超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 超细全尾砂深维动态絮凝浓密试验 王洪江王小林张玺吴爱祥田志刚杜向红 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang.WANG Xiao-lin.ZHANG Xi.WU Ai-xiang.TIAN Zhi-gang.DU Xiang-hong 引用本文： 王洪江，王小林.张玺，吴爱祥，田志刚，杜向红.超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验.工程科学学报，2022,44(2外：163-169. doi10.13374j.issn2095-9389.2020.11.05.005 WANG Hong-jiang.WANG Xiao-lin,ZHANG Xi,WU Ai-xiang,TIAN Zhi-gang.DU Xiang-hong.Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(2):163-169.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.11.05.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.05.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报.2019,41(1)：60htps/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报.2018.40(2：152 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.02.004 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry 工程科学学报.2021,43(10：1276htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.08.01.002 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报.2019,41(8：981htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报.2020,42(8)：980htps:/oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.10.29.004 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报.2017,399：1313 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.003

超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江 王小林 张玺 吴爱祥 田志刚 杜向红 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang, WANG Xiao-lin, ZHANG Xi, WU Ai-xiang, TIAN Zhi-gang, DU Xiang-hong 引用本文: 王洪江, 王小林, 张玺, 吴爱祥, 田志刚, 杜向红. 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验[J]. 工程科学学报, 2022, 44(2): 163-169. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005 WANG Hong-jiang, WANG Xiao-lin, ZHANG Xi, WU Ai-xiang, TIAN Zhi-gang, DU Xiang-hong. Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(2): 163-169. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.11.05.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报. 2019, 41(1): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报. 2018, 40(2): 152 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.004 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry 工程科学学报. 2021, 43(10): 1276 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报. 2019, 41(8): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报. 2020, 42(8): 980 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报. 2017, 39(9): 1313 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.003

