CN102596351B - 对油砂熟化细尾矿进行絮凝和脱水的方法 - Google Patents

Abstract

本方法用于油砂细尾矿脱水，并包括：(i)分散和絮凝物形成步骤，该步骤包括含有有效量的絮凝剂溶液向油砂细尾矿流的管线内添加；(ii)胶凝步骤，其中，将絮凝的油砂细尾矿在管线内输送，并进行剪切调节；(iii)絮凝物破坏和水释出步骤，其中，所述絮凝的油砂细尾矿释出水，且所述絮凝的油砂细尾矿的屈服剪切应力降低，同时避免过度剪切区；(iv)将所述絮凝的油砂细尾矿沉积到沉积区域上，以形成沉积物且使得释出水能够从所述沉积物流走；优选在管道式反应器中完成，且根据屈服应力和CST信息对剪切调节进行控制，并实现增强的脱水。

Description

对油砂熟化细尾矿进行絮凝和脱水的方法

技术领域

本发明总体上涉及处理油砂细尾矿的领域。

背景技术

油砂细尾矿已成为技术的、作业的、环境的、经济的和公共政策的问题。

油砂尾矿产生于提取烃的工艺作业，所述工艺作业从油砂矿石中分离有价值的烃。所有商业化的提取烃的方法都使用Clark热水法的变体，其中，向油砂中加入水以从油砂矿石中分离有价值的烃部分。工艺用水也起到作为矿物碎片的承载流体的作用。一旦回收了烃馏分，残留的水、未回收的烃以及矿石通常便称为“尾矿”。

关于矿物颗粒分级，油砂工业中使用以下惯例。粒径大于44微米的矿物碎片称为“砂”。粒径小于44微米的矿物碎片称为“细粒”。粒径小于2微米的矿物碎片一般称为“粘土”，不过某些场合，“粘土”可指实际的微粒矿物。在尾矿中砂与细粒的关系反映了油砂矿石的组成、工艺用水的化学及提取工艺中的变化。

常规上将尾矿输送至通常称为“尾矿池”的沉积地点，它位于接近油砂开采和提取工厂的地方，以便于尾矿的管道运输、卸料和管理。由于其作业规模，油砂尾矿池占地巨大，并且必须依照规划构造和管理。对尾矿池的位置、充填、水位控制和回收的管理是一个复杂的任务，对油砂处理造成了地理上的、技术上的、规章上的和经济上的约束。

每个尾矿池均包含在一套沟渠结构中，该结构通常通过将尾矿砂碎片置于池内或置于滩涂上构造。工艺用水及未回收的烃与未被收集在沟渠结构中的砂和细小矿石一同流入尾矿池。最初排入尾矿池的尾矿流通常具有相当低的密度和固体含量，例如约0.5-10重量％。

在尾矿池中，工艺用水、未回收的烃和矿石自然地沉淀，形成不同的层。上层主要是水，能够作为提取工艺的工艺用水循环利用。下层包括沉淀的残留烃和矿物，其中主要是细粒。这一下层常被称作“熟化细尾矿”(MFT)。熟化细尾矿具有很低的固结率，并且在油砂工业中对尾矿管理构成主要的挑战。

熟化细尾矿的组成是高度可变的。接近层的顶部处矿物含量约为10重量％，而在层的底部随时间变长固结至高达50重量％。总体说来，熟化细尾矿具有约30重量％的矿物含量。当矿物含量中主要颗粒尺寸部分为细粒时，砂含量可占固体物的15重量％，而粘土含量可达固体物的75重量％，这反映了油砂原料矿石和提取方法。可以分散在矿石中的或可以分离进入烃的垫料层中的残余烃能够导致附加的变化。不仅从池面至池底，池中的熟化细尾矿具有宽泛的成分分布变化，而且在整个池中，在随机位置也存在不同组成的区域。

熟化细尾矿的行为像是类流体的胶状的物质。熟化细尾矿的行为类似流体这一事实明显地限制了开垦尾矿池的选择。此外，熟化细尾矿不具有牛顿流体的行为，这使持续地在商业规模上进行尾矿脱水处理更加是个挑战。如果不对熟化细尾矿进行脱水或凝固，随着时间进行，尾矿池会产生越来越严重的经济和环境影响。

已有若干种通过尝试对熟化细尾矿进行凝固或脱水以处理或回收油砂尾矿的方法被提出。如果能够将熟化细尾矿充分脱水，使得废品转化成可开垦的坚固土地，那么许多与这种物质有关的问题就能够得以减少或者完全避免。作为普遍的方针目标，获得固体含量为75重量％的熟化细尾矿即可认为对于开垦来讲已经充分“干燥”了。

一种已知的将MFT脱水的方法包含冰冻-解冻的方法。在油砂场进行了一些野外试验，将MFT沉积在小浅坑中，经过冬天便可冻结，而在第二年的夏天经历解冻和蒸发脱水。增加这种方法的规模将需要庞大的地表面积，并且高度取决于天气和季节。而且，这一设计的其它局限包括对释出的水的收集以及在MFT表面的降水，降水将使蒸发干燥机制的效果大打折扣。

一些其它的公知方法尝试通过添加化学试剂处理MFT以形成稠浆，其再进行固化或最终进行脱水。

其中一种这类的方法称为“固结尾矿法”(CT)，包括将熟化细尾矿与砂和石膏组合在一起。典型的固结尾矿混合物为60重量％的矿物(余量是水)，其中砂和细粒比率约为4比1，以及600至1000ppm石膏。当所述组合沉积在尾矿池中进行固结后，能够产生不可分离的混合物。尽管如此，CT方法具有许多缺点。它取决于对砂、石膏和工艺用水的连续的提取作业。必须对混合物严格进行控制。而且，当固结的尾矿混合物少于60重量％矿物时，需要将物质分离，其中部分细粒回到池中在作为熟化细尾矿沉淀时重新处理。此外，沉积的固结尾矿岩土强度需要沟渠的容纳，因此在CT中所需的砂与用于建造沟渠的砂产生竞争，直至提取作业结束。如果没有砂，CT法无法处理熟化细尾矿。

在实验室规模进行另一种方法，寻求将MFT稀释至10重量％固体，之后加入Percol LT27A或156。尽管越稀释MFT，显示出越快的沉降速度并得到粘稠的浆料，这种依赖于稀释的小批量方法无法完成重新开垦熟化细尾矿所需的脱水。

一些其它的方法尝试使用聚合物或其它化学试剂帮助MFT脱水。不过，这些方法均遇到各种各样的问题，无法达成可靠的结果。当普遍考虑包括添加化学试剂并接着将尾矿沉积物脱水的方法时，有许多不能忽视的重要因素。

显然，一个因素是所添加的化学试剂的种类、性质和效果。到目前为止，显示有效的化学试剂依赖于提取油砂的副产物、仅在实验室规模上或是仅在狭窄的工艺作业窗口有效、或不能完全和可靠地与尾矿一同混合、反应或输送。有些添加的化学试剂能够通过捕集材料中的水分，在不改变固体含量的情况下使尾矿变稠，这使从沉积的物质中回收水分的选择受到限制。有些化学添加剂如石膏和熟石灰产生水的流失，能够对在提取过程中再利用的工艺用水，或不适宜开垦的含有过高的盐含量的干燥尾矿造成不利影响。

另一个因素是化学试剂的添加技术。已有的添加砂或化学试剂的技术经常包含将材料混合于槽罐或增稠器装置中的步骤。这样的公知技术有若干缺点，包括需要将添加剂受控地且均匀地混合入组成和流动都在变化的物流中，这就导致低效率及限制了操作的灵活性。有些化学添加剂还有一定程度的易碎性、易变性或是反应性，在应用时需要特别的注意。

另一个因素是许多化学添加剂可能非常粘稠，并可呈现非牛顿流体特性。一些公知的技术依赖于稀释，这样混合流体才能在混合过程和液压过程中接近牛顿流体。但是，熟化细尾矿特别是在高矿物或粘土含量的情况下表明了非牛顿流体行为。因此，即使化学添加剂在实验室或是小规模批量试验中被证实可作为脱水剂，在大规模或商业的工厂中也难以重复其表现。这一问题在尝试向承载MFT的管道中注入粘性聚合物添加剂时得到了印证。主要的MFT管线与用以注入聚合物添加剂的较小的侧面分支管线交叉。对于牛顿流体来说，可期待这种管线排列产生高度湍流，以有助于混合。但是，对于两种非牛顿流体来说，使用这种混合排列得到的野外性能是不稳定的和不足的。这种混合管线排列法之所以遇到问题有若干原因。当添加剂以上述方法注入时，根据其与MFT的相对密度和相对于流动方向的注入方向，会在MFT流的顶部或底部产生聚集的趋势。对于非牛顿流体，例如Bingham流体，流体基本上像一段活塞在管道中向下流去，且在活塞的区域仅有很低的内部湍流。而且，当化学添加剂和MFT快速反应时，可以将在添加剂活塞的外侧形成一薄层反应区，这样就将未反应的化学添加剂和未反应的MFT分隔开来。

不充分混合可能将大大降低化学添加剂的效率甚至阻碍整个脱水进程。不充分混合还导致化学添加剂的利用效率降低，其中一些化学添加剂将保持未混合和未反应状态且无法进行回收。已有技术有若干缺点，包括无法对化学添加剂进行可控的、可靠的或充分的混合以及差的工艺效率及工艺灵活性。

还有另一个因素是添加化学试剂后对油砂尾矿的处理技术。如果不能适当地处理油砂尾矿，将减少或完全阻止脱水。在一些过去的试验中，未对所述处理进行管理或控制，而导致了不可靠的脱水性能。一些诸如在CIBA’s Canadian patent application No.2,512,324(Schaffer等)中所述技术曾试图简单地向管道中注入化学试剂，而不用可靠适合改变油砂尾矿组成、流量、液压性能或特殊化学添加剂的特性的方法。只依靠上述技术，忽略了对油砂尾矿进行混合和处理的复杂性，并阻碍了系统的灵活性和可靠性。当添加化学试剂及后续处理以这样一种不受控的、试凑的方式进行时，是不能达到脱水效果的。

以上给出了油砂处理中关于MFT的重要发明和正在进行的制备，仍需要技术和改进，使得可以对MFT进行干燥以将其转换为可开垦的地貌。

发明内容

根据上述需要，本发明的目的是提供干燥油砂细尾矿的方法。

因此，本发明提供了一种用于将油砂细尾矿脱水的方法，所述方法包括：(i)分散和絮凝物形成步骤，该步骤包括将包含有效量的絮凝剂的絮凝剂溶液在管线内添加到油砂细尾矿流中；(ii)胶凝步骤，其中，将絮凝的油砂细尾矿在管线内输送，并进行剪切调节；(iii)絮凝物破坏和水释出步骤，其中，所述絮凝的油砂细尾矿释出水，且所述絮凝的油砂细尾矿的屈服剪切应力降低，同时避免过度剪切区；(iv)将所述絮凝的油砂细尾矿沉积到沉积区域上，以形成沉积物且使得释出的水能够从所述沉积物流走。

在本方法的一个任选方面，在管道式反应器中进行步骤(i)、(ii)和(iii)。所述管道式反应器可以包括共环型注入装置，所述共环型注入装置用于絮凝流体在所述油砂细尾矿中的管线内注入。

在本方法的一个任选方面，所述絮凝剂溶液为其中所述絮凝剂基本上完全溶解的水溶液的形式。所述絮凝剂优选包括聚合物，所述聚合物在步骤(i)中响应剪切，从而分散遍布在所述油砂细尾矿中，而在步骤(ii)和(iii)期间能够剪切回弹。所述絮凝剂可包括根据筛选法选择的聚合物絮凝剂，所述筛选法包括：提供样品絮凝母体，所述样品絮凝母体包含所述油砂细尾矿的样品和最优化剂量的样品聚合物絮凝剂；对所述絮凝母体提供第一次剪切调节，以将所述聚合物絮凝剂与所述油砂细尾矿的样品迅速混合，随后对所述絮凝母体提供第二次剪切调节，所述第二次剪切调节与所述第一次剪切调节相比是相当低速的；确定所述第一次和第二次剪切调节期间的水释出响应；其中，增加的水释出响应提供所述聚合物絮凝剂对所述方法有利的指示。所述水释出响应可以通过测量所述絮凝母体的毛细抽吸时间(CST)确定。

在本方法的一个任选方面，所述方法还包括下述步骤：测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的油砂细尾矿的毛细抽吸时间(CST)以确定低CST间隔；和控制对所述絮凝的油砂细尾矿提供的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的尾矿沉积。

在本方法的一个任选方面，所述方法还包括下述步骤：测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的油砂细尾矿的剪切屈服应力；确定平稳区之后的逐渐下降区；和控制在步骤(ii)、(iii)和(iv)中的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的油砂细尾矿在所述逐渐下降区内沉积。

在本方法的一个任选方面，通过以下方式中的至少一个控制所述剪切调节：调整所述絮凝的油砂细尾矿在沉积之前经过的管道的长度；和在所述沉积步骤配置沉积设备。

在本方法的一个任选方面，在所述屈服剪切应力的所述逐渐下降区内和在所述低CST间隔内，进行沉积所述絮凝的油砂细尾矿的步骤(iv)。

在本方法的一个任选方面，所述絮凝的油砂细尾矿沉积在沉积池中，所述沉积池具有以约1％至约7％倾斜的倾斜底部表面。

在本方法的一个任选方面，所述方法还包括以下步骤：对所述沉积物进行作业，以将所述沉积物铺展在所述沉积池上并且对所述沉积物提供附加的剪切，同时避免所述过度剪切区。

在本方法的一个任选方面，所述方法还包括以下步骤：对所述沉积物提供充当水流路径的沟槽。优选地，基本上所有的沟槽在与所述倾斜底部表面相同的总方向上纵长地延伸。

在本方法的一个任选方面，所述沉积区域包括沉积池的多池构造。可以在距管线内添加所述絮凝流体不同距离处提供所述多池构造的沉积池，以使得能够通过改变沉积之前的管道长度来改变对所述絮凝的油砂细尾矿提供的所述剪切调节。所述沉积池中的至少一些可以趾对趾的关系排列，以分享共用的排水沟。

