大流量全尾砂膏體料漿管道輸送參數計算與分析

楊 超 郭利杰 李文臣

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628）

采用傳統的低濃度尾礦排放工藝，存在管道輸送量大、能耗高及尾礦庫回水困難、安全性差等問題［1-2］。全尾砂膏體料漿管道排放技術是近些年發展起來的尾礦排放新技術，具有占地面積小、節約投資及運行費用、輸送能耗低、水循環利用效率高及安全環保的優點［3-4］，因此，在國內外得到了快速發展。

本項目以某銅礦大流量全尾膏體料漿管道輸送為研究背景，針對礦山日生產尾礦量為58 000 t（干量）特點，通過開展尾礦基礎參數測試、全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗及料漿流變試驗，確定了最佳輸送濃度為60%～65%；在此基礎上選取適宜的數學計算模型，分別計算管道輸送臨界流速，確定了工作流速，并分別計算其阻力損失；最終綜合分析確定了最佳的管道輸送方案及工藝參數。

1 尾砂物化特性

1.1 尾砂化學成分

某銅礦尾礦化學成分測試結果見表1。

表1測試結果表明：SiO2及CaO為此銅尾礦中主要成份，兩者占比達到62.59%；S含量為4.84%，含量不高；其余占比較高的金屬元素氧化物為TFe、Al2O3、MgO，其總含量占比為17.25%。總體來看，此尾礦符合一般固體廢棄物排放標準，可按照一般固體廢棄物進行處置。

1.2 尾礦物理參數

物理參數按照《GB/T 50123—1999土工試驗方法標準》進行測定，如表2所示。

1.3 粒徑組成

對+75 μm粒徑采用水析法測定，對-75 μm粒徑采用激光粒度法進行測試，測試結果如表3所示。

2 全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗

2.1 最佳絮凝濃縮進料濃度

目前金屬礦為了獲得較高的選礦回收率，一般選礦磨礦細度較細，得到的尾礦粒度非常細，且顆粒形態復雜［5］。根據尾礦粒級測試結果，試驗用尾礦屬于細粒級尾礦。因此，為了保障尾礦能夠得到高效濃縮，需將尾礦料漿進料稀釋到合適的濃度，此時絮凝劑才能發揮最佳效果［6］，從而加速尾礦顆粒沉降，獲得較好的絮凝濃縮參數。

試驗采用愛森公司的6013S絮凝劑，按照尾礦干料的8 g/t添加；進料濃度分別為10%、12%、14%、16%、18%、20%。試驗結果如表4所示。

試驗結果表明：進料濃度在10%至18%之間時，絮凝濃縮處理能力隨著濃度的增加而增加，說明濃縮效率在不斷增加，當進料濃度大于18%時，處理能力開始下降，根據試驗結果，并考慮一定的生產波動性，推薦尾礦絮凝濃縮最佳進料質量濃度為14%～16%。

2.2 最佳絮凝劑添加量

尾礦料漿最佳進料濃度及絮凝劑添加量是影響絮凝濃縮效果最重要的2個因素［7］。最佳絮凝劑添加量試驗進料濃度為14%，采用愛森公司的6013S絮凝劑，絮凝劑添加量按照尾礦干料的8 g/t、10 g/t、12 g/t、15 g/t添加。試驗結果如表5所示。

試驗結果表明：隨著絮凝劑添加量的增加，絮凝濃縮處理量增加，當絮凝劑用量為8 g/t時，就可得到較為理想的沉降速度及處理量。同時考慮實際生產中，由于物料波動等因素，推薦最佳的絮凝劑添加量為8～12 g/t。

2.3 底流濃度

底流濃度是考察尾礦料漿濃縮效果的一項重要指標［8］，按照進料濃度為14%、16%，絮凝劑添加量為8 g/t、10 g/t、12 g/t、14 g/t進行試驗，共計試驗8組，測試底流濃度結果如表6所示。

試驗結果表明：在進料濃度一致的條件下，隨著絮凝劑添加量的增加，底流濃度逐漸降低；同時絮凝劑添加量在8 g/t至12 g/t的條件下，底流濃度均在60%以上，最高達到65%。

3 全尾砂膏體料漿流動性及流變參數測試

3.1 流動性測試

采用擴散度法進行料漿流動性能測試，通過測定料漿擴散直徑表征料漿流動性能［9］。本次試驗設計尾礦料漿濃度分別為60%、62%、64%、66%、68%、70%，共計6組。圖1為不同濃度料漿流動狀態，試驗結果如表7所示。

試驗結果表明：隨著濃度的增加料漿擴散直徑逐漸變小，說明全尾砂膏體料漿的流動性能變差，采用管道輸送時管道摩阻損失將增大。同時結合濃縮試驗結果，推薦礦山充填料漿輸送濃度為60%～65%。

3.2 流變參數測試

膏體及似膏體狀態的全尾砂漿體屬于Bingham流體，即當剪切應力大于屈服應力時，漿體才能發生流動，具有塑性液體性質［10］，其表達式為

式中，τ0為屈服應力，Pa；η為塑性黏度系數，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

試驗采用RST-SST型軟固體流變儀進行不同濃度全尾砂漿體流變參數測定。設計測試濃度為60%、62%、64%、66%、68%、70%。圖2及圖3為60%和62%濃度的料漿流變曲線。

