生物氧化預(yù)處理過程中氧化槽溫度機(jī)理模型及溫度場(chǎng)的研究

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2017.12.002生物氧化預(yù)處理過程中氧化槽溫度機(jī)理模型及溫度場(chǎng)的研究梁甜，高丙朋，馮琳歡（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）摘要：對(duì)生物氧化槽內(nèi)的溫度進(jìn)行熱量分析，建立氧化槽內(nèi)熱量機(jī)理模型，在熱分析的基礎(chǔ)上，增加外界載荷，建立基于時(shí)空域的不確定性溫度場(chǎng)分布模型，通過對(duì)溫度場(chǎng)分布模型的分析，為改進(jìn)氧化槽結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)氧化槽溫度控制系統(tǒng)提供指導(dǎo)策略。關(guān)鍵詞：生物氧化預(yù)處理；機(jī)理模型；溫度場(chǎng)；熱傳導(dǎo)中圖分類號(hào)：TF111.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-7545（2017）12-0000-00Study on Temper

2、ature Mechanism Model and Temperature Field of Oxidation Tank during Biological Oxidation PretreatmentLIANG Tian, GAO Bing-peng, FENG Lin-huan(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)Abstract：Temperature of bio oxidation tank was analyzed, and heat mechanism mode

3、l of oxidation tank was established. Based on thermal analysis, external load is increased and uncertain temperature field distribution model based on time and space is established. Analysis of temperature field distribution model can provide guidance to improve oxidation tank structure and design t

4、emperature control system of oxidation tank.Key words：biological oxidation pretreatment; mechanism model; temperature field; heat conduction生物氧化預(yù)處理過程主要利用氧化菌對(duì)含金銀的黃鐵礦、砷黃鐵礦、磁黃鐵礦等礦石的氧化，從而將金暴露出來，以利于氰化浸出1-2。影響生產(chǎn)進(jìn)程的因素很多，如溫度，進(jìn)氣量、pH、礦漿濃度和ORP等3-5。在生物氧化提金方面，重要的溫度被控系統(tǒng)為生物氧化槽。氧化槽內(nèi)的各種不同微生物生長(zhǎng)對(duì)溫度的適應(yīng)在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)呈對(duì)數(shù)上升曲線，

5、生長(zhǎng)率極快，氧化還原活性也最大。而在這個(gè)范圍之外則不是線性的，甚至停止生長(zhǎng)。因此，保證細(xì)菌的活性對(duì)氧化槽內(nèi)溫度進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)快速性、穩(wěn)定性是關(guān)鍵6。受高寒地區(qū)高海拔、低氣壓、空氣密度小、晝夜溫差大等條件的影響，使得氧化槽內(nèi)溫度在不同季節(jié)、不同時(shí)間呈現(xiàn)出較大差異。本文主要針對(duì)高寒環(huán)境下的生物氧化提金預(yù)處理過程中的生物氧化槽內(nèi)的溫度進(jìn)行熱量分析，建立氧化槽內(nèi)熱量機(jī)理模型，在熱分析的基礎(chǔ)上，增加外界載荷，建立基于時(shí)空域的不確定性溫度場(chǎng)分布模型，通過對(duì)溫度場(chǎng)分布模型的分析，為改進(jìn)氧化槽結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)氧化槽溫度控制系統(tǒng)提供指導(dǎo)策略。1 問題描述生物氧化預(yù)處理過程是微生物與礦漿發(fā)生生化反應(yīng)的過程，盡可能高地提升

