CN1183018C - 固体颗粒物的输送 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种方法，把发泡剂加到颗粒混合物中，然后在该混合物中形成泡沫以增加该颗粒物的流动性。所述颗粒物可通过管道或钻孔传输。颗粒物的例子包括但不限于矿物尾渣、矿砂、砂、炭、土壤、粘土、粉土、团粒及其混合物。

Description

固体颗粒物的输送
                      发明领域
本发明是关于固体颗粒物的输送。具体地说，本发明涉及一种单级方法，即把起泡剂混入到固体颗粒混合物中，使得输送前在混合物中形成泡沫，从而增加固体颗粒物的流动性。
                      发明背景
固体颗粒物包括但并不限于矿物尾渣、矿砂、砂、炭、土壤和团粒，其通常是作为料浆通过管道或钻孔来传输的。典型地，将液体如水加入到颗粒物中，可使颗粒物流动。那么，当颗粒物悬浮于足够量的液体中时，液体的流动就可以使颗粒物通过管道。
在理想情况下，颗粒物通过管道或钻孔被输送到目的地的过程中，应保留在悬浮液中。颗粒物如已分级的矿渣或没有分级的矿物尾渣的特征在于限制其作为糊状传输的能力的特性。这些特征可以包括高密度或比重、劣等级、粒径粗糙、高粒度等级或缺少细颗粒。不加入如砂这样的细物料以改善粒径分布，以上特征就妨碍颗粒物形成稳定的糊状物。
结果，当前必须把颗粒物作为低负载料浆来进行传输，必须在整个传输系统中保持湍流条件以阻止颗粒物沉积，堵塞输送管道。另外，传输流体可能会从料浆中渗出，导致混合物流动性减小，阻塞输送管。
流体含量的减少可以产生一种接近糊状稠度的物质，但是这也会降低湍流性和剪切稠化性能。这导致用泵抽或重力的输送不如水力输送理想，并存在更多的问题。
一类颗粒传输是把矿物尾渣输送作为矿井回填料，或输送到地表从而去除矿井中的残渣。回填的矿物尾渣可以单独传输，或者加入粘合剂以形成一种凝固组分。本领域中理想的是将矿物尾渣以一种稠糊进行传输，而不是通过水力传输。然而，要形成糊状稠度传输，需要粒径分布达到最优化。通过加入细物料或砂子，可以使矿物尾渣的粒径分布附合理想粒径分布。但这会增加矿物尾渣的处理处置费用，同时也会增加采矿的操作费用。理想填料会表现出易在管中传输的类似于料浆的性质(即低压力降)，但也出现在相当低的传输速度下存留于悬浮液中的类似糊的特性。
一旦颗粒物料浆到达预定目的地，就排出传输流体。那么该流体必须用泵抽走，这会增加操作的额外处理处置费用。此外，如果颗粒物中含有粘合剂，那么一些粘合剂将会存留于排放水中，并可以在排水系统中硬化，这使操作的维修成本增多。在矿物尾渣被传输到地表的情况中，必须建一个水坝来控制和回收水。这会增加额外的花消及潜在的责任，同时这也是一种潜在的安全危害。
泡沫使颗粒物处于悬浮状态，减少了传输物料所需的流体量。已知，授予Goodson等人的美国专利5,080,534是用一种表面活性剂生成泡沫，然后在管道中进行输送前使泡沫与颗粒物混合。另外，授予Lorenz的美国专利4,451,183则是单独制备泡沫，并在管道各处把其注入颗粒物中。然而，这些现有方法要求泡沫在被加入到混合物以前是单独制备的。单独制备要额外的设备和时间产生泡沫，从而会增加项目的附加成本。
矿井回填是填充因挖掘地下矿石所遗留的矿山空洞，其可以维持矿山结构，或者可以处理掉矿物尾渣。用来填充矿山空洞的物料包括废石块、矿物尾渣和砂。常把砂子与矿物尾渣混合起来使用。
研磨矿石或岩石达到足够细的程度以便通过浮选过程得到矿物，这样将得到矿物尾渣。由于地下岩石中矿物含量较低，一般不到10重量％，所以几乎所有被采掘的岩石都变成了矿物尾渣。通常，矿物尾渣的稠度类似于细粘土或粉土。传统上讲，必须要往残渣中加入大量水以使它们易于用泵抽取。然后在最终处理地的残渣必须被增稠以使其固定。这种对矿物尾渣的增稠需要较高费用。