工程科学学报.第44卷，第2期：163-169.2022年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.2:163-169,February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005;http://cje.ustb.edu.cn 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江12，王小林2四，张玺2)区，吴爱祥2)，田志刚)，杜向红) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000833)深圳市中金龄南有 色金属股份有限公司，韶关512000 ☒通信作者，王小林，E-mail:18706841567@163.com,张玺，E-mail:544484377@qq.com 摘要为探明超细全尾砂的浓密特性，开展量筒沉降实验，小型和半工业深锥动态浓密试验，结果表明，分子量1200万的 非离子型絮凝剂最利于尾砂沉降，随絮凝剂单耗增加，溢流浊度降低，底流浓度基本不变.随固体通量增加，溢流浊度增加， 底流浓度降低.固体通量0.4tm2h,给料固体质量分数12%.絮凝剂单耗50gt的最佳参数条件下，小型和半工业动态浓 密试验的底流平均固体质量分数分别为62.8%和74.4%.泥层高度对底流浓度影响显著.深锥浓密机底流固体质量分数随泥 层高度增加呈DoseResp函数增长，分为缓慢增长（泥层1~4m)、快速增长（泥层4~7m)和基本稳定（泥层超过7~8m)3个 阶段，这跟尾砂絮团在不同泥层高度下的压缩性能有关.可根据底流浓度与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井下 充填所需底流浓度 关键词超细全尾砂：絮凝沉降：沉降速度：动态浓密：底流浓度：泥层高度 分类号TD853 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang 2,WANG Xiao-lin2,ZHANGXi2,WU Ai-xiang 2,TIAN Zhi-gang,DU Xiang-hong 1)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited,Shaoguan 512000,China Corresponding author,WANG Xiao-lin,E-mail:18706841567@163.com;ZHANG Xi,E-mail:544484377@qq.com ABSTRACT In the future,the output of ultrafine full tailings will explode due to the massive mining of low-grade deposits and demand for the recovery of useful minerals.The best way to dispose of ultrafine full tailings is to prepare them into the paste for filling underground voids or surface stacking.The deep cone thickening of ultrafine full tailings is a key link of tailings paste disposal technology.In the thickening process of ultrafine full tailings,slow sedimentation velocity,high dosage of flocculant,excessive overflow turbidity,and low underflow concentration are the bottlenecks that restrict the application of disposal technology for ultrafine full tailings paste.To investigate the thickening characteristics of ultrafine full tailings,the sedimentation test in measuring cylinder,the small-scale and semi-industrial deep cone dynamic thickening tests were carried out.Results show that the nonionic flocculant with a molecular weight of 12 million is most beneficial for the settlement of the tailings.With increasing flocculant dosage,the turbidity of overflow decreases and underflow concentration remains unchanged.Upon increasing the solid flux,the turbidity of overflow increases and underflow concentration decreases.In particular,when the solid flux is 0.4 tm2h,the feeding solid mass fraction is 12%, flocculant dosage is 50 g-t,and average solid mass fraction of the underflow of the small-scale and semi-industrial dynamic thickening test is 62.8%and 74.4%,respectively.Mud height has a significant influence on the underflow concentration.The solid mass fraction of 收稿日期：2020-11-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51834001)

