高效板框式压滤机在梅山矿尾矿综合利用中的实践

赵耀军，王志生

（南京宝地产城发展有限公司矿业分公司，江苏 南京 210012）

梅山铁矿地处南京近郊，是国内离中心城市最近的大型地下矿山，具备年500 万吨的采选综合生产能力。其采矿方式采用无底柱分段崩落法，该采矿方法废石混入率高达15%～20%。随着采矿水平的下移，此比例也随之略有提高。其二期设计尾矿用大型隔膜泵输送至38 公里以外的山景尾矿库堆存。由于地处南京，随着国家安全、环保要求的提高，原设计的山景二期尾矿库进一步征地几无可能，尾矿库的库容严重不足，按目前尾矿排放量，尾矿库只能再使用3 年。矿山尾矿库库容不足与湿尾排放量逐年增加的矛盾日益突出，尾矿问题直接关系到梅山矿业公司的生存，尽快开展尾矿综合利用，探索出一条适合梅山尾矿实际，符合国家目前产业政策和管理要求的尾矿处置路径，减少湿尾矿入库量,延长现有尾矿库服务年限，刻不容缓[1]。

1 梅山矿尾矿性质及前期开展尾矿利用情况

1.1 梅山矿湿尾矿状况介绍

梅山矿湿尾矿主要有两种：一是重选湿尾，二是降磷尾矿。重选湿尾和降磷尾矿混合称为综合尾矿，重选湿尾和降磷尾矿二者的矿物组成类似，铁品位略有差别。

综合尾矿中主要铁矿物有赤铁矿、菱铁矿、少量黄铁矿和磁铁矿。主要脉石矿物为碳酸盐（白云石、方解石）、石英、高岭石、长石、透辉石、绿泥石、石榴石、磷灰石等。铁品位18.49%，有用铁矿物主要是赤铁矿、菱铁矿，磁性铁铁品位0.4%。杂质主要是SiO2和CaO，含量分别为27.68%、12.80%，S 品位1.20%、P 品位0.634%。综合尾矿粒度微细，其中+0.9mm0.04%，-0.0335mm67.72%，平均粒度0.042mm。

重选湿尾主要为预选工序洗矿产生，主要为井下原生泥，高岭石含量较高，铁品位偏低，为14%～16%。其铁矿物主要由赤褐铁矿和菱铁矿组成，少量黄铁矿、磁铁矿，微量褐铁矿，脉石矿物主要为碳酸盐（白云石、方解石）、石英、高岭石、长石、透辉石、石榴石和磷灰石等。

降磷尾矿铁矿物多呈连生体形态赋存在尾矿中，主要为赤褐铁矿和菱铁矿组成，少量黄铁矿、磁铁矿，微量褐铁矿，铁品位为19%～22%。脉石矿物主要为碳酸盐（白云石、方解石）、石英、高岭石、长石、透辉石、石榴石和磷灰石等。见表1。

表1 降磷尾矿粒度分析及主要元素分析结果

降磷尾矿品位21.95%，-200 目占64.75%，-400 目铁品位26.45%，占有率为53.75%。说明降磷尾矿是以细粒级组成为主。

1.2 梅山矿前期开展尾矿回收利用情况介绍

梅山矿业公司一直致力于湿尾矿的回收再利用，先后开展了微晶玻璃、尾矿制砖和固化干堆的研究实验。早在2009 年便开始将粗粒尾矿回收利用做为水泥铁质校正剂外销，但仅限于粗粒级湿尾的回收利用。从梅山矿尾矿粒度组成看，前期回收的粗粒级只占尾矿的少部分，大量的细粒级尾矿含需要堆存至尾矿库。由于微细粒物料悬浮液的固液分离是化工、冶金及许多加工业中的重要作业。这些悬浮液的共同特点是固是体颗粒粒度细、沉降速度慢、浆体粘度大、可滤性差等。在这些条件下，一般需要很大的分离面积及相当高的过滤压力，常规的脱水设备(脱水筛、离心过滤机、真空过滤机等)通常不能满足脱水要求。为了矿山的生存，在不断优化粗粒级尾矿回收工艺，扩大回收规模的同时，梅山矿寻求细粒级尾矿脱水，有效缓解尾矿库库容压力和征地压力的脚步一直没有停止[2]。

