汪建新 張艷萍 郭喜平 孫歡慶

(內(nèi)蒙古宏盛美亞科技環(huán)保設(shè)備有限公司)

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·礦物加工工程·

鐵精粉尾礦干排技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

汪建新 張艷萍 郭喜平 孫歡慶

(內(nèi)蒙古宏盛美亞科技環(huán)保設(shè)備有限公司)

對近幾年國內(nèi)外尾礦干排技術(shù)進行了綜述性的研究，分析了尾礦干排的優(yōu)點，總結(jié)了國內(nèi)外尾礦干排技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；論述了國內(nèi)幾種尾礦干排技術(shù)的脫水工藝，對尾礦干排所使用的新型設(shè)備及其性能特征進行了介紹；簡述了部分尾礦干排的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了尾礦干排目前存在的問題，預測并展望了尾礦干排技術(shù)的應(yīng)用前景。

尾礦干排 脫水技術(shù) 脫水設(shè)備

鐵精粉生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的尾礦濕排是以礦漿的形式排放到尾礦庫中，由于含水量大，尾礦庫相當于一個高勢能的危險源，一旦發(fā)生潰壩或暴庫，將會對人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重損害。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了多起尾礦安全事故，國家對此十分重視，因此尾礦干排技術(shù)得到了較快發(fā)展。

尾礦干排技術(shù)就是將選礦廠輸出的尾礦泥漿經(jīng)多級濃縮后，在經(jīng)脫水振動篩等高效脫水設(shè)備處理，形成含水小、易于運輸和堆放的礦渣[1]。因此尾礦干排的核心是脫水技術(shù)，是基于過濾、重力沉降、離心沉降基本原理形成的脫水工藝。尾礦干排在消除傳統(tǒng)濕排方式中尾礦庫潰壩威脅的同時，也解決了水資源浪費的問題，并且減少了建礦總投資，為保護環(huán)境和尾礦資源綜合利用提供了便利。

1 尾礦干排技術(shù)的意義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 尾礦干排技術(shù)應(yīng)用的意義

尾礦干排技術(shù)有重大意義，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)可以控制和減少安全隱患。傳統(tǒng)尾礦濕排所用的尾礦庫含水量高，穩(wěn)定系數(shù)低，易發(fā)生潰壩或暴庫事故。采用尾礦干排后，尾礦庫含水量大大減少，從而提高尾礦庫的穩(wěn)定系數(shù)，減少事故的發(fā)生。

(2)可以節(jié)約資源，降低尾礦運行和管理成本。應(yīng)用尾礦干排技術(shù)后，可使尾礦回水率達75%，對于高原干旱地區(qū)，尾礦干排技術(shù)有效地解決了水資源浪費問題[2]。另外，尾礦庫建立需要占用大面積的土地或農(nóng)田，進行尾礦干排后可大大節(jié)省尾礦堆放空間，同時減少尾礦庫的建設(shè)、維護和運行資金。

(3)減少污染。尾礦泥漿中含有重金屬離子、化學藥劑等污染物質(zhì)，采用尾礦濕排時，這些有害物質(zhì)會隨水體進入地下，導致地下水源被污染以及植被生態(tài)平衡被破壞。

由此可見，推廣尾礦干排技術(shù)，對企業(yè)安全運行、資源利用和環(huán)境保護有重要意義。

1.2 尾礦干排技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1973年，加拿大Ontario省的Kidd Creek礦山首次采用尾礦干排這種新型的尾礦處理技術(shù)，并且建成了世界上第一座濃縮尾礦庫。自此，國外越來越多的礦山開始采用尾礦干排工藝，如俄羅斯的Kubaka礦山、加拿大的Ekati Diamond礦山、坦桑尼亞的Bulyan hulu礦山等[3]。自20世紀90年代后，世界各國對尾礦干排給予了更多重視，越來越多的學者和科研工作者開始研究尾礦干排技術(shù)。其中，美國對尾礦干排技術(shù)的研究成果最多，加拿大次之，因為這兩個發(fā)達國家可為尾礦干排研究提供雄厚的經(jīng)濟支持，進而推動尾礦干排技術(shù)、工藝的研究進展。

我國于20世紀70年代開始對尾礦干排技術(shù)進行研究，經(jīng)過20多年才真正地把尾礦干排應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中。山東歸來莊金礦和北京市京都黃金冶煉廠是較早應(yīng)用尾礦干排技術(shù)的企業(yè)，并且均取得了較好的經(jīng)濟效益[4]。然而與美國、加拿大相比，我國的尾礦干排技術(shù)研究仍有較大差距，不過依然取得了一定的研究成果，并且近幾年發(fā)展迅速。尤其是2008年之后，隨著脫水工藝及設(shè)備的不斷改進和完善，尾礦干排技術(shù)呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展趨勢，應(yīng)用也越來越廣泛。

