为了使稠细粒尾矿脱水而基于剪切参数例如Camp数达到水释放区

摘要

提供了涉及依照预设剪切参数(例如Camp数)剪切调节经絮凝的尾矿物料的稠细粒尾矿的絮凝和/或脱水的各种技术。处理稠细粒尾矿的方法的一种实例包括将絮凝剂分散到稠细粒尾矿中以形成絮凝中混合物；剪切该絮凝中混合物以提高屈服应力并产生经絮凝的混合物；剪切调节该经絮凝的混合物以降低屈服应力并破坏絮凝物，该剪切条件是依照预设的剪切参数进行的以制备在水释放区内的经调节的絮凝的物料，在水释放区内释放的水从该经调节的絮凝的物料中分离出来。然后该经调节的絮凝的物料能够例如通过沉积、增稠或过滤进行脱水。能够有利于絮凝管线组件的设计、构造和/或操作。

说明书

技术领域

本发明总的涉及稠细粒尾矿脱水的领域。

背景技术

由采矿操作(例如油砂开采)得到的稠细粒尾矿通常被放在专用的处置 池中用于沉降。在尾矿池中微细固体从水中沉降出来是较为缓慢的过程。已 经开发了某些技术用于稠细粒尾矿(例如油砂熟化细粒尾矿(MFT))的脱水。 稠细粒尾矿的脱水能够包括将该稠细粒尾矿与絮凝剂接触以及然后将该经 絮凝的细粒尾矿沉积在沉积区域中，在其中沉积的物料能够释放水并最终干 燥。

存在很多与为了使经絮凝的物料脱水而使稠细粒尾矿絮凝相关的困难。

发明内容

对于稠细粒尾矿的絮凝和/或脱水的各个方面，此处描述了用于增强操 作的各种技术。

在一些实施方式中，提供了处理稠细粒尾矿的方法，包括：

使该稠细粒尾矿絮凝，包括以下絮凝阶段：

分散阶段，包括将絮凝剂分散到稠细粒尾矿中形成絮凝尾矿 物料；

絮凝物聚集阶段，包括剪切该絮凝尾矿物料并提高该絮凝尾 矿物料的屈服应力；和

絮凝物破坏阶段，包括在层流形态下剪切该絮凝尾矿物料并 降低该絮凝尾矿物料的屈服应力，其中该絮凝物破坏阶段包括：

依照Camp数对该絮凝尾矿物料施加足以使得该絮凝 尾矿物料达到水释放区的预设量的剪切调节，其中在所述 水释放区中释放的水从絮凝尾矿物料中分离出来；和

将处于水释放区内的该絮凝尾矿物料沉积到地表沉积区域上。

在一些实施方式中，该预设量的剪切调节是由管线组件提供的。

在一些实施方式中，该管线组件具有由从实验室规模的混合器试验根据 Camp数按比例放大确定的构造。

在一些实施方式中，该根据Camp数按比例放大包括：测定包括该稠细 粒尾矿的样品和该絮凝剂的絮凝混合物样品在实验室规模混合器中的流变 行为；测定足以使在实验室规模的混合器中的该絮凝混合物样品进入水释放 区的实验室规模Camp数；确定该Camp数从而使其与实验室规模Camp数基本 上相类似(相同)；和基于该Camp数确定该管线组件的等效管长度。

在一些实施方式中，该Camp数在该实验室规模Camp数的约±10％内。 在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨式混合器。

在一些实施方式中，该测定絮凝混合物样品的流变行为的步骤包括：确 定添加到稠细粒尾矿样品中的最佳絮凝剂剂量范围；在该最佳絮凝剂剂量范 围内将该絮凝剂添加到该稠细粒尾矿的样品中以形成絮凝中混合物样品；为 该絮凝中混合物样品施加分散混合以促进絮凝剂的分散和絮凝物的聚集，以 形成经絮凝的物料；为该经絮凝的物料施加较低程度的混合以使絮凝物开始 破坏直至到达水释放区；和测定该絮凝中混合物和该经絮凝的物料随时间的 屈服应力响应。

在一些实施方式中，该测定Camp数的步骤包括使用Herschel-Bulkley模 型。

在一些实施方式中，该管线组件包括至少一个进入支线的分支。在一些 实施方式中，该管线组件包括具有等效管长度值的管路混合器。在一些实施 方式中，该管线组件基本上由管线组成。

在一些实施方式中，该方法进一步包括：

通过改变以下参数而改进该使稠细粒尾矿絮凝的步骤：

稠细粒尾矿的性质；

絮凝剂的类型；和/或

絮凝剂相对于稠细粒尾矿的剂量；

确定用于絮凝物破坏阶段的新的Camp数和剪切调节的新预设 量；和

为该絮凝尾矿物料施加足以使该絮凝尾矿物料处于水释放区内的 新预设量的剪切调节。

在一些实施方式中，施加新预设量的剪切调节包括再次构造该管线组件 以增大或减小该等效管长度。

在一些实施方式中，该管线组件包括多个管线，其用于将该絮凝尾矿物 料输送和沉积到相应的沉积区域上，该管线经配置以具有基本相同的长度和 直径。

在一些实施方式中，该管线组件包括多个管线，其用于将该絮凝尾矿物 料输送和沉积到相应的沉积区域上，各管线经配制以具有不同的长度和/或不 同的直径，且依照相应预设量的剪切调节被选择用以接收絮凝尾矿物料的相 应流体。

在一些实施方式中，提供该Camp数和该预设量的剪切调节以达到在水 释放区内的水释放最高范围。

在一些实施方式中，该稠细粒尾矿包括熟化细粒尾矿。在一些实施方式 中，该熟化细粒尾矿是由油砂得到的。在一些实施方式中，该稠细粒尾矿是 从尾矿池或从提取操作的分离单元回收的。

在一些实施方式中，提供了处理稠细粒尾矿的方法，包括：

将絮凝剂分散到稠细粒尾矿中以产生絮凝尾矿物料；

管线调节该絮凝尾矿物料从而：

施加足够的剪切以聚集絮凝物并达到该絮凝尾矿物料的最 高屈服应力；和

依照Camp数对该絮凝尾矿物料施加预设量的剪切调节，足 以使该具有层流形态的絮凝尾矿物料的屈服应力从最高屈服应 力降低并到达水释放区，其中在所述水释放区中释放的水从絮凝 尾矿物料中分离出来；和

将位于水释放区内的絮凝尾矿物料沉积到地表沉积区域上。

在一些实施方式中，提供了配置用于输送和调节经絮凝的稠细粒尾矿物 料的管线组件的方法，包括：

在层流条件下测定足以实现絮凝物破坏和水释放的经絮凝的尾矿物料 样品的实验室规模的Camp数；和

为该管线组件提供配置以相对于通过该管线组件的具有层流形态的该 经絮凝的稠细粒尾矿物料提供与实验室规模的混合器Camp数基本类 似(相同)的Camp数。

在一些实施方式中，提供了处理稠细粒尾矿的方法，包括：

将絮凝剂分散到该稠细粒尾矿中形成絮凝中混合物；

剪切该絮凝中混合物以提高该絮凝中混合物的屈服应力和使絮凝 物聚集，由此产生经絮凝的混合物；

剪切调节该经絮凝的混合物以降低该经絮凝的混合物的屈服应力 并破坏絮凝物，其中该剪切调节是依照预设的剪切参数进行的，从而 足以制备在水释放区内的经调节的絮凝的物料，其中在所述水释放区 中释放的水从经调节的絮凝的物料中分离出来；和

在水释放区内时将该经调节的絮凝的物料脱水。

在一些实施方式中，脱水的步骤包括将该经调节的絮凝的物料沉积到地 表沉积区域上。

在一些实施方式中，该脱水的步骤包括将该经调节的絮凝的物料供给分 离装置以将释放的水从水减少的尾矿物料中分离出来。

在一些实施方式中，还存在根据经验得出该预设的剪切参数的步骤。

在一些实施方式中，该预设的剪切参数包括剪切速率和滞留时间变量或 由剪切速率和滞留时间变量构成。

在一些实施方式中，该预设的剪切参数包括无因次数。

在一些实施方式中，该根据经验得出该预设的剪切参数的步骤包括实验 室试验。

在一些实施方式中，该根据经验得出该预设的剪切参数的步骤包括：测 定包括该稠细粒尾矿和该絮凝剂的样品的絮凝混合物样品在实验室规模的 混合器中的流变行为，其中该絮凝混合物样品的屈服应力升高以形成经絮凝 混合物样品，然后在剪切调节下屈服应力降低；测定足以使该经絮凝混合物 样品在实验室规模的混合器中进入水释放区内的实验室规模的剪切参数；和 确定该预设的剪切参数从而使其与该实验室规模的剪切参数基本上相类似 (相同)。