2 梅山矿开展尾矿综合利用情况介绍

梅山矿真正意义上的尾矿综合利用从2017 年和景津压滤机股份有限公司合作，有效回收细粒级尾矿开始，先后经过小型工业试验、扩大工业试验和工业化生产几个阶段，最终于2019 年底完成基础设施建设和设备安装调试，2020 年大规模投入生产。

2.1 小型工业试验阶段

要做到细粒级尾矿回收，一方面要压得出来，另一方面要销得出去。因此尾矿组成及压滤后的含水率以及化学成分，就是尾矿回收工序的重要指标。我们矿充分利用地处长江沿岸，水运成本低廉的优势，一方面与长江中下游地区几家水泥厂合作，做细粒级尾矿替代铁质矫正剂试验；与此同时，寻求高压高效脱水设备，进行细粒级尾矿脱水试验。

2.1.1 水泥工艺试验

一般水泥工业生产水泥熟料的原料为石灰石、粘土、铁粉，石灰石提供煅烧熟料所需的氧化钙，粘土提供二氧化硅和氧化铝，铁粉提供氧化铁。与梅山降磷尾矿的化学成分对比见表2。

表2 水泥原料与梅山降磷尾矿的化学成分对比

根据梅山降磷尾矿的化学成分来看，梅山降磷尾矿主要含有氧化铁、二氧化硅和氧化钙，其次含有氧化镁、氧化铝，这些成分均是水泥原料的有用成分，用梅山降磷尾矿替代铁粉从水泥的工艺来看是可以的。如果用梅山降磷尾矿替代铁粉所生产出来的水泥熟料性能不低于用铁粉配料时所生产出来的水泥熟料，这就为梅山降磷尾矿的合理利用提供了一条有效地解决途径，同时也为水泥企业越发紧缺的铁粉原料提供了可代替品。这样不但可缓解梅山铁矿降磷尾矿堆积占地的状况，更加重要的是把资源进行了优化配置，使废物得到合理利用。

试验结果，利用梅山降磷尾矿配料烧制的熟料性能强于铁粉配料制成的熟料，其28 天抗压强度约提高2.1MPa。梅山降磷尾矿代替铁质校正材料配料有利于提高升生料易烧性，可以把熟料的烧成温度降低约50℃左右，有明显的节能降本效果。

2.1.2 设备试验

2017 年6 月下旬，梅山矿用景津试验压滤机先后进行降磷尾矿、降磷尾矿旋流器溢流、降磷尾矿旋流器底流、重选尾矿以及综合尾矿五中种尾矿的压滤试验，同时做好分别使用1#、2#、3#滤布的对比试验。

图1 景津试验压滤机实景图

2.2 压滤小型试验结论

（1）本次现场压滤试验，使用1#丙纶复丝、2#丙纶单复丝、3#丙纶单丝三种滤布，压滤五种尾矿，得到滤饼水分14.07%～16.90%，滤饼厚度最低5mm、最厚60mm。

（2）使用透气量小的1#丙纶复丝滤布，滤液从进浆开始到压榨一直保持清澈。压滤给矿浓度对滤饼水分影响不大，但给料浓度低进料时间长，影响压滤效。

（3）通过小型试验证明,景津环保股份生产的高压压滤机可以满足梅山矿各种尾矿的脱水要求。下一步需要大规模工业试验，确定适合梅山矿的设备型号、数量以及工艺辅助设备配套情况。

2.3 扩大工业试验阶段

在尾矿压滤开展实验室试验、尾矿压滤现场小型工业试验，在总结以上试验的基础上，2017 年底和2018 年分别安装了1 台HMZG600/2000-U 高效压滤机及配套的给料泵、压榨泵、水洗泵、空压机、储气罐、水箱、皮带机等附属设施。进行尾矿压滤工业生产试验，目的考查压滤效率、滤饼水份和压滤饼接受水泥市场用户检验，为后续综合利用方向提供最直接的依据。工业试验同样分三个阶段进行，分别为条件试验阶段、稳定试验阶段、参数优化阶段。

