某铜铁矿全尾砂絮凝沉降试验

王 耀

(大冶有色金属集团控股有限公司)

目前尾矿排放是国内大多数矿山面临的一大难题，一是因为一些矿山尾矿经多年排放后，尾矿库因安全环保原因不能继续堆存；二是随着安全环保政策压力不断加大，尾矿库的批建逐步取消。矿山要实现可持续发展，必须充分考虑尾矿综合利用问题，首先需要解决尾矿沉降浓缩问题。

1 全尾砂性质

某铜铁矿山选矿厂年处理原矿140万t，产生全尾砂约100万t/a。因细粒级全尾砂难以沉降，现有充填系统仅利用70%的全尾砂用于井下充填，利用率低。

为开展超细全尾砂沉降试验，首先对全尾砂理化性质进行分析[1]。该铜铁矿全尾砂浓度30.60%，化学多元素分析结果见表1，粒度分析结果见表2。

表1 全尾砂化学多元素分析结果 %

从表1、表2可以看出，全尾砂含铁12.34%，粗粒级含量则较低；-0.038 mm粒级占41.15%，细粒级含量较高，该全尾砂较难沉降。

表2 全尾砂粒度粒度分析结果

2 试验结果与讨论

2.1 絮凝剂种类试验

固定全尾砂浓度30.00%、絮凝剂用量50 g/t，进行不同絮凝剂的絮凝沉降与自然沉降对比试验，不同沉降时间下清水层高度见图1。

图1 絮凝沉降与自然沉降试验结果

图1表明：①絮凝沉降与自然沉降在初期沉降过程中，清水层高度随时间近似呈线性变化关系，中后期沉降呈非线性变化关系；②相比自然沉降，添加絮凝剂可缩短沉降时间并提高清水层高度，加快沉降效率；③对比絮凝沉降早期即初期沉降段(图中直线段)、絮凝沉降中期即拥挤沉降段(图中弯曲段)、絮凝沉降后期即压缩沉降段(图中近似平滑曲线段)沉降效果发现，初期沉降段与拥挤沉降段沉降效果明显，压缩沉降段沉降效果不明显[2]；④对同一种类型的全尾砂，添加的絮凝剂不同，沉降效果不同。

根据絮凝剂添加后全尾砂沉降效果对比，选择爱森CG2653絮凝剂进行沉降试验。

2.2 全尾砂浓度试验

在爱森CG2653絮凝剂添加量50 g/t的条件下，进行不同全尾砂浓度的絮凝沉降试验，结果见图2。

图2 不同全尾砂浓度絮凝沉降试验结果

全尾砂浓度越低，絮凝沉降速度越快[3]。絮凝沉降效率是以固体物质通量来衡量的，低尾砂浓度并不一定对应最大的沉降效率。因为尽管全尾砂浓度低、沉降速度快，但受固体浓度、密度等因素影响，固体通量不一定高[4]。分别计算不同全尾砂浓度的全尾砂絮凝沉降速度和固体通量，结果见表3。

表3 不同全尾砂浓度絮凝沉降速度及固体通量计算结果

从图2、表3可以看出，全尾砂絮凝沉降固体通量达到最大时沉降效率最高，因此最佳全尾砂浓度为15%，固体通量达到最大值3.46 t/(m2·h)。

3 絮凝沉降模型过程分析

实现该全尾砂连续絮凝沉降的工业应用必须考虑2个问题：一是研究沉降机理，实现全尾砂絮凝沉降；二是絮凝沉降能够连续进行。基于这些因素考虑，假定在足够大的砂仓内发生连续絮凝沉降，絮凝沉降模型可划分为以下2种模型。

(1)模型1。假设在装满水的砂仓中，全尾砂絮凝沉降过程中不释放底流，絮凝沉降结束沉降层压缩一段时间后，释放一定浓度的底流，示意见图3。

图3 模型1示意

模型1絮凝沉降分5个过程。当向砂仓加入絮凝剂与全尾砂时，清水不断从砂仓顶部外溢，砂仓内开始产生絮团。此时絮团沉降看作是近似直线加速直至匀速运动，形成加速沉降层，即过程①；当絮团到达砂仓底部后，絮团之间互相干涉碰撞，底层全尾砂浓度不断增加，絮团沉降速度减慢，形成拥挤沉降层，即过程②；经过一段时间的絮凝沉降后，加速沉降层高度不断减小，拥挤沉降层高度不断增加。在重力作用下，底层开始压缩，形成压缩沉降层，即过程③；随着絮凝沉降的不断进行，拥挤沉降层和压缩沉降层厚度不断增加，加速沉降层高度越来越低，直至拥挤沉降层充满砂仓顶部，砂仓开始出现细砂溢流，此时需停止添加絮凝剂和全尾砂，即过程④、⑤；沉降一段时间后，砂仓上层为清水，中间少量拥挤沉降层絮团，底层压缩沉降全尾砂，即过程⑥。

