某銅鐵礦全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)

王 耀

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司)

目前尾礦排放是國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山面臨的一大難題，一是因?yàn)橐恍┑V山尾礦經(jīng)多年排放后，尾礦庫(kù)因安全環(huán)保原因不能繼續(xù)堆存；二是隨著安全環(huán)保政策壓力不斷加大，尾礦庫(kù)的批建逐步取消。礦山要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須充分考慮尾礦綜合利用問(wèn)題，首先需要解決尾礦沉降濃縮問(wèn)題。

1 全尾砂性質(zhì)

某銅鐵礦山選礦廠年處理原礦140萬(wàn)t，產(chǎn)生全尾砂約100萬(wàn)t/a。因細(xì)粒級(jí)全尾砂難以沉降，現(xiàn)有充填系統(tǒng)僅利用70%的全尾砂用于井下充填，利用率低。

為開(kāi)展超細(xì)全尾砂沉降試驗(yàn)，首先對(duì)全尾砂理化性質(zhì)進(jìn)行分析[1]。該銅鐵礦全尾砂濃度30.60%，化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1，粒度分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 全尾砂化學(xué)多元素分析結(jié)果 %

從表1、表2可以看出，全尾砂含鐵12.34%，粗粒級(jí)含量則較低；-0.038 mm粒級(jí)占41.15%，細(xì)粒級(jí)含量較高，該全尾砂較難沉降。

表2 全尾砂粒度粒度分析結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑種類(lèi)試驗(yàn)

固定全尾砂濃度30.00%、絮凝劑用量50 g/t，進(jìn)行不同絮凝劑的絮凝沉降與自然沉降對(duì)比試驗(yàn)，不同沉降時(shí)間下清水層高度見(jiàn)圖1。

圖1 絮凝沉降與自然沉降試驗(yàn)結(jié)果

圖1表明：①絮凝沉降與自然沉降在初期沉降過(guò)程中，清水層高度隨時(shí)間近似呈線(xiàn)性變化關(guān)系，中后期沉降呈非線(xiàn)性變化關(guān)系；②相比自然沉降，添加絮凝劑可縮短沉降時(shí)間并提高清水層高度，加快沉降效率；③對(duì)比絮凝沉降早期即初期沉降段(圖中直線(xiàn)段)、絮凝沉降中期即擁擠沉降段(圖中彎曲段)、絮凝沉降后期即壓縮沉降段(圖中近似平滑曲線(xiàn)段)沉降效果發(fā)現(xiàn)，初期沉降段與擁擠沉降段沉降效果明顯，壓縮沉降段沉降效果不明顯[2]；④對(duì)同一種類(lèi)型的全尾砂，添加的絮凝劑不同，沉降效果不同。

根據(jù)絮凝劑添加后全尾砂沉降效果對(duì)比，選擇愛(ài)森CG2653絮凝劑進(jìn)行沉降試驗(yàn)。

2.2 全尾砂濃度試驗(yàn)

在愛(ài)森CG2653絮凝劑添加量50 g/t的條件下，進(jìn)行不同全尾砂濃度的絮凝沉降試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同全尾砂濃度絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果

全尾砂濃度越低，絮凝沉降速度越快[3]。絮凝沉降效率是以固體物質(zhì)通量來(lái)衡量的，低尾砂濃度并不一定對(duì)應(yīng)最大的沉降效率。因?yàn)楸M管全尾砂濃度低、沉降速度快，但受固體濃度、密度等因素影響，固體通量不一定高[4]。分別計(jì)算不同全尾砂濃度的全尾砂絮凝沉降速度和固體通量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同全尾砂濃度絮凝沉降速度及固體通量計(jì)算結(jié)果

從圖2、表3可以看出，全尾砂絮凝沉降固體通量達(dá)到最大時(shí)沉降效率最高，因此最佳全尾砂濃度為15%，固體通量達(dá)到最大值3.46 t/(m2·h)。

3 絮凝沉降模型過(guò)程分析

實(shí)現(xiàn)該全尾砂連續(xù)絮凝沉降的工業(yè)應(yīng)用必須考慮2個(gè)問(wèn)題：一是研究沉降機(jī)理，實(shí)現(xiàn)全尾砂絮凝沉降；二是絮凝沉降能夠連續(xù)進(jìn)行?；谶@些因素考慮，假定在足夠大的砂倉(cāng)內(nèi)發(fā)生連續(xù)絮凝沉降，絮凝沉降模型可劃分為以下2種模型。

(1)模型1。假設(shè)在裝滿(mǎn)水的砂倉(cāng)中，全尾砂絮凝沉降過(guò)程中不釋放底流，絮凝沉降結(jié)束沉降層壓縮一段時(shí)間后，釋放一定濃度的底流，示意見(jiàn)圖3。

圖3 模型1示意

模型1絮凝沉降分5個(gè)過(guò)程。當(dāng)向砂倉(cāng)加入絮凝劑與全尾砂時(shí)，清水不斷從砂倉(cāng)頂部外溢，砂倉(cāng)內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生絮團(tuán)。此時(shí)絮團(tuán)沉降看作是近似直線(xiàn)加速直至勻速運(yùn)動(dòng)，形成加速沉降層，即過(guò)程①；當(dāng)絮團(tuán)到達(dá)砂倉(cāng)底部后，絮團(tuán)之間互相干涉碰撞，底層全尾砂濃度不斷增加，絮團(tuán)沉降速度減慢，形成擁擠沉降層，即過(guò)程②；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的絮凝沉降后，加速沉降層高度不斷減小，擁擠沉降層高度不斷增加。在重力作用下，底層開(kāi)始?jí)嚎s，形成壓縮沉降層，即過(guò)程③；隨著絮凝沉降的不斷進(jìn)行，擁擠沉降層和壓縮沉降層厚度不斷增加，加速沉降層高度越來(lái)越低，直至擁擠沉降層充滿(mǎn)砂倉(cāng)頂部，砂倉(cāng)開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)砂溢流，此時(shí)需停止添加絮凝劑和全尾砂，即過(guò)程④、⑤；沉降一段時(shí)間后，砂倉(cāng)上層為清水，中間少量擁擠沉降層絮團(tuán)，底層壓縮沉降全尾砂，即過(guò)程⑥。

