工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 王勇曹晨吴爱祥 Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener,flocculant unit consumption,and slurry concentration WANG Yong,CAO Chen,WU Ai-xiang 引用本文： 王勇，曹晨，吴爱祥.深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系.工程科学学报，2021,43(10：1269-1275.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2021.01.25.002 WANG Yong,CAO Chen,WU Ai-xiang.Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener,flocculant unit consumption,and slurry concentration[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1269-1275.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.25.002 在线阅读View online::htps/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2021.01.25.002 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:loi.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(2：152htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.004 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报.2019,41(11：1405 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.16.002 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:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.003 膏体浓密机扭矩计算模型及其影响因素 Mathematical model and factors of paste thickener rake torque 工程科学学报.2018.40(6：673 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.004 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:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.004
深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 王勇 曹晨 吴爱祥 Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener, flocculant unit consumption, and slurry concentration WANG Yong, CAO Chen, WU Ai-xiang 引用本文: 王勇, 曹晨, 吴爱祥. 深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1269-1275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.25.002 WANG Yong, CAO Chen, WU Ai-xiang. Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener, flocculant unit consumption, and slurry concentration[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1269-1275. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.25.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.25.002 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 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报. 2019, 41(11): 1405 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.16.002 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 膏体浓密机扭矩计算模型及其影响因素 Mathematical model and factors of paste thickener rake torque 工程科学学报. 2018, 40(6): 673 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.004 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
