第25卷第1期 2017年2月 黄金纠, Gold Science and Technology VOI.25 N0.1 Feb.,2017 微波辐照技术在矿业中的应用现状及发展趋势 喻清 ,一,丁德馨 , ,张炬 ,胡南 ,杨雨山 ,王浩 1.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083; 2.南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南衡阳421001 摘要:在概述微波辐照技术用于矿业工程现状的基础上,阐述微波辐照的介电损耗机理和特性,着重 评述微波辐照技术在辅助破碎、浸出、焙烧、干燥、加热还原和除杂等矿业领域中的最新进展。将微波辐 照技术应用于传统矿业工艺过程中,具有良好的经济价值和潜在的工业化前景。分析了当前微波辐照 技术应用于矿业亟需解决的问题,并展望了今后的研究方向,特别是微波与物料间相互作用理论、微波 辐照工艺与设备、微波辐照技术在水处理和土壤修复的应用等方面。 关键词:微波;辅助碎磨;浸出;焙烧;干燥;加热还原;除杂 中图分类号:TD925 文献标志码:A 文章编号:1005—2518(2017)01—0l12—09 DOI:10.11872/j.issn.1005—2518.2017.01.112 引文格式:YU Qing,D1NG Dexin,ZHANG Ju,et a1.Application Status and Development Trend of Microwave Radiation Technology inMining[J1.Gold Science andTechnology,2017,25(1):112-120.喻清,丁德馨,张炬,等.微波辐照技术在矿业中的应用现状及 发展趋势[J].黄金科学技术,2017,25(1):112—120. 微波是一种高频率的电磁波,其频率为0.3 300 GHz、相应波长为1 000~1 mm[”,多应用于雷 达、导航、多路通讯、遥感和广播电视等领域。随着 微波研究的不断深入,微波在工业、农业、医学和家 庭等领域也得到逐步应用。近年来,矿业工程中也 开始引入微波技术,该技术具有节能、环保等优点, 不仅可以有效辅助破碎和浸出,还能用于焙烧、干 燥和加热还原等技术过程I2_钔。在概述微波加热原 理的基础上,着重评述了微波应用于辅助破磨、浸 出、焙烧、干燥、加热还原和除杂等研究的最新进 展,分析了当前微波辐照技术应用于矿业亟需解决 的问题,并展望了今后的研究方向。 偶极矩,产生介电损耗,由电能转化成热能,如图 1所示ls1。微波加热相对于常规加热,具有选择性加 热、加热速度快及节能高效等优点。 1微波加热原理 图1一个偶极子在电磁场中的取向调整 微波加热物质的过程一般可称为介电加热,物 料内的极化分子处在电磁场中时,电介质内部形成 收稿日期:2016—03—31:修订日期:2016—04—25 Fig.1 Orientation polarization of dipole in electromagnetic field 基金项目:国家自然科学基金重点项目“粤北铀尾矿库及周边地区放射性污染产生机制及控制原理”(编号:U1401231)、国家安全生产监督管 理总局资助项目“金属矿深部开采矿柱动态卸荷破坏机制研究”(编号:hunan一0Ol1-2016AQ)和南华大学创新团队项目“铀矿山岩 土工程灾害预测与控制”(编号:NHCXTD04)联合资助 作者简介:喻清(1984一),男,江西l临川人,博士研究生,从事微波辅助破磨研究工作。ckyuqingk@126.tom 通讯作者:丁德馨(1958一),男,湖南常德人,教授,博士生导师,从事微波辅助破磨研究工作。dingdxzzz@163.com 1 12 喻清等:微波辐照技术在矿业中的应用现状及发展趋势 物料能被微波加热需具备以下2种特性[6]:一 是物料不能反射微波能,其标准阻抗值为1;二是物 料能将电磁能转换为热能,单位体积材料吸收的微 波能为【 1 P-- ̄rlE I -2 IE l‘=2q-frSo ̄ tant ̄lE l (2) 式中: 为物料的有效电导率;E为电场强度i厂为微 波频率; 为物料无外电场时的介电常数; ” 为物 料有效损耗因子;8,为相对介电常数;tan6为介质 损耗角正切。 