尾礦坑淤存泥砂的高效分選回收研究

姚一帆，夏朝科，李偉明

(1.湖州新開元碎石有限公司，浙江 湖州 313022； 2.中國礦業大學低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008)

在碎石生產工藝中不可避免地要產生部分細顆粒，其中-0.074 mm的微細粉一方面容易形成揚塵、污染生產生活環境；另一方面，黏附在骨料上的粉體還會降低骨料品質。新開元碎石有限公司(以下簡稱“新開元”)1998年建成投產，年產碎石產品400多萬t，采用濕法生產工藝，粉塵污染少、骨料質量高。2013年之前，生產系統中產生的泥砂懸浮液采用螺旋分級機回收粗砂，螺旋分級機的溢流進入簡易沉淀池，沉淀池中的淤積物排入尾礦坑。根據2013年投入的固液分離車間的運行經驗，螺旋分級機的溢流中存在大量的細砂資源，這不僅浪費了大量的細砂資源，而且對礦山及周邊環境也存在一定的危害，對尾礦坑中的細砂資源進行回收，可以提高資源利用效率和經濟效益。

目前，細粒分級設備主要有三大類：篩分設備、水力分級設備和離心分級設備[1-8]。篩分設備主要包括德瑞克高頻振動篩、Pansep篩分機、弧形篩及MVS系列電磁高頻振網篩，篩分分級方法分級精度高，但篩網易堵塞，磨損嚴重，維修率高，對細粒物料分級效率較低，一般用于分級0.2 mm以上的物料；水力分級設備主要包括機械分級機、圓錐分級機、箱式和槽式水力分級機及錯流式分級機，水力分級方法按沉降速度差異分級，結構簡單，運行費用低，處理量大，但占地面積大，分級效率不高；離心分級設備主要包括水力旋流器和離心分級機，該方法按徑向速度差進行分級，占地面積小、處理量大、分級效率高，但能耗高、維修量較大。本文進行了尾礦坑細砂資源估算及螺旋分選機和水力旋流器分級回收細砂資源的方案比較。

1 尾礦坑淤積泥砂的資源量分析

新開元的泥砂沉積物主要集中在1號采坑和2號采坑。兩個排放采坑總占地面積約5.33萬m2，總容積約126.4萬m3。

尾礦排放坑中沉積物的多點采樣分析結果如圖1所示。沉積物中+0.045 mm部分的細砂含量平均58%左右，+0.074 mm部分的細砂平均含量在42%左右；如果將大于0.045 mm或0.074 mm以上的細砂進行回收，理論上回收量可達到淤積物的一半左右。

圖1 1號尾礦坑采樣點沉積物粒度分布

測試分析表明，淤積物的堆密度為1 700～1 900 kg/m3，按1 700 kg/m3保守估算，尾礦排放坑中的總固體量達210萬t左右。根據新建固液分離車間的運行經驗，如果回收粒度控制在+0.045 mm，那么可回收的細砂量約為120萬t；回收粒度控制在+0.074 mm，可回收的細砂量約為90萬t。實施回收后，至少可騰出庫容50萬m3以上。

2 泥砂分級脫泥技術

根據相關分選、分級技術的特點，基于樣品的特征分析及實驗室探索試驗，從實現泥、砂高效低成本分離的角度，重點比較了螺旋分選機分級脫泥選砂方案和水力旋流器分級脫泥選砂方案[9-15]。

2.1 螺旋分選機脫泥選砂方案

螺旋分選機主要依靠顆粒的密度和質量的差異實現分選，具有無運動部件、維護成本低、設備磨損率低等特點，主要用于高密度微細粒級礦物的分選和脫泥，但未見采用螺旋分選機進行建筑泥砂分級的實踐報道。當料漿中以粗顆粒為主時適合采用縱向和橫向傾斜角較大的坡角螺旋面，從而提高流膜的紊流強度提高顆粒按粒級分離效果；當料漿中主要是細粒級物料時，宜采用更為平緩的溜槽斷面[16]。螺旋脫泥試驗系統示意圖見圖2。

圖2 螺旋脫泥試驗系統圖

由圖1可知，尾礦池中的泥砂沉積物的中位粒徑小于0.045 mm，半工業分級試驗選用的是螺距0.5 m、螺旋直徑為1.2 m、螺旋圈數為5圈的螺旋分選機。螺旋分選機分級后得到細砂和細泥為主的兩種懸浮液，利用半工業分選系統主要考查了流量、泥漿濃度對螺旋分選機分級脫泥效果的影響，并以砂含泥率(砂產品中的-0.045 mm含量)、泥含砂率和分級效率作為分級效果評價指標，分級效率通過漢考克綜合效率公式計算確定[17]。