工程科学学报.第43卷，第10期：1269-1275.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1269-1275,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.25.002;http://cje.ustb.edu.cn 深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 王勇，曹晨，吴爱祥巴 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要深锥浓密机的面积或占地大小主要由其固体通量决定.通过量筒静态沉降实验，计算得到深锥浓密机固体通量，分 析了絮凝剂单耗、料浆浓度对深锥浓密机固体通量的影响，得到了两种因素对深锥浓密机固体通量的影响规律.结果表明， 尾矿在5~30gt的絮凝剂单耗下，基本呈现二次函数关系：料浆的固相质量分数为6%~26%时，固体通量呈现先增大后减 小的趋势，与实验所得的规律相契合.通过对絮凝剂单耗和料浆浓度耦合效应下的固体通量方程回归分析，得到三者之间的 数学关系，进而确定二者对固体通量的贡献为：料浆浓度>絮凝剂单耗.结合絮凝剂及料浆浓度对固体通量的影响分析，总结 了絮凝剂单耗和料浆浓度贡献值不同的原因.最后，结合单因素和耦合条件下的数学方程，对深锥浓密机的设计和运行提出 工程建议.在深锥浓密机运行过程中，需要优先保证料浆浓度，其次是絮凝剂单耗 关键词深锥浓密机：固体通量；絮凝剂单耗：料浆浓度：数学关系 分类号TD85 Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener,flocculant unit consumption,and slurry concentration WANG Yong,CAO Chen.WU Ai-xiang School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang @126.com ABSTRACT Tailings thickening is an important process of paste filling technology.At present,a deep cone thickener is often used for tailings thickening.The sedimentation rate of tailings affects the solid flux of the deep cone thickener and determines the area occupied by the deep cone thickener.At present,the addition of flocculant to tailings has become a common practice to improve the efficiency of tailings thickening.Thus,the influence of various factors on the solid flux of the deep cone thickener needs to be investigated.In this study,the solid flux of the deep cone thickener was calculated through the static sedimentation experiment of the graduated cylinder,and the influence law of the flocculant unit consumption and slurry concentration on the solid flux of the deep cone thickener was analyzed, and the influence of the two factors on the solid flux of the deep cone thickener was determined.Results showed that the tailings exhibit a quadratic function relationship when the flocculant unit consumption is 5-30 g-t At6%-26%solid mass fraction of slurry,the solid flux first increases and then decreases,which is consistent with the experiment.The regression analysis of the solid flux equation under the coupling effect of flocculant unit consumption and slurry concentration shows that the contribution of the two factors to solid flux is slurry concentration flocculant unit consumption.Based on the analysis of the influence of flocculant unit consumption and slurry concentration on solid flux,the reasons for the different contribution values of flocculant unit consumption and slurry concentration were summarized.According to the mathematical relationship between flocculant unit consumption,slurry concentration,and solid flux 收稿日期：2021-01-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52042402,51834001)：中央高校基本科研业务费青年教师国际交流成长计划项目 (QNXM20210002);中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-IDRY-20-031,FRF-TP.19-002C2Z)