微波能被材料吸收后,其升温速率为 , 盟: ! ! f31 At pCe 。 式中:T,p、 和t分别为物料的温度、密度、热容和 加热时间。 2微波在矿业中的应用 2.1微波辅助破磨 破碎与磨矿是矿石加工过程中能源消耗最大 的工序,约占整个过程能耗的70%,而常规磨矿的 能量效率大约只有l%。微波因具有选择性加热、热 惯性小和穿透性良好等特点,成为一种重要的辅助 破磨预处理手段I8—1。 早在20世纪90年代初期,英国学者Kingman 等llU1研究表明微波加热矿石能节约常规方式碎磨 矿石1/2的能耗,研究指出矿石中不同矿物对微波 的吸收能力是不同的,从而引发矿物与脉石晶粒之 间的热应力,形成微裂纹,有利于矿石的破磨。2004 年,Kingman等fllj又采用单模腔体微波预处理进行 铅锌矿辅助破碎试验,研究结果表明:在单模加热 过程中,高电场强度和微波辐照时间对矿石的破坏 具有重要的影响,初级能量平衡试验表明,单模加 热对矿石硬度降低更有好处。 JohnL 1提出使用微波能可明显地改善铁矿石的 可磨性。试验研究表明:当微波加热使铁矿石升温 至197 cC时,铁矿石的邦德功指数减少了13%,能 耗相对间断磨矿时更小 1。Guo等l14】研究了微波加 热对攀枝花钛铁矿磨矿性能的影响,将40 g样品在 微波功率为1 kW的条件下辐射30 S,然后进行水 淬处理,结果表明:经过微波辐射处理的钛铁矿在 含铁矿物与脉石之间产生了裂隙,能有效促进含铁 矿物与脉石矿物之间的解离。在随后的磁选实验 中,经过微波辐射处理的钛铁矿的回收率从44%提 高到72%。 付润泽等【l5]考察了惠民铁矿在微波场下的升 温行为及微波加热对矿物空隙率、内部裂隙及矿物 磨细的影响,结果表明:该矿在微波作用下能够在 100 s内被加热至600℃以上,并且微波处理后矿 物空隙率提高24.o4%,相同磨矿条件下一200目产 品的产率提高7.3%~1 1.3%,扫描电镜显示微波处 理后矿物与脉石之间产生大量的晶界裂隙。李军 等fl6】以攀枝花钛铁矿为原料,研究了微波加热对矿 石内部产生裂纹的影响,并通过磨矿试验验证裂纹 对矿石易磨性的影响,结果表明:矿石在距微波发 生器2 m范围内可以被微波加热至400 oC以上,能 有效吸收微波能量。在1 kW、2.45 GHz微波下加热 30 S,然后进行水淬处理,通过SEM检测发现在矿 石内部有用矿物和脉石晶粒边界上产生了裂隙。磨 矿试验表明,矿石经微波处理后,磨矿后产品一200目 含量由原矿的66%提高至94%,证实微波加热产生 的裂隙使得矿物更易于磨细。 综上所述,微波辐照是一种新兴的矿石预处理 工艺,利用微波加热技术对矿石进行预处理,能使 矿石内部产生热应力,从而使矿物与脉石之间产生 微裂纹,并有可能使原有的微裂纹扩展,从而显著 提高矿石的破磨效率。同时,微波预处理技术还能 有效提高后续回收矿石的精矿产率及回收产品品 位,降低磨矿能耗。 2.2微波辅助浸出 传统金属浸出过程中普遍存在的问题是反应 产物包裹未反应核,使得浸出反应受阻,速率变慢, 浸出时间延长,能耗增加。而微波可以从矿物的内 部选择性加热,对矿物的活化作用更明显,有利 于矿物液一固反应的进行,将有助于改善浸出效 果【17-22]。 Olubambit趋l研究发现,矿石经微波辐射处理 后,其内部产生了数量更多的微裂纹,增加了浸出 体系的电化学活性点,提高了闪锌矿和黄铁矿的浸 出率。 Schmuhl等l241针对微细浸染型硫化矿物,研究 了微波预处理对于低品位矿石回收率的影响,结果 表明:在高强度微波场中预处理后,矿石颗粒的比 表面积会增大,与未处理矿石相比,铜的浸出率有 所提高。Nanthakumar等 对低品位难浸金矿进行 2017年2月第25卷・第1期113 尊酬, 了微波预处理研究,结果表明:经微波预处理后,金 的氰化浸出率可达95%以上,与常规高温氰化浸出 26 h时金的浸出率一样。 速,逐渐发展成为一种有潜力的焙烧方法[3o-351。 