光电分选技术进展及其在磷矿选别中的应用与展望*

杨 丘，唐 远，郭 劲，邓 杰，童晓蕾，李 进，李智力，何东升

(1.武汉工程大学 资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074；2.北京霍里思特科技有限公司,北京 102600；3.中国地质科学院矿产综合利用研究所，四川 成都 610041；4.湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司，湖北 大悟 432818)

0 引言

光电分选技术是矿石预选抛尾的重要方法之一[1]，既不像重选、磁选等技术需消耗大量水资源，也不像浮选技术需使用大量化学药剂，可在矿石细碎或磨矿之前提高入料品位。第二次工业革命之后，特别是在核能物理研究高速发展期间，物料拣选实现了与自然光、高能射线(如激光、X射线)等的结合[2]，这也在一定程度上促进了人工智能算法等技术在智能光电分选领域的应用和发展。基于矿物表面分析、X射线透射技术的激光分选、单双面图像色选等智能光电分选技术得到了快速发展和工业应用，其中X射线透射技术(XRT)和图像色选技术已成功应用于有色金属矿、非金属矿和煤炭等矿石的预选抛尾，智能光电分选代替人工拣选是大势所趋[3]。

磷矿资源为不可再生资源，也是不可替代的重要战略资源。我国磷矿资源储量位列世界第二，约占世界总储量的4.8%[4]，但我国磷矿石平均P2O5品位不到17%，P2O5品位高于30%的优质磷矿资源仅占我国总磷矿资源的12%[5]。当前开采的磷矿石品位较低，无法满足直接利用的品位要求，若将其直接破碎、磨矿后送入选矿工艺，不仅导致选矿设备负荷过高且会造成矿石选别过程的低效率、高能耗、高成本。为了降低选矿成本和设备负荷，对低品位磷矿石在选别前进行预选抛尾显得尤为重要[6]。

1 光电分选技术及装备简述

根据矿石表面的颜色、纹理结构及对光反射率的差异进行有用矿物与脉石矿物分离的方法称为光电分选技术[7-8]。根据扫描和检测方式的不同，可将光电分选技术分为色选法和光选法，其中：色选法主要通过高清相机或探测器的单双面图像分析矿石表面，精确区分矿石表面颜色、光泽和纹理等的细微差别，实现矿石的预选抛尾；而光选法则主要通过光的反射和透射来比较矿石颗粒密度、粒度和相关化学组分的不同来实现预选抛尾[9]。两种方法相辅相成。

采用光电分选技术对矿石进行预选抛尾的一系列流程称为智能光电分选系统，该系统通常由给料系统、运输系统、扫描检测系统和分选执行系统四部分组成[10-13]。入料矿石颗粒通过特殊给矿槽整齐平铺在皮带上，经过光扫描或者高清摄像机拍照和探测器扫描后确定是否需要剔除；脉石矿物通过分选执行机构被打入尾矿槽，有用矿物则由皮带运输至精矿槽[14]，其结构与工作原理如图1所示。

图1 光电分选设备的结构与工作原理

智能光电分选系统中的光源类型较多(如白炽灯、LED灯、石英卤素灯、X射线、紫外线、红外线等)，分别适用于不同类型物料的分选。LED灯一般用于颜色差异大的农作物分选[15]，X射线可以使金刚石产生荧光而与脉石分开，白钨矿在紫外线照射下会产生荧光而与脉石分开，石棉矿经红外线加热后因波长与脉石不同而实现二者的分离[16]。矿石颗粒的扫描检测方式主要有两种：一种是其在皮带上运行时进行，另一种是其在下落过程中进行。矿石颗粒下落过程中的扫描图像清晰，分选效率高，是目前常用的扫描检测方式。分选执行机构有空气喷射器[17]、机械偏转器[18]、连续水流喷射器[19]、打板等多种类型。空气喷射器使用范围广，喷射频率及分选效率高，是主要的脉石剔除装置[20]。打板需不断与矿石碰撞，易磨损，且频率受限制，效率不高，仅在粗粒级的矿物分选中使用[16]。扫描检测机构和分选执行机构是智能光电分选系统的核心，根据矿物的物理特性来确定其应用参数可使光电分选机的分选效率和使用寿命最大化，从而降低成本，提高选矿效率。

