全尾砂最佳絮凝沉降浓度及调控方式研究
Study on the Optimal Concentration and Controlling Mode of Whole Tailings Flocculation Sedimentation
收稿日期: 2018-07-24 修回日期: 2018-12-04 网络出版日期: 2019-07-08
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Received: 2018-07-24 Revised: 2018-12-04 Online: 2019-07-08
作者简介 About authors
江科(1992-),男,湖北天门人,助理工程师,从事充填工艺及新型胶凝材料研发工作
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江科, 康瑞海, 姚中亮, 彭亮.
JIANG Ke, KANG Ruihai, YAO Zhongliang, PENG Liang.
尾砂储存和浓缩装置是关系到充填系统能否高效有序运行的关键设施,其核心指标是溢流水的固含量及底流放砂浓度,澄清的溢流水避免了二次处理的难题和经济投入,高浓度的底流能保证充填质量并节约充填成本[1,2,3,4,5,6]。传统的充填工艺运用立式砂仓或卧式砂池作为尾砂的浓缩装置,利用尾砂自身的重力进行沉降,但随着选矿工艺的进步,矿石的磨矿细度逐渐变小,细颗粒尾砂占比逐渐增大,因而在储砂装置中部分尾砂因没有足够的时间沉降,导致溢流水跑浑现象严重,溢流水处理难度大,无法直接回用,其进入尾矿库对堆坝造成影响,产生安全隐患[7,8,9,10,11]。大量尾砂颗粒被溢流水带走会降低尾砂充填利用率,增加总尾输送能耗,延长充填系统进砂、存储、造浆、放砂、制备与输送的循环周期,导致系统效率低下,这是部分矿山企业充填成本居高不下的原因之一[1,9]。新疆某铜矿全尾砂充填系统进砂浓度约为20%,溢流水浓度长期保持在7%~9%之间,溢流细颗粒尾砂进入矿区环保中心污水池处理。然而,环保中心原设计并未考虑处理如此大量的含尾砂污水,高固含量的溢流水为其带来了巨大的困扰,需增设普通浓密机专门对溢流水进行处理,浓密机的底流再泵送至尾矿库,每年处理溢流水的成本投入巨大,已严重掣肘矿山的正常高效运行。
国内外有关尾砂沉降的研究较多,有理论分析,也有试验研究,目前研究的主要方向是利用絮凝剂来加速尾砂的沉降,其关键点是絮凝剂的选型、添加量的优化、添加浓度及最适宜的尾砂浆浓度等方面。例如:朱时廷等[12]通过均匀设计法进行单因素试验,研究不同尾砂浆浓度条件下料浆的沉降性能,并构建了数学模型,研究得出浓度较低时,尾砂级配为主导因素,浓度较高时,料浆浓度为主导因素;王新民等[13]通过BP神经网络技术研究絮凝剂单耗、尾砂质量分数与沉降速度之间的关系,通过正交试验学习、培训并建立优选网络模型,最终通过模型搜索最佳絮凝沉降参数;Eswaraiah等[14]探究在不同pH值条件下阴离子、阳离子和非离子絮凝剂对铁矿旋流分级后的溢流尾砂颗粒沉降效率的影响,结果表明阴离子絮凝剂的效果最好且使用剂量最少;卞继伟等[15]通过尾砂动态浓密装置探究在连续运行过程中特定尾砂的沉降速度、底流浓度和溢流水固含量受絮凝剂单耗、进砂浓度和供料速度的影响机制;焦华喆等[16]运用均匀法研究絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度和进砂浓度3个因素对尾砂沉降速度和底流浓度的影响,分析各因素的影响机制,得到深锥浓密机运行参数的最优值。