堆積型鋁土礦洗礦泥漿脫水試驗(yàn)研究

陳善應(yīng)

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

廣西百色地區(qū)鋁土礦資源豐富,大部分為堆積型鋁土礦,已建成氧化鋁產(chǎn)能達(dá)900多萬t/a,堆積型鋁土礦每生產(chǎn)1 t洗后礦約產(chǎn)生0.8～1.0 t的干礦泥。礦泥處理方式為修建濕法排泥庫,濃縮后濃度為30%的礦泥直接排入排泥庫,呈懸浮狀態(tài),流動(dòng)性大。百色地區(qū)巖溶發(fā)育,濕法排泥庫選址一般為天然洼地、溝谷等地形,場址底部往往巖溶發(fā)育,地質(zhì)勘察、工程措施不能保證所有巖溶處理妥善,一旦發(fā)生泥漿泄漏事故,將會(huì)對周圍環(huán)境造成威脅,給企業(yè)和社會(huì)帶來負(fù)面影響。堆積型鋁土礦多位于山區(qū)谷地、旱田等區(qū)域,土質(zhì)貧薄,土壤和礦石一并采出后形成采空區(qū),后期土地復(fù)墾土源不足。如能將脫水后的礦泥作為復(fù)墾土源,將解決復(fù)墾土源不足問題,為綠色礦山建設(shè)提供一項(xiàng)新的技術(shù)。

百色地區(qū)鋁土礦尾礦的干法堆存和綜合利用至今未取得大的進(jìn)展,瓶頸在于脫水環(huán)節(jié)的技術(shù)問題尚未根本解決,其關(guān)鍵在于尋找可靠、經(jīng)濟(jì)的脫水方式,礦泥經(jīng)蒸發(fā)固結(jié),含水量降低至液限以下,達(dá)到可塑狀態(tài),以滿足干法堆存和復(fù)墾要求。

1 泥漿性質(zhì)

廣西堆積型鋁土礦由礦源層(原生沉積型鋁土礦或鐵鋁巖)經(jīng)表生風(fēng)化改造而成,其礦體均賦存于巖溶洼地、谷地內(nèi)的紅土層中。礦床一般為塊、粒狀鋁土礦石和泥土共生[1-2]。采礦時(shí),礦石和泥土同時(shí)采出,經(jīng)水洗分離出礦石,洗礦水排至洗礦車間濃密池。濃密機(jī)底流即為洗礦泥漿,根據(jù)百色地區(qū)某鋁土礦山洗礦車間長期數(shù)據(jù),進(jìn)入尾礦庫礦泥的含水量(注:文中所指含水量為泥漿中水的質(zhì)量與泥漿質(zhì)量比值)為65%～74%,固含在300～450 g/L。礦泥顆粒的比重為2.8,pH呈中性。

礦泥粒徑分析表明,細(xì)顆、粘粒所占質(zhì)量比較大,其中粒徑小于75 μm的粘粒到達(dá)90%,小于1 μm的顆粒質(zhì)量百分比接近50%,如圖3所示。 礦泥的液限為73.7%,塑限為33.6%,塑限指數(shù)為40.2%,屬于尾粘土。礦泥粘粒含量高、塑性指數(shù)大,因而其自然沉降慢、固結(jié)排水困難。

2 板框壓濾機(jī)脫水試驗(yàn)研究及應(yīng)用

2.1 文山鋁土礦區(qū)板框壓濾應(yīng)用

文山礦區(qū)2013年已建成干法堆存尾礦庫和配套的板框壓濾脫水車間,理想狀態(tài)下,礦泥壓濾后含水量能降至約30%,至今尾礦庫和壓濾車間運(yùn)行較好,尾礦庫無礦泥泄露事故。文山礦區(qū)采用板框壓濾機(jī)脫水實(shí)現(xiàn)干法堆存,但是存在產(chǎn)能不高、礦泥含水量波動(dòng)大等不足。尾礦庫運(yùn)行前期,受板框壓濾機(jī)產(chǎn)能限制,壓濾流程時(shí)間短、濾餅厚度大,壓濾后的濾餅偶會(huì)出現(xiàn)“夾心”現(xiàn)象。

