深海硫化礦船載高效脫水系統(tǒng)工藝技術(shù)研究

劉石梅， 曹傳輝， 周岳遠(yuǎn)， 曾尚林

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

1 前言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其中以多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)核及熱液硫化物最具商業(yè)開采價(jià)值。目前國內(nèi)外十分關(guān)注海底礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用技術(shù)的研發(fā)，為海底礦產(chǎn)資源的工業(yè)化開采進(jìn)行積極的探索和技術(shù)儲備。

商業(yè)化開采時(shí)，從海底采集到的礦漿體積量大、固含量低(僅為7%～12%)，因此，要求采礦船船載脫水系統(tǒng)能高效、快速地脫除海水，降低采礦船無效載荷，實(shí)現(xiàn)有價(jià)礦物的收集、堆存和轉(zhuǎn)運(yùn)；同時(shí)，脫水系統(tǒng)就地排出的廢水必須滿足綠色排放的要求。

本文就某在建采礦船擬采集的礦漿進(jìn)行脫水工藝研究，礦漿處理量4 000 m3/h，含固量400 t/h，粒度≤50 mm，要求脫水后固體含水率小于20%，排放廢水最大粒度小于0.1 mm。

基于缺少實(shí)際海底硫化礦礦樣這一具體情況，考慮到現(xiàn)階段海底硫化礦大規(guī)模取樣的技術(shù)難度大、成本高等現(xiàn)實(shí)問題，故確定采取陸地硫化礦作為模擬礦樣，代替海底硫化礦進(jìn)行脫水試驗(yàn)研究。

2 模擬礦樣特性研究

2.1 模擬礦樣采集

深海硫化礦中多含鋅、鉛、銅、鐵、釩、錫、銀等多金屬元素，礦床成因是由地殼運(yùn)動時(shí)噴發(fā)的熱液熔巖與周圍海水混合，水中的金屬硫化物沉積到海底形成。陸地硫化礦是指硫化礦礦床中未受氧化或輕度氧化的礦石，典型的代表有鉛鋅礦礦床、黃銅礦礦床、黃鐵礦礦床等，其中又以鉛鋅礦礦床最為顯著。陸地硫化礦雖與海底硫化礦的成礦過程有所差別，但主要理化性質(zhì)基本相同，故采用陸地硫化礦模擬海底硫化礦具有一定的指導(dǎo)意義。

凡口鉛鋅礦是目前中國乃至亞洲最大的鉛鋅礦產(chǎn)基地，是陸地硫化礦的典型代表。本次模擬礦樣取自二段破碎作業(yè)所得的破碎產(chǎn)品，物料粒度組成為-50 mm，綜合含水率約為8.0%，堆積密度約為3.8 g/cm3。

2.2 模擬礦樣制備

陸地硫化礦與海底硫化礦最大的區(qū)別在于海底硫化礦在深海高壓環(huán)境下長期受海水侵蝕，礦物表面與裂隙等部位蝕變作用明顯。為使模擬礦樣礦石表面理化性質(zhì)盡可能接近海底硫化礦，本試驗(yàn)研究將模擬礦樣置于模擬海水(鹽水)中長期(100 a左右)浸泡。

原礦經(jīng)過烘干分散后進(jìn)行混勻、縮分，粒度篩析樣、探索試驗(yàn)樣及備樣。

2.3 模擬礦樣粒度組成研究

模擬礦樣累積粒度曲線見圖1、模擬礦樣粒級分布見圖2。

由圖1～2可知：模擬礦樣粒度級別分布較寬、整體粒度組成較粗、微細(xì)粒級含量較少。-1 mm粒度組成占全粒級21.91%，-0.028 mm粒度組成占全粒級6.30%。

圖1 模擬礦樣累積粒度曲線

圖2 模擬礦樣粒級分布圖

3 礦漿脫水工藝分析

礦漿脫水技術(shù)是以固液分離和按粒度分級為基礎(chǔ)的工程應(yīng)用技術(shù)。主要包括：沉降、篩分、濃縮、離心和過濾脫水等。

與陸基脫水系統(tǒng)不同，船載脫水系統(tǒng)由于采船的工作空間有限，要求脫水設(shè)備大型化，并且脫水工藝流程盡可能短；脫水設(shè)備的工作特性不能影響浮動工作母船正常運(yùn)行；脫水系統(tǒng)料流載荷運(yùn)行不能影響浮動工作母船的正常工作；脫水系統(tǒng)排出的水中固含量應(yīng)達(dá)到海洋環(huán)境合格排放的要求。