超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江1,2)，王小林1,2) 苣，张    玺1,2) 苣，吴爱祥1,2)，田志刚3)，杜向红3) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083    3) 深圳市中金岭南有 色金属股份有限公司，韶关 512000 苣通信作者， 王小林，E-mail: 18706841567@163.com; 张玺，E-mail: 544484377@qq.com 摘    要    为探明超细全尾砂的浓密特性，开展量筒沉降实验，小型和半工业深锥动态浓密试验. 结果表明，分子量 1200 万的 非离子型絮凝剂最利于尾砂沉降，随絮凝剂单耗增加，溢流浊度降低，底流浓度基本不变. 随固体通量增加，溢流浊度增加， 底流浓度降低. 固体通量 0.4 t·m−2·h−1，给料固体质量分数 12%，絮凝剂单耗 50 g·t−1 的最佳参数条件下，小型和半工业动态浓 密试验的底流平均固体质量分数分别为 62.8% 和 74.4%，泥层高度对底流浓度影响显著. 深锥浓密机底流固体质量分数随泥 层高度增加呈 DoseResp 函数增长，分为缓慢增长（泥层 1～4 m）、快速增长（泥层 4～7 m）和基本稳定（泥层超过 7～8 m）3 个 阶段，这跟尾砂絮团在不同泥层高度下的压缩性能有关. 可根据底流浓度与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井下 充填所需底流浓度. 关键词    超细全尾砂；絮凝沉降；沉降速度；动态浓密；底流浓度；泥层高度 分类号    TD853 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang1,2) ，WANG Xiao-lin1,2) 苣 ，ZHANG Xi1,2) 苣 ，WU Ai-xiang1,2) ，TIAN Zhi-gang3) ，DU Xiang-hong3) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited, Shaoguan 512000, China 苣 Corresponding author, WANG Xiao-lin, E-mail: 18706841567@163.com; ZHANG Xi, E-mail: 544484377@qq.com ABSTRACT    In  the  future,  the  output  of  ultrafine  full  tailings  will  explode  due  to  the  massive  mining  of  low-grade  deposits  and demand for the recovery of useful minerals. The best way to dispose of ultrafine full tailings is to prepare them into the paste for filling underground  voids  or  surface  stacking.  The  deep  cone  thickening  of  ultrafine  full  tailings  is  a  key  link  of  tailings  paste  disposal technology.  In  the  thickening  process  of  ultrafine  full  tailings,  slow  sedimentation  velocity,  high  dosage  of  flocculant,  excessive overflow turbidity, and low underflow concentration are the bottlenecks that restrict the application of disposal technology for ultrafine full tailings paste. To investigate the thickening characteristics of ultrafine full tailings, the sedimentation test in measuring cylinder, the small-scale and semi-industrial deep cone dynamic thickening tests were carried out. Results show that the nonionic flocculant with a molecular weight of 12 million is most beneficial for the settlement of the tailings. With increasing flocculant dosage, the turbidity of overflow decreases and underflow concentration remains unchanged. Upon increasing the solid flux, the turbidity of overflow increases and  underflow  concentration  decreases.  