D0L:10.13374.issn1001-053x.2011.06.008 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 王洪江)☒陈琴瑞》 吴爱祥) 翟永刚”张新普) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)云南铜业集团迪庆矿业公司，迪庆674400 ☒通信作者，E-mail:wanghj1988@126.com 摘要在实验装置中添加了转子导流系统，使模型装置更接近于现场高效浓密机.采用均匀设计方法，以单位面积固体处 理量和底流体积分数作为尾砂浓密效果的评价指标，考察各因素对尾砂浓密效果的影响.结果表明：单位面积固体处理量与 絮凝剂单耗正相关，最佳入料体积分数为6.56%；底流体积分数与入料体积分数、停留时间和絮凝剂单耗均正相关.最后通过 凯奇沉降模型对沉降曲线进行分析，速度限制层一般为过渡区与压缩区的交界处，根据实验结果和尾砂日处理量计算得出浓 密机的最小直径为14m. 关键词尾砂：絮凝沉降；均匀设计：浓密机 分类号TD926.4 Study on the thickening properties of unclassified tailings and its application to thickener design WANG Hong-jiang”☒，CHEN Qin--ui”,WUAi-iang',ZHAI Yong-gang》,ZHANG Xin-pu》 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Diqing Mining Company of Yunnan Copper Corporation,Diqing 674400,China Corresponding author,E-mail:wanghj1988@126.com ABSTRACT A rotor was added to the experimental apparatus,making the apparatus more similar to an in-situ high-capacity thicken- er.With solid handling capacity per unit area and underflow volume concentration as two evaluating indicators of tailings thickening effect,the influence of some factors on tailings thickening effect was investigated using a uniform design method.It is shown that there is a positive correlation between the solid handling capacity per unit area and the flocculant's dosage,and the best feed volume concen- tration is 6.56%.The underflow volume concentration is of positive correlation with feed volume concentration,residence time and the flocculant's dosage,respectively.Through analyzing the settlement curve with a Cage settlement model,it is concluded that the speed limit layer is typically the separate layer of the transition region and the compression region.Based on experimental results and tailings handling capacity daily,the minimum diameter of a thickener is 14m. KEY WORDS tailings;flocculation settling:uniform design;thickeners 音体充填是一种新型的矿山充填技术，与传统 增大颗粒的团聚粒径，从而实现液固体系的快速分 的水力充填相比，膏体充填料浆不沉淀、不离析和不 离-).在模拟尾矿浓密的室内实验中，大多数采用 分层，且采场脱水量少，充填质量高，是充填技术的 量筒装置的静置沉降s-0,模型与现场具有耙架装 主要发展方向口.在音体充填料制备工艺中全尾砂 置的高效浓密机相差甚远，压缩效果差，底流浓度 的脱水浓缩是关键点和难点回.单纯靠自然沉降速 低，对现场浓密效果指导意义不大：同时在评价浓密 度较慢，因此根据尾矿沉降特点，添加絮凝剂来提高 效果时，大多数采用沉降速度这一指标，而沉降速度 沉降速度).絮凝剂分为无机絮凝剂和高分子絮凝 反映不出浓密机的处理能力.因此有必要在实验装 剂两大类，主要通过静电中和、界面吸附架桥等方式 置和浓密效果评价指标上做出改进，以使模型更接 收稿日期：2010-06-04 基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(No.RT0950):新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NECT-O7O070)