深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 王 勇，曹 晨，吴爱祥苣 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 苣通信作者， E-mail: wuaixiang@126.com 摘 要 深锥浓密机的面积或占地大小主要由其固体通量决定. 通过量筒静态沉降实验，计算得到深锥浓密机固体通量，分 析了絮凝剂单耗、料浆浓度对深锥浓密机固体通量的影响，得到了两种因素对深锥浓密机固体通量的影响规律. 结果表明， 尾矿在 5～30 g·t−1 的絮凝剂单耗下，基本呈现二次函数关系；料浆的固相质量分数为 6%～26% 时，固体通量呈现先增大后减 小的趋势，与实验所得的规律相契合. 通过对絮凝剂单耗和料浆浓度耦合效应下的固体通量方程回归分析，得到三者之间的 数学关系，进而确定二者对固体通量的贡献为：料浆浓度>絮凝剂单耗. 结合絮凝剂及料浆浓度对固体通量的影响分析，总结 了絮凝剂单耗和料浆浓度贡献值不同的原因. 最后，结合单因素和耦合条件下的数学方程，对深锥浓密机的设计和运行提出 工程建议. 在深锥浓密机运行过程中，需要优先保证料浆浓度，其次是絮凝剂单耗. 关键词 深锥浓密机；固体通量；絮凝剂单耗；料浆浓度；数学关系 分类号 TD85 Mathematical relationship between the solid flux of deep cone thickener, flocculant unit consumption, and slurry concentration WANG Yong，CAO Chen，WU Ai-xiang苣 School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wuaixiang@126.com ABSTRACT Tailings thickening is an important process of paste filling technology. At present, a deep cone thickener is often used for tailings thickening. The sedimentation rate of tailings affects the solid flux of the deep cone thickener and determines the area occupied by the deep cone thickener. At present, the addition of flocculant to tailings has become a common practice to improve the efficiency of tailings thickening. Thus, the influence of various factors on the solid flux of the deep cone thickener needs to be investigated. In this study, the solid flux of the deep cone thickener was calculated through the static sedimentation experiment of the graduated cylinder, and the influence law of the flocculant unit consumption and slurry concentration on the solid flux of the deep cone thickener was analyzed, and the influence of the two factors on the solid flux of the deep cone thickener was determined. Results showed that the tailings exhibit a quadratic function relationship when the flocculant unit consumption is 5–30 g·t−1. At 6%–26% solid mass fraction of slurry, the solid flux first increases and then decreases, which is consistent with the experiment. The regression analysis of the solid flux equation under the coupling effect of flocculant unit consumption and slurry concentration shows that the contribution of the two factors to solid flux is slurry concentration > flocculant unit consumption. Based on the analysis of the