全尾砂絮凝沉降特性实验研究

D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.12.005 第33卷第12期 北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 全尾砂絮凝沉降特性实验研究 焦华喆吴爱祥四王洪江刘晓辉 杨盛凯肖云涛 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:wuaixiang(@126.com 摘要采用均匀法进行室内实验设计，研究絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度和给料浓度三因素对固液分离技术中沉降速度和 沉降浓度的影响.对实验数据进行回归分析后认为，各因素对沉降速度的影响程度从大到小为：给料浓度>絮凝剂单耗>絮 凝剂溶液浓度.沉降速度与絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度正相关，与给料浓度负相关；对沉降浆体浓度影响程度从大到小为： 给料浓度>絮凝剂单耗>絮凝剂溶液浓度.沉降浓度与絮凝剂单耗、给料浓度正相关，与絮凝剂溶液浓度基本无关.利用非 线性规划寻找最优配比，预测值与验证实验的实测值误差小于8%.推荐的深锥浓密机运行参数为絮凝剂单耗5g·t·,絮凝 剂溶液浓度0.05%，给料浓度5.233%. 关键词絮凝：沉降；尾砂：均匀设计法 分类号TD926.4 Experiment study on the flocculation settlement characteristic of unclassified tail- ings JIAO Hua-zhe,WU Ai-xiang,WANG Hong-jiang,LIU Xiao-hui,YANG Sheng-kai,XIAO Yun-tao School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT Laboratory experiments were carried out by uniform design to investigate the effects of flocculant unit consumption,floc- culant solution concentration and feed-slurry concentration on settling velocity and settling concentration in solidiquid separation.Ac- cording to the regression analysis of experimental data,the influence degrees of the three factors on settling velocity in descending order are feed-slurry concentration,flocculant unit consumption and flocculant solution concentration.Settling velocity shows a positive corre- lation with flocculant solution concentration and flocculant unit consumption,but a negative correlation with feed-slurry concentration. The influence degrees of the three factors on settling concentration in descending order are feed-slurry concentration,flocculant unit consumption and flocculant solution concentration.Settling concentration exhibits a positive correlation with flocculant solution concen- tration and feed-slurry concentration,but is independent of flocculant unit consumption.Nonlinear programme is used to find the opti- mal ratio,and the deviation of the predicted values and the measured ones from verification experiments is less than 8%.The recom- mended operating parameters for deep cone thickeners are the flocculant unit consumption of 5gt,the flocculant solution concentra- tion of 0.05%and feed-slurry concentration of 5.233%. KEY WORDS flocculation:settlement;tailings;uniform design 絮凝沉降在现代固液分离技术中应用十分广 如湿法治金浸取后矿浆的沉降分离-习以及堆浸液 泛，其中人们普遍关心的是固体颗粒沉降速度和沉 中少量悬浮物的分离净化B.在浓密作业中，其操 降浓度.在澄清作业中，要求能够快速获取含固率 作的重点是取得更稠的底流，加入絮凝剂后的沉降 最小的上清液，因此固体颗粒的沉降速度至关重要， 浓度成为关键参数，如从氰化浸取液中回收金 收稿日期：2010-1104 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAB02A01):新世纪人才支持计划资助项目(NECT07O070):国家自然科学基金重点 资助项目(50934002)：国家自然科学基金资助项目(51074013)