第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 王洪江1) 陈琴瑞1) 吴爱祥1) 翟永刚1) 张新普2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 云南铜业集团迪庆矿业公司，迪庆 674400 通信作者，E-mail: wanghj1988@ 126． com 摘 要 在实验装置中添加了转子导流系统，使模型装置更接近于现场高效浓密机． 采用均匀设计方法，以单位面积固体处 理量和底流体积分数作为尾砂浓密效果的评价指标，考察各因素对尾砂浓密效果的影响． 结果表明: 单位面积固体处理量与 絮凝剂单耗正相关，最佳入料体积分数为 6. 56% ; 底流体积分数与入料体积分数、停留时间和絮凝剂单耗均正相关． 最后通过 凯奇沉降模型对沉降曲线进行分析，速度限制层一般为过渡区与压缩区的交界处，根据实验结果和尾砂日处理量计算得出浓 密机的最小直径为 14 m． 关键词 尾砂; 絮凝沉降; 均匀设计; 浓密机 分类号 TD926. 4 Study on the thickening properties of unclassified tailings and its application to thickener design WANG Hong-jiang1) ，CHEN Qin-rui 1) ，WU Ai-xiang1) ，ZHAI Yong-gang1) ，ZHANG Xin-pu2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Diqing Mining Company of Yunnan Copper Corporation，Diqing 674400，China Corresponding author，E-mail: wanghj1988@ 126． com ABSTRACT A rotor was added to the experimental apparatus，making the apparatus more similar to an in-situ high-capacity thickener． With solid handling capacity per unit area and underflow volume concentration as two evaluating indicators of tailings thickening effect，the influence of some factors on tailings thickening effect was investigated using a uniform design method． It is shown that there is a positive correlation between the solid handling capacity per unit area and the flocculant’s dosage，and the best feed volume concentration is 6. 56% ． The underflow volume concentration is of positive correlation with feed volume concentration，residence time and the flocculant’s dosage，respectively． Through analyzing the settlement curve with a Cage settlement model，it is concluded that the speed limit layer is typically the separate layer of the transition region and the compression region． Based on experimental results and tailings handling capacity daily，the minimum diameter of a thickener is 14 m． KEY WORDS tailings; flocculation settling; uniform design; thickeners 收稿日期: 2010--06--04 基金项目: 长江学者和创新团队发展计划资助项目( No． IRT0950) ; 新世纪优秀人才支持计划资助项目( No． NECT--07--0070) 膏体充填是一种新型的矿山充填技术，与传统 的水力充填相比，膏体充填料浆不沉淀、不离析和不 分层，且采场脱水量少，充填质量高，是充填技术的 主要发展方向［1］． 在膏体充填料制备工艺中全尾砂 的脱水浓缩是关键点和难点［2］． 单纯靠自然沉降速 度较慢，因此根据尾矿沉降特点，添加絮凝剂来提高 沉降速度［3］． 絮凝剂分为无机絮凝剂和高分子絮凝 剂两大类，主要通过静电中和、界面吸附架桥等方式 增大颗粒的团聚粒径，从而实现液固体系的快速分 离［4--7］． 在模拟尾矿浓密的室内实验中，大多数采用 量筒装置的静置沉降［8--10］，模型与现场具有耙架装 置的高效浓密机相差甚远，压缩效果差，底流浓度 低，对现场浓密效果指导意义不大; 同时在评价浓密 效果时，大多数采用沉降速度这一指标，而沉降速度 反映不出浓密机的处理能力． 因此有必要在实验装 置和浓密效果评价指标上做出改进，以使模型更接 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.008