Amankwah等 研究了微波焙烧对含硫含炭金 氰化浸出的影响,在微波功率为600 W时,金的浸 马彦锋等 对采用2种微波预处理方式预处 理后的矿样分别进行浸出实验,结果表明:矿样未 经氧化直接进行微波预处理浸出,钒浸出率可提 高到86.28%;矿样经氧化再进行微波预处理浸 出,钒浸出率可提高到90.74%,说明氧化更能增 出率为96%,远远高于常规焙烧。Barani等_3 7】研究 了微波焙烧对铁矿石磁化的影响机理,结果表明在 微波场中焙烧铁矿石时,铁矿石在微波场中升温迅 速,随着微波功率和时间的增加,铁矿石的磁化强 度增加,极大地缩短了磁化焙烧时间。 黄芳等l38I认为在相同的溶出条件下,微波焙烧 加微波辅助浸出效果。石玉桥等 利用微波对低 品位氧化铅锌矿进行处理,研究不同处理方式对 浸出结果的影响,结果(表1)表明,试验矿物对微 波有较好的吸收能力,能量利用率比马弗炉高,微 波在矿物的浸出方面有积极效果,矿物经微波活 化后锌、铁的浸出率都有所增加,且本身不产生污 染气体,属于清洁能源,而微波活化对铁浸出的影 响更为明显。 表1不同处理方法下矿物的浸出结果 Table 1 Leaching results of minerals with different treatment methods 陈伟等 对难浸含金硫精矿进行微波焙烧,考 察微波功率、样品质量和焙烧时间对样品质量损失 率和浸出率的影响,结果表明:当微波功率为16 kw、 焙烧时间为50 rain、矿量为900 g时,样品质量损 失率可达28.12%,浸出率可达71.56%,较原矿直接 碘化浸出率(9.82%)有大幅提高。李解等[291研究了 微波加热稀土精矿酸浸的过程,研究表明:微波加 热酸浸稀土精矿的浸出率比常规酸浸工艺有显著 提高。 综上所述,微波预处理助浸与其他助浸方式相 比,可以改变矿石的微观结构,提高浸出率,缩短浸 出时问。微波预处理对化学反应具有催化作用,可 以提高矿物反应活性并改善其浸出性能,还能降低 反应过程中的能耗。由此可见,微波技术辅助矿物 浸出具有十分突出的优势,值得在矿业工程中应用 推广。 2.3微波焙烧 微波焙烧因其热效率高、吸波物质温升极为迅 1 1 4 GOLD涮淼勰v。I.25 No.1 Feb.,201 7 使得矿石得到了活化,溶出时间比原矿溶出时间缩 短了1B min,溶出率提高了14%。 杨坤等【39]考察了粒度、温度等工艺条件对微波 焙烧高钛渣的影响,结果表明:当高钛渣处理量为 120 kg/h、微波焙烧时问为4 h时,最优工艺参数为 原料粒度275 Ixm,焙烧温度950 oC,通氧量 0.557 m3/h,此时高钛渣的氧化率可达到91%。李解 等 研究了微波辅助浓硫酸低温焙烧稀土精矿的 工艺,结果表明:相比直接酸浸焙烧工艺,微波辅助 酸浸稀土精矿稀土和钍的浸出率均达到95%以上, 但浸出时间大大缩减,为稀土及钍资源的工业化综 合回收利用提供了新途径。 刘涛等[4l】以某含钒石煤为原料进行微波焙烧 提钒研究,结果表明:当微波焙烧20 min、焙烧温度 为550℃、硫酸体积浓度为15%、浸出时间为6 h、 液固比为1.5:1时,钒的浸出率为86.64%,高于同等 条件下常规焙烧钒的浸出率。马爱元等【42 l研究了微 波焙烧处理氧化锌烟尘脱氯的可行性,并考察了其 升温特性,结果表明:氧化锌烟尘具有良好的吸波 性能,微波加热处理高氯氧化锌烟尘是可行的。刘 秉国等【431研究了微波煅烧重铀酸铵制备U。O 的新 工艺,探讨了功率、时间及物料量等因素对U,O。产 品中总铀和u“含量的影响规律,结果表明:在最佳 工艺条件下,U O 产品质量满足后续工序要求,微 波煅烧重铀酸铵制备U O 是可行的。 微波焙烧是一种新型的绿色冶金方法 ,与常 规焙烧相比,微波焙烧可以节约能耗,降低生产成 本,因此微波焙烧在矿业中的重大作用越来越引起 重视。 2.4微波干燥 干燥是矿物冶炼处理过程中的一个重要工序, 也是产品质量和产量的一个重要制约因素。将微波 能作为干燥的能源应用在矿产品的干燥工艺中,由 喻清等:微波辐照技术在矿业中的应用现状及发展趋势 于其独特的加热方式使得微波干燥具有热效率高、 节约能源、干燥的产品质量高、干燥时间较短及工 业污染小等优点,因此,微波干燥是21世纪推广节 能降耗、减少环境污染的重要措施之一【45J。 