基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律

2021-11-17阮竹恩吴爱祥王洪江王贻明尹升华

工程科学学报 2021年11期

周旭，阮竹恩，吴爱祥，王洪江，王贻明，尹升华

1) 中铁建国际投资有限公司，北京 100000 2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083

尾矿是矿山最主要的固体废物，排放于地表尾矿库时存在堆存面积大、环境污染严重、安全隐患多等问题，是建设绿色矿山亟待解决的主要问题之一. 针对传统低浓度分级尾砂充填和尾矿库排放模式的，尾矿膏体处置以提高尾矿处置浓度为主线，将从选矿厂产出的低浓度全尾砂料浆，不经分级，直接输送至深锥浓密机，添加絮凝剂并使用耙架进行搅拌，形成高浓度、牙膏状、无泌水的膏体料浆，再选择性添加粗骨料、细骨料以及其它外加剂，搅拌并通过柱塞泵输送至采空区充填或者直接输送至尾矿库进行堆存. 这样既解决了地表尾矿库溃坝与环境污染的灾害问题，又解决了井下采空区垮冒的灾害问题，具有“一废治两害”的优势[1].

尾矿膏体浓密基于絮凝沉降技术，通过剪切和重力耦合作用实现尾矿快速深度脱水，提高尾矿处置浓度，是实现尾矿膏体处置的关键技术之一. 絮凝是尾矿膏体浓密工艺的关键环节，絮凝效果直接影响物料搅拌、膏体输送、井下充填和地表堆存等后续工艺质量，决定生产运行成本. 浓密过程中尾矿颗粒形成絮团并发育演化是一个复杂的动态演变过程，一般可分为颗粒碰撞—有效碰撞黏结—絮团重构—絮团破裂—絮团再形成等多个阶段[2]. 对颗粒碰撞、凝聚黏结、絮团发育演化过程的理解是研究尾矿浓密规律的基础.

絮凝作用是由线形的高分子化合物在微粒间“架桥”联结而引起微粒的聚结. 在絮凝过程中，多个颗粒同时被同一高分子长链吸附，通过“架桥”方式将微粒联在一起，从而导致絮凝现象的发生[3].絮团是由发生絮凝的初始尾矿颗粒组成，在尾矿颗粒通过架桥絮凝作用形成大尺寸絮团的过程中，絮团内部和絮团之间存在大量封闭的水分[4−5].结构疏松的大尺寸絮团、密度低、内部的颗粒间黏结作用小、絮团强度低，容易受拉力和剪切力作用而破碎[6]. 在浓密过程中耙架剪切作用力和重力作用是尾矿絮团的主要原因，大尺寸絮团破碎生成小尺寸絮团，封闭水分随之释放排出[7]. 絮团破碎一定程度上减缓了絮团生成速率，使系统最终会进入稳定平衡状态. 絮团封闭水分随絮团破碎重列逐渐排出，最终絮团结构达到致密化的稳定状态.

尾矿浓密过程中，絮团结构时刻变化，这是絮团本身性质与水动力条件相互作用的结果. 浓密机的耙架剪切作用，以及絮团直径、密度、结构、强度等性质显著影响絮团密实化程度，决定了尾矿脱水性能[8]. 因此，研究絮团直径的测量（取样方式和观测技术）和水动力条件（耙架剪切速率、初始泥层高度、料浆浓度等[9]）对絮团直径的影响十分关键.