6、微生物的活性可以有效提升提金率7-8。生物氧化預(yù)處理過程中將調(diào)制好的礦漿置于氧化槽內(nèi)，由空壓機(jī)向氧化槽內(nèi)通入空氣，為使氧化槽內(nèi)細(xì)菌保持活性，由換熱管調(diào)節(jié)氧化槽內(nèi)溫度，由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷熱水流量，經(jīng)攪拌電機(jī)攪拌加速礦漿熱交換，使細(xì)菌充分接觸空氣，提高氧化還原反應(yīng)進(jìn)程。通過對(duì)生物氧化預(yù)處理過程工藝分析可知，在生物氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)的傳熱過程中，氧化槽內(nèi)礦漿的溫度變化過程主要分為三個(gè)部分，第一部分為氧化槽外界溫度對(duì)氧化槽內(nèi)部對(duì)流換熱的熱量Q1；第二個(gè)部分是生物氧化反應(yīng)釋放的熱量Q2；第三個(gè)部分是豎形換熱管冷熱水逐漸向礦漿進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱量Q3。在單位時(shí)間內(nèi)，生物氧化槽的熱量平衡方程為：Q2+Q3=Q1 （

7、1）2 氧化槽內(nèi)熱量分析2.1 氧化槽與外界對(duì)流換熱熱量Q1收稿日期：2017-06-27基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61463047）作者簡(jiǎn)介：梁甜(1992-)，女，甘肅定西人，碩士研究生.氧化槽與外界對(duì)流換熱主要分為兩個(gè)部分，第一部分為氧化槽與外界環(huán)境及槽內(nèi)礦漿的熱對(duì)流的熱量q1，第二部分為攪拌電機(jī)攪拌礦漿使槽內(nèi)熱量流失的熱量。Q1=q1+q2 （2）1）氧化槽與外界環(huán)境及礦漿的熱對(duì)流的熱量q1由于高寒地區(qū)常年大風(fēng)，氣溫波動(dòng)劇烈，外界環(huán)境與生物氧化槽進(jìn)行對(duì)流換熱，當(dāng)氧化槽溫度發(fā)生改變時(shí)，與槽內(nèi)礦漿進(jìn)行對(duì)流換熱。單位時(shí)間內(nèi)熱對(duì)流公式9為：q1=h(Te-Ts)A （3）其中，q1為

8、對(duì)流換熱量；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；Te為流體溫度；Ts為固體表面溫度；A為對(duì)流換熱面積。在實(shí)際生產(chǎn)中，槽內(nèi)的溫度設(shè)定值為42 。氧化槽為不銹鋼材質(zhì)，其傳熱系數(shù)為h=16 W/(mK)。2）攪拌電機(jī)攪拌礦漿使槽內(nèi)熱量流失的熱量q2為了使礦漿充分接觸氧氣，快速使槽內(nèi)溫度均勻，攪拌電機(jī)以規(guī)定轉(zhuǎn)速攪動(dòng)礦漿。在實(shí)際工藝中，攪拌電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為18 000 r/h。為分析由于攪拌電機(jī)攪拌礦漿使槽內(nèi)流失的熱量，將礦漿保持在設(shè)定溫度42 ，關(guān)閉換熱管閥門，當(dāng)分別經(jīng)過1、3、5、7、9、11、13、15 h時(shí)，對(duì)礦漿溫度進(jìn)行采樣，對(duì)應(yīng)取樣時(shí)刻的溫度分別為41.5、40.4、39.3、38.2、37.0、35.1、3

9、2.8、29.5 。礦漿在攪拌電機(jī)作用下?lián)p失的熱量10為：q1=C(Tt-Tt-1)m （4）其中，Tt為此時(shí)礦漿的溫度；Tt-1為前一時(shí)刻礦漿的溫度；m為礦漿的質(zhì)量；C為礦漿的比熱容，在實(shí)際工藝中，采用濃度為18%20的礦漿，經(jīng)測(cè)定，其比熱容為C=3 290 (Jkg-1-1)。2.2 生物氧化反應(yīng)釋放的熱量Q2生物氧化提金工藝是利用細(xì)菌讓含砷、硫等金屬礦物氧化，浸出金礦石。生物氧化反應(yīng)分為直接氧化和間接氧化。直接氧化： （5） （6）間接氧化： （7） （8）根據(jù)以上主要發(fā)生化學(xué)方程式，可以得到細(xì)菌與礦漿之間發(fā)生的氧化反應(yīng)所需要的熱量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （9）式中，是預(yù)處理過程中FeS2的