In  particular,  when  the  solid  flux  is  0.4  t·m−2·h−1,  the  feeding  solid  mass  fraction  is  12%, flocculant dosage is 50 g·t−1, and average solid mass fraction of the underflow of the small-scale and semi-industrial dynamic thickening test is 62.8% and 74.4%, respectively. Mud height has a significant influence on the underflow concentration. The solid mass fraction of 收稿日期: 2020−11−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51834001） 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期：163−169，2022 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 2: 163−169, February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005; http://cje.ustb.edu.cn

164 工程科学学报，第44卷.第2期 the underflow of the deep cone thickener increases with the increasing mud height,and this process conforms to the DoseResp function. This growth process can be divided into three stages:(1)slow growth(mud height 1-4 m),(2)rapid growth(mud height 4-7 m),and (3) basic stable(mud height over 7-8 m).This is related to the compression performance of the tailings flocs at different mud heights. According to the function relation between the underflow concentration and mud height,the mud height can be adjusted to meet the required underflow concentration for underground backfilling. KEY WORDS ultrafine full tailings;flocculation and sedimentation;settling velocity;dynamic thickening;underflow concentration mud height 矿业是国民经济的支柱产业，对我国经济发 文对该铅锌矿超细全尾砂的浓密特性进行研究， 展的作用不可替代.然而，矿山开采的同时产生大 供矿山决策参考.首先通过控制变量的量筒沉降 量的尾砂，造成严重的安全和环境问题山据统 实验初步确定絮凝剂类型和型号、给料浓度、絮 计，我国尾砂堆存量高达146亿吨，年排放量超过 凝剂单耗等参数，然后在此基础上进行均匀实验 15亿吨.随着我国低品位矿石的不断开发，矿石 设计，开展小型动态浓密实验进行参数验证，最后 越磨越细，尾砂特别是超细尾砂的产量将呈增长 以最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态浓密试 态势]全尾砂制成的膏体具有不沉淀、不离析和 验，探索泥层高度对底流浓度的影响规律和相互 不脱水的优异特性，用于井下充填或地表堆存是 响应机制，为工业深锥浓密机底流浓度预测提供 尾砂绿色安全处置的主流趋势.而尾砂浓密则是 依据 尾砂膏体处置技术的第一个关键环节5-，深锥浓 密机加絮凝剂-！的工艺具有流程简单、底流浓度 1实验 高和浓缩效率较高的优点，是目前国内外尾砂浓 1.1实验材料 密的主流工艺9-0 实验材料主要为超细全尾砂和絮凝剂.全尾 与粗尾砂相比，超细尾砂浓密面临沉降速度 砂取自某铅锌矿选矿厂，密度为3104kgm3.采用 慢、絮凝剂单耗高、溢流浊度超标和底流浓度不 LMS-30型激光粒度分析仪对全尾砂的粒级分布 达标等问题-)，成为制约超细尾砂膏体绿色处 进行测试，结果如图1所示 置技术应用的瓶颈.为此，许多学者针对超细尾砂 的浓密特性展开了研究.史秀志等，李立涛等] 100 通过量筒沉降实验对超细尾砂浓密的给料浓度、 絮凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等参 80 数进行了优化.高维鸿等7、周旭等和吴爱祥 等网通过小型连续动态浓密实验，发现泥层高度 40 对底流浓度影响显著，并建立了根据泥层高度预 测底流浓度的数学模型.此外，一些学者还在小型 浓密装置的基础上，借助超声波叨、磁化助凝剂) 0 搅拌剪切20和浓密增效剂等手段来提高底流浓 10-1 10a 101 102 10 度.但量筒和小型浓密装置泥层高度有限，不能模 Particle size/um 拟深锥浓密机的高泥层压力，对超细尾砂絮团的 图1全尾砂粒度分布曲线 Fig.1 Particle size distribution of full tailings 压缩作用有限，实验结果很可能无法真实反映超 细尾砂的浓密特性. 根据图1，全尾砂中-20m所占比例为55.4%， 某铅锌矿目前将超细全尾砂分级后，粗砂用 -37um所占比例为76.1%，-74m所占比例为 于井下充填，溢流尾砂排入尾矿库.由于环保原 92.8%,加权平均粒径为25.8m,属于超细尾砂叫 因，尾矿库将于2025年强制关闭，尾砂处置有两 计算得到不均匀系数为7.20，曲率系数为0.89，不 种技术思路：一是将全尾砂经深锥浓密后制成膏 同时满足不均系数大于5且曲率系数在1~32， 体用于井下充填；二是利用现有生产设施，将分级 因此该矿山全尾砂的级配不良 尾砂经陶瓷过滤机二次浓缩后进入搅拌系统，溢 实验所用絮凝剂为阴离子、阳离子和非离子 流尾砂经深锥浓密机处理后再进入搅拌系统.本 3种类型

