大屯錫礦立式砂倉最佳進料參數研究

陳 濤，喬登攀，劉燕輝，王 俊

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093；2.云南錫業股份有限公司 大屯錫礦，云南 個舊 661000)

隨著國家對環境保護的日益重視，尾砂充填技術被越來越多的礦山采用[1]。尾砂的快速濃密脫水是尾砂充填的重要環節。選廠排放的尾砂濃度低，為保證充填質量，必須對選廠尾砂進行濃密脫水到一定濃度后才能用于充填料漿制備[2]。

立式砂倉是典型的重力固液分離濃縮設備，其處理能力決定了砂倉的工作效率，制約著充填系統充填能力。相同進料濃度下，砂倉的處理能力與尾砂沉降速度呈正相關[3]，提高尾砂沉降速度，是增大砂倉處理能力的關鍵。相關研究表明，沉降速度與進料濃度、尾砂粒徑組成有關[4-7]。選礦技術的不斷發展，讓尾砂呈細粒化發展趨勢[8]，對于細粒徑尾砂，用立式砂倉重力沉降的方式，沉降速度慢，固體通量小[9-10]，無法快速獲得底流產品，導致砂倉處理能力不足。一些學者通過改變沉降方式來提升沉降速度，如磁化處理[11]、添加絮凝劑、超聲處理[12]等。其中，添加絮凝劑的方式操作方便，能有效提高全尾砂沉降速度，在控制進料濃度和添加合適的絮凝劑條件下，其沉降速度可達自然沉降速度的近30倍，在礦山尾砂濃縮中應用廣泛[13-14]。在尾砂濃密脫水中，控制進料參數和選擇合適的沉降方式是保證砂倉處理能力的前提。

大屯錫礦因采礦生產需求及緩解尾礦庫庫容，計劃建設一套充填制備系統，其尾砂濃密設備擬選用立式砂倉。沉降方式及進料參數是快速獲得濃縮產品的基礎，本文擬通過對大屯錫礦尾砂沉降速度、固體通量等特性分析，以滿足設備最大處理能力為前提條件，為沉降方式及進料參數的設計提供設計依據。

1 尾砂自然沉降特性

1.1 自然沉降試驗方案

1)試驗原料

試驗原料選用大屯錫礦全尾砂，其物理力學參數和粒徑組成見表1、表2。

表1 大屯錫礦尾砂物理力學參數

表2 大屯錫礦全尾砂粒徑組成

2)試驗方案

大屯錫礦尾砂自然沉降試驗方案如表3所示，沉降容積500 mL，高度250 mm，共進行10次試驗。

表3 大屯錫礦尾砂自然沉降方案

試驗過程中采用錄像的方式記錄尾砂沉降過程(圖1)。尾砂沉降完成后，采用等時間間隔的方式讀取固液分離界面高度并繪制圖表。

圖1 尾砂沉降過程Fig.1 Tailings settling process

1.2 尾砂自然沉降速度

根據尾砂沉降試驗中固液分離界面高度隨時間變化的統計數據，繪制料漿沉降曲線如圖2所示。

圖2 大屯錫礦尾砂沉降曲線Fig.2 Settlement curves of Datun tin mine tailings

由圖2可知，尾砂沉降曲線由三段線組成，分別對應自由沉降直線段、壓縮過渡(沉降轉壓縮)曲線段以及壓縮濃密直線段。

尾砂沉降速度指尾砂顆粒在水中自由沉降的平均速度。因此，截取沉降曲線中自由沉降直線段，對其進行擬合，擬合所得函數斜率即為尾砂沉降速度(圖3)。

圖3 大屯錫礦尾砂自由沉降直線段擬合結果Fig.3 Fitting curves of straight line free settlement of Datun tin mine tailings

根據擬合結果，讀取尾砂沉降速度，并繪制尾砂沉降速度與濃度之間的關系曲線，如圖4所示。

圖4 大屯錫礦尾砂沉降速度分布曲線Fig.4 Settlement velocity distribution curve of tailings in Datun tin mine

由圖4分析結果可知，尾砂沉降速度隨濃度的增大而減小，且減小速率隨濃度的增大而減小，表明當全尾砂料漿濃度超過某一值時，其沉降速度逐漸趨于穩定。

1.3 尾砂沉降固體通量

固體通量是指單位時間內通過單位面積的固體質量。尾砂固體通量是立式砂倉的關鍵運行控制指標，反映了立式砂倉單位面積的理論處理能力。固體通量按式(1)計算。

φ=ρvCV

(1)

式中：φ—尾砂固體通量，kg/(m2·s)；ρ—尾砂密度，kg/m3；v—尾砂沉降速度，m/s；CV—尾砂料漿體積濃度，%。

大屯錫礦尾砂固體通量計算結果見表4。

表4 大屯錫礦尾砂沉降固體通量

由表4繪制固體通量與尾砂濃度關系曲線如圖5所示。

圖5 固體通量與尾砂濃度分布曲線Fig.5 Distribution curve of solid flux and tailings concentration