對測試的料漿流變曲線進行擬合，計算流變參數τ0及η，結果見表8。

漿體管道輸送阻力是管道設計中最重要的一個參數，流變參數τ0及η是影響管道輸送阻力的主要因素［11］。試驗結果表明：全尾砂膏體料漿濃度從60%增加至70%，τ0及η均大幅增加，其中τ0增加約4倍，η增加約2倍。根據流動性測試及流變參數測試結果，推薦全尾砂膏體料漿輸送濃度為60%～65%。

4 全尾砂膏體料漿管道輸送參數計算與分析

4.1 尾礦管道輸送臨界流速計算分析

4.1.1 臨界流速數學模型

漿體管道輸送的另一個主要參數為管道的工作流速，它決定管道輸送量及管徑。而工作流速在漿體管道中由于固體顆粒存在，主要由臨界流速決定，即工作流速必須大于臨界流速。

本次試驗所用60%～65%的尾礦料漿為復合流態，管道輸送臨界流速采用劉德忠公式與瓦斯普公式進行計算，兩者對比后取大值作為臨界流速。劉德忠公式見式（2），瓦斯普公式見式（3）。

式中，VC為臨界流速，m/s；CV為尾礦漿體體積濃度，%；ρk為尾礦漿體密度，kg/m3；ρ1為尾礦漿體細顆粒似均質部分密度，kg/m3；ω為尾礦顆粒在似均質部分加權平均沉速，m/s，按表9計算；ωs為尾礦在水中加權平均沉速，m/s，按表9計算；g為重力加速度，m/s2；D為管道內徑，m；ρg為尾礦密度，kg/m3；d85為物料尺寸，表示比該尺寸小的物料占總質量的85%，m。

4.1.2 臨界流速計算

根據尾礦密度、尾礦粒徑、管徑及粗糙度等基礎參數，采用式（2）與式（3）分別計算出不同濃度，不同管徑條件下的臨界流速。結果表明式（2）計算的臨界流速普遍高于式（3），為了確保輸送可靠性，選擇式（2）計算結果作為管道輸送臨界流速。

采用劉德忠公式（式（2））計算的臨界流速見表10，計算結果表明：臨界流速隨管徑的增大而增大，隨濃度增大而減小。根據計算的臨界流速，可以設計選擇工作流速，工作流速V=1.1～1.15VC，其中V為管道工作流速，VC為管道臨界流速。

注：η為塑性黏度系數，Pa s；d為某粒徑區間內加權平均粒徑，m；ωL為某粒徑區間內尾礦在水中沉速，m/s；ωi為某粒徑區間尾礦料漿中沉速，m/s。

4.2 尾礦管道輸送摩阻損失計算分析

4.2.1 摩阻損失數學模型

本次試驗所用60%～65%的尾礦料漿為復合流態，管道復合流態摩阻損失按下式計算：

其中，i1用達西—韋斯巴赫公式計算：

Δi2用瓦斯普—杜蘭德公式計算：

式中，ik為復合流態摩阻損失，mH2O/m，1 mH2O=9.8 kPa；i1為似均質部分摩阻損失，mH2O/m；Δi2為非均質部分摩阻損失，mH2O/m；(C1D)i為尾礦顆粒在載體似均質部分沉降阻力系數；ωi為某粒級尾礦在載體似均質部分沉速，m/s，見表9；K為系數，復合流態可根據似均質部分占的比重多少酌量選取，若似均質部分占的比重多可取K=150，若非均質部分占的比重多可取K=82；λ為達西摩阻系數，λ=4f，f為范寧摩阻系數；s為相對密度，計算公式為：

4.2.2 摩阻損失計算

根據式（4）～式（8）計算不同濃度、不同流速條件下管道輸送摩阻損失，結果如表11～表13所示。根據計算摩阻值繪制的摩阻損失與流速關系圖，如圖4～圖6所示。

圖4～圖6結果表明：在濃度一定的條件下，摩阻損失隨著流速增大而增大；在流速一定的條件下隨著輸送濃度的增大而增大。因此，為了保障安全輸送，在保證大于臨界流速條件下，輸送流速不宜過大。推薦輸送流速為1.7～2.2 m/s。

4.3 輸送管徑確定

某銅礦尾礦產量為58 000 t/d，不同濃度、不同管徑對應的工作流速見表14。

輸送工作流速一般為臨界流速的1.1倍，對比臨界流速計算表10。輸送濃度為60%～65%時，輸送工作流速為1.85～2.12 m/s，對應管徑為650 mm，滿足安全穩定輸送條件。

5 結論

（1）針對某銅礦開展全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗，確定了最佳進料濃度在14%～16%之間，最佳絮凝劑添加量在8～12 g/t，其最終底流濃度最高達到65%。

（2）根據高效濃縮試驗結果，結合流動性及流變試驗結果，綜合分析確定全尾砂膏體料漿最佳輸送濃度為60%～65%。

（3）經臨界流速計算、輸送摩阻計算，最終推薦輸送流速在1.7～2.2 m/s之間較為事宜。

（4）輸送濃度為60%～65%時，推薦輸送管徑為650 mm，此時輸送工作流速為1.85～2.12 m/s，滿足安全穩定輸送條件。