the underflow of the deep cone thickener increases with the increasing mud height, and this process conforms to the DoseResp function. This growth process can be divided into three stages: (1) slow growth (mud height 1–4 m), (2) rapid growth (mud height 4–7 m), and (3) basic  stable  (mud  height  over  7 –8  m).  This  is  related  to  the  compression  performance  of  the  tailings  flocs  at  different  mud  heights. According to the function relation between the underflow concentration and mud height, the mud height can be adjusted to meet the required underflow concentration for underground backfilling. KEY WORDS    ultrafine full tailings；flocculation and sedimentation；settling velocity；dynamic thickening；underflow concentration； mud height 矿业是国民经济的支柱产业，对我国经济发 展的作用不可替代. 然而，矿山开采的同时产生大 量的尾砂，造成严重的安全和环境问题[1] . 据统 计，我国尾砂堆存量高达 146 亿吨，年排放量超过 15 亿吨[2] . 随着我国低品位矿石的不断开发，矿石 越磨越细，尾砂特别是超细尾砂的产量将呈增长 态势[3] . 全尾砂制成的膏体具有不沉淀、不离析和 不脱水的优异特性[4] ，用于井下充填或地表堆存是 尾砂绿色安全处置的主流趋势. 而尾砂浓密则是 尾砂膏体处置技术的第一个关键环节[5−6] ，深锥浓 密机加絮凝剂[7−8] 的工艺具有流程简单、底流浓度 高和浓缩效率较高的优点，是目前国内外尾砂浓 密的主流工艺[9−10] . 与粗尾砂相比，超细尾砂浓密面临沉降速度 慢、絮凝剂单耗高、溢流浊度超标和底流浓度不 达标等问题[11−15] ，成为制约超细尾砂膏体绿色处 置技术应用的瓶颈. 为此，许多学者针对超细尾砂 的浓密特性展开了研究. 史秀志等[16] ，李立涛等[13] 通过量筒沉降实验对超细尾砂浓密的给料浓度、 絮凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等参 数进行了优化. 高维鸿等[17]、周旭等[18] 和吴爱祥 等[9] 通过小型连续动态浓密实验，发现泥层高度 对底流浓度影响显著，并建立了根据泥层高度预 测底流浓度的数学模型. 此外，一些学者还在小型 浓密装置的基础上，借助超声波[19]、磁化助凝剂[12]、 搅拌剪切[20]和浓密增效剂[5] 等手段来提高底流浓 度. 但量筒和小型浓密装置泥层高度有限，不能模 拟深锥浓密机的高泥层压力，对超细尾砂絮团的 压缩作用有限，实验结果很可能无法真实反映超 细尾砂的浓密特性. 某铅锌矿目前将超细全尾砂分级后，粗砂用 于井下充填，溢流尾砂排入尾矿库. 由于环保原 因，尾矿库将于 2025 年强制关闭，尾砂处置有两 种技术思路：一是将全尾砂经深锥浓密后制成膏 体用于井下充填；二是利用现有生产设施，将分级 尾砂经陶瓷过滤机二次浓缩后进入搅拌系统，溢 流尾砂经深锥浓密机处理后再进入搅拌系统. 本 文对该铅锌矿超细全尾砂的浓密特性进行研究， 供矿山决策参考. 首先通过控制变量的量筒沉降 实验初步确定絮凝剂类型和型号、给料浓度、絮 凝剂单耗等参数，然后在此基础上进行均匀实验 设计，开展小型动态浓密实验进行参数验证，最后 以最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态浓密试 验，探索泥层高度对底流浓度的影响规律和相互 响应机制，为工业深锥浓密机底流浓度预测提供 依据. 1    实验 1.1    实验材料 实验材料主要为超细全尾砂和絮凝剂. 全尾 砂取自某铅锌矿选矿厂，密度为 3104 kg·m−3 . 采用 LMS-30 型激光粒度分析仪对全尾砂的粒级分布 进行测试，结果如图 1 所示. 10−1 100 101 102 103 0 20 40 60 80 100 Cumulative volume/ % Particle size/μm 图 1    全尾砂粒度分布曲线 Fig.1    Particle size distribution of full tailings 根据图 1，全尾砂中−20 μm 所占比例为 55.4%， −37  μm 所占比例 为 76.1%， −74  μm 所占比例 为 92.8%，加权平均粒径为 25.8 μm，属于超细尾砂[11] . 计算得到不均匀系数为 7.20，曲率系数为 0.89，不 同时满足不均系数大于 5 且曲率系数在 1～3 [21] ， 因此该矿山全尾砂的级配不良. 实验所用絮凝剂为阴离子、阳离子和非离子 3 种类型. · 164 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期

