硫化铜矿生物堆浸气体渗流规律及通风强化浸出机制

发布时间：2017-09-06 03:32

  本文关键词：硫化铜矿生物堆浸气体渗流规律及通风强化浸出机制

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【摘要】：生物堆浸是处理低品位硫化铜矿的可靠技术,其本质是利用含菌溶液将固态金属矿物氧化成液态金属盐溶液的过程,其中,氧气渗入矿堆并参与矿物溶解反应及微生物生长是矿石有效浸出的关键步骤。为解决堆内氧气浓度低这一难题,本文提出强制通风的技术思路,采用物理试验、数学建模、机理分析、数值模拟、工程调控等手段,围绕硫化铜矿生物堆浸场的气体渗流规律与通风强化浸出机制进行了初步研究,主要研究工作包括：(1)开展矿堆气体渗透系数影响因素试验。组装了矿堆气体渗透系数测试装置,考察了不同通风强度、含水率、孔隙率、粉矿含量与压实密度条件下矿堆水平、垂直方向气体渗透系数,发现了矿堆气体渗流各向异性特征,探明了以上因素对气体渗透系数的影响规律。(2)完成不同通风强度下的硫化铜矿生物柱浸试验。利用分离、驯化的At. ferrooxidans开展强制通风生物柱浸试验,结果表明通风后浸出末期溶液渗流速率比自然通风高18.3%以上,提高了矿堆中下部孔隙率。通风强度60L/h时微生物浓度始终106个/mL,Cu浸出率比0-20 L/h时高约10%。通风时矿堆氧气利用系数1.59-10.4%,且随通风强度的增大而降低。(3)建立并求解强制通风条件下的堆场气体渗流模型。明确了气体渗流场特征及渗流机理,建立了堆场气体渗流模型,给出了堆场气体稳定、非稳定渗流场的任一时间、任一深度的气压力求解方法。推导了通风时的气体渗流速率方程,划分了矿堆四种气液形态,确定了合理的通风施工气压。(4)阐明强制通风强化硫化铜矿浸出的作用机制。建立了考虑微气流作用的堆场热量平衡方程,推导了强制通风时堆场竖直方向上的微生物迁移模型,提出“堆场有效风量率”概念并用于定量评估强制通风效率,并剖析了通风对硫化铜矿浸出的化学、生物微观作用过程。(5)实现硫化铜矿通风强化浸出渗流场、速度场及温度场的多场耦合数值模拟。采用COMSOL Multiphysics模拟生物堆浸过程,发现了不同通风强度、不同喷淋速率与通风强度比值条件下矿堆气体渗流速率、氧气浓度、温度及矿石浸出率的分布特征与变化规律。(6)优化强制通风初级技术与调控措施。补充了强化空气自然对流及堆底强制通风的初级技术；大型堆场通风浸出工业模拟表明,堆场有效风量率为21.4-27%,微生物生长耗氧量为矿石化学反应耗氧量的20-50%。
【关键词】：硫化铜矿 生物堆浸 气体渗流规律 强制通风 浸出机制
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD862.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-28
• 1.1 课题来源与选题意义13-14
• 1.1.1 课题来源13
• 1.1.2 选题目的13
• 1.1.3 选题意义13-14
• 1.2 国内外铜矿资源分布与堆浸现状14-20
• 1.2.1 国内外铜矿资源分布现状14-15
• 1.2.2 国内外铜矿资源利用现状15-16
• 1.2.3 国内外铜矿生物堆浸发展情况16-20
• 1.3 堆场气体渗流规律及通风强化浸出发展现状20-23
• 1.3.1 堆场气体渗透特性研究现状20-21
• 1.3.2 堆场气体渗流规律研究进展21-22
• 1.3.3 通风强化浸出在生物堆浸中的应用现状22-23
• 1.4 堆场气体渗流与通风强化浸出面临的问题23-25
• 1.4.1 堆浸过程矿堆渗透特性变化剧烈23-24
• 1.4.2 堆场气液形态不断发生演化24
• 1.4.3 缺少矿堆浸出过程的气体渗流模型24-25
• 1.4.4 通风强化矿石浸出作用机制复杂25
• 1.5 主要研究内容与技术路线25-28
• 1.5.1 主要研究内容25-26
• 1.5.2 技术路线26-28
• 2 矿堆气体渗透系数影响因素试验28-40
• 2.1 引言28
• 2.2 试验材料与方法28-32
• 2.2.1 矿石试样28-29
• 2.2.2 试验装置29-30
• 2.2.3 试验方案30-31
• 2.2.4 试验过程31-32
• 2.2.5 检测方法32
• 2.3 试验结果与讨论32-39
• 2.3.1 通风强度对气体渗透系数的影响32-33
• 2.3.2 含水率对气体渗透系数的影响33-34
• 2.3.3 孔隙率对气体渗透系数的影响34-35
• 2.3.4 粉矿含量对气体渗透系数的影响35-36
• 2.3.5 压实密度对气体渗透系数的影响36-37
• 2.3.6 气体渗透方向与渗透系数关系37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 3 强制通风条件下硫化铜矿生物柱浸试验40-60
• 3.1 引言40-41
• 3.2 试验材料与方法41-49
• 3.2.1 矿石试样41
• 3.2.2 浸矿微生物41-43
• 3.2.3 试验仪器与设备43-47
• 3.2.4 试验方案47-48
• 3.2.5 试验过程48-49
