李公成等：全尾砂无粑深锥稳态浓密性能分析 .61· tion and mud height at heights less than 3.5 m,and the change law of solid throughput is similar to that of solid flux. KEY WORDS rakeless deep cone thickener:flocculant dosage;mud height:underflow concentration;solid flux;solid throughput 关键设备的突破是高浓度充填技术迅速发展的 屈服应力表征；浓密机内泥层最高点处的浓度称为 原因之一)，将低浓度尾砂脱水成为高浓度料浆是 连续网状结构形成浓度，从该浓度起床层内部絮团 整个充填系统的首要环节，基于重力脱水技术的浓 相互联结并形成网状结构：压缩屈服应力表示絮团 密机逐渐成为尾砂脱水工艺的主要设备[2].20世 网状结构强度，在一定的固体体积分数下，浆体网状 纪70年代发展起来的深锥浓密机，具有底流中固相 结构屈服压缩并处于平衡状态，若获取更高浓度的 的体积分数高、处理能力大、回收浊度低等一系列优 浆体，需提高压缩屈服应力打破网状结构平衡状态； 势[)，在大型金矿、铝土矿、铜矿、铅锌矿等企业得 尾砂脱水速度可由干涉沉降系数表征，表示脱水速 到广泛应用4-].然而，目前高性能深锥浓密机均被 度影响下的颗粒流体动力相互作用影响关系，与渗 国外公司垄断，我国大型矿山企业在应用过程中付 透性和自由沉降速度负相关 出了较大的经济成本，同时也制约着中小型矿山的 浓密机内固体浓度低于连续网状结构形成浓度 应用.深锥浓密机的核心构件在于驱动下的耙架结 时，絮团不受底部网状结构影响，固体颗粒处于沉降 构，近年来，我国莱州某矿摒弃了深锥浓密机传统配 阶段，该区域表征参数可由沉降实验获取[o,121:固 置，将无耙深锥浓密机应用于高浓度充填系统中，并 体浓度高于连续网状结构形成浓度时，絮团之间相 取得良好效果.该设备的应用为我国高浓度充填技 互挤压，固体颗粒处于压密阶段，该区域表征参数可 术的发展提供了新思路，因此全尾砂无耙深锥浓密 由沉降实验和压滤实验获得13-4].同时，相关学者 性能的研究显得尤为重要. 提出表征参数与浓度数学模型： 相关学者[]将连续网状结构形成浓度、压缩屈 P,(φ)=0， 中<中. 服应力和干涉沉降系数作为表征絮团脱水能力的基 础参数.基于此表征体系，众多学者提出了瞬态浓 P,(=(-(倍广)mn> (1) 密性能的预测算法，可分析瞬时工况参数对浓密性 R(中)=r.(中-r)m+r (2) 能的影响，然而此算法较为复杂，工况条件的微弱变 式中：中为体积分数；中.为连续网状结构形成体积分 化就可导致大量计算时间，无法应用到复杂的实际 数；P,(中)为压缩屈服应力，Pa;R(中)为干涉沉降系 作业中.稳态浓密性能的预测算法相对简单， 数，kgs1m3P。PbxPaPar.J和r均为拟合 Green[s],Landman等]和White等[io]预测了压密区 参数，无特定物理意义.基于沉降实验和压滤实验， 域的浓密性能，而未对沉降区域进行模拟；Garrido 结合式(1)和式(2)即可获得表征参数拟合曲线. 等川提出了全区域范围内浓密性能预测模型，该模 2实验 型基于体积处理能力进行描述，并未预测浓度与固 体处理能力之间的关系：Usher提出的稳态浓密预 2.1实验材料 测模型分析了底流中固相的体积分数与固体通量、 (1)全尾砂：颗粒密度2.97t·m3,松散密度 固体处理能力和泥层高度的关系，其预测值与实际 1.44tm-3,密实密度1.62tm-3,松散孔隙率51.52%， 工况值较为吻合，该模型已广泛应用于土壤等低体 密实孔隙率45.38%，粒级组成采用激光粒度仪获 积质量物料，而对国内高体积质量全尾砂的研究未 得，曲线见图1. 见报道 (2)絮凝剂：阴离子型聚丙烯酰胺(PAM),呈白 基于国内某铜矿高体积质量全尾砂，结合沉降 色粉末状，无臭，无毒，其分子量为1.2×10 实验和压滤实验，引入Usher提出的稳态浓密机预 2.2实验装置及方法 测算法，研究无耙深锥全尾砂浓密性能，分析不同絮 1000mL量筒沉降实验：配置体积分数相同 凝剂单耗、不同泥层高度条件下，固体通量、处理能 (7.78%)的全尾砂料浆，分别添加不同剂量(10、 力与底流中固相的体积分数的关系，为现场浓密机 2040和80g·t-1)的絮凝剂，测固液分离界面在不 有效控制提供理论指导. 同时间的沉降高度，沉降24h后，记录固液分离界 面高度 1全尾砂脱水性能表征参数 压滤实验：沉降实验底流用于压滤装置（图2） 尾砂脱水程度由连续网状结构形成浓度和压缩 该装置可模拟浓密机内高压力行为方式，并能收集李公成等: 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 tion and mud height at heights less than 3. 