某高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計

陳　潔　柴清潔　周麗圓　張　燕　李小珍

(北京華德創(chuàng)業(yè)環(huán)保設(shè)備有限公司)

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某高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計

陳潔柴清潔周麗圓張燕李小珍

(北京華德創(chuàng)業(yè)環(huán)保設(shè)備有限公司)

摘要向榮礦業(yè)某鋅選礦廠尾礦處理原采用普通濃密機(jī)+陶瓷過濾機(jī)+皮帶輸送+鏟車逐步推進(jìn)工藝，能耗大，二次污染嚴(yán)重。為解決該問題，設(shè)計了高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)。通過深錐濃密機(jī)將尾礦濃度提高至70%以上，利用濃密機(jī)與尾礦壩的自然高差，將高濃度尾礦通過管道自流輸送2 km至尾礦庫進(jìn)行干排。輸送過程主要靠重力勢能，無動力輸入，能耗低，無二次污染，環(huán)保、節(jié)能效果顯著，可作為該尾礦的干排工藝。

關(guān)鍵詞高濃度尾礦干堆自流輸送管道輸送

傳統(tǒng)的尾礦濕法堆放對低濃度尾礦不做任何處理，通過管道直接排入尾礦庫，尾礦庫上層水通過自然沉淀得以循環(huán)利用。當(dāng)尾礦庫承受的負(fù)荷達(dá)到設(shè)計要求時，閉庫，進(jìn)行水土保持、植被恢復(fù)、土地復(fù)墾。尾礦濕法堆放不但增加了運(yùn)營成本，而且會造成土壤改性、水土流失、植被破壞、地下水污染等問題，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。

在選礦流程末端增加尾礦濃密系統(tǒng)，提高尾礦濃度，濃密后的廢水全部或部分回用于車間生產(chǎn)，尾礦排入尾礦庫，即尾礦干排工藝。該工藝實現(xiàn)了選礦廢水閉路循環(huán)，提高了廢水利用率，干尾礦入庫提高了尾礦庫安全性能，降低了尾礦庫維護(hù)運(yùn)營成本，是一項清潔生產(chǎn)、節(jié)約水資源的技術(shù)。在解決傳統(tǒng)尾礦濕排造成的生態(tài)環(huán)境破壞、地下水污染、存在潰壩風(fēng)險等問題方面，具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。

尾礦漿濃密、脫水后，質(zhì)量濃度達(dá)到70%以上，流動性變差，不利于管道輸送，易沉積堵管。采用傳統(tǒng)的壓濾加鏟車或皮帶輸送運(yùn)輸，易造成二次污染，且運(yùn)行成本較高。因此，高濃度尾礦漿管道輸送技術(shù)在一定程度上制約了尾礦干排工藝的發(fā)展。

向榮礦業(yè)某鋅選礦廠尾礦產(chǎn)量3 500 t/d，原采用普通濃密機(jī)+陶瓷過濾機(jī)+皮帶輸送+鏟車逐步推進(jìn)工藝處理，能耗大，二次污染嚴(yán)重。針對技術(shù)改造要求，設(shè)計了高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)，在深錐濃密機(jī)將尾礦濃度提高到大于70%時，利用濃密機(jī)與尾礦壩的自然高差，將高濃度尾礦通過管道輸送系統(tǒng)自流至1.5 km外的尾礦庫干排。

1設(shè)計要求

①尾礦固體密度2.47 g/cm3；②尾礦輸送量 3 500 t/d；③運(yùn)行時間330 d/a；④輸送濃度≥70%；⑤管道設(shè)計壽命10 a；⑥管線路由：濃密機(jī)至尾礦壩全長2 km，下向輸送，高差100 m。

2設(shè)計原則

高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)設(shè)計時，遵照以下設(shè)計原則。

(1)通過深錐濃密機(jī)將尾礦濃度提高到70%以上，進(jìn)行尾礦干堆。

(2)設(shè)計輸送濃度時，在充分滿足干堆的條件下，盡可能降低輸送難度。

(3)充分利用濃密機(jī)與尾礦壩之間的重力勢能，降低投資成本。

3設(shè)計工藝

3.1輸送特性試驗

對有代表性的待輸送尾礦樣進(jìn)行輸送特性試驗。

3.1.1輸送特性評估

為確定干堆工藝最佳輸送濃度及該濃度水平下的輸送管徑、壁厚及泵壓，首先對待輸送尾礦樣進(jìn)行固體密度試驗、粒級分布試驗、多濃度水平的流變試驗，沉降試驗，塌落度試驗。

3.1.2停車再啟動特性評估

為確定輸送管線在實際敷設(shè)過程中的最大容許坡度和將來生產(chǎn)過程中帶漿停車的可行性及運(yùn)行方式，對待輸送尾礦樣進(jìn)行安息坡度試驗、沉積穿透重試驗。