在本方法的一个任选方面，所述方法还包括以下步骤：在步骤(i)的上游对所述油砂细尾矿提供充足的液压，以避免下游泵送。

在本方法的一个任选方面，所述步骤(i)的分散的特征还在于，在与添加所述絮凝剂溶液处相距约5个管直径的下游位置的二阶矩M介于约1.0至约2.0之间。

在本方法的一个任选方面，所述沉积物由于释出水的排水或释放和蒸发干燥而脱水，所述排水或释水占失水的至少约60重量％，并且排水以每天增加至少约1.4重量％固体的速率进行，直至所述沉积物达到约55重量％至60重量％的固体。

还提供一种用于将油砂细尾矿脱水的方法，所述方法包括：将有效脱水量的包含絮凝剂的絮凝剂溶液引入到所述细尾矿中，以使所述絮凝剂溶液分散并且开始所述细尾矿的絮凝；对所述细尾矿进行剪切调节，以使絮凝物形成和重排，并增加屈服剪切应力以形成絮凝的细尾矿，所述剪切调节被控制以产生絮凝母体，所述絮凝母体具有聚集体和允许水释出的多孔网络；在所述多孔网络由于过度剪切而倒塌之前，使释出水从所述絮凝的细尾矿中流走。

在本方法的一个任选方面，所述絮凝的细尾矿可以沉积并且可以进行以实现每天增加至少1.4重量％的固体的脱水速率。

油砂细尾矿干燥方法的各种实施方式、各种特征和各个方面将结合附图和解说进行进一步的描述和说明。

附图说明

图1为一张具有普遍代表性的屈服剪切应力与时间关系图，示出了本发明的一个实施方式的各工艺步骤。

图2为一张具有普遍代表性的屈服剪切应力与时间关系图，示出了本发明的另一个实施方式的各工艺步骤。

图3是示出了一个MFT样品的剪切应力和剪切速率之间的关系的图，说明了高固体含量的MFT的非牛顿特性。

图4为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的侧视剖面图。

图5为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的局部透视图。

图6为图5的管线式反应器的局部透视图，其中横截面表示在距离注入位置的两个不同距离处的絮凝剂溶液和MFT的相对浓度。

图7为图6中VII截面的特写视图。

图8为图6中VIII截面的特写视图。

图9为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的一种变体的侧视剖面图。

图10为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的另一种变体的侧视剖面图。

图11为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的另一种变体的侧视剖面图。

图12为用以执行本发明的方法的实施方式的管线式反应器的另一种变体的局部透视图。

图13为在利用絮凝剂溶液处理的熟化细尾矿的搅动槽中，屈服剪切应力与时间的关系图，比较了不同混合速度。

图14为利用絮凝剂溶液处理的熟化细尾矿的水释出百分比与混合速度关系的柱状图。

图15为利用絮凝剂溶液处理的熟化细尾矿在管道中处于不同管道流速的屈服剪切应力与时间的关系图。

图16为一个利用絮凝剂溶液处理熟化细尾矿的示意图。

图17为另一个利用絮凝剂溶液处理熟化细尾矿的示意图。

图18为另一个利用絮凝剂溶液处理熟化细尾矿的示意图。

图19和20为沉积的MFT中固体百分数作为时间的函数图，示出了根据试验得到的干燥时间。

图21为不同混合器中，二阶矩M与MFT流量的关系图。

图22是沉积池的多池结构的俯视示意图。

图23是经絮凝剂溶液处理的熟化细尾矿的水释出百分比对混合速度方式的柱状图，确切地说，比较了混合方法和初始净释出的水，其中，净释出的水是随聚合物加入的所有水释出之后释出的水，且所有剂量均为1000PPM。

图24是剪切屈服应力对时间图，比较了用絮凝剂溶液处理过的熟化细尾矿在搅拌槽中的不同混合速度方式，确切地说，100rpm、230rpm和快-慢混合时的屈服应力。

图25是显示了四个不同步骤的絮凝的MFT的剪切强度进程图。

图26是显示了四个不同步骤的絮凝的MFT的剪切强度进程图。

图27是从经聚合物处理的MFT在搅拌过程中的最大水释出图。

图28是聚合物剂量随屈服应力和水释出变化的图。

图29是40重量％的MFT的扫描电子显微图像，显示了在不同剪切方式：(a)未经处理的MFT、(b)高屈服强度和(c)脱水步骤中的结构。

图30是其中最优化配料的、稀释至不同固体浓度的MFT样品的剪切强度进程图。

图31是其中最优化配以优选聚合物(PolyA)和高分子量线型阴离子聚丙烯酰胺aPAM(Poly B)的MFT的屈服应力进程图。

图32a是中试规模的絮凝的MFT(35重量％的固体)的剪切进程曲线。

图32b是取自图32a中理想剂量和低剪切情况下的各样品点的罐装样品的照片。

图33是距注入点距离不同的位置的絮凝的MFT的脱水速率图。

图34是在最优化絮凝的MFT中于数天后龟裂形成的照片。

图35是屈服应力在MFT中的变化图，表示为固体含量的函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。除了池B和池A(第2次挖掘)记录Brookfield静态屈服应力，所有MFT样品均记录使用Bohlin流变计测得的Bingham屈服应力。

图36是屈服应力在MFT中的变化图，表示为MFT中粘土含量的函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。

图37是屈服应力在MFT中的变化图，表示为CWR的函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。池A和C(Bingham屈服应力)的拟合曲线的R²等于0.96。除了池B和池A(第2次挖掘)记录Brookfield静态屈服应力，所有MFT样品均记录使用Bohlin流变计测得的Bingham屈服应力。

图38是屈服应力在MFT中的变化图，表示为粘土-对-(水+沥青)的比率的函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。拟合曲线的R2是0.96。

图39是屈服应力在MFT中的变化图，表示为CWR(粘土用尺寸表示)函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。

图40是屈服应力在MFT中的变化图，表示为细粒含量函数，所述MFT具有可变的砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。

图41是在不同的聚合物剂量时，池A的低密度MFT对剪切的响应图。最优化剂量是大约1200g聚合物/吨固体。

图42是在不同的聚合物剂量时，池C的MFT对剪切的响应图。最优化剂量是大约1600至1800g聚合物/吨固体。

图43是在不同的聚合物剂量时，池A的高密度MFT对剪切的响应图。最优化剂量是800g聚合物/吨固体。

图44是池C的(1600g/吨固体)、低密度的(1200g/吨固体)和高密度的(800g/吨固体)在最优化聚合物浓度下释出的MFT水量柱状图。

图45是溶液制备好数小时之后在不同剪切速率和温度下六种聚合物混合物的粘度图。

图46是粘度系数对浓度绘制的图。

图47是使用了共环型注入器的CST和水释出对管道长度调节图。

图48是聚合物絮凝剂剂量对调节管道长度的两部分的距离加权最小二乘图，比较了套管型和共环型注入器。

图49a到49b是三个在其中沉积了絮凝的MFT的池中的沉积数据随时间变化图，显示了沉积物的脱水和干燥。

图50a和50b是两个在其中沉积了絮凝的MFT的池中的沉积数据随时间变化图，显示了对絮凝的MFT过度剪切的效果。

图51是用于指示、筛选和鉴定絮凝剂的示例性决策树图。

图52是比较两种聚合物絮凝剂在筛选技术的第一步的净释出的水的柱状图。

图53是两种聚合物絮凝剂的净释出的水对剂量图。

图54是两种聚合物絮凝剂的屈服应力对Camp数图。

图55是在混合器中对于凝胶态和水释出处理的MFT使用聚合物絮凝剂的屈服应力和CST对时间图。

图56是斜面干燥试验图，显示了对于凝胶态和水释出处理的MFT使用聚合物絮凝剂随时间的％固体进展。

具体实施方式

参照图1和图2，将对本方法的一个实施方式的总体步骤进行描述。通过絮凝剂溶液在管线内向细尾矿中的分散，利用絮凝剂溶液对油砂细尾矿进行处理，随后通过输入充足的能量对细尾矿进行调节，使得絮凝的细尾矿固体形成和重排，以提高屈服剪切应力，同时实现水分释出，而不对絮凝了的固体结构进行过度剪切，所述固体结构随后能够形成通常是非流动性的沉积物。将絮凝的细尾矿沉积，以使水分释出并且形成可干燥的沉积物。

根据下列定义阅读本说明书：

“油砂细尾矿”指从油砂提取作业中得到的尾矿，包含细粒部分。它们包括来自尾矿池的熟化细尾矿、来自正在进行的提取作业的可不经过尾矿池的细尾矿，以及二者的混合物。在本说明书中，普遍使用MFT这一缩写，但是应理解为，根据本发明的方法进行处理的细尾矿不一定来自尾矿池。

“管线内流”指连续的流体输运线路，诸如管道或另一种流体输运结构中所含的流体，所述流体输运结构优选具有封闭的管状结构。

“含有絮凝剂的絮凝剂溶液”指含有溶剂和至少一种絮凝剂的流体。絮凝剂溶液中可含有不同种类絮凝剂的组合，还可含有附加的化学试剂。溶剂中优选含有水，但也可根据要求含有其它组分。絮凝剂是具有如下结构的化合物，所述结构在颗粒间形成桥接、并将颗粒合并为被称作“絮凝物”的随机的三维多孔结构。因此，絮凝剂不包括那些仅仅通过降低胶体内部双电层的排斥电势，起静电作用的化学试剂。所述絮凝剂具有在MFT中分散之后构成絮凝物构造的结构，且当处于特别的调节窗口区时，能够对絮凝物进行重排及水释出。优选的絮凝剂可根据给定的工艺条件和MFT的组成来选择。

“分子量”指通过本领域公知的测量方法所确定的平均分子量。

“分散”与引入MFT管线内流的絮凝剂溶液有关，指在絮凝剂溶液引入MFT中后，由液滴转变成分散状态，其足以避免在MFT的局部发生反应不足或过度反应，反应不足或过度反应将阻止在后续调节步骤中，为了能够可靠地进行脱水和干燥所需的絮凝的完成。

“絮凝调节”发生在管线内，包括絮凝剂与MFT固体生成絮凝物的反应，以及通过重排反应增加正在絮凝的MFT的强度。

“水释出调节”指向絮凝了的MFT中输入能量以启动结构的重排和破坏，以使水从絮凝了的母体中释出。能量输入可通过管线内的剪切或其它方法进行。本文中的“水释出”指水从絮凝了的母体中选择性地分离出来，同时十分完整地保留絮凝物以便沉积。

“过度剪切”是水释出调节的极限的步骤，应当避免，“过度剪切”指将附加能量输入絮凝了的MFT造成了结构的消散，并且使细粒在水中再次悬浮。过度剪切的MFT将一度被絮凝物捕集的细粒和细屑重新释放回并悬浮于水中，基本上回到其原始的流体性质，只不过含无效的试剂而已。

“非流动性的细尾矿沉积物”指未被过度剪切的且在干燥时具有充足强度以维持原状的沉积的絮凝了的MFT。尽管通过调节已触发从絮凝物中水释出，MFT沉积物仍可具有在其沉积后继续释出水的部分。MFT沉积物的干燥可通过重力排水、蒸发和渗入而发生。从絮凝了的MFT中脱水也可发生在沉积之前，例如当为了沉积将其排出时，一股释放出的水流从絮凝了的MFT中分离的情况。沉积之时，沉积物可经过一定量的移动或流动，之后到达停滞状态。

“屈服剪切应力”指引起MFT流动所需的剪切应力或压力。应当注意，在本说明书中，术语“屈服剪切强度”、“屈服剪切应力”、“屈服强度”、“屈服应力”、“强度”、“应力”及类似术语有时交替使用。

“沉积区域”是指絮凝的MFT沉积的区域，且可以采取以下形式：反过来通向尾矿池的滩涂，可具有限定的侧壁的沉积池，或其它类型的接纳絮凝的MFT的天然的、合成的或构筑的地表。

在本发明所述方法的一个实施方式中，油砂细尾矿主要为从尾矿池得到的MFT，这些物质量庞大，需要回收。根据下游工艺条件，可对原始MFT进行预处理。例如，可将尺寸过大的物质从原始MFT中移除。此外，取决于所使用的絮凝剂，任选择性地除去特定的成分。例如，当使用阳离子型絮凝剂时，可对原始MFT进行处理，以减少会导致絮凝失活的残余沥青的含量。为了MFT的处理或为了MFT的液压性能，还可对原始MFT进行预处理，以提供一定的MFT固体含量或MFT细粒含量。更多关于对原始MFT可能进行的预处理将根据下文所述的对工艺步骤的描述进行说明。细尾矿也可由正在进行的油砂提取作业得到。MFT可通过管道供应，或通过专门泵补给。

在一个实施方式中，所述工艺在“管线式反应器”中进行，其后沉积到沉积区上。所述管线式反应器可有多种形式的配置，其中一些将在下文中具体描述。

将待处理的MFT优选以管线式反应器上游部分中的管线内流的形式予以提供。MFT的性质及其特定的流动特性将显著取决于其组成。在低矿物浓度的情况下，使MFT流体产生运动的屈服应力小，且液压分析中可将流体特性近似为牛顿流体。但是，当矿物浓度上升时，为了启动流动必须克服屈服应力。这种流体是一类非牛顿流体，通常用诸如Bingham流体、Herschel-Bulkley屈服值幂律模型或是Casson流体等模型拟合。其流变学关系如图3中所示，说明了在MFT样品中不同的矿物浓度下屈服应力对剪切速率的响应，认为MFT是Bingham流体。也可在粘度研究中作为Herschel-Bulkley流体或Casson流体对MFT建模。