在一些实施方式中，还存在基于该预设的剪切参数确定管线组件的等效 管长度和直径以提供该剪切调节的步骤。

在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨式混合器。

在一些实施方式中，该测定该絮凝混合物样品的流变行为的步骤包括： 测定添加到该稠细粒尾矿的样品中的最佳絮凝剂剂量范围；将该最佳絮凝剂 剂量范围的絮凝剂添加到该稠细粒尾矿样品的样品中以形成絮凝中混合物 样品；为该絮凝中混合物样品施加分散混合以促进絮凝剂的分散和絮凝物的 聚集，以形成该经絮凝混合物样品；为该经絮凝混合物样品施加较低程度的 混合以使絮凝物开始破坏直至到达该水释放区；和测定该絮凝混合物和该经 絮凝的物料随时间的屈服应力响应。

在一些实施方式中，该预设的剪切参数包括Camp数。在一些实施方式 中，该预设的剪切参数由Camp数构成。

在一些实施方式中，该经絮凝的混合物的剪切调节是在层流条件下进行 的。

在一些实施方式中，该剪切调节是由管线组件提供的。

在一些实施方式中，为该管线组件提供足以依照该预设的剪切参数为该 经絮凝的混合物施加剪切调节的长度和直径。

在一些实施方式中，提供了用于处理稠细粒尾矿的处理系统，包括：

分散和絮凝物聚集组件，其用于将絮凝剂分散到稠细粒尾矿中 形成絮凝中混合物并将该絮凝中混合物进行剪切以提高该絮凝 中混合物的屈服应力并聚集絮凝物，由此生成经絮凝的混合 物；和

管线调节组件，其经尺寸设计和配置用以将该经絮凝的混合物 依照预设的剪切参数进行一定量的剪切调节，该剪切调节足以 降低该经絮凝的混合物的屈服应力并产生正在水释放区内的经 调节的絮凝的物料，其中释放的水从经调节的絮凝的物料中分 离出来；和

脱水单元，其用于接收在水释放区中的该经调节的絮凝的物料 以制备释放的水和经脱水的尾矿物料。

在一些实施方式中，该管线调节组件经尺寸设计和配置使得该经絮凝的 混合物具有层流形态，且该预设的剪切参数是预设的Camp数。

在一些实施方式中，该管线调节组件经尺寸设计以具有用于提供该预设 的Camp数的管长度和直径。

在一些实施方式中，该系统还包括用于测定该预设的Camp数的试验套 件。

在一些实施方式中，该试验套件包括：用于接收包括该稠细粒尾矿的样 品和该絮凝剂的样品混合物的容器；用于在该容器内混合该样品混合物的混 合元件；用于测定在该混合过程中该样品混合物的屈服应力的屈服应力测量 装置；用于测定在该混合过程中的时间的计时器；用于测定该混合的剪切速 率的剪切速率测量装置；和用于测定该样品混合物何时达到其中水从样品混 合物中分离出来的水释放区的水释放检测器。

在一些实施方式中，该试验套件进一步包括用于记录该样品混合物的屈 服应力和时间用于确定屈服应力与时间的关系的记录装置。

在一些实施方式中，该分散和絮凝物聚集组件包括：用于将该絮凝剂分 散到该稠细粒尾矿中形成絮凝中混合物的混合器；和用于将该絮凝中混合物 进行剪切以生成经絮凝的混合物的剪切组件。在一些实施方式中，该混合器 包括管路同心环混合器。

在一些实施方式中，该第一剪切组件包括与该混合器流体连通的管部 分，其用于以管流剪切的形式提供剪切。

在一些实施方式中，该管线调节组件基本上由管道组成，且具有足以依 照该预设的剪切参数提供该一定量的剪切调节的管长度和直径。

在一些实施方式中，该管线调节组件包括管路剪切单元，其具有等效管 长度使得该管线调节组件具有足以依照预设的剪切参数提供该一定量的剪 切调节的总等效管长度。

在一些实施方式中，提供了设计用于将经絮凝的稠细粒尾矿物料流输送 和调节到脱水单元的管线组件的方法，包括：

剪切经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品并测定样品剪切参数，该样品剪 切参数包括足以使该样品进入水释放区内的滞留时间和剪切速率，其 中在所述水释放区内释放的水从样品中分离出来；和

配置该管线组件以具有提供与该样品剪切参数的基本上类似的(相同 的)管线剪切参数的管长度和直径。

在一些实施方式中，该经絮凝的稠细粒尾矿物料的剪切是在层流条件下 进行的，且该经絮凝的稠细粒尾矿物料的流具有层流形态。

在一些实施方式中，该样品剪切参数包括样品Camp数，且该管线剪切 参数包括管线Camp数。

在一些实施方式中，该经絮凝的稠细粒尾矿物料样品的剪切是在实验室 规模的混合器中进行的。在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨 式混合器。

在一些实施方式中，该方法还包括：将絮凝剂添加到稠细粒尾矿的样品 中制备絮凝中混合物样品；和将该絮凝中混合物样品进行剪切以使絮凝物聚 集并将屈服应力提高到最高屈服应力以制备该经絮凝的稠细粒尾矿物料的 样品。

在一些实施方式中，该管线组件的配置包括提供至少一个进入支线的分 支。在一些实施方式中，该管线组件的配置包括提供具有等效管长度值的管 路混合器。

在一些实施方式中，该方法还包括：剪切多个该经絮凝的稠细粒尾矿物 料样品并测定多个相应的足以使该样品进入水释放区的样品剪切参数，其中 在所述水释放区中释放的水从样品中分离出来；和配置该管线组件以提供多 个具有不同长度和/或直径的管线部分以引入相应的与各样品剪切参数基本 上类似(相同)的管线剪切参数。

在一些实施方式中，该稠细粒尾矿和该样品包括熟化细粒尾矿。在一些 实施方式中，该熟化细粒尾矿和该样品是由油砂得到的。在一些实施方式中， 该稠细粒尾矿和该样品是从尾矿池或从提取操作的分离单元回收的。

在一些实施方式中，提供了稠细粒尾矿的脱水方法，包括：

使该稠细粒尾矿絮凝以制备经絮凝的稠细粒尾矿物料；

在管线组件中剪切调节该经絮凝的稠细粒尾矿物料，该管线组件 具有依照与预设的样品剪切参数基本上类似(相同)的管线剪切参数 进行尺寸设计和配置的管长度和直径，该预设的样品剪切参数包括足 以使该经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品进入水释放区内的滞留时间和 剪切速率，其中在所述水释放区内释放的水从该样品中分离出来，该 管线组件生成了在该水释放区内的经调节的絮凝的物料；和

在水释放区时将该经调节的絮凝的物料脱水。

在一些实施方式中，该絮凝步骤是在管路进行的，且包括将絮凝剂分散 到该稠细粒尾矿中形成絮凝中混合物和剪切该絮凝中混合物以聚集絮凝物 并制成该经絮凝的稠细粒尾矿物料。

在一些实施方式中，该预设的样品剪切参数是在层流条件下测定的，且 该经絮凝的稠细粒尾矿物料的剪切调节是在该管线组件中在层流形态下进 行的。

在一些实施方式中，该预设的样品剪切参数是样品Camp数。

在一些实施方式中，该预设的样品剪切参数是通过以下测定的：将絮凝 剂与样品稠细粒尾矿在湍流条件下混合以制成絮凝中混合物样品以形成具 有最高屈服应力的该经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品，和然后在层流条件下 剪切该经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品直到处于该水释放区。

在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨式混合器。

在一些实施方式中，提供了稠细粒尾矿的脱水方法，包括：

使该稠细粒尾矿絮凝制备经絮凝的稠细粒尾矿物料；

在管线组件中剪切调节该经絮凝的稠细粒尾矿物料，该管线组件 具有与该经絮凝的稠细粒尾矿物料的流速基本无关且依照预设的管线 剪切参数进行尺寸设计的管长度和直径，该预设的管线剪切参数是在 层压条件下测定的且包括滞留时间和剪切速率，该管线组件生成了在 该水释放区内的经调节的絮凝的物料；和

使该经絮凝的稠细粒尾矿物料在该管线组件中流动以具有层流形 态；和

在水释放区时将该经调节的絮凝的物料脱水。

在一些实施方式中，该絮凝步骤是在管路进行的，且包括将絮凝剂分散 到该稠细粒尾矿中形成絮凝混合物和剪切该絮凝混合物以聚集絮凝物并制 成该经絮凝的稠细粒尾矿物料。

在一些实施方式中，该预设的样品剪切参数是样品Camp数。

在一些实施方式中，该预设的样品剪切参数是通过以下测定的：将絮凝 剂与样品稠细粒尾矿在湍流条件下混合以制成絮凝中混合物样品以形成具 有最高屈服应力的该经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品，和然后在层流条件下 剪切该经絮凝的稠细粒尾矿物料的样品直到处于该水释放区。