2 光电分选技术发展历程

光电分选技术的发展历程可归纳为图2中所示的3个阶段，即初期阶段、发展阶段和现阶段。

图2 光电分选技术发展历程

2.1 初期阶段

20世纪初，奥地利科学家根据物料表面颜色差异开始尝试研制光电分选机，但因分选速度和分选质量达不到要求而以失败告终。直到20世纪30-40年代英国索特克斯公司才制成了第1台用于种子分选的光电分选机[21]。随着高速气阀的成功研制，学者们制造出了用于分选不同粒级物料的光电分选设备，自此光电分选技术的发展开始发生质的飞跃。20世纪60年代英国和加拿大等国对光电分选设备进行了改进，此后光电分选技术开始进入矿石分选领域。美国在1964年研制了格罗迈克斯型石灰石光电分选机[22]，该设备处理量大但分选效果不佳。英国索特克斯公司随后研制了双通道给矿的621M型光电分选机用于处理石膏、白云石、食盐等，1966年、1967年又分别研制了811M和711M型光电分选机用于分选石灰石和菱镁矿等。该公司研发的光电分选机分选粒度范围广、处理量较小，但能较好地提高矿石品位。苏联也在1969研制了第1台克瓦尔兹型光电分选机用于分选含金石英矿，分选后可去除大量石英等脉石。

初期光电分选设备及其参数见表1。

表1 初期光电分选设备及其参数

由表1可知：在处理粗粒级矿石时，设备的处理能力较大；但在处理细粒级矿物时，由于扫描设备精度有限，设备处理能力较低。目前这些初期光电分选机已被淘汰。

2.2 发展阶段

在1939年提出的X射线-荧光(XRF)分选概念的基础上，1967年出现了第1台X射线选煤机。1968年英国索托克斯公司和戴·比尔公司联合研制了第1台采用X射线分选金刚石(粒度为1～10 mm)的XR-21型光电分选机[23]。南非金场公司和里奥·廷托锌矿石分选公司共同研制了M13型激光选矿机，随后又研制了M16型激光选矿机[24]，当时的学者普遍认为该设备为第1台现代化高吨位矿石光电分选机。X射线、激光等技术的应用使光电分选技术上升到了一个新的高度。1971年英国在此技术的基础上研制了1011M和962M型激光光电分选机，用于分选石膏、滑石、菱镁矿等。我国从20世纪60年代末开始研究和应用光电分选技术[25]，1979年自主研制了第1台GXJ型X射线分选机用于分选金刚石，1982年研发生产了第1台GS-Ⅲ型激光选矿机，先后分选了金矿、汞矿、石膏矿和钨矿等低品位矿石[26]。20世纪80年代苏联也开始研究和试生产各种X射线分选机[27]，1984-1995年研制了JIC系列8种型号的X射线分选机，可用于分选有色金属矿、贵金属矿和稀有金属矿；1995年以后研制了Yac型和CP型放射性分选机，适用于大部分矿石的分选；随后又研制了新型X射线分选机，并在2000年大量投产。光电分选核心技术的革新，打破了特定矿石分选的界限，从此光电分选技术全面应用于矿石分选领域。

