嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠節(jié)能設(shè)計(jì)

夏自發(fā) 鄧朝安 李玉安 牛耀輝

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.西烏珠穆沁旗銀漫礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 026000)

0 前言

可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要理念,“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)將會推動各行業(yè)采取節(jié)能降耗行動。礦業(yè)是我國能源消耗量較大的行業(yè),是節(jié)能的重點(diǎn)領(lǐng)域。在有色金屬礦山設(shè)計(jì)中,選礦廠的能耗約占總能耗60%。選礦廠節(jié)能設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的先導(dǎo)和建設(shè)節(jié)約型企業(yè)的靈魂。因此,選礦廠設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)節(jié)能原則,具有重大意義。

我國嚴(yán)寒地區(qū)的礦產(chǎn)資源豐富,資源規(guī)模在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的地位。在嚴(yán)寒地區(qū),因其特殊的氣候條件,防寒、防凍、保溫、節(jié)能措施是選礦廠設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。本文將以內(nèi)蒙古某多金屬礦為例,探討嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠節(jié)能設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 地理位置及氣候

內(nèi)蒙古某多金屬礦選礦廠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗,海拔高度為960 m。

礦區(qū)氣候類型屬北溫帶半干旱大陸性氣候,風(fēng)多雨少,氣溫偏低,冰凍期大于解凍期。年最低氣溫為-37.5 ℃,年最高氣溫達(dá)40 ℃,平均氣溫為5 ℃,冰凍期為每年9 月至次年5 月,最大凍土深度為3.18 m。歷年平均降水量為384 mm,年最大降水量為550 mm,年最小降水量為176 mm,全年降水量集中在7～9 月。年最大蒸發(fā)量為2 600 mm,年最小蒸發(fā)量為1 700 mm,平均蒸發(fā)量為2 115 mm,最大風(fēng)速26 m/s,無霜期為110 d。

1.2 礦石性質(zhì)

該礦的礦物組成非常復(fù)雜,主要有用礦物包括:銀黝銅礦、含銀黝銅礦、黝銅礦、黃銅礦、脆硫銻鉛礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦和錫石;脈石礦物主要為石英、電氣石、絹云母、長石、高嶺土和綠泥石。

1.3 設(shè)計(jì)規(guī)模及工藝流程

選礦廠設(shè)計(jì)規(guī)模為5 000 t/d,設(shè)計(jì)的選礦工藝流程為:半自磨工藝(SAB) +銅鉛混浮+鋅硫混浮+鋅硫分離浮選+錫石重選+錫石浮選+兩段脫水流程,產(chǎn)出銀銅精礦、鋅精礦、硫精礦、錫精礦和錫次精礦,銀富集于銀銅精礦、鋅精礦中。

2 嚴(yán)寒天氣對選礦的影響

按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[1-2],我國劃分為5 個(gè)氣候區(qū):嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)。

嚴(yán)寒地區(qū)是指累年最冷月平均溫度≤-10 ℃或日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)≥145 d 的地區(qū)。嚴(yán)寒地區(qū)主要分布在我國東北、內(nèi)蒙古和新疆北部、西藏北部、青海等地區(qū),也是我國礦產(chǎn)資源非常豐富的地區(qū)。文中的某多金屬礦選礦廠即位于內(nèi)蒙古地區(qū)。

嚴(yán)寒地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣鞅憩F(xiàn)為冬季漫長,嚴(yán)寒干燥,多為大風(fēng)天氣;無霜期短,冰凍期長,凍土深,積雪厚;晝夜溫差大,氣候垂直差異大,年降雨量少。

嚴(yán)寒天氣會對選礦廠的生產(chǎn)、維護(hù)及運(yùn)營成本產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)在:1)冬季的采暖成本、能耗、生產(chǎn)成本高;2)冬季的礦倉、管道、設(shè)備易凍結(jié)堵塞,設(shè)備故障頻發(fā),頻繁停產(chǎn)而降低選礦廠年作業(yè)率;3)生產(chǎn)不連續(xù)造成設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和生產(chǎn)成本的上升;4)低溫會降低某些礦石的生產(chǎn)指標(biāo)。

3 嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠節(jié)能設(shè)計(jì)

該選礦廠采用了以下常見的節(jié)能措施:利用地形按作業(yè)順序進(jìn)行梯級布置、主礦漿流自流、選用高效節(jié)能設(shè)備、設(shè)備大型化、渣漿泵和鼓風(fēng)機(jī)采用變頻控制、提高自動化水平、配電站靠近負(fù)荷中心和不同水質(zhì)階梯使用等。