压滤给矿的组成是由1/3降磷全粒级尾矿及旋流器溢流的1/2构成，压滤给料粒度组成。见表3，压滤给料多元素分析见表4。

表3 工业生产试验压滤给矿粒度组成

从表可以看出，压滤系统给料粒度较细，-200 目含量为92.53%，-400 目含量为83.4%，但还有+120 目（0.12mm）含量为2.87%，这部分稍粗的尾矿会加快滤布的磨损，粒矿石比重约为3.2 吨/m3。

表4 工业生产试验压滤给矿多元素分析

表5 600m2 新型隔膜压滤机试验工作参数

从表可以看出，压滤给矿的TFe 品位为23.17%，这比工业试验要的尾矿滤饼品位大于19%的要求高，说明经压滤后可以满足全铁品位要求。

在压滤工业扩大试验历经近40 天时间，分别进行了条件试验、稳定试验段、参数优化为主的三个阶段试验，通过试验数据和试验现象得到如下结论：

（1）达到了产量目标。到2018 年1 月2 日，共生产361 板，每板湿重27.2 吨（过磅），共计9819.2 吨。稳定运行后，每天可生产500 吨细粒级湿尾滤饼，每月可生产湿量1.5 万吨，600m2压滤机一台年可生产18 万吨湿量。

（2）达到了质量目标。压滤产品性能比较稳定，滤饼水分在12.38%～15.4%之间，水分均值为13.79%，滤饼铁品位≥21%，含硫小于1%。

（3）达到了工艺目标。经济合理运行参数为：给矿浓度≥45%，给矿压力＜8kg，压榨压力1.4MPa，压榨延时时间6分钟（具体情况视滤饼水分和滤饼卸料情况在6～8分钟之间调整），正吹时间20秒，反吹时间20秒，一个压滤周期为60～70分钟。

2.4 各种粒级配比的脱水第二阶段工业生产试验

2018 年1 月开始起开展了第二阶段多粒级压滤工业试验，相应开展了各种粒级配比的工业试验，以确定梅山矿尾矿综合利用工业化生产的最终工艺方案和设备配置方案。

期间先后进行了降磷尾矿、重选尾矿、综合尾矿三种尾矿的全溢流压滤、全粒级压滤、以及几种旋流器、陶瓷过滤机与压滤机的组合工业试验。通过第二阶段试验，发现了几个问题，即全粒级尾矿含粗粒级尾矿较多，在压滤过程中容易堵塞中心孔；全溢流压滤效率低下，且压滤产品含水率偏高，难以运输和进水泥生产流程。最终确定尾矿综合利用采用负倾角高频西晒+陶瓷过滤机+压滤机的三段回收方案，并确定了各粒级段的工艺设备配置方案。

2.5 工业化生产阶段

梅山矿业分公司的湿尾矿主要是重选湿尾和降磷湿尾，在前期开展的大量技术攻关研究基础上，2019 年11 月26 日～11月30 日完成新建3 台压滤机生产组织调试任务，实现降磷尾矿全部综合利用。2020 年1 月10 日～12 日开展重选湿尾矿单独压滤工业试验，压滤效率下降50%。压滤滤饼的含铁品位16.37%，16.47%，铁品位低，滤饼水份19.3%，卸矿难度大，且重选压滤的滤饼无法独立销售。为解决重选湿尾矿生产难题，采取将重选湿尾矿部分掺入降磷尾矿浓缩系统的路径，在保证压滤滤饼铁品位指标和保证压滤效率的前提下，实现部分重选湿尾矿资源化综合利用处理。工业应用采用技术路线为：根据尾矿综合利用能力和市场需求，部分重选尾矿掺入降磷尾矿预浓缩，预浓缩底流经+0.2mm 负倾角高频细筛隔出粗颗粒作为机制砂销售；筛下矿浆经超长变锥旋流器浓缩分级，底流进入陶瓷过滤机脱水作为细粒级铁尾砂销售；全部旋流器溢流和1台未进旋流器含+200 目粗颗粒的高频细筛筛下矿浆混合配制成+200 目含量在5%左右混合超细粒级尾矿，经HRC-25M 高压浓密机浓缩为＞45%的矿浆送入压滤机脱水作为超细粒级水泥铁质校正剂销售。