发展阶段光电分选设备及其参数见表2。

表2 发展阶段光电分选设备及其参数

2.3 现阶段

表3列出了现阶段国内外智能光电分选设备主要研发公司及其产品参数。奥地利Redwave公司研发的XRF系列光选机是利用X射线-荧光技术测定矿石中的元素成分来达到分选的目的，该技术的优点是不会因为矿石的湿度和少量污染而影响分选精度。而德国Mogensen公司研制的Msort系列色选机采用双摄像头拍摄，分选精度更高，在建筑废料回收和矿石分选方面效果尤佳。国内公司研发的光电分选设备在设备性能和参数方面也取得了较大突破，如：北京霍里思特智能科技有限公司研发的XNDT系列光选机在XRT技术的基础上，采用了高速探测器、高精度AI算法和高速精准吹喷等核心技术，其设备广泛应用于矿石预抛尾、废石再选、块煤排矸等方面；天津美腾科技股份有限公司自主研发的TDS系列智能干选机主要结合X射线技术和图像识别技术，运用深度学习算法等先进技术，对煤和煤矸石进行精准识别，实现了对块煤的快速分选，为较大程度实现全粒级干选，该公司研发的TGS系列智能梯流干选机也已于2021年成功实现了工业应用；合肥名德光电科技股份有限公司同韩国泰明株式会社一样，其所研发的色选机均采用高分辨CCD(电荷耦合元件)图像采集系统，有分选精度高、寿命长、能耗低，适用于恶劣环境的优点。国内外光电分选理论与技术的快速发展，有效促进了传统矿石分选工艺的革新，推动了全球矿业智能分选技术的进步。

表3 现阶段国内外主要研发公司及其产品参数

3 光电分选在磷矿选别中的应用

目前磷矿石贫化严重，开采的磷矿石中夹杂了大量的废石和难分离的脉石矿物。在磷矿选矿前进行光电预选抛尾，不仅工艺流程简单、场地要求不高，而且能去除大量的脉石矿物。与其他选矿方法相比，光电分选全程可无水作业，无需增加污水处理系统，为后续磷矿石选矿工艺降低能耗、提高矿石处理量、减少环境污染等提供了保障。已有大量国内外学者采用不同光电分选设备对不同地区磷矿石进行了分选研究，结果表明，光电分选技术在磷矿预选抛尾中具有较好的分选效果。

3.1 光电分选试验研究

1)卡拉套磷块岩光电分选试验

哈萨克斯坦卡拉套磷矿中的P2O5品位与磷块岩的颜色有很大关系：其中一种是深色磷块岩，磷矿的贫化率在11%左右；另一种是灰色磷块岩，磷矿的贫化率在20%～22%；还有一种则呈白色，贫化率高达40%[22,29]。针对P2O5品位为20%～25%的磷矿石，采用两种光电分选机处理后，精矿P2O5品位提升至30%以上，P2O5回收率达到93%[22]。

2)沙特某磷矿光电分选试验[30]

针对P2O5品位为10.44%、SiO2质量分数为25.20%的沙特某磷矿，采用光电分选机处理后，精矿P2O5品位提升至13.41%、SiO2质量分数降至2.28%，脱除了大部分含硅脉石矿物，大大减少了后续磨矿、脱泥、浮选等过程的能耗。

3)湖北某磷矿光电分选试验

湖北某磷矿平均P2O5品位在19%左右，脉石矿物主要有白云石、石英和方解石等[31]，该磷矿的光电分选试验结果表明，精矿P2O5品位为22%、P2O5回收率为93%，尾矿中P2O5品位和回收率均低于7%，分选效果较好。

4)贵州某磷矿光电分选试验

针对P2O5品位为31%、MgO质量分数为2.0%～3.0%的贵州某磷矿[32]，采用光电分选机处理后，获得的磷精矿P2O5品位高于35%、P2O5回收率高于90%、MgO质量分数低于1.2%，可直接用作制备高效磷肥的原料[33]；此外，含磷尾矿中MgO和CaO质量分数较高，可用于生产高镁肥料。

5)四川某磷矿光电分选试验

对P2O5品位为19.52%、SiO2质量分数为21.43%的四川某镁硅质磷矿石进行了X射线分选试验[34]，精矿P2O5品位提高至34.58%，SiO2质量分数降至8.59%，SiO2脱除率达68.69%，脱硅效果明显，有利于提高后续设备的处理能力。

