水力旋流器在尾矿处理中的应用

吴泽洲，李永峰，王丽娟，卢涛，张金华

(1.三川德青工程机械有限公司，湖北宜昌 443005；2.威海市海王旋流器有限公司，山东威海 264200；3.江铜集团 德兴铜矿泗洲选矿厂，江西德兴 334224)

尾矿是指矿石分选作业的产物中目的组分含量偏低而无法用于生产的部分。不同种类和不同构造的矿石，所经过的选矿工艺流程不同，选矿后所产生的尾矿在工艺性质上，尤其在颗粒形态和颗粒级配上往往存在一定的差异。按照选矿工艺流程，尾矿可分为首选尾矿、重选尾矿、磁选尾矿、浮选尾矿、化学选矿尾矿、电选及光电选尾矿等类型。

尾矿占开采矿石的比重可达到50%以上。堆存的尾矿占用了大量的土地资源，还会对自然生态环境、生产生活安全产生不利影响。为此，对尾矿进行综合利用或有效处置是解决尾矿问题的必要途径。尾矿综合利用的关键就是对尾矿进行分级分选，从尾矿中提取对有价值的矿产资源，降低尾矿的体量，使尾矿实现环境、社会、经济三重效益。

水力旋流器是一种基于离心力场的分离、分选设备。该设备利用流体运动的特有形式，沿径向产生高的切线速度、大的速度梯度和强的紊流现象，从而形成远大于重力场的离心力场、巨大的剪切应力，及剧烈的混合作用，并由此实现分级、分选、浓缩、澄清、洗涤和传质等多种分离功能[1]。目前，水力旋流器因其处理能力大、分离效率高、投资维护成本低等优势，已广泛应用于国民经济的众多技术领域，比如矿物及冶金工程中的分级、脱泥、分选、产品的浓缩、湿法冶金过程中的洗涤及回水澄清等，石油化工行业中的原油脱水、含油废水的去油等[2]。本文拟针对水力旋流器在尾矿处理中的应用进行探讨。

1 水力旋流器的功能特点及选择

水力旋流器是一种非标准的机械设备，其型号及结构需要与工艺需求相匹配。在不同的现场，不同的应用工艺，旋流器入料的浓度、黏度、矿石粒度及分级要求均存在区别。因此，选择旋流器时，应针对每个现场每个工艺环节对旋流器进行结构参数的定制化设计，以提高旋流器分级效果及其与工艺需求的匹配性。

国内一些较为先进的旋流器厂家一直致力于高效、低耗旋流分离新技术新装备的研发，目前已成功研发出螺旋线进料体、平底、高效多锥体等不同结构、具有自主知识产权的旋流器，可适用于不同的工艺需求。

1）螺旋线进料结构旋流器。该设备通过螺旋线的进料方式，引导矿浆流动方向，降低旋流器内部矿浆紊流程度，提高旋流器分级效率。螺旋线式进料能降低流体运动阻力，减轻旋流器内部磨损程度，延长旋流器使用寿命。该种型号的旋流器从入料方式着手提高旋流器分级效果，在尾矿处理中具有较高的适用性。

2）平底结构旋流器。该设备采用平底流化床高效分级技术，能有效地降低旋流器底流中细颗粒含量。其分级效率较普通旋流器的提高了约10%。平底结构旋流器所具备的分级性能适用于尾矿选砂的工艺环节，旋流器底流中细颗粒的夹带量少，有利于提高成品砂的品质。

3）高效多锥体旋流器。该设备通过多锥体非线性离心分级技术，增大了离心强度，提高了旋流器分级细度，能有效降低旋流器的运行压力，提升旋流器处理能力，从而实现大直径旋流器的细粒分级，尤其适用于精细分级、脱泥、浓缩等作业。该种型号的旋流器适用于多数现场的尾矿干排、尾矿井下充填的分级工艺环节。

