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选矿尾矿处理的研究进展

发布时间:2019-04-26 浏览数:35

尾矿处理是矿山生产的重要环节,也是选矿厂建设和运营的重要组成部分。近年来,迫于环境和安全的压力,改革传统的尾矿地表堆存处理方法存在的环境、安全和占用土地等诸多问题,不断开发安全、高效的尾矿处理新技术,逐步得到了工业化应用。本文重点对近年来国内外在尾矿高效脱水、全尾充填采空区、膏体尾矿干式堆存等方面的研究和生产概况进行分析。

尾矿高效脱水技术

尾矿浓缩脱水是尾矿处理的重要环节,通常采用的尾矿脱水方法为重力沉降法(或加絮凝剂的重力沉降法),由于重力沉降法的颗粒沉降速度低、传统重力沉降设备结构方面的原因,造成重力沉降法的浓缩效率低、产物浓度低。针对传统的重力沉降法存在的问题,近年来国内外在提高尾矿浓缩效率和提高尾矿浓度方面进行了广泛的探索,从提高脱水速度、降低作业费用角度,开发了一些尾矿浓缩的新工艺和新装备。其中,有代表性的尾矿浓缩技术有:水力旋流器离心沉降与重力沉降相结合的联合浓缩流程、新型高效重力脱水设备的研制以及尾矿压滤技术的应用。

一、以水力旋流器为核心的联合浓缩流程

水力旋流器作为一种利用离心力强化固液分离的设备,在尾矿浓缩脱水方面表现出一些特殊的优势,其结构简单、造价低、占地面积小、处理能力大、底流浓度高。然而,仅采用水力旋流器难以得到澄清的溢流。而采用重力沉降和离心沉降相结合的方法能够综合二者的优越性,既可提高浓缩脱水的速度和效率,又能保证澄清的溢流。采用这种方法的主要有水力旋流器-浓密机串联流程、水力旋流器-浓密机闭路流程,前者主要用于提高尾矿浓缩效率,后者可以获得高浓度浓缩产物。

(一)水力旋流器-浓密机串联流程。该流程的特点是选矿厂尾矿首先经过一段旋流器获得高浓度底流;旋流器溢流经常规浓密机进行细粒的澄清浓缩,从而获得细粒浓缩产物和澄清的溢流。这一方面能大大减轻浓密机处理能力的压力、避免浓密机跑浑,同时可获得高浓度尾矿、提高尾矿浓缩系统的处理能力,在整体上提高了尾矿浓缩脱水效率,这种工艺称为“尾矿快速脱水技术”。该流程充分利用尾矿中不同颗粒沉降速度的差异而采用不同的浓缩设备,大大提高了尾矿浓缩效率,在选矿厂浓密机改造和新选厂设计中均具有推广应用潜力;用于选矿厂尾矿浓缩改造,能够克服浓密机溢流跑浑、大大减轻浓密机处理量的压力,有利于提高浓缩产物的浓度;用于新建选矿厂可以减小浓密机的直径,提高尾矿浓度。从已有研究报道和工业实践来看,一段旋流器底流浓度可以达到60%~70%以上,旋流器浓缩产物粒度下限可以达到19~37μm,系统给料浓度在10%~20%,尾矿综合浓缩可以达到45%~50%以上。

(二)旋流器-浓密机闭路浓缩流程。该流程由水力旋流器、分泥斗和浓密机组成闭路流程。选矿厂尾矿给入水力旋流器产出两种产品,沉砂送分泥斗进行脱泥,旋流器溢流与分泥斗的溢流一起送浓密机处理。在浓密机中加入絮凝剂,可得到澄清的溢流和较稀的沉砂。浓密机的沉砂返回至旋流器给矿,经旋流器进一步提高浓度,系统最终浓缩产物为分泥斗排出的高浓度沉砂和浓密机排出的澄清溢流。实验结果表明,对于-44μm占80%的选矿尾矿,当选矿厂尾矿浓度为28%的条件下,采用上述流程可以获得浓度为77%~78%的最终浓缩产物,适用于作为采空区充填料使用。如果旋流器底流不经过分泥斗脱泥浓缩,其浓度也可以达到63%以上。由于大部分尾矿已经通过第一段旋流器而得到分离,所以浓密机的直径可以大大减小。根据实验结果计算,对100t/h的尾矿量,需要的浓密机直径约为2m,分泥斗直径约为3m。

