陳琴瑞, 朱學勝(.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 00038;.中鐵建銅冠投資有限公司, 安徽 銅陵 44000)
選礦廠排出的尾礦需輸送至尾礦庫進行堆存,尾礦輸送系統(tǒng)是保證礦山正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
隨著礦山規(guī)模往中、大型發(fā)展,采用傳統(tǒng)的低濃度輸送方式,耗能大,回水率低,不符合節(jié)能、節(jié)水的要求,還會污染環(huán)境,占用大量的土地資源。尾礦輸送的主要發(fā)展趨勢是采用高濃度進行輸送,以減少基建投資,降低運營成本,提高回水率。
確定尾礦輸送濃度是漿體管道輸送的核心,直接關(guān)系到尾礦輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、建設(shè)投資及運營成本。
某礦山位于南美洲厄瓜多爾,建設(shè)規(guī)模2 000萬t/a,服務(wù)年限約30年;項目所在地濕潤多雨,水資源豐富,氣溫全年基本穩(wěn)定,平均溫度為24℃;尾礦庫采用廢石尾礦聯(lián)合堆存技術(shù),尾礦壩采用礦山廢石下游式分期填筑,最大壩高260m,總庫容約為43 470×104m3,總筑壩工程量約為20 740×104m3。
該項目尾礦輸送工藝參數(shù)為:
①尾礦量:78 400t/d;
②尾礦密度:2.63t/m3;
③選礦廠排出的尾礦濃度:28%;
④尾礦粒度:-0.074mm占75%;
⑤輸送高差:210m;
⑥輸送距離:6 500m。
尾礦漿體輸送經(jīng)濟濃度的確定從尾礦堆存工藝、漿體流變特性、漿體輸送特性及裝機功率4個方面分別進行論述、計算和分析。
目前,尾礦堆存工藝主要有低濃度堆存、高濃度堆存、膏體堆存以及干式堆存等[1]。
低濃度堆存:濃度一般小于30%,選礦廠排出的尾礦不經(jīng)過濃縮,直接輸送至尾礦庫進行堆存。低濃度堆存的基建投資較低,是最為廣泛應(yīng)用的堆存工藝,但后期運營成本高,一般適用于小型選礦廠。
高濃度堆存:濃度一般小于60%,選礦廠排出的尾礦經(jīng)過高效濃密機或高密度濃密機進行濃縮。此種堆存方式基建投資較大,但后期運營成本較低,適用于大、中型選礦廠,不需尾礦筑壩的尾礦庫。
膏體堆存:濃度一般大于60%,達到膏體狀態(tài),選礦廠排出的尾礦經(jīng)過深錐濃密機進行濃縮。此種堆存方式基建投資較大,后期運行成本較高,適用于干旱缺水地區(qū)、不需尾礦筑壩的尾礦庫。
干式堆存:含水率一般小于20%,需要將濃縮后的尾礦再進行壓濾,通過汽車或皮帶進行輸送。此種堆存方式基建投資大,運營成本高,適用于小、中型選礦廠,干旱缺水地區(qū)。
該項目所在地降雨頻繁、水資源豐富,設(shè)計的尾礦庫采用礦山廢石下游式分期填筑,不需尾礦筑壩,原則上可采用任何濃度進行堆存。從降低尾礦輸送系統(tǒng)基建投資及運營成本考慮,設(shè)計采用高濃度進行輸送。
在水中加入尾礦顆粒增加了尾礦漿體的黏度,大多數(shù)情況下,會使尾礦漿體流型發(fā)生變化,從牛頓體轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥nD體。大量試驗結(jié)果表明,隨著尾礦漿體濃度的提高,多數(shù)表現(xiàn)出賓漢塑性體特性[2-3],其數(shù)學模型為
(1)
式中:τ——切應(yīng)力,Pa;
τB——屈服應(yīng)力,Pa;
η——剛度系數(shù),Pa·s。
漿體的流變特性(τB、η)是影響漿體管道輸送阻力的重要因素。而流變參數(shù)與漿體濃度密切相關(guān),一般隨著濃度提高呈指數(shù)規(guī)律增加。
