一种新型生物氧化反应器的研制.pdf

5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第9 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 l ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 9 ．0 1 4 一种新型生物氧化反应器的研制 董干国，李晔，杨丽君，刘巍，冯天然 北京矿冶研究总院无污染有色金属提取及节能技术国家工程研究中心，北京1 0 0 1 6 0 摘要根据生物氧化的工艺特点和目前工业应用的生物氧化反应器存在的问题，并结合实验室试验数 据，提出了外置充气系统的创新结构，研制了一台3 0m 3 新型生物氧化反应器。工业试验结果表明，在 给矿性质完全相同、精矿指标基本一样的条件下，新型生物氧化反应器的生产效率提高了约3 0 ％。 关键词生物氧化；生物冶金；反应器；溶氧量 中国分类号T F 3 5 1 ．5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 9 0 0 5 2 0 4 D e v e l o p m e n to faN e wT y p eo fB i o l o g i c a lO x i d a t i o nR e a c t o r D O N GG a n g u o ，L IY e ，Y A N GL i ju n ，L I UW e i ，F E N GT i a n r a n N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rC l e a nE x t r a c t i o n E n e r g yS a v i n gi nN o n F e r r o u sM e t a l l u r g y ， B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb i o l o g i c a lo x i d a t i o n ，an e wt y p eo f3 0m 3b i o l o g i c a lo x i d a t i o nr e a c t o rw i t he x t e r n a la i r f o r c e ds y s t e mw a sd e v e l o p e da n dv e r i f i e db yl a b o r a t o r yt e s t sw i t ht h ea i mt o a d d r e s sc u r r e n te x i s t i n gp r o b l e m so fb i o l o g i c a lo x i d a t i o nr e a c t o rf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ．T h ei n d u s t r i a l t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo x i d a t i o ne f f i c i e n c yo ft h en e wi n n o v a t e d3 0m 3b i o l o g i c a lo x i d a t i o nr e a c t o ri si m p r o v e db y3 0 ％u n d e rt h es a m ef e e d i n gc o n d i t i o n s ． K e yw o r d s b i o l o g i c a lo x i d a t i o n ；b i o l o g i c a lm e t a l l u r g y ；r e a c t o r ；d i s s o l v e do x y g e n 生物氧化是预处理难浸金矿的方法之一，与传 统的焙烧氧化和加压氧化相比，具有环境污染小、设 备投资少、流程简单、操作方便等优点【- 1 ‘2 I 。2 0 世纪 8 0 年代难处理金矿的生物氧化首先在南非的F a i r v i e w 金矿实现了工业化应用L 3 ] ，目前世界上已经有 数十家矿山企业的生物氧化厂在运行，并取得了较 好的效益。 目前国内外工业生产中应用的生物氧化反应器 主要有搅拌槽式和气升式两种。基本是化工和冶金 反应器的简单延伸，没有充分考虑细菌在矿浆条件 下的生长环境，存在氧化速度慢、反应器运行效率 低、氧化周期长、液面波动大易冒槽等缺点。因此， 针对生物氧化的工艺特点，研究高效生物氧化反应 器，开发新型的高传质速率、高溶解氧量、低剪切力 的高效生物氧化反应器具有重要意义[ 4 ] 。 1设计原则及思路 工业生产实践表明，目前广泛采用的生物氧化 反应器存在的问题是充气方式和机械结构的缺陷导 致反应器氧的传质系数低、搅拌叶轮剪切力高、氧化 效率低[ 5 。7 ] 。因此，新型生物氧化反应器设计要求是 高传质速率、高溶解氧量、低剪切力、有效而柔和的 搅拌混合。 