王洪江等：金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 7 指导浓密机参数优化具有指导作用.但小型浓密 的数值模拟方法，其研究结果在一定程度上为提 实验由于尺寸效应的影响，其物理模拟值与真实 高浓密机工作效率提供了理论指导和技术依据 浓密机实测值仍存在一定差距 半工业浓密试验是由半工业尺寸的浓密机、 絮凝剂制备系统、各类仪器仪表、自动化控制和 数据采集系统等部分组成的.半工业浓密试验一 12.00 般可作为工业、半工业级充填试验系统的一部分 1.75 焦华喆等根据相似模拟原理，研制深锥浓密半 1.50 工业实验平台，探究多种因素对尾砂浓密的影响， 阐释了剪切浓密导水机理，为深锥浓密机结构参 1.25 数设计提供理论参考 1.00 尾砂浓密实验最常用的观测手段是在小型浓 密实验和半工业浓密实验中，安设流量计、浓度 计、浊度计和高分辨率摄像机等设备5，来记录实 验数据和实验现象，但传统手段无法直接观察到 图6浓密过程颗粒的沉降运动和凝聚行为 Fig.6 Settling motion and agglomeration behavior of particles in the 尾砂浓密过程的微观变化.为了更加深入了解絮 thickening process 凝机理，应用聚焦光束反射测量技术(FBRM)和颗 粒形态测试技术(PVM)等能够实现对絮体成长变 4尾砂浓密技术存在的问题 化情况的直接测量.聚焦光束反射测量技术已广 泛用于监测溶液体系中颗粒的浓度、粒径分布等 近年来，尾砂浓密脱水技术在我国取得了示 参数的实时变化过程，有助于分析絮团分形维数， 范性成果，但仍处于发展阶段.随着选矿技术的精 可用于絮凝动力学的研究啊.在高浓度体系中，运 细化，极细尾砂含量逐渐增多，脱水难度增大.普 用颗粒录影显微镜技术，可实时在线监测固体或 通浓密机无法确保底流浓度达到膏体的要求，尾 液体颗粒的微观结构，获得尾砂浓密过程中絮团 砂脱水效率和底流浓度也受到严重限制.由于尾 形状和尺寸的变化从而得到絮团聚合和破碎 砂浓密技术的影响因素和配套设备较多，系统的 等现象的显微图像57 稳定性较差，主要表现在底流浓度、床层高度和液 3.2数值模拟 面高度等关键参数常发生较大波动.同时，浓密系 浓密机内部的尾砂絮凝沉降和压缩脱水过程 统可控性一直没有得到很好的解决，主要生产参 是基于颗粒在多相流场的复杂运动实现的.因而 数的调控明显滞后，此外，现有尾砂浓密技术数字 浓密机内部流场特性和尾砂颗粒的运动规律对尾 化和信息化的程度较低，领域内的信息交流不畅， 砂浓密效果具有重要影响.针对尾砂浓密过程，通 阻碍了尾砂浓密技术的更新与发展 常基于计算流体力学(CFD)技术对其进行数值模拟. (1)尾砂浓密的关键参数不稳定 Rudman等采用CFD对浓密机耙架处流场进 尾砂是一种特殊性质的材料，不同类型的矿 行了模拟，探究了浓密尾砂浆的屈服应力对耙架 山、不同的采选工艺都会导致尾砂具有不同的物 扭矩和颗粒停留时间的影响I5s-列.Tanguay等提出 化特性.其中，尾砂的给料浓度、给出料量、组成 了一种颗粒轨迹追踪方法，可用来描述浓密机给 成分和粒度分布等均能够显著影响尾砂的浓密效 料井内颗粒的停留时间，并考察了絮凝剂对给料 果.在实际生产应用过程中，上述尾砂的物化特性 井工作性能的影响6o.Qiu等应用CFD-DEM(离 很容易发生波动，导致浓密机的底流浓度、沉降速 散单元法)耦合方法，对二维方形腔内颗粒流和三 度和固体通量等关键参数发生波动，浓密效果不 维收缩式沉降管内颗粒凝聚和沉降进行了数值模 稳定，并进一步影响后续工艺 拟，对比了有无水平流对絮凝沉降行为的影响6) (2)尾砂浓密的生产调控不及时 如图6所示，Chaumeil和Crapper应用CFD-DEM 现阶段，尾砂浓密的生产调控可以通过安置 耦合方法，考察了颗粒尺度、浓度、给料流率等因 传感器，在线监测尾砂的给料浓度、给出料量、底 素对絮凝沉降特性的影响6.国内外研究者已建 流浓度和固体通量等技术参数.但由于给料尾砂 立了从实验室到半工业、工业型浓密机内部流场 和浓密尾砂的关键参数之间的数学关系仍不明指导浓密机参数优化具有指导作用. 但小型浓密 实验由于尺寸效应的影响，其物理模拟值与真实 浓密机实测值仍存在一定差距. 半工业浓密试验是由半工业尺寸的浓密机、 絮凝剂制备系统、各类仪器仪表、自动化控制和 数据采集系统等部分组成的. 