某高濃度尾礦自流管道輸送系統的設計

陳　潔　柴清潔　周麗圓　張　燕　李小珍

(北京華德創業環保設備有限公司)

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某高濃度尾礦自流管道輸送系統的設計

陳潔柴清潔周麗圓張燕李小珍

(北京華德創業環保設備有限公司)

摘要向榮礦業某鋅選礦廠尾礦處理原采用普通濃密機+陶瓷過濾機+皮帶輸送+鏟車逐步推進工藝，能耗大，二次污染嚴重。為解決該問題，設計了高濃度尾礦自流管道輸送系統。通過深錐濃密機將尾礦濃度提高至70%以上，利用濃密機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，環保、節能效果顯著，可作為該尾礦的干排工藝。

關鍵詞高濃度尾礦干堆自流輸送管道輸送

傳統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利用。當尾礦庫承受的負荷達到設計要求時，閉庫，進行水土保持、植被恢復、土地復墾。尾礦濕法堆放不但增加了運營成本，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，嚴重危害生態環境。

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

尾礦漿濃密、脫水后，質量濃度達到70%以上，流動性變差，不利于管道輸送，易沉積堵管。采用傳統的壓濾加鏟車或皮帶輸送運輸，易造成二次污染，且運行成本較高。因此，高濃度尾礦漿管道輸送技術在一定程度上制約了尾礦干排工藝的發展。

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

1設計要求

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

2設計原則

高濃度尾礦自流管道輸送系統設計時，遵照以下設計原則。

(1)通過深錐濃密機將尾礦濃度提高到70%以上，進行尾礦干堆。

(2)設計輸送濃度時，在充分滿足干堆的條件下，盡可能降低輸送難度。

(3)充分利用濃密機與尾礦壩之間的重力勢能，降低投資成本。

3設計工藝

3.1輸送特性試驗

對有代表性的待輸送尾礦樣進行輸送特性試驗。

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過程中的最大容許坡度和將來生產過程中帶漿停車的可行性及運行方式，對待輸送尾礦樣進行安息坡度試驗、沉積穿透重試驗。

3.1.3磨蝕性評估

進行尾礦樣對鋼管的磨蝕試驗，測定并預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工藝參數確定

3.2.1最佳輸送濃度

尾礦可輸送特性試驗結果表明，濃度70%的尾礦漿，屈服應力為9.7Pa，表觀黏度36.9cP；濃度72%的尾礦漿，屈服應力為22 Pa，表觀黏度54.7 cP；濃度75%的尾礦漿，屈服應力為47.2 Pa，表觀黏度121.7 cP，即表觀黏度與屈服應力隨尾礦漿濃度的升高呈指數上升趨勢。當濃度達到72%時，尾礦漿表現為高濃度均質不離析偽膏體；當濃度超過72%后，屈服應力隨濃度升高急劇增加，在濃度68%～75%范圍內，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，漿水分離現象不明顯，塌落度為28.8 mm，擴散直徑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，應盡可能降低屈服應力和黏度，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過渡到紊流狀態的流速，是礦漿黏度和礦漿屈服應力的函數。其中，黏度和初始屈服應力又是濃度的函數，因此，可根據試驗結果和漢克斯公式，建立過渡流速和礦漿濃度的關系。當尾礦漿濃度為72%時，只要流速超過1.2 m/s，尾礦漿即進入紊流狀態。

(2)臨界沉積流速，固體顆粒在輸送中保持懸浮狀態而不產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行時的穩定性，避免管底嚴重磨蝕，一般要求實際運行流速高于臨界流速。固體顆粒的密度、粒度級配、顆粒沉降系數和輸送濃度等均會影響臨界沉積流速。根據試驗結果，結合沉積流速的計算公式，可以建立沉積流速與濃度的關系。當尾礦漿濃度為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，確定最佳的安全流速為1.7 m/s。

3.2.3管道規格

結合安全流速，選擇外徑168 mm、內徑155.3 mm的DN150型管道，可滿足尾礦輸送能力 3 500 t/d的設計要求；管道壁厚6.35 mm，可滿足管道承壓及服務年限10 a的設計要求。

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。輸送起點濃密機出口標高1 450 m，輸送終點尾礦庫庫底標高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，借助地形條件實現自流輸送。

4輸送系統

高濃度尾礦自流管道輸送系統在輸送管路終端設置2條排放管道，一條設有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，需對富裕能量進行消除，防止管內尾礦漿流動過快產生加速流，并在加速流區形成真空，引發汽蝕，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生。系統結構見圖1。

圖1　高濃度尾礦自流管道輸送系統結構示意

5結論

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

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

參考文獻

[1]吳霜,楊猛．淺談朝陽市鐵礦企業尾礦干排技術及環境經濟效益[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 北京市朝陽區朝陽門外大街18號。