Idris等 采用多模微波对不同质量的硅石泥 进行干燥,研究表明:当微波功率为800 W时,硅石 泥的干燥速率最陕。Pickles等[47】研究了煤的微波干 燥动力学,认为微波干燥速率高于常温干燥速率,符 合Midilli—Kucuk指数衰减模型,另外还研究了微波 干燥过程中水的扩散活化能,揭示了微波干燥机理。 郭磊等 对白钨精矿进行微波干燥新工艺研 究,考察了微波功率、微波时问和物料质量3个因 素对白钨精矿相对脱水率的影响。与常规电加热干 燥相比,微波干燥时间缩短了97.5%。同时 该课题 组将微波辐照技术成功运用于江西赣南许多钨矿 山白钨精矿的干燥,实现了工业化应用。 张钰婷等【钾】研究表明,红土镍矿在碳化硅辅助 微波干燥下,既可以快速脱除矿物表面吸附的绝大 部分水和部分结晶水,还可以通过控制碳化硅的比 例来避免过热现象。微波能可以改变红土矿的微观 结构,促进矿物的分解。进一步氢还原试验表明,微 波干燥有利于红土矿中镍和铁氧化物的还原,其还 原率高于常规干燥。 王卫东等[5o1分析了微波场中褐煤水分的脱除 规律,探索了煤颗粒粒度、微波辐射功率和初始含 水率对微波干燥脱水的影响,结果表明:当微波功 率为600 W、煤颗粒粒度在0.6~3.0 mm之间时,干 燥速率最快,每分钟为11%。当功率<600 W时,功 率越大,则干燥速率越快,温升越快。杨境等l51研究 了微波输出功率对褐煤脱水速率和功耗的影响,以 及微波脱水对褐煤界面特性的作用,结果表明:微 波功率越大,干燥时间越短,干燥速度越快。褐煤在 微波场下的干燥过程中,界面物化特性得到有效改 善,达到了良好的干燥效果。 微波干燥是微波应用中最简单的形式,具有干 燥时间短、热能利用率高和干燥均匀等优点,同时, 经微波处理后,矿物的结构和性质还能得到明显改 善。利用微波技术对矿物进行干燥处理将会得到迅 速发展和应用。 2.5微波加热还原 微波能是一种新型的加热能源,它可以实现对 粉状物料的快速选择性加热和还原,避免传统加热 方式带来的物料传热传质不均匀的现象。采用微波 加热法,可以有效地对矿物进行加热和还原[52-53】。 Saidi等 研究表明,同常规加热方式相比,氧 化锌精矿在微波场中更容易还原。罗思强等l55】采用 微波加热还原低品位软锰矿,结果表明:添加10% 煤粉,微波加热至500 oC反应30 min时,软锰矿的 还原率达到94%以上,实现锰浸出率高,铁浸出率 低的目标。贾景岩等_561采用微波加热和复合还原剂 并添加添加剂对钛铁矿进行还原制备电焊条药皮 原料。微波加热降低了反应活化能,强化了此钛铁 矿的还原反应,缩短了反应时问。与常规加热方式 相比,微波具有高效节能、绿色环保和强化反应等 特点。 利用微波选择性加热特点,可以使含金属氧化 物快速升温,在矿物强吸波组元和还原剂内部可产 生微区温度极高的“热点”,从而实现快速还原。 2.6微波除杂 含硫矿石在加工利用过程中会给环境带来很 多问题,虽然可采用氧化法、热碱浸出法等化学方 法加以脱除,但存在处理时间长、费用高等缺点。微 波脱硫技术具有选择性加热、工艺条件易控制等优 点 ,从而有效地解决了这一难题。 微波脱硫方法最早发现于1978年Zavitsanos 和Bleiler获得的一项微波脱硫专利 。Zavitsanos和 Bleiler发现在频率为2.45 GHz、功率为500 W或 更高条件的微波作用下,能够脱除50%的硫。 Jorjani等l61]研究发现,微波照射联合过氧乙酸 酸洗脱硫的方法能够脱除Tabas煤中66.75%(质量 分数)的硫。Waanders等【 1研究表明,经微波照射和 碱处理后煤炭中的硫含量降低近40%。 梁佰战等 采用微波焙烧脱硫工艺研究了微 波加热温度、加热时间和矿物粒度对高硫铝土矿中 硫含量的影响及氧化铝溶出率的影响,并依据原矿 和微波处理后铝土矿的XRD谱,探讨了高硫铝土 矿的脱硫机理,结果表明:微波加热温度为650℃、 微波加热时问为5 rain、矿物粒度为0.095~0.076 mm 时,高硫铝土矿的硫含量从4.15%降低到0.37%。