二、高效重力沉降脱水设备

高效重力沉降脱水设备研究的重点是,通过优化设备的结构和采用絮凝剂辅助脱水,提高浓缩产物的浓度,有代表性的新型重力脱水设备是:国外的PPSM型浓密机和国内的深锥型浓密机。

(一)PPSM型浓缩机。PPSM型浓缩机是一种单段脱水装备,其机壳是一个锅状底的圆槽,上部有絮凝及给料井围绕中心竖轴,轴下部装有螺旋、耙板和紊动杆,槽底有排膏器。絮凝剂的合理加入、搅拌以及精心设计的给料井和澄清区,对PPSM的溢流产量和质量至关重要。在PPSM内几乎看不到浓密机中常见的干涉沉降区,澄清是迅速的。该设备用于将稀矿浆快速浓密成膏状排放,能将膏体延时贮存,同时脱出清澈的溢流。该设备主要是为全尾膏体坑下回填而研制的,但在尾矿地表堆存、中间产品深度浓密、浸出后逆流洗涤方面也具有广阔的应用。

(二)深锥型浓缩机。NGS型深锥浓缩机主要由深锥、给料装置、搅拌装置、控制箱、给药装置和自动控制系统等组成,矿浆首先进入消气桶处理,然后进入旋流给料箱,经过给料桶絮凝后的矿浆进入浓相沉积层,通过浓相沉积层的再絮凝、过滤、压滤作用,澄清的溢流水从上部溢流堰排出,下部锥底排出高浓度的底流。其主要特点是:采用絮凝剂增大颗粒的粒度,从而提高沉降速度;严格控制深锥浓缩机浓相层高度是提高浓缩效果的决定因素之一;作业条件的自动控制。试验和生产实践表明,该设备对金属矿山尾矿的浓缩,尾矿浓度可以达到40%~70%,溢流中悬浮物含量小于500×10-6

与选矿厂普遍采用的浓密大井相比,该类设备在外形上的显著特点是其高度大,其中高径比一般在1.5~2。

三、尾矿压滤

通常压滤机主要用于粘度大、颗粒细的化工产品脱水和选矿厂精矿的脱水、黄金氰化洗涤等作业,在尾矿处理方面应用较少。然而,由于其脱水效果好、适应性强、压滤脱水后尾矿的处理方式灵活,近年来在黄金矿山尾矿处理中得到了广泛应用,在冶金矿山尾矿处理中也有应用报道。

压滤机在黄金氰化尾矿中的应用还有一些特殊的意义。例如:某金矿采用全泥氰化尾矿压滤、滤饼干式堆存和滤液循环使用的新工艺,该工艺与常规尾矿处理工艺相比有以下优点:滤饼干式堆存,只建干渣堆场不建尾矿库,使尾矿处理工艺大大简化;滤液返回磨矿分级作业代替新水补给,不仅节省了新水,而且大大减少了已溶金在尾矿中的损失,又利用了尾液中的剩余氰化物;通过尾矿压滤和利用滤液,实现了从磨矿分级到尾矿压滤的全程浸出,延长了浸出时间、提高了金的浸出率。目前,采用压滤法处理氰化尾矿已在中国许多金矿得到了成功应用。

压滤机在冶金和有色金属矿山尾矿脱水中应用较少,只是在制备全尾充填料或膏体尾矿的场合有一定的应用,这主要是由于压滤机的能耗和处理成本高于常规重力沉降浓缩。另外,单机的处理能力较低,难以在大规模选矿尾矿的浓缩脱水中推广。然而,当尾矿重力脱水困难而要求尾矿浓度较高时,压滤技术将是一种可行的选择。

