尾矿坑淤存泥砂的高效分选回收研究

姚一帆，夏朝科，李伟明

(1.湖州新开元碎石有限公司，浙江 湖州 313022； 2.中国矿业大学低碳能源研究院，江苏 徐州 221008)

在碎石生产工艺中不可避免地要产生部分细颗粒，其中-0.074 mm的微细粉一方面容易形成扬尘、污染生产生活环境；另一方面，黏附在骨料上的粉体还会降低骨料品质。新开元碎石有限公司(以下简称“新开元”)1998年建成投产，年产碎石产品400多万t，采用湿法生产工艺，粉尘污染少、骨料质量高。2013年之前，生产系统中产生的泥砂悬浮液采用螺旋分级机回收粗砂，螺旋分级机的溢流进入简易沉淀池，沉淀池中的淤积物排入尾矿坑。根据2013年投入的固液分离车间的运行经验，螺旋分级机的溢流中存在大量的细砂资源，这不仅浪费了大量的细砂资源，而且对矿山及周边环境也存在一定的危害，对尾矿坑中的细砂资源进行回收，可以提高资源利用效率和经济效益。

目前，细粒分级设备主要有三大类：筛分设备、水力分级设备和离心分级设备[1-8]。筛分设备主要包括德瑞克高频振动筛、Pansep筛分机、弧形筛及MVS系列电磁高频振网筛，筛分分级方法分级精度高，但筛网易堵塞，磨损严重，维修率高，对细粒物料分级效率较低，一般用于分级0.2 mm以上的物料；水力分级设备主要包括机械分级机、圆锥分级机、箱式和槽式水力分级机及错流式分级机，水力分级方法按沉降速度差异分级，结构简单，运行费用低，处理量大，但占地面积大，分级效率不高；离心分级设备主要包括水力旋流器和离心分级机，该方法按径向速度差进行分级，占地面积小、处理量大、分级效率高，但能耗高、维修量较大。本文进行了尾矿坑细砂资源估算及螺旋分选机和水力旋流器分级回收细砂资源的方案比较。

1 尾矿坑淤积泥砂的资源量分析

新开元的泥砂沉积物主要集中在1号采坑和2号采坑。两个排放采坑总占地面积约5.33万m2，总容积约126.4万m3。

尾矿排放坑中沉积物的多点采样分析结果如图1所示。沉积物中+0.045 mm部分的细砂含量平均58%左右，+0.074 mm部分的细砂平均含量在42%左右；如果将大于0.045 mm或0.074 mm以上的细砂进行回收，理论上回收量可达到淤积物的一半左右。

图1 1号尾矿坑采样点沉积物粒度分布

测试分析表明，淤积物的堆密度为1 700～1 900 kg/m3，按1 700 kg/m3保守估算，尾矿排放坑中的总固体量达210万t左右。根据新建固液分离车间的运行经验，如果回收粒度控制在+0.045 mm，那么可回收的细砂量约为120万t；回收粒度控制在+0.074 mm，可回收的细砂量约为90万t。实施回收后，至少可腾出库容50万m3以上。

2 泥砂分级脱泥技术

根据相关分选、分级技术的特点，基于样品的特征分析及实验室探索试验，从实现泥、砂高效低成本分离的角度，重点比较了螺旋分选机分级脱泥选砂方案和水力旋流器分级脱泥选砂方案[9-15]。

2.1 螺旋分选机脱泥选砂方案

螺旋分选机主要依靠颗粒的密度和质量的差异实现分选，具有无运动部件、维护成本低、设备磨损率低等特点，主要用于高密度微细粒级矿物的分选和脱泥，但未见采用螺旋分选机进行建筑泥砂分级的实践报道。当料浆中以粗颗粒为主时适合采用纵向和横向倾斜角较大的坡角螺旋面，从而提高流膜的紊流强度提高颗粒按粒级分离效果；当料浆中主要是细粒级物料时，宜采用更为平缓的溜槽断面[16]。螺旋脱泥试验系统示意图见图2。

图2 螺旋脱泥试验系统图

由图1可知，尾矿池中的泥砂沉积物的中位粒径小于0.045 mm，半工业分级试验选用的是螺距0.5 m、螺旋直径为1.2 m、螺旋圈数为5圈的螺旋分选机。螺旋分选机分级后得到细砂和细泥为主的两种悬浮液，利用半工业分选系统主要考查了流量、泥浆浓度对螺旋分选机分级脱泥效果的影响，并以砂含泥率(砂产品中的-0.045 mm含量)、泥含砂率和分级效率作为分级效果评价指标，分级效率通过汉考克综合效率公式计算确定[17]。

