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(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008)

在碎石生產(chǎn)工藝中不可避免地要產(chǎn)生部分細(xì)顆粒，其中-0.074 mm的微細(xì)粉一方面容易形成揚(yáng)塵、污染生產(chǎn)生活環(huán)境；另一方面，黏附在骨料上的粉體還會(huì)降低骨料品質(zhì)。新開元碎石有限公司(以下簡(jiǎn)稱“新開元”)1998年建成投產(chǎn)，年產(chǎn)碎石產(chǎn)品400多萬t，采用濕法生產(chǎn)工藝，粉塵污染少、骨料質(zhì)量高。2013年之前，生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的泥砂懸浮液采用螺旋分級(jí)機(jī)回收粗砂，螺旋分級(jí)機(jī)的溢流進(jìn)入簡(jiǎn)易沉淀池，沉淀池中的淤積物排入尾礦坑。根據(jù)2013年投入的固液分離車間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，螺旋分級(jí)機(jī)的溢流中存在大量的細(xì)砂資源，這不僅浪費(fèi)了大量的細(xì)砂資源，而且對(duì)礦山及周邊環(huán)境也存在一定的危害，對(duì)尾礦坑中的細(xì)砂資源進(jìn)行回收，可以提高資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，細(xì)粒分級(jí)設(shè)備主要有三大類：篩分設(shè)備、水力分級(jí)設(shè)備和離心分級(jí)設(shè)備[1-8]。篩分設(shè)備主要包括德瑞克高頻振動(dòng)篩、Pansep篩分機(jī)、弧形篩及MVS系列電磁高頻振網(wǎng)篩，篩分分級(jí)方法分級(jí)精度高，但篩網(wǎng)易堵塞，磨損嚴(yán)重，維修率高，對(duì)細(xì)粒物料分級(jí)效率較低，一般用于分級(jí)0.2 mm以上的物料；水力分級(jí)設(shè)備主要包括機(jī)械分級(jí)機(jī)、圓錐分級(jí)機(jī)、箱式和槽式水力分級(jí)機(jī)及錯(cuò)流式分級(jí)機(jī)，水力分級(jí)方法按沉降速度差異分級(jí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，處理量大，但占地面積大，分級(jí)效率不高；離心分級(jí)設(shè)備主要包括水力旋流器和離心分級(jí)機(jī)，該方法按徑向速度差進(jìn)行分級(jí)，占地面積小、處理量大、分級(jí)效率高，但能耗高、維修量較大。本文進(jìn)行了尾礦坑細(xì)砂資源估算及螺旋分選機(jī)和水力旋流器分級(jí)回收細(xì)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(hào)采坑和2號(hào)采坑。兩個(gè)排放采坑總占地面積約5.33萬m2，總?cè)莘e約126.4萬m3。

尾礦排放坑中沉積物的多點(diǎn)采樣分析結(jié)果如圖1所示。沉積物中+0.045 mm部分的細(xì)砂含量平均58%左右，+0.074 mm部分的細(xì)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(xì)砂進(jìn)行回收，理論上回收量可達(dá)到淤積物的一半左右。

圖1 1號(hào)尾礦坑采樣點(diǎn)沉積物粒度分布

測(cè)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(dá)210萬t左右。根據(jù)新建固液分離車間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如果回收粒度控制在+0.045 mm，那么可回收的細(xì)砂量約為120萬t；回收粒度控制在+0.074 mm，可回收的細(xì)砂量約為90萬t。實(shí)施回收后，至少可騰出庫容50萬m3以上。

2 泥砂分級(jí)脫泥技術(shù)

根據(jù)相關(guān)分選、分級(jí)技術(shù)的特點(diǎn)，基于樣品的特征分析及實(shí)驗(yàn)室探索試驗(yàn)，從實(shí)現(xiàn)泥、砂高效低成本分離的角度，重點(diǎn)比較了螺旋分選機(jī)分級(jí)脫泥選砂方案和水力旋流器分級(jí)脫泥選砂方案[9-15]。

2.1 螺旋分選機(jī)脫泥選砂方案

螺旋分選機(jī)主要依靠顆粒的密度和質(zhì)量的差異實(shí)現(xiàn)分選，具有無運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)成本低、設(shè)備磨損率低等特點(diǎn)，主要用于高密度微細(xì)粒級(jí)礦物的分選和脫泥，但未見采用螺旋分選機(jī)進(jìn)行建筑泥砂分級(jí)的實(shí)踐報(bào)道。當(dāng)料漿中以粗顆粒為主時(shí)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(qiáng)度提高顆粒按粒級(jí)分離效果；當(dāng)料漿中主要是細(xì)粒級(jí)物料時(shí)，宜采用更為平緩的溜槽斷面[16]。螺旋脫泥試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 螺旋脫泥試驗(yàn)系統(tǒng)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(yè)分級(jí)試驗(yàn)選用的是螺距0.5 m、螺旋直徑為1.2 m、螺旋圈數(shù)為5圈的螺旋分選機(jī)。螺旋分選機(jī)分級(jí)后得到細(xì)砂和細(xì)泥為主的兩種懸浮液，利用半工業(yè)分選系統(tǒng)主要考查了流量、泥漿濃度對(duì)螺旋分選機(jī)分級(jí)脫泥效果的影響，并以砂含泥率(砂產(chǎn)品中的-0.045 mm含量)、泥含砂率和分級(jí)效率作為分級(jí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，分級(jí)效率通過漢考克綜合效率公式計(jì)算確定[17]。