通過對國內(nèi)和國外尾礦干排技術(shù)研究現(xiàn)狀的對比分析，可發(fā)現(xiàn)以下共同點：①都屬于一種新型的尾礦處理技術(shù)，且應(yīng)用到部分礦山中；②相對于傳統(tǒng)的尾礦濕排有很多優(yōu)勢；均面臨著成本高的問題。但是，由于不同國家的地理、氣候、綜合實力不同，對尾礦干排的研究應(yīng)用也不同，主要存在以下區(qū)別：①應(yīng)用范圍不同，在國內(nèi)尾礦干排主要應(yīng)用在鐵礦、金礦、少數(shù)銅礦中；在國外，不僅應(yīng)用在鐵礦、金礦、銅礦中，還應(yīng)用在鋁冶煉廠、油砂礦、鈾礦中。②研究范圍不同，在國內(nèi)重點對尾礦干排的實際應(yīng)用進行研究，不斷優(yōu)化脫水工藝及改進脫水設(shè)備；在國外不僅研究尾礦干排的實際應(yīng)用，還開展了一些基礎(chǔ)性研究：如尾礦庫的穩(wěn)定性研究，對某種尾礦的脫水性能研究，尾礦干排設(shè)計時需要考慮的因素等。

2 尾礦干排技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 尾礦干排技術(shù)的脫水工藝

尾礦干排技術(shù)與傳統(tǒng)的尾礦濕排技術(shù)相比，區(qū)別在于尾礦的含水量不同，因此脫水工藝是尾礦干排技術(shù)的關(guān)鍵。尾礦脫水實質(zhì)是將固液兩相分離，主要有利用濾網(wǎng)實現(xiàn)的過濾方式、基于重力沉降的濃縮方式、基于離心沉降原理的分級方式，根據(jù)這些不同的方式及組合可分為3種基本脫水工藝。

(1)只采用過濾脫水，所用到的設(shè)備有過濾機或壓濾機(見圖1)。尾礦泥漿經(jīng)過濾機或壓濾機后，濾液直接作為回水利用，濾餅運輸至干堆場存放。該工藝配置簡單、技術(shù)成熟，已在礦山工業(yè)中廣泛應(yīng)用，如山東歸來莊金礦、大安河金礦、云南鎮(zhèn)沅金礦、連寧排山樓金礦、甘肅天水子金礦、哈密市金礦等。

圖1 過濾脫水工藝

(2)濃縮—過濾脫水工藝，所用到的設(shè)備主要有濃密機、過濾機或壓濾機(見圖2)。尾礦泥漿通過濃密機濃縮，溢流部分直接回水利用，底流部分經(jīng)過濾機或壓濾機過濾，可使尾礦含水量小于10%[5]。這種脫水工藝配置相對簡單，技術(shù)成熟、安全性好、應(yīng)用廣泛。近年來，壓濾機已經(jīng)從半自動化發(fā)展到全自動化，成為一種較完善的過濾設(shè)備，一定程度上提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更大的效益。

圖2 尾礦濃縮—過濾脫水工藝

(3)分級—濃縮—過濾脫水工藝，所用到的設(shè)備主要有旋流器、濃密機、過濾機或壓濾機(見圖3)。有些企業(yè)在濃縮時尾礦顆粒分布不均勻，微細顆粒偏多，就會導致濃密機溢流水渾濁，并且底流濃度偏低，此時若在濃縮前利用旋流器分級，使粗細顆粒尾礦分離，可起到快速濃縮作用，提高濃密機濃縮效果。與濃縮—過濾脫水工藝相比，這種工藝只增加了旋流器，卻可大大提高濃密機的處理能力，減輕濃密機負荷，同時可獲得含水率在15%以下的尾礦礦渣，經(jīng)濟效益十分可觀。

圖3 分級—濃縮—過濾脫水工藝

目前，興起了一種新型脫水工藝，在第3種工藝的基礎(chǔ)上加入高頻脫水篩(見圖4)。尾礦經(jīng)過旋流器分級，底流粗顆粒尾礦到達高頻脫水篩，經(jīng)過高頻脫水篩再次脫水后使含水量小于16%；經(jīng)過旋流器的低濃度溢流液再經(jīng)過濃密機及壓濾機脫水。這種工藝適用于-0.037 mm粒級含量95%以內(nèi)的所有礦種且脫水率高，但是工藝相對復雜，設(shè)備投入較大，生產(chǎn)運營成本高[6]。

