銅綠山礦尾礦沉降絮凝劑優化選型試驗研究

鄭銀珠

(大冶有色金屬集團控股有限公司, 湖北 黃石 435005)

1 前言

隨著近年來我國經濟的快速發展,礦產資源開發的步伐也在加快,嵌布粒度粗、品位較高的富礦和易選礦越來越少,嵌布粒度細的貧礦和有回收利用價值的尾礦也已成為重要的資源來源[1]。為了使這類礦石中有用礦物能夠充分解離,選礦過程中需要將礦石細磨,而細磨分選后的尾礦顆粒難以在短時間內沉降,一方面造成尾礦濃密設備溢流水容易跑渾,影響選礦回水循環利用質量和回水利用率;另一方面難以形成高濃度尾礦,增加了尾礦運輸成本,也不利于提升膠結或膏體充填質量,降低尾礦利用率[2]。

鑒于此,一些研究單位和礦山企業針對選礦尾礦中細粒尾礦難以沉降的問題開展了大量研究,最終將廢水處理中用到的絮凝劑引入到選礦尾礦處理中。絮凝劑因具有很大的比表面積,可以將水體中的多種金屬離子、顆粒物等吸附穩定下來,絮凝機理包括吸附電荷中和、吸附架橋、網捕卷掃等[3]。通過這些作用機理,絮凝劑可以將懸浮的膠體粒子聚集,形成微小的絮體,這些絮體進一步碰撞生長,最后形成體積較大的絮團,通過重力作用加速沉淀,從而達到快速固液分離的目的,有效解決了細粒尾礦沉降速度慢的難題[4]。

近些年,關于絮凝劑的研究越來越多樣化,根據其化學成分和作用機理的不同,絮凝劑主要分為無機絮凝劑、有機絮凝劑和生物絮凝劑三大類。無機絮凝劑雖然價格低廉,但使用條件較苛刻,易受pH值和水溫等影響,對極細顆粒絮凝效率低,且使用中會引入新的雜質,生產應用受限。有機高分子絮凝劑雖價格偏高,但因其簡單易合成、吸附架橋能力強、用量少、絮凝效果好等優勢,而得到越來越廣泛的應用。生物絮凝劑相比無機和有機絮凝劑具有高效且能自然降解、無二次污染等特點,但其具有生物活性要求,難保存,并且需要大劑量才能達到較好的絮凝效果[5]。由于各類絮凝劑都有自身的優缺點,因而高分子化、復合化、多功能化是絮凝劑研究的重要發展方向,其可充分發揮無機和有機組分的協同增效作用,提升絮凝沉降效果[6]。

2 銅綠山礦尾礦處理工藝

銅綠山礦選礦新系統尾礦處理工藝流程于2015年投產,生產一段時間內,因發現尾礦濃密機和砂倉溢流跑渾嚴重,固體微細顆粒含量高達3%左右,經2016年、2018年兩次升級改造,引進了有機高分子絮凝劑及其添加設備,并將砂倉用φ18 m深錐濃密機替代,即成為現有生產流程。該流程為:選礦車間13%～17%濃度的尾礦經過φ53 m周邊傳動濃密機濃縮后,底流濃度達到30%～35%,底流經渣漿泵送至采礦車間充填工序φ18 m深錐濃密機進行二次濃縮,深錐濃密機濃縮后的底流用于膠結或膏體充填,φ53 m周邊傳動濃密機和φ18 m深錐濃密機溢流水通過管道自流至選礦生產水池循環利用,工藝流程如圖1所示。

圖1 銅綠山礦尾礦處理工藝流程

自2016年至今,有機高分子絮凝劑已在銅綠山礦使用多年,但由于目前市場上絮凝劑的生產廠家和產品種類多,且不同種類絮凝劑對同一尾礦的絮凝沉降效果各不相同,采購價格也存在差異,為篩選出適合銅綠山礦全尾礦沉降的絮凝劑類型,并在不影響尾礦沉降效果的前提下,降低絮凝劑成本消耗,礦山單位組織開展了相關試驗研究工作,為絮凝劑選型及生產采購應用提供依據。

