深海硫化礦船載高效脫水系統工藝技術研究

劉石梅， 曹傳輝， 周岳遠， 曾尚林

(長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

1 前言

海洋蘊藏著豐富的礦產資源，其中以多金屬結核、富鈷結核及熱液硫化物最具商業開采價值。目前國內外十分關注海底礦產資源的開發利用技術的研發，為海底礦產資源的工業化開采進行積極的探索和技術儲備。

商業化開采時，從海底采集到的礦漿體積量大、固含量低(僅為7%～12%)，因此，要求采礦船船載脫水系統能高效、快速地脫除海水，降低采礦船無效載荷，實現有價礦物的收集、堆存和轉運；同時，脫水系統就地排出的廢水必須滿足綠色排放的要求。

本文就某在建采礦船擬采集的礦漿進行脫水工藝研究，礦漿處理量4 000 m3/h，含固量400 t/h，粒度≤50 mm，要求脫水后固體含水率小于20%，排放廢水最大粒度小于0.1 mm。

基于缺少實際海底硫化礦礦樣這一具體情況，考慮到現階段海底硫化礦大規模取樣的技術難度大、成本高等現實問題，故確定采取陸地硫化礦作為模擬礦樣，代替海底硫化礦進行脫水試驗研究。

2 模擬礦樣特性研究

2.1 模擬礦樣采集

深海硫化礦中多含鋅、鉛、銅、鐵、釩、錫、銀等多金屬元素，礦床成因是由地殼運動時噴發的熱液熔巖與周圍海水混合，水中的金屬硫化物沉積到海底形成。陸地硫化礦是指硫化礦礦床中未受氧化或輕度氧化的礦石，典型的代表有鉛鋅礦礦床、黃銅礦礦床、黃鐵礦礦床等，其中又以鉛鋅礦礦床最為顯著。陸地硫化礦雖與海底硫化礦的成礦過程有所差別，但主要理化性質基本相同，故采用陸地硫化礦模擬海底硫化礦具有一定的指導意義。

凡口鉛鋅礦是目前中國乃至亞洲最大的鉛鋅礦產基地，是陸地硫化礦的典型代表。本次模擬礦樣取自二段破碎作業所得的破碎產品，物料粒度組成為-50 mm，綜合含水率約為8.0%，堆積密度約為3.8 g/cm3。

2.2 模擬礦樣制備

陸地硫化礦與海底硫化礦最大的區別在于海底硫化礦在深海高壓環境下長期受海水侵蝕，礦物表面與裂隙等部位蝕變作用明顯。為使模擬礦樣礦石表面理化性質盡可能接近海底硫化礦，本試驗研究將模擬礦樣置于模擬海水(鹽水)中長期(100 a左右)浸泡。

原礦經過烘干分散后進行混勻、縮分，粒度篩析樣、探索試驗樣及備樣。

2.3 模擬礦樣粒度組成研究

模擬礦樣累積粒度曲線見圖1、模擬礦樣粒級分布見圖2。

由圖1～2可知：模擬礦樣粒度級別分布較寬、整體粒度組成較粗、微細粒級含量較少。-1 mm粒度組成占全粒級21.91%，-0.028 mm粒度組成占全粒級6.30%。

圖1 模擬礦樣累積粒度曲線

圖2 模擬礦樣粒級分布圖

3 礦漿脫水工藝分析

礦漿脫水技術是以固液分離和按粒度分級為基礎的工程應用技術。主要包括：沉降、篩分、濃縮、離心和過濾脫水等。

與陸基脫水系統不同，船載脫水系統由于采船的工作空間有限，要求脫水設備大型化，并且脫水工藝流程盡可能短；脫水設備的工作特性不能影響浮動工作母船正常運行；脫水系統料流載荷運行不能影響浮動工作母船的正常工作；脫水系統排出的水中固含量應達到海洋環境合格排放的要求。

根據模擬礦樣的粒度分布及船載工況要求，擬采用分段—集成的脫水工藝，將礦物由粗到細逐級脫水。

3.1 粗粒物料的脫水

對于粗大顆粒物料而言，沉降和篩分脫水是常用的脫水技術，由于沉降脫水需要一定的沉降時間且存在效率較低的缺陷，因此，工業生產中大多采用脫水篩脫水。脫水效率取決于物料的表觀含水率和篩分脫水設備的選擇，可以直接處理低濃度固體含量的礦漿，工業生產一般可應用于+5 mm以上的物料。

3.2 細粒物料的脫水

-5+0.5 mm細粒物料比粗粒物料較難脫水，通常采用篩分、離心、真空過濾的脫水方式進行處理(真空過濾可處理更細些的物料)。為了保證經濟的脫水效率細粒物料必須經過濃縮達到30%以上固含量濃度要求后，再進行脫水作業。其脫水效率亦取決于物料的表觀含水率和脫水設備的選擇。