絮团的基本形态随着生长而重复，属于典型的分形物体，因此基于图像分析技术的分形维数被作为描述絮团结构形态的主要参数之一[4]. 在尾矿浓密过程中，料浆浑浊固体浓度高且絮团结构细微，难以直接观测，传统研究方式采用高清相机、光散射分析仪、显微镜和扫描电镜、电子计算机断层扫描等技术均是在取样后进行观测，再得到絮团结构图像后通过图像处理获得絮团特征参数[10]. 然而，絮团结构具有易破碎性，如何确保提取絮团样品观测时不对絮团产生扰动而破坏絮团结构就显得十分重要. 通常在采用移液管、负压抽取和蠕动泵抽取等常规絮团样品取样方法[11]，或者稀释制样时，均无法避免絮团原始结构的扰动，造成检测结果失真. 随着计算机技术的快速发展，数值仿真方法得到了大规模应用，研究者采用群体平衡模型描述絮团的聚集和破碎[12−13]，解释浓密机中的流体流动、固体分布和絮凝的聚集/破碎动力学，为重力浓密机的性能和操作提供了重要的见解，但数值模拟偏重于理论研究，工业化全尺寸的浓密机模型需耗费大量算力.

采用是聚焦光束反射测量（Focused beam reflectance measurement，FBRM）技术和颗粒录像显微镜（Particle video microscope，PVM）技术实现浓密过程絮团的在线观测，是解决上述取样和观测难题的有效途径之一. FBRM可在原位条件下，在线追踪颗粒和液滴的变化情况，实时反映颗粒的弦长值（通常视为粒径）和颗粒数量、分布特征等信息，消除了取样和制样带来的负面影响. PVM具备自动照明和在线获取高分辨率的颗粒图像功能，可实现颗粒粒径和浓度的实时变化[14]. 本文基于金属矿尾砂膏体浓密室内实验装置，通过FBRM系统和，对浓密过程絮团状态的连续监测和在线原位监测，分析絮团直径和分布情况，结合图像分析对絮团密实化过程的结构特征进行研究.

1 实验系统及实验材料

1.1 实验材料

实验尾矿来自于某铜矿，全尾砂密度平均为2.72 t·m−3. 经粒径分析可知−200 目粒径平均为78%；−400目粒径平均为48.27%. 由粒径分布曲线（图1），可见全尾砂粒径分布均匀，适宜采用膏体浓密机脱水制备高浓度尾矿料浆.

图1 全尾砂粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution of tailings

1.2 实验方案

尾砂浓密系统由浓密机实验柱、搅拌装置组成. 浓密实验柱直径为 20 cm、高度为 100 cm，在垂直方向每隔20 cm设有一个取样口. 搅拌装置由电机、电机控制系统及耙架组成，实现了耙架转速的精准控制. 尾砂浓密系统实现了尾砂的动态浓密、耙架转速控制，还原工业浓密机的运行状态.

实验以耙架剪切速度、剪切时间和初始泥层高度实验因素，耙架剪切速度设置为0，0.1，1和10 r·min−1，泥层高度为 75，45 和 25 cm. 首先将全尾砂加入适量清水，配置固体质量分数为15%的全尾砂料浆，另配置 15 g·t−1的絮凝剂溶液待用. 组装浓密实验柱和耙架转动控制器后，将ParticleTrack G400型 FBRM 探头，Particle view V19型 PVM 探头安装到1#、2#位置，分别距离浓密机底部的垂直高度为10和20 cm. 实验浓密机耙架尺寸和传感器安装示意如图2.

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic of experimental system

保持尾砂料桶内尾砂浆均匀，絮凝剂溶液制备后静置，开启尾矿和絮凝剂给料泵向装满清水的浓密实验柱内注入尾矿料浆和絮凝剂溶液. 待泥层高度达到预设值后停止给料，开启底流循环泵使料浆在实验浓密柱内重新达到均匀分布状态，调整耙架转速并开启监测FBRM和PVM系统.

2 分析方法

絮团直径是絮团强度在剪切作用下的宏观体现，絮团结构表征絮团内部链接键数量、强度和链接方式，直接关系着絮团强度[15]. 絮团强度是指絮团所能承受的最大外部作用力，由基本颗粒之间的相互作用力、固体体积分数和基本颗粒尺寸，以及基本颗粒在絮团中排列方式所决定. 絮团强度决定了絮团破裂程度，当絮团受到的外部力大于此值时，絮团即会发生破碎生成小絮团[3]. 由于絮团直径d是絮团凝聚力J和动态能量耗散率 ε的函数，如式（1）所示, 可知在不同剪切速率G条件下，絮团直径（最大稳定絮团直径dmax或平均絮团直径davg）可由式（2）进行描述[16].