针对生物氧化工艺特点及要求，提出了强化充 气混合弱化机械搅拌的设计思路，采用新型高效的 充气系统，在提高氧传质速率的同时降低叶轮搅拌 收稿日期2 0 1 3 0 2 1 8 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 1 2 A A 0 6 1 5 0 3 ，2 0 0 7 A A 0 6 0 9 0 4 作者简介董干国 1 9 7 8 一 ，男，河南洛阳人，硕士，高级工程师． 万方数据 2 0 1 3 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p Ⅳy s y l ．b g r i m r 1 1C I ] 剪切力。根据亨利定律，空气在水中的平衡溶解量 与溶气压力成正比，且与温度有关∞] 。增加溶气压 力可以增加溶解氧量，而通过增加反应器柱体高度， 可以提高溶气压力；溶气效率与温度、溶气压力及气 液两相的动态接触面积有关。在一定的温度和溶气 压力下，减小气泡直径、增大气液界面、增加气液传 质面积、增大液相总传质系数，有利于提高溶气效 率。因此，提出新型生物氧化反应器的设计原则是 1 增大溶气压力；2 增加气液界面，提高溶气效率； 3 充气系统兼具搅拌功能，叶轮搅拌仅起混合传质 的作用，减小剪切力，利于生物氧化反应。 2实验室试验 为验证新型生物氧化反应器的设计原则及思 路，首先进行了大量的实验室试验，探讨充气压力、 充气量、气泡大小、柱体高度与溶解氧量的关系．为 工业试验样机设计提供数据支持。实验室试验装置 如图1 所示，为便于观察，柱体材质选用有机玻璃。 距离充气器中心线高度／n 1 【1 距离充气器中心线高度／r a m 售G 臣I l { 眇 湘] ～～，麓 ；5l } l _ f l } 0 餐l ，ll{ 柱体 趟mr 4 、 ．；j 南鲁{ { 。』，r 一r 图1试验装置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s t i n ge q u i p m e n t 在2 0 ℃的水温下，测量不同充气压力、不同喷 嘴直径条件下，距离充气器中心线上方不同高度的 6 个测量截面的溶解氧量，结果见图2 。 距离充气器中心线高度／r a m a ∞．5F i l m ； b 0 1 ．0m m ； c 0 1 ．5m i l l ； d 0 2 ．0m m 图2不同喷嘴直径和充气压力下溶解氧量与深度的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s s o l v e do x y g e na n dm e a s u r i n gd e p t hu n d e rd i f f e r e n t s p a r g e rn o z z l ed i a m e t e ra n dp n e u m a t i cp r e s s u r e 从图2 可看出，随着测量点距充气器底部高度的增大，溶解氧量减小；随着充气压力的增大，各个 徽一一 一一 ～一 一 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第9 期 深度的溶解氧量变化不大。说明溶解氧量随水压的 增大而增大，而与充气压力关系不大。在喷嘴直径 为1 ．5m m 时，在各个充气压力下，其溶解氧值均最 大。实验室试验结果与理论分析吻合。 3 新型3 0m 3 生物氧化反应器的设计 在理论分析和实验室研究的基础上，根据新型 生物氧化反应器的设计思路和原则，设计了一台3 0 m 3 新型生物氧化反应器．主要包括电机减速机、减 速机支架、换热器部件、槽体部件、主轴、叶轮、充气 系统。为了适应强酸性矿浆，槽体和主轴材质采用 3 1 6 L 不锈钢。 4工业试验 T 业试验在新疆某金矿进行，处理含S 2 7 ．0 6 ％、F e2 6 ．2 9 ％、A s3 ．9 6 ％的难处理浮选金精 矿，包括清水试验和带矿试验两部分。在给矿性质 完全相同的条件下，通过与现场工业生产用的一台 3 6 0m 3 生物氧化反应器平行对比试验来考察3 0m 3 新型生物氧化反应器的T 艺性能。 4 ．1 清水试验 清水试验主要考察不同充气压力、不同喷嘴直 径条件下反应器内的溶解氧量，进一步验证设计思 路，给带矿试验提供参数。 为准确测量清水中的溶氧量．在整个测量截面 均匀分布6 个测量点，在高度方向，距溢流堰高度 0 ．5 、1 ．0 、1 ．5 、2 ．0 、3 ．0 、4 ．0 、5 ．0 、6 ．0 、7 ．0m 处布置 测量点。溶氧量采用D 1 1 0 便携式溶解氧测量仪， 测量时将溶氧仪的测量探头浸入不同测量点，测定 不同测量点的溶氧量。测定结果见图3 ～4 。 图3 ～4 表明，在各个充气压力下，溶氧量随深 度的增加而增大，基本成线性关系；喷嘴直径1 ．5 m m 时溶氧量最大，且分散度最高；充气压力对溶氧 量的影响不大，溶氧量随充气压力的增大略有提高。 另外，在各个充气压力下，不同叶轮线速度下的 溶氧量基本相当，说明溶氧量与叶轮线速度关系不 大。但溶氧量分散度随着叶轮线速度的增大先增大 后减小，当叶轮线速度为2 ．8 3m ／s 时，溶解氧在槽 内基本分散均匀。 4 ．2 带矿试验 4 ．2 ．1 试验流程 浮选金精矿经旋流器分级后进入浓密机浓缩， 浓缩后的矿浆按照2 0 ％浓度进行调浆，矿浆通过软 管泵给入到分矿箱，按照一定比例分别给入3 0m 3 图30 ．