3 實驗室沉降試驗原料及方法

3.1 試驗原料

3.1.1 試驗礦樣

本次試驗尾礦礦漿樣品取自于選礦車間φ53 m尾礦濃密機進料溜槽,采用截流法抽取尾礦樣品后,分出部分樣品分別檢測礦漿濃度、pH值,尾礦密度和尾礦固體顆粒粒度組成等參數。測得尾礦濃度為13.5%、pH值為7、尾礦密度為3×103kg/m3,該尾礦粒度組成檢測結果見表1。

表1 尾礦固體顆粒粒度組成

從尾礦固體顆粒粒度組成分布來看,粗粒級分布少,+96 μm僅占19.88%,細粒級分布多,其中-45 μm占58.96%,-10 μm占23.26%,尾礦粒級總體偏細。

3.1.2 試驗絮凝劑

將市場上4種暢銷品牌的高分子絮凝劑各選擇一種型號與生產現場用絮凝劑開展選型對比試驗,絮凝劑試驗代號分別為A345、A556、3660DF、JC186、YD-6,其中A556為目前生產現場用絮凝劑。

3.2 試驗方案及方法

試驗方案見表2。

表2 絮凝劑優化選型試驗方案

3.2.1 試驗儀器

天平(精度為千分之一)、燒杯、玻璃棒、電動攪拌器、1 000 mL量筒、秒表、溫度計、冰塊、水浴加熱器、塑料桶、烘箱等。

3.2.2 試驗方法

1)絮凝劑溶解試驗

將五種試驗用高分子絮凝劑各用天平準確稱量0.200 g(±0.001 g),在不同的水溫條件下,緩慢加入到裝有400 mL水的燒杯中,均配制成萬分之五的濃度,用攪拌器攪拌,并控制攪拌器的轉速在60 r/min,觀察絮凝劑溶解情況,至絮凝劑完全溶解成透明膠質狀態。

2)尾礦沉降試驗

(1)將現場截取的尾礦礦漿樣品進行攪拌,使礦漿呈均勻分散狀態,然后快速取混勻的礦漿轉移到1 000 mL量筒中,定容至滿刻度。

(2)首先進行全尾礦礦漿自然沉降試驗。將裝有礦漿樣品的量筒口用橡膠皮蓋住,并翻轉量筒,來回搖勻6次,使礦漿充分混勻,然后將量筒平穩放置于試驗臺上后,此時作為計時零點,每隔一段時間記錄澄清層高度,觀察最終沉降高度,至沉降過程基本結束,并測定自然沉降濃度。

(3)然后進行絮凝劑沉降試驗。向裝有礦漿樣品的量筒中加入一定量26 ℃室溫下溶解好的絮凝劑,迅速用橡膠皮蓋住量筒口,并翻轉量筒,來回搖勻6次,使絮凝劑與礦漿充分混合,然后將量筒平穩放置于試驗臺上后,同樣將此時作為計時的零點,每隔一定時間記錄一次澄清層高度,觀察最終沉降高度,至沉降過程基本結束,并測定絮凝沉降濃度。

(4)統計沉降時間與澄清層高度及平均沉降速度數據,并繪制試驗尾礦固液分離界面高度與時間關系圖。

4 試驗結果及分析

4.1 尾礦自然沉降試驗

通過觀察尾礦自然沉降試驗過程發現,前25 min平均沉降速度僅有0.19 cm/min,之后沉降速度進一步變慢,沉降時間超過180 min時,沉降壓縮過程基本趨于穩定,沉降需要近9 h才能完成,此時底流濃度為23.31%,難以滿足生產要求,沉降試驗結果見表3。

表3 尾礦自然沉降試驗結果

結合相關數據分析可知,由于該尾礦中-10 μm占23.26%,-45 μm占58.96%,粒級分布偏細,所以其自然沉降速度緩慢。因此,生產過程中,要加快細粒級尾礦沉降,保證溢流水澄清,提高濃密機底流濃度,必須添加絮凝劑來加速沉降過程[7]。