2 水力旋流器在尾矿处理中的应用

由于水力旋流器具有分级的性能优势，使其在在尾矿筑坝、尾矿干排、尾矿选砂及尾矿井下充填等诸多尾矿综合利用过程中均发挥了重要的作用。

2.1 尾矿筑坝

将水力旋流器应用于尾矿筑坝作业，主要指选厂采用水力旋流器对尾矿进行颗粒的粗细分级作业。所得粗颗粒产品进行尾矿筑坝作业，能有效节省筑坝工艺环节所需的其他材料，降低了尾矿坝建设成本;所得细颗粒产品进入尾矿库中沉降堆积的尾矿处理过程。

江西某铜矿现场尾矿库采用中线法进行尾矿筑坝。该选厂尾矿质量分数为20%～30%，尾矿中-200目级别颗粒质量分数为60%。尾矿被输送至尾矿坝旁边矿浆稳压箱后，自流至旋流器进行一次分级作业；作业完成后，对旋流器沉砂补加清水，所得矿浆再通过矿浆管道自流至旋流器进行二次分级作业。作业流程如图1所示。

图1 江西某铜尾矿旋流分级作业流程

两级旋流器均采用螺旋线进料方式，分级效率较高。两次分级工艺的分级指标如表1所示。二次分级的沉砂中所含固体的质量分数可达到70%，-200目级别颗粒的质量分数小于15%，最终所得筑坝用粗砂占分级前尾矿的25.75%。在旋流器分级指标满足筑坝要求的条件下，两次分级作业旋流器均依靠高差自流给矿，降低了现场运行成本。

表1 江西某铜尾矿旋流分级筑坝工艺指标%

福建某铜尾矿筑坝现场，尾矿质量分数为40%，尾矿中-200目级别颗粒质量分数为55%～60%。该项目采用威海海王FX250型旋流器进行一次分级作业，旋流器溢流进入尾矿库沉积，旋流器沉砂用于筑坝作业。该项目旋流器分级指标如表2所示。旋流器沉砂质量分数为69.80%，沉砂中-200目级别颗粒质量分数为12.80%，沉砂产率为31.92%，旋流器分级效率达到55.12%[3]。

表2 福建某铜尾矿旋流器筑坝工艺指标%

2.2 尾矿选砂

砂石骨料作为基础建设需求量最大的自然资源，近年来已由天然采集向开采制造转变，其中矿山行业尾矿选砂在砂石骨料供应中占据了一定比例。目前，尾矿选砂已经成为尾矿回收再利用的重要途径。不同矿石性质或不同选别工艺所产生的尾矿，在颗粒形态和颗粒级配上存在一定的差异，因此需要通过适宜的选别工艺和设备，将尾矿中粒度适宜的颗粒提取出来用作建筑用砂。尾矿选砂常用的设备为水力旋流器与脱水筛。水力旋流器负责对选别尾矿进行特定粒度尾矿产品的分离分选；脱水筛负责对分选产品进行脱水。两种设备组合的选砂工艺如图2所示。为了保证较低的筛上产品细颗粒夹带量，尾矿选砂用的旋流器一般采用短锥体结构。

图2 尾矿选砂工艺流程

以安徽某铁尾矿选砂现场为例，该厂尾矿质量分数为35%，尾矿中-200目级别颗粒的质量分数为61.89%。该厂采用结构为平底结构的FX500-ZKJ2445型尾矿选砂一体机进行尾矿选砂作业；采用ZKJ2445型号脱水筛进行脱水。现场尾矿由渣浆泵输送给旋流器进行分级作业，分级粒度为0.15 mm，旋流器沉砂自流至脱水筛进行脱水，同时可进一步脱除产品中的细颗粒，脱水筛筛下与旋流器溢流输送至现场尾矿库，筛上产品作为建筑用砂销售。旋流器与脱水筛的分级指标如表3所示。

表3 安徽某铁尾矿选砂指标%

旋流器沉砂固体成分质量分数达到70%以上，经过脱水筛进一步脱水后，筛上产品固体成分质量分数达到83.62%，筛上产品水分质量分数为16.38%，可直接通过皮带运输机输送。旋流器沉砂中-200目级别颗粒质量分数为25.21%；经过脱水筛筛分后，筛上产品-200目级别颗粒质量分数降低至10.42%，满足部分行业用砂需求。