(2)模型2。假设在装满水的砂仓中，加入全尾砂与絮凝剂后，全尾砂絮凝沉降过程先不释放底流，待沉降压缩层具有一定高度和底流达到一定浓度后，边投入絮凝剂、全尾砂进行絮凝沉降边释放底流，直至压缩沉降层不释放底流后停止；待压缩沉降层达到允许排放要求后，继续循环上述沉降过程，示意见图4。

模型2沉降包括6个过程，其中过程①～③与模型1基本相同；在压缩沉降层达到一定厚度且满足底流释放浓度后，砂仓边进行全尾砂絮凝沉降边释放底流，同时向砂仓内补水，即过程④；当压缩沉降层厚度达不到稳定释放一定浓度的底流要求后，停止释放底流，砂仓补水至仓顶后停止补水，即过程⑤；待压缩沉降层达到允许释放要求后，释放底流，即过程⑥、⑦；循环沉降过程③～⑦，实现连续沉降。

图4 模型2示意

4 工业试验

4.1 砂仓絮凝沉降试验

对φ6 m砂仓的中心桶进行改造，防止砂仓进料对絮凝沉降造成干扰。絮凝沉降试验前先向砂仓内加入一定深度的水，然后向砂仓内加入15%浓度的全尾砂与50 g/t的絮凝剂爱森CG2653，进行砂仓絮凝沉降试验。试验过程发现全尾砂迅速沉降，砂仓内的清水层液位不断上升，直至达到砂仓溢流口时，清水层开始出现溢流；当清水层深度小于1.0 m时，开始出现细砂溢流；当清水层小于0.5 m时，溢流逐渐出现浑浊，试验终止。待沉降层压缩3 h后，释放底流，此时底流浓度约55.00%。

砂仓絮凝沉降试验符合模型1，只能间断生产，不能满足连续生产要求。

4.2 深锥沉降试验

在φ1 m的深锥中分别采用15%浓度的砂仓溢流尾砂与全尾砂分别进行絮凝沉降试验，深锥底流浓度分别达50.00%左右、65.00%左右，且深锥溢流水溶质含量低于200 g/t，达到生产水使用条件，并实现了连续絮凝沉降。

5 工业深锥沉降试验

通过综合φ6 m砂仓沉降试验与φ1 m深锥沉降试验后，结合实验室沉降试验数据，设计安装了φ16 m、高30 m的工业深锥进行工业化试验，以满足矿山约100万t/a的全尾砂产量处理要求，实现了全尾砂连续絮凝沉降作业。在全尾砂浓度为25%～30%(工业深锥横截面积比砂仓大，处理能力大，适宜沉降的尾砂浓度大)时，深锥底流浓度为67.00%～70.00%，满足底流浓度65.00%以上的全尾砂利用要求。

6 结 论

(1)絮凝沉降与自然沉降在初期沉降过程中，清水层高度随时间近似呈线性变化关系，中后期沉降呈非线性变化关系；相比自然沉降，添加絮凝剂可缩短沉降时间并提高清水层高度，加快沉降效率。试验表明该铜铁矿全尾砂适宜的絮凝剂为爱森CG2653絮凝剂，添加量为50 g/t。

(2)通过对比两种絮凝沉降模型，认为模型2能够实现全尾砂底流的连续排放，满足工业连续化生产要求，相比模型1的底流间断排放，更有利于组织生产，因此选择深锥进行全尾砂絮凝沉降工业应用。

(3)在φ16 m、高30 m的工业深锥内对该铜铁全尾砂进行絮凝沉降，处理能力满足生产要求，深锥底流浓度67.00%～70.00%，达到全尾砂利用的浓缩要求，且能实现连续沉降，表明絮凝沉降作为该全尾砂的浓缩工艺完全可行。