礬山磷礦磷精礦漿脫水工藝技術優化

王洪智

河北省礬山磷礦有限公司，河北 張家口 075641

河北省礬山磷礦位于河北省張家口市，是中國北方唯一的大型磷礦[1-2]，是國家“七五”、“八五”期間的重點建設項目。礦山于1983 年由化工部化工礦山規劃設計院設計，于1996 年底建成投產[3-4]，年采選原礦120 萬t，生產磷精粉39 萬t，鐵精粉14 萬t[5]。選礦工藝主要包括原礦石破碎、磨礦分級、磷礦浮選、尾礦磁選、精礦脫水、產品干燥等，其中精礦脫水作業在生產系統中非常重要[6]，關系到生產的穩定和生產成本的高低。

在加強環境保護、促進綠色礦山建設以及提高企業經濟效益、增加市場競爭力的驅動下，企業不斷創新，隨著設備不斷更新和技術進步，礬山磷礦的選礦生產在原設計基礎上有了重大改變，在精礦脫水工藝方面更為突出，在簡化流程的同時降低了生產成本，效果顯著。

1 原生產磷精礦漿脫水工藝

礬山磷礦自1987 年由華北礦山建設公司開始工程建設，1996 年底投入生產到2008 年一直采用原設計精礦脫水工藝進行生產。

1.1 脫水工藝生產過程

經浮選后產生的磷精礦礦漿濃度在25%左右，自流進入直徑為30m 周邊傳動濃密機，經濃密機自由沉降后分為上下兩部分。下部分是濃縮后的底流，礦漿濃度40%左右，采用渣漿泵輸送到筒型真空過濾機過濾，上部分是濃密機的溢流，溢流濃度3%左右，自流到沉淀池自然沉淀。過濾機在過濾的過程中也產生溢流，由于溢流磷礦粉含量較高再返回到30m 濃密機沉降，濃密機與過濾機形成閉路循環。過濾機過濾后所得的磷精礦粉含水分13%左右，通過皮帶輸送到干燥爐滾筒機進行干燥，干燥后磷精礦水分含量8%左右，作為產品裝車外銷。詳細脫水工藝流程如圖1。

圖1 磷礦浮選精礦礦漿筒型過濾機脫水流程Fig.1 Dewatering process of cylinder type filter for phosphate flotation concentrate

1.2 設備組成

脫水設備主要包括周邊傳動濃密機、筒型真空過濾機、干燥機等（表1）。

表1 筒型過濾機脫水系統主要設備明細表Table 1 List of main equipment of dewatering system of cylinder filter

1.3 運行狀況

根據生產實際運行，主要存在以下問題：①采用筒型真空過濾機得到的磷精礦水分大，不能直接裝車運輸，需要用干燥爐烘干，達到可以汽車運輸水分要求；②經過3 次脫水的工藝流程長，過濾機和干燥機設備笨重，占用較大廠房空間；③干燥爐消耗煤數量大，每天消耗煤30t，年耗煤9900t，按500 元/t 計算，年購買煤的費用約495萬元；④過濾脫水系統消耗電量大，系統設備裝機功率644kW，年耗電費用約204 萬元；⑤因筒型真空過濾機過濾效果差，過濾產生的濾液濃度高（10%左右），返回到30m 濃密機后增加了濃密機的負擔，使得30m 濃密機溢流濃度高（3%左右），溢流至沉淀池后產生不合格的磷精礦粉數量大，每年約有8000t 不合格品（含P2O525%、水分17%），需用鏟車從沉淀池中挖出。

2 脫水工藝設備更新

2007 年新購進3 臺陶瓷過濾機，并拆除了2臺筒型真空過濾機后進行安裝。2008 年開始使用陶瓷過濾機生產，根據實際生產情況，過濾水分和過濾數量不能達到預期目標。經分析，供給陶瓷過濾機的精礦漿濃度低，對細微顆粒的懸浮液，低濃度料漿濾餅阻力大于高濃度料漿的濾餅阻力，所以提高料漿濃度可以改善過濾性能。

為了提高過濾效率，在磷精礦進入到陶瓷過濾機之前增加了Ф250 旋流器濃縮設備，提高陶瓷過濾機的給礦濃度到60%以上，使得陶瓷過濾機的過濾能力滿足上游浮選生產的要求，同時經過陶瓷過濾機過濾的磷精礦水分可降低至10%以下，可以不需烘干直接裝車銷售。

為了進一步增加產量，2014 年拆除了剩余2臺筒型真空過濾機，安裝了1 臺60 平方米的陶瓷過濾機。2015 年生產運行正常后，拆除了原過濾系統的干燥爐滾筒機2 臺、旋風除塵器組2 臺、葉環式真空泵4 臺、葉式鼓風機4 臺。