influence of flocculant unit consumption and slurry concentration on solid flux, the reasons for the different contribution values of flocculant unit consumption and slurry concentration were summarized. According to the mathematical relationship between flocculant unit consumption, slurry concentration, and solid flux 收稿日期: 2021−01−25 基金项目: 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 52042402, 51834001） ； 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 青 年 教 师 国 际 交 流 成 长 计 划 项 目 （QNXM20210002）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-IDRY-20-031，FRF-TP-19-002C2Z） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1269−1275，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1269−1275, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.25.002; http://cje.ustb.edu.cn
·1270 工程科学学报，第43卷，第10期 obtained from the research,engineering suggestions for the design and operation of the deep cone thickener were proposed.During the operation of the deep cone thickener,the slurry concentration should be guaranteed first,followed by the flocculant unit consumption. KEY WORDS deep cone thickener;solid flux;flocculant unit consumption;slurry concentration;mathematical relationship 尾矿浓密是膏体充填技术的重要工艺，目前 并对其规律进行了分析，但是针对各因素与深锥 在尾矿浓密中经常采用的高效设备是深锥浓密 浓密机固体通量之间的数学关系的研究相对较 机-)尾矿沉降速率影响着深锥浓密机固体通 少，为此，本文通过量筒静态沉降实验，计算求得 量的大小，从而决定深锥浓密机面积或占地的大 深锥浓密机内尾矿沉降固体通量，分析絮凝剂单 小.影响尾矿沉降特性的因素包括料浆浓度、絮 耗和料浆浓度对固体通量的影响规律.通过探索 凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂浓度等目前， 其数学关系，得到固体通量随絮凝剂单耗和料浆 在尾矿中添加絮凝剂成为提高尾矿浓密效率的普 浓度之间的演化规律，为深锥浓密机的设计及高 遍做法刀絮凝剂能够加速尾砂沉降，提高浓 效运行提供参考 密效率。同时，控制入料浓度也是提高效率的一种 1实验材料及方法 方法. 近年来，国内外针对絮凝沉降与絮凝剂单耗 1.1实验材料 和料浆浓度等因素之间的规律进行了相关研究 实验尾矿来自某锡矿山，样品颗粒相对较粗， Bian等I研究了料浆浓度、絮凝剂单耗、絮凝剂 理论饱和浓度相对较高.基本物理性能如表1所 浓度等对絮凝沉降的影响，提出用4个指标评价 示，采用人工筛分对尾矿粒级组成进行测试，结果 全尾砂沉降特性，分别是絮凝沉降速度、底流浓 如图1所示 度、溢流水中悬浮物浓度和固体通量.Tao等9研 表1全尾砂基本物理性质 究进料量、絮凝剂用量等参数对尾矿浓密的影响， Table 1 Basic physical properties of full tailings 实现了底流膏体产品和清晰溢流的同时生产 True density/ Unit weight/ Porosity/ Theoretical Quezada等uo通过分子动力学浓密絮凝剂模拟胶 (tm-) (tm-) % saturation/% 体镁沉淀物与尾矿絮凝过程，认为絮凝效果的下 2.75 1.64 40.36 80.25 降是由于絮凝剂与水镁石的不良结合，并提出絮 100 凝剂和水镁石的反应过程及吸附机理 90 -Interval Grand total 我国学者也做了较多关于尾矿絮凝沉降的研 80 究.王勇等山在尾矿中添加不同用量的絮凝剂进 70 行浓密实验，得到了单耗对尾矿浓密的影响规律， 0t0l 提出在低含量、合适含量、高含量和超高含量絮 凝剂条件下絮凝剂与颗粒之间的作用方式.张美 30 道等对某铅锌银矿尾砂进行絮凝沉降实验，探 10 讨了不同絮凝剂类型、絮凝剂单耗、絮凝剂溶液 0 5 75100 1000 浓度及料浆浓度对絮凝沉降速度的影响.王勇等] Particle size/um 对不同稀释倍数和絮凝剂添加条件下的尾矿沉降 图1全尾砂粒级组成曲线 速度进行对比，认为稀释倍数越大，絮凝剂添加时 Fig.I Particle size distribution curve of full tailings 机对沉降速度影响就会越大，同时提出了絮凝剂 1.2 实验方法 添加点的布置方式.侯贺子等4通过不同料浆浓 量筒静态沉降实验仪器包括1000mL量筒、 度和絮凝剂单耗下的絮凝沉降特征，将不同区域 絮凝剂搅拌器（转速调至100~300rmin)、500mL 沉降颗粒速度规律曲线划分为5个阶段，分别是 烧杯、秒表计时器、天平、自制砂浆搅拌器（用于 自由沉降前段、自由沉降末段、干涉沉降前段、干 料浆充分混合)、注射器（用于注入絮凝剂），以及 涉沉降末段和压密段，并认为不同粒径颗粒有不 絮凝剂质量分数为0.3%的絮凝剂溶液 同的沉降特性 根据前期不同料浆浓度沉降实验结果，选择 上述研究考察了多项因素对絮凝沉降的影响 质量分数为11%的料浆进行不同絮凝剂单耗沉降