板框壓濾脫水成本較高,主要成本為石灰、電耗、濾布損耗、設(shè)備等,經(jīng)測算礦泥脫水成本每噸接近26元。

圖1 板框壓濾后的礦泥

圖3 文山賣酒坪與華銀馬牌礦山礦泥粒徑對比

2.2 百色鋁土礦區(qū)板框壓濾試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)結(jié)果

華銀鋁業(yè)和中鋁廣西分公司也進(jìn)行過板框壓濾機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[3],但是壓濾后礦泥難以滿足干法堆存要求。多次試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果表明,鋁土礦礦泥采用板框壓濾干法堆存有以下幾個(gè)突出的問題:濾餅厚度很薄,單位時(shí)間產(chǎn)能較低;不加入助凝劑(石灰)情況下,壓濾效果明顯下降,生產(chǎn)效率低下;加入生石灰后壓濾效果好轉(zhuǎn),但對后續(xù)堆存及復(fù)墾作業(yè)帶來一定影響;壓濾工藝復(fù)雜,操作管理人員較多,壓濾機(jī)耗材消耗量大。

(2)原因分析

文山礦區(qū)礦泥采用板框壓濾脫水方式可行,而與之相鄰的百色礦區(qū)礦泥采用板框壓濾脫水試驗(yàn)效果不理想,分析比較兩個(gè)礦區(qū)的礦泥性質(zhì)發(fā)現(xiàn)主要原因是百色礦區(qū)礦泥顆粒較文山礦區(qū)細(xì)。文山賣酒坪礦山礦泥粒徑小于1 μm顆粒的百分比為14.7%,屬于尾粉質(zhì)粘土,而華銀馬牌礦山為43.5%,屬于重黏土。文山礦區(qū)礦泥顆粒粒徑大,顆粒間的作用力小,粒徑粗的礦泥易于脫水和干燥。

板框壓濾機(jī)不適合百色礦區(qū)礦泥脫水,為探尋適合百色地區(qū)粘土狀礦泥脫水技術(shù),先后進(jìn)行了脫水劑場地脫水試驗(yàn)、帶式壓濾機(jī)脫水試驗(yàn)、離心機(jī)脫水試驗(yàn)。

3 泥漿脫水劑場地脫水研究

3.1 絮凝劑脫水機(jī)理

試驗(yàn)采用的脫水劑均為有機(jī)高分子聚合物-聚丙烯酰胺(PAM)[4]。礦泥脫水的原理是通過PAM的“架橋作用”、 “電性中和作用”來吸附泥漿中的固體顆粒,高分子鏈互纏交聯(lián)、架橋,使絮凝結(jié)構(gòu)增大變粗,達(dá)到一定程度的泥水分離。

3.2 場地脫水試驗(yàn)[5]

試驗(yàn)場地為華銀鋁礦山采場,試驗(yàn)場地大小約為115 m×76 m。試驗(yàn)系統(tǒng)由泥漿排放場地、礦泥輸送系統(tǒng)及脫水劑輸送系統(tǒng)等組成。礦泥和脫水劑在管道內(nèi)混合排出,礦泥脫水效果主要與混合時(shí)間、混合距離、混合充分程度及脫水劑品種等因素有關(guān)。在試驗(yàn)場地進(jìn)行某品牌脫水劑脫水工業(yè)試驗(yàn),脫水劑濃度為1.95‰,脫水劑單耗500～700 g/t干泥。

圖4 試驗(yàn)場泥層干固情況

3.3 試驗(yàn)效果

泥水分離后,不同時(shí)段在距離排料口20 m處泥層表面10 cm處取泥樣檢測其泥層含水量。

由圖5可知,礦泥脫水后經(jīng)過210天的自然干燥,泥層含水量由70%下降到35%左右。排放1小時(shí)后泥層的含水量為65%左右。10天后泥層含水量下降到55%左右,期間泥層含水量下降較快,自然干燥30天后,泥層含水量下降到53%左右。