4.2 絮凝劑溶解試驗

高分子絮凝劑能否快速溶解,影響生產中絮凝沉降作用的有效發揮,特別是因絮凝劑一年四季都在使用,需要考慮氣溫對其溶解過程的影響[8]。結合本地區氣溫狀況,本試驗分別在35 ℃、20 ℃、8 ℃水溫條件下進行,比較五種絮凝劑在萬分之五濃度下的溶解情況。

觀察溶解過程發現,五種絮凝劑在不同水溫條件下溶解時,均呈現出同樣的規律,即隨溶解水溫的降低,其溶解速度變慢,完全溶解需要的時間更長,完全溶解后成透明膠質狀態。其中35 ℃時,絮凝劑溶解速度最快,基本在攪拌40～44 min即可全部溶解,在20 ℃時需要43～48 min左右,在8 ℃時需要64～75 min。且在35 ℃、20 ℃水溫時五種絮凝劑之間溶解速度差異不大,在8 ℃時差異已比較明顯。

經過比較,A556、YD-6、JC-186三種絮凝劑溶解情況基本相近,A345、3660DF在8 ℃時溶解情況要差一些,其在相同溶解時間內,燒杯中殘余未溶解顆粒比其它絮凝劑稍多,溶解速度偏慢。因該溶解試驗過程為靜態試驗,未連續加藥,試驗過程中暫未發現絮凝劑溶解結塊情況。

4.3 不同種類絮凝劑沉降對比試驗

因生產現場絮凝劑用量在18 g/t左右,本次開展不同種類絮凝劑沉降對比試驗的絮凝劑添加量也選取18 g/t,試驗結果如圖2所示。

圖2 五種絮凝劑沉降對比試驗

試驗結果表明:在全尾礦樣品中添加幾種絮凝劑后,沉降效果均較好,尾礦沉降速度相比自然沉降得到大幅提升,試驗進行10 min左右,尾礦沉縮界面基本趨于穩定,得到的上層清液干凈、清澈。并且從圖2中發現,絮凝沉降并不是勻速沉降,整個沉降過程表現出開始階段沉降速度很快,隨著沉降的持續進行,沉降速度逐漸變緩慢,直至結束。

同時,從絮凝劑沉降效果對比中發現,五種絮凝劑對尾礦沉降速度的影響存在差異,添加YD-6沉降效果最好,添加3660DF沉降速度最慢,沉降快慢順序為:YD-6>A556>A345>JC186>3660DF。且選用不同的絮凝劑,沉降層尾礦壓縮密實情況和濃度也不同,沉降速度快的,其沉降層尾礦越密實,濃度也越高,其中25 min時YD-6沉降層尾礦濃度最高,達到31.98%,比3660DF沉降層尾礦濃度27.89%高4.09%。

4.4 不同用量絮凝劑沉降對比試驗

根據不同種類絮凝劑沉降對比試驗結果,選取A345、A556、YD-6三種沉降效果較好的絮凝劑開展不同用量對比試驗,試驗現場效果對比如圖3,試驗結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 不同用量絮凝劑沉降對比試驗效果

圖4 A345絮凝劑用量對比試驗

圖5 A556絮凝劑用量對比試驗

圖6 YD-6絮凝劑用量對比試驗

從圖4至圖6絮凝劑用量對比試驗中發現,尾礦沉降速度均隨著三種絮凝劑添加量的增加而加快,這從圖3中試驗現象的觀察也可得到驗證,即隨絮凝劑添加量的增加,現場觀察到尾礦形成的絮團也明顯增大,絮團下沉速度及液面澄清速度也越快,沉降過程進行的也越快,且在同一時刻,尾礦沉降層壓縮的越密實,濃度也越高。