圖4 新型尾礦干排系統(tǒng)的工藝流程

2.2 尾礦干排技術(shù)的主要設(shè)備

2.2.1 分級設(shè)備

分級設(shè)備有旋流器、斜板分級機、螺旋分級機等，旋流器是主要的分級設(shè)備，利用離心沉降原理將尾礦泥漿中的固體和液體進行分離。旋流器和斜板分級機主要用于細粒級分級，螺旋分級機用于中粗粒級的尾礦泥漿分級。經(jīng)過不斷對旋流器的改進升級，使之成為新型高效旋流器(見圖5)，且主要采用以下新技術(shù)[7]：

圖5 新型高效旋流器構(gòu)造

(1)上部采用虹吸裝置。通過虹吸管閥使少量空氣進入旋流器內(nèi)，中部的吸力發(fā)生變化，從而帶動底部魚尾裝置的橡膠片收縮或關(guān)閉，實現(xiàn)底流濃度的變化。

(2)進料體機構(gòu)優(yōu)化。傳統(tǒng)旋流器進料體機構(gòu)是漸開線式的，新型旋流器采用蝸殼式預分級進料體，減少了粗顆粒級進入溢流部分的概率，降低了尾礦泥漿的紊流。

(3)柱段長度優(yōu)化設(shè)計。尾礦顆粒在旋流器內(nèi)沉降時間會受到柱段長度的影響，合理的柱段長度既能保證尾礦顆粒沉降效果，又能提高沉降效率。

(4)錐體機構(gòu)優(yōu)化。多級錐體結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單一錐體結(jié)構(gòu)，一級錐體角度較大，能提供較大離心力，顯著提高底流的濃度，二級錐體角度較小，再次提高底流濃度?？傊嗉夊F體結(jié)構(gòu)大大提高了離心沉降效果和底流產(chǎn)率。

(5)底部采用魚尾裝置。魚尾裝置使尾礦泥漿濃度和壓力在一定范圍內(nèi)波動從而使旋流器溢流細度和底流濃度保持穩(wěn)定。

2.2.2 濃縮設(shè)備

濃密機是基于重力沉降作用的固液分離設(shè)備，主要有普通圓型濃密機、斜管濃密機、斜板濃密機和高效濃密機。為了進一步提高濃縮效果，目前已研發(fā)出一種高效深錐多錐濃密機(見圖6)。高效深錐多錐濃密機主要濃縮經(jīng)過旋流器處理的溢流部分，由于這部分溢流水濃度較低，所以這種新型濃密機在結(jié)構(gòu)上做了優(yōu)化設(shè)計，使其濃縮效果更好、效率更高。

圖6 高效深錐多錐濃密機

濃密機由上而下分為澄清區(qū)、沉降區(qū)、壓縮區(qū)3個區(qū)，高效深錐多錐濃密機在中部的沉降區(qū)安裝了大量的傾斜板。首先傾斜板大大增加了整體的沉降面積，提高了底流濃度；其次這些傾斜板有效地阻止了細顆粒物上浮，使得溢流水更加清澈。高效深錐多錐濃密機在下部壓縮區(qū)采用了深錐和多錐結(jié)構(gòu)，大錐角的深錐有效地增加了壓縮區(qū)的空間，當?shù)V漿進入壓縮區(qū)后經(jīng)過不斷地沉降壓縮，能夠更好地保證底流濃度，提高整個脫水工藝的脫水率。多錐的機構(gòu)設(shè)計不僅提高了底流的濃度，而且可大大降低槽體的高度，節(jié)省占地空間。

一般情況下，濃密機可將10%左右的尾礦泥漿濃縮為55%左右的底流礦漿，而高效深錐多錐濃密機可將尾礦的底流濃度濃縮到65%以上，有效地提高了尾礦干排工藝的脫水率[8]。而且高效深錐多錐濃密機脫水效果好，溢流水清澈，可返回選礦廠再次利用，對于缺水地區(qū)的礦山開發(fā)有著非常重要的意義。

2.2.3 脫水設(shè)備

過濾設(shè)備主要有過濾機、壓濾機和脫水篩。過濾機按照不同過濾推動力方式可分為重力過濾機、陶瓷過濾機和真空過濾機，壓濾機按照結(jié)構(gòu)不同可分為板式壓濾機、立式壓濾機、廂式壓濾機。為了不斷優(yōu)化脫水工藝，目前已研究出許多新型脫水設(shè)備，高效多頻脫水篩就是其中一種，且應(yīng)用比較廣泛。適合處理細粒礦物，且處理量大，脫水充分，技術(shù)經(jīng)濟效果顯著。