采取的技术路线是以降磷尾矿全部资源化综合利用为主，部分重选湿尾矿资源化综合利用，少部分重选湿尾矿输送尾矿库进行筑坝堆存。本技术方案兼顾矿山生产实际和尾矿产品市场，兼顾矿山生产和绿色环保，走出一条绿色可持续发展的无尾矿山建设新路径。

3 高效板框式压滤机及工作过程介绍

（1）高效板框式压滤机由1、机架部分；2、过滤部分；3、自动拉板部分；4、电气控制部分；5、液压部分组成，如上图3 所示。各部分具体介绍如下：

图2 梅山细粒湿尾资源化利用生产工艺流程图

图3 压滤机结构图

图4 压滤系统设备布置图

①机架部分：机架它是整套设备的基础，其主要应用在支撑过滤机构以及拉板机构，是由止推板、压紧板、机座、油缸体以及主梁等组合而成。当设备工作运行的时候,油缸体上的活塞杆就会推动压紧板，然后把位于压紧板与止推板之间的滤板以及过滤介质压紧，以确保带有一定压力的滤浆可以在滤室内进行加压过滤。②过滤部分：过滤部分是由夹在滤板之间的过滤介质以及整齐排列在主梁上的滤板来组成的。增加强化聚丙烯滤板主要原因是选用优质聚丙烯、使用本公司独特的配方压制而成，机械性能优良，化学性能稳定，并且具有耐压、耐热、耐腐蚀、无毒、重量轻、表面平整光滑、密封好、易洗涤等特点。过滤开始的时候，滤浆在被进料泵的压力作用下，通过止推板的进料口进入各滤室内，滤浆依托进料泵产生的压力进行固液分离，由于过滤介质（滤布）的作用，使固体留在滤室内形成滤饼，滤液由水嘴或出液阀排出。如果滤饼需要洗涤，可以把止推板上的洗涤口通入洗涤水，进而对滤饼进行洗涤；如果需要含水率较低的滤饼，可从将洗涤口通入压缩空气，透过滤饼层，吹出滤饼中所含的一部分水份。③电气控制部分：整个系统的控制中心就是在电气控制部分，其主要是由变频器、PLC 可编程控制器、空气开关、热继电器、断路器、中间继电器、接触器、按钮、信号灯等组合而成。自动压滤机工作过程的转换是靠PLC 内部计时器、计数器、中间继电器和PLC外部的行程开关开关、接近开关、电接点压力表（压力继电器）、控制按钮等的转换而完成的。工作过程可分为高压卸荷、松开、取板、拉板、压紧、保压和补压等④液压部分：主机的动力装置是在液压部分，在电气控制系统的作用下，通过油缸、油泵及液压元件来完成各种工作。可实现自动压紧、自动补压、及高压卸荷及自动松开等功能。

（2）板框压滤脱水工作过程：隔膜式板框压滤机的工作流程主要分为5个步骤：进料过滤—反吹—隔膜压榨—拉板卸料—水洗。其中，水洗步骤不是每个流程都运行，而是根据压滤机实际工作情况决定。一般情况下，压滤机正常工作7 ～15 d后进行1 次水洗。

①进料过滤：物料进入板框压滤机，进料压力使滤液穿过滤布，固体被滤布截留形成滤饼。随着过滤的进行，过滤压力持续升高，滤室逐渐被滤饼填满，进料压力达到最高值（约为1.3MPa），并长时间保持不变。因矿浆含水率有差异，进料时间一般控制在0.6 h,料浆输送由150ZJ-A70 渣浆泵完成。②正、反吹：正反吹在每一个完整的工作流程中均需要进行1 次。正吹，料浆在进料完成以后对其进行空气正吹，这样可以提高滤饼含固率，同时也可以防止中心管堵塞；反吹，当压榨完成以后，压缩空气系统开始运行，并反吹洗压滤机中心进泥管中的残留料浆以及膜腔内的滤液，反吹料浆通过压滤机一端设置的DN200反吹料浆管回流到调理池之中。这两次空气吹洗的过程均需要20s 便可以完成。

