王洪江等：金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 5 趋势，如图2所示.图中为浓密机初始的固体颗 沉降柱的任一高度处的浓度可由H-1曲线计算得 粒体积分数，%；p.为浓密机底流中的固体颗粒体 到：二是仅需要开展一次低浓度静态沉降实验，减 积分数，%.在一般情况下，当固体浓度达到临界 少了实验次数；三是不仅考虑了层间浓度差所引 浓度o时，固体通量达到最小值，即qo.固体通量 起的向上扩散，而且考虑了速度限制层的影响，更 由式(1)计算： 加符合实际 q= (1) 9a= Hoo (2) H2 9% Hoo 9a= (3) o Solid particle volume fraction/ 图2Coe-Clevenger固体通量曲线 Time/s Fig.2 Coe-Clevenger solid flux curve 图3 Kynch沉降理论图解 其中，q为单位面积上单位时间通过的固体体积， Fig.3 Illustration of Kynch settlement theory 称为固体通量，m3sm2;o为固体颗粒体积分 其中，pa为a点处的固体颗粒体积分数，%；qa为 数，%：为对应于该浓度的固体颗粒沉降速度， a点处颗粒的固体通量，m3sm2;H2为a点处的 m's1 沉降高度，m;Ho为沉降液面初始高度，m;H2为沉 该方法通过若干组不同浓度的沉降实验，绘 降总高度，m:4z为总沉降时间，s 制沉降液面高度的变化曲线(H-1曲线)，求出沉 作为对Kynch理论的一个发展，Fitch指出 降液面初始速度，取其最小值用于设计浓密机直 在Kynch的所有假设都成立的情况下，当给定底 径.CC理论认为沉降速率取决于固体体积分数， 流排料浓度时，浓密机的最大处理能力可由间歇 侧重于考察沉降区的颗粒沉降情况，忽视了自沉 沉降实验确定 降开始就出现的位于最底部的高浓度层及其对整 2.3.3B-W沉降理论 个沉降过程的影响 Buscal和White!首次将凝胶浓度、压缩屈服 2.3.2 Kytch沉降理论 应力、干涉沉降系数作为脱水表征参数，提出了 为了进一步对C-C沉降理论进行修正，形成 B-W沉降理论，该理论被认为是现代脱水理论的 了Kynch沉降理论-4)该理论假设，在沉降初始 开端。压缩屈服应力表征絮团群的抗压缩能力，干 状态，砂浆浓度均匀分布：沉降开始后，沉降液面 涉沉降函数表征液体逆向渗流阻力.B-W沉降理 的下沉量是时间的函数.浓密机存在一个最小通 论认为，压密区域絮团形成连续网状结构，颗粒运 量值，限制其处理能力.理论上把具有最小通量值 移受重力和结构力双重影响，颗粒沉降速率不再 的砂浆所在区域称为速度限制层，沉降速度由 仅与浓度有关.因此，以凝胶浓度为界限，当浓度 -1曲线的斜率计算得出 小于凝胶浓度时采用C-C理论分析，当浓度大于 该方法可根据单个沉降实验计算得到固体通 凝胶浓度时采用B-W理论分析.将两种理论合 量.在间歇沉降实验中的任何时刻，位于沉降液面 并，可获得膏体浓密机全区域性能数学分析模型， 处的浆体浓度可由式(2)和图3确定.当时间为零 如图4所示. 时，该沉降液面以式(3)所示的恒定固体通量从沉 Landman等分析了滤饼压滤与尾砂絮团压 降柱底部向上传播.因而，具有三点优势，一是在 缩过程的力学特性，即液体通过颗粒间渗流阻力趋势，如图 2 所示. 图中 φf 为浓密机初始的固体颗 粒体积分数，%；φu 为浓密机底流中的固体颗粒体 积分数，%. 在一般情况下，当固体浓度达到临界 浓度 φ0 时，固体通量达到最小值，即 q0 . 