根據(jù)模擬礦樣的粒度分布及船載工況要求，擬采用分段—集成的脫水工藝，將礦物由粗到細(xì)逐級脫水。

3.1 粗粒物料的脫水

對于粗大顆粒物料而言，沉降和篩分脫水是常用的脫水技術(shù)，由于沉降脫水需要一定的沉降時(shí)間且存在效率較低的缺陷，因此，工業(yè)生產(chǎn)中大多采用脫水篩脫水。脫水效率取決于物料的表觀含水率和篩分脫水設(shè)備的選擇，可以直接處理低濃度固體含量的礦漿，工業(yè)生產(chǎn)一般可應(yīng)用于+5 mm以上的物料。

3.2 細(xì)粒物料的脫水

-5+0.5 mm細(xì)粒物料比粗粒物料較難脫水，通常采用篩分、離心、真空過濾的脫水方式進(jìn)行處理(真空過濾可處理更細(xì)些的物料)。為了保證經(jīng)濟(jì)的脫水效率細(xì)粒物料必須經(jīng)過濃縮達(dá)到30%以上固含量濃度要求后，再進(jìn)行脫水作業(yè)。其脫水效率亦取決于物料的表觀含水率和脫水設(shè)備的選擇。

3.3 微細(xì)粒物料的脫水

-0.5 mm微細(xì)粒物料脫水難度最大，目前，壓濾脫水是該物料脫水的常用方式。在壓濾脫水之前，也必須經(jīng)過濃縮，才能保證脫水效率。

4 模擬礦樣脫水工藝試驗(yàn)研究

在模擬礦樣的脫水特性研究和各陸基脫水技術(shù)調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，制訂了模擬礦樣的脫水探索試驗(yàn)和全流程試驗(yàn)方案。

4.1 模擬礦樣脫水探索試驗(yàn)

4.1.1 篩分脫水試驗(yàn)

本試驗(yàn)旨在探索研究對模擬礦樣粗粒級的篩分脫水效果，一段脫水作業(yè)采用ZKX936型直線振動篩進(jìn)行試驗(yàn)研究，條形篩孔、篩孔尺寸10 mm；操作條件為振幅9.5 mm，振次900次/min，振動方向角度45°，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 一段脫水篩試驗(yàn)結(jié)果

表1結(jié)果表明：一段篩分脫水能夠在給礦含水率為90.69%的情況下得到產(chǎn)率為52.34%，含水率為5.6%的+10 mm的篩上脫水產(chǎn)品。

二段脫水作業(yè)試驗(yàn)研究仍采用ZKX936型直線脫水篩，操作條件及試驗(yàn)方案與一段相同，但此段篩孔尺寸為5 mm，給礦為一段試驗(yàn)所得的篩下產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 二段脫水篩試驗(yàn)結(jié)果

表2結(jié)果表明：二段脫水篩能夠在給礦含水率為95.32%的情況下得到產(chǎn)率為24.63%，含水率為6.05%的+5 mm的篩上脫水產(chǎn)品。

4.1.2 一段旋流器濃縮試驗(yàn)

二段脫水篩篩下產(chǎn)品含水率高達(dá)96.43%，篩下產(chǎn)品粒度組成-5 mm，須通過濃縮后方能進(jìn)入下段脫水作業(yè)，因此，采用水力旋流器進(jìn)行篩下產(chǎn)品的濃縮脫水試驗(yàn)，以適應(yīng)船載脫水系統(tǒng)有限的空間環(huán)境下設(shè)備配置。

試驗(yàn)采用長沙礦冶研究院自主研發(fā)的CZ-150型旋流器，分別就沉沙嘴、溢流管、給礦濃度等關(guān)鍵因素展開探索試驗(yàn)。試驗(yàn)考察沉砂產(chǎn)率、沉砂含水率及溢流粗粒級含量等在不同試驗(yàn)條件下的狀況，沉砂由傘狀至柱狀，含水率由高到低。