一旦从研磨厂把矿物尾渣用泵抽走，或者把它们直接送往尾矿池、回填厂，或者用旋液分离器加工分离其中的粗大颗粒与细小颗粒。粗大的部分被送往回填厂，细小部分被送到尾矿池。尾矿池通常较大，在此残渣得以沉淀，所得到的水被排放到澄清池。
由矿物尾渣生产矿井回填料的一种方法是用一排旋液分离器加工尾渣料浆，以去除物料中较粗的部分。较粗部分(潜流)被送到地坑中，使部分水从地坑顶部溢流进行澄清。较密实的矿物尾渣则从地坑中排出，并用泵吸到混合器中，在此加入粘结剂，产生水硬回填料。
回填料是一种固体重量占50％的料浆，其沿着垂直洞孔或管道倾泻下来，在矿山空洞或地下废坑中沉积。由于它是一种料浆，所以需要有大量的粘合剂来加固物料，同时必须把回填料中渗出的水从矿井中抽出。粘合剂含量范围是约3-10重量％。使用较低百分比的粘合剂时，则回填料需要承载更长的或足够的时间。
回填的另一种方法是糊状物回填。糊状物回填使用的粘合剂含量较低，通常大约是上述水力回填方法中所用粘合剂的一半。另外，没有水从填料物质中渗出并抽到地表。而固化时间被减至固化水力回填所需时间的一小部分，允许更快的循环时间。糊状物回填通常由所有(没被分类的)残渣组成，这是使用糊状物回填的另一优势，这会减轻维护大表面蓄水区的负担。
然而糊状物回填也有一些缺点。把糊状物传输到矿井或采场比较困难，有时需要用正位移泵来使糊状物在管道中传输。生产糊状物通常采用的方法是，用大浓缩罐、盘滤机或两者结合使用来加工尾渣料浆。
本领域所需要的是一种发泡剂，把这种发泡剂加入到固体混合物中，然后通过单级制备法在混合物中形成泡沫。如此，在固体于管道中传输之前，省去了装料、预加工及把泡沫混合到料浆这几个分开的步骤。
因此，本发明的目的之一是提供传输颗粒物的一种方法，即在颗粒混合物中加入发泡剂，然后以料浆的形式在管道或钻孔中进行传输前，在混合物中生成泡沫。
                      发明概述
本发明也提供了一种挖掘并传输固体颗粒组分的方法，其包括：把固体颗粒物从坑道区域运走；使发泡剂与固体颗粒物混合形成可输送的混合物；向可输送混合物中加入水与粘合剂；混合可输送混合物、水及粘合剂，形成水硬组合物；以及把水硬组合物传输到目的地。
                      发明详述
本发明提供了一种输送固体物料的方法，其包括产生颗粒物，加入一种发泡剂生成混合物，以及混合该混合物以在其中形成泡沫。
本发明方法的益处是可以省去装料、预加工及泡沫混合几个步骤。
混合作用可使发泡剂在混合物中形成泡沫。用大多数商品混合设备都可进行混合作用。
可以通过抽吸或重力压缩来传输混合物。把发泡剂加入到颗粒物中这种方法的另一益处是抽吸物料所需压力减小了。发泡剂减少了混合物中颗粒物的胀流性，因此使用发泡剂可以使原本不可用泵抽的颗粒物变得可抽吸。
混合物中的含水量不到固体物料质量的50％。优选混合物中含水量为5-25％，从而形成了一种糊状稠度。物料的需水量是由每种物料所专有的粒径分布及矿物学特性决定的。
可以用上述方法传输的固体物料的例子包括但并不限于：矿物尾渣、矿石、砂、炭、土壤、粘土、粉土、团粒以及它们的混合物。
可以用于本发明方法的发泡剂包括链烷醇酰胺、链烷醇胺、烷芳基磺酸盐、聚环氧乙烷—聚环氧丙烷嵌段共聚物、烷基酚乙氧基化合物、脂肪酸羧基化合物、脂肪酸乙氧基化合物、脂肪酸磺酸盐、脂肪酸硫酸盐、含氟碳化合物的表面活性剂、含硅表面活性剂、烯烃磺酸盐、烯烃硫酸盐、水解蛋白质及其混合物。更优选的发泡剂是MasterBuilders公司(Cleveland，Ohio)出售的商标为PS-356的α-烯烃磺酸盐。发泡剂加入量应是固体物料质量的约0.001-0.4％，优选约0.005-0.025％。
优选发泡剂是以干粉的形式存在。这使处理容易，并提高了存储性。液体发泡剂在冰冻的气候条件下可能固化，这样在使用前必然要求冷冻保护或解冻。