王洪江等：超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 165 1.2实验设备 浓密试验，耙架转速为5rmin,泥层高度达到8m 主要实验设备有贴有坐标纸的500mL量筒、 后，设置底流排放量大于入料量，使泥层高度逐渐 小型动态浓密装置和半工业深锥浓密装置.如 减低，探索底流浓度随泥层高度的变化规律 图2(a)所示，小型动态浓密装置主体为透明沉降 1.3.4评价指标 柱，柱体直径0.18m,高度1m,絮凝剂溶液和尾砂 尾砂絮凝浓密效果的常用评价指标有沉降速 浆通过蠕动泵精确注入柱体上方并混合，电机驱 度、底流浓度和溢流浊度在量筒沉降实验确定 动耙架对料浆进行剪切导水，通过柱体下方放料 絮凝剂类型、型号和单耗时，主要考查尾砂沉降速 口排料，实现动态浓密 度.给料浓度低时利于尾砂沉降，但处理等量尾砂 (a) (b) 需要更大的浓密机面积，而沉降速度反映不出浓 密机的处理能力.因此用浓密机单位面积在单位 时间内处理干尾砂的质量，即固体通量来综合反 映给料浓度和沉降速度的影响 Gs=PsCvv2×60x10-6 (1) 式中，Gs为固体通量，tm2h;p为尾砂密度， kgm;Cv为给料固体体积分数，%；v为尾砂沉降 速度，mm:min 图2实验装置.(a)小型动态浓密装置：(b)半工业深锥浓密装置 在小型动态浓密实验和半工业深锥动态浓密 Fig.2 Experimental facility:(a)small-scale dynamic thickener,(b)semi- industrial deep cone thickener 试验时，考查底流浓度和溢流浊度 如图2(b).半工业深锥浓密装置柱体内径1m. 2实验结果及分析 锥体高度1m,直筒段高度9m,内部设有给料井和 2.1量筒沉降实验结果及分析 耙架，采用外部清水将选厂提供的高浓度尾砂浆 采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离子 稀释至最佳给料浓度，可模拟工业浓密机的动态 浓密过程和高泥层压力.浓密机柱体侧壁上安装 絮凝剂进行量筒沉降实验，得到固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线，如图3所示 有爬梯和透明观察窗供观测泥层高度 1.3实验设计 250 A-Anionic flocculant 1.3.1量筒沉降实验 ■一Cationic flocculant Non-ionic flocculant 采用控制变量法逐一确定絮凝剂类型和型 200 -Without flocculant 号、给料浓度和絮凝剂单耗（以干尾砂质量为基 150 准).固定入料固体质量分数为15%（选厂给料浓 度)、絮凝剂单耗为30gt(絮凝剂溶液质量分数 100 0.02%),采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离 子絮凝剂进行量筒沉降实验，确定絮凝剂类型：改 nbIl-PlloS 50 变絮凝剂分子量，确定絮凝剂型号.最后依次进行 10 20 不同给料固体质量分数(4%~16%.梯度4%)和不 30 Settling time/min 同絮凝剂单耗(10~110gt,梯度20gt)的量筒 图3不同类型絮凝剂作用下的尾砂沉降高度曲线 沉降实验 Fig.3 Settlement height curve of tailings under the action of different 1.3.2小型动态浓密实验 types of flocculants 以量筒沉降实验结果为基准上下浮动，采用 由图3可知，加入絮凝剂后，固液分界面高度 均匀设计2四方法，开展小型动态浓密验证实验，确 与沉降时间的关系曲线可分为3个阶段.AB段沉 定最佳絮凝浓密参数.为不搅起压缩层尾砂，耙架 降曲线为下行直线，沉降速度相等，对应自由沉降 转速为3rmin.根据沉降柱高度，泥层高度达到 区.BC段沉降曲线往下凹，沉降速度不断降低，对 650mm后进行连续进排料 应干涉沉降区.CD段沉降曲线几乎为水平直线， 1.3.3半工业深锥动态浓密试验 沉降速度基本为零，对应压密区.而不加絮凝剂 采用最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态 时，沉降曲线为下行直线，一直处于自由沉降阶

1.2    实验设备 主要实验设备有贴有坐标纸的 500 mL 量筒、 小型动态浓密装置和半工业深锥浓密装置. 如 图 2（a）所示，小型动态浓密装置主体为透明沉降 柱，柱体直径 0.18 m，高度 1 m，絮凝剂溶液和尾砂 浆通过蠕动泵精确注入柱体上方并混合，电机驱 动耙架对料浆进行剪切导水，通过柱体下方放料 口排料，实现动态浓密. (a) (b) 图 2    实验装置. （a）小型动态浓密装置；（b）半工业深锥浓密装置 Fig.2    Experimental facility: (a) small-scale dynamic thickener; (b) semi￾industrial deep cone thickener 如图 2（b），半工业深锥浓密装置柱体内径 1 m， 锥体高度 1 m，直筒段高度 9 m，内部设有给料井和 耙架，采用外部清水将选厂提供的高浓度尾砂浆 稀释至最佳给料浓度，可模拟工业浓密机的动态 浓密过程和高泥层压力. 浓密机柱体侧壁上安装 有爬梯和透明观察窗供观测泥层高度. 1.3    实验设计 1.3.1    量筒沉降实验 采用控制变量法逐一确定絮凝剂类型和型 号、给料浓度和絮凝剂单耗（以干尾砂质量为基 准）. 固定入料固体质量分数为 15%（选厂给料浓 度）、絮凝剂单耗为 30 g·t−1（絮凝剂溶液质量分数 0.02%），采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离 子絮凝剂进行量筒沉降实验，确定絮凝剂类型；改 变絮凝剂分子量，确定絮凝剂型号. 最后依次进行 不同给料固体质量分数（4%～16%，梯度 4%）和不 同絮凝剂单耗（10～110 g·t−1，梯度 20 g·t−1）的量筒 沉降实验. 1.3.2    小型动态浓密实验 以量筒沉降实验结果为基准上下浮动，采用 均匀设计[22] 方法，开展小型动态浓密验证实验，确 定最佳絮凝浓密参数. 为不搅起压缩层尾砂，耙架 转速为 3 r·min−1 . 根据沉降柱高度，泥层高度达到 650 mm 后进行连续进排料. 