四、全尾充填

采空区利用分级尾砂作为矿山充填料的胶结充填技术已经被国内外矿山广泛应用,但是选厂尾矿全部用作充填料在20世纪80年代才受到人们的重视。这首先是由于生态和环境保护日益受到各国政府的重视,环保法规对工业固体废弃物的处理作出了种种规定,追求无废矿山的目标提到了议事日程;其次,由于一些矿山分级尾砂产率低,不得不购买或远距离运输其它砂石(河砂、海砂等)来补充充填骨料。因此,全尾充填采空区,一方面可以使尾砂废料得到合理利用,另一方面可以省去尾矿库、改善矿山环境,具有经济、环境和安全等多项效益。目前,中国采用全尾充填采空区的主要有全尾砂胶结充填和高水固结全尾砂充填两种方法。

(一)全尾砂胶结充填技术

传统的尾砂水力充填受采矿工艺、充填技术和设备的限制,其中多数矿山仅能利用脱除-20μm或者-37μm细泥后的粗粒尾砂,而且砂浆输送浓度较低,造成井下生产环境污染严重、充填体强度不均、充填成本较高等。为克服或减少分级尾砂充填的不利因素,中国自20世纪80年代以来,对全尾充填进行了多方面的研究,现已形成了全尾砂高浓度(膏体)泵送充填和全尾砂胶结充填自流输送两种充填工艺。全尾砂胶结充填工艺包括:高浓度尾矿制备的脱水系统、充填浆料搅拌系统、泵压输送或重力自流输送系统、检测系统等,其中脱水系统和搅拌系统是影响充填效果的关键。某有色金属矿山对全尾砂膏体泵送充填工艺进行了深入研究后,提出了满足可采性和采矿工程要求的几种混合料配比。采用全尾砂+水泥+粉煤灰为充填料,其浓度为74%~76%,灰砂比为1∶4,水泥∶粉煤灰为1∶0 5,水泥单耗240~250kg/m3,单轴抗压强度大于4MPa。经测算,采用全尾砂泵送充填工艺的成本为67.72元/m3

某铁矿矿区附近地表无处建尾矿库,采用全尾胶结充填采空区,避免了在地表建尾矿库。该矿采用全尾砂胶结充填自流输送工艺,以全尾砂作为充填骨料,充填体的强度达到1~2MPa,充填料浓度(重量)大于60%,充填料灰砂比为1∶4~1∶6,其中矿房下部为1∶4,上部为1∶6。利用细磨高炉水渣代替部分水泥,采用强力活化搅拌制备充填料浆,以管道自流将60%左右的充填浆料送入采空区,测算的充填成本为77.63元/m3。全尾砂胶结充填解决了矿山选厂尾砂的排放问题,实现了矿柱回采,矿石回采率将由60%提高到80%以上,实现了矿山采矿、选矿、充填三者互为依托、综合平衡的良性闭路循环,在地表不建尾矿库、不外排尾矿。

需要指出,国外在应用全尾充填采空区时,通常称之为膏体回填。其主要特点在于:充填骨料为全粒级尾矿,其中-20μm细粒的含量(重量)不少于15%;尾矿需经过滤或浓缩到80%左右;添加水泥等胶结剂和水调节充填料的流变性和强度。采用高浓度膏体充填的优越性还在于,其基本不析水、胶结剂用量少、充填体稳定性好、强度高。因此,在全尾胶结充填过程中,应注意提高尾矿的浓度,采用膏体尾矿。