obtained from the research, engineering suggestions for the design and operation of the deep cone thickener were proposed. During the operation of the deep cone thickener, the slurry concentration should be guaranteed first, followed by the flocculant unit consumption. KEY WORDS deep cone thickener；solid flux；flocculant unit consumption；slurry concentration；mathematical relationship 尾矿浓密是膏体充填技术的重要工艺，目前 在尾矿浓密中经常采用的高效设备是深锥浓密 机 [1−3] . 尾矿沉降速率影响着深锥浓密机固体通 量的大小，从而决定深锥浓密机面积或占地的大 小. 影响尾矿沉降特性的因素包括料浆浓度、絮 凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂浓度等[4−5] . 目前， 在尾矿中添加絮凝剂成为提高尾矿浓密效率的普 遍做法[6−7] . 絮凝剂能够加速尾砂沉降，提高浓 密效率. 同时，控制入料浓度也是提高效率的一种 方法. 近年来，国内外针对絮凝沉降与絮凝剂单耗 和料浆浓度等因素之间的规律进行了相关研究. Bian 等[8] 研究了料浆浓度、絮凝剂单耗、絮凝剂 浓度等对絮凝沉降的影响，提出用 4 个指标评价 全尾砂沉降特性，分别是絮凝沉降速度、底流浓 度、溢流水中悬浮物浓度和固体通量. Tao 等[9] 研 究进料量、絮凝剂用量等参数对尾矿浓密的影响， 实现了底流膏体产品和清晰溢流的同时生产. Quezada 等[10] 通过分子动力学浓密絮凝剂模拟胶 体镁沉淀物与尾矿絮凝过程，认为絮凝效果的下 降是由于絮凝剂与水镁石的不良结合，并提出絮 凝剂和水镁石的反应过程及吸附机理. 我国学者也做了较多关于尾矿絮凝沉降的研 究. 王勇等[11] 在尾矿中添加不同用量的絮凝剂进 行浓密实验，得到了单耗对尾矿浓密的影响规律， 提出在低含量、合适含量、高含量和超高含量絮 凝剂条件下絮凝剂与颗粒之间的作用方式. 张美 道等[12] 对某铅锌银矿尾砂进行絮凝沉降实验，探 讨了不同絮凝剂类型、絮凝剂单耗、絮凝剂溶液 浓度及料浆浓度对絮凝沉降速度的影响. 王勇等[13] 对不同稀释倍数和絮凝剂添加条件下的尾矿沉降 速度进行对比，认为稀释倍数越大，絮凝剂添加时 机对沉降速度影响就会越大，同时提出了絮凝剂 添加点的布置方式. 侯贺子等[14] 通过不同料浆浓 度和絮凝剂单耗下的絮凝沉降特征，将不同区域 沉降颗粒速度规律曲线划分为 5 个阶段，分别是 自由沉降前段、自由沉降末段、干涉沉降前段、干 涉沉降末段和压密段，并认为不同粒径颗粒有不 同的沉降特性. 上述研究考察了多项因素对絮凝沉降的影响 并对其规律进行了分析，但是针对各因素与深锥 浓密机固体通量之间的数学关系的研究相对较 少. 为此，本文通过量筒静态沉降实验，计算求得 深锥浓密机内尾矿沉降固体通量，分析絮凝剂单 耗和料浆浓度对固体通量的影响规律. 通过探索 其数学关系，得到固体通量随絮凝剂单耗和料浆 浓度之间的演化规律，为深锥浓密机的设计及高 效运行提供参考. 1 实验材料及方法 1.1 实验材料 实验尾矿来自某锡矿山，样品颗粒相对较粗， 理论饱和浓度相对较高. 基本物理性能如表 1 所 示，采用人工筛分对尾矿粒级组成进行测试，结果 如图 1 所示. 表 1 全尾砂基本物理性质 Table 1 Basic physical properties of full tailings True density/ (t·m−3) Unit weight/ (t·m−3) Porosity/ % Theoretical saturation/% 2.75 1.64 40.36 80.25 45 75 100 1000 Particle size/μm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Mass fraction/ % Interval Grand total 图 1 全尾砂粒级组成曲线 Fig.1 Particle size distribution curve of full tailings 1.2 实验方法 量筒静态沉降实验仪器包括 1000 mL 量筒、 絮凝剂搅拌器（转速调至 100～300 r∙min−1）、500 mL 烧杯、秒表计时器、天平、自制砂浆搅拌器（用于 料浆充分混合）、注射器（用于注入絮凝剂），以及 絮凝剂质量分数为 0.3% 的絮凝剂溶液. 根据前期不同料浆浓度沉降实验结果，选择 质量分数为 11% 的料浆进行不同絮凝剂单耗沉降 · 1270 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期