圖5 試驗(yàn)場泥層含水量變化曲線

3.4 成本及適用性分析

礦泥場地脫水主要成本為聚丙烯酰胺和電費(fèi)成本,根據(jù)測算,PAM單耗約450 g/t干泥,電費(fèi)約0.8元/t,則成本為9.8元/t。

礦泥場地脫水一次的排料厚度不超過2 m,排料后需3～5個(gè)月的自然蒸發(fā)干燥期,因而需要大面積的晾曬場地。以華銀馬牌礦山為例,需要面積超過200公頃場地才滿足晾曬要求。場地脫水方式比較適用于地勢平坦、蒸發(fā)量大的地區(qū)。

4 帶式壓濾機(jī)脫水試驗(yàn)研究[6]

4.1 設(shè)備選型及脫水原理

為適應(yīng)大宗礦泥處理工程,試驗(yàn)采用帶寬3.5 m分體式重型壓濾機(jī),是國內(nèi)最大帶寬機(jī)型。壓濾機(jī)由重力脫水段和壓濾段組成,重力脫水段長約6 m,依靠重力過濾出一部分自由水。壓濾段由上下濾網(wǎng)、輥系、動(dòng)力系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)組成,依靠上下濾網(wǎng)的張拉、濾網(wǎng)與輥的機(jī)械作用及對壓輥的擠壓等將泥團(tuán)水分進(jìn)一步濾出。

4.2 帶式壓濾機(jī)脫水試驗(yàn)

礦泥、脫水劑和稀釋水在管道混合,經(jīng)過靜態(tài)混合器、U型管、管道混合后,在管道內(nèi)完成泥水分離,形成直徑約1 cm大小的絮團(tuán)。礦泥結(jié)絮后進(jìn)入重力脫水段,含水量降至62%左右,然后進(jìn)入壓濾段,脫水后含水量降低至48%～55%,呈流塑狀。

壓濾段上、下濾帶組成的過濾網(wǎng)是一個(gè)半封閉的系統(tǒng),當(dāng)出現(xiàn)超過其處理量、重力脫水段脫水效果差、布料不均勻、濾網(wǎng)跑偏等狀況時(shí),會(huì)出現(xiàn)跑泥現(xiàn)象。跑泥一旦發(fā)生,大部分的泥漿會(huì)由上、下濾帶兩邊擠出,使得泥漿處理量急劇降低。同時(shí),大量的泥漿跑出堆積阻塞了分離水排出通道,設(shè)備無法繼續(xù)運(yùn)行,需要停機(jī)清理。

帶式壓濾機(jī)處理量與脫水效果主要影響因素有:脫水劑脫水效果、重力脫水段效果、帶速、濾帶張力。帶式壓濾機(jī)的處理量與脫水效果兩者是矛盾的,需選擇一個(gè)適合物料的工況,達(dá)到兩者的有機(jī)統(tǒng)一。經(jīng)大量試驗(yàn)確定了礦泥脫水最佳工況相關(guān)參數(shù),帶速控制在3.1～2.9 m/min,帶式壓濾機(jī)脫水效果和產(chǎn)能較為理想。

表1 帶寬3.5m壓濾機(jī)最佳工況下相關(guān)參數(shù)

4.3 成本及適用性分析

帶式壓濾機(jī)運(yùn)行費(fèi)用主要有脫水劑、電耗、濾布、維護(hù)、人工等組成。初步測算,不含折舊成本,帶式壓濾機(jī)脫水成本為15.4元/t干泥,其中脫水劑成本占70%以上。帶式壓濾機(jī)脫水后礦泥含水量由70%降低到50%,但也存在一些問題,如帶式壓濾機(jī)脫水礦泥含水仍高達(dá)50%,無法直接使用汽車運(yùn)輸,需要場地進(jìn)行攤曬;設(shè)備本身原因(濾布跑偏等故障)造成試驗(yàn)難以持續(xù)進(jìn)行。