在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨式混合器。

在一些实施方式中，该管线组件基本上由管构成。

在一些实施方式中，提供了稠细粒尾矿的脱水方法，包括：

将絮凝剂添加到该稠细粒尾矿中以制成絮凝尾矿物料；

在管线组件中剪切调节该絮凝尾矿物料以制备在水释放区内的经 调节的絮凝的物料，其中释放的水从该经调节的絮凝的物料中分离出 来；

在剪切调节之前对该絮凝剂和该稠细粒尾矿提供充分的混合以能 使该管线组件基于Camp数按比例放大以达到水释放区的管长度；和

将该水释放区内的该经调节的絮凝的物料脱水。

在一些实施方式中，该添加絮凝剂的步骤是在管路进行的。

在一些实施方式中，该提供充分混合的步骤是在管路进行的。

在一些实施方式中，进行该提供充分混合的步骤以将该絮凝尾矿物料的 屈服应力提高到最高屈服应力水平。

在一些实施方式中，该添加絮凝剂的步骤是在湍流条件下进行的。

在一些实施方式中，该提供充分混合的步骤包括将该絮凝尾矿物料经过 湍流状态以聚集絮凝物直至在剪切调节之前达到层流状态。

在一些实施方式中，该根据Camp数按比例放大包括：将该稠细粒尾矿 的样品与絮凝剂在湍流条件下混合以制备经絮凝混合物样品；在层流条件下 剪切该经絮凝混合物样品以确定在样品中达到水释放区的Camp数；和为该 管线组件提供用于依照该Camp数为该絮凝中尾矿物料提供剪切量的长度和 直径。

在一些实施方式中，该稠细粒尾矿的样品和该絮凝剂的混合是在实验室 规模的混合器中进行的。

在一些实施方式中，该经絮凝混合物样品的剪切是在实验室规模的混合 器中进行的。

在一些实施方式中，该实验室规模的混合器包括桨式混合器。

在一些实施方式中，该管线组件包括至少一个具有等效管长度的管路剪 切装置。

在一些实施方式中，该管线组件基本上由管构成。

在一些实施方式中，提供了用于处理稠细粒尾矿的处理系统，包括：

管路注射器，用于将絮凝剂注入该稠细粒尾矿的湍流中以形成 絮凝中混合物；

与该管路注射器流体连通的絮凝物聚集管线组件，用于接收该 絮凝中混合物并将该絮凝中混合物进行剪切以提高该絮凝中混 合物的屈服应力并聚集絮凝物，由此制成经絮凝的混合物；

与该絮凝物聚集管线组件流体连通的絮凝物破坏管线组件，用 于接收该经絮凝的混合物，该絮凝物破坏管线组件经尺寸设计 和配置以将该经絮凝的混合物在层流条件下依照预设的剪切参 数进行一定量的剪切调节，该剪切调节足以降低该经絮凝的混 合物的屈服应力并制备在水释放区内的经调节的絮凝的物料， 其中释放的水从该经调节的絮凝的物料中分离出来，该预设的 剪切参数包括在层流条件下的滞留时间和剪切速率；和

脱水单元，用于接收在水释放区内时的该经调节的絮凝的物 料，从而产生释放的水和经脱水的尾矿物料。

在一些实施方式中，该预设的剪切参数是预设的Camp数。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线组件经尺寸设计以具有用于提供 该预设的Camp数的管长度和直径。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线组件基本上由管道组成，且具有 足以依照该预设的剪切参数提供该一定量的剪切调节的管长度和直径。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线组件包括管路剪切单元，该管路 剪切单元具有等效管长度，使得该管线调节组件具有足以依照该预设的剪切 参数提供该一定量的剪切调节的总等效管长度。在一些实施方式中，该管路 剪切单元包括静态混合器。

在一些实施方式中，该预设的剪切参数是可变的，且该系统进一步包括 另一管部分，该另一管部分可移动地安装到该絮凝物破坏管线组件的出口端 以依照该预设的剪切参数改变在层流条件下施加给该经絮凝的尾矿物料的 剪切调节量。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线组件包括：第一管线，具有足以 提供该剪切调节量的第一直径和第一长度且经配置以将该经调节的絮凝的 物料供给第一脱水单元；和第二管线，具有比第一直径小的第二直径和比第 一长度小的第二长度，提供该剪切调节量且经配置以将该经调节的絮凝的物 料供给比第一脱水单元位置更近的第二脱水单元。

在一些实施方式中，该稠细粒尾矿包括熟化细粒尾矿。在一些实施方式 中，该熟化细粒尾矿是由油砂得到的。在一些实施方式中，该稠细粒尾矿是 从尾矿池或从提取操作的分离单元回收的。

还应当注意上述各种特征和实施方式可以与上面和/或此处所述的其他 特征和实施方式相结合。

附图说明

图1是脱水操作的框图。

图2是混合器中屈服应力和水净释放量对应于时间的图表。

图3是混合器中屈服应力对应于时间的图表。

图4是混合器中屈服应力对应于时间的图表。

图5是混合器中屈服应力对应于时间的图表。

图6是具有屈服应力的流体在大间隙同心系统中的几何形状和应力分 布的示意图。

图7是不同流体模型的剪切应力相对于剪切速率的系列图。

图8是絮凝剂剂量试验程序的框图。

图9是脱水操作的另一框图。

具体实施方式

用于处理稠细粒尾矿的脱水操作可以包括该稠细粒尾矿的絮凝，然后管 线调节和沉积该经絮凝的物料到地表沉积位置，在该位置沉积的物料能够脱 水和干燥。此处描述了用于使稠细粒尾矿脱水的各种技术，所述脱水是通过 基于预设的剪切参数(例如可以从实验室混合器试验中根据经验得出的 Camp数)提供剪切调节，以施加足够的剪切使得该经絮凝的稠细粒尾矿物料 处于水释放区中，在水释放区中释放的水从物料中分离出来。用于输送和调 节该经絮凝的尾矿物料的管线组件可以依照预设的剪切参数进行尺寸设计 和配置用以促进脱水设施的设计、构造和操作。

“稠细粒尾矿”可以被认为是由采矿操作得到的且主要包括水和细料的 悬浮液。该细料是具有不超过约44微米的各种尺寸的小固体颗粒。该稠细 粒尾矿具有细料部分足够高的固体含量使得该细料容易在水中保持悬浮且 该物料具有低固结速率。更特别地，该稠细粒尾矿可以具有小于或等于1的 粗颗粒与细料比。该稠细粒尾矿具有足够高的细料含量使得细料的絮凝和经 絮凝的物料的调节能够实现两相材料，其中释放的水能够流动通过并远离该 絮凝物。例如，稠细粒尾矿可以具有10wt％-45wt％的固体含量和基于总固体 计至少50wt％的细料含量，为该物料提供相对低的砂或粗固体含量。该稠细 粒尾矿可以从例如尾矿池回收，且可以包括通常称作“熟化细粒尾矿”(MFT) 的物料。

“MFT”表示在尾矿池中通常作为层形成的尾矿流体，且包含水和提高含 量的细固体，且显示出较低的沉降速率。例如，在将全尾矿(包括粗固体物 料、细固体和水)或稀细粒尾矿(包括较低含量的细固体和高水含量)供给到尾 矿池时，该尾矿随着时间通过重力分离成不同的层。底层主要是粗物料，例 如砂，顶层主要是水。中间层砂含量较少，但仍具有相当量的细固体悬浮在 水相中。该中间层通常称作MFT。MFT能够由来自不同类型的矿石的处理 得到的各种不同类型的尾矿形成。尽管在由提取操作供给的某些全尾矿得到 时，MFT的形成通常要花费相当长的时间(在该池中的重力沉降条件下例如 1-3年)，但应当指出根据该尾矿的组成和后提取处理(其可以包括增稠或其他 分离步骤，可以在将经加工的尾矿供给到尾矿池之前除去特定量的粗固体和 /或水)可以更快速地形成MFT和类似MFT的物料。

在一些实施方式中，该稠细粒尾矿是由采矿操作(例如油砂开采操作)得 到的MFT。为了示例的目的，下面描述的一些实施方式可以在MFT或油砂 MFT的方面描述，但应当认识到其他实施方式能够用于由其他来源得到的 稠细粒尾矿。