管线内MFT的流变学经验数据和模型已经证实，当通过传统侧面注入法向Bingham流体态的MFT中加入絮凝剂溶液时，溶液分散对流量、直径比和流体性质非常敏感。

在本方法的一方面中，特别是当絮凝剂溶液配方表现非牛顿流体行为时，进行导致两种非牛顿流体迅速混合的分散步骤。非牛顿流体的迅速混合可通过提供混合区并引入絮凝剂溶液实现，该混合区中具有湍流涡流，所述湍流涡流流入顺流区，由此湍流涡流便将絮凝剂溶液混合入顺流区。优选将絮凝剂溶液引入湍流涡流，之后再混合入顺流区。

图4和5示出一种管线式反应器的设计图，其能够进行非牛顿流体的这种迅速混合。上游管10补给的MFT进入混合区12。混合区12包含一个用以注入絮凝剂溶液的注入装置14。该注入装置也可视为一个“混合器”。注入装置14可包含环形板16，环绕环形板16分布的注入器18，以及限定在环形板16内的中心锐孔20。MFT加速通过中心锐孔20，并形成顺流区24和由湍流涡流构成的环形涡流区22。注入器18将絮凝剂溶液直接引入涡流区22，使其与湍流的MFT相混合。MFT涡流向锐孔20的反向再循环使得絮凝剂溶液混合入MFT的顺流。顺流区24顺下游管26继续前进并不断扩展。在某些混合器的实施方式中，顺流区可以是利用锐孔或折流板形成的喷射流的反静脉区(vena-contra region)。MFT的主流因此汲取絮凝剂溶液并与之混合，导致絮凝剂溶液的分散，而且在管道中短距离之内便开始絮凝。在图4和5中所示的注入装置14也可视为一“孔板混合器”。对于图4和5的混合器，孔直径“d”与下游管直径“D”之比的优选范围为0.25-0.75。

图6-8基于计算流体力学(CFD)模型和由设于MFT管线式反应器上的试验装置得到的经验数据对孔反应器的性能进行说明。在直径为2英寸的管道中，MFT流量为30LPM，而絮凝剂溶液以大约3LPM速率注入。长为2英寸的孔板混合器具有锐孔：下游管直径比d/D＝0.32，带有6个直径为0.052英寸、位于直径为1.032英寸的节距圆上的注入器。由于MFT和絮凝剂溶液密度不同，因此一种有效确定混合程度的方法是，利用下式确定浓度C对管道截面A的二阶矩M，其中，为完全混合情况(此时直接要求M＝0)下的平均密度。

$M=\frac{1}{A}\underset{A}{\∫}{(\frac{C}{\stackrel{\‾}{C}}-1)}^2\mathrm{dA}$

在图6-8中，暗区表示了尚未与絮凝剂溶液混合的MFT(下文称之为“未混合MFT”)。在紧邻混合器的下游，未混合MFT区局限在管道中心，并被该区域内不同的表现出局部湍流的絮凝剂溶液-MFT混合物所环绕。当絮凝剂溶液易于混合入MFT时，向下游的湍流区喷射絮凝剂溶液，可导致絮凝剂溶液先将连续相剪切为液滴，由此扩散混合将絮凝剂分散进入MFT。

CFD模型是基于絮凝剂溶液为幂律流体而MFT为Bingham流体且不发生反应。Bingham流体近似考虑到了MFT的非牛顿特性，即需要屈服应力以引起其流动。Bingham流体还具有时间无关性，其剪切应力与时间或剪切持续时间无关。在一些任选的实施方式中，CFD模型可用于确定和改善絮凝剂溶液和MFT间的初始混合及本方法的其它方面。

注入装置14可在管线式反应器中使用多种其它的构造，亦可包含各种元件如折流板(未示出)。在图9中示出的注入装置的一个任选方面中，至少有部分注入器方向以向内的角度定向，以使絮凝剂溶液经过湍流涡流混合，而且还喷向MFT流的中心。在图10中示出的另一个方面中，锐孔的直径减小，注入器可位于距离锐孔比距离管壁更近的地方。混合器的注入器还可位于距管道中心的径向距离不同的位置。在另一方面中，代替带有中心锐孔的环形板，所述装置可包含折流板或带有一个或多个用以使MFT流经混合区，同时形成湍流涡流的开口的板。在图11中示出的另一个方面中，注入器朝向MFT流动方向，以达到逆流注入的目的。图12示出了另一种可进行与本发明所述工艺有关的操作的注入装置的设计。应当注意到，注入装置可包含沿管道的流动方向串联设置的多个注入器。例如，可设置一个上游注入器和一个下游注入器，其具有足以导致混合的构造和间隔。在一种优选的混合方式中，混合系统能够打碎Bingham流体的活塞流动特性，这通过使用一个孔或相对的“T”字形混合器进行，其中MFT和絮凝剂溶液进入T形物的各臂，顺着主干排出。在此，密度差别(MFT密度取决于浓度～30重量％，相当于比重～1.22而絮凝剂的密度可大约为1.00)与注入管嘴的取向共同起作用，并将它们设置为使湍流涡流能够混合入絮凝剂溶液并且分散。

下表比较了在相同的MFT流与絮凝剂溶液流的条件下，使用孔板混合器(图4)和套管混合器(图12)时，在注入位置下游的各个位置处的二阶矩。

在如图7所示的孔板混合器注入点附近，存在环绕强的MFT喷射流的更大未混合聚合物区，“M”值为11.75。但是，与MFT喷射流的混合迅速发生，因而在注入点下游5个直径距离处，二阶矩M的值为1.10，如图8所示。相反，对于图12所示的套管混合器，二阶矩M的值在开始混合时为5.75，而在注入点下游5个直径处仅改善为2.24。相比于使用套管混合器，优选使用孔板混合器进行混合。

优选混合充分以在L/D＝5处达到M＜2，对于管线式反应器，还优选混合充分以在L/D＝5处达到M＜1.5。以优选程度控制混合允许改善分散、絮凝及脱水的性能。

絮凝剂溶液向MFT中的初始混合对絮凝反应而言非常重要。在引入絮凝剂溶液后，它首先迅速地与细尾矿混合，以增强和确保遍布于下游管中的絮凝反应。当絮凝剂溶液与MFT接触时，它开始反应，形成由许多链型结构和MFT矿物组成的絮凝物。如果当絮凝剂溶液被引入管道后未充分混合，则絮凝反应可能只在尾矿管线内流中的小片区域进行。因此，如果尾矿在聚合物注入的下游混合，因为尾矿的流变性将发生改变，混合将困难得多。另外，如果后续混合向凝絮物施加过大的剪切，最初在小片区域中形成的絮凝物会被不可逆地破坏。过度剪切凝絮物导致细粒悬浮在水中，重新形成为胶体混合物，从而阻碍水释出和干燥。因此，如果在引入絮凝剂溶液后不充分混合，由于必须在为絮凝了的尾矿提供所需的高混合能量与避免由于过度剪切引起的絮凝物破坏的要求之间寻求平衡，后续混合将有问题。

所述初始混合能够通过本方法的多个任选方面达成和改良。一方面，设计和操作注入装置提供湍流涡流，该湍流涡流将絮凝剂溶液混合和分散入MFT的前进流中。另一方面，选择絮凝剂，使得絮凝剂溶液的粘度降低，以易于分散。还可配制絮凝剂溶液并定量加入MFT以促进其向MFT中分散。优选配合混合器的注入条件选择和定量加入絮凝剂溶液，以使絮凝剂溶液含有足量的与MFT反应所需的试剂，并且拥有易于通过混合器结构分散的液压性能。例如，当使用表现出塑性或假塑性非牛顿特性的粘性絮凝剂溶液时，可在混合器中用高剪切注入条件进行操作，以充分降低粘度，使得在给定的液压混合条件下，得以分散进入MFT。且另一方面，将絮凝剂选择为当混合时剪切响应且形成具有增加抗剪性的絮凝物。增加的抗剪性使得能实现更激烈、更苛刻的混合，并且降低生成的絮凝物过早发生过度剪切的可能性。增加的抗剪性可通过提供具有特定电荷特性、链长、官能团、互联或内联结构的絮凝剂得到。另一方面，选择含有促进剪切混合、重排及选择性水释出的官能团的絮凝剂。另一方面，选择絮凝剂以形成大块絮凝物，促进所述大块絮凝物的重排和局部破坏以水释出。另一方面，絮凝剂可以是有机聚合物絮凝剂。聚合物絮凝剂可具有高的分子量，如超过10,000,000，或低分子量。高分子量的聚合物可倾向于形成抗剪切性更高的絮凝物，但也在预期用量下形成更具粘性的絮凝剂溶液。因此，可对这种絮凝剂溶液进行高剪切的注入以减少粘度，而且湍流涡流可有充足的尺寸和间距以使絮凝剂溶液在管道混合区内分散。

在一些任选的方面，任选择并定量加入适合于MFT中粘土浓度的絮凝剂。根据MFT的组成及其液压参数，絮凝剂可为阴离子型的、阳离子型的或非离子型的，也可拥有各种各样的分子量和结构。

应当注意到，与在MFT凝固和回收领域中的常规教导相反，干燥工艺的改良与可预言性更多取决于工艺步骤，而非选择的特殊絮凝剂。当然，在工业规模上，取决于多种因素，某些絮凝剂将优于另一些。但是，通过根据工艺步骤进行适当的混合与调节，本发明所述方法使得非常多样的絮凝剂应用成为可能。作为例子，絮凝剂可以为有机聚合物絮凝剂。它们可以为聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、阴离子型聚合物、聚电解质、淀粉、可以基于聚丙烯酰胺-聚丙烯酸酯的共聚物，或其它有机聚合物絮凝剂。有机聚合物絮凝剂可由絮凝剂供应商处获得，并加以选择，以决定其对特定商业应用的适合性和指标。

不过，某些聚合物试剂可以是优选的。在一个任选的方面，聚合物絮凝剂在步骤(i)响应剪切，且在步骤(ii)和(iii)是剪切回弹的。因此，在注入后，响应高剪切条件，聚合物溶液能够和MFT迅速混合，而后提供一定的剪切回弹量以允许絮凝物形成和重排，并避免在下游管道中因响应管壁剪切应力而发生过早的或迅速的絮凝物破坏。聚合物絮凝剂可含有一些能够在混合步骤对剪切产生响应的单体，以及能够在后来的步骤剪切回弹的其它单体或结构。剪切响应可通过聚合物高剂量时的聚合物溶液的低粘度得以实现，因此低粘度聚合物溶液可以是优选的。同时，剪切回弹可通过聚合物在管道输送中经受的剪切条件下耐受剪切破坏的结构特征得以实现。

在一个任选的方面，可根据筛选和鉴定的方法选择聚合物絮凝剂。筛选法包括提供样品絮凝母体，其包含MFT样品及最优化剂量的样品聚合物絮凝剂。优选MFT样品为与待处理的MFT同样的或具有代表性的，例如来自同一个池中和同一地点的。筛选法还包括对絮凝母体提供第一次剪切调节，以使聚合物絮凝剂与油砂细尾矿样品迅速混合，随后对絮凝母体提供与第一次剪切调节相比是相当低速的的第二次剪切调节。这可通过用叶轮以两种RPM进行，例如先用230rpm随后用100rpm，它们分别模拟了迅速分散和管道调节。优选通过测量CST，确定在第一次和第二次剪切调节期间的水释出响应。增加的水释出响应提供了聚合物絮凝剂可以优选用于本方法的指示。

在本方法的一些任选方面，絮凝剂可以是具有高分子量的聚合物絮凝剂。聚合物絮凝剂优选在总电荷方面为阴离子型，优选为大约30％阴离子带电量的，所述絮凝剂可包含一定量的阳离子单体并可是两性的。优选聚合物絮凝剂可溶于水，以形成聚合物完全溶于其中的溶液。聚合物大部分地或部分地溶于溶液也是可能的。聚合物絮凝剂可以由以下单体组成：选自烯键式不饱和羧酸和磺酸单体的阴离子单体，其可以选自丙烯酸、甲基丙烯酸、烯丙基磺酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)等等，以及这些单体的盐类；选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸的羟烷基酯、N-乙烯吡咯烷酮、丙烯酸酯等等的非离子单体；选自DMAEA、DMAEA.MeCl、DADMAC、ATPAC等的阳离子单体。聚合物絮凝剂还可有能够使令絮凝的MFT的屈服强度更高的交互作用发生的单体。在这点上已知，在各种工业例如采矿业中，作为增稠剂使用的合成的聚合物具有疏水的基团以形成缔合的聚合物，使得在水溶液中，疏水基团结合在一起而限制水的交互作用，并且粘在一起，在溶液中及当与MFT反应时，提供所需的剪切、屈服应力或粘度响应。聚合物絮凝剂也可有所需的高分子量，优选大于10,000,000，从而有优选的絮凝反应性和脱水潜力。聚合物絮凝剂通常可为线型，或根据期望的剪切和工艺响应以及与所给的MFT的反应性，通过存在的提供许多支化或交联结构的支化剂支化。

在本方法的一个优选方面，聚合物絮凝剂可为高分子量支化阴离子聚合物例如约为20-35％阴离子带电量，优选约为30％阴离子带电量的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物。

在传统的搅动式混合槽中，进一步通过改变混合器的初始速度评估初始混合。图13示出了代表性的实验室试验结果，比较了迅速混合(230RPM)和缓慢混合(100RPM)。对比采用混合器以较低初始速度进行的试验，使用混合器以较高初始速度进行试验的结果为，明显更快生成具有高屈服剪切强度的絮凝MFT。在较低速度下，延时可归因于将絮凝剂溶液向MFT中分散。此外图14显示，迅速的初始混合还导致高的水释出速率，从而得以缩短干燥时间。

简要地参照图23和24，可见与单独使用的慢速或快速混合相比，先进行高剪切迅速初始混合，随后实施低剪切方式，导致沉积时来自絮凝的物质的更多的净释出水。

尽管在实验室规模的搅拌槽中已证明迅速混合的益处，但其它结果也证明了过度混合和过度剪切的效果，它们将破坏絮凝了的MFT，导致MFT将不脱水。实验室规模的搅拌槽本质上是一种间歇回流式的反应器，其中，混合器首先施加剪切以使物质混合，其次，当反应进行直至完成时，将正在絮凝的颗粒维持在悬浮状态。因为操作参数很容易调节，所以搅拌槽便提供了很有价值的手段，用以评估可能的絮凝剂的效能。对于本发明所述的连续管线内工艺的实施方式，实验室规模的搅拌槽的数据可方便地与实验室管线式反应器试验以及CFD模型相关系，以选择特殊的操作参数和絮凝剂。