3.2 工业应用实例

1)美国某磷矿光电分选

美国某磷矿矿区含有5个矿层，主要开采上部两层，一层磷矿P2O5品位为30%～31%，二层磷矿P2O5品位为24%。选矿厂每年处理150万t磷矿石，原矿经锤式破碎机破碎至50 mm以下后给入激光选矿机，分选精矿经过棒磨、球磨脱泥后可获得P2O5品位为33%的最终精矿[26]。

2)沙特某磷矿光电分选

沙特某磷矿选矿厂原矿P2O5品位低于16%，属低品位磷矿石[35]。在引入光电分选工艺后，选矿厂原矿P2O5品位仅为12.26%、SiO2质量分数为6.47%。通过光电分选试生产后，获得的精矿P2O5品位为12.94%、P2O5回收率达95.89%、SiO2质量分数降至2.62%。试生产结果显示，光电分选能有效脱除磷矿中一定比例的脉石矿物，同时能获得高P2O5回收率的磷精矿。该工艺自试生产以来，共处理了逾120万t磷矿石，预选脱出的尾矿在10万t以上。

3)湖北宜昌磷矿光电分选

湖北宜昌某磷矿主要为粒屑结构，磷组分集中在磷块岩层中[36]。选矿厂采用X射线全自动智能在线分选机对该磷矿石进行分选，获得的精矿P2O5回收率平均在88%以上，远高于先前P2O5回收率为72%的指标[37]。磷精矿中P2O5品位大于27%，处理能力超过40 t/h，大大提高了磷资源利用效率。

4)四川雷波磷矿光电分选

四川雷波县磷矿资源丰富，远景储量达到44亿t[38]。雷波县某磷矿选矿厂采用2台X射线全自动智能在线分选机对磷矿石进行预选抛尾，其中：入选矿石粒度为20～40 mm时，设备处理能力达50 t/h；入选矿石粒度为7～20 mm时，设备处理能力为25 t/h，均高于预期。处理P2O5品位为20%左右的矿石后，获得的磷精矿P2O5品位提升至22.5%以上，废石抛出率达30%，为后续的黄磷生产提供了优质块矿原料。

5)湖北保康磷矿光电分选

湖北保康县某磷矿选矿厂拟采用光电分选技术对P2O5品位为20%的低品位磷矿进行回收利用。现场采用两段一闭路破碎—光电选矿工艺，在处理粒度范围为10～50 mm的磷矿石时，设备处理能力达50 t/h。经光电分选后，磷精矿P2O5品位高于26%，取得了较明显的分选效果，但由于投产时间不长，生产效率还需进一步检验。

4 结语与展望

光电分选技术可以有效提升选矿过程中各环节的效率，在大幅降低选矿成本的同时还能减轻环保压力。光电分选技术从20世纪初至今已经发展了100多年，从发展历程来看，光电分选技术实现了由自然光传统扫描技术到X射线、激光等高能射线扫描和单双面高清图像处理技术的突破，以及由特定矿石光电分选到多种矿石光电分选的应用。目前高能射线扫描技术和高清图像处理技术已经取代了其他的光电分选技术。

由磷矿石光电分选试验和矿山工业应用结果可知，光电分选技术在磷矿石预选抛尾中的应用十分成功，磷精矿P2O5品位和回收率均满足后续工艺要求。同时，光电分选装置简单可靠，经济性良好，用于磷矿石选矿，可以预先脱除一定比例的废石，减少下游各级工序的处理量，节约能源、药剂和水资源，降低生产成本，值得在我国磷矿特别是低品位磷矿预选工艺中推广应用。但光电分选技术仍有许多需要改进和完善的地方：针对矿山环境恶劣，光源发射器容易受光照、温度、湿度等因素影响的特点，需要进一步提高光电分选系统的稳定性；对于矿石成分复杂，特别是可能存在相近光学特性的矿物，需要进一步提高光电分选系统的计算精度和分选能力。光电分选技术作为一种高效低耗、环境友好的分选方法，必将在矿业领域得到蓬勃发展。