一般脱水操作

在描述涉及该脱水操作的絮凝和调节的各种技术之前，将参照图1大体 上描述整个脱水操作的实例。

参照图1，在一些实施方式中，该脱水操作可包括从尾矿源100提供稠 细粒尾矿，该尾矿源例如可以是尾矿池，从其中通过挖掘或其他类型的泵送 装置回收尾矿102的流。然后可以将该尾矿102在一个或多个预处理单元104 中进行预处理(例如筛分和/或预剪切)，用于制备经预处理的尾矿流106，然 后将其供给化学添加单元108用于与脱水化学物质110(例如絮凝剂)接触和 混合。当一旦该稠细粒尾矿与絮凝剂110混合时，可以将絮凝尾矿物料112 通过输送和调节组件114用管线输送，然后排放到沉积位置116用于水释放 和干燥。在一些实施方式中，该输送和调节组件可以是具有特定尺寸和配置 的管线的形式。该输送和调节组件可以包括多个管线部分以及一个或多个管 路剪切装置。该“絮凝尾矿物料”112可以被认为是絮凝剂和处于正在絮凝中 或已经基本絮凝的状态的稠细粒尾矿的混合物，且可以正在进行絮凝物破 坏，如下面将更详细解释的那样。输送和调节组件114可以包括：上游絮凝 物聚集组件，其处理在絮凝状态中的物料并聚集絮凝物；和下游絮凝物破坏 组件，其处理经絮凝的物料同时絮凝物正在部分破坏。该输送和调节组件114 可以基本上由管线构成使得该絮凝物聚集和絮凝物破坏组件都是同一总管 线的一部分。一旦沉积，该释放的水可以从该经絮凝的固体基质中流出并被 水回收组件118回收用于再次循环到采矿操作、提取操作、水处理设备或其 他需要工艺水的操作中。

该输送和调节组件114经配置用以将该絮凝尾矿物料112从化学添加单 元108输送和调节到沉积位置116。特别地，该絮凝物破坏组件可以依照预 设的剪切参数(例如Camp数，下面将进一步对其描述)配置和操作。

参照图9，还应当注意该脱水系统可以包括多个组件，包括分散组件、 絮凝物聚集组件、絮凝物破坏组件和脱水组件。在一些实施方式中，该分散、 絮凝物聚集和絮凝物破坏组件包括管线，使得该絮凝物在管路添加，然后该 絮凝尾矿物料在管线部分中经过调节以进行絮凝物聚集和破坏。该脱水单元 可以包括地表沉积位置或其他类型的脱水单元(例如增稠器或过滤装置)，其 为该物料施加较少量的剪切。

在水释放区内操作

总的来讲，在絮凝物聚集之后，可以依照预设的剪切参数(例如Camp 数)处理和调节该经絮凝的尾矿物料，使得对该经絮凝的尾矿物料调节并然 后在能够提高水释放量的状态下进行脱水(例如沉积)。下面将更详细地描述 关于为了促进水释放量的提高的正确处理和剪切参数的内容。

该剪切参数可以被认为是表示在絮凝物聚集之后且在脱水步骤(例如沉 积到地表脱水位置上)之前施加给该絮凝尾矿物料的剪切量的参数。施加给 该絮凝尾矿物料的剪切对该经絮凝的基质的生长和破坏具有影响。剪切参数 的一个实例是Camp数。Camp数是无因次数，其通常表示在特定的时间间 隔内施加给进行絮凝过程的流体的剪切的量。Camp数是施加给该流体的剪 切速率(即速度梯度“G”，其具有秒^-1的单位)和该流体经受该剪切速率的时间 的乘积。因此，Camp数增大表示该流体经受的剪切量增大，这可能是由于 高剪切速率、高剪切时间或二者所致。换言之，通过在较短的时间间隔上提 供高剪切速率或者在较长的时间间隔上提供低剪切速率可以获得特定的 Camp数。如下面将进一步解释的那样，该预设的剪切参数(例如Camp数) 可以用于为设计该脱水系统的尺寸和/或对其进行操作以使得该经絮凝的尾 矿物料经受一定的剪切量，从而实现足够的絮凝物破坏，使得在沉积或经受 其他脱水步骤时该经絮凝的基质处于高渗水状态。

参照图2，参照尾矿絮凝的实例，进行絮凝的稠细粒尾矿的流变发展可 以包括特定的阶段：

(a)分散阶段，其中絮凝剂快速混合到稠细粒尾矿中并开始絮凝，形成 絮凝尾矿物料。

(b)絮凝物聚集阶段，其中该絮凝尾矿物料的屈服应力升高。在该阶 段中，该絮凝尾矿物料可以被认为是絮凝物料。图2中能够看到，该 絮凝尾矿物料达到最高屈服应力。直到该最高屈服应力以及在其周 围，该絮凝尾矿物料可以称作“混合不足的”，因为已经进行了不足的 混合或调节，该经絮凝的基质已开始破坏，且使水释放量增加。图2 显示了，直到正好在最高屈服应力之后的特定的点之前水释放量实际 为0，在此之后水释放量增加直到初始最大值。在该絮凝物聚集和混 合不足的阶段内，该絮凝尾矿物料能够重组为凝胶状物料，且随着絮 凝剂在稠细粒尾矿中分散的改善，该阶段也随之变得较小。

(c)絮凝物破坏阶段，其中该絮凝尾矿物料的屈服剪切应力减小。该 阶段包括“水释放区”，其中水从经絮凝的基质中释放出来。例如图2 和5示例了水释放区在该絮凝物破坏阶段内的特定的点开始，在该最 高水释放量之后，并跨越特定的混合时间区间，在其过程中水释放量 逐渐减小。在该阶段，该经絮凝的基质处于更具有渗透性的状态，且 在该水释放区内释放水。

(d)过剪切区，要避免该区，其中该絮凝物破坏到该物料通常恢复与 初始稠细粒尾矿类似的状态的点。从经破坏的絮凝基质中能够释放出 的水非常少到没有。

为了有利于有效脱水操作，将絮凝尾矿物料在该水释放区内时沉积是适 宜的。通过模拟或预测足以实现在水释放区内的一致操作的调节也可以实现 性能的改进。

在这一方面，图3和4示例了不同的尾矿特征和/或絮凝剂特征可能导 致在响应于类似的剪切调节时不同的流变行为。

图3示例了对于具有从0.23到0.42的不同粘土:水比(CWR)的不同MFT 样品的絮凝尾矿物料的静态屈服应力响应。注意该静态屈服应力响应通常随 着稠细粒尾矿CWR的升高而升高。

图4示意性地示例了对于三种不同絮凝混合物A、B和C的不同水释放 区(以条纹标记)，这三种絮凝混合物的不同例如可能由不同的絮凝剂类型、 不同的絮凝剂剂量和/或不同的尾矿性质造成。能够看到水释放区可能在不同 的时间和相应的剪切调节程度开始，且能够占据不同的时长。在相同MFT 上使用不同的絮凝剂也能够导致絮凝尾矿物料流变行为的差异。特别地，例 如，对于给定的絮凝剂，达到水释放区可能需要更多或更少的剪切，以及对 于给定的絮凝剂，该水释放区也可能更小或更大。

絮凝作用的模拟提高了对絮凝尾矿物料中絮凝物的生长和破坏的理解。 已经开发了絮凝作用模型，下面将更详细地描述其一些方面。

在该絮凝作用模型中，可以假设在步骤(a)中发生快速有效的分散。关于 步骤(a)，快速分散能够有助于该絮凝剂有效混合到尾矿中并使絮凝物有效聚 集。快速分散可以使用多个配置和装置实现，其中的一些描述于共同未决的 加拿大申请2,701,317和2,705,055中。可以使用管路同轴环式絮凝物注射装 置，且已经显示其提供了有效的分散。也可以使用各种其他混合装置。此外， 也可以提供高于最低阈值的稠细粒尾矿流速以有利于该絮凝剂有效分散到 该稠细粒尾矿中。通常，一旦与絮凝剂接触，可以为该稠细粒尾矿提供湍流 形态。在将絮凝剂在管路添加到该稠细粒尾矿中时，例如通过对于给定的管 直径和流体性质(例如密度和粘度)提供足够高的流速和/或对于给定的流速 和流体性质提供足够小的管直径可能能够实现湍流形态。在使用其他类型的 混合器(可以包括静态或移动混合元件)将絮凝剂添加到稠细粒尾矿中时，该 混合器可以经尺寸设计和操作以能实现该湍流混合形态，从而能够进行快速 分散。

假设通过提供湍流形态促进了快速的初始分散，那么该絮凝作用模型能 够分为两个部分：聚集和破坏。图5示例了絮凝物聚集和絮凝物破坏阶段的 实例。

该絮凝物聚集阶段能够通过计算流体力学(CFD)进行模拟。最高屈服应 力是基本所有聚合物絮凝剂都已经混合到稠细粒尾矿中时的点。该聚集阶段 可以取决于注射器设计、两种流体(即尾矿和絮凝剂)的流速和粘度。在一些 实施方式中，该聚集阶段可能发生在絮凝物聚集组件中，其可以是位于该絮 凝剂的注入点下游的絮凝物聚集管线部分。该絮凝物聚集管线部分也可以包 括管路剪切装置，例如在需要较短的管线部分时。在一些实施方式中，该絮 凝物聚集阶段可以至少部分发生在罐式混合器中，在其中添加絮凝剂并混 合。在该絮凝物聚集阶段中，由于絮凝的增稠作用，该絮凝尾矿物料的流动 形态可以从湍流形态转变到层流形态。