第6期 王洪江等：全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 ·677 近于现场高效浓密机，同时评价指标能更好地反映 浓密效果和浓密机的处理能力 100 1实验装置及物料 0 60 本文在实验装置中添加耙架装置的模拟物一 转子，转速约为5r·min,在不搅起压缩层尾砂的 40 前提下，引导颗粒间的水向上析出，以达到更高的底 20 流体积分数.实验装置见图1.微电机通过减速器 带动转子转动，转速较慢，转子起导流作用，使压缩 10P D/um 层的水更容易溢出，从而密实性更好，底流体积分数 更高.量筒体积为2000mL,横截面积为47.62cm2. 图2全尾砂粒级组成曲线 Fig.2 The curve of unclassified tailings grain size 线图上表现为一条斜直线，如图3中AB段；在过渡 区，沉降速度逐渐下降，在沉降曲线图上表现为向上 凹的曲线，如BC段：而压缩区，沉降速度基本不变， 在沉降曲线图上基本为一条水平直线，如CD段.在 实验过程中发现，除了量筒上部固液分离界面外，在 下部还有一个很明显的界面，是由于底部尾砂聚积， 浓度很大，颜色与上部相比较深，此界面为底部压缩 层界面.随着沉降过程的进行，上部固液分离界面 下降，下部压缩层界面上升，当两界面重合时，就进 入了压缩阶段 1一微电机：2一减速器：3一转子：4一量筒 图1实验装置 45 Fig.1 Experimental apparatus 40 实验物料为某铜矿浮选后的全尾矿，H值略大 于7，中性偏碱.全尾矿的物理特性见表1，粒级组 30 成见图2.从图2可知，尾矿中-20um占45%左 25 右，颗粒组成极细.经计算全尾砂的平均粒径约为 45μm.一般来说固体颗粒越细，所需絮凝剂单耗越 高，沉降速度和压缩性能越差，底流体积分数 15 越低 100150200250300 沉降时间 表1全尾砂的物理特性 Table 1 Physical properties of unclassified tailings 图3尾矿沉降曲线 Fig.3 Settlement curve 密度/(g'cm3) 容重/(tm3) 孔隙率/% 3.09 1.14 63.11 2.2浓密效果评价指标 2.2.1单位面积固体处理量 本实验选用三种絮凝剂，分别为Ciba公司的 单位面积固体处理量与入料体积分数和沉降速 E10,Nalco公司的83376和希涛公司的XT9020,均 度有关.沉降速度计算公式为 为白色粉末、阴离子型絮凝剂 dh (1) dt 2沉降过程分析及浓密效果评价指标 式中：v为沉降速度，cm·sl;dt为沉降时间，s;dH 2.1沉降过程分析 为沉降时间dt内的沉降高度，cm. 全尾砂沉降过程分为自由沉降区、过渡区和压 由于在沉降初期，固液分离界面不是很清晰，因 缩区.在自由沉降区，沉降速度基本相等，在沉降曲 此采用式(1)计算的沉降速度误差很大.对本实验
第 6 期 王洪江等: 全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 近于现场高效浓密机，同时评价指标能更好地反映 浓密效果和浓密机的处理能力． 1 实验装置及物料 本文在实验装置中添加耙架装置的模拟物——— 转子，转速约为 5 r·min － 1 ，在不搅起压缩层尾砂的 前提下，引导颗粒间的水向上析出，以达到更高的底 流体积分数． 实验装置见图 1． 微电机通过减速器 带动转子转动，转速较慢，转子起导流作用，使压缩 层的水更容易溢出，从而密实性更好，底流体积分数 更高． 量筒体积为 2 000 mL，横截面积为 47. 62 cm2 ． 1—微电机; 2—减速器; 3—转子; 4—量筒 图 1 实验装置 Fig． 1 Experimental apparatus 实验物料为某铜矿浮选后的全尾矿，pH 值略大 于 7，中性偏碱． 全尾矿的物理特性见表 1，粒级组 成见图 2． 从图 2 可知，尾矿中 － 20 μm 占 45% 左 右，颗粒组成极细． 经计算全尾砂的平均粒径约为 45 μm． 一般来说固体颗粒越细，所需絮凝剂单耗越 高，沉降速度和压缩性能越差，底 流 体 积 分 数 越低［11］． 表 1 全尾砂的物理特性 Table 1 Physical properties of unclassified tailings 密度/( g·cm － 3 ) 容重/( t·m － 3 ) 孔隙率/% 3. 09 1. 14 63. 11 本实验选用三种絮凝剂，分别为 Ciba 公司的 E10，Nalco 公司的 83376 和希涛公司的 XT9020，均 为白色粉末、阴离子型絮凝剂． 2 沉降过程分析及浓密效果评价指标 2. 1 沉降过程分析 全尾砂沉降过程分为自由沉降区、过渡区和压 缩区． 在自由沉降区，沉降速度基本相等，在沉降曲 图 2 全尾砂粒级组成曲线 Fig． 2 The curve of unclassified tailings grain size 线图上表现为一条斜直线，如图 3 中 AB 段; 在过渡 区，沉降速度逐渐下降，在沉降曲线图上表现为向上 凹的曲线，如 BC 段; 而压缩区，沉降速度基本不变， 在沉降曲线图上基本为一条水平直线，如 CD 段． 在 实验过程中发现，除了量筒上部固液分离界面外，在 下部还有一个很明显的界面，是由于底部尾砂聚积， 浓度很大，颜色与上部相比较深，此界面为底部压缩 层界面． 随着沉降过程的进行，上部固液分离界面 下降，下部压缩层界面上升，当两界面重合时，就进 入了压缩阶段． 图 3 尾矿沉降曲线 Fig． 3 Settlement curve 2. 2 浓密效果评价指标 2. 2. 1 单位面积固体处理量 单位面积固体处理量与入料体积分数和沉降速 度有关． 沉降速度计算公式为 v = dH dt ( 1) 式中: v 为沉降速度，cm·s － 1 ; dt 为沉降时间，s; dH 为沉降时间 dt 内的沉降高度，cm． 由于在沉降初期，固液分离界面不是很清晰，因 此采用式( 1) 计算的沉降速度误差很大． 对本实验 ·677·