第 33 卷 第 12 期 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 全尾砂絮凝沉降特性实验研究 焦华喆 吴爱祥 王洪江 刘晓辉 杨盛凯 肖云涛 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: wuaixiang@ 126． com 摘 要 采用均匀法进行室内实验设计，研究絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度和给料浓度三因素对固液分离技术中沉降速度和 沉降浓度的影响． 对实验数据进行回归分析后认为，各因素对沉降速度的影响程度从大到小为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮 凝剂溶液浓度． 沉降速度与絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度正相关，与给料浓度负相关; 对沉降浆体浓度影响程度从大到小为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮凝剂溶液浓度． 沉降浓度与絮凝剂单耗、给料浓度正相关，与絮凝剂溶液浓度基本无关． 利用非 线性规划寻找最优配比，预测值与验证实验的实测值误差小于 8% ． 推荐的深锥浓密机运行参数为絮凝剂单耗 5 g·t － 1 ，絮凝 剂溶液浓度 0. 05% ，给料浓度 5. 233% ． 关键词 絮凝; 沉降; 尾砂; 均匀设计法 分类号 TD926. 4 Experiment study on the flocculation settlement characteristic of unclassified tail￾ings JIAO Hua-zhe，WU Ai-xiang ，WANG Hong-jiang，LIU Xiao-hui，YANG Sheng-kai，XIAO Yun-tao School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: wuaixiang@ 126． com ABSTRACT Laboratory experiments were carried out by uniform design to investigate the effects of flocculant unit consumption，floc￾culant solution concentration and feed-slurry concentration on settling velocity and settling concentration in solid-liquid separation． Ac￾cording to the regression analysis of experimental data，the influence degrees of the three factors on settling velocity in descending order are feed-slurry concentration，flocculant unit consumption and flocculant solution concentration． Settling velocity shows a positive corre￾lation with flocculant solution concentration and flocculant unit consumption，but a negative correlation with feed-slurry concentration． The influence degrees of the three factors on settling concentration in descending order are feed-slurry concentration，flocculant unit consumption and flocculant solution concentration． Settling concentration exhibits a positive correlation with flocculant solution concen￾tration and feed-slurry concentration，but is independent of flocculant unit consumption． Nonlinear programme is used to find the opti￾mal ratio，and the deviation of the predicted values and the measured ones from verification experiments is less than 8% ． The recom￾mended operating parameters for deep cone thickeners are the flocculant unit consumption of 5 g·t － 1 ，the flocculant solution concentra￾tion of 0. 05% and feed-slurry concentration of 5. 233% ． KEY WORDS flocculation; settlement; tailings; uniform design 收稿日期: 2010--11--04 基金项目: “十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2006BAB02A01) ; 新世纪人才支持计划资助项目( NECT--07--0070) ; 国家自然科学基金重点 资助项目( 50934002) ; 国家自然科学基金资助项目( 51074013) 絮凝沉降在现代固液分离技术中应用十分广 泛，其中人们普遍关心的是固体颗粒沉降速度和沉 降浓度． 在澄清作业中，要求能够快速获取含固率 最小的上清液，因此固体颗粒的沉降速度至关重要， 如湿法冶金浸取后矿浆的沉降分离［1--2］以及堆浸液 中少量悬浮物的分离净化［3--4］． 在浓密作业中，其操 作的重点是取得更稠的底流，加入絮凝剂后的沉降 浓度成为关键参数，如从氰化浸取液中回收金 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.005