该絮凝物破坏阶段能够通过考虑剪切参数(例如Camp数)模拟或确定。 在该破坏阶段中，可以为该絮凝尾矿物料提供层流形态。该层流形态可以通 过对于给定的管直径和流体性质(例如密度、粘度、屈服应力等)提供足够低 的流速和/或对于给定的流速和流体性质提供足够大的管直径而实现。还应当 注意进入该破坏阶段的该絮凝尾矿物料具有良好生长的经絮凝的基质，由于 该物料粘度的升高，这有利于该层流形态。在一些情况中，用于供给该稠细 粒尾矿和用于调节该絮凝尾矿物料的管线部分具有基本相同的直径，在这种 情况中，主要由于物料粘度的升高，该絮凝尾矿物料的雷诺数(Re＝ρvD/μ， 其中ρ是流体的密度，v是流体的平均速度，D是用于在管中流动的该管的 水力直径，且μ是流体的动态粘度)与在絮凝之前的该稠细粒尾矿相比提高 了。因此，整个脱水系统(例如单元和管线)的流速和尺寸可以使得该流体在 絮凝剂分散阶段之前以及在该阶段中具有湍流形态，在絮凝物聚集阶段过程 中该流体从湍流转变为层流形态，且在破坏阶段中该流体具有层流形态。

在一些实施方式中，在破坏阶段内输送该层流的絮凝尾矿物料的该絮凝 物破坏组件可以根据Camp数设计尺寸。该絮凝物破坏组件可以基本由管线 构成，其与更复杂的设备装置相比可以有利于构造、设计和维护。该破坏阶 段可以基于Camp数模拟，其中施加给该经絮凝的物料的总剪切量足以在该 物料沉积时达到水释放区。该Camp数能够用于确定在该破坏阶段内该经絮 凝的尾矿物料的层流所需的管直径和长度。

此外，该絮凝物破坏组件可以基于Camp数且独立于该经絮凝的尾矿物 料的流速而提供。考虑到给定的管直径和长度，可以将具有高流速的物料进 行高剪切短时间，而具有低流速的物料将经过较低的剪切速率但剪切更长的 时间；该物料经历的总剪切对于两种情况基本相同。例如，通过提供小的管 直径和短的管长度或者通过提供较大的管直径和较长的管长度实现给定的 Camp数。在该破坏组件(例如破坏管线部分)的尺寸设计中仍可能考虑该经 絮凝的尾矿物料的流速以提供该层流形态。

因此该破坏阶段能够根据Camp数进行设计和控制，对于给定长度和直 径的管，该Camp数是固定的。该破坏阶段也能够相对独立于具有层流形态 的物料的流速而设计和控制。

因为该稠细粒尾矿进料类型改变了为了达到水释放区所需的初始混合 参数和Camp数，因此各脱水系统能够配置适于其可能接受的稠细粒尾矿进 料范围的絮凝物破坏组件(例如具有包括一个或多个管部分的长度和直径的 管尺寸的管线配置)。应当注意该絮凝物破坏组件可以基本上由管线配置构 成，其可以包括一个或多个管部分，各自具有相应的管长度和直径，对于各 管部分，长度和直径可以相同或不同。可以提供该絮凝物破坏管线部分的管 线配置，以依照预设的剪切参数(例如Camp数)施加剪切量。该絮凝物破坏 组件可以包括管路剪切装置，例如静态混合器等，其可以施加剪切且可以被 认为对于该系统的设计和操作具有等效管长度。

在一些实施方式中，该处理稠细粒尾矿(例如可能由油砂开采或其他类 型的采矿得到的MFT)的方法包括在絮凝剂分散阶段、絮凝物聚集阶段和絮 凝物破坏阶段中絮凝该MFT。该絮凝物破坏阶段包括依照足以使该絮凝尾 矿物料处于水释放区的剪切参数(例如Camp数)对该絮凝尾矿物料施加预设 量的剪切调节。该方法还可以包括沉积该在水释放区内的该絮凝尾矿物料， 例如沉积到地表沉积区域上。

在絮凝物破坏阶段中该预设量的剪切调节可以由经配置用于该目的的 絮凝物破坏管线组件提供。该絮凝物破坏管线组件可以基于该预设的剪切进 行尺寸设计、配置和构造或者可以进行翻新以添加或去除管部分，由此调节 总管长度以实现所需的Camp数。该絮凝物破坏管线组件可以包括管路剪切 装置，例如管路混合器，其具有的等效管长度值被考虑到该预设剪切中。该 絮凝物破坏管线组件也可以基本由管线以及操作所需的相关阀和配件构成， 而没有任何其他管路剪切装置。

该剪切调节的预设量可以由从实验室规模的混合器试验直到管线组件 按比例放大的Camp数提供。下面将进一步描述根据Camp数按比例放大方 法的实施方式。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线可以包括多个用于将该絮凝尾矿 物料输送和沉积到相应沉积区域中的管线，至少一些该管线经配置以具有基 本相同的长度和直径。该絮凝物破坏管线组件可以经配置以通过为相应的沉 积区域或其他脱水单元供料的各管线提供基本相等的剪切调节。这样能够实 现以交替或旋转沉积到不同沉积区域中的方式对相同稠细粒尾矿源的处理， 这通常需要在沉积另外的絮凝尾矿物料之前使沉积到给定面积时间中的物 料脱水和干燥。在这一方面可以有多种管线配置。

在一些实施方式中，该絮凝物破坏管线组件可以具有至少一些经配置以 具有不同长度和/或不同直径的管线。在一种情况中，该絮凝物破坏管线组件 可以包括用于输送和沉积到附近沉积区域中的直径较小和长度较短的管部 分以及用于输送和沉积到较远的沉积区域中的直径较大和长度较长的管部 分，由此依照预设剪切参数(例如Camp数)为在附近和远处的位置都沉积的 经絮凝的物料提供基本相同的总剪切。在另一情况中，该管线具有不同的长 度或直径，且能够选择一个或多个这些管线依照相应的应当施加给该物料的 流的预设剪切调节量接收絮凝尾矿物料的流。例如，可以有较长和较短的管 线，在预设剪切较高时可能使用较长的管线，在预设剪切较低时将会使用较 短的管线，由此为不同絮凝尾矿物料施加适当量的剪切。还可以有较小直径 的管线和较大直径的管线用于对不同絮凝尾矿物料进行类似的选择性剪切。 该絮凝物破坏管线组件可以具有管长度和直径不同的各种构造，且可以包括 具有适当的阀和支路的管线网以提供给定所需的管长度和直径以将絮凝尾 矿物料的流输送和调节到给定的沉积区域或其他脱水单元。

在一些实施方式中，该处理稠细粒尾矿的方法包括：将絮凝剂分散到稠 细粒尾矿中以形成絮凝中混合物；剪切该絮凝中混合物以提高该絮凝混合物 的屈服应力并聚集絮凝物，由此提供经絮凝的混合物；剪切调节该经絮凝的 混合物以降低该经絮凝的混合物的屈服应力并破坏絮凝物，其中该剪切调节 是依照足以制备在水释放区内的经调节的絮凝的物料的预设剪切参数进行 的，在水释放区中释放的水从该经调节的絮凝的物料中分离出来；和使该经 调节的絮凝的物料在水释放区内时脱水。

在一些实施方式中，存在确定用于使经絮凝的稠细粒尾矿物料实现絮凝 物破坏和水释放的剪切调节的方法，包括根据Camp数从实验室规模的混合 器试验直到商业规模的管线组件的按比例放大。

该根据Camp数按比例放大可以包括：测定包括该稠细粒尾矿的样品和 该絮凝剂的经絮凝混合物样品在实验室规模混合器中的流变行为；测定足以 使在实验室规模的混合器中的该经絮凝混合物样品进入水释放区的实验室 规模Camp数；确定该Camp数从而使其与实验室规模Camp数基本上相类 似(相同)；和基于该Camp数确定该管线组件的等效管长度和直径。

该经絮凝混合物样品可以通过将絮凝剂快速分散到该稠细粒尾矿的样 品中而形成，且该絮凝物聚集阶段可以使用经验和/或CFD方法确定。该絮 凝物聚集阶段可以基于例如达到最高屈服应力来确定。因此可以预测规模放 大的脱水系统的分散和絮凝物聚集阶段。因此，该脱水系统可以被设计和控 制以使得位于该絮凝剂注入点下游的絮凝物聚集管线组件为该絮凝尾矿物 料施加足够的剪切以达到最高屈服应力，并由此在到达该絮凝物破坏管线组 件时进入絮凝物破坏阶段，该絮凝物破坏管线组件是基于用于到达水释放区 的Camp数而设计的。