(二)高水固结全尾砂充填

高水固结全尾砂充填的实质是在尾砂胶结充填工艺中,不使用水泥而使用高水材料作为胶凝材料,使用全尾砂作为充填骨料,按一定比例加水混合后形成高水固结充填浆料。高水速凝固化材料(高水材料)由甲、乙两种组分构成,甲料是以铝酸盐、硫铝酸盐或铁铝酸盐等为主要成分的特种水泥熟料,加入适量缓凝剂共同研磨制成的粉状物料;乙料是以硬石膏、生石灰与若干种促凝剂共同研磨制成的粉状物料。甲、乙料单独加水制浆在24h内不沉淀、不凝固,但二者混合之后能在30min内凝固,形成含水高的钙矾石、水化氧化铝凝胶体等。充填时,甲、乙料需要分别制浆,利用2套制浆系统、2套管路分别输送,至井下充填工作面前数十米进行混合后流进采场,即会迅速水化、凝结、硬化。

高水速凝材料是一种速凝,可在大水灰比条件下硬化的水硬性胶结材料。该材料能将9倍于自身体积的水凝结成固体,凝结时间0.5-1.0h,24h强度达到0.5~2.5MPa,72h强度达到4.0~5.0MPa。根据工艺设备条件和现场技术要求,充填料浆的浓度可在30%~70%之间。高水固结充填浆料充入采场后,不用脱水便可以凝结为固态充填体。高水固结充填与常规胶结充填相比,具有浆料浓度范围大、凝固速度快、不脱水、接顶效果好等特点,解决了井下的环境污染,降低了工人的劳动强度,在应用上有明显的优越性。目前,该项技术已在中国许多金矿和有色金属矿山得到了应用,取得了良好效果。

某铜矿采用全尾砂高水固结充填,要求充填体强度为2~3MPa,充填材料的配比为:甲料∶乙料=1∶1;砂∶灰∶水=4∶1∶2.25。充填控制参数为:尾砂浆流量50m3/h,尾砂浆浓度64%;甲(或乙)料放料速度13.5t/h。2个充填站采用相同的控制参数,混合浆流量为110m3/h,混合浆浓度69%。生产实践表明,全尾砂高水固化充填能够实现快速不脱水充填,早期强度高,有利于改善井下生产条件、缩短充填作业周期及提高生产效率,全尾砂高水固化充填基本不沉缩,为解决普通尾砂胶结充填难以接顶的问题提供了技术上的可能性。

(三)膏体尾矿干式堆存

膏体尾矿干式堆存是近年来发展起来的尾矿处理方法,其特点是:尾矿经过脱水后干式堆存于地表,可节省建设常规尾矿库的投资。干式堆存实际上是半干法堆存,膏体尾矿经过脱水处理后产出一种不偏析、低含水的膏状尾矿。实现膏体尾矿干式堆存的关键在于,尾矿经过脱水后达到相当高的浓度,在堆积过程中不发生偏析、渗析水少,具有一定的支撑强度,能够自然堆积成一定高度的山脊形。该方法可以在峡谷、低洼、平地、缓坡等地形条件下堆存,不需要建尾矿坝,基建投资少、维护简单、综合成本低。

澳大利亚、加拿大等国家膏体尾矿处理的研究和实践表明,将尾矿脱水浓缩后干式堆存或尾渣填埋,不仅可以节省常规尾矿库的建设和维护费用,使回水得到充分利用,而且还可大大节省占地面积、消除尾矿库的安全隐患,并且能够在矿山生产过程中对尾矿堆存场进行复垦,有利于环境保护。

膏体尾矿制备可采用压滤、深锥浓缩等方法,一般需将尾矿浓缩至75%~85%的固体含量。对尾矿浓度的要求还要考虑输送方式,小型厂矿可用汽车将膏体运到排放地点;对于大型选厂,通常采用膏体泵输送。膏体尾矿可以采用逐层堆积的方式,只要让已堆积的膏体凝固就可以逐步堆积至设计的高度,这样可以减少占地面积。

为了克服尾矿库地表堆存尾矿存在的环境、安全、占用土地等问题,尾矿高效脱水、全尾充填采空区、膏体尾矿地表堆存等尾矿处理新方法具有广阔的应用前景,尾矿处理方法的选择取决于尾矿的性能和技术经济合理性。