1.3.3    半工业深锥动态浓密试验 采用最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态 浓密试验，耙架转速为 5 r·min−1，泥层高度达到 8 m 后，设置底流排放量大于入料量，使泥层高度逐渐 减低，探索底流浓度随泥层高度的变化规律. 1.3.4    评价指标 尾砂絮凝浓密效果的常用评价指标有沉降速 度、底流浓度和溢流浊度[14] . 在量筒沉降实验确定 絮凝剂类型、型号和单耗时，主要考查尾砂沉降速 度. 给料浓度低时利于尾砂沉降，但处理等量尾砂 需要更大的浓密机面积，而沉降速度反映不出浓 密机的处理能力. 因此用浓密机单位面积在单位 时间内处理干尾砂的质量，即固体通量来综合反 映给料浓度和沉降速度的影响. Gs = ρsCVv×60×10−6 （1） Gs ρs CV v 式中 ， 为固体通量 ， t·m−2·h−1 ； 为尾砂密度 ， kg·m−3 ； 为给料固体体积分数，%； 为尾砂沉降 速度，mm·min−1 . 在小型动态浓密实验和半工业深锥动态浓密 试验时，考查底流浓度和溢流浊度. 2    实验结果及分析 2.1    量筒沉降实验结果及分析 采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离子 絮凝剂进行量筒沉降实验，得到固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线，如图 3 所示. 0 10 20 30 0 50 100 150 200 250 D C B Solid-liquid interface height/mm Settling time/min Anionic flocculant Cationic flocculant Non-ionic flocculant Without flocculant A 图 3    不同类型絮凝剂作用下的尾砂沉降高度曲线 Fig.3    Settlement height curve of tailings under the action of different types of flocculants 由图 3 可知，加入絮凝剂后，固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线可分为 3 个阶段. AB 段沉 降曲线为下行直线，沉降速度相等，对应自由沉降 区. BC 段沉降曲线往下凹，沉降速度不断降低，对 应干涉沉降区. CD 段沉降曲线几乎为水平直线， 沉降速度基本为零，对应压密区. 而不加絮凝剂 时，沉降曲线为下行直线，一直处于自由沉降阶 王洪江等： 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 · 165 ·

166 工程科学学报，第44卷.第2期 段.分析发现，3条沉降曲线在前2min的数据最 增大，不利于管道输送.因此，初步确定絮凝剂 接近直线关系，拟合优度2均为0.99，得到加入阴 单耗为30~50gt 离子、阳离子和非离子絮凝剂后尾砂的沉降速度 1I0 分别为54.8、55.6和55.6 mmmin,远高于无絮凝 100 剂时的4.5 mm:min.非离子型絮凝剂最终固液分 90 界面高度最低，尾砂絮团压缩更紧密，可以认为非 离子型絮凝剂效果最佳，与相关研究结果一致6， 这可能跟该铅锌矿的选矿工艺和尾砂性质有关. 70 采用FA4000(分子量800万)、N1134S(分子 量900万)、AS02(分子量1000万)和781-8-25（分 50 子量1200万)4种非离子型絮凝剂进行量筒沉降 40 实验，沉降速度分别为32、76、36和82 mm:min 0 20 406080100120 可见，并非絮凝剂的分子量越高尾砂沉降速度越 Flocculant dosage/(g-t) 大，781-8-25型絮凝剂效果最佳，以此进行后续 图5尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系 实验 Fig.5 Relationship between the settling velocity of tailings and flocculant dosage 固体通量与给料固体质量分数的关系如图4 所示，可见随着给料浓度增大，固体通量先升高后 2.2小型动态浓密实验结果及分析 下降.确定给料固体质量分数为12%，此时固体通 为进一步验证量筒沉降实验结果，固定给料 量取得最大值0.373tm2.h- 固体质量分数为12%，以固体通量和絮凝剂单耗 作为变量，进行小型动态浓密实验，实验方案和结 0.40 果如表1. 表1小型动态浓密实验方案和结果 至035 Table I Small-scale dynamic thickening:experiment scheme and results Solid flux Flocculant Average turbidity of Average solid mass (tm2.h-) dosage/ fraction of (gt) overflow/10 underflow/% 0 0.2 40 69.2 61.0 0.3 60 40.7 61.0 0.4 30 184.5 60.5 0.25 12 16 0.5 50 77.3 59.5 Feeding solid mass fraction/% 图4固体通量与给料固体质量分数关系 小型动态浓密实验得到的泥层高度与底流浓 Fig.4 Relationship between the solid flux and feeding solid mass 度数据没有明显规律，因此表1中底流浓度取实 fraction 验结果的平均值.分析其原因，可能是超细尾砂在 尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系如图5所示 压密区的絮团比较松散，同时泥层高度太低，泥层 由图5可知，絮凝剂单耗从10提高到30gt时， 压力对下部尾砂絮团的的压缩排水作用不明显 沉降速度由42.5提高到93.8 mm'min,增幅120.7%； 根据表1回归得到溢流浊度（悬浮物质量与溢 絮凝剂单耗从30提高到50gt时，沉降速度由 流水质量之比)和底流固体质量分数的回归方程， 93.8提高到100 mm:min,增幅6.6%；絮凝剂单耗 如式(2)和式(3)所示，拟合优度2均为0.99 超过50gt后，沉降速度基本无变化.