3.3 微細粒物料的脫水

-0.5 mm微細粒物料脫水難度最大，目前，壓濾脫水是該物料脫水的常用方式。在壓濾脫水之前，也必須經過濃縮，才能保證脫水效率。

4 模擬礦樣脫水工藝試驗研究

在模擬礦樣的脫水特性研究和各陸基脫水技術調研分析的基礎上，制訂了模擬礦樣的脫水探索試驗和全流程試驗方案。

4.1 模擬礦樣脫水探索試驗

4.1.1 篩分脫水試驗

本試驗旨在探索研究對模擬礦樣粗粒級的篩分脫水效果，一段脫水作業采用ZKX936型直線振動篩進行試驗研究，條形篩孔、篩孔尺寸10 mm；操作條件為振幅9.5 mm，振次900次/min，振動方向角度45°，試驗結果見表1。

表1 一段脫水篩試驗結果

表1結果表明：一段篩分脫水能夠在給礦含水率為90.69%的情況下得到產率為52.34%，含水率為5.6%的+10 mm的篩上脫水產品。

二段脫水作業試驗研究仍采用ZKX936型直線脫水篩，操作條件及試驗方案與一段相同，但此段篩孔尺寸為5 mm，給礦為一段試驗所得的篩下產品，試驗結果見表2。

表2 二段脫水篩試驗結果

表2結果表明：二段脫水篩能夠在給礦含水率為95.32%的情況下得到產率為24.63%，含水率為6.05%的+5 mm的篩上脫水產品。

4.1.2 一段旋流器濃縮試驗

二段脫水篩篩下產品含水率高達96.43%，篩下產品粒度組成-5 mm，須通過濃縮后方能進入下段脫水作業，因此，采用水力旋流器進行篩下產品的濃縮脫水試驗，以適應船載脫水系統有限的空間環境下設備配置。

試驗采用長沙礦冶研究院自主研發的CZ-150型旋流器，分別就沉沙嘴、溢流管、給礦濃度等關鍵因素展開探索試驗。試驗考察沉砂產率、沉砂含水率及溢流粗粒級含量等在不同試驗條件下的狀況，沉砂由傘狀至柱狀，含水率由高到低。

(1)錐角與沉砂嘴直徑試驗。試驗考察20°與45°錐角的沉砂嘴對5 mm篩孔脫水篩篩下產品的濃縮脫水效果。試驗條件為：進礦壓力P=0.15 MPa，溢流管直徑D0和沉砂嘴直徑Du，試驗結果見表3。

表3 錐角及沉砂嘴直徑試驗結果

根據表3考察不同錐角條件下沉砂產率與濃縮比(沉砂濃度/給礦濃度)的對比關系，結果見圖3。

由表3及圖3可以得出以下結論：

在相同的濃縮比條件下，不同錐角的沉砂產率及含水率趨勢為：錐角越大，沉砂產率越低，但含水率差距不大。因試驗條件限制，無法進行更小錐角的試驗，但根據以往的生產實踐經驗，錐角越小越有利于得到含水率較低的沉砂產品。

圖3 不同錐角條件下沉砂產率與濃縮比關系圖

(2)溢流管直徑試驗。溢流管直徑亦為影響其濃縮脫水效果的重要參數，根據錐角與沉砂嘴直徑試驗的結果，確定溢流管直徑試驗的條件為：錐角20°、沉砂嘴直徑Du=12 mm、進礦壓力P=0.15 MPa，分別考察溢流管直徑D0為30，28，26，24 mm情況下旋流器濃縮脫水的效果。試驗結果見表4。

表4 溢流管直徑試驗結果

根據表4考察沉砂產率與濃縮比在不同溢流管直徑條件下的變化，結果見圖4。

圖4 不同溢流管直徑條件下沉砂產率與濃縮比變化圖

由表4及圖4得知：溢流管直徑對該樣的濃縮比及沉砂產率有一定的影響。隨著溢流管直徑變大，沉砂濃縮比變小，變化范圍不大，但沉砂產率顯著上升。

(3)給礦壓力試驗。給礦壓力直接決定物料進入旋流器的初速度，也是影響旋流器濃縮脫水效果的重要參數。試驗的條件為：錐角20°、沉砂嘴直徑Du=12 mm、溢流管直徑D0=30 mm，分別考察給礦壓力P為0.15，0.12，0.10，0.08 MPa條件下旋流器濃縮脫水的效果。試驗結果見表5。