(1)錐角與沉砂嘴直徑試驗(yàn)。試驗(yàn)考察20°與45°錐角的沉砂嘴對5 mm篩孔脫水篩篩下產(chǎn)品的濃縮脫水效果。試驗(yàn)條件為：進(jìn)礦壓力P=0.15 MPa，溢流管直徑D0和沉砂嘴直徑Du，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 錐角及沉砂嘴直徑試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3考察不同錐角條件下沉砂產(chǎn)率與濃縮比(沉砂濃度/給礦濃度)的對比關(guān)系，結(jié)果見圖3。

由表3及圖3可以得出以下結(jié)論：

在相同的濃縮比條件下，不同錐角的沉砂產(chǎn)率及含水率趨勢為：錐角越大，沉砂產(chǎn)率越低，但含水率差距不大。因試驗(yàn)條件限制，無法進(jìn)行更小錐角的試驗(yàn)，但根據(jù)以往的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，錐角越小越有利于得到含水率較低的沉砂產(chǎn)品。

圖3 不同錐角條件下沉砂產(chǎn)率與濃縮比關(guān)系圖

(2)溢流管直徑試驗(yàn)。溢流管直徑亦為影響其濃縮脫水效果的重要參數(shù)，根據(jù)錐角與沉砂嘴直徑試驗(yàn)的結(jié)果，確定溢流管直徑試驗(yàn)的條件為：錐角20°、沉砂嘴直徑Du=12 mm、進(jìn)礦壓力P=0.15 MPa，分別考察溢流管直徑D0為30，28，26，24 mm情況下旋流器濃縮脫水的效果。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 溢流管直徑試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4考察沉砂產(chǎn)率與濃縮比在不同溢流管直徑條件下的變化，結(jié)果見圖4。

圖4 不同溢流管直徑條件下沉砂產(chǎn)率與濃縮比變化圖

由表4及圖4得知：溢流管直徑對該樣的濃縮比及沉砂產(chǎn)率有一定的影響。隨著溢流管直徑變大，沉砂濃縮比變小，變化范圍不大，但沉砂產(chǎn)率顯著上升。

(3)給礦壓力試驗(yàn)。給礦壓力直接決定物料進(jìn)入旋流器的初速度，也是影響旋流器濃縮脫水效果的重要參數(shù)。試驗(yàn)的條件為：錐角20°、沉砂嘴直徑Du=12 mm、溢流管直徑D0=30 mm，分別考察給礦壓力P為0.15，0.12，0.10，0.08 MPa條件下旋流器濃縮脫水的效果。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 給礦壓力試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表9考察沉砂產(chǎn)率與濃縮比在不同溢流管直徑條件下的變化，結(jié)果見圖5。

圖5 不同給礦壓力條件下沉砂產(chǎn)率與濃縮比變化圖

由表5及圖5可知：隨著給礦壓力變大，沉砂濃縮比及產(chǎn)率均變小，但變化范圍較小，說明在該試驗(yàn)條件下給礦壓力對濃縮脫水效果影響有限。

4.1.3 離心脫水試驗(yàn)

一段旋流器濃縮脫水所得的沉砂產(chǎn)品，其固含量為50%左右，粒度組成為-5+0.1 mm，若要進(jìn)一步脫除水分，離心脫水工藝是較佳選擇。

試驗(yàn)給礦為一段旋流器的沉砂產(chǎn)品，其含水率為50.37%。采用TLL-720型立式離心脫水機(jī)，旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)孔隙為0.5 mm、轉(zhuǎn)速600 r/min。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 離心脫水機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：一段旋流器的沉砂產(chǎn)品經(jīng)過離心脫水機(jī)的處理可得到產(chǎn)率為74.59%，含水率為9.36%的-5+0.5 mm濾渣產(chǎn)品。

4.1.4 二段旋流器濃縮脫水試驗(yàn)

一段旋流器濃縮脫水試驗(yàn)溢流產(chǎn)率為34%左右，含水率約為98.50%，含-0.1 mm的微細(xì)粒級物料；離心脫水機(jī)脫水試驗(yàn)濾液產(chǎn)率為24.51%，含水率為78.12%，含-0.5+0.1 mm細(xì)粒級物料。將兩者合并，經(jīng)過旋流器濃縮后再由壓濾機(jī)脫水處理。兩者合并后粒度組成為-0.5 mm、含水率約為98%，采用CZ-100型旋流器進(jìn)行濃縮脫水試驗(yàn)?；谝欢涡髌鞯脑囼?yàn)結(jié)果，本次主要開展錐角與沉砂嘴直徑試驗(yàn)，匹配與之對應(yīng)較為合適的溢流管直徑與給礦壓力條件。