(2)模型2。假設(shè)在裝滿(mǎn)水的砂倉(cāng)中，加入全尾砂與絮凝劑后，全尾砂絮凝沉降過(guò)程先不釋放底流，待沉降壓縮層具有一定高度和底流達(dá)到一定濃度后，邊投入絮凝劑、全尾砂進(jìn)行絮凝沉降邊釋放底流，直至壓縮沉降層不釋放底流后停止；待壓縮沉降層達(dá)到允許排放要求后，繼續(xù)循環(huán)上述沉降過(guò)程，示意見(jiàn)圖4。

模型2沉降包括6個(gè)過(guò)程，其中過(guò)程①～③與模型1基本相同；在壓縮沉降層達(dá)到一定厚度且滿(mǎn)足底流釋放濃度后，砂倉(cāng)邊進(jìn)行全尾砂絮凝沉降邊釋放底流，同時(shí)向砂倉(cāng)內(nèi)補(bǔ)水，即過(guò)程④；當(dāng)壓縮沉降層厚度達(dá)不到穩(wěn)定釋放一定濃度的底流要求后，停止釋放底流，砂倉(cāng)補(bǔ)水至倉(cāng)頂后停止補(bǔ)水，即過(guò)程⑤；待壓縮沉降層達(dá)到允許釋放要求后，釋放底流，即過(guò)程⑥、⑦；循環(huán)沉降過(guò)程③～⑦，實(shí)現(xiàn)連續(xù)沉降。

圖4 模型2示意

4 工業(yè)試驗(yàn)

4.1 砂倉(cāng)絮凝沉降試驗(yàn)

對(duì)φ6 m砂倉(cāng)的中心桶進(jìn)行改造，防止砂倉(cāng)進(jìn)料對(duì)絮凝沉降造成干擾。絮凝沉降試驗(yàn)前先向砂倉(cāng)內(nèi)加入一定深度的水，然后向砂倉(cāng)內(nèi)加入15%濃度的全尾砂與50 g/t的絮凝劑愛(ài)森CG2653，進(jìn)行砂倉(cāng)絮凝沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)全尾砂迅速沉降，砂倉(cāng)內(nèi)的清水層液位不斷上升，直至達(dá)到砂倉(cāng)溢流口時(shí)，清水層開(kāi)始出現(xiàn)溢流；當(dāng)清水層深度小于1.0 m時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)砂溢流；當(dāng)清水層小于0.5 m時(shí)，溢流逐漸出現(xiàn)渾濁，試驗(yàn)終止。待沉降層壓縮3 h后，釋放底流，此時(shí)底流濃度約55.00%。

砂倉(cāng)絮凝沉降試驗(yàn)符合模型1，只能間斷生產(chǎn)，不能滿(mǎn)足連續(xù)生產(chǎn)要求。

4.2 深錐沉降試驗(yàn)

在φ1 m的深錐中分別采用15%濃度的砂倉(cāng)溢流尾砂與全尾砂分別進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，深錐底流濃度分別達(dá)50.00%左右、65.00%左右，且深錐溢流水溶質(zhì)含量低于200 g/t，達(dá)到生產(chǎn)水使用條件，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)絮凝沉降。

5 工業(yè)深錐沉降試驗(yàn)

通過(guò)綜合φ6 m砂倉(cāng)沉降試驗(yàn)與φ1 m深錐沉降試驗(yàn)后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)安裝了φ16 m、高30 m的工業(yè)深錐進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，以滿(mǎn)足礦山約100萬(wàn)t/a的全尾砂產(chǎn)量處理要求，實(shí)現(xiàn)了全尾砂連續(xù)絮凝沉降作業(yè)。在全尾砂濃度為25%～30%(工業(yè)深錐橫截面積比砂倉(cāng)大，處理能力大，適宜沉降的尾砂濃度大)時(shí)，深錐底流濃度為67.00%～70.00%，滿(mǎn)足底流濃度65.00%以上的全尾砂利用要求。

6 結(jié) 論

(1)絮凝沉降與自然沉降在初期沉降過(guò)程中，清水層高度隨時(shí)間近似呈線(xiàn)性變化關(guān)系，中后期沉降呈非線(xiàn)性變化關(guān)系；相比自然沉降，添加絮凝劑可縮短沉降時(shí)間并提高清水層高度，加快沉降效率。試驗(yàn)表明該銅鐵礦全尾砂適宜的絮凝劑為愛(ài)森CG2653絮凝劑，添加量為50 g/t。

(2)通過(guò)對(duì)比兩種絮凝沉降模型，認(rèn)為模型2能夠?qū)崿F(xiàn)全尾砂底流的連續(xù)排放，滿(mǎn)足工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)要求，相比模型1的底流間斷排放，更有利于組織生產(chǎn)，因此選擇深錐進(jìn)行全尾砂絮凝沉降工業(yè)應(yīng)用。

(3)在φ16 m、高30 m的工業(yè)深錐內(nèi)對(duì)該銅鐵全尾砂進(jìn)行絮凝沉降，處理能力滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，深錐底流濃度67.00%～70.00%，達(dá)到全尾砂利用的濃縮要求，且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)沉降，表明絮凝沉降作為該全尾砂的濃縮工藝完全可行。