2.1 脫水工藝生產過程

經過浮選后產生的磷精礦漿，濃度在25%左右，自流進入直徑為30m周邊傳動濃密機的中心。經過濃密機自由沉降后分為兩部分，上部分是濃密機的溢流，溢流濃度0.3%左右，自流到沉淀池自然沉降；下部分是濃密機濃縮后的底流，底流礦漿濃度40%左右，用渣漿泵輸送到Ф250 濃縮旋流器，經旋流器濃縮的底流進入陶瓷過濾機過濾，旋流器的溢流返回到30m 濃密機進一步沉降濃縮。陶瓷過濾機在過濾的過程中也產生溢流，由于溢流中含磷礦粉再返回到30m 濃密機沉淀，濃密機與旋流器、陶瓷過濾機形成閉路循環。陶瓷過濾機過濾后生產的磷精粉水分含量10%以下，通過皮帶輸送到精礦倉，可以直接裝車外銷。詳細脫水工藝流程如圖2。

圖2 磷礦浮選精礦礦漿陶瓷過濾機脫水流程Fig.2 Dewatering process of pulp ceramic filter for phosphate flotation concentrate

2.2 設備組成

脫水設備主要包括周邊傳動濃密機、陶瓷過濾機、旋流器、空壓機等（表2）。

表2 陶瓷過濾機脫水系統主要設備明細表Table 2 Main equipment list of dewatering system of ceramic filter

2.3 運行狀況

陶瓷過濾機在生產中體現出明顯特點：①產能效率高，PLC 程序控制，自動化程度高，運行和維護成本低，節能效果顯著；②節電明顯，系統設備裝機功率410kW，比改進前的裝機功率644kW 降低234kW，每年可降低電費成本約74萬元；③脫水系統生產穩定，磷精礦產品水分穩定，不用干燥就能達到裝車外運銷售的要求，生產成本大幅度降低，每年可節約用煤成本約495萬元；④因過濾效果好，從沉淀池挖出來的不合格磷精粉數量每年為500t 左右，少產生不合格磷精礦約7500t，按500 元/t 計算，可增加經濟效益約375 萬元。

3 脫水過程進一步優化

陶瓷過濾機是一種新型、高效、節能的固液分離設備[7]。主要由陶瓷過濾板、輥筒系統、攪拌系統、給排礦系統、真空系統、濾液排放系統、刮料系統、反沖洗系統、聯合清洗（超聲波清洗、自動配酸清洗）系統、全自動控制系統、槽體、機架幾部分組成[8]。陶瓷過濾板是陶瓷過濾機的核心部件[9]，陶瓷過濾機開始工作時，陶瓷濾板浸沒在料漿槽中，在真空作用下，料漿槽中的懸浮物料吸附在陶瓷濾板上形成濾餅，濾液則通過陶瓷濾板內部通道外排；陶瓷濾板離開料漿槽，進入干燥區，在真空作用下濾餅繼續脫水，在卸料區被刮刀刮下；卸料結束，陶瓷濾板進入反沖洗區，由清水通過分配頭進入陶瓷濾板，對陶瓷濾板反清洗，把堵塞在微孔上的顆粒沖洗下來，至此完成一個過濾操作循環。陶瓷過濾機的結構如圖3，陶瓷過濾機的工作原理如圖4。

圖3 陶瓷過濾機結構Fig.3 Ceramic filter structure

圖4 陶瓷過濾機工作原理Fig.4 Working principle of ceramic filter

3.1 設備優化

為優化陶瓷過濾機生產，安裝了一臺8m3的空氣壓縮機和儲氣罐，主要從以下兩點進行了優化：①陶瓷過濾機生產卸料結束后陶瓷濾板進入反沖洗區，對陶瓷濾板反清洗，改變原水反沖清洗為用氣反沖，壓力控制在6kg；②陶瓷過濾機槽體礦漿攪拌耙安裝2 排氣孔，每排氣孔15 個，在攪拌礦漿運行時，打開供氣閥門噴氣，使得礦漿濃度均勻，避免礦漿沉積壓住攪拌耙。

3.2 陶瓷濾板清洗操作優化

陶瓷過濾機的清洗主要指的是對陶瓷濾板的清洗，陶瓷濾板清洗也是完成過濾循環的重要環節之一，在磷精礦過濾運行過程中，陶瓷濾板的過濾效率主要受過濾物能否通過微孔決定。依靠運行中反沖氣清洗，還應配合周期性超聲波振動、硝酸和化學藥劑清洗方式。通過這三種方式的配合完成清洗，可更有效地保證陶瓷過濾板的微孔暢通，提高陶瓷過濾機的使用效果，延長陶瓷濾板的使用壽命[10]。