針對圖4中A345絮凝劑試驗結果展開分析,當用量從15 g/t增加至21 g/t時,尾礦沉降速度隨用量增加逐步提升,且提升幅度較大,繼續增加用量至24 g/t時,沉降速度雖有加快,但提升幅度已不太明顯。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑A345在現有尾礦條件下,用量選擇21 g/t比較合適,此時沉降層尾礦濃度31.88%,滿足生產要求。

同時,針對圖5中現場絮凝劑A556試驗結果展開分析可知,當用量從15 g/t增加至18 g/t時,尾礦沉降速度有大幅提升,繼續增加用量至21 g/t、24 g/t時,沉降速度雖有加快,但提升幅度減緩,速度差異已不太明顯。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑A556在現有尾礦條件下,用量選擇18 g/t是比較合適的,這與現場生產應用情況相吻合,但若尾礦條件發生變化,可考慮適當增加用量。此時沉降層尾礦濃度31.59%,滿足生產要求。

針對圖6中YD-6絮凝劑試驗結果展開分析,當用量從15 g/t增加至18 g/t時,尾礦沉降速度隨用量增加逐步提升,且提升幅度較大,繼續增加用量至21 g/t、24 g/t時,沉降速度雖有加快,但速度增加幅度已不大,相比A556更小。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑YD-6在現有尾礦條件下,用量選擇18 g/t比較合適,此時沉降層尾礦濃度31.98%,滿足生產要求。

4.5 最佳絮凝劑及其用量選擇

將A345、A556、YD-6三種絮凝劑最佳用量21 g/t、18 g/t、18 g/t進行比較,對比試驗結果如圖7 所示。

圖7 A345、A556、YD-6絮凝劑最佳用量對比

由圖7可見,三條曲線重合度比較高,說明選出的三種絮凝劑在最佳用量時,沉降效果比較接近,與現場A556絮凝劑相比,在同一時刻沉降速度和最終沉降層尾礦濃度都相差不大。但深入對比分析,還是存在些許差異,在相同用量條件下,YD-6絮凝劑沉降效果還是略優于現場A556絮凝劑;A345絮凝劑沉降效果也略優于現場A556絮凝劑,但A345絮凝劑用量要高。

5 生產成本比較

將A345、A556、YD-6三種絮凝劑試驗及成本指標進行綜合對比,對比結果見表4。

表4 不同種類絮凝劑最佳用量試驗及成本指標對比結果

由表4可知,雖然絮凝劑A345采購單價低,但單耗高,單位生產成本為0.252元/t尾礦,絮凝劑A556、YD-6雖然單耗相同,但YD-6采購單價略低,兩者的單位生產成本分別為0.243元/t尾礦、0.234元/t尾礦,可見絮凝劑YD-6的單位生產成本更低。綜合考慮絮凝劑試驗效果和生產成本消耗,優先推薦選擇YD-6絮凝劑,生產用量為18 g/t。

6 結論

(1)銅綠山礦尾礦粒級分布總體偏細,自然沉降速度緩慢,要保證生產中溢流水澄清,并提高濃密機底流濃度,必須添加絮凝劑來加速沉降過程。

(2)五種絮凝劑中A556、YD-6、JC-186三種在水中溶解情況基本相近,對溫度的適應性更好。而A345、3660DF在低溫條件下溶解情況相比其它三種要差,溶解速度偏慢。

(3)在18 g/t用量條件下,五種絮凝劑尾礦沉降速度快慢順序為:YD-6>A556>A345>JC186>3660DF,且沉降速度快的,其沉降層尾礦越密實,濃度也越高。

(4)選取沉降效果較好的A345、A556、YD-6三種絮凝劑,尾礦沉降速度均隨著其添加量的增加而加快,經過對比分析,在現有尾礦條件下,綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,A345用量選擇21 g/t比較合適,A556、YD-6用量選擇18 g/t比較合適,且三種絮凝劑在最佳用量時,沉降效果比較接近,絮凝劑A345和YD-6沉降效果略優于現場A556絮凝劑。

(5)綜合考慮絮凝劑試驗效果和生產成本消耗,優先推薦選擇YD-6絮凝劑,生產用量為18 g/t。