电场作用下浸堆中氧气气体的渗流性质
吴爱祥, 左 恒, 陈嘉生, 江怀春, 张 杰
(中南大学 资源与安全工程学院, 长沙 410083)
摘 要: 针对电场作用对堆浸过程中氧气气体在浸堆中传输的影响, 在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置, 研究外加电场作用下浸堆中氧气气体的渗流性质。 结果表明: 电场作用对浸堆中氧气渗流性质的影响非常明显; 电场作用下, 氧气气体渗流速度比无电场时要大, 并且渗流速度随氧气气体压力梯度增大成线性增加; 加电场后, 浸堆中氧气气体渗流量随电压(电场强度)升高成线性增大; 渗透率越好的浸堆, 氧气气体在浸堆中的电动效应越明显。
关键词: 堆置浸出; 浸堆; 氧气; 渗流性质; 电场作用 中图分类号: TD98
文献标识码: A
Seepage properties of oxygen in dump under effect of electric field
WU Ai-xiang, ZUO Heng, CHEN Jia-sheng, JIANG Huai-chun, ZHANG Jie
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University,Changsha 410083, China)
Abstract: The electric field has effective influence on the transmission of oxygen gas in dump when heap leaching. The seepage properties of oxygen in dump under the effect of electric field are investigated by triaxial compression and seepage test. The testing results indicate that the influence of electric field on oxygen seepage properties in dump is obvious. The seepage velocity of oxygen under electric field is much larger than that with no electric field, and increases linearly with the pressure gradient of oxygen gas. Under electric field, the quantity of oxygen gas seepage in dump increases approximately linearly with voltage or electric field strength. The better the permeability of dump is, the clearer the electric effect of oxygen gas in dump is.
Key words: heap leaching; dump; oxygen; seepage property; electric field effect
堆置浸出(堆浸)是指根据物理化学原理和化学工艺, 将氧气、 溶浸液和微生物注入到矿石或废石堆中, 有选择性地溶解和浸出矿石或废石中有用成分, 它是一种能够有效利用贫矿和尾矿的采矿方法[1-3]。 浸出中, 氧气既是浸出化学反应的氧化剂, 又是微生物生长繁殖的生长剂, 在浸出过程中起到非常重要的作用[4-8] 。 研究表明[3, 9-11], 向浸出体系中加入氧气, 微生物繁殖速度加快, 活性提高, 矿石的浸出率明显得到改善, 随着通气量的增加, 浸出率直线上升。 因此保证和提高氧气在浸堆中的渗流速度以及渗流流量, 在堆浸过程中显得至关重要。
在盛有溶浸液液体的容器中, 用多孔板隔开, 并对隔板两边加入电场, 在电场力的作用下, 液体将从多孔隔板的一边流向另一边。 浸堆是一种典型的多孔介质, 氧气在浸堆中的流动也是属于流体在多孔介质中的流动问题[12-13]。 电场作用对气体渗流性质的影响在煤层瓦斯领域的研究中已有不少成果[14-17]。 本文作者研究在堆置浸出过程中, 当存在外加电场时, 电场作用对浸堆中氧气渗流性质的影响。
1 实验
实验矿样取自江西省德兴铜矿的铜矿石, 矿样的化学成分列于表1。
表1 矿样的化学成分
Table 1 Chemical composition of ore sample (mass fraction, %)
表1表明, 铜矿石中不溶性石英占主要地位, 碱性氧化物居于次要地位, Cu、 Fe、 S是主要的元素。
将矿样破碎成5mm以下的微粒后, 放入圆柱状试样成形器中, 用 100MPa的压力成形为两组直径50mm, 高200mm的圆柱状铜矿石多孔介质矿样模型m1和模型m2。 每组实验的铜矿石模型为3个。
将矿样模型抽空后, 用实验用水测量模型孔隙体积, 计算模型渗透率, 分别测得m1的渗透系数k1为1.65×10-2μm2, m2的渗透系数k2为1.84×10-3μm2。
实验系统主要由三轴渗流实验装置和电场实施装置两大部分组成, 如图 1 所示。 电场实施装置由交流电源、 调压器、 整流器、 电流表和电压表组成。
图1 电场作用下矿样模型的氧气渗流实验装置
Fig.1 Testing apparatus for ore sample oxygen seepage under electric field