王勇等：深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 ·1271 实验，根据6种絮凝剂单耗添加絮凝剂溶液.采用 程如图2所示.其中，A为澄清区，B为扰动区， 自制搅拌装置对料浆和絮凝剂进行混合，沉降过 C为过渡区，D为压密区. Mixing process Settlement process 图2自制砂浆搅拌装置混合、沉降过程 Fig.2 Mixing and settling processes by homemade mortar mixing unit 由于粗颗粒较多，在物料与絮凝剂混合过程 表3配料表 中，固液界面分离时间较短，在5s时各组实验固 Table 3 Ingredient list 液界面已清晰可见.为此，该实验记录5s时的料 Mass fraction Quality Quality Flocculant unit Order of solid of tailings/of consumptions/ Flocculant 浆界面高度，认为此时尾矿已完成絮凝沉降、进入 number phase/% water/g (gt) addition/g 过渡层，并以此来计算固体通量.配料如表2所示. 1 6 60 940 15 0.3 2 11 110 890 15 0.55 表2不同絮凝剂单耗实验配料表 3 16 160 840 小 0.8 Table 2 Experimental ingredient list for different flocculant unit consumptions 21 210 790 15 1.05 Order Quality of Quality of Flocculant unit Flocculant 5 26 260 740 15 1.3 number tailings/g water/g consumptions/(gt) addition/g 6 6 60 940 20 0.4 1 110 890 5 0.183 7 110 890 2 20 0.73 110 890 10 0.367 16 160 840 1.07 w 20 110 890 0.550 9 21 210 790 20 1.4 4 110 890 20 0.733 10 26 260 740 20 1.73 J 110 890 25 0.917 6 110 890 30 1.100 完成沉降 根据量筒沉降原理，采用固体通量计算公式， 第二组实验中固定絮凝剂单耗分别为15gt 和20gt,分别配置5种料浆浓度.同样采用自制 如式(1) 搅拌装置对料浆和絮凝剂进行混合，记录5s时料 G=Ps(M-2)×10-6×C×3600×24 (1) 浆的界面高度.配料如表3所示 1XπR2 1.3固体通量计算方法 其中，G为固体通量，tdm2;ps为料浆密度， 深锥浓密机的沉降是一个动态的过程，相比 gcm3;V为沉降前料浆体积，cm3:V2为固液界面清 于静态沉降实验，动态沉降实验的主要目的是更 晰瞬间料浆体积，cm3:C为料浆质量分数，%：t为沉 为合理、准确地预测深锥底流浓度.而深锥浓密 降时间，s;R为量筒内径，cm. 机处理效率（即固体通量）主要取决于深锥清液层 由式(1)可知，该方法只需要在实验中获取 中单位面积、单位时间的固体沉降量，尾矿在深锥 固液清晰瞬间的沉降时间和对应量筒中的沉 清液层中的沉降类似于静态沉降，目前，王俊 降体积，即可计算出固体通量.再根据矿山尾 等、李公成等6、陈鑫政等7刀、史采星等，以 矿处理量要求，即可估算深锥浓密机的直径大 及赵鑫和郭亚兵均采用静态沉降实验计算固体 小.尽管本文只针对固体通量开展研究，但对 通量进行相应理论、实践研究.量筒静态实验固 于深锥浓密机设计和运行也具有一定的实际参 液界面清晰的瞬间，即可认为量筒内的固体颗粒 考价值
实验，根据 6 种絮凝剂单耗添加絮凝剂溶液. 采用 自制搅拌装置对料浆和絮凝剂进行混合，沉降过 程如图 2 所示. 其中，A 为澄清区，B 为扰动区， C 为过渡区，D 为压密区. Mixing process Settlement process A B C D A B C D A B C D A D A D 图 2 自制砂浆搅拌装置混合、沉降过程 Fig.2 Mixing and settling processes by homemade mortar mixing unit 由于粗颗粒较多，在物料与絮凝剂混合过程 中，固液界面分离时间较短，在 5 s 时各组实验固 液界面已清晰可见. 为此，该实验记录 5 s 时的料 浆界面高度，认为此时尾矿已完成絮凝沉降、进入 过渡层，并以此来计算固体通量. 配料如表 2 所示. 表 2 不同絮凝剂单耗实验配料表 Table 2 Experimental ingredient list for different flocculant unit consumptions Order number Quality of tailings/g Quality of water/g Flocculant unit consumptions/(g·t−1) Flocculant addition/g 1 110 890 5 0.183 2 110 890 10 0.367 3 110 890 15 0.550 4 110 890 20 0.733 5 110 890 25 0.917 6 110 890 30 1.100 第二组实验中固定絮凝剂单耗分别为 15 g∙t−1 和 20 g∙t−1，分别配置 5 种料浆浓度. 同样采用自制 搅拌装置对料浆和絮凝剂进行混合，记录 5 s 时料 浆的界面高度. 配料如表 3 所示. 1.3 固体通量计算方法 深锥浓密机的沉降是一个动态的过程，相比 于静态沉降实验，动态沉降实验的主要目的是更 为合理、准确地预测深锥底流浓度. 而深锥浓密 机处理效率（即固体通量）主要取决于深锥清液层 中单位面积、单位时间的固体沉降量，尾矿在深锥 清液层中的沉降类似于静态沉降. 目前 ，王俊 等[15]、李公成等[16]、陈鑫政等[17]、史采星等[18] ，以 及赵鑫和郭亚兵[19] 均采用静态沉降实验计算固体 通量进行相应理论、实践研究. 量筒静态实验固 液界面清晰的瞬间，即可认为量筒内的固体颗粒 完成沉降. 