·1438 北京科技大学学报 第33卷 泥B-以及深锥浓密机高浓度底流的获得- 态絮凝沉降实验，研究给料浓度、絮凝剂单耗和絮凝 絮凝沉降过程是一个复杂的物理化学过程回， 剂溶液浓度三因素对絮凝沉降速度及静态极限沉降 颗粒的沉降速度和沉降浓度受颗粒表面电性、颗粒 浓度的影响，揭示各因素对沉降效果的影响程度 粒度、给料浓度、絮凝剂种类、单耗和添加方式等多 1实验材料及实验方案 因素的影响.因此如何合理安排实验，通过尽量少 次实验，研究其内在规律，达到较好的实验效果也是 1.1实验材料 一个重要课题 1.1.1全尾砂 本文利用均匀实验设计法设计，进行全尾砂静 实验物料取自云南某矿全尾砂，如表1所示. 表1尾砂粒级分析实验结果 Table 1 Grain size parameters of tailings 粒级/μm +150 -150 -110 -100 -87 -60 -50 -40 -30 -20 筛上累积比例/% 17.10 25.70 30.70 44.80 46.80 48.72 52.10 56.77 61.87 66.07 由表1计算得尾砂的平均粒径为0.198mm,不 点检测澄清液面沉降高度，并记录72h后液面 均匀系数为3.12，表明粒级级配较合理，能使充填 高度 体达到较好的密实程度.用容重瓶测定尾砂的容重 1.2.2 考察指标 为1.85tm-3,用比重瓶测得密度为2.7tm3,孔 (1)沉降速度：用澄清液面随时间的改变表示 隙率为34.98%. 沉降速度.由于沉降是一非稳态过程，本实验检测 1.1.2絮凝剂性质 其最大速度(Vnas,mm'min-l)来表征各组沉降速度 本实验采用的絮凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)阴 特性. 离子型有机高分子絮凝剂（品牌SNF,型号 (2)沉降浓度：本实验取静态极限沉降浓度 AN934SH).分子结构如下式所示： 沉降进行72h后，液面不再下降，尾矿沉降至极限 -CH,-CH- 状态，此时量筒上部为澄清的水柱，下部为沉降压实 =0 1 的尾矿，此尾矿浓度即为极限浓度.根据下式计算 极限浓度： NH. W PAM溶于水时，形成羧基一COO~,由基团间静 C=G-m+W×100% (3) 电排斥作用，使分子链伸展开成为链形或卷曲型高 式中，C为静态极限沉降浓度：G为给料矿浆中水的 分子链.水解反应化学式见下式@ 质量(g):W为给料矿浆中尾砂的质量(g);m为沉 CH2一CHCH2一CH OH"or H* 降后量筒中水柱的质量(g). 1.2.3回归参数 CONH, CONH, 利用均匀设计软件对实验结果进行回归分析. CH2CH一CH2CH (2) 回归方程各系数的意义如下：(1)标准回归系数， CONH, C00 其绝对值越大表示该方程项的重要性越大：(2)偏 絮凝剂呈白色粉末状，无臭，无毒，无腐蚀性，水 回归系数，其值越大表示该方程项对回归的贡献 解体有轻微氨味，能以任何比例溶于水，几乎不溶于 越大 一般有机溶液.样品摩尔质量为6×10~8×10°， 1.3均匀设计方案 属于特高摩尔质量絮凝剂. 1.3.1因素选取 1.2实验方法 实验选取给料浓度、絮凝剂溶液浓度和絮凝剂 1.2.1实验 单耗三个主要的影响指标. 实验方法：(1)在烧杯中配制不同浓度的絮凝 (1)给料浓度.根据固液两相沉降理论网，水 剂溶液；(2)配制不同浓度的全尾砂浆，用量筒量取 流中同时存在多颗粒，则对任一颗粒，其他颗粒将对 一定量的砂浆以备实验：(3)按相应的絮凝剂单耗 其沉降产生影响.因此初始给料浓度是一重要 标准用移液管将溶液加入全尾砂浆中；(4)用橡胶 因素 网孔搅拌棒搅拌，然后静置在实验台上，在不同时间 (2)絮凝剂单耗.根据絮凝机理)，PAM单耗

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 泥［5--6］以及深锥浓密机高浓度底流的获得［7--8］． 絮凝沉降过程是一个复杂的物理化学过程［9］， 颗粒的沉降速度和沉降浓度受颗粒表面电性、颗粒 粒度、给料浓度、絮凝剂种类、单耗和添加方式等多 因素的影响． 因此如何合理安排实验，通过尽量少 次实验，研究其内在规律，达到较好的实验效果也是 一个重要课题． 本文利用均匀实验设计法设计，进行全尾砂静 态絮凝沉降实验，研究给料浓度、絮凝剂单耗和絮凝 剂溶液浓度三因素对絮凝沉降速度及静态极限沉降 浓度的影响，揭示各因素对沉降效果的影响程度． 1 实验材料及实验方案 1. 1 实验材料 1. 1. 1 全尾砂 实验物料取自云南某矿全尾砂，如表 1 所示． 表 1 尾砂粒级分析实验结果 Table 1 Grain size parameters of tailings 粒级/μm + 150 － 150 － 110 － 100 － 87 － 60 － 50 － 40 － 30 － 20 筛上累积比例/% 17. 10 25. 70 30. 70 44. 80 46. 80 48. 72 52. 10 56. 77 61. 87 66. 07 由表 1 计算得尾砂的平均粒径为 0. 198 mm，不 均匀系数为 3. 12，表明粒级级配较合理，能使充填 体达到较好的密实程度． 用容重瓶测定尾砂的容重 为 1. 85 t·m － 3 ，用比重瓶测得密度为 2. 7 t·m － 3 ，孔 隙率为 34. 98% ． 1. 1. 2 絮凝剂性质 本实验采用的絮凝剂为聚丙烯酰胺( PAM) 阴 离 子 型 有 机 高 分 子 絮 凝 剂 ( 品 牌 SNF，型 号 AN934SH) ． 分子结构如下式所示      : CO NH  2   CH2CH       m ( 1) PAM 溶于水时，形成羧基—COO － ，由基团间静 电排斥作用，使分子链伸展开成为链形或卷曲型高 分子链． 水解反应化学式见下式［10］: CH2 CONH  2 CHCH2 CONH  2 CH OH － or H → + CH2 CONH  2 CHCH2 COO  － CH ( 2) 絮凝剂呈白色粉末状，无臭，无毒，无腐蚀性，水 解体有轻微氨味，能以任何比例溶于水，几乎不溶于 一般有机溶液． 样品摩尔质量为 6 × 106 ～ 8 × 106 ， 属于特高摩尔质量絮凝剂． 1. 2 实验方法 1. 2. 1 实验 实验方法: ( 1) 在烧杯中配制不同浓度的絮凝 剂溶液; ( 2) 配制不同浓度的全尾砂浆，用量筒量取 一定量的砂浆以备实验; ( 3) 按相应的絮凝剂单耗 标准用移液管将溶液加入全尾砂浆中; ( 4) 用橡胶 网孔搅拌棒搅拌，然后静置在实验台上，在不同时间 点检测 澄 清 液 面 沉 降 高 度，并 记 录 72 h 后 液 面 高度． 