高效多頻脫水篩的篩板主要部分在水平方向上向上偏，篩板的尾部與主板成45°角，有利于提高物料出料和脫水速度，2個振動電機水平安裝，旋轉(zhuǎn)時不平衡的重力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)效果使篩子的工作非常穩(wěn)定。側(cè)板采用抗磨性能顯著的耐磨膠板，保證篩框不受磨損破壞。采用橡膠減振柱，更適合潮濕環(huán)境。采用嵌入式耐磨聚氨酯組合網(wǎng)，易于安裝且局部更換。多頻不僅有助于從上到下形成較厚的過濾層，而且有助于濾液水穿過過濾層而排掉，同時也促進濾餅向前移動。

3 尾礦干排技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 在金礦采選中的應(yīng)用

我國最早應(yīng)用尾礦干排技術(shù)的領(lǐng)域是在金礦的采選中，即山東歸來莊金礦在1994年啟用的尾礦干排系統(tǒng)，此應(yīng)用有效地緩解了企業(yè)與地方爭水、爭地的問題，每年節(jié)省246.34萬元。遼寧排山樓金礦于1996年建成2 000 t/d選礦廠，采用4臺板框壓濾機進行尾礦干排，節(jié)省了大量水資源，減少了污水排放，且每年可增效益498.04萬元[9]。2009年，云南鎮(zhèn)沅金礦由于原尾礦庫多次出現(xiàn)潰壩險情，且含有氰離子的尾礦水超標排放而采用尾礦干排技術(shù)，自此提高了尾礦庫的安全程度，減少了預計防洪、防污染投入。采用尾礦干排技術(shù)的還有北京市京都黃金冶煉廠、大安河金礦、哈密市金礦、新疆阿希金礦、內(nèi)蒙古撰山子金礦、赤峰柴胡欄子金礦、天昊黃金選礦廠、遼寧天利金業(yè)有限責任公司、遼寧黃金礦業(yè)有限責任公司、甘肅省天水李子金礦等，均取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

3.2 在鐵礦采選中的應(yīng)用

山東金嶺鐵礦之前運行的尾礦庫與井下采空區(qū)聯(lián)通，危險性大且回水率低，在2002年采用尾礦干排工藝后，增加三、四坑礦尾礦庫庫容，年獲經(jīng)濟效益52萬元。鞍礦風水溝尾礦庫存在塌壩的潛在危險，自采用尾礦干排技術(shù)后，增加尾礦庫庫容，且節(jié)省土地征用費17.6億元。河北、內(nèi)蒙古、山西等地的鐵礦廠也多應(yīng)用尾礦干排技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟效益。

3.3 在其他礦廠中的應(yīng)用

尾礦干排技術(shù)還應(yīng)用于銅礦及其他礦廠中。東川湯丹銅礦由于尾礦庫所在地老蔣家溝地震烈度為9級，傳統(tǒng)堆壩法不經(jīng)濟、不安全，采用尾礦干排技術(shù)能避免壩體震動液化問題，比傳統(tǒng)尾礦濕排更安全、更經(jīng)濟。湖北三寧化工股份有限公司磷礦選礦廠由于難以找到合適的庫址，于2009年采用尾礦干排技術(shù)，解決了征地難的問題。豐寧鑫源礦業(yè)是鉬礦，在2010年開始實施尾礦干排工藝，提高了壩體穩(wěn)定性、安全性，增加了尾礦庫服務(wù)年限，有效地落實了節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能減排計劃。由此可見，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尾礦干排技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。

4 尾礦干排技術(shù)存在的問題及發(fā)展前景

4.1 尾礦干排技術(shù)存在的問題

盡管尾礦干排技術(shù)發(fā)展速度很快，并且已應(yīng)用到礦山、冶煉廠、化工廠，但是應(yīng)用范圍還具有一定的局限性，并且在技術(shù)和管理方面依然存在一定問題。