根据量筒沉降原理，采用固体通量计算公式， 如式（1）. G = ρs(V1 −V2)×10−6 ×C ×3600×24 t×πR2 （1） G ρs V1 V2 C t 其 中 ， 为 固 体 通 量 ， t·d−1·m−2 ； 为 料 浆 密 度 ， g·cm−3 ； 为沉降前料浆体积，cm3 ； 为固液界面清 晰瞬间料浆体积，cm3 ； 为料浆质量分数，%； 为沉 降时间，s；R 为量筒内径，cm. 由式（ 1）可知，该方法只需要在实验中获取 固液清晰瞬间的沉降时间和对应量筒中的沉 降体积，即可计算出固体通量. 再根据矿山尾 矿处理量要求，即可估算深锥浓密机的直径大 小. 尽管本文只针对固体通量开展研究，但对 于深锥浓密机设计和运行也具有一定的实际参 考价值. 表 3 配料表 Table 3 Ingredient list Order number Mass fraction of solid phase/% Quality of tailings/ g Quality of water/g Flocculant unit consumptions/ (g·t−1) Flocculant addition/g 1 6 60 940 15 0.3 2 11 110 890 15 0.55 3 16 160 840 15 0.8 4 21 210 790 15 1.05 5 26 260 740 15 1.3 6 6 60 940 20 0.4 7 11 110 890 20 0.73 8 16 160 840 20 1.07 9 21 210 790 20 1.4 10 26 260 740 20 1.73 王 勇等： 深锥固体通量与絮凝剂单耗和料浆浓度的数学关系 · 1271 ·
1272 工程科学学报，第43卷，第10期 2结果及分析 表5不同料浆浓度絮凝沉降实验结果及固体通量计算结果 2.1不同絮凝剂单耗条件下的固体通量 Table 5 Results of flocculation and sedimentation experiments with different slurry concentrations and calculation of solid fluxes 根据絮凝沉降结果，采用式(1)计算不同絮凝 Mass Flocculant Solid 剂单耗的固体通量.不同絮凝剂单耗下的絮凝沉 Order Initial Time of Height of fraction consumptionsheigh/settemensettem unit flux/ number of solid (td. 降实验结果及固体通量计算结果如表4所示 phase/% (g) mm mm m2) 6 15 276 5 190 84.877 表4不同絮凝剂单耗絮凝沉降实验结果及固体通量计算结果 15 268 5 180 164.67 Table 4 Results of flocculation and sedimentation experiments with 16 15 260 5 203 160.64 different flocculants and solid flux calculations Flocculant unit Initial Height of 21 15 249 5 209 153.4 Order consumptions/height/ Time of Solid flux/ settlement/ number mm settlement/s (td-m 5 26 15 243 213 147.87 (gt) mm 6 30 276 5 155 119.42 1 268 5 235 61.753 5 10 268 5 205 117.89 > 20 268 150 220.81 15 268 J 180 164.67 16 260 5 190 197.28 4 20 268 5 160 202.1 9 31 20 249 5 199 191.75 3 268 155 211.46 10 26 20 243 206 182.37 6 30 268 5 150 220.81 250 绘制固体通量与絮凝剂单耗关系曲线，如图3 200 所示 150 250 -Slurry with a mass fraction of 11% 1)/xnu 100 200 50 -Flocculant unit consumption of 15 gt! 150 -Flocculant unit consumption of 20 g't 0 100 0 5 10152025 30 Mass fraction of solid phase/% 图4不同料浆浓度与固体通量关系 Fig.4 Relationships between different slurry concentrations and solid 0 fluxes 510152025 30 Unit consumption of flocculant/(g-t-) 2.3絮凝剂单耗和料浆浓度对固体通量的影响原 图3不同絮凝剂单耗与固体通量关系 因分析 Fig.3 Relationship between solid fluxes per unit consumption of different flocculants 固体颗粒的沉降速度，主要与颗粒密度及液 体黏度、物料细度等有关，其中颗粒粒径是决定沉 由图3可知，前期固体通量随着絮凝剂单耗的 降快慢的主要因素.根据斯托克斯理论2，固体颗 增加基本呈线性增加关系；随着絮凝剂单耗加大， 粒在悬浮液中的自由沉降速度与颗粒直径的平方 单位面积处理能力增长的速度放缓， 呈正比，与液体黏度呈反比，表达式如式(2) 2.2不同料浆浓度条件下的固体通量 & 根据不同料浆浓度絮凝沉降实验结果，按照 8Pg-p1)d2 (2) 式(1)计算固体通量，得到不同料浆浓度下的絮凝 其中，V为颗粒自由沉降速度，ms;g为重力加速 沉降实验结果及固体通量计算结果，如表5所示. 度，9.81ms2;v为液体黏度，Pas:Pg、p1分别为颗 固体通量与不同料浆浓度关系的曲线如图4 粒密度及液体密度，kgm;d为颗粒直径，m 所示 由式(2)可以看出，对于特定矿种，当尾矿颗 由图4可知，固体通量与料浆浓度关系如下：随 粒密度一定时，加大物料的粒径可有效提高沉降 着料浆浓度加大，单位面积处理能力在前期处于快 速率.目前，为提高粒径满足沉降速率要求，普遍 速增长阶段，到达一定临界值后处理能力呈下降趋势 采用高分子絮凝剂进行颗粒网捕，从而加大颗粒