本項目中尾礦漿體的流變參數(shù)見表1,屈服應(yīng)力、剛度系數(shù)隨濃度的變化曲線分別如圖1、圖2所示。
表1 尾礦漿體流變參數(shù)表
圖1 屈服應(yīng)力- 濃度曲線
圖2 剛度系數(shù)- 濃度曲線
從圖1、圖2可以看出,當尾礦濃度超過65%后,漿體的流變參數(shù)發(fā)生突變,上升特別快。而漿體輸送的水力坡降與流變參數(shù)密切相關(guān),因此尾礦輸送濃度不宜超過65%。
1)塌落度
在尾礦輸送試驗中,測定了尾礦漿體不同濃度的塌落度,具體如圖3所示。
圖3 尾礦漿體塌落度
從圖3可以看出,當尾礦濃度在60%左右時,物料具有非常好的流動性,適宜泵送;當濃度超過65%時,物料流動性變差;當濃度超過70%時,物料開始出現(xiàn)膏體特性。
2)漿體流態(tài)與水力坡降
在漿體管道輸送中,根據(jù)兩相流理論,按尾礦顆粒的懸浮狀況可劃分為均質(zhì)流、似均質(zhì)流、非均質(zhì)流;按水流的流態(tài)可劃分為層流輸送和紊流輸送。在設(shè)計中,要充分考慮固體顆粒懸浮及流態(tài)兩個方面的影響,預測不同管徑的漿體輸送參數(shù)。
過渡流速為層流過渡到紊流的流速,一般認為與漿體的流變特性相關(guān),而與管徑基本無關(guān)。對于賓漢塑性體漿體,過渡流速主要與屈服應(yīng)力τB有關(guān),根據(jù)瓦斯普分析[4],過渡流速可按式(2)進行計算
(2)
式中:ρm——漿體密度;
k——系數(shù),一般取19~22。
如果尾礦顆粒細,濃度高,黏度高,屈服應(yīng)力大,漿體在輸送過程中根本紊動不起來,同時也不會發(fā)生沉降分層,則可按層流輸送,即工作流速僅需小于過渡流速即可。如果尾礦顆粒粗,濃度低,黏度小,屈服應(yīng)力小,如按層流輸送就會發(fā)生沉降分層,進而造成堵管,則漿體需按紊流輸送,即工作流速需大于臨界流速。
根據(jù)相關(guān)公式[5],計算了尾礦漿體不同輸送濃度的工作流速、臨界流速、過渡流速及水力坡降,分析了漿體輸送流態(tài),詳見表2。根據(jù)表2繪制水力坡降與濃度的變化關(guān)系,具體如圖4所示。
表2 尾礦漿體不同濃度輸送參數(shù)表
圖4 水力坡降- 濃度曲線
從表2及圖4可以看出:
(1)漿體濃度在60%以下,屈服應(yīng)力小,過渡流速小,為紊流輸送;漿體濃度63%,屈服應(yīng)力大,過渡流速大,為層流輸送。從國內(nèi)外管道輸送設(shè)計及運行來看,紊流輸送更為可靠,除處于膏體狀態(tài)的漿體外,一般都按紊流進行設(shè)計。
(2)水力坡降隨著濃度的提高而增加,尤其是濃度超過60%后,會發(fā)生突變。
(3)從保證管道輸送安全及降低阻力損失的角度考慮,尾礦輸送濃度不宜超過60%,按紊流輸送設(shè)計。
尾礦輸送系統(tǒng)的裝機功率反映了尾礦輸送的運營成本。根據(jù)表2計算的水力坡降,計算尾礦漿體不同輸送濃度下所需的裝機功率,見表3。
從表3可以看出,裝機功率及管道內(nèi)徑隨著尾礦濃度的提高而降低,從降低尾礦輸送系統(tǒng)基建投資及運營成本角度考慮,尾礦輸送濃度宜為60%。
表3 尾礦漿體不同輸送濃度裝機功率計算表
綜上所述,綜合分析尾礦堆存工藝、漿體流變特性、漿體輸送特性及裝機功率等,最終確定尾礦輸送經(jīng)濟濃度為60%。
尾礦輸送濃度是漿體管道輸送的關(guān)鍵參數(shù),決定著尾礦輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、基建投資及運營成本。確定尾礦輸送濃度不僅需要進行相關(guān)輸送試驗研究,還需在試驗的基礎(chǔ)上綜合考慮尾礦堆存工藝、漿體特性、尾礦輸送關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)等,合理確定出既滿足工藝要求,又經(jīng)濟合理的輸送濃度。