將帶式壓濾機(jī)引進(jìn)到堆積型鋁土礦礦泥脫水,脫水后礦泥流動(dòng)性降低,設(shè)備操作較為簡單,試驗(yàn)表明采用帶式壓濾機(jī)脫水技術(shù)上是可行的,適合中小型礦山礦泥處理工程。

5 礦泥離心機(jī)脫水試驗(yàn)研究[7]

5.1 LW220離心機(jī)脫水試驗(yàn)

試驗(yàn)初期采用LW220離心機(jī)(轉(zhuǎn)鼓直徑220 mm)進(jìn)行小試,驗(yàn)證礦泥脫水的適應(yīng)性。試驗(yàn)采用脫水劑濃度為1‰和0.5‰,離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3600 r/min左右。采用濃度為1‰脫水劑進(jìn)行脫水試驗(yàn)PAM消耗較高,約為900 g/t干泥,脫水后泥團(tuán)含水量在41%～42%,可塑狀,分離液清澈,產(chǎn)能為0.4 t/h～0.6 t干泥/h。采用濃度為0.5‰脫水劑進(jìn)行脫水試驗(yàn),PAM消耗降低至約650 g/t干泥,但泥團(tuán)含水量略有升高,為42%～43%。

試驗(yàn)結(jié)果表明,礦泥離心機(jī)脫水能夠滿足泥團(tuán)含水量低、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好等要求,采用離心機(jī)脫水是可行的。

5.2 LW350離心機(jī)脫水工業(yè)試驗(yàn)

LW350離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑為350 mm,最大排渣能力1.2 m3/h。共進(jìn)行了68種工況脫水試驗(yàn),試驗(yàn)研究了脫水劑品牌、濃度、離心機(jī)轉(zhuǎn)速、脫水劑消耗、泥團(tuán)含水量、處理量的關(guān)系及相互影響。表2為濃度0.75‰巴斯夫脫水劑時(shí),離心機(jī)脫水典型工況相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

表2 離心機(jī)脫水典型工況參數(shù)

由表2可知,采用LW350型離心機(jī)進(jìn)行礦泥脫水適宜轉(zhuǎn)速為2300～3000 r/min,差速為8～18 r/min,液壓站扭矩變動(dòng)范圍7.0～9.5 MPa,產(chǎn)能0.8～1.2 t/h,脫水后的泥團(tuán)含水量41%～45%,泥團(tuán)為可塑狀,能夠滿足干法堆存要求。每立方礦泥能夠回收0.6 m3水,分離液澄清,懸浮物50～300 mg/L,滿足洗礦用水要求。

5.3 成本及適用性分析

礦泥離心機(jī)脫水主要成本為脫水劑、電耗、設(shè)備投資。對于LW350型離心機(jī),脫水劑單耗約560 g/t干泥,電耗約8.5 kWh/t干泥,成本約15.8元/t干泥,PAM和電費(fèi)成本占比在90%以上。

濕法排泥庫一次性投資大,單位庫容利用率低。經(jīng)測算采用離心機(jī)干法和濕法排泥庫處理礦泥綜合成本(含財(cái)務(wù)成本)接近,離心機(jī)干法堆存較濕法排泥庫成本高約1.0～2.0元/t干泥。如考慮到濕法排泥庫發(fā)生泄露,需投入大量的搶險(xiǎn)資金,因而離心機(jī)干法處置礦泥方式具有競爭力。

6 結(jié) 論

以上三種脫水試驗(yàn)方式均為首次應(yīng)用到百色礦區(qū)堆積型鋁土礦洗礦泥漿脫水領(lǐng)域,試驗(yàn)結(jié)果表明三種方式脫水技術(shù)上是可行的,但也存在一定的局限性和適用性。表3從不同方面綜合比較了四種脫水方式優(yōu)缺點(diǎn),為脫水后的礦泥用于礦山采空區(qū)干式充填造地或?qū)嵤└煞ǘ汛嫣峁┝思夹g(shù)支持,企業(yè)可以根據(jù)礦山規(guī)模、礦泥性質(zhì)進(jìn)行參考選擇。

表3 四種脫水方式綜合性能比較