• 3.2.6 检测与计算方法49
• 3.3 试验结果与讨论49-58
• 3.3.1 浸出过程pH、电位变化规律49-51
• 3.3.2 矿堆渗流速率变化规律51-52
• 3.3.3 浸出前后矿堆孔隙率变化规律52-53
• 3.3.4 浸矿微生物浓度变化规律53-54
• 3.3.5 浸出过程TFe及Fe~(2+)浓度变化规律54-56
• 3.3.6 浸出过程Cu浸出率变化规律56-57
• 3.3.7 浸出过程氧气利用系数分析57-58
• 3.4 本章小结58-60
• 4 堆场气体渗流机理与渗流规律60-81
• 4.1 堆场气体渗流场特征与渗流机理60-65
• 4.1.1 堆场气体渗流场特征60-62
• 4.1.2 堆场气体渗流机理62-65
• 4.2 堆场气体渗流模型65-69
• 4.2.1 模型假设65
• 4.2.2 气体渗流控制方程65-67
• 4.2.3 堆场气体渗流模型67-69
• 4.3 堆场气体稳定渗流场求解69-72
• 4.3.1 自然通风条件下气体渗流解69-70
• 4.3.2 强制通风条件下气体渗流解70-72
• 4.4 堆场气体非稳定渗流场求解72-76
• 4.5 堆场气体渗流速率与通风气压关系76-77
• 4.6 堆场气液形态与通风气压关系77-79
• 4.7 本章小结79-81
• 5 硫化铜矿通风强化浸出机制81-115
• 5.1 引言81
• 5.2 堆浸体系氧传质与气泡动力学81-89
• 5.2.1 堆浸生物系统中氧传质途径82
• 5.2.2 强制通风条件下堆场中的氧传质82-84
• 5.2.3 堆场中气泡尺寸与形态84-86
• 5.2.4 堆场中气泡受力分析86-88
• 5.2.5 强制通风条件下气泡上升动力学88-89
• 5.3 强制通风条件下堆场传热规律89-95
• 5.3.1 自然通风条件下的堆场热量平衡89-92
• 5.3.2 强制通风对堆场传热的影响92-93
• 5.3.3 堆场温度分布的空间异质性93-95
• 5.4 强制通风对浸矿微生物迁移的影响95-100
• 5.4.1 浸矿微生物迁移机制与影响因素95-97
• 5.4.2 竖直方向微生物迁移与分布特征97-100
• 5.5 通风强化矿石浸出作用机制100-113
• 5.5.1 硫化铜矿化学反应需氧量100-104
• 5.5.2 浸矿微生物生长需氧量104-107
• 5.5.3 堆场有效风量率107-109
• 5.5.4 强制通风对硫化铜矿浸出的作用过程109-113
• 5.6 本章小节113-115
• 6 硫化铜矿通风强化浸出数值模拟115-132
• 6.1 引言115
• 6.2 COMSOL Multiphysics简介115-117
• 6.3 模拟条件与过程117-121
• 6.3.1 基本假设117
• 6.3.2 控制方程117-119
• 6.3.3 模拟方案119
• 6.3.4 物理模型119-121
• 6.3.5 边界条件121
• 6.4 不同通风强度下的硫化铜矿浸出121-125
• 6.4.1 堆场氧气浓度及气流速度分布121-123
• 6.4.2 堆场温度分布123-124
• 6.4.3 Cu浸出率124-125
• 6.5 不同喷淋速率与通风强度比值的硫化铜矿浸出125-131
• 6.5.1 堆场氧气浓度及气流速度分布126
• 6.5.2 温度分布及其空间异质性126-129
• 6.5.3 Cu浸出率129-131
• 6.6 本章小结131-132
• 7 通风强化浸出技术调控与工程应用132-152
• 7.1 通风强化浸出技术分类132-133
• 7.2 强化堆场气体自然对流133-138
• 7.2.1 筑堆方法选择133
• 7.2.2 控制入堆矿石粒径133-135
• 7.2.3 优化布液方式与布液制度135-136
• 7.2.4 溶浸液充气入堆136-137
• 7.2.5 改善堆场渗透性137-138
• 7.3 硫化铜矿堆浸的强制通风技术138-146
• 7.3.1 堆场底部结构138-140
• 7.3.2 强制通风网络布置140-141
• 7.3.3 强制通风设备选择141-142
• 7.3.4 强制通风监测指标142-145
• 7.3.5 强制通风调控措施145-146
• 7.4 强制通风技术工业应用146-151
• 7.4.1 矿山概况146-147
• 7.4.2 堆场强制通风系统设计147-149
• 7.4.3 强制通风浸出模拟结果149-151
• 7.5 本章小结151-152
• 8 结论与展望152-157
• 8.1 主要结论152-155
• 8.2 创新点155-156
• 8.3 研究展望156-157
• 参考文献157-171
• 作者简历及在学研究成果171-174
• 学位论文数据集174

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 孙业志,吴爱祥,黎剑华;微生物在铜矿溶浸开采中的应用[J];金属矿山;2001年01期

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本文编号：801943