式中，Cavg/max为絮团直径或最大稳定絮团直径的絮团强度表征系数， γavg/max为絮团破裂表征系数.它们是絮团在浓密过程中的表征常数，代表着基本颗粒间的相互作用类型和程度、基本粒子的数量和尺寸，以及料浆密度和黏度等参数.

在流体动力学中，通常引入液体动态黏度 µ ，来描述全局剪切速率G[17]：

在尾矿膏体浓密实验系统中，Pi为浓密柱体内搅拌耗散的能量：

因此，全局剪切速率G可以整理为：

式中，V为浓密机柱体体积， µ为液体动态黏度，ω为耙架剪切角速度，f为耙架搅拌频率，M为耙架扭矩，ρ为流体密度.

由于式（2）为降幂函数，可在双对数坐标下采用线性方程来进行替代[6]：

絮团破碎主要受拉力和剪切力等影响，絮团破裂现象是由剪切破坏力F和凝聚力J之间的平衡产生的，即与流体动力应力和絮团强度有关[18]. 絮团破裂程度Br为：

剪切破坏力F可按式（8）进行估算[19]：

式中，σ为施加在絮团的流体动力应力. 而流体动力应力[20]为：

絮团凝聚力J反映絮团内部结构特征如凝聚颗粒的数量、尺寸，以及絮团强度等综合特征，决定了颗粒所形成的絮团破坏形式和程度，受流体力学条件、液相组成、以及主要颗粒材料和表面性质的影响[20]. 根据絮体凝聚力的理论模型[21]，使用分形维数方法进行估算：

综合上述公式，尾矿浓密过程絮团破裂程度可采用式（11）计算：

其中， ρ0为尾矿密度， ρw为水的密度，DF为絮团分形维数.

根据式（11）如果絮团可以承受流体动力应力破坏，则Br小于1，絮团不会被剪切破坏；如果Br大于1，流体动力学应力就会破坏絮团结构. 当剪切破坏力和凝聚力相当时，絮体会保持大小不变或增长[22].

3 实验结果与讨论

3.1 絮团直径演化的阶段性

按照FBRM测量的絮团直径，将尾矿浓密过程絮团直径分为 10 μm 的小尺寸絮团、10～100 μm的中等尺寸絮团以及100 μm以上的大尺寸絮团.尾矿絮团沉降至膏体浓密机底部迅速发育，不断碰撞、黏结形成更大絮团，表现为絮团直径不断增大直到最大值. 在持续剪切作用下，絮团发生破裂，絮团重构，各尺寸絮团分布逐渐达到动态平衡. 大尺寸絮团数量峰值和小尺寸絮团数量峰值出现的时间和对应颗粒数量在不同剪切条件和初始泥层高度条件下存在明显差异. 总体来说，耙架剪切速率低和泥层高度大的条件下，絮团发育程度更好，在经历较长的剪切作用后，絮团破碎重构程度更高. 根据絮团平均直径的变化规律，按照絮团直径峰值拐点出现的时刻，大致可将尾矿浓密过程絮团密实化分为3个阶段[23]：絮团生长期、絮团重构期和絮团破碎期.

如图3所示，在不同剪切速率条件下，第1阶段内，耙架转速ω=0.1 r·min−1条件下絮团直径最大值约为 226 μm，10 r·min−1条件下絮团直径最大值为123 μm，1 r·min−1条件下絮团直径最大值为 100 μm，0 r·min−1条件下絮团直径最大值为 55 μm. 低转速的剪切条件下的絮团生长达到的尺寸较大，高强度的剪切造成絮团聚结生长的几率降低. 在无剪切条件下，絮团第1阶段生长期时间最短，絮团直径峰值最小.