还应当注意该絮凝物聚集组件可以包括混合器，例如罐式叶轮混合器， 其施加足够的剪切以提高该絮凝混合物的屈服应力。然后可以将经絮凝的混 合物从该罐式混合器中取出并供给该絮凝物破坏组件(其可以是管线组件)。 因此，该絮凝物聚集和破坏阶段可以通过不同的设备组合(例如混合器和管 线)加以管理。

在一些情况中，该原始稠细粒尾矿的特性或性质可能改变。在这种情况 中，也可能影响该絮凝尾矿物料的流变行为，由此改变为达到水释放区的剪 切需求。对絮凝步骤的其他改进(例如使用不同的絮凝剂、不同的絮凝剂溶 液或配比和/或絮凝剂剂量)也可能具有调节该剪切需求以达到水释放区的作 用。在这些情况中，该方法可以包括确定新的Camp数和新的预设剪切调节 量，其对应于该新的经改变的絮凝特征；和为该絮凝尾矿物料施加足以使该 絮凝尾矿物料处于水释放区内的新预设量的剪切调节。根据该新的Camp数， 如果需要，可以将该絮凝物破坏管线组件重新配置以提高或降低该等效管长 度和/或直径。

测定流变行为的步骤可以包括：确定最佳絮凝剂剂量范围；在该最佳絮 凝剂剂量范围内将该絮凝剂添加到该稠细粒尾矿样品中形成混合物；为该混 合物施加分散混合以促进絮凝剂的分散和絮凝物的聚集；为该混合物施加较 低程度的混合以进一步促进絮凝物的聚集并使絮凝物开始破坏直至到达水 释放区。

测定絮凝的流变性质可能是有效的，因为不同的稠细粒尾矿、絮凝剂类 型和絮凝剂剂量能够导致经絮凝的尾矿不同的流变行为。可以得到稠细粒尾 矿的样品并对其试验以测定最佳絮凝剂剂量，其可能是以粘土计的。该絮凝 剂剂量试验可以包括在实验室混合区中进行不同絮凝剂剂量的扫描并测定 该絮凝混合物的流变响应。在这一方面的一种试验可能被称作快-慢混合器 试验，包括最初剧烈搅动(例如320rpm)絮凝混合物以模拟絮凝剂快速分散到 尾矿中的阶段，其随后是较慢速搅动(例如100rpm)的阶段以模拟可能在与分 散阶段相比剪切水平较低的管线中进行的调节阶段。图8显示了用于测定最 佳聚合物剂量的试验流程的实例。

除了测定最佳絮凝剂剂量之外，絮凝流变性质的测定还可以包括确定在 混合器中静态屈服应力和时间之间的关系以及测定水释放特征。该静态屈服 应力可以用作絮凝物聚集和絮凝物破坏阶段的指示。例如，最高屈服应力可 以用作近似絮凝物聚集阶段的终止和絮凝物破坏阶段的开始。

一些实施方式提供了设计用于将经絮凝的稠细粒尾矿物料流输送和调 节到脱水单元的管线组件的方法。该设计方法可以包括：剪切经絮凝的稠细 粒尾矿物料的样品并测定样品剪切参数，该样品剪切参数包括足以使该样品 进入水释放区内的滞留时间和剪切速率，其中在水释放区内释放的水从样品 中分离出来；和配置该管线组件以具有提供与该样品剪切参数基本上类似 (相同)的管线剪切参数的管长度和直径。

一些实施方式提供了稠细粒尾矿的脱水方法，其可以使用上述的设计方 法。例如，该脱水方法可以包括以下步骤：絮凝该稠细粒尾矿以制备经絮凝 的稠细粒尾矿物料；在管线组件中剪切调节该经絮凝的稠细粒尾矿物料，该 管线组件依照基本上与预设的样品剪切参数基本类似(相同)的管线剪切参 数进行尺寸设计和配置，该预设的样品剪切参数包括足以使该经絮凝的稠细 粒尾矿物料的样品进入水释放区内的滞留时间和剪切速率，其中在水释放区 内释放的水从样品中分离出来，该管线组件在该水释放区内产生经调节的絮 凝的物料；和在水释放区时将该经调节的絮凝的物料脱水。在一些情况中， 在管线组件中该经絮凝的稠细粒尾矿物料的流具有层流形态，且该预设的剪 切参数是Camp数。

在一些实施方式中，存在用于处理稠细粒尾矿的处理系统。该系统可以 包括：混合装置，其用于将絮凝剂混合到稠细粒尾矿中形成絮凝中混合物； 第一剪切装置，其用于将该絮凝中混合物进行剪切以提高该絮凝中混合物的 屈服应力并聚集絮凝物，由此生成经絮凝的混合物；管线调节组件，其经尺 寸设计和配置用以将该经絮凝的混合物依照预设的剪切参数进行一定量的 剪切调节，该剪切调节足以降低该经絮凝的混合物的屈服应力并产生正在水 释放区内的经调节的絮凝的物料，其中释放的水从经调节的絮凝的物料中分 离出来；和脱水单元，其用于接收在水释放区中的该经调节的絮凝的物料以 制备释放的水和经脱水的尾矿物料。

尽管根据Camp数按比例放大已经显示为用于确定该稠细粒尾矿脱水装 置的管线组件配置的有效和高效的方法，但还应当指出在某些情况中也可以 使用其他剪切参数。例如，包括滞留时间、剪切速率和可能的其他变量的剪 切参数可以在实验室和/或试验规模测定并用于放大到用于较大的脱水操作 的管线组件。其他变量可以包括该脱水系统的各种其他特征，且可以根据经 验确定。根据Camp数按比例放大已经显示为相对简单和可靠的方法，但可 以通过用可能与该稠细粒尾矿、絮凝剂、絮凝剂溶液的物理化学性质相关的 其他组分和/或该脱水系统的其他组分或性质调节基于Camp数的剪切参数， 对该按比例放大进行进一步改善。例如，在提供另外的管路剪切装置作为该 输送和调节组件的一部分时，可以基于根据经验得到的取决于给定类型的管 路剪切装置的常数或变量调节该根据Camp数按比例放大。静态混合器和罐 式叶轮混合器可以为该絮凝尾矿物料施加相同平均量的剪切，但由于两种装 置之间的构造和操作差异(例如在罐式叶轮混合器中可能存在死区，因此一 部分絮凝尾矿物料可能经受比剩余物料更少的剪切)，施加给该物料的剪切 的分布可能略有差别。尽管可以使用其他可能更复杂的剪切参数用于放大该 脱水操作，但Camp数已经显示为有效和高效的参数。

此外，当该絮凝物破坏组件中的该经絮凝的稠细粒尾矿具有层流形态 时，该预设的剪切参数可以是Camp数。在其他情况中，当该絮凝物破坏组 件中该经絮凝的稠细粒尾矿物料具有湍流和/或过渡流形态时，应当使用其他 剪切参数进行放大。

在一些实施方式中，该根据Camp数按比例放大方法可以用作对正在进 行的脱水操作的监控方法，用以调节或微调该工艺以使水释放量最大化。例 如，可以将现有的絮凝物破坏管线组件离线并依照基于进入的稠细粒尾矿确 定或估算的新的实验室Camp数通过增加或去除管部分进行调节，由此改变 该絮凝物破坏管线组件的总长度。

在Camp数或包括剪切速率组分的另一剪切参数的确定中，该剪切速率 可以取作在时间间隔上的平均剪切速率。该平均剪切速率可以依照经验关系 式或其他计算方法估计或估算。该Camp数也可以是由一系列时间增量得到 的各自具有相应剪切速率或相应平均剪切速率的多个Camp数组分的复合。 该Camp数组分可以用于提供该絮凝破坏组件的相应部分。

基于以下的实施例部分将进一步理解此处所述的各个方面和实施方式。

实施例、实验和计算

开发了用于实验室规模桨式混合器的混合器模型。对于具有不同特征的 很多不同类型的熟化细粒尾矿，已经得到和汇集了实验室数据，包括流变、 剂量和尾矿物料的水释放能力。

用使用该实验室桨式混合器得到的数据开发了混合器模型。在该实验室 桨式混合器中絮凝物的流变性质的破坏已经得到很好的表征以与粘土:水比 (CWR)进行关联。同时，管流动的实验室试验设备和现场试验已经显示出类 似的流变性质趋势。然而，为了产生实验室混合器模型，开发了方法以获得 该经处理的MFT的Herscehel-Bulkley流体流变性质，因此能够考虑一系列 的剪切速率。对具有相同的性质的两种MFT成功进行了沿着管线试验设备 的压力接口试验。显然在混合器和商业应用12”管和实验设备2”管(分别为 26米和4米，和实验室混合器中30秒相关联)中絮凝所需的管长度之间存在 关联。实验室混合器的结果使得理解了在初始注射/混合下游的压力曲线形状 随着Camp数(剪切速率x时间)按比例放大了。假设初始混合充分，在初始 混合下游基本相同距离处发生最高压降，与流速无关。该结果表明如果发生 了充分的初始混合，那么能够使用Camp数精确预测絮凝物的破坏。