根据本发明，链烷醇酰胺发泡剂包括，但并不限于那些含有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，链烷醇胺发泡剂包括，但并不限于那些含有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，烷芳基磺酸盐发泡剂包括但不限于那些含有一个芳基以及含有约12-20个碳原子的芳基的物质。
根据本发明，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷嵌段共聚物包括，但并不限于那些含约10-20个各嵌段单元的物质。
根据本发明，烷基酚乙氧基化合物发泡剂包括但不限于那些含有约12-20个碳原子的芳基的物质。
根据本发明，脂肪酸羧基化合物发泡剂包括但不限于那些脂肪酸部分有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，脂肪酸乙氧基化合物发泡剂包括但不限于那些乙氧基为约10-20个且脂肪酸部分有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，脂肪酸磺酸盐发泡剂包括，但不限于那些脂肪酸部分含约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，脂肪酸硫酸盐发泡剂包括，但不限于那些脂肪酸部分含约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，含氟碳化合物的表面活性发泡剂包括但不限于那些含约12-20个碳原子且一个或多个-CH2部分被-CF2部分所取代的物质。
根据本发明，烯烃磺酸盐发泡剂包括但不限于那些含有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，烯烃硫酸盐发泡剂包括但不限于那些含有约12-20个碳原子的物质。
根据本发明，水解蛋白质发泡剂包括但不限于蛋白质水解衍生物。蛋白质的相对分子量可以是任一在粘结混合物中产生发泡作用的分子量。优选相对分子量为约10,000到50,000。优选水解蛋白为来自血中的水解凝胶、水解胶原以及水解蛋白。水解凝胶的一种非限定性例子是Milligan&Higgins(Johnstown，纽约)的TG222。
在本发明方法中，把固体颗粒物从挖掘区域去除以及把发泡剂与颗粒物混合形成可传输混合物，这两个步骤优选在混合泵中进行。
除了发泡剂以外，也可以加入具有已知有益效果的本领域熟悉的掺合物。它们包括但不限于：泡沫稳定剂、减水分散剂、流变改性剂以及加速剂。可以用这些混合物中的一个或多个，或单独使用或混合使用。
可把一种发泡稳定剂加到混合物中来稳定泡沫，使泡沫寿命更长。本发明中所能用的泡沫稳定剂包括预凝胶淀粉、纤维素醚、聚环氧乙烷、细粘土、自然树胶、聚丙烯酰胺、羧乙烯基聚合物、聚乙烯醇、非极性亲水物质、合成聚电解质、硅石烟及其混合物。之所以需要用泡沫稳定剂，是因为在管道中的传输时间可能较长和/或管道中操作压力可能较高，这样都破坏泡沫的稳定性。
根据本发明，纤维素醚泡沫稳定剂包括但不限于改性纤维素醚。
据此发明，有许多市购的聚环氧乙烷泡沫稳定剂的例子，其中一个典型的例子是POLYOX(注册商标)，来自Union Carbide。优选重均分子量大于500,000的聚环氧乙烷。
根据本发明，细粘土泡沫稳定剂包括但不限于膨润土。细粘土的定义是指包括那些粒径小于约20微米的粘土。
根据本发明，自然树胶泡沫稳定剂包括但不限于爪耳胶、welangum及其混合物。
根据本发明，聚乙烯醇泡沫稳定剂包括但不限于那些重均分子量大于约1,000的物质。