·678 北京科技大学学报 第33卷 中的各个砂浆做沉降实验后发现，固液分离界面在 14h,絮凝剂单耗范围为7.5~20gt-1.采用均匀设 到达1400mL刻度线时清晰可见，并且其沉降曲线 计方法，建立三因素六水平的实验方案，其因素组合 几乎为一斜直线，因此用此时斜线的斜率来近似表 见表3. 征入料体积分数的沉降速度.其计算公式为 表3底流浓度实验影响因素组合 H1-H2 Table 3 Factor combination in the experiment of underflow volume con- U=- (2) centration 式中：H,为液面在2000mL刻度线时的高度，cm;H2 实验 砂浆体积 停留 絮凝剂单耗/ 为固液分离界面达到1400mL刻度线时的高度， 编号 分数/% 时间h (gt1) cm;t为固液分离界面到达1400mL刻度线时的时 1 1.7 4 12.5 间，5. 2 3.5 8 20 单位面积固体处理量计算公式为 3 5.4 14 10 G=p.Cvx×10-2×3600 (3) 4 7.5 17.5 式中：G为单位面积固体处理量，h1m2:p,为尾 5 9.7 6 7.5 砂密度，gcm-3;Cv为入料体积分数. 6 12.2 10 5 2.2.2底流浓度 当到达停留时间后，将上清液取出，将底部砂浆 4实验结果 倒出，重新搅拌，称取砂浆质量为M,放入烘箱烘烤 4.1絮凝剂种类筛选实验 24h后，再次称重为M2,底流体积分数计算公式为 絮凝剂种类对全尾砂的沉降效果有很大的影 M 响.分别配制质量分数为0.025%的三种絮凝剂溶 P. Cu =M2 M,-Mz -×100% (4) 液，在相同实验条件（砂浆体积分数5.4%，絮凝剂 P.P 单耗10gt)下，做添加不同絮凝剂砂浆的沉降实 式中：Cu为底流体积分数，%：M,为烘前砂浆质量， 验，并与未添加絮凝剂的作比较，其沉降曲线见 g;M2为烘后干尾砂质量，g;p.为清水密度， 图4.从图4可以看出，三种絮凝剂都能明显改善全 g*cm-3 尾砂浆的沉降效果.E10的改善效果要优于83376 和XT9020,所以选择E10作为絮凝剂添加剂. 3实验方案 45 3.1单位面积固体处理量实验 配制不同体积分数的砂浆，絮凝剂单耗范围为 35 7.5一20gt1.采用均匀设计方法回，以砂浆体积 。-E10 25 ·-XT9020 分数和絮凝剂单耗作为考察因素，建立两因素六水 +-83376 。无絮凝剂 平的实验方案，其因素组合见表2 15 表2单位面积固体处理量实验影响因素组合 Table 2 Factor combination in the experiment of solid handling capacity 40 80120160200240280 per unit area 沉降时间A 实验编号 砂浆体积分数/% 絮凝剂单耗/(gt) 图4添加不同絮凝剂砂浆的沉降曲线 1 1.7 12.5 Fig.4 Settling curves of slurries with different flocculants 2 3.5 20 3 5.4 公 4.2单位面积固体处理量实验 4 7.5 17.5 按表2中的因素组合配制砂浆，做沉降实验，记 5 9.7 7.5 录固液分离界面高度和沉降时间，计算沉降速度和 6 12.2 15 单位面积固体处理量.计算结果见表4. 4.3底流体积分数实验 3.2 底流浓度影响因素实验 按表3中的因素组合配制砂浆，做沉降实验，在 配制不同体积分数的砂浆，停留时间范围为2~ 达到停留时间后，测定其底流体积分数.实验结果
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 中的各个砂浆做沉降实验后发现，固液分离界面在 到达 1 400 mL 刻度线时清晰可见，并且其沉降曲线 几乎为一斜直线，因此用此时斜线的斜率来近似表 征入料体积分数的沉降速度． 其计算公式为 v = H1 － H2 t ( 2) 式中: H1 为液面在 2 000 mL 刻度线时的高度，cm; H2 为固液分离界面达到 1 400 mL 刻度线时的高度， cm; t 为固液分离界面到达 1 400 mL 刻度线时的时 间，s． 单位面积固体处理量计算公式为 G = ρsCVv × 10 － 2 × 3 600 ( 3) 式中: G 为单位面积固体处理量，t·h － 1 ·m － 2 ; ρs 为尾 砂密度，g·cm － 3 ; CV 为入料体积分数． 2. 2. 2 底流浓度 当到达停留时间后，将上清液取出，将底部砂浆 倒出，重新搅拌，称取砂浆质量为 M1，放入烘箱烘烤 24 h 后，再次称重为 M2，底流体积分数计算公式为 CU = M2 ρs M2 ρs + M1 － M2 ρw × 100% ( 4) 式中: CU 为底流体积分数，% ; M1 为烘前砂浆质量， g; M2 为 烘 后 干 尾 砂 质 量，g; ρw 为 清 水 密 度， g·cm － 3 ． 3 实验方案 3. 1 单位面积固体处理量实验 配制不同体积分数的砂浆，絮凝剂单耗范围为 7. 5 ～ 20 g·t － 1 ． 采用均匀设计方法［12］，以砂浆体积 分数和絮凝剂单耗作为考察因素，建立两因素六水 平的实验方案，其因素组合见表 2． 表 2 单位面积固体处理量实验影响因素组合 Table 2 Factor combination in the experiment of solid handling capacity per unit area 实验编号 砂浆体积分数/% 絮凝剂单耗/( g·t － 1 ) 1 1. 7 12. 5 2 3. 5 20 3 5. 4 10 4 7. 5 17. 5 5 9. 7 7. 5 6 12. 2 15 3. 2 底流浓度影响因素实验 配制不同体积分数的砂浆，停留时间范围为2 ～ 14 h，絮凝剂单耗范围为 7. 5 ～ 20 g·t － 1 ． 采用均匀设 计方法，建立三因素六水平的实验方案，其因素组合 见表 3． 表 3 底流浓度实验影响因素组合 Table 3 Factor combination in the experiment of underflow volume concentration 实验 编号 砂浆体积 分数/% 停留 时间/h 絮凝剂单耗/ ( g·t － 1 ) 1 1. 