螺旋分選機脫泥試驗結果見表1。當入料濃度為30%、入料流量為3 m3/h左右時，試驗效果較好，砂含泥率為47.58%，泥含砂率為17.16%，分級效率為39.42%。隨著流量的增大，顆粒在流膜中按粒度分帶逐漸明顯，砂含泥率逐漸降低，同時泥含砂率也將上升。在流量相對穩定的情況下，隨著原料漿中顆粒物濃度的降低，砂含泥率下降的幅度逐漸增大，泥含砂率逐漸降低，這說明適當的降低原料漿的濃度、提高入料流量對提高砂的品質有利，但是分級效率會有所下降。

2.2 水力旋流器分級脫泥選砂方案

水力旋流器分級脫泥工藝在新開元現有生產系統中已成功實施[17]。新開元固液分離中心采用直徑250 mm、底流口直徑75 mm、錐角20°的水力旋流器，在系統中6個一組并聯配置，共設置兩組；根據固液分離中心運行及管理經驗，旋流器的入料濃度為12%～13%，選定0.08 MPa、0.10 MPa、0.12 MPa及0.14 MPa四種入料壓力條件進行試驗，試驗結果見表2。

當入料壓力為0.10 MPa時，旋流器溢流中，顆粒粒度小于0.045 mm的顆粒占95.2%，顆粒粒度大于0.045 mm的顆粒只有4.8%，溢流跑粗有所下降，但底流中夾細量有所增加，說明隨著入料壓力的增加，旋流器內部流速加快，離心力加大，造成-0.045 mm顆粒進入底流的概率增大，該條件下旋流器的分級效率為83.5%。

表1 螺旋分選機脫泥選砂試驗結果匯總表

表2 水力旋流器脫泥選砂試驗結果

水力旋流器分級選砂方案見圖3。將尾礦坑回采的泥砂懸浮液適當隔粗后用水力旋流器進行分級、濃縮；旋流器底流采用高頻細篩脫水后獲得細砂產品；旋流器溢流經濃縮處理，濃縮設備的澄清溢流水循環使用；濃縮設備的底流排入尾泥池或壓濾脫水后干堆或利用。

綜合比較兩種脫泥選砂方案，水力旋流器脫泥選砂方案試驗效果較好，能獲得較高的分級效率，對砂的品質有保障作用，故確定了水力旋流器離心分級脫泥選砂的工藝方案。

圖3 水力旋流器分級選砂方案

3 尾礦坑淤積細砂的回采效益分析

1) 按每小時回采加工50 t淤積泥砂、細砂回收率58%，每年生產300 d、每天生產16 h計算，則每年可加工處理24萬t淤積物，可回收細砂資源13.92萬t。

2) 原料為歷史上的廢棄產物，原料成本按0元測算；根據新開元固液分離系統的實際運行情況，固液分離車間的加工費為6元/t，總加工費144萬元；細砂售價35元/t，每年新增銷售收入490萬元；去除成本和加工費，每年可新增利潤340多萬元。

3) 隨著資源和環境保護力度的不斷加大，獲取資源的難度和成本日益增加。通過對尾礦池廢棄資源的回采加工，每年可增加細砂產品14萬t，資源費按3.6元/t計算，每年可減少資源購置費損失50余萬元。

4) 通過對尾礦池廢棄資源的回采加工，相應地減少了固廢排放14萬t/a，節約了固廢堆存空間、降低了二次污染隱患；細砂資源的回收還可每年騰換出尾礦池容積8萬多立方米，有助于改善生產條件。

4 結 論

1) 新開元兩個尾礦排放坑的總固體量超過200萬t，按照+0.045 mm進行回收，可增加細砂量產品120萬t左右。

2) 螺旋分選機能耗小、易維護、成本低，在適宜的操作條件下具有一定的分級脫泥效果，但入料性質對分級效果的影響較大，且單機處理量小，需要多組并聯以提高處理量。

3) 水力旋流器分級選砂技術工藝成熟，分級粒度易于調節，工藝適應性比較強。

4) 采用旋流器分級選砂工藝，按照每小時50 t的回采加工能力，新開元每年可從尾礦坑中回收細砂14萬t，資源、環境、經濟及社會效益顯著。