固体通量 由式（1）计算： q = u 1 φ − 1 φu （1） φf φ0 Solid particle volume fraction/% Solid flux/(kg·m−2·h−1 ) q0 0 φu 图 2    Coe−Clevenger 固体通量曲线 Fig.2    Coe−Clevenger solid flux curve 其中，q 为单位面积上单位时间通过的固体体积， 称为固体通量 ， m 3 ∙s−1∙m−2 ； φ 为固体颗粒体积分 数 ，%； u 为对应于该浓度的固体颗粒沉降速度， m∙s−1 . 该方法通过若干组不同浓度的沉降实验，绘 制沉降液面高度的变化曲线（H−t 曲线），求出沉 降液面初始速度，取其最小值用于设计浓密机直 径. C−C 理论认为沉降速率取决于固体体积分数， 侧重于考察沉降区的颗粒沉降情况，忽视了自沉 降开始就出现的位于最底部的高浓度层及其对整 个沉降过程的影响. 2.3.2    Kytch 沉降理论 为了进一步对 C−C 沉降理论进行修正，形成 了 Kynch 沉降理论[42−43] . 该理论假设，在沉降初始 状态，砂浆浓度均匀分布；沉降开始后，沉降液面 的下沉量是时间的函数. 浓密机存在一个最小通 量值，限制其处理能力. 理论上把具有最小通量值 的砂浆所在区域称为速度限制层 ，沉降速度由 H−t 曲线的斜率计算得出. 该方法可根据单个沉降实验计算得到固体通 量. 在间歇沉降实验中的任何时刻，位于沉降液面 处的浆体浓度可由式（2）和图 3 确定. 当时间为零 时，该沉降液面以式（3）所示的恒定固体通量从沉 降柱底部向上传播. 因而，具有三点优势，一是在 沉降柱的任一高度处的浓度可由 H−t 曲线计算得 到；二是仅需要开展一次低浓度静态沉降实验，减 少了实验次数；三是不仅考虑了层间浓度差所引 起的向上扩散，而且考虑了速度限制层的影响，更 加符合实际. φa = H0φ0 Hz （2） qa = H0φ0 tz （3） tz Time/s Interface height of suspended layer/m H0 Hz Ha a 0 图 3    Kynch 沉降理论图解 Fig.3    Illustration of Kynch settlement theory 其中，φa 为 a 点处的固体颗粒体积分数，%；qa 为 a 点处颗粒的固体通量，m −3∙s−1∙m−2 ；Ha 为 a 点处的 沉降高度，m；H0 为沉降液面初始高度，m；Hz 为沉 降总高度，m；tz 为总沉降时间，s. 作为对 Kynch 理论的一个发展，Fitch 指出[44] ， 在 Kynch 的所有假设都成立的情况下，当给定底 流排料浓度时，浓密机的最大处理能力可由间歇 沉降实验确定. 2.3.3    B−W 沉降理论 Buscal 和 White[45] 首次将凝胶浓度、压缩屈服 应力、干涉沉降系数作为脱水表征参数，提出了 B−W 沉降理论，该理论被认为是现代脱水理论的 开端. 压缩屈服应力表征絮团群的抗压缩能力，干 涉沉降函数表征液体逆向渗流阻力. B−W 沉降理 论认为，压密区域絮团形成连续网状结构，颗粒运 移受重力和结构力双重影响，颗粒沉降速率不再 仅与浓度有关. 因此，以凝胶浓度为界限，当浓度 小于凝胶浓度时采用 C−C 理论分析，当浓度大于 凝胶浓度时采用 B−W 理论分析. 将两种理论合 并，可获得膏体浓密机全区域性能数学分析模型， 如图 4 所示. Landman 等[46] 分析了滤饼压滤与尾砂絮团压 缩过程的力学特性，即液体通过颗粒间渗流阻力 王洪江等： 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 · 5 ·