向管线式反应器中加入的MFT可配有连续流量计、连续密度计以及通过任何标准仪器方法控制MFT流的装置。还可有压力传感器，其能够监测管线内各区域的压降以助于向控制算法提供信息。根据密度计的算法可计算MFT中的物质浓度，将其作为输入流量计的数据，则确定了进入管线式反应器的矿物的质量流量。将管线式反应器的操作数据与特性数据相比较，便能够调节流量以改善干燥MFT的加工条件，所述数据由具体的絮凝剂性质、具体的MFT性质和具体的管线式反应器结构得到。在管长90米的12英寸的管道中，利用混合器对固体含量为40％的MFT脱水作业，MFT处理速度为2000USgpm。

再参照图4和5，在向混合区12中引入絮凝剂之后，正在絮凝的MFT连续进入调节区28。在下述的某些方面，通常将所述工艺的调节步骤描述为含有两个部分：絮凝调节和水释出调节。

在此还要注意，对于牛顿流体系统，对絮凝系统的研究已经得到了一些手段和关系，用以帮助预报和设计工艺。例如，一个已经形成的，应用于一些絮凝系统的关系是一个称为“Camp数”的无量纲数。Camp数关联到在物质流量方面的功率输入以及体积摩擦以及流体绝对粘度。在非牛顿系统如MFT聚合物混合中，用于Camp数的管道摩擦项和绝对粘度项均取决于具体的流动型态。对管道调节数据的初始估计意味着，能量输入可与Camp数或修正Camp数有关。修正Camp数除了流动和摩擦因素外，还考虑了正絮凝剂、絮凝了的MFT的流变学。

絮凝调节优选发生在管线内，引起了絮凝物的形成和重排，并且增大了MFT屈服剪切应力。参考图4和5，一旦MFT通过了混合区12，它便直接到达了管线式反应器的絮凝调节区28。絮凝调节区28通常是带有特殊内径的向MFT施以管壁剪切的下游管26。在所述工艺的一方面，絮凝调节将屈服剪切应力增大到上限。所述上限可以是某单独的最大值，如图1中所示，或是波浪形的高台，含有多个随时间变化的局部最大值。如图2中所示。曲线的形状可视为絮凝剂溶液的主函数，带有数个二次函数，这些二次函数归因于分散和输入管道的能量，例如通过折流板等。

脱水调节优选发生在所述絮凝调节之后。参考图1和2，当达到屈服应力上限之后，附加的能量输入引起屈服剪切下降，并伴以从絮凝了的MFT母体中水释出。优选在絮凝调节之后和沉积之前，在管线内以一种连续的方式对水释出进行调节。在这种情况下，水释出可在管道中开始，导致一股水流沿着管道出口排出，以及沉积絮凝了的MFT。释出水将很快从MFT沉积物中流走，特别是在斜坡状的沉积区上，而MFT沉积物有足够的强度保持位于沉积区域上。此处，优选在下游管中没有高剪切装置，例如泵。MFT管线式反应器入口处的液压优选设定为，不需要用以克服沉积之前的静态和差分管道压头损失的附加泵送，所述的泵送将过度剪切絮凝物。令MFT沉积物于沉积之后在合适的位置干燥，而非用更多的剪切扰动沉积的MFT，也是优选的。备选地，水释出调节可发生在一套受控的装置(未示出)中，该装置包括折流板、搅拌器、混合器、或旋转式分离器，或是它们的组合体，而不是在管内进行。水释出调节也能够发生在絮凝了的MFT沉积之后，例如以有序形式利用机械机制进行。在这种情况下，絮凝了的MFT能作为类似凝胶的物质沉积，其屈服剪切强度允许其保持其形态，但并不倾向于促进水释出，直到施以附加的能量输入。通过将絮凝的MFT从屈服应力上限回落调节，所述的方法避免了保水的类凝胶沉积物的形成，可靠地令MFT能够水释出和加速干燥。

还应注意不要将MFT从高处排出，这样将由于在沉积区域或以前沉积的MFT上的碰撞冲击而加速过度剪切。

絮凝调节和水释出调节能够在管道中通过改变MFT的流量得到控制。优选流量应尽可能高，以增加正在絮凝的MFT的屈服应力发展速率，同时避免基于管道对沉积区的液压剪切的过度剪切。为了确定调节响应，在管线式反应器中进行试验。图15确定了对改变管道流量的响应。将34％重量固体的MFT以约26LPM的流量泵送通过直径为2英寸的管道，以进行低流量试验，而以约100LPM的流量进行高流量试验。对低流量试验将0.45％的絮凝剂溶液以大约2.6LPM注入，而对高流量试验以大约10LPM注入。与低流量情况相比，在高流量时，絮凝的MFT的最大屈服剪切应力出现较早。这一观测到的响应显示，总体能量输入是一个重要的参数，其中在此情况下输入能量是由于流体与管壁的相互作用导致的液压损失。

参照图4和5，调节区28可包含折流板、孔板、管线内静态混合器或缩小的管道直径(未示出)，特别在管道配置可能限制管线式反应器长度的情况下，用于限制能量输入，以使絮凝了的MFT不被过度剪切。如果过度剪切絮凝了的MFT，絮凝物将再度破坏，且矿物固体复原为初始的胶状MFT流体，将不会脱水。

在本工艺的一个优选实施方式中，当释出时的絮凝了的MFT的屈服应力低于200Pa时，对于将沉积的MFT进行脱水或回收而言，絮凝了的MFT的强度不足。因此，絮凝了的MFT的屈服剪切应力应保持在此极限之上。不过，应当理解，其它絮凝剂可能使絮凝了的MFT能够在较低的屈服应力下被脱水和回收。因此，尽管图1和2显示，低于200Pa的屈服应力处在过度剪切区中，这些代表性的附图并不将本工艺局限在这一精确值。当本工艺的实施方式中使用20％-30％电荷的阴离子聚丙酰胺高分子量聚合物时，屈服剪切应力窗口的下限大约为200Pa，且絮凝了的MFT优选在300Pa至500Pa范围内沉积，取决于混合过程和MFT的固体含量。还应注意到，在管线式反应器中观测到屈服剪切应力上限达到400-800Pa。还应注意到，观测到MFT的屈服剪切应力在初始水释放后，当MFT沉积时已超过1000Pa。

通常，工艺步骤对给定的絮凝剂和MFT的响应受到絮凝剂类型、絮凝剂溶液液压性质、MFT的性质包括其浓度、其颗粒尺寸分布、其矿物学和其流变学、定量给料量和能量输入的影响。

本方法提供了有利能力，以预言和优化给定的絮凝剂和絮凝剂溶液对MFT脱水而言的性能。混合区确保了絮凝剂的有效应用，而管道的长度、流量条件和应所需而设的折流板提供了对于水释出最大化所必需的剪切，并避免了当MFT从管线式反应器中排出时的过度剪切。

在本发明的一个实施方式中，在管道中进行水释出调节之后，絮凝了的MFT沉积形成非流动性MFT沉积物。调节后的MFT适于在沉积区域直接沉积，在沉积区域水由固体中释放，在重力作用下流走，并进而通过蒸发进入空气及可能渗入沉积区。沉积区可包含砂地表面，以利于流走和渗入。将MFT沉积物干燥，使MFT固体的浓度达到稳定以便回收。在其它替代实施方式中，为了对絮凝了的MFT进行脱水，可使用固液分离设备，以提供加强的剪切，但并不使絮凝的MFT过度剪切。可使用MFT管线式反应器对具有非牛顿流体性质的MFT或其它尾矿或胶状流体进行处理，用于沉积或用于其它脱水装置如过滤器、稀释器、离心机和旋流器。

在本方法的一个方面，从池中持续地提供固体含量超过20％重量，优选在30-40％重量的MFT。优选未稀释MFT。在絮凝剂溶液分散入MFT之后，絮凝了的MFT释出水分，从而允许水从絮凝了的MFT在管线内分离。

在本方法的一个方面，沉积区域可包含沉积池的多池构造，如图22中所示。各沉积池可具有其自身的设计，且可对池进行排列，以改善水释出和土地使用。各沉积优选具有头部区和趾部区，絮凝的MFT沉积在所述头部区，而所述趾部区与头部区间隔一定长度。斜坡底部表面从头部区延伸到趾部区，使得趾部区与头部区相比地势较低。池优选为具有侧壁，使得沉积了的MFT将至少部分地填充池的容积。如图22中所示的多池构造可与诸如示意性显示于图16、17和18中的那些的各种混合器、管道传输及调节的设备相结合。絮凝剂溶液可在不同的地点注入管道，取决于在沉积之前对絮凝的MFT提供的所需的剪切调节，以得到所需的脱水效果。可根据与沉积池的可用性、所需的剪切调节及观测到的干燥时间使用阀门对絮凝的MFT的传输进行控制，从而提供对MFT脱水作业的灵活控制。

通过下述实施例，对本发明的实施方式和方面将作进一步的理解和描述。

实施例

实施例1：

如上文描述中所述，进行实验室规模的搅拌槽试验，以评价絮凝剂溶液向MFT中的混合。实验室搅拌器初始运行速度为100RPM或230RPM。30％电荷的阴离子聚丙烯酸胺-聚丙烯酸酯抗剪切性共聚物的剂量为每干燥吨大约1000g。图13和14显示，迅速初步混合缩短了屈服应力的进程，以使脱水成为可能，并且增加了从MFT中释出水。

实施例2：

如上文描述中所述，进行实验室规模的搅拌槽试验，以评价不同剂量的絮凝剂溶液向MFT中的混合。对含有不同剂量溶解絮凝剂的絮凝剂溶液，实验室搅拌器的运行速度为100RPM或230RPM。絮凝剂的计量范围为每吨干燥的MFT使用800至1200g，显示了对脱水而言充分的混合和絮凝。此处絮凝剂为30％电荷的阴离子聚丙烯酸胺-聚丙烯酸酯抗剪切性共聚物，分子量超过10,000,000。对用于含有50到75％粘土含量的MFT的各种30％电荷的聚丙烯酰胺，剂量范围为每干燥吨1000g±20％是合适的。

实施例3：

如上文描述中所述，进行连续流管线式反应器试验。结果示于图15中，比较了高的和低的流量。为进行低流量试验，将固体含量为34％重量的MFT以26LPM的流量泵送通过2英寸直径的管道，在高流量试验中以100LPM泵送。为进行低流量试验将0.45％有机聚合物絮凝剂溶液以2.6LPM注入，在高流量试验中以10LPM注入。从注入到沉积的距离为753英寸或376.5倍管道直径。长度为2英寸的孔板混合器具有锐孔：下游管直径比d/D＝0.32，带有6个位于直径为1.032英寸的节距圆上的直径为0.052英寸的注入器。对高流量试验，所述6个注入器直径增加至0.100英寸。

实施例4：

如上文描述中所述，使用计算流体力学(CFD)模型。CFD建模将混合区中的絮凝剂溶液认为是幂律流体并将MFT认为是Bingham流体，并且证实，正如在背景技术章节中讨论过的，在相同条件下图4和5的注入装置均充分混合而常规的侧面分支管均为不充分混合。在2英寸直径管道中，MFT的流动速度为30LPM，且聚合物溶液以3LPM注入。2英寸长的孔板混合器具有锐孔：下游管直径比d/D＝0.32，带有6个位于直径为1.032英寸的节距圆上的直径为0.052英寸的注入器。MFT的密度为1250kg/m³，屈服应力为2Pa，而聚合物溶液的密度为1000kg/m³，幂律指数n＝0.267，稠度指数为2750kg s^n-2/m。

此外，在图6-8中所示的图像只能通过CFD建模出现，因为实际MFT是不透明的。对于MFT，CFD模型将非牛顿流体特性合并至液压分析中，以求为各种不同MFT性质和絮凝剂溶液之间可能的组合和改变，发展健全的设计。

实施例5：

如上文所述，相比于选定特定的絮凝剂，本发明更在于工艺步骤。本领域技术人员能够选择各种各样的絮凝剂，其能够使管内分散、絮凝、水释出和沉积发生。一种选择方针的方法包括取得工业应用的MFT的代表性样品并且用快-慢搅拌器试验以观测絮凝物的水释出能力。在快-慢混合器试验中，将絮凝物注入以高搅拌速度运行的混合器中，延迟7秒后将搅拌器切换至低速搅拌。由此可评定水释出。例如，试验中用230RPM(相应剪切速率为131.5s^-1)进行快速混合并用100RPM(相应剪切速率为37.s^-1)进行低速混合。快-慢搅拌器试验用10％、20％、30％和40％电荷的阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂进行，结果30％电荷的阴离子聚丙烯酰胺使得水释出更佳。将这样的30％电荷的阴离子聚丙烯酰胺应用于管线式反应器并进行CFD建模，验证了这一方法。此外，快-慢搅拌器试验用高分子量和低分子量线型阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂进行，结果高分子量聚丙烯酰胺使得水释出更佳。快-慢搅拌器试验可以与CFD模型联合使用，用于对具有所需配方的密度的絮凝剂溶液混合进行试验。这样的絮凝剂和絮凝剂溶液的交互确认有助于改进工艺作业条件以及验证首选的絮凝剂和絮凝剂溶液。

图23和24示出了对聚丙烯酰胺聚合物进行的快-慢试验的结果。注意到，所述快-慢试验可确定一些可以接受的聚合物，否则其使用标准单速混合试验被筛除。迅速地确定和筛选有潜力的聚合物与工艺的改善、工艺的灵活性和成本的降低有关。使用快-慢法和获得经过处理的MFT的毛细抽吸时间(CST)数据能够选择有利的絮凝剂。