半工业浓密试验一 般可作为工业、半工业级充填试验系统的一部分. 焦华喆等[36] 根据相似模拟原理，研制深锥浓密半 工业实验平台，探究多种因素对尾砂浓密的影响， 阐释了剪切浓密导水机理，为深锥浓密机结构参 数设计提供理论参考. 尾砂浓密实验最常用的观测手段是在小型浓 密实验和半工业浓密实验中，安设流量计、浓度 计、浊度计和高分辨率摄像机等设备[54] ，来记录实 验数据和实验现象，但传统手段无法直接观察到 尾砂浓密过程的微观变化. 为了更加深入了解絮 凝机理，应用聚焦光束反射测量技术 (FBRM) 和颗 粒形态测试技术（PVM）等能够实现对絮体成长变 化情况的直接测量. 聚焦光束反射测量技术已广 泛用于监测溶液体系中颗粒的浓度、粒径分布等 参数的实时变化过程，有助于分析絮团分形维数， 可用于絮凝动力学的研究[55] . 在高浓度体系中，运 用颗粒录影显微镜技术，可实时在线监测固体或 液体颗粒的微观结构，获得尾砂浓密过程中絮团 形状和尺寸的变化[56] ，从而得到絮团聚合和破碎 等现象的显微图像[57] . 3.2    数值模拟 浓密机内部的尾砂絮凝沉降和压缩脱水过程 是基于颗粒在多相流场的复杂运动实现的. 因而， 浓密机内部流场特性和尾砂颗粒的运动规律对尾 砂浓密效果具有重要影响. 针对尾砂浓密过程，通 常基于计算流体力学（CFD）技术对其进行数值模拟. Rudman 等采用 CFD 对浓密机耙架处流场进 行了模拟，探究了浓密尾砂浆的屈服应力对耙架 扭矩和颗粒停留时间的影响[58−59] . Tanguay 等提出 了一种颗粒轨迹追踪方法，可用来描述浓密机给 料井内颗粒的停留时间，并考察了絮凝剂对给料 井工作性能的影响[60] . Qiu 等应用 CFD−DEM（离 散单元法） 耦合方法，对二维方形腔内颗粒流和三 维收缩式沉降管内颗粒凝聚和沉降进行了数值模 拟，对比了有无水平流对絮凝沉降行为的影响[61] . 如图 6 所示 ，Chaumeil 和 Crapper 应用 CFD−DEM 耦合方法，考察了颗粒尺度、浓度、给料流率等因 素对絮凝沉降特性的影响[62] . 国内外研究者已建 立了从实验室到半工业、工业型浓密机内部流场 的数值模拟方法，其研究结果在一定程度上为提 高浓密机工作效率提供了理论指导和技术依据. 2.00 1.75 1.50 1.25 Settling velocity/(cm·s−1 ) 1.00 Flocculated particles Flocculated particles Flocculated particles Flocculated particles 图 6    浓密过程颗粒的沉降运动和凝聚行为 Fig.6     Settling  motion  and  agglomeration  behavior  of  particles  in  the thickening process 4    尾砂浓密技术存在的问题 近年来，尾砂浓密脱水技术在我国取得了示 范性成果，但仍处于发展阶段. 随着选矿技术的精 细化，极细尾砂含量逐渐增多，脱水难度增大. 普 通浓密机无法确保底流浓度达到膏体的要求，尾 砂脱水效率和底流浓度也受到严重限制. 由于尾 砂浓密技术的影响因素和配套设备较多，系统的 稳定性较差，主要表现在底流浓度、床层高度和液 面高度等关键参数常发生较大波动. 同时，浓密系 统可控性一直没有得到很好的解决，主要生产参 数的调控明显滞后. 此外，现有尾砂浓密技术数字 化和信息化的程度较低，领域内的信息交流不畅， 阻碍了尾砂浓密技术的更新与发展. （1）尾砂浓密的关键参数不稳定. 尾砂是一种特殊性质的材料，不同类型的矿 山、不同的采选工艺都会导致尾砂具有不同的物 化特性. 其中，尾砂的给料浓度、给/出料量、组成 成分和粒度分布等均能够显著影响尾砂的浓密效 果. 在实际生产应用过程中，上述尾砂的物化特性 很容易发生波动，导致浓密机的底流浓度、沉降速 度和固体通量等关键参数发生波动，浓密效果不 稳定，并进一步影响后续工艺. （2）尾砂浓密的生产调控不及时. 现阶段，尾砂浓密的生产调控可以通过安置 传感器，在线监测尾砂的给料浓度、给/出料量、底 流浓度和固体通量等技术参数. 但由于给料尾砂 和浓密尾砂的关键参数之间的数学关系仍不明 王洪江等： 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 · 7 ·