由圖5可知，全濃度范圍內尾砂固體通量存在最大值，該值對應的料漿濃度即為制備系統的最佳進料濃度。根據上述分析可知，大屯錫礦全尾砂料漿自然沉降最佳進料體積濃度為9.88%(質量濃度25%)，固體通量0.051 8 kg/(m2·s)。該固體通量嚴重偏小，會導致立式砂倉裝砂時間過長，不滿足尾砂快速沉降獲得底流產品的要求。因此，必須考慮改變尾砂沉降手段，實現尾砂快速沉降。

2 尾砂絮凝沉降特性

2.1 尾砂絮凝沉降試驗方案

絮凝劑選用大屯錫礦選廠濃密池常用的聚丙烯酰胺(型號：RT491)，絮凝沉降試驗如表5所示。

表5 絮凝沉降試驗方案

2.2 尾砂絮凝沉降速度

尾砂絮凝沉降速度分析方法如前所述，分析結果如圖6所示。

圖6 尾砂絮凝沉降速度Fig.6 Settlement velocity of tailings flocculation

由圖6可知，相同濃度條件下，尾砂料漿中添加聚丙烯酰胺(型號：RT491)絮凝劑可有效改善尾砂沉降效果，提高尾砂沉降速度，且沉降速度隨絮凝劑的添量的增大而增大；絮凝劑添量一定的情況下，尾砂沉降速度隨濃度的增大而減小。

2.3 尾砂絮凝沉降固體通量

通過尾砂沉降速度可由(1)式計算出固體通量，繪制各絮凝劑添量下固體通量與濃度關系曲線如圖7。

圖7 固體通量與濃度分布曲線Fig.7 Distribution curves of solid flux and concentration

由圖7可知，相同濃度條件下，尾砂固體通量隨絮凝劑的添量增大而增大，其根本原因在于絮凝劑的添加有助于尾砂快速沉降。

3 立式砂倉最佳進料參數

3.1 立式砂倉最大處理能力

立式砂倉的最大處理能力決定了立式砂倉的工作效率、充填系統設置以及充填系統充填能力等。對上述確定的最大固體通量，結合設備結構尺寸(大屯立式砂倉直徑9 m)可計算立式砂倉最大理論處理能力，按式(2)計算。

(2)

式中：M—立式砂倉處理能力，t/h；φ—尾砂固體通量，kg/(m2·s)；s—立式砂倉水平面面積，m2；t—單位時間，3 600 s。

3.2 最佳進料流量

立式砂倉實際裝砂過程中，其處理能力由進料濃度以及進料流量共同決定。前述確定尾砂最佳進料濃度、最大固體通量以及立式砂倉最大處理能力，可計算最佳進料流量。計算進料流量，按式(3)計算：

(3)

式中：Q—立式砂倉進料流量，m3/h；M—立式砂倉處理能力，t/h；ρ—尾砂密度，t/m3；CV—立式砂倉尾砂料漿進料濃度，%。

由式(2)和(3)計算立式砂倉不同絮凝劑添加量尾砂沉降最大處理能力以及最佳進料流量如表6所示。

表6 立式砂倉不同絮凝劑添量理論最大處理能力及最佳進料流量

根據上述的分析結果可知，自然沉降條件下，大屯錫礦立式砂倉控制進料體積濃度為9.88%(質量濃度25%)，進料流量為39.43 m3/h，設備處理能力最大僅為11.86 t/h；絮凝沉降條件下，絮凝劑添加量為20 g/t，控制砂倉進料質量濃度為25%(體積濃度為9.88%)，進料流量448.14 m3/h，設備處理能力最大為134.67 t/h。相較于自然沉降，添加絮凝劑能極大提高立式砂倉處理能力，提高幅度達2.85～11.37倍。

4 結論

1)通過對大屯錫礦尾砂自然沉降的沉降特性分析可知，采用自然沉降方式，尾砂沉降速度較慢，固體通量及立式砂倉處理能力較小，無法快速獲得底流產品，不能滿足礦山充填需求。

2)聚丙烯酰胺(型號：RT491)絮凝劑能極大地提高大屯錫礦尾砂沉降速度、固體通量及立式砂倉處理能力，絮凝劑添加量10～20 g/t條件下，立式砂倉處理能力是自然沉降的2.85～11.37倍，推薦采用絮凝沉降處理尾砂。

3)絮凝沉降條件下，大屯錫礦直徑9 m的立式砂倉最優進料參數為：絮凝劑添加量20 g/t，進料體積濃度9.88%(質量濃度25%)，進料流量448.14 m3/h，立式砂倉最大處理能力可達134.67 t/h。