进行渗流实验时, 先将矿样模型放入与圆柱状模型尺寸相当的热缩管内并对模型两端周边加热, 使热缩管紧贴模型柱面并作为隔油层, 然后放入三轴渗流实验装置内。 实验时, 打开实验装置油缸的排气阀, 启动高压油泵并开启进油阀, 通过排气阀将压力室内原有的空气排入大气中。 当排气阀门中有油渗出时, 说明压力室内的空气已排出, 压力油已充满压力室, 这时应立即关闭排气阀和进油阀。 再开启 20t 压力机和高压油泵进油阀。 加载时, 保持轴向压力和围压相等, 且两者同步增加, 直至达到预定的载荷值。 随后开始对模型抽真空, 开动真空泵连续抽2h。 抽真空的目的在于除去模型中的空气和水蒸气等气体杂质。 抽真空完毕后, 关闭回气阀并使之与流量计相连接。 打开进气阀, 高压氧气瓶中的氧气气体经减压阀减压后, 通过进气阀沿进气管路流入模型。 当进、 出气口两端(矿样模型两端)的气压相等后, 打开回气阀, 这时从矿样模型中渗流出来的气体就经过流量计流入大气中。 本实验实测的参数是渗流气体达到某一给定体积的时间。 在整个加载实验过程中, 始终保持模型两端的气体压力不变。 模型所受的围压值亦保持为一常数。 在测量各级载荷下的气体流量时, 要等流量稳定后再进行测定。
外加电场作用下的渗流实验是在矿样模型两端加带小孔的石墨电极板来实现对模型施加电场。 在实验过程中, 电场方向与氧气渗流方向一致定义为正向电场。 实验1是在一个大小不变的正向电场作用下, 测定在不同压力梯度时氧气气体的渗流速度; 实验2是在保持进、 出气口的气体压力不变的条件下, 依次在矿样模型两端的电极板上施加不同强度的正向电场, 测定在不同电场强度作用下的氧气气体渗流量比值。
实验过程中要保持模型两端接触紧密, 不漏气, 不进油和模型不张裂。
2 结果与分析
2.1 氧气气体渗流速度与压力梯度的关系
实验中, 氧气渗流速度是模型断面上单位时间流过的气体量, 即v=Q/A, 气体压力梯度是模型两端面压力差(p1-p2)与模型长度L的比值, 即(p1-p2)/L。 图2所示为实验模型m1在加不变正向电场和无电场下氧气渗流速度与氧气气体压力梯度的变化关系。 从实测点的变化趋势来看, 氧气渗流速度随氧气气体压力梯度的增加而增大, 且基本呈线性增加, 即
式中 比例系数k(曲线斜率)为矿样模型的渗透系数, 此关系也说明氧气在多孔成形模型中的渗流符合达西定律。 实验1表明, 在保持氧气压力梯度为0.04MPa/cm和电场强度为2.5×103V/m的条件下, 其渗流速度和渗流系数比无电场作用时提高大约20%。 因此, 相同氧气气体压力梯度下, 加电场后的氧气渗流速度ve大于无电场时的氧气渗流速v; 这也表明, 加电场后, 由于电场的作用, 氧气在矿样中的渗流速度提高了, 即等效于矿样的渗透系数增大; 加电场后矿样的渗透系数ke大于无电场时矿样的渗透系数k。
图2 正向电场作用下渗流速度与压力梯度的关系
Fig.2 Relations between seepage velocity and pressure gradient under positive electric field
2.2 氧气气体渗流流量与电压的关系
在保持进口气体压力0.02MPa、 出口气体压力0.01MPa不变的条件下, 依次在矿样模型两端施加不同强度的正向电场, 分别测定在无电场和各级外加正向电场下的气体渗流量。 电场强度E由电压V和两电极板的距离L确定, 即E=V/L。 实验2的结果如图3所示。 图中给出了矿样模型m1和m2(k1=1.65×10-2μm2, k2=1.84×10-3μm2)在外加电场和无电场2种情况下的氧气气体流量比值Qe/Q与外加电压V的关系。 由图可见, 流量比值Qe/Q随电压增大基本呈线性增加; 在相同电场强度下, 渗透率大的矿样模型渗流量比值大。 这是由于在高渗透模型中, 作用于氧气气体上的电动能量大部分转化为气体的动能; 而在低渗透模型中, 电动能量大部分由于克服气体渗流阻力而损耗。 根据曲线的变化趋势, 渗流流量与电场强度的关系可近似地表示为
式中 β(曲线斜率)为与矿样模型的导电性能有关的系数。
图3 流量比与外加电压的关系
Fig.3 Relations between flow ratio and voltage
总之, 电场对多孔介质模型中氧气渗流性质的影响是明显存在的, 电场的作用加快了氧气的放散速度, 增加了氧气气体的动能。
3 电场作用下浸堆中氧气气体的渗透系数
由上面的实验结果分析可知, 在保持模型两端的氧气气体压力不变的条件下, 当在氧气气体流动方向有外加电场作用时, 氧气的体积流量比无外加电场作用时要大, 而且外加电场强度越大, 渗流流量也越大, 这种现象可等效为矿样模型的渗透系数提高。 利用气体渗流渗透系数k的表达式[9], 对无外加电场时, 有
对有外加电场时, 有
式中 pa为流量测量点的大气压力, μ为氧气气体的粘性系数, Z为p2和pa压力下氧气气体的压缩系数之比。
由式(3)、 (4), 可得
将式(2)代入式(5), 可得
式(6)就是有电场作用时矿样的等效渗流系数ke与无电场作用时矿样中氧气渗透系数k和电场强度E的关系式。 式(6)说明ke随电场强度增加而增大, 并且ke为k的(1+βE)倍。
4 结论
1) 电场作用对浸堆中氧气渗流性质的影响非常明显。
2) 在相同氧气气体压力梯度作用下, 电场作用下的氧气气体渗流速度比无电场时要大; 并且渗流速度随压力梯度增大呈线性增加。
3) 电场作用下, 矿样模型中氧气气体渗流流量随电压升高而增大, 并呈线性增大。
4) 渗透率越好的浸堆, 氧气气体在浸堆中的电动效应越明显。
5) 电场作用时, 浸堆中氧气气体的等效渗透系数随电场强度增加而增大。
6) 在外加电场作用下浸堆中氧气气体渗流性质的实验为堆置浸出过程中氧气在浸堆中的渗流性质的进一步研究奠定基础。
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(编辑陈爱华)
基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目(2004CB619206); 国家科技创新群体资助项目(54321042)
收稿日期: 2006-03-17; 修订日期: 2006-06-26
通讯作者: 左 恒, 博士研究生; 电话: 0731-8832558; E-mail: zuoheng819@sohu.com