盛 宇航等l斛1认为煤在功率为800 W的微波场中辐照 7 min后,脱硫率达到52.85%,而发热量仅损失 4.29%。 葛涛等 在固定腔微波反应器中,分别使用不 同频率的微波对3种炼焦煤开展脱硫试验,研究表 2017年2月第25卷・第1期115 壹州, 明:频率为840 MHz和915 MHz的微波辐照能改 变煤中有机硫的化学结构参数,进而影响煤中有机 硫的脱除。张望等 研究表明,与分别单独处理相比, 微波和NaOH共处理对煤中有机硫有更明显的脱硫 作用,较优共处理脱硫条件:微波功率为385 W,微波 辐照30 min,NaOH质量分数为10%,液固质量比 为10:1,此时脱硫率高达62.66%。 微波作为一种辅助手段可改善反应条件,加快 反应速度。微波脱硫技术的优势是增加煤炭中不同 组分界面的热应变,促成裂隙的产生,有助于脱硫 反应进行,该技术在煤炭脱硫方面的应用前景非常 广阔。 3问题与展望 微波辐照技术的研究与工业化应用尚处于发 展早期,但已展现出其他技术无法比拟的优点。然 而,关于微波辐照技术的应用,现阶段仍面临着很 大的挑战,尚有许多问题亟待解决。 (1)微波磁控管的功率输出不稳定,微波场强 的不均匀容易形成热失控。微波辅助破磨至今没有 实现工业化应用,这与微波炉体的设计、发射管及 热能转换效果等因素有关。 (2)现有研究忽略了对能耗的分析,多数采用 2.45 GHz微波频率,其微波能的转化率为50%,微 波能转化成电能的效率较低。 (3)将微波应用于矿业工程化设备及设施方面, 尤其是在高效微波加热设备的设计与制造方面,也 亟待深入研究和探索。如单模腔式和波导型微波反 应器尽管结构简单,但腔体较小,只能进行较小尺 寸试样的分批处理。 正是由于这些限制,微波辐照技术在矿业中的 应用尚处在实验室研究阶段,目前微波辐照技术研 究也不够深入、系统,离工业化、实用化推广应用尚 有一定的差距。结合微波技术现存问题,对今后需 重点加强的研究方向有以下几点建议: (1)进一步完善微波与物料问的相互作用机理、 微波测量原理与技术研究。 (2)不断开发精确测温的仪器,完善炉体设计, 加大工业化微波设备的研究和开发。 (3)近年来,在矿业不断发展过程中,矿山周围 的水体和土壤中长期或突发性的重金属污染日益 严重,微波技术因其独特的热效应和非热效应在水 1 1 8 GoI.II v0I.25 No.1 Feb.,201 7 处理及土壤修复领域起着重要作用,今后应加强微 波技术在水土修复领域的应用研究。 (4)加强微波辐射防护设备的研制,预防微波 辐照对人体的危害。 随着高新技术的发展和对微波辐照技术研究 的日益深入,微波辐照设备将朝着更高功率、自动 化及智能化方向发展,微波辐照技术在矿业应用和 工业化过程中存在的诸多瓶颈有望实现突破。 参考文献(References): [1]Liu Quanjun,Jiang Meiguang.Technological development of ore crushing and grinding and their current situation l J J. 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Hydrometallurgy, UniversityofSou ̄ChhTa,Hengyang 421001,Hunan,ChhTa Abstract:The mechanism of dielectric losses and characteristics of microwave radiation were reviewed on the basis of current situation and recent progress of microwave radiation applied to mining process.The application of microwave radiation technology in crushing,leaching,roasting,drying,heating