新一代微细粒尾矿深度浓缩工艺和设备的应用

丛龙斐, 王霄鹏, 周长春，吕文英

（1. 威海尚品机械设备科技有限公司，山东 威海 264200；2. 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116；3. 山东金玺泰矿业有限公司，山东 兰陵 277700）

随着国家环保政策的升级，矿业领域对尾矿无废处理工艺和设备的需求已经显现。当前无废处理工艺是采用旋流器、高频脱水筛、浓密机、压滤机等设备结合处理[1-2]。但是该工艺缺点是旋流器和高频脱水筛将尾矿中粗粒尾矿优先排出干堆或者作为建筑骨料等[2]，造成细粒尾矿在浓密机中碰撞几率降低，沉降困难，进而致使浓密机选型沉降面积增大，基建成本升高，也造成压滤机压滤和卸料困难。

水力旋流器作为一种旋流分离设备[3-5]可以对料浆进行浓缩，并且设备占地面积小、成本低。张丹[6-7]的研究表明旋流器直径越小、锥角越小对细粒级物料的浓缩作用越强。崔宝玉[7]的研究表明锥角越小，沉砂的分流比越大。因此根据现场尾矿参数设计三段浓缩工艺，将微细粒尾矿浓缩充填，溢流返回重新利用。

1 试验样品及研究方法

1.1 样品性质

样品采自山东金玺泰矿业有限公司二选厂尾矿，尾矿主要是粗粒尾矿干排系统的溢流，样品经过混样、缩分后测试细度与浓度。测试结果见表1。

>表1 样品性质Table 1 Sample property

1.2 研究方法

根据物料性质设计浓缩工艺，见图1。

图1 三级浓缩工艺流程Fig .1 Three stage concentration process

工艺中一级旋流器的主要作用是将低浓度物料进行强力浓缩，二级旋流器主要作用是增加工艺的颗粒回收能力净化回水，三级旋流器主要作用是在保证沉砂充填浓度的前提下，提升沉砂产率。

结合各级旋流器在工艺中的作用，将旋流器结构进行适当优化。Smax100/PU-K 旋流器（简称A）将原有Smax100/PU-B 旋流器（简称B）取消柱段、缩小锥角、加长沉砂口浓缩段、增大进料体包角，提升一级旋流器的浓缩能力；Smax75/PU-WY 旋流器（简称C）将原有Smax75/PU-B 旋流器（简称D）多锥角改为单锥小锥角，增加浓缩鱼尾，增加二级旋流器对微细粒的回收能力并提升沉砂浓度；Smax150/PU-BY 旋流器（简称E）将原有Smax150/PU-B 旋流器（简称F）加上浓缩鱼尾，增强旋流器对来料浓度变化的适应性，保证沉砂浓度的稳定。

根据现场充填作业要求，将工艺设备做成模块化集成撬装结构方便现场移动充填。整个模块中包含A 型、C 型、F 型旋流器，各级配套泵及变频器，各级泵池，各级液位控制系统，设备单台能力650m³/h。

2 结果与讨论

2.1 A 型与B 型旋流器浓缩性能对比

试验时进料浓度8%，A 型和B 型旋流器溢流管直径（do）35 mm（0.35D，D 表示旋流器直径，下同），底流口直径（ds）12 mm（ds/do=0.34），溢流管插入深度35 mm（0.35D），分别在0.08MPA、0.1MPa、0.12MPa、0.14MPa、0.16MPa 压力条件下运行A 与B 两种型号旋流器，试验果见图2。

图2 A 型和B 型旋流器沉砂浓度随着运行压力变化 趋势Fig .2 Changes of the sediment concentration of type A and type B hydrocyclones with the operating pressure

由图2 可知，A 型和B 型旋流器沉砂浓度随着运行压力的增大逐渐增大， 在运行压力P ≤0.1Mpa 时两类旋流器浓缩效果相近，N ≤4.3。A 型旋流器浓缩效果整体优于B 型旋流器，在0.16MPa 时A 旋流器沉砂浓度达到最大，Cs=46.74%，N=5.84； 此时，B 型旋流器Cs=41.30，N=5.16。试验结果表明：改进后的A 型旋流器浓缩效果优于B 型旋流器。

分析中涉及的浓缩度计算公式为：

N——旋流器浓缩度

Cs——旋流器沉砂浓度/%

Ci——旋流器进料浓度/%

2.2 Smax 75/PU-WY 与Smax75/PU-B 净化能力对比

试验时进料浓度4%，A 型和B 型旋流器溢流管直径(do)25 mm(0.33D)，底流口直径(ds)10mm(ds/do=0.4)，分别在0.20 MPA、0.18 MPa、0.16 MPa、0.14 MPa 压力条件下运行C 与D 两种型号旋流器，试验果见图3。

图3 C 型与D 型旋流器的沉砂和溢流浓度随着运行压力变化趋势 Fig. 3 Change of the sand-settling and overflow concentrations of C and D type hydrocyclones with the operating pressure

由图3 可知，C 型和D 型旋流器沉砂浓度随着运行压力的增大逐渐增大，C 型旋流器沉砂浓度整体高于D 型，在运行压力0.20 MPa 时，分别达到27% 和19.45%。C 型旋流器溢流浓度随运行压力增大，先逐渐增大再减小，在运行压力0.18 MPa时，达到1.3%。C 型旋流器达到0.2MPa 时溢流浓度增加是因为超出其较佳处理量范围，沉砂呈柱状排料不畅，导致溢流跑料。D 型旋流器溢流浓度随压力增加，溢流浓度变化不大。

因为单独用沉砂浓度或者溢流浓度都无法表征旋流器的净化能力，所以用沉砂产率与溢流浓度的比值代表旋流器净化系数，结果见表2。

>表2 C 型和D 型旋流器净化系数Table 2 Purification coefficients of C and D type cyclone

由表2 可知，C 型旋流器净化能力优于D 型旋流器，在运行压力在0.18MPa 时，净化能力最强达到0.55。

分析中涉及的净化系数计算公式为：

F——旋流器净化能力

γ——旋流器沉砂产率/%

Cy——旋流器溢流浓度/%

2.3 SPWK-650 撬装式集成尾矿处理系统工业试验

试验时现场总细粒尾矿泵输送量为400 m³/h，输送尾矿浓度9% 左右，试验结果见表3。

>表3 SPWK-650 撬装式集成尾矿处理系统运行指标Table 3 Operation index of spwk-650 crowed integrated tailings processing system

表3 表明，采用优化结构后旋流器，结合三级浓缩工艺可以达到现场充填和回水要求指标，充填浓度≥68.23%，回水浓度≤2%。

试验表明SPWK-650 撬装式集成尾矿处理系统可以替代浓密机等浓缩设备，并且设备成本和运行成本低。

3 结 论

（1）在微细颗粒矿浆的净化方面，小直径、小锥角旋流器比小直径、多锥角旋流器更有优势。

（2）缩小锥角、缩短柱段、加长沉砂口浓缩段可有效提升旋流器的浓缩能力。

（3）采用SPWK-650 撬装式集成尾矿处理系统可以替代浓密机等浓缩设备，并且设备成本和运行成本低。