表5 給礦壓力試驗結果

根據表9考察沉砂產率與濃縮比在不同溢流管直徑條件下的變化，結果見圖5。

圖5 不同給礦壓力條件下沉砂產率與濃縮比變化圖

由表5及圖5可知：隨著給礦壓力變大，沉砂濃縮比及產率均變小，但變化范圍較小，說明在該試驗條件下給礦壓力對濃縮脫水效果影響有限。

4.1.3 離心脫水試驗

一段旋流器濃縮脫水所得的沉砂產品，其固含量為50%左右，粒度組成為-5+0.1 mm，若要進一步脫除水分，離心脫水工藝是較佳選擇。

試驗給礦為一段旋流器的沉砂產品，其含水率為50.37%。采用TLL-720型立式離心脫水機，旋轉篩網孔隙為0.5 mm、轉速600 r/min。試驗結果見表6。

表6 離心脫水機試驗結果

由表6可知：一段旋流器的沉砂產品經過離心脫水機的處理可得到產率為74.59%，含水率為9.36%的-5+0.5 mm濾渣產品。

4.1.4 二段旋流器濃縮脫水試驗

一段旋流器濃縮脫水試驗溢流產率為34%左右，含水率約為98.50%，含-0.1 mm的微細粒級物料；離心脫水機脫水試驗濾液產率為24.51%，含水率為78.12%，含-0.5+0.1 mm細粒級物料。將兩者合并，經過旋流器濃縮后再由壓濾機脫水處理。兩者合并后粒度組成為-0.5 mm、含水率約為98%，采用CZ-100型旋流器進行濃縮脫水試驗。基于一段旋流器的試驗結果，本次主要開展錐角與沉砂嘴直徑試驗，匹配與之對應較為合適的溢流管直徑與給礦壓力條件。

試驗考察20°與10°錐角的沉砂嘴對一段旋流器溢流與離心機濾液合并物料的濃縮脫水效果。試驗條件為：進礦壓力P=0.15 MPa，溢流管直徑D0和沉砂嘴直徑Du，試驗結果見表7。

表7 二段旋流器濃縮錐角及沉砂嘴直徑試驗結果

根據表7考察不同錐角及沉砂嘴直徑條件下沉砂產率與濃縮比的對比關系，結果見圖6。

圖6 不同錐角條件下沉砂濃縮比與產率關系圖

由表7及圖6可知：20°與10°錐角條件下沉砂均能保持較高的產率，但后者顯然具有更高的濃縮比，且兩者的沉砂產率雖有一定的差異，但范圍較小。通過二段旋流器的濃縮可得到作業產率在86%以上，含水率低至65%左右的沉砂產品；溢流固含量小于0.3%。

4.1.5 壓濾脫水試驗

-0.5 mm微細粒級物料(二段旋流濃縮后沉沙產品)需進一步脫水則采用壓濾脫水工藝較為合理。

本次試驗采用BAS2/320-25型板框壓濾機，板框數量為10組，工作壓力為1.0 MPa，處理物料含水率為67.53%。試驗結果見表8。

表8 壓濾脫水試驗結果

由表8可知：二段旋流器的沉砂產品經壓力作業后可得到作業產率為99.56%、含水率為15.26%的濾餅；濾液中固含量為0.23%。

4.2 脫水工藝全流程驗證試驗

在各段脫水探索試驗的基礎上，確定了相應作業的試驗條件及產品指標，開展全流程脫水試驗，結果見表9，數質量流程圖見圖7。

表9 全流程脫水試驗結果

由表9可知：全流程試驗分別得到產率為63.36%、18.38%、15.89%，含水率為5.74%、9.41%、15.25%的固體產品；以及固含量為0.24%的廢水。全流程試驗數質量流程圖見圖7。

圖7 模擬礦樣脫水試驗全流程數質量流程圖

5 結論

(1)模擬礦樣的理化性質分析研究與真實海底硫化礦對比可知兩者具有相近的化學組成、物相組成及粒度組成，因此，在缺少實際海底硫化礦礦樣的條件下，采用模擬礦樣開展脫水試驗研究具有一定的指導意義。

(2)由于模擬礦樣呈寬粒級分布，而各粒級脫水的難易程度各不相同，因此，只能采取分段—集成脫水的脫水工藝，方能滿足船載快速、高效脫水的技術要求。

(3)通過各段脫水工藝的條件試驗，確定了各段作業設備、操作條件、脫水粒級等的各項基本參數及產品指標參數，并通過全流程脫水驗證試驗，證實了分段—集成脫水工藝的可行性。

(4)對于模擬礦樣，當待處理礦漿量為4 000 m3/h(含固量400 t/h)時，通過該分段—集成脫水工藝的脫水作業，可得到產率分別為63.36%、18.38%、15.89%(共計干礦量390.52 t/h)，含水率分別為5.74%、9.41%、15.25%的三種固體顆粒產品；以及流量為3 869.70 m3/h、固含量為0.24%的廢水。

(5)由于實際海底硫化礦經過海底采礦上采船的礦石性質與模擬礦樣畢竟存在一定的差異(特別在脫水性能方面)，因此，本脫水工藝技術在采礦船上的工程實施時，需經過實際海底礦樣的工業生產驗證并根據生產運行情況予以修正完善。