需要注意的是：因为空气吹洗的瞬时风压相对较大，而且时间也比较短，在条件允许的情况下反吹料浆管可以各自的单独接入料浆调理池中，这样就有效避免某台压滤机空气吹洗时影响到其他压滤机正常工作。③隔膜压榨关闭进料气动球阀，向隔膜板内注入高压水，最高水压2 MPa，一般保持在1.3-1.4MPa。利用隔膜张力对料浆进行强力挤压脱水，一般隔膜压榨时间保持在6-8min 左右。压榨水通过管道回流至压榨水箱，压榨滤液水透过滤布排出，固体物质被滤布阻隔，料浆含固率进一步提高,含水率进一步降低。④拉板卸料：当压榨完成以后，进行到卸料工序：首先，压紧板后退，到限位开关处停止。拉板小车通过PLC 控制下，变频电机转动，使链条带动拉板小车完成取拉板动作。除去程序控制以外，还可以手动进行控制，可以随时的控制拉板过程中的前进、暂停、后退动作，以确保卸料的顺利进行。如果假如遇到卸料不畅，需要人工配合卸料。全部卸料过程维持在8min 左右。⑤水洗：压滤机在运行一段时间后，滤布会被堵塞，影响过滤效果。正常情况下，压滤机每工作7d ～15d 需要进行1次水洗，由水洗泵供给水源。每台压滤机单次清洗周期为20min ～30min，此过程由人工用高压水枪完成。

4 实施效果及结论

（1）解决了梅山矿2022 年以后的生存问题。景津环保股份生产的高效板框式压滤机字2017 年至今，在梅山矿业先后经过小型工业试验、大规模工业试验，最终在梅山矿业尾矿综合利用工程中取得成功应用，尾矿综合利用工程于2019 年底完成建设并交付使用。2020 年投入规模化生产以来，设备系统运行稳定，处理细粒级尾矿逐月上升，最高压滤月产量达到10 万吨，成绩斐然。自2018 年以来，梅山矿业分公司尾矿资源化利用产量。

表6 梅山矿业分公司细粒湿尾资源化利用产品产量

从近3 年统计来看，梅山湿尾矿资源化综合利用逐年增加，特别是2020 年1～8 月份以来，除满足尾矿库筑坝需要输送的重选尾矿之外，全部降磷尾矿和超过25%的重选尾矿实现资源化综合利用。按照2019 年梅山重选湿尾64.8 万吨，湿尾93.8 万吨的湿尾产量，该设备的成功应用，使得梅山矿湿尾排放小于40万吨/年的目标得以实现。大大缓解了尾矿库的库容压力和征地压力。使得现有尾矿库完全可以满足矿山生产到闭坑，大大延长了梅山矿的生存期。

（2）取得了可观的经济效益。高效板框式压滤机的在梅山矿细粒级尾矿回收中成功应用，为国内同类型矿山实现尾矿减量化、资源化提供了可借鉴的途径，符合国家绿色矿山建设的要求。按照每吨5 元的效益，每年可以产生效益600 万元以上。同时，减少了尾矿输送堆存成本，减少了尾矿堆存对土地的占用，按照2006 年山景尾矿库征地时的成本40 万元/亩计算，减少尾矿排放每年节约土地占用成本1400 余万元以上。同时，可以减少多家水泥厂开山炸石量，具有可观的经济效益和社会效益。

（3）景津环保股份有限公司生产的高效板框式压滤机在梅山矿细粒级尾矿综合利用中的成功应用，不仅解决了困扰梅山矿多年来的生存期问题，同时其充分发挥新设备、新工艺的特点对湿尾矿分级处理；结合市场需求，主动贴近市场，服务市场主体，创造性的将大宗废弃尾矿资源综合利用回收，也为国家开展绿色矿山发展提供了一个很好的解决方案。