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高位尾礦庫尾礦綜合利用的勢(shì)能利用(初稿）2020-12-18
作者：于長和
摘要：高位尾礦庫的尾礦綜合利用中，勢(shì)能是一個(gè)巨大的財(cái)富，利用好將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文指出了勢(shì)能利用的理論依據(jù)，以及液體勢(shì)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化的機(jī)械和設(shè)計(jì)實(shí)例。
關(guān)鍵詞：勢(shì)能、動(dòng)能、勢(shì)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。
尾礦綜合利用在我國已經(jīng)提上日程，過去幾十年已閉庫的尾礦庫眾多，特別是早期閉庫的大型尾礦庫，其綜合利用經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但高位尾礦庫，綜合利用中耗能難度較大的是提水一項(xiàng)，將消耗大量電能，但若把尾礦庫蓄藏的巨大勢(shì)能利用起來，情況就完全不一樣。本文著重探討高位尾礦庫尾礦綜合利用的勢(shì)能利用問題。
一、
高位尾礦庫的尾礦，都是用漿體泵把選廠的尾礦漿，輸送到尾礦庫的，這個(gè)過程中消耗了大量的能量。根據(jù)能量守恒原則，這個(gè)巨大能量并沒有消失，而是以勢(shì)能的方式儲(chǔ)存于尾礦庫中，一旦有機(jī)會(huì)就會(huì)突然奔騰而下。在高位尾礦庫的尾礦綜合利用中，通常是把尾礦庫的尾砂以漿體的方式輸送到低處，進(jìn)行尾礦再選，選后的尾礦粗顆粒做高級(jí)建材，細(xì)尾礦填溝造地。高位尾礦庫采尾礦時(shí)，需要大量水制漿，漿體流到低處時(shí)，會(huì)有巨大的勢(shì)能，如果把這勢(shì)能充分利用，即利用隔膜式靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)，幾乎不需耗電，便可把低處的水，全部送到庫頂，用不完的水，還可以發(fā)電，均可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
五年前，我們?yōu)槟厦酪粋€(gè)銅礦做過一個(gè)勢(shì)能利用方案。這個(gè)礦采礦、破碎、球磨均在標(biāo)高3000多米的山上，選廠在幾十公里的山下，高差2000多米。球磨后的礦漿用管道送到山下選廠。由于高差2000多米，扣除幾十公里的管阻，還有1000多米的勢(shì)能。為了克服這個(gè)勢(shì)能，他們?cè)诠苈分屑恿嗽S多段消除勢(shì)能的孔板結(jié)構(gòu)，這些孔板價(jià)格又高，壽命又短。當(dāng)時(shí)一個(gè)國外設(shè)計(jì)公司，就找我們商量能否用一組靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)，把1000多米的礦漿勢(shì)能，通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)變成清水的動(dòng)能，用清水動(dòng)能發(fā)電。
南美這個(gè)礦，漿體流量6000m3/h，漿體濃度25%，凈勢(shì)能若1000m高差，則這個(gè)勢(shì)能相當(dāng)于20424.75KW，把這個(gè)勢(shì)能轉(zhuǎn)換清水動(dòng)能，然后發(fā)電，按水頭1250m，流量1.667m3/s計(jì)，可發(fā)電1.725萬KW，再扣除隔膜式靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)和管路損失，以0.9效率計(jì)可以發(fā)電1.56萬KW。按遼寧電價(jià)0.75元/KW計(jì)，年效益達(dá)9275萬元人民幣。該項(xiàng)目總投資9000萬元左右，一年投資即可收回。而水力發(fā)電，一般投資15年收回。因此，礦漿的勢(shì)能利用是一本萬利，還不污染環(huán)境，屬綠色經(jīng)濟(jì)。
二、
隔膜式靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)，實(shí)際就是水隔膜泵的反用。好比電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，油泵和油馬達(dá)的關(guān)系。靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)由五個(gè)部分組成，核心部分是靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置，這個(gè)裝置是由六個(gè)能量轉(zhuǎn)換罐組成，每個(gè)罐內(nèi)裝隔膜，隔膜與罐壁之間進(jìn)出清水，隔膜內(nèi)進(jìn)出礦漿。第二部分是液動(dòng)漿體控制閥組，每個(gè)罐配二臺(tái)隔膜式液動(dòng)漿體閥門，一臺(tái)控制進(jìn)漿體，一臺(tái)控制排漿體。第三部分是清水止回閥組，每個(gè)罐配二臺(tái)清水止回閥，一臺(tái)為進(jìn)清水，一臺(tái)為排清水。第四部分為液壓站，液壓站是控制液動(dòng)漿體閥開關(guān)。第五部分為微機(jī)控制系統(tǒng)，微機(jī)控制液壓站，從而控制漿體控制閥按程序指令動(dòng)作。
靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)的工作原理：以一個(gè)隔離罐為例，當(dāng)清水充滿隔膜與罐壁間的空間時(shí)，微機(jī)通過液壓站令進(jìn)漿閥打開，漿體在勢(shì)能作用下進(jìn)入隔膜內(nèi)，比如靜壓頭為500m。由于漿體比重大于1，比如1.25，那么隔膜與罐壁間的清水，在漿體500m×1.25=633m壓頭作用下，清水便頂開清水止回閥輸送到550m標(biāo)高的清水池。當(dāng)微機(jī)令進(jìn)漿閥關(guān)閉，排漿閥打開，位置較高的清水池的清水通過止回閥進(jìn)入隔膜與罐壁之間，隔膜內(nèi)漿體通過排漿閥流出。由六個(gè)罐組成的機(jī)組，微機(jī)按程序控制機(jī)組的各罐進(jìn)排漿順序，便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組進(jìn)排漿（進(jìn)排水）的流量連續(xù)且非常穩(wěn)定的工作。
靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)組，在系統(tǒng)上還要加若干個(gè)穩(wěn)壓罐和切換、檢修的閥門。
由于靜動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)組，僅液壓站用少量電，因此在很少耗電的情況下，換來巨大的有用能量，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
三、
尾礦綜合利用示范工程是國家工業(yè)和信息化部和國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局為加快尾礦綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用，提高尾礦綜合利用技術(shù)水平，充分發(fā)揮示范工程典型帶動(dòng)作用而開展的一項(xiàng)重要工作。目前，國內(nèi)某尾礦資源再利用綠色建材經(jīng)濟(jì)循環(huán)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。
該尾礦庫已閉庫十多年，現(xiàn)啟動(dòng)項(xiàng)目由尾礦再選，水泥混料，PC予制件制造，綠色農(nóng)業(yè)生態(tài)園四大板塊構(gòu)成。其中選礦供水方面采用我公司能量轉(zhuǎn)換機(jī)新工藝。將尾礦勢(shì)能轉(zhuǎn)換運(yùn)輸清水的動(dòng)能，除去造漿用水外，余下水可以發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)水力循環(huán)和能量循環(huán)。
該尾礦庫標(biāo)高500米，在470米處采尾沙，日用水6萬噸，在500米處造漿，日用水8萬噸。選礦在120米以下，日用水6萬噸。這里有二處礦漿勢(shì)能利用。其一，造漿后漿體從485米流到120米再選。我們?cè)?25米外裝有能量轉(zhuǎn)換機(jī)，利用360米的高差，每天把16.2萬噸水送到標(biāo)高540米的清水池，僅用電264KW。這16.2萬噸清水，有6萬噸用做采尾礦，落差70m，有8萬噸用做制漿，落差40米，有2.2萬噸多余的水，送到再選，落差400米。這三處分別裝有水輪發(fā)電機(jī)組，共裝機(jī)2000KW。
另選礦后的尾礦進(jìn)行濃縮，濃縮池在標(biāo)高90米處，我們?cè)跇?biāo)高25米處裝第二個(gè)能量轉(zhuǎn)換機(jī)組，利用濃縮池每天下來的4.8萬噸尾礦漿的勢(shì)能，把4.8萬噸清水送至標(biāo)高140m的清水池，用于選礦的補(bǔ)水，僅用電44KW。
這個(gè)項(xiàng)目由于使用能量轉(zhuǎn)換機(jī)提水和多余水發(fā)電，比用水泵提水節(jié)省功率（運(yùn)行功率）14688KW，按軸功率0.85，每度電0.75元計(jì)，每天節(jié)約22.47萬元，每年按330天計(jì)，年節(jié)電費(fèi)7415萬元。三處發(fā)電按1500KW計(jì)，年效益為757萬元。可見高位尾礦庫尾礦綜合利用的勢(shì)能利用，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益巨大的替力股，應(yīng)該認(rèn)真的研究利用。
作者簡介：
于長和：遼寧維揚(yáng)機(jī)械有限公司董事長 教授13504182906