除了以上常見的節(jié)能措施外,該選礦廠還采用了多項(xiàng)適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)特殊氣候特點(diǎn)的節(jié)能措施。

3.1 多作業(yè)共廠房集中布置

嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠生產(chǎn)作業(yè)的聯(lián)接、廠房總體布置應(yīng)貫徹安全、集中、簡捷、順暢的設(shè)計(jì)原則。多作業(yè)共廠房集中布置,既可降低采暖成本,又可避免工廠因廠房間的室外管道冰凍而停產(chǎn)。該選礦廠多作業(yè)共廠房集中布置如圖1 所示,從柱線J 至柱線A依次布置的生產(chǎn)作業(yè)分別為:藥劑制備、磨礦、浮選、重選、中礦濃縮、精礦濃縮、過濾和精礦倉。

圖1 多作業(yè)共廠房集中布置圖

3.2 設(shè)置良好的建筑朝向

嚴(yán)寒地區(qū)的建筑朝向一般應(yīng)為南向或南東向布置,且應(yīng)避開寒風(fēng)襲擊的朝向。

該選礦廠的主要車間建筑朝向方位為南向,結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)排架形式,墻面及屋面均采用彩色壓型鋼板夾芯板做維護(hù)結(jié)構(gòu),除了墻面設(shè)有塑鋼窗采光外,屋面還設(shè)有采光帶。

保證主要建筑物有較好的自然通風(fēng)、采光和日照條件,不僅可以改善生產(chǎn)條件與工廠人員所處的環(huán)境,還可以降低車間的人工采暖量和照明用電量,也是積極響應(yīng)節(jié)能減排政策的體現(xiàn)。

3.3 采用半自磨工藝

碎磨工藝流程主要有以下三類:半自磨工藝(以半自磨機(jī)為核心設(shè)備的碎磨工藝)、常規(guī)碎磨工藝(以圓錐破碎機(jī)為代表的多段破碎工藝)、高壓輥磨工藝(以高壓輥磨機(jī)為核心設(shè)備的超細(xì)碎工藝)。

在嚴(yán)寒地區(qū),常規(guī)碎磨工藝和高壓輥磨工藝主要有3 項(xiàng)劣勢:1)工藝流程長,設(shè)備多,工藝建筑物多,基建期長,冬季施工難度大;2)建筑占地面積大,建筑面積和體積大,冬季采暖成本高;3)破碎設(shè)備、篩分設(shè)備及物料轉(zhuǎn)運(yùn)都會產(chǎn)生粉塵,如采用濕式噴淋降塵,在冬季易使礦粉冰凍粘結(jié)在礦倉及設(shè)備上,影響作業(yè)流程通暢性;如采用大風(fēng)量換氣除塵,又會影響廠房保暖。而且在采暖期內(nèi),作業(yè)場所粉塵濃度超標(biāo)情況比夏季更為嚴(yán)重[3]。

半自磨工藝具有建筑物少、基建期短、采暖成本低、對環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),更適合應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)。此外,也有研究者指出,在高寒地區(qū),半自磨工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)更優(yōu)[4]。

3.4 高頻細(xì)篩與球磨機(jī)形成閉路分級

錫石的密度大,質(zhì)軟易過磨。通常單體粒度越粗,重選指標(biāo)越好。

高頻細(xì)篩具有頻率高、振幅小、效率高、完全按粒度分級的特點(diǎn),適合作為重選物料的分級設(shè)備。該選礦廠采用高頻細(xì)篩與球磨機(jī)形成閉路分級,強(qiáng)化分級作用,提高分級效率。合格的粒級及時(shí)排出,降低篩上循環(huán)負(fù)荷,減少過磨,減輕重礦物反富集,從而降低了磨礦能耗,也提高了重選指標(biāo)。

3.5 搖床多層立體布置

搖床是選別細(xì)粒物料應(yīng)用較廣的重選設(shè)備,具有分選精度和精礦富集比高、維護(hù)簡單、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積大、單臺處理量小、設(shè)備臺數(shù)多。

該選礦廠重選規(guī)模較大,搖床數(shù)量達(dá)880 臺,宜采用多層立體布置,利用高差實(shí)現(xiàn)礦漿自流輸送及選別,減少廠房占地面積,降低采暖成本和建設(shè)投資[5]。該選礦廠搖床多層立體布置如圖2 所示。