图3 不同剪切条件下絮团平均弦长变化曲线Fig.3 Average chord length of aggregates under different shear conditions

第2阶段在耙架剪切条件下絮团经历破碎分散又重新聚合，絮团直径由最大值降低，再增长至次高值，在耙架转速 1 r·min−1条件下絮团直径变化程度最大；无剪切条件下，絮团重构现象不明显. 第3阶段大尺寸疏松结构的絮团在持续的剪切作用下，不断的破裂重构形成中等尺寸和小尺寸的絮团，直到最终絮团密实化，最终絮团直径保持稳定. 其中耙架转速 0.1 r·min−1条件下絮团直径最终值约为 34 μm，10 r·min−1条件下絮团直径最终值为32 μm，1 r·min−1条件下絮团直径最终值为 35 μm，耙架转速为0条件下絮团直径最终值为31 μm.

在有耙架剪切和无耙架剪切条件下，絮团最终稳定的尺寸相近. 同时，由不同耙架转速条件下絮团各阶段的时间特征来看，耙架转速为0时，絮团生长期最短 (t1=60 s)，絮团重构期最长 (t2−t1=867 s)；耙架转速 0.1 r·min−1时，絮团生长期最长 (t1=464 s)，絮团重构期最短 (t2−t1=738 s). 因此，合理的剪切速率有利于絮团直径生长和絮团快速破裂重构，但过高的剪切速率则作用相反.

在不同初始泥层高度条件下，第1阶段絮团生长期，絮团数量增多，且尺寸增大明显，其主要原因是该时期内絮团数量增加，相互碰撞聚结导致尺寸增大. 初始泥层高度75和45 cm的絮团直径峰值约为226和159 μm，初始泥层高度25 cm条件下絮团直径峰值为90 μm. 第2阶段絮团重构期，当形成的松散的大尺寸絮团达到一定数量时，搅拌剪切力的作用使大颗粒破碎并分散，同时小尺寸絮团之间出现聚集，生长成粒径较大的絮团，因此絮团直径在一定时间段内重复增长. 第3阶段絮团破碎期，初始泥层高度75、45和25 cm条件下，絮团最终尺寸为 34、42 和 27 μm.

由不同初始泥层高度条件下絮团直径演化特征（图4）来看，初始泥层高度75 cm条件下絮团的生长阶段时间更长，絮团直径峰值最高，重构期较长；初始泥层高度25 cm条件下，絮团的生长阶段时间最短，絮团直径峰值最小，无明显重构期.

图4 不同初始泥层高度条件下絮团平均弦长变化曲线Fig.4 Average chord length of aggregates under different initial mud bed heights

3.2 絮团分形维数和孔隙率的关系

絮团直径是絮团特征的重要参数，絮团形状和絮团直径的不同是絮团结构差异最直观的表现，絮团直径的变化伴随着絮团结构的变化. 相较使用絮团形状或尺寸参数来表示絮团结构特性，使用分形维数更能体现絮团的结构特征，主要是因为絮团的密实度的差异（比如絮团的孔隙率、絮团密度）可以通过絮团的分形特征体现出来[10].

对PVM获取的絮团原始图像进行噪声处理，使图像灰度分布均匀，针对絮团结构颗粒堆积及水分分布的特点，利用尾矿固体颗粒和水分的像素灰度值的面积和分布状态，通过阈值进行两者的差异化分类. 处理过程中，图像中的水分和絮团都是由各自灰度值相近的像素构成，絮团或尾砂颗粒和水分的图像灰度值具有明显差异，通过阈值的选取进行固液两相物质的相互区分. 分形维数是絮团结构复杂性的体现，其分形维数的大小和絮团中基本颗粒的聚集模式密切相关.

