某銅鐵礦全尾砂絮凝沉降試驗

王 耀

(大冶有色金屬集團控股有限公司)

目前尾礦排放是國內大多數礦山面臨的一大難題，一是因為一些礦山尾礦經多年排放后，尾礦庫因安全環保原因不能繼續堆存；二是隨著安全環保政策壓力不斷加大，尾礦庫的批建逐步取消。礦山要實現可持續發展，必須充分考慮尾礦綜合利用問題，首先需要解決尾礦沉降濃縮問題。

1 全尾砂性質

某銅鐵礦山選礦廠年處理原礦140萬t，產生全尾砂約100萬t/a。因細粒級全尾砂難以沉降，現有充填系統僅利用70%的全尾砂用于井下充填，利用率低。

為開展超細全尾砂沉降試驗，首先對全尾砂理化性質進行分析[1]。該銅鐵礦全尾砂濃度30.60%，化學多元素分析結果見表1，粒度分析結果見表2。

表1 全尾砂化學多元素分析結果 %

從表1、表2可以看出，全尾砂含鐵12.34%，粗粒級含量則較低；-0.038 mm粒級占41.15%，細粒級含量較高，該全尾砂較難沉降。

表2 全尾砂粒度粒度分析結果

2 試驗結果與討論

2.1 絮凝劑種類試驗

固定全尾砂濃度30.00%、絮凝劑用量50 g/t，進行不同絮凝劑的絮凝沉降與自然沉降對比試驗，不同沉降時間下清水層高度見圖1。

圖1 絮凝沉降與自然沉降試驗結果

圖1表明：①絮凝沉降與自然沉降在初期沉降過程中，清水層高度隨時間近似呈線性變化關系，中后期沉降呈非線性變化關系；②相比自然沉降，添加絮凝劑可縮短沉降時間并提高清水層高度，加快沉降效率；③對比絮凝沉降早期即初期沉降段(圖中直線段)、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(圖中近似平滑曲線段)沉降效果發現，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對同一種類型的全尾砂，添加的絮凝劑不同，沉降效果不同。

根據絮凝劑添加后全尾砂沉降效果對比，選擇愛森CG2653絮凝劑進行沉降試驗。

2.2 全尾砂濃度試驗

在愛森CG2653絮凝劑添加量50 g/t的條件下，進行不同全尾砂濃度的絮凝沉降試驗，結果見圖2。

圖2 不同全尾砂濃度絮凝沉降試驗結果

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通量來衡量的，低尾砂濃度并不一定對應最大的沉降效率。因為盡管全尾砂濃度低、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]。分別計算不同全尾砂濃度的全尾砂絮凝沉降速度和固體通量，結果見表3。

表3 不同全尾砂濃度絮凝沉降速度及固體通量計算結果

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

3 絮凝沉降模型過程分析

實現該全尾砂連續絮凝沉降的工業應用必須考慮2個問題：一是研究沉降機理，實現全尾砂絮凝沉降；二是絮凝沉降能夠連續進行。基于這些因素考慮，假定在足夠大的砂倉內發生連續絮凝沉降，絮凝沉降模型可劃分為以下2種模型。

(1)模型1。假設在裝滿水的砂倉中，全尾砂絮凝沉降過程中不釋放底流，絮凝沉降結束沉降層壓縮一段時間后，釋放一定濃度的底流，示意見圖3。

圖3 模型1示意

模型1絮凝沉降分5個過程。當向砂倉加入絮凝劑與全尾砂時，清水不斷從砂倉頂部外溢，砂倉內開始產生絮團。此時絮團沉降看作是近似直線加速直至勻速運動，形成加速沉降層，即過程①；當絮團到達砂倉底部后，絮團之間互相干涉碰撞，底層全尾砂濃度不斷增加，絮團沉降速度減慢，形成擁擠沉降層，即過程②；經過一段時間的絮凝沉降后，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，底層開始壓縮，形成壓縮沉降層，即過程③；隨著絮凝沉降的不斷進行，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越低，直至擁擠沉降層充滿砂倉頂部，砂倉開始出現細砂溢流，此時需停止添加絮凝劑和全尾砂，即過程④、⑤；沉降一段時間后，砂倉上層為清水，中間少量擁擠沉降層絮團，底層壓縮沉降全尾砂，即過程⑥。

(2)模型2。假設在裝滿水的砂倉中，加入全尾砂與絮凝劑后，全尾砂絮凝沉降過程先不釋放底流，待沉降壓縮層具有一定高度和底流達到一定濃度后，邊投入絮凝劑、全尾砂進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；待壓縮沉降層達到允許排放要求后，繼續循環上述沉降過程，示意見圖4。

模型2沉降包括6個過程，其中過程①～③與模型1基本相同；在壓縮沉降層達到一定厚度且滿足底流釋放濃度后，砂倉邊進行全尾砂絮凝沉降邊釋放底流，同時向砂倉內補水，即過程④；當壓縮沉降層厚度達不到穩定釋放一定濃度的底流要求后，停止釋放底流，砂倉補水至倉頂后停止補水，即過程⑤；待壓縮沉降層達到允許釋放要求后，釋放底流，即過程⑥、⑦；循環沉降過程③～⑦，實現連續沉降。

圖4 模型2示意

4 工業試驗

4.1 砂倉絮凝沉降試驗

對φ6 m砂倉的中心桶進行改造，防止砂倉進料對絮凝沉降造成干擾。絮凝沉降試驗前先向砂倉內加入一定深度的水，然后向砂倉內加入15%濃度的全尾砂與50 g/t的絮凝劑愛森CG2653，進行砂倉絮凝沉降試驗。試驗過程發現全尾砂迅速沉降，砂倉內的清水層液位不斷上升，直至達到砂倉溢流口時，清水層開始出現溢流；當清水層深度小于1.0 m時，開始出現細砂溢流；當清水層小于0.5 m時，溢流逐漸出現渾濁，試驗終止。待沉降層壓縮3 h后，釋放底流，此時底流濃度約55.00%。

砂倉絮凝沉降試驗符合模型1，只能間斷生產，不能滿足連續生產要求。

4.2 深錐沉降試驗

在φ1 m的深錐中分別采用15%濃度的砂倉溢流尾砂與全尾砂分別進行絮凝沉降試驗，深錐底流濃度分別達50.00%左右、65.00%左右，且深錐溢流水溶質含量低于200 g/t，達到生產水使用條件，并實現了連續絮凝沉降。

5 工業深錐沉降試驗

通過綜合φ6 m砂倉沉降試驗與φ1 m深錐沉降試驗后，結合實驗室沉降試驗數據，設計安裝了φ16 m、高30 m的工業深錐進行工業化試驗，以滿足礦山約100萬t/a的全尾砂產量處理要求，實現了全尾砂連續絮凝沉降作業。在全尾砂濃度為25%～30%(工業深錐橫截面積比砂倉大，處理能力大，適宜沉降的尾砂濃度大)時，深錐底流濃度為67.00%～70.00%，滿足底流濃度65.00%以上的全尾砂利用要求。

6 結 論

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

(2)通過對比兩種絮凝沉降模型，認為模型2能夠實現全尾砂底流的連續排放，滿足工業連續化生產要求，相比模型1的底流間斷排放，更有利于組織生產，因此選擇深錐進行全尾砂絮凝沉降工業應用。

(3)在φ16 m、高30 m的工業深錐內對該銅鐵全尾砂進行絮凝沉降，處理能力滿足生產要求，深錐底流濃度67.00%～70.00%，達到全尾砂利用的濃縮要求，且能實現連續沉降，表明絮凝沉降作為該全尾砂的濃縮工藝完全可行。