試驗(yàn)考察20°與10°錐角的沉砂嘴對一段旋流器溢流與離心機(jī)濾液合并物料的濃縮脫水效果。試驗(yàn)條件為：進(jìn)礦壓力P=0.15 MPa，溢流管直徑D0和沉砂嘴直徑Du，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 二段旋流器濃縮錐角及沉砂嘴直徑試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表7考察不同錐角及沉砂嘴直徑條件下沉砂產(chǎn)率與濃縮比的對比關(guān)系，結(jié)果見圖6。

圖6 不同錐角條件下沉砂濃縮比與產(chǎn)率關(guān)系圖

由表7及圖6可知：20°與10°錐角條件下沉砂均能保持較高的產(chǎn)率，但后者顯然具有更高的濃縮比，且兩者的沉砂產(chǎn)率雖有一定的差異，但范圍較小。通過二段旋流器的濃縮可得到作業(yè)產(chǎn)率在86%以上，含水率低至65%左右的沉砂產(chǎn)品；溢流固含量小于0.3%。

4.1.5 壓濾脫水試驗(yàn)

-0.5 mm微細(xì)粒級物料(二段旋流濃縮后沉沙產(chǎn)品)需進(jìn)一步脫水則采用壓濾脫水工藝較為合理。

本次試驗(yàn)采用BAS2/320-25型板框壓濾機(jī)，板框數(shù)量為10組，工作壓力為1.0 MPa，處理物料含水率為67.53%。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 壓濾脫水試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：二段旋流器的沉砂產(chǎn)品經(jīng)壓力作業(yè)后可得到作業(yè)產(chǎn)率為99.56%、含水率為15.26%的濾餅；濾液中固含量為0.23%。

4.2 脫水工藝全流程驗(yàn)證試驗(yàn)

在各段脫水探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了相應(yīng)作業(yè)的試驗(yàn)條件及產(chǎn)品指標(biāo)，開展全流程脫水試驗(yàn)，結(jié)果見表9，數(shù)質(zhì)量流程圖見圖7。

表9 全流程脫水試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知：全流程試驗(yàn)分別得到產(chǎn)率為63.36%、18.38%、15.89%，含水率為5.74%、9.41%、15.25%的固體產(chǎn)品；以及固含量為0.24%的廢水。全流程試驗(yàn)數(shù)質(zhì)量流程圖見圖7。

圖7 模擬礦樣脫水試驗(yàn)全流程數(shù)質(zhì)量流程圖

5 結(jié)論

(1)模擬礦樣的理化性質(zhì)分析研究與真實(shí)海底硫化礦對比可知兩者具有相近的化學(xué)組成、物相組成及粒度組成，因此，在缺少實(shí)際海底硫化礦礦樣的條件下，采用模擬礦樣開展脫水試驗(yàn)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)由于模擬礦樣呈寬粒級分布，而各粒級脫水的難易程度各不相同，因此，只能采取分段—集成脫水的脫水工藝，方能滿足船載快速、高效脫水的技術(shù)要求。

(3)通過各段脫水工藝的條件試驗(yàn)，確定了各段作業(yè)設(shè)備、操作條件、脫水粒級等的各項(xiàng)基本參數(shù)及產(chǎn)品指標(biāo)參數(shù)，并通過全流程脫水驗(yàn)證試驗(yàn)，證實(shí)了分段—集成脫水工藝的可行性。

(4)對于模擬礦樣，當(dāng)待處理礦漿量為4 000 m3/h(含固量400 t/h)時(shí)，通過該分段—集成脫水工藝的脫水作業(yè)，可得到產(chǎn)率分別為63.36%、18.38%、15.89%(共計(jì)干礦量390.52 t/h)，含水率分別為5.74%、9.41%、15.25%的三種固體顆粒產(chǎn)品；以及流量為3 869.70 m3/h、固含量為0.24%的廢水。

(5)由于實(shí)際海底硫化礦經(jīng)過海底采礦上采船的礦石性質(zhì)與模擬礦樣畢竟存在一定的差異(特別在脫水性能方面)，因此，本脫水工藝技術(shù)在采礦船上的工程實(shí)施時(shí)，需經(jīng)過實(shí)際海底礦樣的工業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證并根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行情況予以修正完善。