根据本发明，合成聚电解质泡沫稳定剂包括但不限于重均分子量大于约1,000的聚乙烯基磺酸盐、重均分子量大于约1,000的聚乙烯基聚合物及其混合物。
泡沫稳定剂可以单独加入，也可以与其它类型泡沫稳定剂结合一起加入。其加入量应约是料浆质量的0.0001-2％。
此外，可以向混合物中加入减水分散剂以便分散物料，从而能在维持可流动稠度的同时使混合物中的含水量较低，以改善填筑物料的性质。根据本发明，可用的缩水分散剂包括但不限于木质素磺酸盐、β-萘磺酸—甲醛缩合物盐类、含蜜胺减水剂、聚羧基盐、聚羧酸酯共聚物、聚羧基胺、聚羧基亚胺及其混合物。减水分散剂加入量应大于粘合剂或粘结体系质量的约0-2％。需要注意的是被处理固体物料的粒径分散性、矿物学特性及混合物化学性也都会影响分散剂用量比率。
在此所用的术语粘合剂包括那些能固定混合物的物质，包括但不限于粘固剂，如：卜特兰或高铝水泥、矿渣、飘尘、粘结物料、石灰、火山灰及其混合物。
而且，任何其它添加剂，只要不干扰本发明所传输的颗粒物料浆的性质，也可以加入。这些添加剂包括但不限于粘合剂、降凝剂、促凝剂、石灰、飘尘、研磨粒状鼓风炉炉渣和缓蚀剂。加入的粘合剂的量取决于凝固时间及所需抗压强度。典型地，加入的粘合剂或粘结物料应大于固体物料质量的约0％-30％。
把发泡剂加入到颗粒固体混合物中的益处是其可减少流失。流失是指水从混合物中分离出来。我们所希望的是水不从混合物中流失，这是因为流失会降低混合物的流动性。根据实验室试验，发泡剂的加入可以多达100％地消除流失。
当物料被传输到它的填筑区域时，可以用各种方法根据需要除去泡沫中的空气。这些方法包括但不限于机械冲击，当下到地下矿井时，或通过机械作用时，采用传统冲击地面设备如辗压机或羊足压路机。另外，可以随后加入化学添加剂，如消泡剂到输送的料浆中，引起泡沫破裂，从而可去除泡沫物质中的大部分空气。
在本发明的另一个实施方案中，提供一种方法来挖掘固体颗粒物，把其转变成象糊状物一样的稠度，然后把固体颗粒物传输到填筑区域。首先用泵把固体颗粒物从挖掘区移走，并混入发泡剂。需要加一些水分解固体颗粒物以促进最初的泵抽；然而，所需水量通常不超过使总固体稠度降到糊状稠度以下的用水量。
可以把发泡剂加入到混合器所装有的固体颗粒物中，混合器是与泵相分离的，或者也可用混合泵。混合泵的一个例子是Toyo DP/DL铜网泵。这种泵可浸入水中，属底端吸力泵，在底端有一个搅拌器和供水。在此种泵中，水被通到搅拌器中分解稠物料或泥渣，并把其变成一种糊状物以利于最初的泵抽。此泵安装有一个喷射器在向混合泵的搅拌器部分中，以注入发泡剂或任何其它所需要的混合物。发泡剂是通过使用载体注入的，载体可以是水、压缩空气，或任何其它气体。如果发泡剂是一种干粉末，那么它可以在水流中溶解，或用气体吹。另一种方法，可以预先制备泡沫来替代就地发泡剂实施方案。泡沫提供了可传输的矿物尾渣混合料浆的可泵抽性能。
为了移走固体颗粒物，可把泵移到挖掘区域附近。任何一种适合移动泵的方法都可以达到效果。泵可以悬于驳船或虹吸器上。另一选择，泵可以悬于覆盖挖掘区域的一个二维缆绳滑轮系统上。这样的一个缆绳滑轮系统一般包括那种在平行滑轮之间安装有一个横向滑轮的平行反向滑轮。泵可以在横向滑轮上左右移动，并在平行滑轮上前后滑动。
将泡沫固体颗粒物从挖掘区域传输到回填厂。在回填厂，向发泡了的固体颗粒物中加入粘合剂，用湿度分析器来测定入射泡沫固体颗粒物的含水量。如果最终固体颗粒物粘合剂混合物需达到一理想总固体浓度，则可向混合物中加入水。水量可基于入射泡沫固体颗粒物总固体量来进行计算。
传统上，混料器具有两个逆转式混合器螺旋桨，可变速度驱动和可调节螺距的叶片。它用来把粘合剂、任选的水混进固体颗粒物中，形成水硬固体颗粒物组合物。在混合后，水硬固体颗粒物组合物可通过重力自流进料或泵传输到填筑区域。
在上面的实施方案中，挖掘区域可以是矿物尾渣池，固体颗粒物可以是矿物尾渣，填筑区域可以是矿井或废坑。