在对候选絮凝剂的另一项研究中，使用多步筛选法对两种30％阴离子型高分子量聚合物絮凝剂进行了试验。第一步，评价化学试剂活性，第二步，在第一步确定的最优化剂量附近作出所给的MFT固体或粘土含量的水释出曲线。在第一步中，两种聚合物用于组成10重量％的尾矿混合物，通过在搅拌期间以100ppm为增量逐渐地加入聚合物而最优地投配，直至观测到沉淀。一旦观测到沉淀，中止反应并将沉淀物和上清液置于筛上。收集上清液并记录其体积。对上清液进行水分分析。在第二步中，使用快-慢方法，对在第一步确定的最优化剂量附近的40重量％的MFT生成水释出曲线。优选在本次评估中获得屈服应力和CST的数据。

实施例6：

进行试验，显示了能够在将絮凝剂注入管线内的MFT，之后进行管道调节、沉积和干燥。图16-18示意性示出了可使用的不同的设置。对图16-17，絮凝的MFT沉积在滩涂上，而对图18，沉积在沉积池内。

该MFT为36％重量的固体，从池中以300至720gal/min的流量泵出。絮凝剂溶液在不同的位置注入管线内。所用絮凝剂中一种为30％电荷的阴离子聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物，其分子量超过10,000,000。沿着管道对絮凝了的MFT进行调节并且将其从串联安置的套管喷出。

为了监控干燥过程，获取样品并分析固体百分比。取决于样品位置，达到75重量％的固体的干燥时间从5到7.5天。具有斜坡的沉积区显示出更快的干燥。图19和20显示了沉积的MFT的干燥时间的两个不同样品点的结果。

在每吨干燥MFT中0.6Kg到1.1Kg之间的剂量提供了优选的排水结果，且排出的水比使用此范围之外的剂量时更加干净。试验显示，由于多种原因，错误的剂量会减少脱水。如果剂量太低，一些MFT未絮凝且总体上缺乏脱水性能。应用过多剂量的絮凝也会导致减少脱水，因为导致水分聚集成含有固体的半凝胶块，使得在所给的管道尺寸和液压条件下，更加难以提供充分的调节以使其水释出。这两种情况均被观察到，并且对剂量进行了补偿调节。此外，水质取决于剂量控制。剂量过度或不充分混合(造成局部剂量过度)导致差的释出水质，有时其中含有超过1重量％的固体。加强剂量控制，优选剂量范围和迅速初始混合有助于解决水质问题并促进MFT的脱水和干燥。其它观测资料记录到了尽管有明显的降水，沉积的MFT仍脱水和干燥，因此耐受由于降水导致的再水合。

此外，观测了MFT沉积物上的开垦，在沉积区域播种植物，后来记录到其健康生长。

实施例7：

成功处理MFT的挑战之一是在作业中遭遇到的工艺变化。可期望使用侧面注入喷嘴用于将液体混合入MFT。利用为MFT管线式反应器模型而发展的混合过程算法，对于MFT流量的范围，图21比较了典型的侧面注入喷嘴与图4中在2英寸管道上的带孔喷嘴，基于：

-MFT为30重量％的固体且作为Herschel-Bulkley流体进行建模，屈服应力2Pa和高剪切速率粘度为10mPas。密度为1250kg/m³。

-絮凝剂溶液作为n＝0.267且稠度指数(k)为2750kg s^n-2/m的幂律流体进行建模。密度为1000kg/m³，且流量为MFT体积流量的1/10。

-孔板混合器孔径比0.32。

-注入聚合物溶液的流动区域对两种混合器都是相同的。

图21说明，图4的孔板混合器相比于常规的侧面注入喷嘴来说，在MFT流量范围内提供了明显优选的混合。

实施例8：

在关于对添加的化学试剂而言所需的优选性能的初步研究中，将焦点放在了获得强度增益和抗剪切性上。另一个目标是强化脱水，因为在一些以前的絮凝MFT的尝试中，需要在与絮凝剂混合之前将物质稀释，相比于来源的MFT中存在的那些，随后仅仅得到与之类似的或稍少的粘土对水的比率。高分子絮凝在油砂中的商业应用限于将低固体含量稀薄细尾矿迅速脱水。简而言之，絮凝剂不能对粘土母体造成比其在池中发现的那些更进一步的破坏。

在小规模试验期间，特定的聚合物种类(具有约30％阴离子带电量的高分子量支化聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物)同时保证物质强度增益和抗剪切性。此外，所述聚合物在混合之后不久，通过产生可高度渗透的絮凝物结构，促进MFT的初始脱水。这意味着所述方法不再单独依靠蒸发干燥，而是依靠初始加速脱水、在沉积斜坡中的排水以及蒸发的联合作用。除了聚合物所含的水之外，不需要对MFT进行稀释，且聚合物可在不使用增稠剂的情况下注入管道。聚合物对于高达40重量百分比的MFT(粗略的粘土-对-水比率为0.4)非常有效。

初始的现场试验给出了惊人的结果，在不到10天之内，允许20-30cm层(lifts)达到了80％固体。在给定当时的天气条件的情况下，因为潜在蒸发速率对于脱水速率小到忽略不计，以自由水形态释出的水的最低量为85％。这一初步的成功看起来是稳健的且相对而言对流体密度变化和注入位置不敏感。

但是后续的试验开始显示，存在通过初步的实验室或现场试验无法得到的对絮凝的材料的特性的基本认识。尝试用较低水平控制源MFT的密度和流动速率进行沉积，结果得到十分多变的沉积物脱水速率。许多这些沉积物的行为并不像先前观测到的一样，并且数次尝试通过附加混合、改变沉积物的沉积机理或对沉积物的机械操作加强脱水性能，成果非常有限。显然，需要更多的试验。

在对未稀释的MFT的絮凝的研究中，尝试对MFT絮凝物结构进行处理，使得初始脱水最大化且MFT刚好获得足够的强度，从而当其沉积在浅的斜坡上时，堆叠在薄层中。脱水作为混合以及在管道传输和斜坡沉积过程中施加的剪切的函数出现。

实施小试和中试实验，重复现场观测并研究脱水潜力作为聚合物剂量、注入方式、混合、施加剪切的总量以及MFT的粘土-对-水比率的函数。所述实验突出了若干关键因素。

1.聚合物剂量最好由粘土含量决定，使用亚甲基蓝吸附法测量该含量，作为粘土活性。

2.使用实验室或管线内静态混合器混合经聚合物处理过的MFT，可导致低于最优化脱水潜力和沉积斜坡上的堆叠。

3.施加于絮凝的材料上的剪切能量可极大地影响脱水和强度性能。不充足的剪切通常产生最少脱水的高强度材料，而过度剪切将强度降低到类似MFT的强度，随之降低渗透性和脱水。

关于聚合物剂量，尽管公认絮凝的系统的流变性质由泥浆中最细的颗粒控制，通常以克每吨固体为基准加入聚合物。这对均匀的泥浆通常足够。但是，细尾矿是沉积在隔开的池里的，并且MFT的矿物尺寸分布取决于取样深度。因此，以固体为基准给料经常导致剂量不足或剂量过度的情况，影响最大水释出。下表中三个MFT样品突显了这一问题，示出了在以固体为基准或以细粒为基准上最优化聚合物剂量的巨大摇摆。MFT样品源自两个不同的池的不同深度，具有类似的水化学性质。

表——为得到最大初始水释出的最优化聚合物剂量。

*重量％粘土基于由亚甲基蓝吸附确定的表面积，对于高表面积的粘土，有可能大于100％(Omotoso and Mikula 2004)。

关于絮凝的MFT的流变性质，在实验室、中试规模和现场实验中，静态屈服应力对时间的进程用于评价沉积和水释出的最优化屈服应力。通过Brookfield DV-III流变仪测量剪切屈服应力。通过倾析初始水释出及毛细抽吸时间(CST)测量水释出。毛细抽吸时间测量泥浆的过滤性，实质上是水滤过材料和滤纸介质并在两个距离1cm放置的电极之间移动所花费的时间。这一方法经常用作渗透性的相关量度。

图25示出了在实验室的罐式混合器中以相对平均速度梯度校准的rmp混合的最优化剂量的MFT。本图示出了40重量％的固体的MFT的屈服剪切应力的进程曲线。在几秒内将聚合物注入，同时以220s-1的速度搅拌MFT。混合在同样的平均速度梯度下持续，直到物质完全破坏。在曲线上的每个点，停止混合并测量屈服应力。混合期间的水释出经常是显著的并被清楚地观测到。水释出的程度由毛细抽吸时间给出。低的吸水时间与高渗透性相关联且高的吸水时间与低渗透性相关联。以理想比率配料的MFT释放出最多的水，并且大约20-25％的初始MFT水在最低的CST放出。

在进一步的研究中，在实验室罐状搅拌器中，以通过总混合能量输入校准的rpm，将MFT与具有抗剪切性的聚合物絮凝剂混合。具有抗剪切性的聚合物为约30％阴离子带电量的高分子量的支化聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物。图26显示了在不同聚合物浓度配料的40重量％的固体的MFT的屈服剪切强度进程曲线。实验分为两个混合步骤进行。在第一步骤，在聚合物注入时，以220s^-1的速度混合MFT。这一步骤持续数秒，并且定义了絮凝物形成速率。在第二步骤，以63s^-1的速度混合材料直至材料完全破坏。在曲线上的每个点，中止混合并测量屈服应力。混合期间的水释出经常是显著的并被清楚地观测到。以1000g/吨固体配料的MFT释出最多的水(图27)。物质立即释出初始MFT中水的大约20％，而过少剂量配料的和过多剂量配料的MFT通过絮凝物完全破坏释出非常少的水。

在剪切进程曲线上确定了四个不同的步骤：

-聚合物分散或絮凝物形成步骤，其显示当聚合物与矿物接触时屈服应力的快速增长以及很少的水释出。

-高剪切屈服应力的凝胶态，其可以是取决于施加的剪切速率和MFT的％固体的平稳区。在这一步骤，絮凝物形成和破坏的速率显得大致相同。

-屈服强度降低且絮凝物破坏区，此处释出大量不含聚合物的水。

-过度剪切区，以迅速下降的屈服强度为特征，此处物质迅速回归MFT状态并释出很少的水。

这些步骤用于对添加了聚合物的MFT的性能定量，并用以比较在不同剪切方式下的性能，且第三步骤是目标设计基准。最优化的聚合物剂量具有向MFT中的良好初始分散，达到优选的渗透性以释出水。如果没有最优化的剂量和良好的分散，MFT具有保持凝胶态的趋势，并只能通过蒸发干燥。这突出表现在图28中，其中尽管屈服应力明显产生，处在剂量不足配料和过度剂量配料状态的相同MFT不能释出大量的水。优选的聚合物的关键性优势是具有延长的抗剪切性，这允许了在将絮凝的MFT管道传输至沉积池时作业的灵活性。

如图29中所示的对应不同剪切方式的在图25中优选絮凝的MFT的微结构。将所述MFT和絮凝的泥浆用火焰干燥，在某种程度上保护了微结构。将样品覆铂后在扫描电子显微镜下观察。初始MFT在干燥时显示更多的块状微结构，及粘土沿着其底面堆叠形成巨大的书页结构的更大倾向。这导致了相互连接的孔浓度低以及脱水差。图29中中间的显微图显示了絮凝的MFT在第二步骤(383Pa)当絮凝物开始破坏及水释出时所展示的微结构。该微结构主要为稠密的聚集体以及随机取向的具有更多相互连接的孔的小粘土片。第三组显微图(86Pa)显示了较少的块状聚集体和更加开放的结构，很可能是造成在第三步骤观测到的大量水释出的原因。初始MFT是高度不渗透性的，但是絮凝的MFT具有大的大孔和数量庞大的微孔，这在初始MFT中是观察不到的。在更高的混合时间，多孔性开始瓦解，伴随着脱水速率的下降。

对具有不同固体含量的以最优化剂量配料的MFT也进行了研究(图30)。当固体含量降低时，聚合物分散变得容易。物质的最大屈服强度也随着增加的水含量而下降。在低固体含量时释出大量的水(例如，10重量％立即沉淀至20重量％-在低固体含量时，在10重量％的固体(原始MFT中的水的51％)的水释出远远大于40重量％固体时的水释出，此时原始MFT中20％的水已释出)；但是，絮凝物结构更弱并且很难不被冲走地堆叠在沉积斜坡上。

进一步的实验室试验显示了可运用多种阴离子聚合物获得强度和实现脱水，并不限于在第一步成功试验中使用的特别配方。图31比较了最优化剂量配以优选聚合物A(具有约30％阴离子带电量的高分子量支化的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠的共聚物)和聚合物B(高分子量线型阴离子聚丙烯酰胺(aPAM)，典型用于絮凝油砂细尾矿)的40重量％的MFT。两种聚合物的最优化剂量，根据最大水释出，是相同的(1000g/吨固体)，并在两个不同的剪切速率下进行比较。聚合物分散和聚合物的剪切应力响应明显不同。通过增加混合器速度增加分散速率，立刻提高屈服应力，但传统的aPAM需要在絮凝开始前附加混合。这种分散速率的降低意味着用传统的聚合物处理MFT更接近保持在凝胶态且不释出那么多水。在工艺中使用的絮凝剂优选具有高抗剪切性，特别是在第二和第三步骤，且高度响应剪切，特别是在分散和混合的第一步骤。

通常对线型aPAM可以预期，高混合能量迅速增大屈服应力但絮凝物破坏也以更快的速度发生。优选的聚合物A的低粘度加上高剪切抗性允许对絮凝的MFT进行长途传输至沉积池而不发生明显的絮凝物破坏。然而，显示例如aPAM这样的响应的聚合物可能更适于那些要求很短的管道长度达成预期脱水的应用。

可以在工艺中使用各种开发出的高抗剪切性的聚合物以改善脱水。优选地，这种抗剪切性的聚合物也将处于30％阴离子型的高分子量支化的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸盐的共聚物絮凝剂所属的一般类中。