10、物質(zhì)的量；為預(yù)處理過程中FeAsS的物質(zhì)的量；k1、k2分別為FeS2和FeAsS的轉(zhuǎn)換系數(shù)。理論上，1 mol FeS2反應(yīng)釋放熱量為1 464 kJ，1 mol FeAsS反應(yīng)釋放熱量為905.3 kJ。所以，k1=1 464 kJ，k2=905.3 kJ。2.3 換熱管對(duì)礦漿熱傳導(dǎo)的熱量Q3由于高寒地區(qū)極端天氣的影響，往往會(huì)使氧化槽內(nèi)的溫度變化頻繁，因此，利用換熱管調(diào)節(jié)礦漿溫度是生物氧化提金工藝中最主要的方法。當(dāng)?shù)V漿溫度低于設(shè)定值時(shí)，熱水管線調(diào)節(jié)閥打開，以升高礦漿溫度；當(dāng)?shù)V漿溫度高于設(shè)定值時(shí)，冷水管線調(diào)節(jié)閥打開，以降低礦漿溫度。在實(shí)際工程中，冷水為地下水，熱水為100 的高溫水。礦漿溫度

11、改變時(shí)，冷熱管線的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開度對(duì)礦漿進(jìn)行加熱或制冷，逐漸向礦漿進(jìn)行熱傳導(dǎo)。單位時(shí)間內(nèi)，熱傳導(dǎo)公式11為： (10)其中，k為導(dǎo)熱系數(shù)，A為導(dǎo)熱面積，為兩材料的溫度差，為導(dǎo)熱所需時(shí)間，l為導(dǎo)熱距離。本文所采用的換熱管內(nèi)徑為150 mm，外徑為160 mm，實(shí)際換熱段長(zhǎng)度為8 000 mm的不銹鋼管。冷水采用地下水，熱水采用100 的高溫水。3 氧化槽不確定性溫度場(chǎng)分析由于高寒地區(qū)氣溫波動(dòng)頻繁且常年大風(fēng)，氧化槽內(nèi)的溫度極易受到極端天氣及晝夜溫差的影響，嚴(yán)重影響了細(xì)菌的活性、生長(zhǎng)繁殖及整個(gè)氧化反應(yīng)進(jìn)程。針對(duì)這種情況，本文在熱分析的基礎(chǔ)上采用有限元法建立空間溫度場(chǎng)分布模型12，并增加外界載荷，構(gòu)

12、建不確定性溫度場(chǎng)模型，用耦合算法進(jìn)行溫度場(chǎng)求解計(jì)算。3.1 溫度場(chǎng)控制方程對(duì)于生物氧化槽內(nèi)的礦漿，不管何種形式的熱交換，其溫度場(chǎng)的控制方程是一致的。根據(jù)能量守恒定律和熱傳導(dǎo)定律可知，三維時(shí)空域氧化槽內(nèi)礦漿熱傳導(dǎo)的控制方程為 （11）式中，為材料的密度；Cp為定壓比熱容；t為時(shí)間；T為溫度；k為傳熱系數(shù)；Q為熱源項(xiàng)。3.2 初始條件及邊界條件1）初始條件氧化槽內(nèi)的初始時(shí)刻溫度場(chǎng)分布可表達(dá)為： （12）2）邊界條件換熱管冷熱水逐漸向礦漿進(jìn)行熱傳導(dǎo)，第二類邊界條件為： （13）氧化槽外界溫度對(duì)氧化槽內(nèi)部對(duì)流換熱，第三類邊界條件為： （14）式（13）和（14）中，kn為材料導(dǎo)熱率；T為溫度；n為指向