7 4 12. 5 2 3. 5 8 20 3 5. 4 14 10 4 7. 5 2 17. 5 5 9. 7 6 7. 5 6 12. 2 10 15 4 实验结果 4. 1 絮凝剂种类筛选实验 絮凝剂种类对全尾砂的沉降效果有很大的影 响． 分别配制质量分数为 0. 025% 的三种絮凝剂溶 液，在相同实验条件( 砂浆体积分数 5. 4% ，絮凝剂 单耗 10 g·t － 1 ) 下，做添加不同絮凝剂砂浆的沉降实 验，并与未添加絮凝剂的作比较，其 沉 降 曲 线 见 图 4． 从图 4 可以看出，三种絮凝剂都能明显改善全 尾砂浆的沉降效果． E10 的改善效果要优于 83376 和 XT9020，所以选择 E10 作为絮凝剂添加剂． 图 4 添加不同絮凝剂砂浆的沉降曲线 Fig． 4 Settling curves of slurries with different flocculants 4. 2 单位面积固体处理量实验 按表 2 中的因素组合配制砂浆，做沉降实验，记 录固液分离界面高度和沉降时间，计算沉降速度和 单位面积固体处理量． 计算结果见表 4． 4. 3 底流体积分数实验 按表 3 中的因素组合配制砂浆，做沉降实验，在 达到停留时间后，测定其底流体积分数． 实验结果 ·678·
第6期 王洪江等：全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 ·679 见表5. 和=46.8% 表4单位面积固体处理量实验结果 从偏回归平方和大小可知：入料体积分数对单 Table 4 Experimental results of solid handling capacity per unit area 位面积固体处理量贡献性大，敏感性高：其次为絮凝 实验分离界面达到1400mL沉降速度/单位面积固体处理 剂单耗。 编号刻度线时沉降时间/s (cmsl)量/(hlm2) 5.2底流浓度 1 8.3 1.52 2.87 根据表5对底流体积分数进行回归分析，回归 2 5.5 2.29 8.90 方程(R=0.9998)为 3 11.0 1.14 6.87 Cu=21.6+1.26x1+0.0783x2+1.91nx3(7) 4 12.0 1.05 8.76 式中，x3为停留时间，h. 5 64.0 0.20 2.13 从方程(7)可以看出，底流体积分数与砂浆体 6 60.0 0.21 2.85 积分数、停留时间和絮凝剂单耗均正相关 方程中各项对回归的贡献性分析（偏回归平方 表5底流体积分数实验结果 和)： Table 5 Experimental results of underflow volume concentration P(x1)=124,偏回归平方和/回归平方和= 实验编号 2 4 85.5%: 底流体积 27.4031.6434.1033.6637.9442.54 P(x2)=0.901,偏回归平方和/回归平方 分数/% 和=0.4%： P(x)=9.25,偏回归平方和/回归平方 5讨论与分析 和=6.0%. 从偏回归平方和大小可知：入料体积分数对底 5.1单位面积固体处理量 流体积分数贡献性最大，敏感性最高：其次为停留时 根据表4对单位面积固体处理量进行回归分 间；最后为絮凝剂单耗 析，其回归方程（回归精度R=0.9854)为 5.3实验水平内最佳因素组合 G=5.18+2.61x,-0.199x-71.4 (5) 从回归方程来看，停留时间和絮凝剂单耗越大， 式中：1为砂浆体积分数，%：2为絮凝剂单耗， 越有利于砂浆浓密.在实验因素水平内，从单位面 g't-. 积固体处理量和底流体积分数综合考虑，砂浆最佳 从方程(5)中可以看出，在砂浆体积分数一定 入料体积分数为6.65%，停留时间为14h,絮凝剂单 时，单位面积固体处理量与絮凝剂单耗的反比例函 耗为20gt.在现场生产实践中，停留时间和絮凝 数呈负相关 剂单耗要根据现场固体颗粒日处理量、作业时间、底 当絮凝剂单耗一定时，方程(5)对砂浆体积分 流浓度要求以及生产成本等综合考虑来进行调整. 数求偏导数得 5.4验证实验 aG=2.61-0.398x 验证实验中，入料体积分数为6.65%，停留时 (6) dx1 间为5h,絮凝剂添加量为8gt1.误差计算公式为 当C=0时，，=6.56.当x,6.56时， 式中：W为误差，%；N,为公式计算结果；N2为实验 单位面积固体处理量与砂浆体积分数负相关.因此 结果 6.56%为最佳入料体积分数. 实验结果、公式计算结果和误差见表6.从表6 方程中各项对回归的贡献性分析（偏回归平方 可以看出回归公式具有很高的精度，能很好地反映 和)： 出各因素对尾砂浓密效果的影响程度，对现场膏体 P(x)=27.7,偏回归平方和/回归平方 制备工艺有很好的指导意义. 和=58.0%： 6浓密机最小直径分析与估算 P(x)=23.1,偏回归平方和/回归平方 和=48.3%： 根据凯奇沉降模型，在沉降区各层悬浮液浓 P(x2)=22.4,偏回归平方和/回归平方 度均相等，其沉降速度也相等，因此通过沉降区