上述研究取得了较多理论和技术成果,对实际生产有着重要的指导作用,但均偏向于实验室试验及数据分析,研究成果与生产应用的衔接问题还有待解决。目前众多已建有充填系统的矿山在立式砂仓或卧式砂池中添加絮凝剂后很难达到理想的效果,与实验室试验结果相去甚远,且在使用絮凝剂制备、输送和添加装置之后依然无法改变砂仓溢流水跑浑严重的问题。新疆某铜矿前期进行了全尾砂絮凝沉降试验,对絮凝剂进行选型,生产中使用絮凝剂自动加药机,通过螺杆泵加压输送絮凝剂溶液至立式砂仓导流桶中与尾砂浆混合,经过生产调试之后取得了一定的效果,溢流水固含量浓度降至3%~4%,但与静态试验结果仍有较大差别。本文通过对新疆某铜矿全尾砂展开研究,分析全尾砂粒径、颗粒表面形状和进砂浓度等对絮凝沉降的影响,对絮凝剂自动加药装置进行优化改造,同时增设新型砂仓进砂装置,改进絮凝剂加药方式,以达到更好的全尾砂絮凝沉降效果。
1 全尾砂性质及沉降性能研究
1.1 全尾砂粒径测试
图1
图1
Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析仪
Fig.1
Mastersizer 3000 laser diffraction particle size analyzer
图2
1.2 全尾砂颗粒表面形状分析
对全尾砂样品进行电镜扫描观测,结果如图3所示。由图可知细颗粒尾砂绝大部分呈片状和块状,棱角鲜明,表面粗糙,在下沉过程中较球状或椭球状颗粒受到的阻力更大,因而在重力作用下沉降缓慢。
图3
1.3 全尾砂最佳沉降浓度研究
尾砂颗粒和水组成了尾砂浆体,浆体中固体颗粒的沉降受许多因素的影响,除颗粒粒度和颗粒表面形状之外,还受到浆体自身质量浓度的影响。当尾砂浆浓度较低时,尾砂颗粒在液体中做类似于自由落体的运动,而当浓度达到一定值时,尾砂颗粒之间将产生干涉作用,作为介质的液体也似乎变得“黏稠”,导致尾砂颗粒在沉降过程中其能量过多地消耗在与其他颗粒的碰撞和摩擦中,沉降速度变缓[20,21,22],因而需找到一个最佳的初始沉降浓度值,以获得最佳的絮凝沉降效果。通过试验验证,该铜矿充填站现使用的絮凝剂及添加量在实验室条件下效果良好,因此本次研究仍使用该种絮凝剂。选择该铜矿10%、15%和20%全尾砂砂浆进行试验,以絮凝沉降的下降高度为度量值,结果见图4,由试验结果可知尾砂浆初始浓度为15%时其沉降速度较初始浓度为10%快;尾砂浆初始浓度为20%与15%的沉降速度相差不大。本文研究不同进砂浓度条件下尾砂颗粒的沉降速度,即尾砂颗粒与絮凝剂高分子链的结合程度,因而考虑选用非线性拟合的Hill函数对絮凝沉降试验数据进行拟合,结果如图5所示,得出沉降高度H(cm)与时间T(s)之间具有如下关系:
图4
图4
不同浓度尾砂浆沉降速度曲线
Fig.4
Correlation curve of settling velocity for tailings slurry with different concentration
图5
图5
不同浓度全尾砂浆沉降高度与时间的拟合曲线
Fig.5
Fitting curve of settlement height and time of the whole tailings slurry with different concentration