5 m, and the change law of solid throughput is similar to that of solid flux. KEY WORDS rakeless deep cone thickener; flocculant dosage; mud height; underflow concentration; solid flux; solid throughput 关键设备的突破是高浓度充填技术迅速发展的 原因之一[1] ,将低浓度尾砂脱水成为高浓度料浆是 整个充填系统的首要环节,基于重力脱水技术的浓 密机逐渐成为尾砂脱水工艺的主要设备[2] . 20 世 纪 70 年代发展起来的深锥浓密机,具有底流中固相 的体积分数高、处理能力大、回收浊度低等一系列优 势[3] ,在大型金矿、铝土矿、铜矿、铅锌矿等企业得 到广泛应用[4鄄鄄6] . 然而,目前高性能深锥浓密机均被 国外公司垄断,我国大型矿山企业在应用过程中付 出了较大的经济成本,同时也制约着中小型矿山的 应用. 深锥浓密机的核心构件在于驱动下的耙架结 构,近年来,我国莱州某矿摒弃了深锥浓密机传统配 置,将无耙深锥浓密机应用于高浓度充填系统中,并 取得良好效果. 该设备的应用为我国高浓度充填技 术的发展提供了新思路,因此全尾砂无耙深锥浓密 性能的研究显得尤为重要. 相关学者[7]将连续网状结构形成浓度、压缩屈 服应力和干涉沉降系数作为表征絮团脱水能力的基 础参数. 基于此表征体系,众多学者提出了瞬态浓 密性能的预测算法,可分析瞬时工况参数对浓密性 能的影响,然而此算法较为复杂,工况条件的微弱变 化就可导致大量计算时间,无法应用到复杂的实际 作业中. 稳 态 浓 密 性 能 的 预 测 算 法 相 对 简 单, Green [8] 、Landman 等[9]和 White 等[10]预测了压密区 域的浓密性能,而未对沉降区域进行模拟;Garrido 等[11]提出了全区域范围内浓密性能预测模型,该模 型基于体积处理能力进行描述,并未预测浓度与固 体处理能力之间的关系;Usher 提出的稳态浓密预 测模型分析了底流中固相的体积分数与固体通量、 固体处理能力和泥层高度的关系,其预测值与实际 工况值较为吻合,该模型已广泛应用于土壤等低体 积质量物料,而对国内高体积质量全尾砂的研究未 见报道. 基于国内某铜矿高体积质量全尾砂,结合沉降 实验和压滤实验,引入 Usher 提出的稳态浓密机预 测算法,研究无耙深锥全尾砂浓密性能,分析不同絮 凝剂单耗、不同泥层高度条件下,固体通量、处理能 力与底流中固相的体积分数的关系,为现场浓密机 有效控制提供理论指导. 1 全尾砂脱水性能表征参数 尾砂脱水程度由连续网状结构形成浓度和压缩 屈服应力表征;浓密机内泥层最高点处的浓度称为 连续网状结构形成浓度,从该浓度起床层内部絮团 相互联结并形成网状结构;压缩屈服应力表示絮团 网状结构强度,在一定的固体体积分数下,浆体网状 结构屈服压缩并处于平衡状态,若获取更高浓度的 浆体,需提高压缩屈服应力打破网状结构平衡状态; 尾砂脱水速度可由干涉沉降系数表征,表示脱水速 度影响下的颗粒流体动力相互作用影响关系,与渗 透性和自由沉降速度负相关. 浓密机内固体浓度低于连续网状结构形成浓度 时,絮团不受底部网状结构影响,固体颗粒处于沉降 阶段,该区域表征参数可由沉降实验获取[10,12] ;固 体浓度高于连续网状结构形成浓度时,絮团之间相 互挤压,固体颗粒处于压密阶段,该区域表征参数可 由沉降实验和压滤实验获得[13鄄鄄14] . 同时,相关学者 提出表征参数与浓度数学模型: Py(准) = 0, 准 < 准g Py(准) = (1 - ( 准g ) 准 p ) m e pa准pn + pb , 准 > 准 ì î í ïï ïï g (1) R(准) = ra(准 - rg) rn + rb (2) 式中:准 为体积分数;准g为连续网状结构形成体积分 数;Py(准)为压缩屈服应力,Pa;R(准)为干涉沉降系 数,kg·s - 1·m - 3 ;pa、pb 、pm 、pn 、ra、rb 、rg和 rn均为拟合 参数,无特定物理意义. 基于沉降实验和压滤实验, 结合式(1)和式(2)即可获得表征参数拟合曲线. 2 实验 2郾 1 实验材料 (1) 全尾砂:颗粒密度 2郾 97 t·m - 3 ,松散密度 1郾 44 t·m -3 ,密实密度1郾 62 t·m -3 ,松散孔隙率 51郾 52%, 密实孔隙率 45郾 38% ,粒级组成采用激光粒度仪获 得,曲线见图 1. (2)絮凝剂:阴离子型聚丙烯酰胺(PAM),呈白 色粉末状,无臭,无毒,其分子量为 1郾 2 伊 10 8 . 2郾 2 实验装置及方法 1000 mL 量筒沉降实验: 配置体积分数相同 (7郾 78% )的全尾砂料浆,分别添加不同剂量(10、 20、40 和 80 g·t - 1 )的絮凝剂,测固液分离界面在不 同时间的沉降高度,沉降 24 h 后,记录固液分离界 面高度. 压滤实验:沉降实验底流用于压滤装置(图 2). 该装置可模拟浓密机内高压力行为方式,并能收集 ·61·