1. 2. 2 考察指标 ( 1) 沉降速度: 用澄清液面随时间的改变表示 沉降速度． 由于沉降是一非稳态过程，本实验检测 其最大速度( Vmax，mm·min － 1 ) 来表征各组沉降速度 特性． ( 2) 沉降浓度: 本实验取静态极限沉降浓度． 沉降进行 72 h 后，液面不再下降，尾矿沉降至极限 状态，此时量筒上部为澄清的水柱，下部为沉降压实 的尾矿，此尾矿浓度即为极限浓度． 根据下式计算 极限浓度: C = W G － m + W × 100% ( 3) 式中，C 为静态极限沉降浓度; G 为给料矿浆中水的 质量( g) ; W 为给料矿浆中尾砂的质量( g) ; m 为沉 降后量筒中水柱的质量( g) ． 1. 2. 3 回归参数 利用均匀设计软件对实验结果进行回归分析． 回归方程各系数的意义［11］如下: ( 1) 标准回归系数， 其绝对值越大表示该方程项的重要性越大; ( 2) 偏 回归系数，其值越大表示该方程项对回归的贡献 越大． 1. 3 均匀设计方案 1. 3. 1 因素选取 实验选取给料浓度、絮凝剂溶液浓度和絮凝剂 单耗三个主要的影响指标． ( 1) 给料浓度． 根据固液两相沉降理论［12］，水 流中同时存在多颗粒，则对任一颗粒，其他颗粒将对 其沉 降 产 生 影 响． 因此初始给料浓度是一重要 因素． ( 2) 絮凝剂单耗． 根据絮凝机理［13］，PAM 单耗 ·1438·

第12期 焦华喆等：全尾砂絮凝沉降特性实验研究 ·1439· 存在最佳范围，单耗过高或过低都会发生絮凝失效， 1400 达不到预期的效果.因此需要研究最佳单耗 1200 (3)絮凝剂溶液浓度.根据絮凝原理，当单 100 耗相同时，添加浓度越低，絮凝效果越好.但实际生 800 产过程中受设备、场地等因素的影响，溶液浓度未能 色 600 配制得很低.因此研究絮凝剂溶液浓度对沉降的影 响就成为必要. 20 1.3.2方案设计 按照均匀设计表。(6)及其使用表来安排实 F2 F3 F4 F5 F6 验四.实验方案见表2 组别 图2最大沉降速度 表2均匀设计方案 Fig.2 Maximum settling speed Table 2 Uniform design 絮凝剂单耗/ 絮凝剂溶液 砂浆 t-1,溶液浓度0.2%，给料浓度30%时，极限浓度最 组别 (g1l) 浓度/% 浓度/% 大，接近60%.由均匀设计原理和实验数据可知，结 0.10 15 果不具有整齐可比性，必须进行回归分析 F2 10 0.20 30 表3静态极限沉降浓度 F3 5 0.30 10 Table 3 Limit settling concentration under hydrostatic state F4 20 0.05 25 实验编号 水柱体积/mL 极限浓度/% F5 25 0.15 F1 386 56.82 修 30 0.25 20 P2 247 59.29 F3 395 47.62 2实验结果与分析 F4 275 55.56 F5 441 42.37 2.1实验结果 F6 441 54.05 2.1.1最大沉降速度 沉降液面高度变化结果见图1，由图1计算出 2.2沉降速度影响因素及水平 最大沉降速度（图2）.由图2知，F5组絮凝剂单耗 2.2.1回归方程 25gt1,絮凝剂溶液浓度0.15%，给料浓度5%时， 按照最小二乘法原理，利用计算机将实验数据 沉降速度最大：沉降速度受多因素影响，并非絮凝剂 进行回归，如式(4)所示. 单耗越大速度越大 y=1620+0.00605x-1860c0sx2+7470/x3 240 (4) --F1 式中，y为极限沉降速度(mm'min-),x,为絮凝剂 200F -2 4-3 单耗(gt),x2为絮凝剂溶液浓度，x为全尾砂浆 -4 +F5 给料浓度. -◆-F6 120 F检验临界值Fa2(3,2)=4.16<F,=383.26, 0 回归方程显著，复相关系数R=0.9991. 由式(4)知，沉降速度与絮凝剂单耗的三次方 40 呈正相关，与溶液浓度的余弦呈负相关，与给料浓度 10 100 成反比.即在实验范围内，若絮凝剂单耗越大，溶液 沉降时间min 浓度越大，给料浓度越小，则沉降速度越大 图1沉降高度曲线 2.2.2回归方程项检验 Fig.1 Settling height curves 对回归方程项进行检验可以定量的获得其重要 2.1.2静态极限沉降浓度 性和对方程的贡献度.各方程项的标准回归系数 72h量筒内澄清水柱体积及由式(3)计算出其 (B)和偏回归平方和(P)见表4.由表4可知，给 极限浓度见表3.由表3知，F2组絮凝剂单耗10g· 料浓度的B绝对值和P均最大，因此该方程项的重

第 12 期 焦华喆等: 全尾砂絮凝沉降特性实验研究 存在最佳范围，单耗过高或过低都会发生絮凝失效， 达不到预期的效果． 因此需要研究最佳单耗． ( 3) 絮凝剂溶液浓度． 根据絮凝原理［14］，当单 耗相同时，添加浓度越低，絮凝效果越好． 但实际生 产过程中受设备、场地等因素的影响，溶液浓度未能 配制得很低． 因此研究絮凝剂溶液浓度对沉降的影 响就成为必要． 1. 3. 2 方案设计 按照均匀设计表 U* 6 ( 64 ) 及其使用表来安排实 验［11］． 实验方案见表 2． 表 2 均匀设计方案 Table 2 Uniform design 组别 絮凝剂单耗/ ( g·t － 1 ) 絮凝剂溶液 浓度/% 砂浆 浓度/% F1 5 0. 10 15 F2 10 0. 20 30 F3 15 0. 30 10 F4 20 0. 05 25 F5 25 0. 15 5 F6 30 0. 25 20 2 实验结果与分析 2. 1 实验结果 2. 1. 1 最大沉降速度 沉降液面高度变化结果见图 1，由图 1 计算出 最大沉降速度( 图 2) ． 由图 2 知，F5 组絮凝剂单耗 25 g·t － 1 ，絮凝剂溶液浓度 0. 15% ，给料浓度 5% 时， 沉降速度最大; 沉降速度受多因素影响，并非絮凝剂 单耗越大速度越大． 图 1 沉降高度曲线 Fig． 1 Settling height curves 2. 1. 2 静态极限沉降浓度 72 h 量筒内澄清水柱体积及由式( 3) 计算出其 极限浓度见表 3． 由表 3 知，F2 组絮凝剂单耗 10 g· 图 2 最大沉降速度 Fig． 