3.1.3磨蝕性評估

進(jìn)行尾礦樣對鋼管的磨蝕試驗，測定并預(yù)測在實際輸送過程中管壁每年的磨蝕速率，用于選取輸送管道的壁厚裕量。

3.2工藝參數(shù)確定

3.2.1最佳輸送濃度

尾礦可輸送特性試驗結(jié)果表明，濃度70%的尾礦漿，屈服應(yīng)力為9.7Pa，表觀黏度36.9cP；濃度72%的尾礦漿，屈服應(yīng)力為22 Pa，表觀黏度54.7 cP；濃度75%的尾礦漿，屈服應(yīng)力為47.2 Pa，表觀黏度121.7 cP，即表觀黏度與屈服應(yīng)力隨尾礦漿濃度的升高呈指數(shù)上升趨勢。當(dāng)濃度達(dá)到72%時，尾礦漿表現(xiàn)為高濃度均質(zhì)不離析偽膏體；當(dāng)濃度超過72%后，屈服應(yīng)力隨濃度升高急劇增加，在濃度68%～75%范圍內(nèi)，尾礦漿輸送阻力受濃度影響較大；濃度超過72%后，尾礦漿沉降速度較慢，漿水分離現(xiàn)象不明顯，塌落度為28.8 mm，擴(kuò)散直徑71.1 cm。說明濃度72%的尾礦漿流動特性較好，不易離析，適于干排，因此最佳輸送濃度為72%。

在保證干排工藝的要求下，應(yīng)盡可能降低屈服應(yīng)力和黏度，使尾礦漿易于輸送，大大降低輸送難度。

3.2.2安全流速

安全流速是臨界沉積流速和過渡流速中的較高值[3]。為確保尾礦漿在輸送過程中不沉積，實際輸送流速應(yīng)大于或等于安全流速。

(1)過渡流速。過渡流速是指由層流狀態(tài)過渡到紊流狀態(tài)的流速，是礦漿黏度和礦漿屈服應(yīng)力的函數(shù)。其中，黏度和初始屈服應(yīng)力又是濃度的函數(shù)，因此，可根據(jù)試驗結(jié)果和漢克斯公式，建立過渡流速和礦漿濃度的關(guān)系。當(dāng)尾礦漿濃度為72%時，只要流速超過1.2 m/s，尾礦漿即進(jìn)入紊流狀態(tài)。

(2)臨界沉積流速，固體顆粒在輸送中保持懸浮狀態(tài)而不產(chǎn)生滑動層和淤積層的最低流速。為確保尾礦漿在輸送管道長期運(yùn)行時的穩(wěn)定性，避免管底嚴(yán)重磨蝕，一般要求實際運(yùn)行流速高于臨界流速。固體顆粒的密度、粒度級配、顆粒沉降系數(shù)和輸送濃度等均會影響臨界沉積流速。根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合沉積流速的計算公式，可以建立沉積流速與濃度的關(guān)系。當(dāng)尾礦漿濃度為72%時，臨界沉積流速為1.6 m/s。

(3)安全流速取二者中的較大值并考慮 0.1 m/s的安全系數(shù)，確定最佳的安全流速為1.7 m/s。

3.2.3管道規(guī)格

結(jié)合安全流速，選擇外徑168 mm、內(nèi)徑155.3 mm的DN150型管道，可滿足尾礦輸送能力 3 500 t/d的設(shè)計要求；管道壁厚6.35 mm，可滿足管道承壓及服務(wù)年限10 a的設(shè)計要求。

3.2.4輸送能力

輸送量3 500 t/d、濃度72%的尾礦漿在DN150型管道中，按1.7 m/s速度輸送時，水力損失為38 m/km，輸送2 km，需要的能量水頭為76 m。輸送起點濃密機(jī)出口標(biāo)高1 450 m，輸送終點尾礦庫庫底標(biāo)高1 350 m，下向高差100 m，完全可以滿足輸送2 km所需要的能量水頭76 m，借助地形條件實現(xiàn)自流輸送。

4輸送系統(tǒng)

高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)在輸送管路終端設(shè)置2條排放管道，一條設(shè)有3個消能孔板，另一條直接排放。因輸送初期能量水頭富裕24 m，需對富裕能量進(jìn)行消除，防止管內(nèi)尾礦漿流動過快產(chǎn)生加速流，并在加速流區(qū)形成真空，引發(fā)汽蝕，快速磨損管道。通過在排放終端管路上安裝陶瓷消能孔板消除富裕勢能，能有效避免加速流的產(chǎn)生。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

5結(jié)論

基于高濃度尾礦漿的可輸送特性，進(jìn)行合理的高濃度尾礦自流管道輸送系統(tǒng)工藝設(shè)計，充分利用尾礦壩和濃密機(jī)間的重力勢能進(jìn)行無動力輸送，提高了傳統(tǒng)濕法尾礦管道輸送的濃度，極大地回收了尾礦中的水，節(jié)能效果顯著。

管道輸送系統(tǒng)采用DN150型管道，在設(shè)計濃度與設(shè)計年限內(nèi)均可實現(xiàn)自流輸送。在系統(tǒng)使用初期，配合使用消能孔板，可實現(xiàn)尾礦自壩頂至壩底的自流排放；在系統(tǒng)使用末期，壩底標(biāo)高接近壩頂標(biāo)高時，去掉消能孔板，仍可實現(xiàn)尾礦自流排放。

參考文獻(xiàn)

[1]吳霜,楊猛．淺談朝陽市鐵礦企業(yè)尾礦干排技術(shù)及環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益[J].綠色科技，2013(3)：210-212.

(收稿日期2016-04-07)

陳潔(1977—)，女，高級工程師，100020 北京市朝陽區(qū)朝陽門外大街18號。