为了优化絮凝的物质的性能，优选限制施加于各种在混合期间产生的絮凝物的剪切能量的变化。用管线内的带锐孔的注入器系统能够达成此目的，对这一系统已在上文进行了描述，并参考各附图。此处的概念是，将聚合物作为“薄雾”而不是作为流注入通过所述锐孔。不过，应理解，可对套管形状的注入设备通过适配穿孔的尺寸加以改进，从而以接近雾状注入MFT流。当如图6所示将聚合物注入湍流的回流体系时，聚合物是均匀分布的，且在距离注入点的4个管道直径的距离内，在整个管道横截面发生絮凝。这种迅速的分散允许用于精确控制从注入点到沉积点的剪切能量，并提高了处于系统中的设计点的脱水区中的物质的百分比。这种对性能基础认识推进了改善这一技术的应用，并允许将从小规模试验中得出的结果用于CFD模型中并扩大到现场作业的规模。

在中试规模试验中，为确定混合参数，将长为20米且直径为0.05m的安装有管线内带锐孔注入器的管道回路用于研究絮凝的MFT的剪切响应和脱水特性。将样品端口安装在两个沿着管道的长度方向的位置。图32a显示，虽然混合能量不是直接可比的，在管道回路中屈服强度进程却类似于在实验室罐式混合机中观测到的。以30L/min流动的MFT相应的平均速度梯度为22s^-1，对比而言实验室规模试验中为63s^-1。在100L/min(176s^-1)进行的另一个试验显示更迅速的絮凝物形成和破坏，类似于罐式混合机中进行的220s^-1试验。图32b显示，在对以30L/min最优化剂量配料的MFT(这种情况下1000g/吨固体)的试验进行期间，在不同地点取样的絮凝的MFT。这种从中试规模和现场试验得到的数据可用于提供信息及进一步开发用于设计工艺和监测商业规模的MFT干燥设备的混合模型。

关于现场观测，借助板孔板混合器的聚合物的迅速分散引起了絮凝的物质的屈服强度的迅速上升，并引起了二相流体的沉积。在一个中试规模的试验中，在排出时观测到了絮凝的MFT和分离的水流。

使用以～7500L/min(32s^-1)的速度在直径为0.3米的管道中流动的、并在离距离注入点不同距离的池中沉积的、最优化剂量配料的35-40重量％的MFT，在现场对更大尺度的孔板混合器进行研究。图33显示了各池水释出的程度，两者来自在24h之后实际取样，并且对沉积的絮凝的MFT进行毛细管吸升试验。对于实验室规模和中试规模试验，脱水趋势类似于剪切进程曲线。超过25％的MFT水在注入之后立即释出直至175m。超过这一长度，水释出速率迅速下降，且絮凝的物质性质类似MFT。

通过被斜面和蒸发增强的排水，在沉积斜面上发生进一步的脱水。沉积在距离排放处大概7m处的混合不足的物质进一步通过将物质进行机械作业以达到絮凝物破坏步骤而排水，其中从絮凝的物质中释放出更多的水。不过，侵蚀性的机械作业能够破坏沉积物结构，导致低渗透性和有限的水释出。当可渗透的结构破坏时，脱水仅通过蒸发进行。

蒸发引起龟裂形成，如图34所示。通过脱水，加深的龟裂允许释出的水分从侧面排水，进入龟裂并降至斜坡。典型的至多20cm厚度的沉积被发现在6-10天干燥至超过80重量％的固体，之后可放置后续的层。深龟裂示于图34中，也可以通过提供天然产生的通道，改善了处于其表面上的第二絮凝的MFT沉积物的排水或水释出。

实施例9：

对自动化聚合物剂量控制进行研究，以补偿MFT进料性质在脱水过程中的变化。尽管限制对MFT的聚合物剂量的物质性质是MFT中的粘土矿物含量，聚合物却经常以固体或细粒为基准进行添加，因为难以在连续工艺中实时测量粘土含量。当密度或粘土-对-水比率(CWR)几乎不变的特定MFT流进行聚合物添加优化时，用固体含量(或泥浆密度)近似是适当的。经常在使用挖泥机传输MFT时发生的进料性质的变化，导致以固体为基准添加聚合物时的剂量不足或过度剂量的情形。在来自池A、B和C这三个尾矿池的MFT的屈服应力和CWR之间产生经验关系。MFT样品具有不同的沥青含量、砂-对-细粒、粘土-对-细粒和粘土-对-水的比率。结合在线密度和体积流量测量，开发出了实时粘土基聚合物配料对策。与直接粘土测量不同，可在现场环境迅速确定MFT进料的屈服应力，其在独立的叶片流变仪中或在线流变仪中进行。

为了产生屈服应力与粘土含量之间的关系，对四个MFT样品进行了表征。三个MFT样品源自池A(具有不同的泥浆密度)、池B和池C。工艺产生的水(PEW 2)作为稀释水使用。

为了便于产生屈服应力和物质性质之间的关系，对MFT样品进行了详细的基本表征。这些表征包括固体含量、沥青的Dean Stark提取、固体和水的测定、颗粒尺寸分布、亚甲基蓝吸附以测定粘土活性(表示为粘土含量)以及工艺用水和孔隙水的化学性质。在Bohlin流变仪中进行流变学试验，目的是测量屈服应力。在允许使用Bingham塑性模型用于屈服应力测定的受控应力模式下生成流量曲线。固体含量的范围通过用PEW水稀释或在低温下部分蒸发而产生。对池A和C的MFT进行实验室试验。未得到真实的现场关系，对另一组池A和B的MFT样品进行流变学测量。聚合物为具有约30％阴离子带电量的高分子量支化聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物。

使用已制定的程序，确定将四种表征的未稀释或干燥MFT样品中的三种絮凝和脱水所需的最佳聚合物剂量。

关于剪切屈服应力和粘土含量之间的关系，下表给出了在研究中所用四个样品的基线性质。感兴趣的性质、沥青、矿物、细粒、粘土的含量及水的化学性质跨越了通常在各种MFT池中观测到的范围。池A和STP具有类似的孔隙水化学性质，并类似于具有很高Na/Ca当量比的PEW 2。池B孔隙水具有与池A和C类似的总溶解固体(ppm)，但是化学性质明显不同。池B具有明显较高的二价离子浓度(比池A和C的钠少3-6倍)。Ca和Mg都是比单价离子更好的凝结剂，并更有效地在絮凝之前破坏粘土悬浊液的稳定性。因此，可以想象，聚合物与池B的MFT的交互作用机制与池A和C可以不同。与池A和C相比，池B中可测量的Fe和非常低的硫酸盐浓度归因于尾矿的泡沫处理以及以丰富的铁源为食的硫酸盐还原菌的作用。因为不同的水的化学性质，任何在屈服应力和CWR之间的相互关系包括对颗粒之间交互作用力的修正系数，或如在本研究中完成的对具有类似化学性质的MFT的经验关系。

图35给出了池A和C的MFT的屈服应力与固体含量之间的关系。所观测到的巨大的变化，特别是在池C和池A的MFT样品之间的变化，反映了MFT样品中粘土活性的变化。池B的MFT的粘土活性比池C低，但趋势走向类似，这是因为池B中的二价阳离子更高。当此关系以MFT的总粘土含量(得自亚甲基蓝吸附)表达而不是以固体含量表达时，观测到更好的关系，如图36所示。但是，若假定流动特性与水相中活性表面数量和构造有直接关系，在屈服应力的发展和粘土-对-水比率之间有更好的相关性，其示于图37中。现在，池A和C的MFT遵循同样的趋势，但池B的MFT趋势不同。CWR和池A及C的MFT(仅进行了Bingham屈服测量)之间的经验关系作为幂函数在等式1中表达。

CWR(±0.02)＝0.048+0.203*σ^0.303    等式1

σ是以Pa为单位的剪切屈服应力。

使用室内Brookfield叶片流变仪，对池A(第2次挖掘)和池B的MFT得到下述经验关系。

CWR(池A)＝0.439-2.626*σ^-1.789    等式2

CWR(池B)＝0.970-0.734*σ^-0.114    等式3

直到物质达到大于0.3的CWR值，MFT样品才产生明显的屈服应力。

为了从流变学测量确定粘土含量，需要水含量。在现场，这可通过快速水分分析仪得到，该分析仪将沥青含量计算为固体的一部分。如果快速水分分析仪不可用，可使用比重(可通过Marcy scale或核密度计确定)。这要求必须进行粘土-(水+沥青)比率和屈服应力之间的校准(图38)。Marcy scale或核密度计在假设沥青的比重近似为1的条件下测量矿物含量。粘土对(水+沥青)的比率的经验关系由下式给出：

C(W+B)R(STP，池A)＝0.065+0.174*σ^0.324    等式4

等式4中的关系用于使用Bingham屈服应力的池C和A的测量。等式5和6用于使用Brookfield叶片流变仪测量的静态屈服应力。

C(W+B)(池A)＝0.421-2.692*σ^-1.857    等式5

C(W+B)R(池B)＝0.855-0.645*σ^-0.124    等式6

图39和40描述了作为颗粒尺寸(分别为粘土尺寸和细粒)的函数的屈服应力。粘土尺寸和颗粒尺寸都比固体含量更好地描述了流动特性，但它们都是粘土活性的近似值而不是泥浆流变学的真实测量值。

为了将其作为控制工艺的工具使用，测量MFT的静态屈服应力，并使用等式1至6将其换算为CWR和C(W+B)R。如果水分分析仪可用，MFT中的粘土含量很简单：

重量％MFT中的粘土＝CWR*重量％MFT中的水分    等式7

如果来自Marcy scale或核密度计的比重(SG)可用，应使用等式8。

等式8

细粒密度可近似为约2.62g/cm3。

关于“最优化的”聚合物剂量，池C和池A(第1次挖掘)的MFT样品对聚合物剂量的响应在图41至图43中的强度曲线给出。最优化的聚合物剂量经常给出最优化的屈服应力和最高的水释出速率。尽管最优值对于高密度MFT明显确定为800g/吨固体(图43)，而低密度MFT具有稍高于1200g/吨固体的最优值，池C的MFT具有处于1600至1800g/吨固体之间的最优值。水释出量在图44中给出。对很好地限定的高密度MFT水释出最高。下表也给出了一些MFT样品的最优化的聚合物剂量。

表——在220s-1的初始混合和63s-1的最优化的聚合物剂量直至絮凝物完全破坏。

¹-剂量略微不足

²-近似剂量

基于干燥粘土的当量剂量可如下计算：

等式9

“Te”表示公吨。

当如等式9中以粘土为基准表达时，聚合物剂量基本等价于近似1850g聚合物/吨干燥粘土(来自第2次挖掘的池A的MFT更精确测量的平均值)，而不考虑存在于MFT中的固体含量或矿物类型。对这种MFT，如果剂量由于更有效的聚合物混合而改变，它仍然取决于可利用的固体表面面积，该面积基本上是可通过亚甲基蓝测量的粘土含量。

本工艺的实例可基于具有使用核密度计和体积流量计确定的固体(矿物)含量的MFT固体使用按照连续的和自动的基准的絮凝剂配料。当仍然以固体(或矿物)含量为输入参数时，从等式1至8可得到简单的关系，以允许以粘土含量为基准自动添加聚合物。

等式10

或为了在池A和C的MFT中使用而测量静态屈服应力和S.G，

等式11

等式10和11提供了有用的方针，以及优选的聚合物剂量和测定的MFT的粘土含量或屈服应力之间的关系。这允许对MFT进料在作业过程中更接近地控制剂量和脱水的特性。已经发现这种关系特别适合具有较低的二价比一价阳离子比率的MFT。还应注意，当对这种关系关于特定的池的MFT和工艺用水进行具体执行的时候，可使用具有不同化学性质的MFT和工艺用水进行类似的工作，以得到相应的具体关系。还应注意到，对用于本方法的絮凝剂类型的改变可能要求对这种具体关系进行改变。使用屈服应力作为粘土活性量度的基本原理出于在现场作业环境中流变性质测量的方便和快捷。已经发现，如果现场提供适合的现场测试设备，工艺设备可以在启动后30分钟内，从取样到分析和报告，给出优选的剂量。此外，在给定相当稳定的MFT密度和流动速率的情况下，该设备能够成功地用作工艺控制工具。备选地，可以将在线流变仪结合到所述设备中以实时测量流变性，并能够将其与聚合物絮凝剂溶液设备相连。

实施例10：

在对优选的聚合物絮凝剂(具有约30％阴离子带电量的高分子量支化的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠的共聚物)的流变学研究中，使用BrookfieldDV-III粘度计，在各种温度和剪切速率下对不同浓度的支化的聚合物进行粘度测量，以开发对用于絮凝的MFT的通用流变模型。

制备六种溶液，用以研究大范围的聚合物浓度，也用以确定用于制备混合物所用的水的类型的影响。使用工艺用水制备其中五种溶液，而其中一种溶液用蒸馏水制备，如下表所示。

表——聚合物溶液

使用SSA(小样适配器)Spindle 18在大范围的剪切速率和三个温度测量粘度。第一组测量在混合溶液之后数小时进行(下文中第一个表)，24小时之后重复测量(下文中第二个表)：两组数据得到的测量粘度几乎没有差别。第一张表中的数据绘制在图45中，从中明显可见，聚合物是剪切稀化的幂律流体，其粘度随着浓度而上升，随温度而下降。比较浓度为0.3％的溶液的两条曲线，从图45中明显可见，使用蒸馏水的混合物具有明显较高的粘度。

表——溶液制备后数小时在不同的剪切速率和温度下测得的六种聚合物混合物的粘度。

*使用蒸馏水代替工艺用水制备的溶液

表——溶液制备后24小时在不同的剪切速率和温度下测得的六种聚合物混合物的粘度。

*使用蒸馏水代替工艺用水制备的溶液

应当注意到，在最低浓度和最低剪切速率的数据点具有一定程度的不确定性，因为在这些条件下的扭矩值非常低。对最低的聚合物浓度下的粘度测量可使用较低扭矩的Brookfield DV-III Ultra-LV粘度计重复进行，以改善结果的精确度。