13、固體表面的單位法向量；q為熱流強(qiáng)度；為溫度場(chǎng)某邊界S上的任意一點(diǎn)；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；Te為流體溫度；Ts為固體表面溫度。3.3 溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎醚趸鄹?0 m、外徑9.5 m、槽壁厚50 mm，槽內(nèi)盛有高H=9 m、濃度18%的礦漿。槽內(nèi)安裝有一組豎直換熱管，對(duì)氧化槽內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行冷卻或加熱。換熱管總高度9 m，實(shí)際換熱段8 m，內(nèi)徑150 mm，外徑160 mm，距離槽底1 000 mm，列管之間的距離為160 mm，與氧化槽壁間的最小距離為900 mm。試驗(yàn)中所使用的攪拌槳為CBY攪拌槳葉，槳葉直徑6 m。氧化槽冷卻塔的水泵排出口與豎直換熱列管連接，采用型號(hào)為ISZ200-

14、150-400R的直連式水泵，其換熱水量為350 m/h。工業(yè)實(shí)際中的礦漿濃度為18%20%，礦漿固液比15，適宜溫度范圍為4045 ，pH=1.52.5，細(xì)菌數(shù)大于108個(gè)/mL。本文仿真計(jì)算中選取濃度為18%的礦漿，初始溫度T0=42 。材料的物性參數(shù)如表1所示。表1 材料物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of materials物料導(dǎo)熱系數(shù)/(Wm-1-1)密度/(kgm-3)比熱容/(Jkg-1-1)不銹鋼167 900450空氣0.0281.291 030礦漿-1 1503 290水0.641 0004 186本文以新疆某金礦生物氧化提金

15、工藝為研究背景，對(duì)近幾年當(dāng)?shù)靥鞖鈿鉁?、風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，最冷月平均氣溫-15.7 、最熱月平均27.8 、極端最高44.0 、極端最低-34.3 、年平均8.8 ；風(fēng)速示意圖見圖1。圖1 風(fēng)速示意圖Fig.1 wind speed diagram將氧化槽置于一個(gè)足夠大的虛擬風(fēng)場(chǎng)內(nèi)，選取距槽底3 m處厚度為500 mm的模型進(jìn)行計(jì)算分析。采用ANSYS軟件對(duì)所建溫度場(chǎng)模型與參數(shù)進(jìn)行模擬。根據(jù)金礦廠所在地的氣候特點(diǎn)變量參數(shù)選定空氣流速為5 m/s，空氣溫度分別選取-35、-25、-10、5 這4組參數(shù)。其溫度云圖分布如圖2所示。圖2 不同空氣溫度時(shí)位于風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的氧化槽溫度云圖Fig.2 Cloud

16、 distribution of temperature of oxidation tank in wind field with different air temperature由圖2可以明顯看出天氣對(duì)氧化槽溫度影響很大。氧化槽溫度梯度受外界風(fēng)溫的影響十分明顯，當(dāng)外界溫度為-35 及-25 時(shí)，槽內(nèi)溫度場(chǎng)的分布受外界低溫影響導(dǎo)致Y軸正方向進(jìn)風(fēng)面的溫度較低，換熱管內(nèi)熱水對(duì)槽內(nèi)礦漿進(jìn)行換熱，在攪拌器的作用下可使場(chǎng)內(nèi)部分達(dá)到理想溫度42 ，但受風(fēng)面近壁礦漿溫度嚴(yán)重受低溫影響。隨著外界溫度的升高，槽內(nèi)溫度逐漸趨于均勻穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，風(fēng)溫分別為為-35、-25、0 時(shí)，截取了氧化槽模型的