reduction,removing impurities in the field of mining were summarized specially.Examples of successful applications were given to illustrate the advantages of microwave radiation technology in traditional mining process.It was concluded that microwave radiation technology had cheerful prospects for industrialization and created a good economic value as flu effective clean energy.Problems in the current studies of microwave radiation technology in the mining were analyzed,some suggestions for the future research directions,especially for the interaction mechanism between microwave and materials,radiation technology and equipment,the application of microwave radiation technology in water treatment and soil remediation were given. Key words:microwave;assistedcrushing;leaching;roasting;drying;heatingreduction;removingimpurities 西南能矿出台绿色勘查企业标准 2017年初,为固化绿色勘查试点成果,西南能矿 作为贵州能矿产业转型升级的龙头企业,西南能 矿集团于2015年提出建设生态环保型绿色能矿、科 技创新型智慧能矿和资本运营型金融能矿的“三型能 矿”建设目标任务,并从产业前端发力,启动绿色勘查 项目试点工作。 集团正式颁布《固体矿产绿色勘查技术标准》、《煤层 气绿色勘查技术标准》、《固体矿产绿色勘查项目预算 标准》和《绿色勘查项gl管理暂行办法》4个企业标准 和规范性制度,并于2017年2月1日起正式实施。此 作为一种新兴的综合勘查方法和手段,绿色勘查 举保障了西南能矿集团地质勘查项目在绿色勘查过 程中有据可依、有规可循。 在国内外尚无相关规范、知识产权和技术标准。西南 能矿集团从实施绿色勘查之日起,就将探索制定标准 (制度)作为一项重点任务,以期系统规范企业绿色勘 查行为,同时为国家相关部门制定绿色勘探规范提供 《固体矿产绿色勘查技术标准》和《煤层气绿色勘 查技术标准》分别规定了在固体矿产勘查和煤层气勘 查工作中开展绿色勘查的总则、基本规定、方案编制、 环保和控制方法、技术要求、形象建设、环境恢复治 研究成果和建议。上述4项标准(制度)于2016年12 月通过专家委员会评审,符合国家矿产资源相关法律 法规及现行勘查规范性管理文件规定,且比国家标准 更为严格,适用于集团公司及其全资子公司、控股公 理、检查验收、和谐勘查、资料及报告编制等内容;《绿 色勘查项目管理暂行办法》规定了在绿色勘查项目实 施过程中,企业各相关部门及单位职责、管理的内容 司和各勘查单位的绿色勘查活动。 及要求、奖惩措施等;《固体矿产绿色勘查项目预算标 准》在原《地质调查项目预算标准(2OLO年试用)》基础 上增加了钻机机场建设、道路恢复治理、钻探工程和 山地工程施工的环境保护和恢复治理、绿色勘查实施 西南能矿集团相关负责人表示,4项标准(制度) 对推进生态文明建设、加强地质勘查活动的生态环境 保护和西南能矿集团转型升级具有广泛而深远的现 实意义,在全省乃至全国具有示范和引领的作用。 (来源:中国矿业报) 方案和总结报告编制等预算费用标准。 1 20 GOLD髑 voI.25 No.1 Feb.,201 7