在一种研究中，使用计算流体力学(CFD)分析不同比重和混合速度时的 实验室数据以确认流变性质的改变是否可以与吸收能相关联。

经处理的MFT的流变：

在用经处理的MFT对桨式混合器数据进行分析中的第一任务是表征该 混合物的流变性质。在过去用实验室浆态混合器和在管线流试验中的研究 中，仅测定了静态屈服应力。然而，为了开发桨式混合器数据与管线流试验 之间的对比模型，在一系列剪切速率中的混合物的行为是优选。该行为能够 通过测定扭矩-速度曲线或流动曲线由布氏叶片式流变仪得到。

图6显示了在大间隙同心系统中具有屈服应力的流体的几何形状和应 力分布。该系统精确表现了在实验室和现场试验中所用的叶片和圆筒系统以 测定MFT和絮凝剂-MFT混合物的流变性质。当叶片以恒定的角速度Ω旋 转时，在叶片周边处的剪切应力τ(忽略末端效应)与扭矩T关系如下：

$\tau =\frac{T}{2\pi R^{2}L}=\frac{2T}{\pi D^{2}L}---\left(1\right)$

其中R和D分别是叶片半径和直径，L是叶片长度。现在，角速度和 剪切速率γ之间的关系由以下提供：

$\Omega ={\int }_R^{R_y}\frac{\stackrel{·}{\gamma }}{r}\mathrm{dr}=\frac{1}{2}{\int }_{\tau }^{{\tau }_y}\frac{f\left(\tau \right)}{\tau }\mathrm{d\tau }---\left(2\right)$

方程(2)两边关于τ求微分，得到以下角速度和剪切速率的直接关系：

$\stackrel{·}{\gamma }=\frac{2\Omega }{d\ln \tau /d\ln \Omega }.---\left(3\right)$

从该基础信息中，能够计算出剪切应力相对于剪切速率的曲线，然后拟 合到普通非牛顿流体模型，例如以下形式的Herschel-Bulkley方程：

$\tau ={\tau }_y+k{\stackrel{·}{\gamma }}^n---\left(4\right)$

其中k是稠度指数(consistency index)，n是幂律指数，且τ_y是屈服应力。 当幂律指数n＝1时，其简化成宾汉(Bingham)塑性的表达，如图7中所示。 注意由布氏流变仪输出的原始数据由转速N(以RPM计)和％扭矩T构成，因 此能够由以下计算出实际扭矩：

$T=K_s\frac{\bar{T}}{100}[N-m]---\left(5\right)$

其中弹簧常数(spring constant)K_s提供在表1中。使用以下能够将转 速转化为弧度/秒：

$\Omega =\frac{2\mathrm{\pi N}}{60}.---\left(6\right)$

表1.布氏流变仪的参数

桨式混合器分析：

用两种不同MFT样品进行桨式混合器试验，在每混合约30秒之后测定 流变流动曲线以及静态屈服应力。对于各流动曲线，如上所述计算剪切应力 相对于剪切速率关系图并拟合到Herschel-Bulkley模型中。第一样品是具有 47.21％固体含量和582g/t的0.45％聚合物絮凝剂溶液的Pond B MFT。混合 时间、混合器速度、静态屈服应力和Herschel-Bulkley模型的曲线拟合系数 提供在表1中。然后，使用这些曲线拟合系数，运行该桨式混合器的CFD 模型以测定桨上的扭矩以及剪切速率，其也列在表1中。已知扭矩和混合器 速度，能够由以下计算出功率P：

P＝TΩ.  (7)

累积吸收的比能E仅是该功率(每单位体积)乘以在混合器中的时间或：

$E_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{P_i\Delta t_i}{V}.---\left(8\right)$

其中V是桨式混合器的体积。最后，该Camp数可以使用来自CFD模 拟的体积平均剪切速率G和递增的混合时间Δt依照以下计算：

Camp No.＝GΔt.  (9)

表2.对于桨式混合器中Pond 8A MFT的经处理的MFT参数

表3中提供了对具有22％固体重量(SBW)MFT和896g/t的0.45％聚合 物溶液的Pond D类似分析的结果。

表3.对于桨式混合器中STP 22％SBW MFT的经处理的MFT参数

静态屈服应力总是比由剪切应力-剪切速率关系图得到的屈服应力高得 多，因为对于流量仪试验，该叶片不是以恒定速度转动的。还有趣地注意到 两次桨式试验的Camp数在大小上是相似的，此外，在静态屈服应力开始剧 烈降低时累积吸收能与由Pornillos进行的测量在大小上也是相似的，约20 W-h/m³。

该混合筒直径为10.5cm，叶片尺寸为7.62cmx2.54cm，总MFT体积为 约300mL。

管流动分析：

两种不同的MFT样品分别类似于在12”管中进行的专用处置区域(DDA) 商业规模试验和在2”管中进行的实验室设备试验中所用的MFT。对于这两 种MFT样品，将由桨式混合实验测得的流变参数输入具有周期边界条件的 管的CFD模型中，从中确定压力梯度和体积平均剪切速率。从平均剪切速 率的该计算值中，确定管的等效长度以提供该Camp数。结果列在表4和5 中。

基于表4和5中的结果，在混合器中时间增量和经受相同剪切所需的管 的长度之间存在关联：对于12”管，约26m的长度相当于在桨式混合器中30 秒。此外，该长度基本上与流速无关，因为在较低流速时，剪切速率较低， 而速度也是如此，因此达到相同距离的下游需要较长的时间。类似地，在较 高流速时，剪切速率较高，但由于速度较高，到达特定距离的下游花费较少 的时间。对于本申请显示了Camp数按比例扩大。

对于DDA试验，排放位置位于注射点下游约80米处。不考虑恰在注 射器之后的初始混合，基于为产生相同的Camp数所需的管长度，在管出口 处经处理的MFT经受的剪切将会大致等于在桨式混合物中80秒。在实验室 桨式混合试验中，该混合量已经显示大致符合用于最大脱水的最佳混合。在 DDA试验中，观察到在较高的尾矿流速(>550m³/h)时观察到最好的水释放， 而在较低的流速(350-450m³/h)时似乎该聚合物的初始混合过低，这降低了随 后的水释放量。然而，在这些试验中，初始注射混合并不是与流速无关：流 速越高，初始混合越好。对于550m³/h的最低聚合物剂量，沿12”管测得的 压力梯度在1100-1900Pa/m之间变化，这接近于CFD结果预测的相同范围(见 图4)。

在另一实验室试验中，将初始注射混合设定在较高流速，然后使用转换 阀改变通过设备下游部分的流速。以这种方式，在下游部分较低的流速不经 过较少的初始混合。该实验室试验的结果显示初始注射混合下游的压力曲线 形状随着Camp数而按比例放大，显示出最高压降发生在初始混合下游相同 的距离。该结果表明如果发生了足够的初始混合，那么使用Camp数能够精 确预测下游的降解。

表4.对于550m³/h的在12”管中的Pond 8A MFT的经处理的MFT参数

对于2”管，4m的长度大致等于在桨式混合器中30秒(见表5)。对于在 实验室规模设备中的2”管试验，观察到MFT在管出口处(距聚合物注入位置 约16m)剪切过度。如果不考虑初始混合，基于为产生相同的Camp数所需的 管长度，该经处理的MFT在管出口处经受的剪切将会大致等于在桨式混合 器中140秒。再次，基于实验室桨式混合试验，已经显示这种混合量相当于 剪切过度的情况，这是在管试验设备实验中实际观察到的。

表5.对于在2”管中在30LPM时的STP 22％SBW MFT的经处理的MFT 参数

校正模型：

为了使用桨式混合器数据进行管流动预测，可以实施以下过程：

1.对于特定的稠细粒尾矿类型和聚合物絮凝剂剂量，对典型桨式混合器 试验的各种混合物时间测定流变流动曲线，如表2和3中所示(例如积 累Herschel-Bulkley系数的数据库并将该数据与最佳水释放特征进行 关联)

2.对各种混合时间从桨式混合器的CFD确定Camp数(例如表征混合器剪 切速率，而不必在各不同组的Herschel-Bulkley系数进行CFD运行)。

3.使用特定组的Herschel-Bulkley系数由管剪切速率估值确定等效管长 度L_eq(由桨式混合曲线中在最高屈服应力之后的点)