根据FBRM实时在线监测浓密过程原位絮团直径和分布情况，选取絮团直径显著变化时刻的PVM图像进行分形维数和孔隙率的分析. 由于图片数量大，难以一一罗列，在此仅列出初始泥层高度 75 cm 耙架转速 0.1 r·min−1条件下，絮团结构变化不同阶段内的部分典型PVM图片，如图5所示.分别根据不同剪切速率下和不同初始泥层高度PVM系统获取的典型絮团显微图像，获取相应的絮团分形维数DF和孔隙率δ值，并绘制不同剪切速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线（图6）和不同初始泥层高度条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线（图7）.

图5 初始泥层高度 75 cm 耙架转速 0.1 r·min−1 条件下不同时刻的絮团结构 PVM 图像Fig.5 PVM image of aggregate structure at different time under initial mud bed height of 75 cm and rake frame rotating speed of 0.1 r·min−1

图6 不同剪切速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线Fig.6 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different shear rates

图7 不同初始泥层高度条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线Fig.7 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different initial mud bed heights

由此可知，分形维数随孔隙率上升而降低的趋势，二者拟合可呈指数函数关系[24]. 在耙架转速为 0 r·min−1时，絮团分形维数较低，显示出无剪切作用下，絮团结构较为松散. 耙架转速 0.1 r·min−1时絮团分形维数较高，表明合理的剪切速率有利于絮团密实化，可促进料浆脱水. 初始泥层高度75 cm时，絮团分形维数最高，絮团密实程度更高，脱水程度更高. 但初始泥层高度25和45 cm时，絮团分形维数并未随泥层高度上升而增加，推测泥层过低时，耙架搅拌作用破坏絮团结构，提高了密实程度.

3.3 剪切速率和初始泥层高度对絮团直径的影响

实验浓密机采用的耙架由一根中心传动轴、两根水平横梁、左右对称的3根导水杆组成，水平横梁用于固定竖直导水杆. 尾矿浓密过程一般采用的浓密机耙架剪切速率在 1 到 20 s−1之间[25]，且随泥层内高度位置的不同而变化，本文采用平均剪切速率G计算絮团强度. 根据式（1）～（6），绘制不同剪切条件下，絮团的最大尺寸与平均粒径的分布情况，可知剪切速率的增加造成絮团平均尺寸和絮团最大尺寸减小，但絮团直径减小的速率随剪切速率上升而增大，如图8.

图8 耙架剪切速率与絮团直径的关系Fig.8 Relationship between shear rate of rake and aggregate diameter

同时，绘制不同初始泥层高度H条件，絮团的最大尺寸与平均粒径的分布情况，可知随初始泥层高度增加，絮团最大尺寸与絮团平均粒径都呈现增大趋势. 初始尾矿料浆浓度高，颗粒碰撞几率增大，有利于提升絮团直径，如图9所示.

图9 初始泥层高度与絮团直径的关系Fig.9 Relationship between initial mud layer height and aggregate diameter

3.4 全尾砂浓密过程中絮团破裂程度演化规律

将实验浓密机在 0、0.1、1 和 10 r·min−1条件下的平均剪切速率值，以及FBRM测量浓密过程各时刻的絮团弦长值作为絮团直径代入式（10）.当Br=1时，可得絮团分形维数平均值为DF=2.2，即当絮团分形维数大于2.2时，剪切破坏力大于絮团凝聚力（F>J），絮团处于破碎阶段；当絮团分形维数等于2.2左右时，絮团凝聚力大致与剪切破坏力平衡(F≈J)，絮团保持相对重构阶段；当絮团分形维数小于2.2时，剪切破坏力大于絮团凝聚力（F

根据实验获得的6组PVM图像分形维数和对应时间，在图10中绘制DF=2.2的分割线对应于F=J，则絮团生长阶段大致发生于t=0～1700 s时间段内，1700 s附近絮团处于重构阶段，重构阶段后絮团进入破碎阶段.