4.1.1 技術(shù)問題

(1)與尾礦濕排技術(shù)相比，尾礦干排工藝較為復雜且脫水成本高，如何進一步優(yōu)化尾礦干排工藝是目前研究的主要問題。

(2)尾礦干排應(yīng)用存在一定局限性，如何應(yīng)用到不同工業(yè)化工領(lǐng)域，使得應(yīng)用更加廣泛，是非常值得研究的問題。

(3)缺乏對多雨地區(qū)尾礦干排技術(shù)的研究，使得在多雨環(huán)境中應(yīng)用存在局限性。

(4)在目前研究中，沒有制定尾礦干排技術(shù)的設(shè)計規(guī)范及標準。

(5)尾礦干排后礦渣容易揚塵，對環(huán)境造成污染，目前沒有合理解決尾礦干排對環(huán)境造成的二次污染問題。

4.1.2 管理問題

目前，尾礦干排的現(xiàn)場管理是參照適用于傳統(tǒng)尾礦濕排的安全管理條例實施的，而尾礦干排并不同于尾礦濕排，因此尾礦干排需要一些特殊的安全管理條例來指導企業(yè)的生產(chǎn)運營，保證企業(yè)以及工作人員的生命財產(chǎn)安全。因此，制定一套尾礦干排安全管理條例是科研工作者和生產(chǎn)工作者以及政府管理部門急需解決的問題。

4.2 尾礦干排技術(shù)的發(fā)展前景

雖然尾礦干排技術(shù)存在很多不足，但隨著相應(yīng)的政策、規(guī)范、設(shè)備完善，仍有較大的發(fā)展空間，主要有以下幾點：

(1)成本更低，經(jīng)濟效益更好。脫水工藝將越來越高效化，并且將朝著簡單化方向發(fā)展，使脫水過程更加方便可操作。脫水設(shè)備向自動化、智能化方向發(fā)展，應(yīng)用PLC使設(shè)備實現(xiàn)自動化。尾礦干排與尾礦綜合利用將緊密結(jié)合，目前已研發(fā)的某些脫水設(shè)備將尾礦中粗顆粒分離用于工程用沙，充分實現(xiàn)尾礦的資源化利用。

(2)應(yīng)用更加廣泛。為了響應(yīng)政府和社會提倡安全和環(huán)保的號召，越來越多的企業(yè)將把尾礦干排技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中。隨著尾礦干排技術(shù)越來越成熟，將會應(yīng)用在更多不同礦物的采選中，不再局限于金礦、鐵礦、銅礦，并且隨著對多雨地區(qū)尾礦干排礦渣防護措施的進一步研究，尾礦干排技術(shù)將逐漸應(yīng)用在南方多雨地區(qū)，不再局限于少雨的環(huán)境。

(3)應(yīng)用更加安全。隨著尾礦干排技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)的尾礦干排技術(shù)的設(shè)計規(guī)范和安全管理規(guī)范將得到完善及健全，使得企業(yè)在生產(chǎn)實踐中做到有法可依、有章可循、安全得到保障。

5 結(jié) 論

(1)通過對國內(nèi)外有關(guān)尾礦干排技術(shù)文獻的分析和總結(jié)，可知尾礦干排是一種新的尾礦處理技術(shù)，雖然發(fā)展歷史不長，但發(fā)展迅速，應(yīng)用與日俱增。

(2)脫水工藝是尾礦干排的關(guān)鍵技術(shù)，目前除了常用的三大脫水工藝外，新型脫水工藝開始興起。脫水設(shè)備種類繁多且不斷優(yōu)化，應(yīng)用將更加高效、智能、方便。

(3)目前尾礦干排工藝面臨著一些技術(shù)問題和管理問題，例如脫水成本高、應(yīng)用范圍有限、無設(shè)計管理規(guī)范等問題，在今后的研究中應(yīng)主要解決這些問題，盡量減少企業(yè)運營成本，為建設(shè)和諧社會做出貢獻。

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Development Progress and Applications of Iron Concentrate Powder Tailings Dry Disposal Technology

Wang Jianxin Zhang Yanping Guo Xiping Sun Huanqing

(Inner Mongolia Hongshengmeiya Science and Technology Environmental Protection Equipment Co. Ltd.)

Summarize the research on tailings dry disposal both at home and abroad in recent years. Advantages of tailings dry disposal technology were analyzed. Summarize the current development status of tailings dry disposal both at home and abroad. Discuss some kinds of dehydration technology in tailings dry disposal technology. Introduce the performance characteristic of new equipment used in tailings dry disposal technology. Application status of tailings dry disposal was briefly stated. Problems of tailings dry disposal at present were analyzed. Forecast application prospect of tailings dry disposal technology.

Tailings dry disposal, Dehydration technology, Dewatering equipment

2016-10-27)

汪建新(1962—)，男，教授，工學博士，碩士研究生導師，014010 內(nèi)蒙古包頭昆區(qū)阿爾丁大街7號。