3.2.1 陶瓷濾板固定清洗方式

（1）反沖氣清洗（未改反沖氣前用反沖水清洗）

在經過每一次陶瓷濾板過濾循環操作中，在反沖區進行反沖氣清洗（壓力控制在6kg），清洗的時間控制在2～5 秒，其主要目的是清洗陶瓷濾板與刮板之間殘留的濾餅及其它小顆粒雜質。過濾過程中，一些鈣質物及其它小顆粒雜質會擠進陶瓷濾板的微孔中，這些顆粒物一旦進入微孔，反沖氣很難清洗干凈。

（2）硝酸加超聲波清洗

過濾生產運行6h 之后，停止給料過濾，采用55%濃度的硝酸加超聲波聯合清洗陶瓷濾板。通過超聲波發生器發出高頻信號，轉化成震蕩波傳遞到過濾機的清洗液中，沖擊陶瓷濾板表面以及微孔和縫隙，使微孔及縫隙的鈣化物和其它顆粒被振動，同時硝酸促使顆粒物脫離陶瓷濾板的微孔。通常過濾生產每運行6h，用該方法清洗1 次，每次清洗2h。

3.2.2 陶瓷濾板新增清洗方式

由于井下礦石開采時有采空區充填料多種化學成分混入，此外選礦生產中浮選藥劑含有多種粘性物質存在等原因，使得磷精礦漿中含有影響陶瓷濾板微孔的物質成分復雜，嚴重影響陶瓷過濾機的陶瓷濾板過濾效果和壽命，僅采用固定清洗方式清洗，陶瓷濾板的壽命很低，一般使用3個月就需要更換新的陶瓷濾板[11]，經過試驗探索，新增以下兩種清洗方式提高陶瓷濾板壽命。

（1）草酸清洗

將草酸配制成3%～5%酸溶液進行浸泡，酸液pH 值在3 左右，對微孔中殘留的碳酸鈣、硫酸鈣等鈣類物質進行清洗操作，草酸與其反應形成的絡合物可以溶于水，從而容易被清洗。通常陶瓷過濾機每生產運行15 天采用此方法清洗1次，每次4h，可使陶瓷濾板的壽命延長到6 個月。

（2）混合藥劑清洗

混合藥劑清洗主要應用于草酸酸洗不能恢復陶板微孔暢通的情況，微孔中存在不能被草酸溶解的物質，需要借助一定的氧化劑，使得陶瓷濾板微孔中的油酸等有機物被溶解。通常陶瓷過濾機每生產運行1 個月采用此方法清洗1 次，每次3h，陶瓷濾板的壽命可延長到12 個月。

操作方法如下：①氨基磺酸、氟化氫銨、氯化鈉、草酸各40kg 放入陶瓷過濾機內；②加水到水槽2/3 位置后用蒸汽加溫到40℃；③開啟攪拌、氣反沖、超聲波；④陶瓷過濾機洗板運行2h 后，停止攪拌、氣反沖、超聲波等，將藥液排出槽體，在回收箱內沉淀雜質后回收部分藥液再利用，完成清洗陶瓷濾板的過程。

3.3 運行狀況

通過定期對陶瓷過濾機陶瓷濾板的清洗，過濾后的磷精礦水分含量可穩定降低至10%以下，可以滿足直接裝車運輸的水分要求。

陶瓷濾板的使用壽命明顯提高，每臺陶瓷過濾機有120 塊陶瓷濾板，每塊500 元，每套陶瓷濾板6 萬元，陶瓷過濾機共計4 臺，在不使用新增清洗方式的情況下，每套陶瓷濾板使用3 個月，每年費用96 萬元。經過新增清洗方式后，延長陶瓷濾板的使用壽命至12 個月，每年陶瓷濾板費用24 萬元，年消耗藥劑約2 萬元，每年可節約運行費用70 萬元。

4 結論

河北省礬山磷礦有限公司選礦廠以降低生產成本、提高經濟效益為目標，研究選礦生產工藝中存在的實際問題，通過設備更新改造、簡化工藝流程、優化過濾設備性能和新增陶瓷濾板清洗操作技術，降低磷精礦產品水分并延長陶瓷濾板的使用時間。有效降低了生產運行成本，每年可減少脫水段生產費用約639 萬元；每年減少不合格磷精礦產品數量而增加經濟效益約375 萬元；淘汰原有燃燒煤炭烘干設備及工藝，極大降低碳排放及粉塵排放，產生了良好的環境效益和社會效益。