2 Maximum settling speed t － 1 ，溶液浓度 0. 2% ，给料浓度 30% 时，极限浓度最 大，接近 60% ． 由均匀设计原理和实验数据可知，结 果不具有整齐可比性，必须进行回归分析． 表 3 静态极限沉降浓度 Table 3 Limit settling concentration under hydrostatic state 实验编号 水柱体积/mL 极限浓度/% F1 386 56. 82 F2 247 59. 29 F3 395 47. 62 F4 275 55. 56 F5 441 42. 37 F6 441 54. 05 2. 2 沉降速度影响因素及水平 2. 2. 1 回归方程 按照最小二乘法原理，利用计算机将实验数据 进行回归，如式( 4) 所示． y = 1 620 + 0. 006 05x 3 1 － 1 860cos x2 + 7 470 /x3 ( 4) 式中，y 为极限沉降速度( mm·min － 1 ) ，x1 为絮凝剂 单耗( g·t － 1 ) ，x2 为絮凝剂溶液浓度，x3 为全尾砂浆 给料浓度． F 检验临界值 F0. 2 ( 3，2) = 4. 16 ＜ Ft = 383. 26， 回归方程显著，复相关系数 R = 0. 999 1． 由式( 4) 知，沉降速度与絮凝剂单耗的三次方 呈正相关，与溶液浓度的余弦呈负相关，与给料浓度 成反比． 即在实验范围内，若絮凝剂单耗越大，溶液 浓度越大，给料浓度越小，则沉降速度越大． 2. 2. 2 回归方程项检验 对回归方程项进行检验可以定量的获得其重要 性和对方程的贡献度． 各方程项的标准回归系数 ( Bi ) 和偏回归平方和( Pi ) 见表 4． 由表 4 可知，给 料浓度的 Bi绝对值和 Pi均最大，因此该方程项的重 ·1439·

·1440 北京科技大学学报 第33卷 要性最大且对回归的贡献最大.同理，絮凝剂单耗 3 实验验证及最佳参数确定 的重要性和对回归的贡献次之，絮凝剂溶液浓度的 重要性和贡献均最低.因此各因素对沉降速度影响 3.1最优参数确定与验证 程度从大到小依次为：给料浓度>絮凝剂单耗>絮 3.1.1参数优化 凝剂溶液浓度 对于追求单一指标值最大的情况，沉降效果一 表4B,和P,系数表 般是用沉降速度或沉降浓度来反映，本研究最优化 Table 4 Coefficient values of B.and P 的目标是获得最大沉降速度和极限沉降浓度.根据 非线性规划原理，设为最大沉降速度，5为极 编号 影响因素 B P 限沉降浓度，将二者表示为前述三因素的方程 1 絮凝剂单耗 0.129 1.84×104 式(6)和式(7)，对两方程进行最大化变换，如式(8) 2 絮凝剂溶液浓度 -6.32×10-2 4.60×103 所示.对两方程分别进行单目标非线性规划，优化 3 给料浓度 0.96 1.05×105 结果见表6. 2.3极限沉降浓度的影响因素及水平 f=1620+0.00605x-1860c0sx2+7470/x 2.3.1回归方程 (6) 针对不同的模型进行了多次回归分析，第二方 万=40.2+6.43×105-+0.644x3 (7) 程项（絮凝剂溶液浓度）对于回归的贡献均最低，在 目标函数： 对其显著性进行检验时，均不显著.因此剔除该方 max S=f (8) 程项，回归得出以下方程： 约束条件： y=40.2+6.43×10-+0.644x3 (5) 0≤x1≤30 式中，y为静态极限沉降浓度，x1为絮凝剂单耗 0.05≤x2≤0.3 (gt-1),x3为全尾砂浆给料浓度. 5≤x3≤30 F检验临界值Fas(2,3)=9.55<F,=81.17, 表6参数优化结果及预测值 回归方程显著，复相关系数R=0.9909. Table 6 Parameter optimization results and prediction values 式(5)表明，沉降浓度与给料浓度呈正相关，与 函数 名/(gt1)21% x3/% 絮凝剂单耗呈指数负相关.在实验范围内，絮凝剂 f/(mm*min-1) 30 0.05 5 1419 单耗越小，给料浓度越大，则极限浓度越高 51% 5 0.05 30 65.95 2.3.2回归方程项检验 3.1.2实验验证 各方程项的标准回归系数(B)和偏回归平方 对优化结果进行验证实验，见表7.最大沉降速 和(P)见表5.由表5知，给料浓度的B绝对值和 度实测值为1440mm·min-1,偏差较小，仅为 P均最大，因此该方程项的重要性最大且对回归的 1.48%:极限沉降浓度实测值为60.73%，与预测值 贡献最大，絮凝剂单耗次之·又由于第二方程项己 相差-7.82%.进一步证实了本研究均匀设计安排 被剔除，因此絮凝剂溶液浓度对结果影响最小.可 的均匀性很好，同时也说明经回归分析处理而得到 见各因素对沉降浓度的影响程度由大到小依次为： 的回归方程及利用非线性优化处理所得到的方案配 给料浓度>絮凝剂单耗>絮凝剂溶液浓度. 比是可信、可靠的 表5B,和P系数表 表7验证实验 Table 5 Coefficient values of B and P Table 7 Verification experiment 编号 影响因素 P 函数 预测值 实测值 实测值偏差/% 1 絮凝剂单耗 0.417 33.9 f/(mmmin-1) 1419 1440 1.48 给料浓度 0.955 178.0 f51% 65.95 60.73 -7.82 由式(5)可知，沉降浓度与絮凝剂单耗负相关， 3.2某矿絮凝沉降工艺及最佳参数确定 与给料浓度正相关，与溶液浓度基本无关.即在实 选择最佳工艺参数应遵循三原则：(1)最大沉 验范围内，给料浓度越大，絮凝剂单耗越小，则沉降 降速度尽量大.根据浓密机实际应用和实验结果， 浓度越大 认为最大沉降速度不小于1000 mmmin-1.(2)静