在整个说明书中所提到的矿井也包括废坑。
                      实施例
本发明可以通过下列非限定性实施例来描述。在下列实施例中，通过ASTM C143及C143M来测定坍落度。密度是通过把混合物放置于400ml杯中而测定的。杯子的皮重是749g。
混合物A
40kg    湿矿物尾渣
1.2kg   粘合剂-Lafarge的卜特兰水泥
4kg     水
混合物与杯子的总重是1738.5g
密度＝989.5g/400ml
改变含水量以测定坍落度。
总水量5.4kg：    坍落度：大锥形11.3cm
总水量6kg：      坍落度：大锥形17.8cm
混合物B
40kg    矿物尾渣
1.2kg   粘合剂-Lafarge的卜特兰水泥
3.9kg   水
8.96ml  聚氧化烯衍生甲基丙烯酸酯聚合物*
5.0ml   聚氧化烯衍生甲基丙烯酸酯聚合物*
混合物与杯子的总重是1741.8g。
密度＝992.8g/400ml
*聚合物是Master Builders公司(Cleveland，Ohio)生产的FC-900
下一步，向混合物中加入预先制备的泡沫。
含有泡沫的混合物坍落度      大锥形14cm      小锥形4.4cm
混合物与杯子的总重是1510.3g。
密度＝761.3g/400ml
接下来，制备混合物，并作为一种空白参照进行测试，然后加入发泡剂。测试混合物的坍落度和密度，接着准备测试柱体以测定流失和压力强度。共准备好的47.6cm×15.2cm的柱体，其中1个用来测定流失水，3个用来测定压力强度。
组1
45kg矿物尾渣，湿度为10.9％
1.335kg粘合剂-Lafarge的卜特兰水泥
加入6.6kg水以使浆密度为72％固体。
1A
坍落度          大锥形19cm
混合物与杯子总重1571.9g。
密度＝822.1g/400ml
注：物料分离及快速流失。
1B
向组1A混合物加入9毫升15％的改性纤维素醚溶液。
坍落度          大锥形19cm
混合物与水总重1549.1g。
密度＝800.1g/400ml
注：物料分离及流失。
1C
向组1B的混合物加入10克PS-356作为发泡剂。
坍落度          大锥形17.8cm
混合物与水总重1469.6g。
密度＝720.6g/400ml
注：混合物是稳定的，不分离。
组2
按“组1”制备混合物，但加入5.4kg水以使浆密度为74％。
2A
向“组2”混合物加入8.87％的改性纤维素醚或1.88g/kg粘合剂；8.87％的减水泡沫稳定剂或1.88g/kg粘合剂；以及10克PS-356。
坍落度        大锥形7.6cm
混合物与水总重1427.5g。
密度＝678.5g/400ml
2B
向混合物2A加入1.2kg水以产生72％的浆密度。
坍落度        大锥形15.9cm
混合物与水总重1421.2g。
密度＝672.2g/400ml
注：观察到轻微的流失
以上实施例的压力强度及流失测试结果列于下面的表1中。
表1
   样品      流失测试(ml水)(累计)       压力强度(MPa)
  在4-5小时     3天     3天     28天
    1A     22.5     50.5     0.26     2.39
    1B     15     38     0.23     2.61
    1C     3     12     1.69
    2A     0     0     0.15     1.97
    2B     3     3     0.12     1.76