第 6 期 王洪江等: 全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 见表 5． 表 4 单位面积固体处理量实验结果 Table 4 Experimental results of solid handling capacity per unit area 实验 编号 分离界面达到 1 400 mL 刻度线时沉降时间/s 沉降速度/ ( cm·s － 1 ) 单位面积固体处理 量/ ( t·h － 1 ·m － 2 ) 1 8. 3 1. 52 2. 87 2 5. 5 2. 29 8. 90 3 11. 0 1. 14 6. 87 4 12. 0 1. 05 8. 76 5 64. 0 0. 20 2. 13 6 60. 0 0. 21 2. 85 表 5 底流体积分数实验结果 Table 5 Experimental results of underflow volume concentration 实验编号 1 2 3 4 5 6 底流体积 分数/% 27. 40 31. 64 34. 10 33. 66 37. 94 42. 54 5 讨论与分析 5. 1 单位面积固体处理量 根据表 4 对单位面积固体处理量进行回归分 析，其回归方程( 回归精度 R = 0. 985 4) 为 G = 5. 18 + 2. 61x1 － 0. 199x 2 1 － 71. 4 x2 ( 5) 式中: x1 为砂浆体积分数，% ; x2 为 絮 凝 剂 单 耗， g·t － 1 ． 从方程( 5) 中可以看出，在砂浆体积分数一定 时，单位面积固体处理量与絮凝剂单耗的反比例函 数呈负相关． 当絮凝剂单耗一定时，方程( 5) 对砂浆体积分 数求偏导数得 G x1 = 2. 61 － 0. 398x1 ( 6) 当 G x1 = 0 时，x1 = 6. 56． 当 x1 ＜ 6. 56 时，单位面积固 体处理量与砂浆体积分数正相关; 当 x1 ＞ 6. 56 时， 单位面积固体处理量与砂浆体积分数负相关． 因此 6. 56% 为最佳入料体积分数． 方程中各项对回归的贡献性分析( 偏回归平方 和) : P( x 2 1 ) = 27. 7，偏 回 归 平 方 和 / 回 归 平 方 和 = 58. 0% ; P( x1 ) = 23. 1，偏 回 归 平 方 和 / 回 归 平 方 和 = 48. 3% ; P( x2 ) = 22. 4，偏 回 归 平 方 和 / 回 归 平 方 和 = 46. 8% ． 从偏回归平方和大小可知: 入料体积分数对单 位面积固体处理量贡献性大，敏感性高; 其次为絮凝 剂单耗． 5. 2 底流浓度 根据表 5 对底流体积分数进行回归分析，回归 方程( R = 0. 999 8) 为 CU = 21. 6 + 1. 26x1 + 0. 078 3x2 + 1. 91lnx3 ( 7) 式中，x3 为停留时间，h． 从方程( 7) 可以看出，底流体积分数与砂浆体 积分数、停留时间和絮凝剂单耗均正相关． 方程中各项对回归的贡献性分析( 偏回归平方 和) : P( x1 ) = 124，偏回归平方和 / 回归平方和 = 85. 5% ; P( x2 ) = 0. 901，偏回归平方和 / 回归平方 和 = 0. 4% ; P( x3 ) = 9. 25，偏 回 归 平 方 和 / 回 归 平 方 和 = 6. 0% ． 从偏回归平方和大小可知: 入料体积分数对底 流体积分数贡献性最大，敏感性最高; 其次为停留时 间; 最后为絮凝剂单耗． 5. 3 实验水平内最佳因素组合 从回归方程来看，停留时间和絮凝剂单耗越大， 越有利于砂浆浓密． 在实验因素水平内，从单位面 积固体处理量和底流体积分数综合考虑，砂浆最佳 入料体积分数为 6. 65% ，停留时间为 14 h，絮凝剂单 耗为 20 g·t － 1 ． 在现场生产实践中，停留时间和絮凝 剂单耗要根据现场固体颗粒日处理量、作业时间、底 流浓度要求以及生产成本等综合考虑来进行调整． 5. 4 验证实验 验证实验中，入料体积分数为 6. 65% ，停留时 间为 5 h，絮凝剂添加量为 8 g·t － 1 ． 误差计算公式为 W = N1 － N2 N2 × 100% ( 8) 式中: W 为误差，% ; N1 为公式计算结果; N2 为实验 结果． 实验结果、公式计算结果和误差见表 6． 从表 6 可以看出回归公式具有很高的精度，能很好地反映 出各因素对尾砂浓密效果的影响程度，对现场膏体 制备工艺有很好的指导意义． 6 浓密机最小直径分析与估算 根据凯奇沉降模型［13］，在沉降区各层悬浮液浓 度均相等，其沉降速度 vh 也相等，因此通过沉降区 ·679·
·680 北京科技大学学报 第33卷 各层的固体通量G也为定值（实际上也稍有波动）； G=p.C,,×60×10-2= 在压缩区，固体颗粒间处于挤压排水过程，沉降速度 3.09×6.65%×42×(-51.4e-a)×60×10-2 很慢，但由于在浓密机中存在底流排放速度，而 15.8+25.7e+51.4.e2 浓度从上而下依次增加，固体通量也依次增加；在过 -265.36 (13) 渡区，各层浓度逐渐增加，沉降速度必然减小，可以 15.8+25.7+51.4t, 想像必然有一个最小通量值Gn,此G限制了浓 密机的处理能力，这层悬浮液称为速度限制层 从方程(13)可以看出，由于15.8/e-与51.4t 均为单调递增函数，所以在过渡区最后一点，即过渡 表6验证实验结果 Table 6 Results of confirmatory experiment 区与压缩区交界处固体通量取得最小值G·在本 项目 实验中取其最后一点t=1.467min,得Gm= 实验结果公式计算结果误差/% -0.666t-h-1m-2. 单位面积固体处理 4.65 4.81 3.44 量/(h1m2) 该矿山要求尾砂日处理量2500t,即处理量为 底流体积分数/% 34.17 33.68 -1.43 104.167t/h,由此所计算的最小浓密机面积为Am= 104.167/0.666=156.3m2,浓密机最小直径约为 作入料体积分数为6.65%，絮凝剂单耗为 14m. 8gt的沉降区和过渡区的沉降曲线，并回归公式. 7结论 以固液分离界面高度H作为y轴，沉降时间t作为x 轴，其沉降曲线见图5. (1)本实验在实验装置上有所改进，增加了耙 45 架装置的模拟物一转子，使装置模型更接近于现 404 场高效浓密机 (2)在全尾砂浓密效果评价指标上，采用单位 35 面积固体处理量，能更好地反映出在不同影响因素 30P 组合下浓密机的处理能力：同时由于有导流装置，底 女15 流体积分数更高，对现场生产有更好的指导意义. 