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 要性最大且对回归的贡献最大． 同理，絮凝剂单耗 的重要性和对回归的贡献次之，絮凝剂溶液浓度的 重要性和贡献均最低． 因此各因素对沉降速度影响 程度从大到小依次为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮 凝剂溶液浓度． 表 4 Bi 和 Pi 系数表 Table 4 Coefficient values of Bi and Pi 编号 影响因素 Bi Pi 1 絮凝剂单耗 0. 129 1. 84 × 104 2 絮凝剂溶液浓度 － 6. 32 × 10 － 2 4. 60 × 103 3 给料浓度 0. 96 1. 05 × 106 2. 3 极限沉降浓度的影响因素及水平 2. 3. 1 回归方程 针对不同的模型进行了多次回归分析，第二方 程项( 絮凝剂溶液浓度) 对于回归的贡献均最低，在 对其显著性进行检验时，均不显著． 因此剔除该方 程项，回归得出以下方程: y = 40. 2 + 6. 43 × 105 － x1 + 0. 644x3 ( 5) 式中，y 为静态极限沉降浓度，x1 为 絮 凝 剂 单 耗 ( g·t － 1 ) ，x3 为全尾砂浆给料浓度． F 检验临界值 F0. 05 ( 2，3) = 9. 55 ＜ Ft = 81. 17， 回归方程显著，复相关系数 R = 0. 990 9． 式( 5) 表明，沉降浓度与给料浓度呈正相关，与 絮凝剂单耗呈指数负相关． 在实验范围内，絮凝剂 单耗越小，给料浓度越大，则极限浓度越高． 2. 3. 2 回归方程项检验 各方程项的标准回归系数( Bi ) 和偏回归平方 和( Pi ) 见表 5． 由表 5 知，给料浓度的 Bi绝对值和 Pi均最大，因此该方程项的重要性最大且对回归的 贡献最大，絮凝剂单耗次之． 又由于第二方程项已 被剔除，因此絮凝剂溶液浓度对结果影响最小． 可 见各因素对沉降浓度的影响程度由大到小依次为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮凝剂溶液浓度． 表 5 Bi和 Pi系数表 Table 5 Coefficient values of Bi and Pi 编号 影响因素 Bi Pi 1 絮凝剂单耗 0. 417 33. 9 2 给料浓度 0. 955 178. 0 由式( 5) 可知，沉降浓度与絮凝剂单耗负相关， 与给料浓度正相关，与溶液浓度基本无关． 即在实 验范围内，给料浓度越大，絮凝剂单耗越小，则沉降 浓度越大． 3 实验验证及最佳参数确定 3. 1 最优参数确定与验证 3. 1. 1 参数优化 对于追求单一指标值最大的情况，沉降效果一 般是用沉降速度或沉降浓度来反映，本研究最优化 的目标是获得最大沉降速度和极限沉降浓度． 根据 非线性规划原理［15］，设 f1 为最大沉降速度，f2 为极 限沉 降 浓 度，将二者表示为前述三因素的方程 式( 6) 和式( 7) ，对两方程进行最大化变换，如式( 8) 所示． 对两方程分别进行单目标非线性规划，优化 结果见表 6． f1 = 1 620 + 0. 006 05x 3 1 － 1 860cos x2 + 7 470 /x3 ( 6) f2 = 40. 2 + 6. 43 × 105 － x1 + 0. 644x3 ( 7) 目标函数: max S = fi ( 8) 约束条件: 0≤x1≤30 0. 05≤x2≤0. 3 5≤x3≤ { 30 表 6 参数优化结果及预测值 Table 6 Parameter optimization results and prediction values 函数 x1 /( g·t － 1 ) x2 /% x3 /% Smax f1 /( mm·min － 1 ) 30 0. 05 5 1 419 f2 /% 5 0. 05 30 65. 95 3. 1. 2 实验验证 对优化结果进行验证实验，见表 7． 最大沉降速 度实 测 值 为 1 440 mm·min － 1 ，偏 差 较 小，仅 为 1. 48% ; 极限沉降浓度实测值为 60. 73% ，与预测值 相差 － 7. 82% ． 进一步证实了本研究均匀设计安排 的均匀性很好，同时也说明经回归分析处理而得到 的回归方程及利用非线性优化处理所得到的方案配 比是可信、可靠的． 表 7 验证实验 Table 7 Verification experiment 函数 预测值 实测值 实测值偏差/% f1 /( mm·min － 1 ) 1 419 1 440 1. 48 f2 /% 65. 95 60. 73 － 7. 82 3. 2 某矿絮凝沉降工艺及最佳参数确定 选择最佳工艺参数应遵循三原则: ( 1) 最大沉 降速度尽量大． 根据浓密机实际应用和实验结果， 认为最大沉降速度不小于 1 000 mm·min － 1 ． ( 2) 静 ·1440·

第12期 焦华喆等：全尾砂絮凝沉降特性实验研究 ·1441· 态极限沉降浓度不低于50%.(3)为节约成本，单 encing factors of ammonia leaching for a copper tailing.Met Mine, 耗要低于10g·t~1.在此基础上建立数学模型并进 2009(11):169 行优化如下. (高保胜，王洪江，吴爱祥，等.某铜和矿尾矿氨浸影响因素试验 研究.金属矿山，2009(11)：169) 目标函数： B]Hua Y,Lin Z,Yan Z.Application of microwave irradiation to max F(x)=f+f (9) quick leach of zinc silicate ore.Miner Eng,2002,15(6):451 约束条件： 4] Wu A X,Wang H J,Yang B H,et al.Progress and prospect of [5≤x1≤10 leaching mining technology.Min Technol,2006,6(3):39 (吴爱样，王洪江，杨保华，等.溶浸采矿技术的进展与展望 0.05≤x2≤0.3 采矿技术，2006,6(3)：39) 5≤x3≤30 [5]Wang C G,Zhou S J,Zhang S M,et al.Experimental study on f>1000 the gold extracted from carbonaceous gold ore leached in heaps by preoxidized roast.J Northeast Unir Nat Sci,2004,25(2):171 52>50 (王成功，周世杰，张淑敏，等.碳质金矿石预氧化培烧堆浸提 优化结果见表8.由表8可知，预测结果较满足 金的研究.东北大学学报：自然科学版，2004,25(2)：171) 约束条件.由此确定深锥浓密机推荐参数：絮凝剂 6 Sheng G Y,Xia B X,Qiu D Y,et al.Catalytic leaching of gold 单耗5g·t1,絮凝剂溶液浓度0.05%，给料浓度 ore.Chem Res Appl,1996,8(4)569 5.233%.