混合物1A表现出了未经处理的料浆的典型特性。表1表明存在大量的流失，因为混合物1C中加入发泡剂和泡沫稳定剂，在4-5小时及3天的流失分别缩减了将近90％和80％。混合物2A表明：减水剂、几种泡沫稳定剂以及发泡剂结合，可产生一种不流失的混合物。另外，表1也说明所有混合物都达到合格的压力强度。
                        实施例2
用Master Builder公司(Cleveland，Ohio)提供的PS-356发泡剂来对矿物尾渣进行三次测试。
矿物尾渣的湿度大约是固体质量占14％，并具有象松散、潮湿的砂子一样“装填”稠度、且不象液体那样流动。
在#1测试中，在霍巴特(Hobart)混合器中把1000克矿物尾渣与0.25克PS-356混合。在混合大约1分钟后，物料产生类似于泥一样的特性，使物料流动并能用泵抽取。不断进行混合，进一步混合使混合物密度减小，如下面的表2所示。
在#2测试中，把1000g矿物尾渣与0.1克PS-356在霍巴特混合器中混合。在混合大约1分钟以后，物料产生类似泥浆的稠度，可流动，并可用泵抽取。不断地进行混合，混合物的密度变小，如下面的表2所示。
在#3测试中，把1000g矿物尾渣与0.05克PS-356在霍巴特混合器中混合。在混合大约1分钟后，物料产生类似泥浆的稠度，可流动，并可用泵抽取。不断地进行混合，混合物的密度减小，如下面的表2所示。
表2
混合时间(分钟)         PS-3560.25克剂量         PS-3560.1克剂量         PS-3560.05克剂量
   质量/400ml    质量/ml   质量/400ml   质量/ml    质量/400ml   质量/ml
    0   856   2.14   856   2.14    856   2.14
    1   427.6   1.818   560.5   1.4    637.1   1.59
    2   407.8   1.019   508.4   1.27    645.9   1.61
    3   358.7   0.896   502.6   1.25    665.4   1.66
    4   323.1   0.807   503.8   1.26    未测   未测
表2中的测试结果表明加入发泡混合物，可以在形成泡沫混合物的过程中使含极少量游离水分的尾矿物料转变成具有流体性质的物料。所得的物料具有低密度，并且其流动性比原来潮湿尾矿起始物料要好。
应当知道，本发明不限于上述具体实施方案，它应包括由下列权利要求所限定的变化、改进及等效实施方案。

Claims (9)

1.一种输送固体颗粒物的方法，其包括：混合发泡剂与固体颗粒物以便形成可输送的混合物；向该可输送混合物加入水和粘合剂；混合可输送混合物、水和粘合剂形成起泡的水硬组合物；以及将该水硬组合物输送到目的地。
2.权利要求1的方法，其中基于颗粒物质量，水硬组合物含水量低于50％。
3.权利要求1或2的方法，其中发泡剂为干粉末的形式。
4.权利要求1或2的方法，其进一步包括向可输送混合物加入泡沫稳定剂并混合。
5.权利要求1或2的方法，其进一步包括向可输送混合物加入减水分散剂并混合。
6.权利要求1的方法，其进一步包括在输送步骤后向水硬组合物加入粘合剂。
7.一种输送挖掘的固体颗粒物的方法，其包括：
a.从挖掘区域移走固体颗粒物；
b.把发泡剂与固体颗粒物混合形成可输送的混合物；
c.向可输送混合物中加入水与粘合剂；
d.混合可输送混合物、水及粘合剂形成水硬组合物；
e.把水硬组合物输送到目的地。
8.权利要求7的方法，其中步骤c进一步包括加入一种掺合物。
9.权利要求8的方法，其中所述掺合物选自泡沫稳定剂、减水分散剂、流变改性剂、加速剂、降凝剂、缓蚀剂及其混合物。
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