关于曲线拟合，标准的非牛顿的幂律流体粘度的表达式由下式给出：

$\mathrm{\μ}=k{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}^{n-1}{e}^{T_o/T}$

其中k是稠度指数，n是幂律指数且T₀是参比温度。在第一个表中的数据点拟合为这种形式的曲线并以线绘于图45中。从图45中明显看出，除了在低剪切下的0.1％的溶液数据以外，使用上述等式中的表达式可获得的非常好的数据拟合。

六种溶液中每种溶液的系数在下表中给出。在图46中，绘制了这些系数对浓度的图。

表——六种聚合物混合物的曲线拟合系数。

*使用蒸馏水代替工艺用水制备的溶液

在若干温度和剪切速率下对不同浓度的优选支化阴离子型聚合物的粘度测量得出下述现象：

-聚合物混合物是剪切稀化的幂律流体，其粘度随浓度而上升，随温度而下降。

-粘度高度取决于制备聚合物溶液所用的水的类型：使用蒸馏水比使用工艺用水得到高得多的粘度。

-当制备溶液后数小时进行测量并在24小时后再次进行测量时，所有样品的粘度基本保持不变。

-对那些水和聚合物，使用带有温度修正项的幂律表达式得到粘度数据的曲线拟合，并可与聚合物浓度相关，从而提供了完整的聚合物粘度模型。

聚合物絮凝剂溶液可以根据所给定的聚合物的和水的化学性质制备，以得到期望的粘度和反应性。

实施例11：

对来自池A的MFT进行试验，以评估脱水方法的各个方面。从试验程序中获得的重要认识是，聚合物处理对于引发细粘土的絮凝和MFT的脱水而言是必要的，而在某些情况下从沉积物中移除释放的水以允许进一步的干燥是优选的。因此，需要在设计干燥池时考虑诸如池的斜面、长度和排水路径等细节，从而改善干燥时间。

在本实施例部分讨论来自这些试验的主要发现。MFT脱水工艺可以说由两种作业组成，即聚合物的处理和干燥池中水的移除；优选同时使用这二者以干燥处理过的MFT固体。注意，池A的沉积池的配置示于图22中。

关于聚合物处理性能，利用两种类型的聚合物注入器经过不同混合长度，使用约30％阴离子带电量的高分子量支化聚丙烯酰胺-聚丙烯酸钠共聚物对池A的MFT的成功处理得到证明。这种处理的目的是使用套管型和共环型混合器，将聚合物迅速分散进入MFT流，以絮凝粘土颗粒。絮凝的水、粘土和聚合物的聚集体到这点为止获得了足够的堆叠剪切强度，但是如果沉积过快，仍是网络并将不释出自由水。进而，管道传输提供了更多对物质的剪切；当絮凝物的结构适量破坏时，自由水将释出，同时絮凝的物质可因其自重而固结。通过改变注入器和沉积池(此处也称为干燥池)之间的管道传输距离，控制结构破坏的量。达到适量破坏的意义包含至少两个重要方面：1)初始水释出量很大，作为原始MFT中30％的水在第一天内流出，和2)沉积物也具有最低的保水力，这改善了后续干燥过程中从沉积物中的排水。

当使用过长的管道时，絮凝物变得“过度剪切”(发生过多破坏)：絮凝的物质变回连续的网络结构且没有水释出。在这种情况下干燥主要通过蒸发完成，相比于排水这是一种较慢的过程。

通过测量其屈服应力和CST，可以确定处理过的MFT的絮凝程度(不足/过度剪切调节)和脱水区。为维持最优化的处理，优选在MFT脱水作业过程中经常监测这两个数据。CST是沉积物初始水释出(例如表面流失)准备就绪的适当标志，也是水通过沉积物向池趾部迁移容易的适当标志。这可解释为，第一种性质很大程度上依赖于粘土絮凝物的自重固结(絮凝物的水力学特征和聚合物种类的函数)，而第二种性质与沉积物内的孔洞网络的连通性及尺寸有关。

已发现，共环型注入器显著优于套管型注入器，因为前者将聚合物溶液向MFT流中迅速分散，因此形成更容易固结的絮凝物。这种注入器产生更好的脱水速率、1天后更高的固体含量以及更高的％固体增加速率(此处也称为“上升速率”)。在实际的现场试验程度上，对于沉积之前的管道型反应器，共环型注入器-混合器具有优选范围为50m-150m的混合长度。这一范围对应低CST间隔，也就是最低的CST值，且因此产生更多的初始脱水：两者均导致更短的干燥时间(图47)。当将分析拓展至包括聚合物剂量时，出现产生最低CST的聚合物剂量和剪切程度的最优化区。CST对聚合物剂量的以及对共环型注入器的混合长度的等值线图表明，最佳作业范围是聚合物剂量为约950至约1050ppm且管道调节长度为约90m至约200m(图48)。尽管如此，建议使用150m的保守极限，并在必要时对沉积物实施后沉积剪切技术。对于被试验用于沉积池1-6、11-13的套管型注入器，CST等值线图表明，这些池稍微剂量不足。最优化剂量似乎随混合长度而增加，可能用以抵消由于破坏絮凝物再次絮凝而额外消耗的聚合物。相比于共环型注入器，套管型注入器还表现出对更高的聚合物比率(速率)的需求。

在处理低密度MFT(例如低于28％矿物)时需要克服一定的困难，因为物质过度剪切的趋势更高。为了减轻或避免这种情况出现，如果可能要优选避免处理低密度MFT，或当处理低密度MFT时，使用短的混合长度或改变注入位置以使管道长度最小化。

关于干燥性能，脱水和干燥发生在干燥池中，在该处从固体絮凝物中释放水，直至沉积物达到75％固体含量。两种机制应引起注意。首先，当固体絮凝物开始堆积在干燥池的表面时，有初始水释出，可看到自由的水从沉积物表面流走，流向池的趾部。在第一天之后，固体含量达到约45％。水继续释放，但大部分迁移穿过沉积物，发生在表面以下。水分迁移是比蒸发有效得多的移除水分的方式(好二至三倍)。蒸发是第二种且较慢的干燥机制。很明显，对干燥池的性能来说，优选使水分从沉积物流走的能力。正如在一些池中见到的，不足的斜面及不适当的排水或泄流设备可阻止干燥超过60％固体含量。

池A的干燥池显示了干燥趋势的两种类型。在第一种类别中，在沉积物中的固体含量以1.5％-2％/天的“上升速率”稳定上升。干燥在15至20天内完成。这一干燥模式与先前试验的池的处理过的MFT的干燥类似。图49a、49b和49c说明了这些趋势。这些池的作业条件列于下表中。

给出的由蒸发得到的典型上升速率为0.5％/天(25cm层)，由于水释出和迁移得到的上升速率为0.9％-1.5％/天，总共为64％至75％。当上升速率为1.4％-2％/天时，池将在16-23天内干燥至75％，假定在第一天后固体含量为42.5％。

在第二类干燥趋势中，干燥以约2％/天的适当上升速率顺利开始，直到固体含量接近55％-60％。从那时起，上升速率减慢至约0.5％，像是仅通过蒸发干燥。在有些情况下，随着降雨，上升速率若干天内持平，甚至是负值(也就是降水积水)。在另一些情况下，上升速率终于在之后加快。与第一类型相比，干燥较慢，且池仅能通过犁耕和圆盘耙技术达到75％固体含量。因此能使用后沉积作业和农业技术处理这种沉积物，以达到脱水和干燥目的。

在上述情况中，尽管没有查明精确的退化原因，随着雨季，干燥速率下降。这暗示着阻止水在沉积物表面泄流的表面排水的问题。现场观测证实，在一个池中部分发现捕集水。不足的斜面或表面不平整，如由方法的变化性(合格/不合格质量)以及圆形样式的犁耕造成的圆形犁垄引起的下陷，可阻碍表面排水。

图50a和50b显示了一种因为大量的物质由于过长的管道调节长度受到过度剪切而不能有效干燥的池的情况。因为在过度剪切条件下水释出停止，沉积物基本通过蒸发而干燥。

在某些情况下，当允许从临近的池中释出的水流经某池时，也妨碍干燥性能。当处理低密度MFT时，这种情况会加剧。应当对沉积池设计和对沉积控制以避免释出的水溢出。

对于多层沉积的絮凝的MFT，可以期望在沉积物中得到未被破坏的深度龟裂，例如图34所示，以促进释出的水从第二层沉积物流走。因此，在本方法的任选方面，保留沉积物，使其在后沉积操作或机械作业时基本保持不被触及，从而在第二层形成之前保留深度龟裂通道结构。

还应注意到，从干燥池中取出的样品的固体含量可能变化。通常预计池顶部比趾部区域干燥得快。在池的其它区域也可发现干燥程度的不同。不均匀的干燥增加了干燥时间，可能由下列原因之一引起：聚合物处理过程中的变化性，生产了不合格产品以及随之产生的不均匀的层厚、取样方案、或由于犁/耙作业导致的材料移动。

关于犁/圆盘耙作业的影响，在几乎不具斜面的池1和3中，犁/圆盘耙释放出了捕集水并加速了干燥，在池7和8中，帮助了干燥。在两组池中，多重犁看上去没有干扰其性能。注意到，产生的圆形犁垄能够捕集释出水和雨水，而且多重犁或许是不必要的：潜在的害处可能超过益处。优选的对策是令干燥池在最初数天内进行其自然进程，同时，如果期望调节干燥性能，则监视和干预干燥性能。避免环形犁或圆盘样式也是优选的：鱼骨型样式为好的选择，因为它们缩短了水的迁移路径并可改善脱水。

关于干燥能力，尝试获得和推得从达到75％或更高固体含量的原位池中汇编的下列总体的干燥因子。所述干燥因子基于MFT中的全部矿物，并提供了总体的指示。

实施例12：

进行试验和开发方案以鉴定MFT脱水工艺絮凝剂。

开发的方案有以下示例步骤，尽管取决于进行试验的絮凝剂的性质、种类和数量以及使用的MFT，可以使用方案的变体：

-鉴定化学试剂活性：将10％固体的MFT与絮凝剂聚合物混合并在烧杯沉淀试验之后进行排水试验以确定活性。目标是排水20分钟后20％SBW沉淀，或净释出的水＞50％，且上清液中的固体＜1％。

-使用快-慢法得到的24小时水释出性能：对40％SBW标准低钙MFT进行筛分试验，以确定剂量范围。目标范围为从MFT中10％净释出的水及小于1％的上清液中的固体。

-使用快-慢法得到的屈服应力和CST数据：一旦水释出潜力确定，就运行屈服应力和CST数据。

-斜面干燥试验。2L物质在倾斜的实验室池中干燥：目标层高8-10cm。目标干燥时间小于10天。

图51是根据上述方案的筛选和鉴定技术的示例性决策树图。应当理解，关于水释出量、MFT和释出水的固体含量、脱水和干燥速率等等的阈值意指示例性的方针，而取决于所给待处理的MFT和待实验的聚合物组，视情况而定也可使用不同的阈值。

下述为鉴定絮凝剂的方案的更详细的例子，其中0.45％化学试剂溶液通过将2.25g化学试剂溶解于500mL工艺用水中而构成。

-鉴定化学试剂活性：将320mL10％固体的MFT称量投入500mL烧杯中。现在必须确定化学试剂的最优化剂量。开始时添加300PPM剂量的聚合物，并且以100PPM的增幅将聚合物加入所述500mL烧杯中，并用实验室混合器以320rpm搅拌，直至观测到沉淀。一旦观测到沉淀，停止反应并将沉淀与上清液放在置于1L烧杯上的500mL厨房用筛子上。，收集上清液20分钟，其体积随后用量筒记录。随后使用卤素灯炉对～10g上清液进行水分分析。

-使用快慢法进行24小时水释出试验：对24小时水释出试验，必须在化学试剂活性试验中鉴定的最优化剂量附近产生40％SBW的水释出曲线。将320mL40％SBW MFT称量投入400mL的金属容器中。计算对于最优化剂量和100PPM和比最优化剂量多100PPM的量而言的聚合物的量。将实验室混合器加速至320rpm，直至在10-20s的停-走步骤中聚合物完全分散。在完全分散后，将混合器速度降至100rpm。当视觉鉴定到最大强度点后立即关掉混合器。随后将絮凝的母体放在置于1L的烧杯上500mL厨房用筛上。收集上清液24小时，随后用量筒记录其体积。

-使用快-慢法的屈服应力和CST：将320mL40％SBW称量投入400mL金属容器中。计算对于最佳剂量的聚合物量。将实验室混合器加速至320rpm，直到在15s的停-走步骤中，聚合物完全分散。在完全分散后，将混合器速度降至100rpm，并进行30s的停-走步骤，直至MFT屈服应力达到平稳。在每个停止步骤获取CST和屈服应力的数据。

-斜面干燥试验：将320mL40％SBW称量投入400mL金属容器中。计算最佳剂量。快慢法和最小CST时间，其鉴定为3.3，然后用以调节絮凝的MFT。重复7次生成2L调节好的MFT。将其置于45cm×30cm铺有砂底的盘中。以cm为单位测量层高。24小时之后取一份样品并用卤素灯炉监测水分含量。每隔24小时重复此操作，直至物质达到75％SBW。

下面是两组候选化学试剂的示例性试验，其中之一是在第2步骤不合格的化学试剂。

-鉴定化学试剂活性：两种30％电荷的阴离子聚丙烯酰胺，聚合物A(上文提到的)和聚合物C流变改性剂，接受对10重量％固体MFT的化学试剂活性试验。在两种情况沉淀物均达到＞20％SBW(释放＞50％在原始MFT中的水)。上清液也低于1％固体，对聚合物A为0.54％，对聚合物C为0.74％。图52显示了对最优化剂量的聚合物A(1000PPM)和聚合物C(800PPM)的净释出的水数据。

-使用快慢法进行24小时水释出试验：通过聚合物C生成的絮凝物结构看上去类似通过聚合物A生成的絮凝物结构，但是并没有可观察到的水释出。24小时水释出数显示了通过聚合物C生成的絮凝母体胶凝化了，保持了一些聚合物水(图53，示出了聚合物A和聚合物C的净释出的水曲线数据)。这数据显示聚合物C不是适用于现场试验的化学试剂。