由于目前进料浓度明显高于推荐值，因此 (盛桂云，夏宝宣，邱德瑜，等。黄金矿的催化浸取.化学研究 尾砂进料应添加稀释装置以降低浓度. 与应用，1996,8(4)：569) 7]Liu X H,Wu A X,Wang H J,et al.A primary discussion on the 表8优化结果 thickening law of paste-filling.Met Mine,2009(9):38 Table 8 Optimization results (刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等.膏体充填尾矿浓密规律初探 x1/(g11)31% /% f/(mm'min-1)2/% 金属矿山，2009(9)：38) 8] Jiao HZ,Wang H J,Wu A X,et al.Rule and mechanism of 5 0.05 5.233 1191 50 flocculation sedimentation of unclassified tailing.J Unie Sci Techn- ol Beijing,2010,32(6):702 4结语 (焦华喆，王洪江，吴爱祥，等.全尾砂絮凝沉降规律及其机 理.北京科技大学学报，2010,32(6)：702) (1)各因素对沉降速度影响程度从大到小依次 ] Addai-Mensah J.Enhanced flocculation and dewatering of clay 为：给料浓度>絮凝剂单耗>絮凝剂溶液浓度.在 mineral dispersions.Pouder Technol,2007,179(1/):73 实验范围内，沉降速度与絮凝剂单耗正相关，与给料 [10]Nasser M S,James A E.Numerical simulation of the continuous 浓度负相关.在实验范围内，沉降速度与絮凝剂溶 thickening of flocculated kaolinite suspensions.Int J Miner Process,2007,84(14):144 液浓度正相关.即若絮凝剂单耗越大，絮凝剂溶液 [11]Fang K T.Uniform Design and Uniform Design Table.Beijing: 浓度越大，给料浓度越小，则沉降速度越大 Science Press,1994 (2)各因素对沉降浓度的影响程度由大到小依 (方开泰.均匀设计与均匀设计表.北京：科学出版社， 次为：给料浓度>絮凝剂单耗>絮凝剂溶液浓度. 1994) 沉降浓度与絮凝剂单耗负相关，与给料浓度正相关， [2]Eremin I N,Mansurov R I.Abyzgil'din Y M,et al.Separation 与絮凝剂溶液浓度基本无关.即在实验范围内，给 of emulsions in settling vessels with vertical movement of liquid. Chem Technol Fuels Oils,1986,22(10):535 料浓度越大，絮凝剂单耗越小，则沉降浓度越大 [13]Patience M,Addai-Menash J,Ralston J.Investigation of the (3)利用非线性规划进行单目标优化时，预测 effect of polymer type on flocculation,rheology and dewatering 值与实测值误差保持在8%以内，具有较高的可信 behaviour of kaolinite dispersions.Int J Miner Process,2003,71 度.推荐的深锥浓密机运行参数为絮凝剂单耗 (14):247 04] 5gt-1,絮凝剂溶液浓度0.05%，给料浓度5.233%. Sojka R E,Lentz R D.Reducing furrow irrigation erosion with polyacrylamide (PAM).J Prod Agric,1997,10(1):47 5] Zhang XX,Huang G H,Xi B D,et al.Inexact chance-con- 参考文献 strained nonlinear programming method for coal blending in power [Henriquez J,Simms P.Dynamic imaging and modelling of multi- plants.Proc CSEE,2009,29(5):11 layer deposition of gold paste tailings.Miner Eng,2009,22(2): (张晓萱，黄国和，席北斗，等。电厂优化配煤的不确定性机 128 会约束非线性规划方法.中国电机工程学报，2009,29(5)： [2]Gao B S,Wang H J,Wu A X,et al.Experimental study on influ- 11)

第 12 期 焦华喆等: 全尾砂絮凝沉降特性实验研究 态极限沉降浓度不低于 50% ． ( 3) 为节约成本，单 耗要低于 10 g·t － 1 ． 在此基础上建立数学模型并进 行优化如下． 目标函数: max F( x) = f1 + f2 ( 9) 约束条件: 5≤x1≤10 0. 05≤x2≤0. 3 5≤x3≤30 f1 ＞ 1 000 f2        ＞ 50 优化结果见表 8． 由表 8 可知，预测结果较满足 约束条件． 由此确定深锥浓密机推荐参数: 絮凝剂 单耗 5 g·t － 1 ，絮凝剂溶液浓度 0. 05% ，给料浓度 5. 233% ． 由于目前进料浓度明显高于推荐值，因此 尾砂进料应添加稀释装置以降低浓度． 表 8 优化结果 Table 8 Optimization results x1 /( g·t － 1 ) x2 /% x3 /% f1 /( mm·min － 1 ) f2 /% 5 0. 05 5. 233 1 191 50 4 结语 ( 1) 各因素对沉降速度影响程度从大到小依次 为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮凝剂溶液浓度． 