螺旋分選機(jī)脫泥試驗(yàn)結(jié)果見表1。當(dāng)入料濃度為30%、入料流量為3 m3/h左右時(shí)，試驗(yàn)效果較好，砂含泥率為47.58%，泥含砂率為17.16%，分級(jí)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(shí)泥含砂率也將上升。在流量相對(duì)穩(wěn)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(dāng)?shù)慕档驮蠞{的濃度、提高入料流量對(duì)提高砂的品質(zhì)有利，但是分級(jí)效率會(huì)有所下降。

2.2 水力旋流器分級(jí)脫泥選砂方案

水力旋流器分級(jí)脫泥工藝在新開元現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中已成功實(shí)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(tǒng)中6個(gè)一組并聯(lián)配置，共設(shè)置兩組；根據(jù)固液分離中心運(yùn)行及管理經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

當(dāng)入料壓力為0.10 MPa時(shí)，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(xì)量有所增加，說明隨著入料壓力的增加，旋流器內(nèi)部流速加快，離心力加大，造成-0.045 mm顆粒進(jìn)入底流的概率增大，該條件下旋流器的分級(jí)效率為83.5%。

表1 螺旋分選機(jī)脫泥選砂試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 水力旋流器脫泥選砂試驗(yàn)結(jié)果

水力旋流器分級(jí)選砂方案見圖3。將尾礦坑回采的泥砂懸浮液適當(dāng)隔粗后用水力旋流器進(jìn)行分級(jí)、濃縮；旋流器底流采用高頻細(xì)篩脫水后獲得細(xì)砂產(chǎn)品；旋流器溢流經(jīng)濃縮處理，濃縮設(shè)備的澄清溢流水循環(huán)使用；濃縮設(shè)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(yàn)效果較好，能獲得較高的分級(jí)效率，對(duì)砂的品質(zhì)有保障作用，故確定了水力旋流器離心分級(jí)脫泥選砂的工藝方案。

圖3 水力旋流器分級(jí)選砂方案

3 尾礦坑淤積細(xì)砂的回采效益分析

1) 按每小時(shí)回采加工50 t淤積泥砂、細(xì)砂回收率58%，每年生產(chǎn)300 d、每天生產(chǎn)16 h計(jì)算，則每年可加工處理24萬t淤積物，可回收細(xì)砂資源13.92萬t。

2) 原料為歷史上的廢棄產(chǎn)物，原料成本按0元測(cè)算；根據(jù)新開元固液分離系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，固液分離車間的加工費(fèi)為6元/t，總加工費(fèi)144萬元；細(xì)砂售價(jià)35元/t，每年新增銷售收入490萬元；去除成本和加工費(fèi)，每年可新增利潤(rùn)340多萬元。

3) 隨著資源和環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大，獲取資源的難度和成本日益增加。通過對(duì)尾礦池廢棄資源的回采加工，每年可增加細(xì)砂產(chǎn)品14萬t，資源費(fèi)按3.6元/t計(jì)算，每年可減少資源購置費(fèi)損失50余萬元。

4) 通過對(duì)尾礦池廢棄資源的回采加工，相應(yīng)地減少了固廢排放14萬t/a，節(jié)約了固廢堆存空間、降低了二次污染隱患；細(xì)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(chǎn)條件。

4 結(jié) 論

1) 新開元兩個(gè)尾礦排放坑的總固體量超過200萬t，按照+0.045 mm進(jìn)行回收，可增加細(xì)砂量產(chǎn)品120萬t左右。

2) 螺旋分選機(jī)能耗小、易維護(hù)、成本低，在適宜的操作條件下具有一定的分級(jí)脫泥效果，但入料性質(zhì)對(duì)分級(jí)效果的影響較大，且單機(jī)處理量小，需要多組并聯(lián)以提高處理量。

3) 水力旋流器分級(jí)選砂技術(shù)工藝成熟，分級(jí)粒度易于調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)性比較強(qiáng)。

4) 采用旋流器分級(jí)選砂工藝，按照每小時(shí)50 t的回采加工能力，新開元每年可從尾礦坑中回收細(xì)砂14萬t，資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。