shí)間為初選的適宜值，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同循環(huán)流速下的磁化水-全尾砂漿體流變參數(shù)的變化規(guī)律。

7) 磁化條件優(yōu)選：根據(jù)影響磁化水-全尾砂漿體流變參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)選適合某硫鐵礦全尾砂的磁化條件。

3 結(jié)果與分析

3.1 磁化條件初選

將100 mL 磁化程度各異的磁化水-全尾砂漿體依次通過直徑為10 cm 的漏斗，記錄漿體滴落過程所需時(shí)間(至最后一滴滴落的時(shí)間為準(zhǔn))，并與自來水全尾砂漿體的滴落時(shí)間做對(duì)比，部分適宜磁化條件下的滴落時(shí)間見表3。經(jīng)初選出適宜的磁化條件如下：磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1～0.2 T，磁化時(shí)間為10～20 min，水流循環(huán)速度為1～2 m/s。

表3 不同磁化條件的全尾砂漿體滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Dripping test results of different magnetized total tailings slurry

3.2 磁化時(shí)間對(duì)漿體流變參數(shù)的影響

在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2 T，循環(huán)速度v=2 m/s 時(shí)，磁化水-全尾砂漿體的流變參數(shù)隨磁化時(shí)間變化的曲線如圖3 所示。t=0 時(shí)，即是沒有經(jīng)過磁化的普通自來水全尾砂漿體，此時(shí)其表觀黏度為和屈服剪切應(yīng)力均為最大值。隨著磁化時(shí)間的增加，磁化水-全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力逐漸降低。當(dāng)循環(huán)磁化的時(shí)間達(dá)到20 min 時(shí)，表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力降至最低值，分別下降31%和16%左右；隨著磁化時(shí)間的繼續(xù)增加，表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖3 磁化時(shí)間對(duì)流變參數(shù)的影響Fig.3 Influence of magnetizing time on rheological parameter

3.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)漿體流變參數(shù)的影響

在循環(huán)速度v=2 m/s，磁化時(shí)間為20 min 時(shí)，不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下產(chǎn)生的磁化水-全尾砂漿體的流變特性如圖4 所示。從圖4 可見：當(dāng)B=0 T 時(shí)，為未經(jīng)磁化的普通自來水全尾砂漿體；隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，磁化水全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力下降明顯；在0.1～0.2 T 時(shí)降低的幅度最大，在0.2 T 時(shí)降到最低，屈服剪切應(yīng)力下降19%，表觀黏度下降26%；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.2 T 后，表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，但仍低于普通自來水配置的全尾砂漿體。

3.4 循環(huán)速度對(duì)漿體流變參數(shù)的影響

水以不同的流速通過磁場(chǎng)切割磁感線時(shí)，水的磁化效果亦不相同。圖5 所示為在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2 T，磁化時(shí)間為20 min 時(shí)由循環(huán)速度各異的磁化水配置的全尾砂漿體的流變參數(shù)變化曲線。由圖5 可知：循環(huán)速度對(duì)磁化水-全尾砂漿體的流變性有很大的影響。對(duì)比水流循環(huán)速度為0 m/s 時(shí)未經(jīng)磁化的普通自來水全尾砂漿體，隨著水流循環(huán)速度的增大，漿體的流變參數(shù)不斷降低，在2 m/s 時(shí)降至最低值，此時(shí)屈服剪切應(yīng)力降低約16%，表觀黏度降低23%；當(dāng)循環(huán)速度大于2 m/s 時(shí)，表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力持平。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)流變參數(shù)的影響Fig.4 Influence of magnetic induction intensity on rheological parameter

圖5 循環(huán)速度對(duì)流變參數(shù)的影響Fig.5 Influence of cycling rate on rheological parameter

3.5 磁化水配漿降黏減切機(jī)理分析

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，更高精準(zhǔn)度的表面張力儀、電子顯微鏡等設(shè)備，X 線衍射和紅外光譜等技術(shù)被應(yīng)用到磁化水機(jī)理分析中。一般地，全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應(yīng)力受到全尾砂的固相含量、顆粒組成、粒徑分布表面特性(ζ 電位)和水化程度等多方面因素的影響[14-15]。硫鐵礦全尾砂含有較多的雜質(zhì)硫(8.5%)，固相含量高；粒級(jí)較細(xì)，分散度高；ζ電位小，水化膜較薄，這些因素都使?jié){體極易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度和切力增大。

水經(jīng)磁化以后，水分子極性增大，在全尾砂顆粒表面的吸附力增大，同時(shí)受磁激化后的水分子趨于定向排列，水化膜的強(qiáng)度和厚度增大。磁化水中存在大量長(zhǎng)的締合分子鏈和陽(yáng)離子締合物，使得水中游離的陽(yáng)離子數(shù)目相對(duì)減小，提高了全尾砂顆粒表面的ζ 電位。因此，磁化水-全尾砂配制的漿體不易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比一般普通水配置的全尾砂漿體有更低的黏度和切力。