圖2 搖床多層立體布置圖

3.6 選用耐磨管道

選礦廠常用的礦漿管道有普通鋼管(如螺紋管、直縫管、鍍鋅管等)、無縫鋼管、尼龍管和復(fù)合管(如雙金屬管、襯橡膠鋼管、襯陶瓷鋼管、襯聚氨脂管等)[6]。重選作業(yè)的礦漿管道多,冬季低溫作業(yè)環(huán)境惡劣,檢修更換的勞動強(qiáng)度大,宜選用尼龍管等輕質(zhì)耐磨管道,這樣既可延長管道的檢修周期,又便于冬季檢修更換。

3.7 管道防凍

在嚴(yán)寒地區(qū),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如何避免管道凍脹問題。管道防凍措施主要有:1)室外的礦漿管和給排水管宜采用電伴熱+絕熱保溫層;2)廠房間短距離的礦漿管可只外包絕熱保溫層;3)藥劑添加作業(yè)應(yīng)與浮選作業(yè)共廠房布置,避免藥劑管室外布置;4)石灰乳添加管宜采用循環(huán)輸送或高位自流排空布置方式。

3.8 采用廠前回水

在嚴(yán)寒地區(qū),尾礦庫冬季回水率低,回水量不穩(wěn)定,選礦廠應(yīng)優(yōu)先采用廠前濃縮回水,提高尾礦礦漿輸送濃度,降低尾礦輸送及尾礦庫回水輸送的能耗。

3.9 降低采暖溫度梯度

選礦廠的工業(yè)廠房具有空間和體量大、層數(shù)和臺階多的特點(diǎn),嚴(yán)寒地區(qū)的選礦廠更是普遍采用多作業(yè)共廠房集中布置的方式,各個(gè)作業(yè)的建筑跨依地形階梯布置,臺階更多。

在采暖過程中,由于熱空氣上浮,在高大空間的上部區(qū)域、多層建筑的高層或多臺階高處堆積,工業(yè)廠房沿高度方向會產(chǎn)生較大的溫度梯度。

如圖1 所示的選礦廠工業(yè)廠房,由于廠房高、臺階多,熱壓作用促使底層的熱空氣上升,冷空氣下降,形成較大的溫度梯度,造成上熱下冷,即最低處的精礦倉跨溫度很低,而最高處的磨礦跨溫度較高,或者磨礦跨底層溫度低而高層溫度很高。

選礦廠可以采取以下措施降低溫度梯度,提高溫度均勻性和舒適度:

1)分區(qū)采暖。在建筑跨之間設(shè)置擋溫板,依據(jù)各個(gè)建筑跨的作業(yè)功能確定合適的采暖溫度。

2)分層采暖。底層增加供暖量,高層減少供暖量。

3)暖風(fēng)循環(huán)。從頂層抽暖風(fēng)送至底層。

在多作業(yè)共廠房采暖設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)選礦各作業(yè)對溫度的不同要求,分區(qū)域進(jìn)行計(jì)算及差異化設(shè)計(jì)。例如,在浮選作業(yè)區(qū)域,溫度太低可能影響浮選指標(biāo),采暖溫度最好大于15 ℃;而在精礦脫水及儲存區(qū)域,則以管道不凍結(jié)為原則,適當(dāng)降低采暖溫度,節(jié)省供熱能耗。

4 結(jié)束語

內(nèi)蒙古某多金屬礦選礦廠處于嚴(yán)寒地區(qū),該地區(qū)冬季漫長,嚴(yán)寒干燥,多風(fēng)少雨,冰凍期長。該選礦廠的礦石性質(zhì)復(fù)雜,選礦工藝流程長,選礦作業(yè)工序多,精礦產(chǎn)品種類多,節(jié)能降耗潛力大。

該選礦廠除了采用常見的節(jié)能措施外,還采用了多項(xiàng)針對嚴(yán)寒地區(qū)氣候特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的節(jié)能措施,如多作業(yè)共廠房集中布置、設(shè)置良好的建筑朝向、采用半自磨工藝、高頻細(xì)篩與球磨機(jī)形成閉路分級、搖床多層立體布置、選用耐磨管道、進(jìn)行管道防凍、采用廠前回水和降低采暖溫度梯度等。

強(qiáng)化嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠節(jié)能設(shè)計(jì),可降低生產(chǎn)成本,提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率,降低工人勞動強(qiáng)度,改善生產(chǎn)條件,符合節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策,為企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展創(chuàng)造必要的條件。