2 结果及分析 2.1 不同絮凝剂单耗条件下的固体通量 根据絮凝沉降结果，采用式（1）计算不同絮凝 剂单耗的固体通量. 不同絮凝剂单耗下的絮凝沉 降实验结果及固体通量计算结果如表 4 所示. 表 4 不同絮凝剂单耗絮凝沉降实验结果及固体通量计算结果 Table 4 Results of flocculation and sedimentation experiments with different flocculants and solid flux calculations Order number Flocculant unit consumptions/ (g·t−1) Initial height/ mm Time of settlement/s Height of settlement/ mm Solid flux/ (t·d−1·m−2) 1 5 268 5 235 61.753 2 10 268 5 205 117.89 3 15 268 5 180 164.67 4 20 268 5 160 202.1 5 25 268 5 155 211.46 6 30 268 5 150 220.81 绘制固体通量与絮凝剂单耗关系曲线，如图 3 所示. 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 Slurry with a mass fraction of 11% Unit consumption of flocculant/(g·t−1) Solid flux/(t·d−1·m−2 ) 图 3 不同絮凝剂单耗与固体通量关系 Fig.3 Relationship between solid fluxes per unit consumption of different flocculants 由图 3 可知，前期固体通量随着絮凝剂单耗的 增加基本呈线性增加关系；随着絮凝剂单耗加大， 单位面积处理能力增长的速度放缓. 2.2 不同料浆浓度条件下的固体通量 根据不同料浆浓度絮凝沉降实验结果，按照 式（1）计算固体通量，得到不同料浆浓度下的絮凝 沉降实验结果及固体通量计算结果，如表 5 所示. 固体通量与不同料浆浓度关系的曲线如图 4 所示. 由图 4 可知，固体通量与料浆浓度关系如下：随 着料浆浓度加大，单位面积处理能力在前期处于快 速增长阶段，到达一定临界值后处理能力呈下降趋势. 2.3 絮凝剂单耗和料浆浓度对固体通量的影响原 因分析 固体颗粒的沉降速度，主要与颗粒密度及液 体黏度、物料细度等有关，其中颗粒粒径是决定沉 降快慢的主要因素. 根据斯托克斯理论[20] ，固体颗 粒在悬浮液中的自由沉降速度与颗粒直径的平方 呈正比，与液体黏度呈反比，表达式如式（2）. V= g 18v (ρg −ρ1)d 2 （2） ρg ρ1 其中，V 为颗粒自由沉降速度，m·s−1 ；g 为重力加速 度，9.81 m·s−2 ；v 为液体黏度，Pa·s； 、 分别为颗 粒密度及液体密度，kg·m−3 ；d 为颗粒直径，m. 由式（2）可以看出，对于特定矿种，当尾矿颗 粒密度一定时，加大物料的粒径可有效提高沉降 速率. 目前，为提高粒径满足沉降速率要求，普遍 采用高分子絮凝剂进行颗粒网捕，从而加大颗粒 表 5 不同料浆浓度絮凝沉降实验结果及固体通量计算结果 Table 5 Results of flocculation and sedimentation experiments with different slurry concentrations and calculation of solid fluxes Order number Mass fraction of solid phase/% Flocculant unit consumptions/ (g·t−1) Initial height/ mm Time of settlement/ s Height of settlement/ mm Solid flux/ (t·d−1 · m −2) 1 6 15 276 5 190 84.877 2 11 15 268 5 180 164.67 3 16 15 260 5 203 160.64 4 21 15 249 5 209 153.4 5 26 15 243 5 213 147.87 6 6 20 276 5 155 119.42 7 11 20 268 5 150 220.81 8 16 20 260 5 190 197.28 9 21 20 249 5 199 191.75 10 26 20 243 5 206 182.37 0 5 10 15 20 25 30 Mass fraction of solid phase/% 0 50 100 150 200 250 Flocculant unit consumption of 15 g·t−1 Flocculant unit consumption of 20 g·t−1 Solid flux/(t·d−1·m−2 ) 图 4 不同料浆浓度与固体通量关系 Fig.4 Relationships between different slurry concentrations and solid fluxes · 1272 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期