螺旋分选机脱泥试验结果见表1。当入料浓度为30%、入料流量为3 m3/h左右时，试验效果较好，砂含泥率为47.58%，泥含砂率为17.16%，分级效率为39.42%。随着流量的增大，颗粒在流膜中按粒度分带逐渐明显，砂含泥率逐渐降低，同时泥含砂率也将上升。在流量相对稳定的情况下，随着原料浆中颗粒物浓度的降低，砂含泥率下降的幅度逐渐增大，泥含砂率逐渐降低，这说明适当的降低原料浆的浓度、提高入料流量对提高砂的品质有利，但是分级效率会有所下降。

2.2 水力旋流器分级脱泥选砂方案

水力旋流器分级脱泥工艺在新开元现有生产系统中已成功实施[17]。新开元固液分离中心采用直径250 mm、底流口直径75 mm、锥角20°的水力旋流器，在系统中6个一组并联配置，共设置两组；根据固液分离中心运行及管理经验，旋流器的入料浓度为12%～13%，选定0.08 MPa、0.10 MPa、0.12 MPa及0.14 MPa四种入料压力条件进行试验，试验结果见表2。

当入料压力为0.10 MPa时，旋流器溢流中，颗粒粒度小于0.045 mm的颗粒占95.2%，颗粒粒度大于0.045 mm的颗粒只有4.8%，溢流跑粗有所下降，但底流中夹细量有所增加，说明随着入料压力的增加，旋流器内部流速加快，离心力加大，造成-0.045 mm颗粒进入底流的概率增大，该条件下旋流器的分级效率为83.5%。

表1 螺旋分选机脱泥选砂试验结果汇总表

表2 水力旋流器脱泥选砂试验结果

水力旋流器分级选砂方案见图3。将尾矿坑回采的泥砂悬浮液适当隔粗后用水力旋流器进行分级、浓缩；旋流器底流采用高频细筛脱水后获得细砂产品；旋流器溢流经浓缩处理，浓缩设备的澄清溢流水循环使用；浓缩设备的底流排入尾泥池或压滤脱水后干堆或利用。

综合比较两种脱泥选砂方案，水力旋流器脱泥选砂方案试验效果较好，能获得较高的分级效率，对砂的品质有保障作用，故确定了水力旋流器离心分级脱泥选砂的工艺方案。

图3 水力旋流器分级选砂方案

3 尾矿坑淤积细砂的回采效益分析

1) 按每小时回采加工50 t淤积泥砂、细砂回收率58%，每年生产300 d、每天生产16 h计算，则每年可加工处理24万t淤积物，可回收细砂资源13.92万t。

2) 原料为历史上的废弃产物，原料成本按0元测算；根据新开元固液分离系统的实际运行情况，固液分离车间的加工费为6元/t，总加工费144万元；细砂售价35元/t，每年新增销售收入490万元；去除成本和加工费，每年可新增利润340多万元。

3) 随着资源和环境保护力度的不断加大，获取资源的难度和成本日益增加。通过对尾矿池废弃资源的回采加工，每年可增加细砂产品14万t，资源费按3.6元/t计算，每年可减少资源购置费损失50余万元。

4) 通过对尾矿池废弃资源的回采加工，相应地减少了固废排放14万t/a，节约了固废堆存空间、降低了二次污染隐患；细砂资源的回收还可每年腾换出尾矿池容积8万多立方米，有助于改善生产条件。

4 结 论

1) 新开元两个尾矿排放坑的总固体量超过200万t，按照+0.045 mm进行回收，可增加细砂量产品120万t左右。

2) 螺旋分选机能耗小、易维护、成本低，在适宜的操作条件下具有一定的分级脱泥效果，但入料性质对分级效果的影响较大，且单机处理量小，需要多组并联以提高处理量。

3) 水力旋流器分级选砂技术工艺成熟，分级粒度易于调节，工艺适应性比较强。

4) 采用旋流器分级选砂工艺，按照每小时50 t的回采加工能力，新开元每年可从尾矿坑中回收细砂14万t，资源、环境、经济及社会效益显著。