式中:Vmax表示最终沉降值;K为平衡常数;n为Hill系数,描述协同性;H为沉降高度;T为沉降时间。该矿全尾砂沉降高度与沉降时间呈正指数关系,其方程参数如表1所示,当初始浓度为10%、15%和20%时,尾砂浆沉降高度(H)与沉降时间(T)的相关系数(R2)分别为0.97975、0.97647和0.97576,说明这3种不同初始浓度的尾砂浆具有很好的相关性。
表1 沉降高度与沉降时间关系拟合方程参数
Table 1
尾砂浆初始浓度% | 系数Vmax | 系数K | 系数n | R2 |
---|---|---|---|---|
10 | 27.58834±1.22666 | 10.64093±1.26562 | 1.13291±0.15072 | 0.97975 |
15 | 28.03261±1.31541 | 9.54856±1.21915 | 1.09351±0.15770 | 0.97647 |
20 | 27.82282±1.31139 | 9.65174±1.23200 | 1.10946±0.16168 | 0.97576 |
采用数值分析方法对不同质量浓度C(%)与系数Vmax、K、n之间的关系进行研究。由式(1)可知,在相同时间条件下,沉降高度与系数Vmax成正比、与K和n成反比。构建拟合曲线如图6所示,对C-Vmax、C-K和C-n 3条拟合曲线进行峰值寻找,由图可知当尾砂浆浓度为16%~17%时最有利于尾砂颗粒的沉降。为验证该分析方法的正确性,通过拟合曲线计算质量浓度为16.5%的尾砂浆在不同时间条件下的沉降高度,并与相同浓度尾砂浆沉降试验结果进行对比,如表2所示。由表2可知,质量浓度为16.5%的尾砂浆在相同条件下沉降速度较质量浓度为15%的尾砂浆高;数值分析预测值与测试结果在个别数据上存在较大差异,如T=2.5 s时预测值明显低于试验值,T=30 s时预测值也与实际规律不符。分析其原因,认为试验前期(特别是0~30 s内)易受操作因素的影响,由试验数据得到的拟合曲线也会受此影响,因此造成预测值出现偏差,但整体上预测值与测试值相吻合,特别是60~180 s之间,此时间段是絮凝剂发挥作用的关键时期。由此认为该预测方法适用于探究特定尾砂的进砂浓度与最佳沉降效果之间的关系,在生产中具有一定的应用价值。
图6
图6
尾砂浆质量浓度C与系数Vmax、K、n关系的拟合曲线
Fig.6
Fitting curve of slurry initial concentration C and the coefficient Vmax,K and n
表2 初始浓度为16.5%尾砂浆沉降高度数值分析预测值与试验结果对比
Table 2
时间T/s | 预测值/cm | 测试值/cm | 时间T/s | 预测值/cm | 测试值/cm |
---|---|---|---|---|---|
0 | 3.0 | 3.0 | 20 | 19.5 | 20.2 |
2.5 | 5.3 | 6.4 | 30 | 21.9 | 23.5 |
5 | 9.3 | 9.5 | 60 | 24.8 | 25.3 |
7.5 | 12.3 | 11.8 | 90 | 25.8 | 25.8 |
10 | 14.4 | 13.9 | 120 | 26.4 | 26.3 |
15 | 17.5 | 16.5 | 180 | 27.0 | 26.7 |
1.4 沉降性能分析