20 (3)单位面积固体处理量与入料体积分数呈正 156020406081012141.6 相关，最佳入料体积分数为6.56%.入料体积分数 沉降时间min 对单位面积固体处理量贡献性大、敏感性高，其次为 絮凝剂单耗：底流体积分数与入料体积分数、停留时 图5体积分数为6.65%的砂浆沉降曲线 间和絮凝剂单耗均呈正相关.入料体积分数对底流 Fig.5 Settling curve of slurries with a volume concentration of 体积分数贡献性最大、敏感性最高，其次为停留时 6.65% 间，最后为絮凝剂单耗 回归方程(R=0.998)为 (4)根据凯奇沉降模型，具有最小固体通量 H=15.8+25.7e-4 (9) G的速度限制层限制了浓密机的处理能力.通过 式中：H为固液分离界面高度，cm;t,为沉降时间， 对沉降曲线分析可得，速度限制层一般为过渡区与 min. 压缩区的交界处 对方程(9)求导得沉降速度 x=-51.4e24 (10) 参考文献 过沉降曲线上的任意一点(1，H),以)，作为斜 [1]Liu X H,Wu A X,Wang H J,et al.A primary discussion on the 率作切线与y轴相交于H, thickening law of paste-filling.Met Mine,2009(9):38 (刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等.膏体充填尾矿浓密规律初探 H,=15.8+25.7e4+51.41.e4 (11) 金属矿山，2009(9)：38) 根据凯奇模型可得点(t,H)处的砂浆体积分 Yuan X L,Xu K C.Advances in solid waste treatment and dispos- 数为 al technology for China's metal mines.Met Mine,2004(6):46 CoH。 (袁先乐，徐克创.我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术 6.65%×42 C,=H.=15.8+25.7e-24+51.4.e4712 进展.金属矿山，2004(6)：46) B]Wang X,Qu Y Y,Hu WW,et al.Experiment research on fac- 则点(t,H)处的固体通量G为 tors influencing tailing pulp flocculation settling.Met Mine,2008
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 各层的固体通量 G 也为定值( 实际上也稍有波动) ; 在压缩区，固体颗粒间处于挤压排水过程，沉降速度 很慢，但由于在浓密机中存在底流排放速度 vU，而 浓度从上而下依次增加，固体通量也依次增加; 在过 渡区，各层浓度逐渐增加，沉降速度必然减小，可以 想像必然有一个最小通量值 Gmin，此 Gmin限制了浓 密机的处理能力，这层悬浮液称为速度限制层． 表 6 验证实验结果 Table 6 Results of confirmatory experiment 项目 实验结果 公式计算结果 误差/% 单位面积固体处理 量/( t·h － 1 ·m － 2 ) 4. 65 4. 81 3. 44 底流体积分数/% 34. 17 33. 68 － 1. 43 作入料体积分数为 6. 65% ，絮 凝 剂 单 耗 为 8 g·t － 1 的沉降区和过渡区的沉降曲线，并回归公式． 以固液分离界面高度 H 作为 y 轴，沉降时间 t 作为 x 轴，其沉降曲线见图 5． 图 5 体积分数为 6. 65% 的砂浆沉降曲线 Fig． 5 Settling curve of slurries with a volume concentration of 6. 65% 回归方程( R = 0. 998) 为 Hx = 15. 8 + 25. 7e － 2tx ( 9) 式中: Hx为固液分离界面高度，cm; tx 为沉降时间， min． 对方程( 9) 求导得沉降速度 vx = － 51. 4e － 2tx ( 10) 过沉降曲线上的任意一点( tx，Hx ) ，以 vx作为斜 率作切线与 y 轴相交于 Hy， Hy = 15. 8 + 25. 7e － 2tx + 51. 4tx e － 2tx ( 11) 根据凯奇模型可得点( tx，Hx ) 处的砂浆体积分 数为 Cy = C0H0 Hy = 6. 65% × 42 15. 8 + 25. 7e － 2tx + 51. 4tx e － 2tx ( 12) 则点( tx，Hx ) 处的固体通量 G 为 G = ρsCy vx × 60 × 10 － 2 = 3. 09 × 6. 65% × 42 × ( － 51. 4e － 2tx ) × 60 × 10 － 2 15. 8 + 25. 7e － 2tx + 51. 4tx e － 2tx = － 265. 36 15. 8 e － 2tx + 25. 7 + 51. 4tx ( 13) 从方程( 13) 可以看出，由于 15. 8 /e － 2tx 与 51. 4tx 均为单调递增函数，所以在过渡区最后一点，即过渡 区与压缩区交界处固体通量取得最小值 Gmin ． 在本 实验中取其最后一点 t = 1. 467 min，得 Gmin = － 0. 666 t·h － 1 ·m － 2 ． 该矿山要求尾砂日处理量 2 500 t，即处理量为 104. 167 t /h，由此所计算的最小浓密机面积为Amin = 104. 167 /0. 666 = 156. 3 m2 ，浓 密 机 最 小 直 径 约 为 14 m． 