在一定范圍的磁化條件作用下，磁化水-全尾砂漿體的黏度和切力下降明顯；隨著磁化條件的增強(qiáng)，黏度和切力保持不變甚至還會(huì)升高，原因在于：在較弱的磁化條件下，磁場(chǎng)能量不足以使水分子中的氫鍵發(fā)生松弛并斷裂；磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，磁化時(shí)間變長(zhǎng)，易使被拉斷的氫鍵與其他氫鍵相互靠近并重新組合，導(dǎo)致水的活性降低，磁化效果下降。

4 磁化水-全尾砂漿體輸送性能評(píng)價(jià)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.1～0.2 T，磁化時(shí)間t=20～30 min，水流循環(huán)速度v=1～2 m/s的條件下，某硫鐵礦全尾砂經(jīng)磁化水配漿后流變性能得到了極大的改善，其主要的流變參數(shù)與普通自來水全尾砂漿體對(duì)比見表4。

為了驗(yàn)證磁化水在降低含硫全尾砂漿體的黏度和切力，改善其流變性能，提高漿體管道輸送效率的優(yōu)越性，結(jié)合某硫鐵礦充填現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)實(shí)際情況，進(jìn)行磁化水-全尾砂漿體和普通自來水全尾砂漿體充填管道輸送的Fluent 模擬[16]。磁化條件為B=0.2 T，t=20 min，v=2 m/s 的磁化水-全尾砂漿體和普通自來水全尾砂漿體，在組成配比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)(均為65%)、管道流量(90 m3/h)、入口流速(1.7 m/s)等都相同的情況下，通過同一個(gè)內(nèi)徑為98 mm、管道粗糙度為0.12 mm、充填倍線為3.0 的充填管路，其流速變化、壓力損失、阻力計(jì)算對(duì)比如下。

表4 普通水與磁化水-全尾砂漿體流變指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of rheological parameter about magnetized water and tap water tailing slurry

設(shè)水平鉆孔彎管處壓力為0 MPa，在其他條件相同的情況下，磁化水和普通自來水全尾砂漿體經(jīng)由相同的充填管道，磁化水-全尾砂漿體的出口壓力為-1.08 MPa，普通自來水全尾砂漿體的出口壓力為-3.07 MPa。在水平充填鉆孔管道輸送過程中，磁化水-全尾砂漿體出口壓力損失更小，輸送性能更佳。

由圖6 和圖7 可知：在相同管道的同樣部位，磁化水-全尾砂漿體的最大管徑流速可達(dá)到2.98 m/s，而普通自來水全尾砂漿體的最大管徑流速為2.49 m/s。磁化水-全尾砂漿體在水平鉆孔彎管處的主要流速區(qū)間是1.94～2.98 m/s，遠(yuǎn)高于普通自來水全尾砂漿體的1.49～2.24 m/s。

圖6 普通自來水全尾砂漿體水平鉆孔底端彎管處流速分布Fig.6 Duct velocity distribution of tap water tailing slurry

圖7 磁化水-全尾砂漿體水平鉆孔底端彎管處流速分布Fig.7 Duct velocity distribution of magnetized water-tailings slurry

運(yùn)用Fluent 軟件模擬計(jì)算出在整個(gè)管道輸送過程中，磁化水-全尾砂漿體的管道沿程阻力損失為2.4 MPa，較之普通自來水全尾砂漿體的4.0 MPa，降低約40%。

5 結(jié)論

1) 通過漏斗滴落實(shí)驗(yàn)初選和磁化水-全尾砂配漿實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出適合某硫鐵礦的磁化條件為：磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.1～0.2 T，磁化時(shí)間t=10～20 min，水循環(huán)流速V=2 m/s 左右。此時(shí)，磁化水-全尾砂漿體對(duì)比普通自來水全尾砂漿體，其表觀黏度下降25%～30%，屈服剪切應(yīng)力下降15%～20%。

2) 基于Fluent 軟件的充填管道輸送過程模擬，磁化水-全尾砂漿體的出口壓力損失為-1.08 MPa，小于普通自來水全尾砂漿體的-3.07 MPa；磁化水-全尾砂漿體在水平鉆孔彎管處的主要流速區(qū)間是1.94～2.98 m/s，高于普通自來水全尾砂漿體的1.49～2.24 m/s；磁化水-全尾砂漿體的管道沿程阻力損失為2.4 MPa，比普通自來水全尾砂漿體降低約40%。

3) 基于磁化水的含硫高黏全尾砂充填新技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、降黏剪切效果明顯、便于在礦山實(shí)際開展等優(yōu)點(diǎn)，可以為國(guó)內(nèi)其他含硫高黏性礦山充填生產(chǎn)提供參考。

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