这是因为 絮凝剂含量较低时，部分尾砂没有与絮凝剂发生 y1=(-0.00666+0.00225x+6.41×10-6x☑)-1(2) 架桥作用，沉降速度慢；当絮凝剂含量适中时，尾 y2=0.61-0.258x1+0.0000217x32 (3) 砂全部与絮凝剂发生架桥作用，沉降速度快：当絮 式中：1为溢流浊度，10：2为底流固体质量分 凝剂含量过多时，絮凝剂游离在液相中或覆盖在 数，%；x1为固体通量，tm2h；2为絮凝剂单耗， 尾砂表面，不再发生架桥作用，因此沉降速度不再 gt.根据式(2)和式(3)可知，随着固体通量的增 增加]絮凝剂单耗过大，还会导致底流屈服应力 加，溢流水浊度增加，底流浓度减小：随着絮凝剂

段. 分析发现，3 条沉降曲线在前 2 min 的数据最 接近直线关系，拟合优度 R 2 均为 0.99，得到加入阴 离子、阳离子和非离子絮凝剂后尾砂的沉降速度 分别为 54.8、55.6 和 55.6 mm·min−1，远高于无絮凝 剂时的 4.5 mm·min−1 . 非离子型絮凝剂最终固液分 界面高度最低，尾砂絮团压缩更紧密，可以认为非 离子型絮凝剂效果最佳，与相关研究结果一致[16] ， 这可能跟该铅锌矿的选矿工艺和尾砂性质有关. 采用 FA4000（分子量 800 万）、N1134S（分子 量 900 万）、AS02（分子量 1000 万）和 781-8-25（分 子量 1200 万）4 种非离子型絮凝剂进行量筒沉降 实验，沉降速度分别为 32、76、36 和 82 mm·min−1 . 可见，并非絮凝剂的分子量越高尾砂沉降速度越 大 ， 781-8-25 型絮凝剂效果最佳，以此进行后续 实验. 固体通量与给料固体质量分数的关系如图 4 所示，可见随着给料浓度增大，固体通量先升高后 下降. 确定给料固体质量分数为 12%，此时固体通 量取得最大值 0.373 t·m−2·h−1 . 4 8 12 16 0.25 0.30 0.35 0.40 Solid flux/(t·m−2·h−1) Feeding solid mass fraction/% 图 4    固体通量与给料固体质量分数关系 Fig.4     Relationship  between  the  solid  flux  and  feeding  solid  mass fraction 尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系如图 5 所示. 由图 5 可知，絮凝剂单耗从 10 提高到 30 g·t−1 时 ， 沉降速度由 42.5 提高到 93.8 mm·min−1，增幅 120.7%； 絮凝剂单耗从 30 提高到 50 g·t−1 时，沉降速度由 93.8 提高到 100 mm·min−1，增幅 6.6%；絮凝剂单耗 超过 50 g·t−1 后，沉降速度基本无变化. 这是因为 絮凝剂含量较低时，部分尾砂没有与絮凝剂发生 架桥作用，沉降速度慢；当絮凝剂含量适中时，尾 砂全部与絮凝剂发生架桥作用，沉降速度快；当絮 凝剂含量过多时，絮凝剂游离在液相中或覆盖在 尾砂表面，不再发生架桥作用，因此沉降速度不再 增加[23] . 絮凝剂单耗过大，还会导致底流屈服应力 增大[5] ，不利于管道输送. 因此，初步确定絮凝剂 单耗为 30～50 g·t−1 . 0 20 40 60 80 100 120 40 50 60 70 80 90 100 110 Settling velocity/(mm·min−1 ) Flocculant dosage/(g·t−1) 图 5    尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系 Fig.5     Relationship  between  the  settling  velocity  of  tailings  and flocculant dosage 2.2    小型动态浓密实验结果及分析 为进一步验证量筒沉降实验结果，固定给料 固体质量分数为 12%，以固体通量和絮凝剂单耗 作为变量，进行小型动态浓密实验，实验方案和结 果如表 1. 表 1 小型动态浓密实验方案和结果 Table 1 Small-scale dynamic thickening: experiment scheme and results Solid flux / (t·m−2·h−1) Flocculant dosage / (g·t−1) Average turbidity of overflow/10−6 Average solid mass fraction of underflow /% 0.2 40 69.2 61.0 0.3 60 40.7 61.0 0.4 30 184.5 60.5 0.5 50 77.3 59.5 小型动态浓密实验得到的泥层高度与底流浓 度数据没有明显规律，因此表 1 中底流浓度取实 验结果的平均值. 分析其原因，可能是超细尾砂在 压密区的絮团比较松散，同时泥层高度太低，泥层 压力对下部尾砂絮团的的压缩排水作用不明显. 根据表 1 回归得到溢流浊度（悬浮物质量与溢 流水质量之比）和底流固体质量分数的回归方程， 如式（2）和式（3）所示，拟合优度 R 2 均为 0.99. y1 = (−0.00666+0.00225x −1 1 +6.41×10−6 x 2 2 ) −1 （2） y2 = 0.61−0.258x 4 1 +0.0000217x2 （3） 式中：y1 为溢流浊度，10−6 ；y2 为底流固体质量分 数 ，%；x1 为固体通量，t·m−2·h−1 ；x2 为絮凝剂单耗， g·t−1 . 根据式（2）和式（3）可知，随着固体通量的增 加，溢流水浊度增加，底流浓度减小；随着絮凝剂 · 166 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期