7 结论 ( 1) 本实验在实验装置上有所改进，增加了耙 架装置的模拟物———转子，使装置模型更接近于现 场高效浓密机． ( 2) 在全尾砂浓密效果评价指标上，采用单位 面积固体处理量，能更好地反映出在不同影响因素 组合下浓密机的处理能力; 同时由于有导流装置，底 流体积分数更高，对现场生产有更好的指导意义． ( 3) 单位面积固体处理量与入料体积分数呈正 相关，最佳入料体积分数为 6. 56% ． 入料体积分数 对单位面积固体处理量贡献性大、敏感性高，其次为 絮凝剂单耗; 底流体积分数与入料体积分数、停留时 间和絮凝剂单耗均呈正相关． 入料体积分数对底流 体积分数贡献性最大、敏感性最高，其次为停留时 间，最后为絮凝剂单耗． ( 4) 根据凯奇沉降模型，具有最小固体通量 Gmin的速度限制层限制了浓密机的处理能力． 通过 对沉降曲线分析可得，速度限制层一般为过渡区与 压缩区的交界处． 参 考 文 献 ［1］ Liu X H，Wu A X，Wang H J，et al． A primary discussion on the thickening law of paste-filling． Met Mine，2009( 9) : 38 ( 刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等． 膏体充填尾矿浓密规律初探． 金属矿山，2009( 9) : 38) ［2］ Yuan X L，Xu K C． Advances in solid waste treatment and disposal technology for China's metal mines． Met Mine，2004( 6) : 46 ( 袁先乐，徐克创． 我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术 进展． 金属矿山，2004( 6) : 46) ［3］ Wang X，Qu Y Y，Hu W W，et al． Experiment research on factors influencing tailing pulp flocculation settling． Met Mine，2008 ·680·
第6期 王洪江等：全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用 ·681· (5):149 ]Liu K,Huang D Y.Zhang M X,et al.Experimental study of full (王星，瞿圆媛，胡伟伟，等.尾矿浆絮凝沉降影响因素的试验 tailings flocculation settling of Dahongshan copper.China Min 研究.金属矿山，2008(5)：149) Mag,2008,17(12):60 4]Wu QL,XiangL,Wang T.Study on the flocculation process of (刘凯，黄德铺，张明旭，等.大红山铜矿全尾砂絮凝沉降的 Mg(OH)2 particles.Sea Lake Salt Chem Ind,2004,33(3):1 试验研究.中国矿业，2008,17(12)：60) (吴庆流，向兰，王唐.氢氧化镁的絮凝沉降规律.海湖盐与 [10]He Z X.The study on flocculation settling of full tailings//The 化工，2004,33(3)：1) Eighth international Conference on Filling Mining.Beijing. 5]Liang W M.Flocculation and Sedimentation.Beijing:Metallurgi- 2004:161 cal Industry Press,1987 (何哲祥.全尾矿絮凝沉降特性研究//第八届国际充填采矿 (梁为民.絮凝与沉降.北京：治金工业出版社，1987) 会议论文集.北京，2004：161) 6]Ma QS,Jia S,Sun L.M.Flocculation Chemistry and Flocculant. [1]Li Z H.Main factors affecting flocculation settling process.Min Beijing:China Environmental Science Press,1988 Metall Eng,1991,11(1):32 (马青山，贾瑟，孙丽珉.絮凝化学和絮凝剂.北京：中国环境 (李志华.影响絮凝沉降过程的主要因素.矿治工程，1991， 科学出版社，1988) 11(1):32) Chang Q.Water Treatment Flocculation.Beijing:Chemical Indus- [12]Fang K T.Uniform Design and the Design Table.Beijing:Sci- try Press,2002 ence Press,1994 (常青.水处理絮凝学.北京：化学工业出版社，2002) (方开泰.均匀设计与均与设计表.北京：科学出版社， 8]Zhang Q F.Flocculants to treat tailings from ore-ressing plant of 1994) Jinling Iron mine.Min Metall Eng,2007,27 (2):25 [13]Luo Q.Solid-iquid Separation.Beijing:Metallurgical Industry (张去非.金岭铁矿选矿厂尾矿絮凝沉降的研究.矿治工程， Pre5s,1997 2007,27(2):25) (罗茜.固液分离.北京：治金工业出版社，1997)
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