在 实验范围内，沉降速度与絮凝剂单耗正相关，与给料 浓度负相关． 在实验范围内，沉降速度与絮凝剂溶 液浓度正相关． 即若絮凝剂单耗越大，絮凝剂溶液 浓度越大，给料浓度越小，则沉降速度越大． ( 2) 各因素对沉降浓度的影响程度由大到小依 次为: 给料浓度 ＞ 絮凝剂单耗 ＞ 絮凝剂溶液浓度． 沉降浓度与絮凝剂单耗负相关，与给料浓度正相关， 与絮凝剂溶液浓度基本无关． 即在实验范围内，给 料浓度越大，絮凝剂单耗越小，则沉降浓度越大． ( 3) 利用非线性规划进行单目标优化时，预测 值与实测值误差保持在 8% 以内，具有较高的可信 度． 推荐的深锥浓密机运行参数为絮凝剂单耗 5 g·t － 1 ，絮凝剂溶液浓度 0. 05%，给料浓度 5. 233% ． 参 考 文 献 ［1］ Henriquez J，Simms P． Dynamic imaging and modelling of multi￾layer deposition of gold paste tailings． Miner Eng，2009，22( 2) : 128 ［2］ Gao B S，Wang H J，Wu A X，et al． Experimental study on influ￾encing factors of ammonia leaching for a copper tailing． Met Mine， 2009( 11) : 169 ( 高保胜，王洪江，吴爱祥，等． 某铜矿尾矿氨浸影响因素试验 研究． 金属矿山，2009( 11) : 169) ［3］ Hua Y，Lin Z，Yan Z． Application of microwave irradiation to quick leach of zinc silicate ore． Miner Eng，2002，15( 6) : 451 ［4］ Wu A X，Wang H J，Yang B H，et al． Progress and prospect of leaching mining technology． Min Technol，2006，6( 3) : 39 ( 吴爱样，王洪江，杨保华，等． 溶浸采矿技术的进展与展望． 采矿技术，2006，6( 3) : 39) ［5］ Wang C G，Zhou S J，Zhang S M，et al． Experimental study on the gold extracted from carbonaceous gold ore leached in heaps by preoxidized roast． J Northeast Univ Nat Sci，2004，25( 2) : 171 ( 王成功，周世杰，张淑敏，等． 碳质金矿石预氧化焙烧堆浸提 金的研究． 东北大学学报: 自然科学版，2004，25( 2) : 171) ［6］ Sheng G Y，Xia B X，Qiu D Y，et al． Catalytic leaching of gold ore． Chem Res Appl，1996，8( 4) : 569 ( 盛桂云，夏宝宣，邱德瑜，等． 黄金矿的催化浸取． 化学研究 与应用，1996，8( 4) : 569) ［7］ 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) ［8］ Jiao H Z，Wang H J，Wu A X，et al． Rule and mechanism of flocculation sedimentation of unclassified tailing． J Univ Sci Techn￾ol Beijing，2010，32( 6) : 702 ( 焦华喆，王洪江，吴爱祥，等． 全尾砂絮凝沉降规律及其机 理． 北京科技大学学报，2010，32( 6) : 702) ［9］ Addai-Mensah J． Enhanced flocculation and dewatering of clay mineral dispersions． Powder Technol，2007，179( 1 /2) : 73 ［10］ Nasser M S，James A E． Numerical simulation of the continuous thickening of flocculated kaolinite suspensions． Int J Miner Process，2007，84( 1-4) : 144 ［11］ Fang K T． Uniform Design and Uniform Design Table． Beijing: Science Press，1994 ( 方开泰． 均匀设计与均匀设计表． 北 京: 科 学 出 版 社， 1994) ［12］ Eremin I N，Mansurov R I，Abyzgil'din Y M，et al． Separation of emulsions in settling vessels with vertical movement of liquid． Chem Technol Fuels Oils，1986，22( 10) : 535 ［13］ Patience M，Addai-Menash J，Ralston J． Investigation of the effect of polymer type on flocculation，rheology and dewatering behaviour of kaolinite dispersions． Int J Miner Process，2003，71 ( 1-4) : 247 ［14］ Sojka R E，Lentz R D． Reducing furrow irrigation erosion with polyacrylamide ( PAM) ． J Prod Agric，1997，10( 1) : 47 ［15］ Zhang X X，Huang G H，Xi B D，et al． Inexact chance-con￾strained nonlinear programming method for coal blending in power plants． Proc CSEE，2009，29( 5) : 11 ( 张晓萱，黄国和，席北斗，等． 电厂优化配煤的不确定性机 会约束非线性规划方法． 中国电机工程学报，2009，29 ( 5) : 11) ·1441·