17、Z=250 mm橫截面的瞬態(tài)溫度分布如圖3所示。圖3 不同風(fēng)溫時(shí)的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram at different air temperature通過分析可以得到：1）溫度場(chǎng)溫度差異隨著外界環(huán)境溫度與設(shè)定溫度增加而增大，極端氣溫嚴(yán)重影響溫度場(chǎng)分布不均。2）受外界低溫影響，溫度呈下降趨勢(shì)，逐漸接近外界溫度。3）換熱管附近的溫度場(chǎng)層次分布明顯，在加熱過程中，靠近換熱管處的礦漿溫度過高，嚴(yán)重影響了細(xì)菌的活性。根據(jù)對(duì)生物氧化提金廠所在地風(fēng)向、風(fēng)力的統(tǒng)計(jì)分析，在模擬仿真的參數(shù)確定上選擇外界溫度T=5 時(shí)，風(fēng)向固定從Y軸正向而來并垂直作用于氧

18、化槽外壁，風(fēng)速分別為3、10、20 m/s時(shí)進(jìn)行分析計(jì)算，模型Z=250 mm橫截面位置的溫度分布云圖如圖4所示。在其他條件保持不變的情況下，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，氧化槽內(nèi)部熱交換效率很高，只有進(jìn)風(fēng)口處近壁面換熱受到了微小影響。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，風(fēng)速的增強(qiáng)已經(jīng)對(duì)槽內(nèi)溫度的分布造成了明顯的影響，在攪拌槳葉逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)下，低溫隨槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸由近壁面內(nèi)擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s時(shí)，槽內(nèi)溫度嚴(yán)重受外界氣溫影響，內(nèi)部的換熱管已經(jīng)無法滿足溫度的平衡穩(wěn)定，不能有效起到對(duì)礦漿的保溫作用。圖4 不同空氣流速時(shí)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)氧化槽的溫度分布云圖Fig.4 Cloud distribution of tempera

19、ture of oxidation tank in wind field with different air velocity4 氧化槽設(shè)備改進(jìn)及控制策略指導(dǎo)基于對(duì)氧化槽溫度分布模型的分析，為減小極端天氣帶來的影響，可以從以下角度進(jìn)行改善：1）對(duì)氧化槽設(shè)備的微調(diào)整針對(duì)極寒天氣，可考慮在槽內(nèi)增加一組豎形換熱管，安裝于現(xiàn)有換熱管的中心對(duì)稱位置，改善換熱效率以及極寒天氣造成的場(chǎng)內(nèi)溫度分布不均情況。合理安排溫度傳感器的測(cè)量位置，增加傳感器數(shù)量，將溫度傳感器安裝在仿真顯示出的內(nèi)部換熱管換熱最快速的位置與受外界影響最靈敏的位置?？蛇m當(dāng)增加換熱管和攪拌槳葉的面積，增加熱傳你導(dǎo)面積，使槽內(nèi)溫度快速達(dá)到均勻。

20、2）控制策略指導(dǎo)根據(jù)熱量分析及溫度場(chǎng)計(jì)算分析，可以對(duì)氧化槽溫度進(jìn)行在線預(yù)測(cè)控制，此種控制策略可以根據(jù)以往信息預(yù)測(cè)下一時(shí)刻溫度并進(jìn)行控制且可以實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)進(jìn)程平穩(wěn)高效進(jìn)行。5 結(jié)論針對(duì)高寒地區(qū)常年處于大風(fēng)、溫差大，生物氧化槽易受到影響，使槽內(nèi)細(xì)菌活性降低，影響生物氧化進(jìn)程等特點(diǎn)。通過分析生物氧化預(yù)處理過程熱量機(jī)理模型，增加外界載荷，建立基于時(shí)空域的不確定性溫度場(chǎng)分布模型，結(jié)合對(duì)溫度場(chǎng)的分析，可以為改進(jìn)氧化槽結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)氧化槽溫度控制系統(tǒng)提供指導(dǎo)策略。參考文獻(xiàn)1 LI Q，LI D，QIAN F. Pre-oxidation of high-sulfur and high-arsenic

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