4.将释放管长度L分成n＝L/L_eq段使得各段大致等于该桨式混合器曲线 的混合时间增量。

5.通过对各段应用适合的Herschel-Bulkley系数计算各段L_eq的ΔP。

步骤4和5的替代方式是确定对特定的MFT-聚合物絮凝剂混合物在不 剪切过度的情况下达到最佳水释放量所需要的管长度(即不计算沿给定长度 的压降)。使用正确的Camp数按尺寸放大，如果在聚合物絮凝剂注入位置处 存在足够的初始混合，那么无论流速如何，对于特定的MFT都将存在最佳 的管长度。

为了以上面程序所列进行管流动预测，能够使用对于Herschel-Bulkley 流体的层流的压降和平均剪切速率的表达式。在文献中已经推导出对速度曲 线的以下表达式：

对于0<r>r_y，

U＝U_c.  (10)

对于r_y<r>R，

$U=U_c(1-{\left(\frac{r-r_y}{R-r_y}\right)}^{\frac{n+1}{n}}).---\left(11\right)$

中心线流速U_c通过以下提供：

$U_c={(-\frac{1}{2k}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}})}^{\frac{1}{n}}\left(\frac{n}{n+1}\right){(R-r_y)}^{\frac{n+1}{n}}---\left(12\right)$

平均流速U_m为：

$U_m=U_c(1-\frac{2n}{R^2}\frac{{(R-r_y)}^2}{(3n+1)}-\frac{2n}{R^2}\frac{(R-r_y)}{(2n+1)}{r}_y).---\left(13\right)$

屈服半径r_y是由中心上的力平衡得到的：

$r_y=\frac{2{\tau }_y}{\mathrm{dP}/\mathrm{dx}}.---\left(14\right)$

现在，该文献给出了以下压力梯度方程：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}}=\frac{4k}{D}{\left(\frac{8U}{C}\right)}^n{\left(\frac{3n+1}{4n}\right)}^n\left(\frac{1}{1-X}\right){\left(\frac{1}{1-\mathrm{aX}-b{X}^2-c{X}^3}\right)}^n---\left(15\right)$

其中X由以下提供：

以及

$a=\frac{1}{2n+1};b=\frac{2n}{(n+1)(2n+1)};c=\frac{2n^2}{(n+1)(2n+1)}.---\left(17\right)$

最后，平均剪切速率G能够通过速度梯度在剪切区域上的积分而 计算：

$G=-\frac{1}{A}{\int }_{r_y}^R\frac{\partial U}{\partial r}2\mathrm{\pi rdr}---\left(18\right)$

其中A是整个管的横截面积或仅是该剪切区域的横截面积，即：

A＝πR²或$A=\pi (R^2-r_y^2)---\left(19\right)$

唯一的差别是该剪切速率是在整个管上平均的还是仅在剪切区域上平 均的。无论如何，从方程(11)得到：

$\frac{\partial U}{\partial r}=\frac{n+1}{n}\frac{-U_c}{{(R-r_y)}^{\frac{n+1}{n}}}{(r-r_y)}^{\frac{1}{n}}---\left(20\right)$

而方程(18)变为：

$G={(-\frac{1}{2k}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}})}^{\frac{1}{n}}\frac{2\pi }{A}{\int }_{r_y}^{R}r{(r-r_y)}^{\frac{1}{n}}\mathrm{dr}---\left(18a\right)$

在积分时，其变成：

$G={(-\frac{1}{2k}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}})}^{\frac{1}{n}}\frac{2\pi }{A}{(r-r_y)}^{\frac{1+n}{n}}{(\frac{r-r_y}{2+\frac{1}{n}}+\frac{r_y}{1+\frac{1}{n}})]}_{r_y}^R---\left(18b\right)$

或

$G={(-\frac{1}{2k}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}})}^{\frac{1}{n}}\frac{2\pi }{A}{(R-r_y)}^{\frac{1+n}{n}}(\frac{R-r_y}{2+\frac{1}{n}}+\frac{r_y}{1+\frac{1}{n}}).---\left(18c\right)$

使用这些分析表达式，上面步骤1-5中列出的管流动预测能够沿该排放 管以分段的方式使用在各种混合时间用桨式混合器得到的流变测量值进行。

水净释放量和絮凝剂剂量：

还应当注意该水释放区和该絮凝剂剂量可以依照各种方法测定。在一些 情况中，可以对该经絮凝的尾矿样品测定水净释放量(NWR)。

NWR是已经开发的度量，且是对起始稠细粒尾矿和在给定排水时间之 后经处理和排水的稠细粒尾矿之间的水的差异的度量。换言之，NWR是水 分含量的差异。排水时间例如可以是24小时、12小时、20分钟或19分钟 或在商业应用中其他代表性的排水时长。有两种通过体积差和固体含量差计 算NWR的方法。用于计算NWR的公式示例如下：

NWR试验可以使用排水时间为约20分钟的絮凝尾矿样品的直接排水 进行。在这一方面，对于最佳剂量范围和良好絮凝，在10或20分钟的水释 放量可以为在12-24小时的过程中水释放量的约80％。对于剂量不足或超剂 量的样品，在20分钟的水释放量可以为在12-24小时的过程中水释放量的 约20％-60％。因此在20分钟NWR试验之后可以进行更长时间的NWR试 验(例如12小时排水时间)，其可以使用水体积或固体含量测量方法。还注意 此处所述的实验室和实地试验使用24小时体积NWR试验。较大的初始水 释放量导致实现特定固体目标需要较短的干燥时间。NWR取决于几个因素， 包括絮凝剂在稠细粒尾矿中的分散和絮凝尾矿随后的调节(包括混合)。为了 提高NWR优选快速彻底分散。

另一种试验方法包括确定用于该稠细粒尾矿的絮凝和脱水的最佳絮凝 剂剂量范围。总的来讲，该絮凝剂剂量试验可以包括：确定将稠细粒尾矿的 样品转变为絮凝尾矿样品所需的絮凝剂的量，所述絮凝尾矿样品具有响应于 超出最高静态屈服应力的剪切调节的明确测定的水净释放量(NWR)。特别 地，该剂量试验可以包括剂量发现试验(阶段I)和剂量扫描试验(阶段II)。该 阶段I试验可以包括增量添加一定量的絮凝剂到稠细粒尾矿的样品中直至观 察到絮凝和水释放。例如，可以将1-5ml絮凝剂溶液增量添加到该稠细粒尾 矿样品中。在絮凝剂添加过程中对该样品进行混合，其可以是恒定转速/分钟 的叶片混合器叶片。在添加下一增量的絮凝剂之前，将各增量的絮凝剂良好 混合到样品中。增量添加可以被认为是滴定以确定用于絮凝给定样品并达到 水释放区的絮凝剂的适当剂量。重复增量添加直至观察到样品结构改变和水 释放。该水释放可以通过各种方式测定，包括此处所述的NWR试验和/或毛 细管吸收时间(CST)试验中的一种。该阶段II试验可以在对于给定近似剂量 (例如在阶段I中确定的或之前从数据库估算的)将絮凝剂一次注入的情况下 进行。该絮凝剂可以添加到稠细粒尾矿样品中，然后可以将该样品进行混合， 其可以是两阶段的混合：用于引发絮凝剂分散到样品中的快速剪切混合，随 后是用以剪切调节该絮凝样品直至其达到水释放区的较慢速的混合。可以对 该扫描的各剂量测定NWR。例如，可以测定从阶段I的近似剂量两侧100PPM 剂量以对各样品生成剂量曲线(例如NWR对应于剂量)。超出那些剂量的其 他剂量也可以试验以提供更完整的曲线。阶段II剂量结果可以合理地指示在 絮凝和脱水操作的按比例放大的商业应用中的剂量需求。因此，该絮凝剂剂 量试验可以包括进行第一剂量试验(例如阶段I)以确定发生明确NWR的初始 剂量近似值和第二剂量扫描试验(例如阶段II)以确定NWR作为该初始剂量 近似值周围絮凝剂剂量的函数的变化。下一步可以包括依照从剂量扫描试验 得到的最大NWR范围或数值确定修正的剂量。如果看上去最大剂量将会处 于实际试验的两个相邻剂量之间，那么该给出最大NWR值的剂量也可以从 剂量扫描曲线中外推得到。然后能够使用该修正的剂量实施和/或调节絮凝和 脱水操作。非必要地，如图8中示例，该剂量试验(例如阶段I)和该剂量扫描 试验(例如阶段II)之后可以进行全表征试验(例如阶段III)和/或标准干燥试验 (例如试验IV)。该全表征试验(例如阶段III)可以测定在不同混合区中的水释 放量、YS、粘度和/或CST。可以使用单次注射。该标准干燥试验(例如试验 IV)可以测定剂量和水释放量对干燥速率和流变的影响。

应当注意此处所述的各种实施方式、方面和实施方案可以与此处所述的 其他实施方式、方面和实施方案相结合。