-使用快-慢法的屈服应力和CST以及斜坡干燥试验：虽然聚合物C在24小时之后不释出任何水，仍在水释出试验期间进行屈服应力数据试验(图54示出屈服应力数据，聚合物C(800PPM)对比聚合物A(1000PPM))。有两个非常有趣的信息表明了聚合物C未成为合适的化学试剂的原因。首先，尽管聚合物剂量和因此加入MFT的聚合物物理量远远低于聚合物A，将聚合物混合入MFT所需的能量的量却大得多。一旦混入，便形成非常坚固的凝胶母体，具有非常高的屈服应力。它在非常高速时才开始破坏和过度剪切。当与不但非常迅速混入而且在低速下便破坏的聚合物A相比时，从将使MFT胶凝化的化学试剂中鉴定出优选的化学试剂变得非常容易。通常，优选的絮凝剂在凝胶母体步骤和过度剪切区之间具有宽的脱水步骤。

尽管对聚合物C的测试停止在这点，但仍可使用从处在凝胶态(剂量不足)的聚合物A中获得的数据作为参考点，用于凝胶态MFT(图55示出了最优化剂量的水释出(800PPM)的CST数据，和剂量不足而产生凝胶态不发生初始水释出(500PPM)的CST数据)的效果。在凝胶态，CST数据通常从原始MFT有所增加，但并不在水释出时发生骤然下降(dip)，这一直持续到将絮凝的物质过度剪切。

目测和通过CST观察的效果直接与干燥效果相关(图56，示出了水释出的最优剂量(1000PPM)的干燥数据对比剂量不足(600PPM)进入凝胶态无初始水释出的干燥数据，两组数据均为在砂底上的8cm层1L物质，初始40％SBW固体)。凝胶态物质以略微快于蒸发的速率干燥，但水释出的物质在少于5天内已达到75％SBW。

在MFT管理和回收方式上明显进步的本发明的方法，通过优选实施方式和方面和实施例得到了描述。这些描述和附图用于帮助理解本发明，而非限制本发明的范围。显然本领域技术人员能够在不脱离本发明实质的条件下进行对本发明各种各样的更改。

Claims (56)

1.一种用于将油砂细尾矿脱水的方法，所述方法包括：

(i)分散和絮凝物形成步骤，该步骤包括将包含有效量的絮凝剂的絮凝剂溶液在管线内添加到油砂细尾矿流中；

(ii)胶凝步骤，其中，将絮凝的油砂细尾矿在管线内输送，并进行剪切调节；

(iii)絮凝物破坏和水释出步骤，其中，所述絮凝的油砂细尾矿释出水，且所述絮凝的油砂细尾矿的屈服剪切应力降低，同时避免过度剪切区；

(iv)将所述絮凝的油砂细尾矿沉积到沉积区域上，以形成沉积物且使得释出的水能够从所述沉积物流走。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在管道式反应器中进行步骤(i)、(ii)和(iii)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述管道式反应器包括共环型注入装置，所述共环型注入装置用于絮凝流体在所述油砂细尾矿中的管线内注入。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述絮凝剂溶液为其中所述絮凝剂基本上完全溶解的水溶液的形式。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述絮凝剂包括聚合物絮凝剂，所述聚合物絮凝剂在步骤(i)中响应剪切，从而分散遍布在所述油砂细尾矿中，而在步骤(ii)和(iii)期间能够剪切回弹。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述絮凝剂包括根据筛选法选择的聚合物絮凝剂，所述筛选法包括：

提供样品絮凝母体，所述样品絮凝母体包含所述油砂细尾矿的样品和最优化剂量的样品聚合物絮凝剂；

对所述絮凝母体提供第一次剪切调节，以将所述聚合物絮凝剂与所述油砂细尾矿的样品迅速混合，随后对所述絮凝母体提供第二次剪切调节，所述第二次剪切调节与所述第一次剪切调节相比是相当低速的；

确定所述第一次和第二次剪切调节期间的水释出响应；

其中，增加的水释出响应提供所述聚合物絮凝剂对所述方法有利的指示。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水释出响应通过测量所述絮凝母体的毛细抽吸时间(CST)确定。

8.根据权利要求2或3所述的方法，所述方法还包括：

测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的油砂细尾矿的毛细抽吸时间(CST)以确定低CST间隔；和

控制对所述絮凝的油砂细尾矿提供的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的油砂细尾矿在所述低CST间隔内沉积。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：

测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的油砂细尾矿的屈服剪切应力；

确定平稳区之后的逐渐下降区；和

控制在步骤(ii)、(iii)和(iv)中的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的油砂细尾矿在所述逐渐下降区内沉积。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过以下方式中的至少一个控制所述剪切调节：调整所述絮凝的油砂细尾矿在沉积之前经过的管道的长度；和在所述沉积步骤配置沉积设备。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述屈服剪切应力的所述逐渐下降区内和在所述低CST间隔内，进行沉积所述絮凝的油砂细尾矿的步骤(iv)。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述絮凝的油砂细尾矿沉积在沉积池中，所述沉积池具有以1％至7％倾斜的倾斜底部表面。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括对所述沉积物进行作业，以将所述沉积物铺展在所述沉积池上并且对所述沉积物提供附加的剪切，同时避免所述过度剪切区。

14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括对所述沉积物提供充当水流路径的沟槽。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，基本上所有的沟槽在与所述倾斜底部表面相同的总方向上纵长地延伸。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述沉积区域包括沉积池的多池构造。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在距管线内添加所述絮凝溶液不同距离处提供所述多池构造的沉积池，以使得能够通过改变到相应沉积池的管道长度来改变对所述絮凝的油砂细尾矿提供的所述剪切调节。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述沉积池中的至少一些以趾对趾的关系排列，以分享共用的排水沟。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括在步骤(i)的上游对所述油砂细尾矿提供充足的液压，以避免下游泵送。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述步骤(i)的分散的特征还在于，在与添加所述絮凝剂流体处相距5个管直径的下游位置的二阶矩M介于1.0至2.0之间。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述沉积物由于释出水的排水和蒸发干燥而脱水，所述排水占失水的至少60重量％，并且排水以每天增加至少1.4重量％固体的速率进行，直至所述沉积物达到55重量％至60重量％的固体。

22.一种用于将油砂细尾矿脱水的方法，所述方法包括：

将有效脱水量的包含絮凝剂的絮凝剂溶液引入到所述细尾矿中，以使所述絮凝剂溶液分散并且开始所述细尾矿的絮凝；

对所述细尾矿进行剪切调节，以使絮凝物形成和重排，并增加屈服剪切应力以形成絮凝的细尾矿，所述剪切调节被控制以产生未胶凝的絮凝母体，所述絮凝母体具有聚集体和允许水释出和维持原状的多孔网络；和

在所述多孔网络由于过度剪切而倒塌之前，使释出水从所述絮凝的细尾矿中流走。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述絮凝的细尾矿沉积，以使水释出。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，将所述絮凝的细尾矿沉积，以实现每天增加至少1.4重量％的固体的脱水速率。

25.一种用于将尾矿脱水的方法，所述方法包括：

(i)分散和絮凝物形成步骤，该步骤包括将包含有效量的絮凝剂的絮凝剂溶液在管线内添加到尾矿流中；

(ii)胶凝步骤，其中，将絮凝的尾矿在管线内输送，并进行剪切调节；

(iii)絮凝物破坏和水释出步骤，其中，所述絮凝的尾矿释出水，且所述絮凝的尾矿的屈服剪切应力降低，同时避免过度剪切区；

(iv)将所述絮凝的尾矿沉积到沉积区域上，以形成沉积物且使得释出的水能够从所述沉积物流走。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，在管道式反应器中进行步骤(i)、(ii)和(iii)。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述管道式反应器包括共环型注入装置，所述共环型注入装置用于絮凝流体在所述尾矿中的管线内注入。

28.根据权利要求25或26所述的方法，其中，所述絮凝剂溶液为其中所述絮凝剂基本上完全溶解的水溶液的形式。

29.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述絮凝剂包括聚合物絮凝剂，所述聚合物絮凝剂在步骤(i)中响应剪切，从而分散遍布在所述尾矿中，而在步骤(ii)和(iii)期间能够剪切回弹。

30.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述絮凝剂包括根据筛选法选择的聚合物絮凝剂，所述筛选法包括：

提供样品絮凝母体，所述样品絮凝母体包含所述尾矿的样品和最优化剂量的样品聚合物絮凝剂；

对所述絮凝母体提供第一次剪切调节，以将所述聚合物絮凝剂与所述尾矿的样品迅速混合，随后对所述絮凝母体提供第二次剪切调节，所述第二次剪切调节与所述第一次剪切调节相比是相当低速的；

确定所述第一次和第二次剪切调节期间的水释出响应；

其中，增加的水释出响应提供所述聚合物絮凝剂对所述方法有利的指示。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述水释出响应通过测量所述絮凝母体的毛细抽吸时间(CST)确定。

32.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，所述方法还包括：

测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的尾矿的毛细抽吸时间(CST)以确定低CST间隔；和

控制对所述絮凝的尾矿提供的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的尾矿在所述低CST间隔内沉积。

33.根据权利要求32所述的方法，所述方法还包括：

测量在步骤(ii)和(iii)期间所述絮凝的尾矿的屈服剪切应力；

确定平稳区之后的逐渐下降区；和

控制在步骤(ii)、(iii)和(iv)中的所述剪切调节，以确保在进入所述过度剪切区之前所述絮凝的尾矿在所述逐渐下降区内沉积。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，通过以下方式中的至少一个控制所述剪切调节：调整所述絮凝的尾矿在沉积之前经过的管道的长度；和在所述沉积步骤配置沉积设备。

35.根据权利要求33所述的方法，其中，在所述屈服剪切应力的所述逐渐下降区内和在所述低CST间隔内，进行沉积所述絮凝的尾矿的步骤(iv)。

36.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述絮凝的尾矿沉积在沉积池中，所述沉积池具有以1％至7％倾斜的倾斜底部表面。

37.根据权利要求36所述的方法，所述方法还包括对所述沉积物进行作业，以将所述沉积物铺展在所述沉积池上并且对所述沉积物提供附加的剪切，同时避免所述过度剪切区。

38.根据权利要求37所述的方法，所述方法还包括对所述沉积物提供充当水流路径的沟槽。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，基本上所有的沟槽在与所述倾斜底部表面相同的总方向上纵长地延伸。

40.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述沉积区域包括沉积池的多池构造。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，在距管线内添加所述絮凝溶液不同距离处提供所述多池构造的沉积池，以使得能够通过改变到相应沉积池的管道长度来改变对所述絮凝的尾矿提供的所述剪切调节。

42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述沉积池中的至少一些以趾对趾的关系排列，以分享共用的排水沟。

43.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，所述方法还包括在步骤(i)的上游对所述尾矿提供充足的液压，以避免下游泵送。

44.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述步骤(i)的分散的特征还在于，在与添加所述絮凝剂溶液处相距5个管直径的下游位置的二阶矩M介于1.0至2.0之间。

45.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述沉积物由于释出水的排水和蒸发干燥而脱水，所述排水占失水的至少60重量％，并且排水以每天增加至少1.4重量％固体的速率进行，直至所述沉积物达到55重量％至60重量％的固体。

46.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述尾矿包括细尾矿。

47.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述尾矿包括油砂细尾矿。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述油砂细尾矿是油砂熟化细尾矿。

49.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述尾矿包括具有非牛顿流体特性的胶状流体。

50.一种用于将细尾矿脱水的方法，所述方法包括：

将有效脱水量的包含絮凝剂的絮凝剂溶液引入到所述细尾矿中，以使所述絮凝剂溶液分散并且开始所述细尾矿的絮凝；

对所述细尾矿进行剪切调节，以使絮凝物形成和重排，并增加屈服剪切应力以形成絮凝的细尾矿，所述剪切调节被控制以产生未胶凝的絮凝母体，所述絮凝母体具有聚集体和允许水释出和维持原状的多孔网络；和

在所述多孔网络由于过度剪切而倒塌之前，使释出水从所述絮凝的细尾矿中流走。

51.根据权利要求50所述的方法，其中，将所述絮凝的细尾矿沉积，以使水释出。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，将所述絮凝的细尾矿沉积，以实现每天增加至少1.4重量％的固体的脱水速率。

53.根据权利要求50至52中任一项所述的方法，其中，所述细尾矿包括油砂细尾矿。

54.根据权利要求50至52中任一项所述的方法，其中，所述细尾矿包括具有非牛顿流体特性的胶状流体。

55.一种用于将具有非牛顿流体特性的胶状流体脱水的方法，所述方法包括：

(i)分散和絮凝物形成步骤，该步骤包括将包含有效量的絮凝剂的絮凝剂溶液在管线内添加到胶状流体流中；

(ii)胶凝步骤，其中，将絮凝的胶状流体在管线内输送，并进行剪切调节；

(iii)絮凝物破坏和水释出步骤，其中，所述絮凝的胶状流体释出水，且所述絮凝的胶状流体的屈服剪切应力降低，同时避免过度剪切区；

(iv)将所述絮凝的胶状流体沉积到沉积区域上，以形成沉积物且使得释出的水能够从所述沉积物流走。

56.一种用于将具有非牛顿流体特性的胶状流体脱水的方法，所述方法包括：

将有效脱水量的包含絮凝剂的絮凝剂溶液引入到所述胶状流体中，以使所述絮凝剂溶液分散并且开始所述胶状流体的絮凝；

对所述胶状流体进行剪切调节，以使絮凝物形成和重排，并增加屈服剪切应力以形成絮凝的胶状流体，所述剪切调节被控制以产生未胶凝的絮凝母体，所述絮凝母体具有聚集体和允许水释出和维持原状的多孔网络；和

在所述多孔网络由于过度剪切而倒塌之前，使释出水从所述絮凝的胶状流体中流走。