该铜矿全尾砂粒级较细,-20 μm粒径尾砂含量为44.61%,-74 μm粒径尾砂含量为71.85%,极细颗粒占比较大,导致其沉降速度较慢,同时由于尾砂颗粒多呈片状且表面粗糙,使其更加难以沉降,但由于这二者是尾砂自身的基本性质,难以改变,因而考虑运用絮凝剂加速沉降的方式最大程度地消除这二者的影响。目前有关尾砂充填絮凝沉降的研究非常多,针对矿山尾砂絮凝剂的定性、定量试验已累积了大量理论与实践经验。研究可知,该铜矿所选择的絮凝剂在实验室条件下具有很好的效果,但由于尾砂浆进砂浓度与絮凝剂添加方式等原因导致其在使用过程中效果不佳。本文针对该种絮凝剂在不同进砂浓度条件下的沉降性能,通过分析试验结果,推导出不同进砂浓度条件下尾砂沉降高度H(cm)与沉降时间T(s)之间的关系式,进一步探究关系式中的系数与进砂浓度的相关性,最终提出该矿尾砂最佳沉降效果所对应的最佳进砂浓度值范围。根据该最佳进砂浓度值下的沉降性能关系式计算出的结果与同等条件下的试验结果进行对比,认为该方法的预测值与实际值吻合较好,对生产具有一定的指导性。根据上述研究确定该铜矿的尾砂性质与沉降特性,据此对立式砂仓的絮凝剂添加方式进行改进,并设计出一套完善的进砂浓度调节系统,以满足尾砂最佳沉降条件,实现尾砂的快速沉降。
2 絮凝沉降最佳进砂浓度调控
2.1 现有絮凝剂添加方式
该铜矿使用的絮凝剂代号为KC9020,分子量为2 600万,属于阴离子絮凝剂,添加量为每吨干尾砂25 g,配置了一台絮凝剂自动加药机,加药机存储量为2 m3,制备量为0.5 m3/h,配有2台螺杆泵,其输送量为0~300 L/h,可变频调速。干粉状絮凝剂定时定量添加至絮凝剂加药机受料斗内,由螺旋机均匀给料至搅拌桶。搅拌桶内液体在搅拌轴上下叶片的驱动下做相向运动,搅拌轴转速由电机和减速机控制,转速过快易打断絮凝剂的分子链,太慢则无法充分溶解干粉状絮凝剂,故现场搅拌轴转速设定为36~50 r/min。将制备好的絮凝剂溶液转移至储料箱中,待砂仓进砂时用螺杆泵泵送至砂仓顶与尾砂浆混合。
2.2 尾砂絮凝沉降存在的问题
通过分析得知该铜矿尾砂絮凝沉降效果不佳主要存在2个方面的问题。
(1)絮凝剂制备输送周期短,絮凝剂未充分溶解就被添加至尾砂浆中,使得絮凝效果大打折扣的同时造成了材料的浪费。观察该铜矿配置的絮凝剂自动加药机发现,其搅拌桶与储料桶之间利用连通器原理转移絮凝剂溶液,即在搅拌过程中不断地将絮凝剂溶液转移至储料箱中,使用时直接泵送到立式砂仓。这反映了整个絮凝剂添加工艺存在较大缺陷,原因是絮凝剂溶解搅拌工序与添加工序直接衔接导致大量成团未化开的絮凝剂直接添加至尾砂浆中,如图7为絮凝剂自动加药机储料箱中的絮凝剂溶液,为增强沉降效果,矿山已将絮凝剂的添加量增加至40 g/t。絮凝剂使用量的增加不仅增加了成本,也导致尾砂浆变稠发黏,影响后续砂仓的放砂与料浆的制备,因而需对絮凝剂自动加药机的制备系统进行优化以解决上述问题。
图7
(2)絮凝剂与尾砂浆未均匀混合,且尾砂浆浓度并非最佳浓度。该铜矿总尾砂浆通过隔膜泵泵送至立式砂仓的中心进料导流筒后,直接向下注入砂仓,絮凝剂溶液通过螺杆泵和DN25管路输送到进料导流筒中与尾砂浆在砂仓内混合,该添加方式造成絮凝剂与尾砂未充分混合,絮凝效果较差。此外,选厂尾砂浆的浓度时常有波动,在实际运行过程中絮凝剂添加量与尾砂量不匹配,进砂浓度并非最佳浓度,同时因絮凝剂溶液制备效果差,最终砂仓中的尾砂沉降无法达到预期效果,应对尾砂浆与絮凝剂的混合方式进行优化改造。
2.3 进砂浓度优化方案