4M P a 充气压力下溶解氧量与 测量深度的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s s o l v e do x y g e n a n dm e a s u r i n gl o c a t i o na td i f f e r e n ts p a r g e r n o z z l ed i a m e t e rw i t hp n e u m a t i c p r e s s u r eo f0 ．4M P a 亢’L 雎／J ／M P a 图4 不同压力下不同喷嘴直径时 反应器内的溶解氧量 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s s o l v e d o x y g e na n dp n e u m a t i cp r e s s u r ea td i f f e r e n t s p a r g e rn o z z l ed i a m e t e r 和3 6 0m 3 生物氧化反应器。为了不影响企业的正 常_ 丁业生产，3 0m 3 新型生物氧化反应器的溢流自 流进入另外一台3 6 0m 3 生物氧化反应器。 4 ．2 ．2 深槽取样 为了考察反应器内矿物颗粒的悬浮情况，验证 充气弱化搅拌的设计思路，在距反应器顶部2 ．0 、 4 ．0 、6 ．0 、8 ．0 、1 0 ．0m 位置进行了深槽取样，测定反 应器内不同深度的浓度变化和矿物粒度分布情况， 并对取样的固体S 、F e 、A s 含量进行化验分析。 深槽取样结果距离反应器顶部2 ．0 、4 ．0 、6 ．0 、 8 ．0 、1 0 ．0m 处的矿浆浓度分别为1 7 ．3 7 ％、 1 6 ．9 6 ％、1 7 ．9 6 ％、1 9 ．8 3 ％、2 0 ．0 4 ％。数据表明，反 应器内的矿浆悬浮比较均匀。 万方数据 2 0 1 3 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 不同深度取样点的粒级分布见图5 。 粒度／m i l l 图5 不同深度矿物颗粒的粒级分布 F i g ．5 P a r t i c l es i z ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n td e p t hf r o mt a n kt o p 从图5 可看出．每个取样点上矿物颗粒的粒级 分布基本一致，表明反应器内的矿浆没有粗、细颗粒 分层现象，进一步说明反应器内矿浆悬浮比较均匀。 浓度测量和粒级分析结果表明，反应器的充气 系统兼具搅拌功能。 4 ．2 ．3 试验结果 带矿试验共取得有效班样1 1 0 个，指标统计结 果见表1 。 表1 带矿试验指标对比结果 T a b l e1 I n d e xc o m p a r i s o no fs l u r r yt e s t 反应器种类是譬m 孥冀黑i “ 1 ≤塑拦e s L K g 。 J3r 从表1 可知，在给矿性质完全相同、精矿指标基 本一样的条件下，3 0m 3 新型生物氧化反应器单位 有效容积的给矿量是工业生产用常规反应器的1 ．3 倍，即，在相同的生物氧化效果条件下，反应器效率 提高了约3 0 ％。 5结论 1 成功研制了1 台30 m 3 新型生物氧化反应 器，清水试验表明，反应器中气泡直径小，分散度高， 空气利用率高，溶解氧量大。 2 工业试验结果表明，在给矿性质完全相同、精 矿指标基本一样的条件下，3 0m 3 新型生物氧化反 应器的效率比常规反应器提高了约3 0 ％。现已成 功应用于新疆某氰化提金厂。 3 采用外置压力喷射式充气器提高了反应器内 的溶解氧量，提高了生物氧化效果，有利于工业生产 中的维护和控制。 参考文献 [ 1 ] 杨松荣，邱冠周，胡岳华．等．含砷难处理金矿石生物氧 化工艺及应用[ M ] ．北京冶金工业出版社．2 0 0 6 3 0 一 3 3 ． [ 2 ] 黄金生产工艺指南编委会．黄金生产_ 丁艺指南[ M j ． 北京地质出版社．2 0 0 0 1 9 3 1 9 7 ． [ 3 ] 王康林，汪模辉，蒋金龙．难处理金矿石的细菌氧化预处 理研究现状[ J ] ．黄金科学技术．2 0 0 1 ，9 2 19 - 2 4 ． E 4 ] 刘升明，王淀佐，孙体昌，等．微生物浸金的研究现状与 展望[ J ] ．矿产综合利用。2 0 0 4 6 2 4 2 8 ． [ 5 ] 方兆珩．生物氧化浸矿反应器的研究进展[ J ] ．黄金科 学技术，2 0 0 2 ，1 0 6 1 _ 7 ． [ 6 ] 廖梦霞，汪模辉，邓天龙．难处理硫化矿生物湿法冶金研 究进展Ⅱ氧化机制、强化细菌浸出与生物反应器设计 [ J ] ．稀有金属，2 0 0 4 ，2 8 5 3 1 - 3 5 ． [ 7 ] 杨丽君，李哗，刘巍，等．难处理金精矿高效生物预氧化 反应器研制研究报告[ R ] ．北京北京矿冶研究总院， 2 0 1 1 ． E 8 ] 钟秦，王娟，陈乔迁．等．化工原理[ M ] ．北京国防_ T - 业 出版社，2 0 0 l 2 8 0 2 8 3 ． 万方数据