2.3 尾矿干排

尾矿干排是近年来国内逐渐兴起的一项新的尾矿处置新工艺，是指将选别尾矿通过浓缩、脱水等工艺实现尾矿的固液分离。常规的尾矿干排工艺流程如图3所示。

图3 尾矿干排常规工艺流程

选别尾矿经过旋流器浓缩分级后，旋流器沉砂给入脱水筛脱水，旋流器溢流进入浓密机进一步浓缩，浓密机底流给入压滤机进一步脱水，压滤机滤液和浓密机溢流作为回水使用。脱水筛筛上产品为粗颗粒尾矿，压滤机滤饼为细粒尾矿。对于部分有尾矿库的现场，多采用半尾干排的形式，即通过旋流器与脱水筛将尾矿中的粗颗粒产品干排，旋流器溢流进入尾矿库中沉降。

采用“旋流器+脱水筛”进行尾矿干排，能有效降低进入尾矿库的尾矿量，延长尾矿库的使用年限。同时，为没有尾矿库的选厂提供了一个很好的尾矿处理方法。

以福建某铜尾矿干排现场为例，该厂尾矿质量分数为45%，尾矿中-200目级别颗粒质量分数为55%～60%。现场尾矿采用FX250-ZKK3661-200HWCP-R型尾矿干排一体机进行尾矿干排作业。由于尾矿浓度较高，旋流器采用了高效多锥体结构，实现了大直径旋流器的细粒分级与浓缩，并取得了较好的效果。该一体机脱水指标如表4所示。

表4 福建某铜尾矿干排一体机脱水指标%

由表4可以看出，该现场尾矿来料质量分数为46.33%时，尾矿中-200目级别颗粒含量为57.66%，-400目级别颗粒质量分数为42.55%；经过旋流器与脱水筛分级脱水后，筛上产品的质量分数达81.18%，筛上产品水分的质量分数为18.82%。筛上产品可直接运输至尾矿库堆存。

2.4 尾矿井下充填

地下矿石被开采后，地下形成亏空区，容易造成地面塌方，从而产生巨大的安全隐患。对地下采空区进行充填处理，需要大量的原材料，而利用选别尾矿进行充填作业，则可以节省大量充填原料，从而降低现场生产成本。采用旋流器对选别尾矿进行分级处理。旋流器处理能力大，分级效率高，运行维护成本低。

以福建某铜矿现场为例，该现场采用FX250型旋流器用于尾矿分级井下充填作业。为了提高旋流器分级效率，该现场选用的旋流器同时采用了螺旋线进料方式与高效多锥体结构两种先进设计，所得沉砂产品中细颗粒含量较少，同时溢流中无跑粗现象。该工艺简单，运行成本低，极大地节省了现场生产成本。该旋流器分级指标如表4所示。

表4 福建某铜尾矿充填旋流器分级指标%

由表4可以看出，当现场入料质量分数为27.61%，入料中-200目级别颗粒质量分数为59.93%时，经过该旋流器浓缩分级，旋流器沉砂的质量分数达到69.38%，沉砂中-200目级别颗粒质量分数为36.82%，旋流器溢流中-200目级别颗粒质量分数达到了100%，且溢流无跑粗现象，沉砂产率达到63.15%。

3 结论

尾矿的大量堆存不仅造成了矿产资源的浪费，还会占用大量的土地，对周边生态环境产生不利的影响。水力旋流器在尾矿分级、脱泥、脱水作业等方面具有处理能力大、分级效率高、投资成本低的技术优势，广泛应用在尾矿筑坝、尾矿选砂、尾矿干排及尾矿井下充填等尾矿综合利用工艺过程中。作为一种定制化的机械设备，水力旋流器需要针对应用工艺参数及分级性能要求进行结构的定制化设计。