针对该铜矿现场实际情况,为使全尾砂颗粒快速沉降,应尽可能地保证絮凝剂溶液的制备质量,同时在最佳初始进砂浓度条件下添加适量的絮凝剂。由于将总尾砂输送至充填站时高差大、管路长,大量生产水因重复做功而耗能,增加了矿山运营成本,因此应尽量避免在选厂以加水稀释的方式调节总尾砂浓度。本研究通过在立式砂仓进砂管上安装流量计和浓度计,将测量数据接入充填系统中控室,编制程序与絮凝剂自动加药机PLC对接,根据检测值计算尾砂质量,数据联锁控制调节絮凝剂输送螺杆泵的转速以实现絮凝剂的精确给料。为使絮凝剂与尾砂浆均匀混合并使沉降在最佳尾砂浆浓度下进行,立式砂仓顶增设混料装置及进砂浓度调节设施,以满足工艺要求。目前该优化改造设施已进入现场调试试生产阶段,试生产过程中砂仓溢流水清澈,整体达到预期目标,但还需完善控制程序并指导现场操作人员熟悉工艺流程。进砂浓度优化工艺流程如图8所示,进砂浓度调节与药剂混合装置如图9所示,对充填设施的改造及成果说明如下:
图8
图9
图9
进砂浓度调节与药剂混合装置
Fig.9
Facility adjustment for the slurry initial concentration and reagent mixing device
(1)絮凝剂溶液制备质量控制。现有絮凝剂溶液的制备流程短,絮凝剂还未充分溶解即已给料至砂仓顶,造成絮凝效果差。为提高絮凝剂溶液的质量,对絮凝剂自动加药机进行改造,将絮凝剂干粉给料及一次溶解搅拌桶抬高,同时扩大絮凝剂溶液储料箱的容积,确保絮凝剂初次溶解搅拌的时间不少于30 min,定时开启制备桶底阀使搅拌均匀的絮凝剂溶液自流进入储料箱。
(2)进砂浓度调节与药剂混合装置。增设总尾砂进砂缓冲料箱,料箱中布置螺旋导流道,在螺旋导流道上多点添加絮凝剂溶液,增加絮凝剂与尾砂浆的混合时间,同时使二者混合更加充分。砂仓顶安装液下渣浆泵,变频调速,待砂仓初次注满尾砂浆后静置一段时间,形成一定高度的清液后开启液下渣浆泵,将清水注入进料箱,选厂总尾砂同时切换进入进料箱。将上述进砂管流量计、浓度计、液下渣浆泵和絮凝剂输送螺杆泵的参数同时接入充填系统中控机中,再将进砂流量、浓度与渣浆泵变频值、螺杆泵变频值等参数按公式联锁,使进砂浓度维持在16%~17%之间、絮凝剂保持在最佳添加量,最终实现砂仓的进砂、沉降和溢流的动态平衡。
3 结论与展望
(1)通过对全尾砂粒级、颗粒表面形状的研究,发现该铜矿全尾砂极细颗粒(-20 μm)含量占比达44.61%,颗粒普遍呈片状、块状,且表面粗糙,致使该铜矿全尾砂在砂仓中沉降较困难,需通过添加絮凝剂来实现尾砂的快速沉降。
(2)进行了质量浓度分别为10%、15%和20%的全尾砂浆絮凝沉降试验,对试验测试结果进行分析拟合并确定拟合关系式,3种浓度尾砂浆的沉降曲线拟合方程的相关系数(R2)分别为0.97975、0.97647和0.97576,说明这3种不同初始浓度的尾砂浆具有很好的相关性。进一步对关系式中的系数进行分析,探究系数Vmax、K和n与进砂浓度C之间的关系,对C-Vmax、C-K和C-n关系曲线进行峰值寻找,最终提出该矿尾砂沉降效果最佳时对应的进砂浓度值为16%~17%。
(3)针对该铜矿的实际情况提出优化工艺,设计进砂浓度调节与药剂混合装置,将进砂流量、浓度与渣浆泵变频值、螺杆泵变频值等参数数据联锁,使絮凝沉降初始浓度维持在16%~17%之间,絮凝剂按最佳添加量设定并与进砂尾砂量匹配。
(4)目前优化改造设施已进入调试阶段,整体运行达到预期目标,砂仓溢流水清澈。但该套系统需要员工具有较高的综合素养,对设备精度、编程程序质量要求高,需定期校准测试,因此需要同时提高厂矿的管理水平并配备足够的专业人员跟踪维护。配合充填系统的整体优化后期可以考虑进行尾砂动态浓密试验,在动态条件下探究尾砂沉降与各个因素之间的关系,进一步降低全尾砂浆浓缩储存成本,推进自动化水平,精简工艺流程。
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