一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置

摘要

一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。其技术方案是：本装置是由4个长方形平板围成的腔体、4n个波源和一条物料传输带(9)组成，n为2～10的自然数，腔体内水平地装有物料传输带(9)。第1个顶板波源(8)、第1个左侧板波源(2)、第1个底板波源(4)和第1个右侧板波源(6)依次位于距各自对应的顶板(1)、左侧板(3)、底板(5)和右侧板(7)的起始边的a/2处、a/2处、3a/2处和3a/2处，顶板波源(8)、左侧板波源(2)、底板波源(4)和右侧板波源(6)的4种波源中的每种波源的间距均为2a。本发明具有处理周期短、能耗低、无碳排放、钒页岩可磨性高、浸出率强化效果好、连续化操作简单和生产效率高的特点，适用于钒页岩全湿法提钒体系。

说明书

技术领域

本发明属于钒页岩连续微波处理装置。具体涉及一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。

背景技术

钒页岩(含钒石煤)作为我国特有的一类重要优势含钒资源，其钒储量超过其他国家钒储量之和，页岩提钒是我国钒资源开发利用的重要途径和需求保障。微波作为一种清洁能源，在矿冶领域尤其是在辅助磨矿和强化浸出等方面受到了广泛关注。因此，用于矿产资源处理的微波装置也是本领域关注的重点。

王俊鹏等人(王俊鹏,姜涛,刘亚静,薛向欣.微波预处理对钒钛磁铁矿磨矿动力学的影响[J].东北大学学报(自然科学版),2019,40(5):663-667)采用顶部单波导类型的微波工作站对钒钛磁铁矿进行处理，在微波功率为4kW和处理时间为2min的情况下，钒钛磁铁矿可磨性(以破碎速率计)最高提升约90％，但提升程度不大；虽处理时间较短，但需要较高的微波功率，增大了处理能耗；另一方面，该设备为处理间断式微波处理装置，无法对钒页岩进行连续处理，当需要大批量处理钒页岩时，设备操作较为复杂且效率低。说明采用此类微波装置处理钒矿物存在微波功率大、能耗高、钒矿物可磨性提升程度小、装置操作负责和处理效率低的缺点。

刘涛等人(刘涛,胡鹏程,张一敏,袁益忠.含钒石煤微波焙烧提钒试验研究[J].有色金属(冶炼部分),2015,(1):46-53.)采用微波高温反应器对含钒石煤进行微波焙烧预处理，以强化页岩钒的浸出效率。在微波焙烧温度为550℃、焙烧时间为20min、硫酸体积浓度为15％、浸出时间为6h、液固比为1.5:1(mL/g)、浸出温度为95℃的条件下，钒浸出率为86.64％，在相同浸出条件下，常规马弗炉700℃焙烧1h钒的浸出率为84.22％。与常规装置相比，该微波设备处理装置虽能在焙烧温度低、焙烧时间短的情况下获得相近的钒浸出率，但700℃焙烧20min的条件下仍存在处理温度高和处理时间长的问题；且在这样的焙烧条件下，矿石中的碳几乎完全燃烧，存在严重的碳排放问题；再者，该微波高温反应器属于间断式处理设备，当需要处理大批量含钒页岩时，该装置操作将会较为复杂和效率低。说明采用微波高温反应器对钒页岩焙烧处理的技术存在处理时间长、能耗高、碳排放高、操作复杂和处理效率低的缺点。

王辉(王辉.微波辅助石煤钒矿浸出工艺研究[D].西安建筑科技大学,2011.)采用微波溶液化学反应器对含钒石煤进行微波强化浸出研究。发现当微波功率为440W、微波辐照时间为2h，硫酸浓度为10％和液固比为4:1(mL/g)时，钒浸出率为77.91％；相比于常规加热搅拌设备90℃搅拌浸出6h的钒浸出率，提高了约6个百分点。该方法微波功率较小，无需对含钒石煤进行高温焙烧，在全湿法提钒体系下利用微波强化钒页岩浸出效率，能够避免碳的排放问题。但该过程仍需微波辐照时间长，微波处理能耗高、且钒浸出率不高，浸出率提升程度小。同样的，该微波溶液化学反应器属于间断式处理装置，无法实现连续性作业，当需要处理大批量钒页岩时，操作较为复杂且效率低。说明微波溶液化学反应器对钒页岩进行微波强化浸出的技术，存在处理时间长、能耗高、钒浸出率提升程度小、装置操作复杂和效率低的缺点。

综上所述，现有的钒页岩微波处理装置存在处理时间长、能耗高、碳排放高、钒页岩可磨性低、钒浸出效率提升程度小、装置操作复杂和处理效率低的技术缺陷。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种处理周期短、能耗低、碳排放少、钒页岩可磨性高、浸出率强化效果好、处理效率高和适用于钒页岩全湿法提钒体系的强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

所述连续式微波处理装置是由4个长方形平板围成的腔体、4n个波源和一条物料传输带组成；所述长方形平板的长×宽＝2na×a，每个长方形平板各自均匀地分别装有n个波源，4n个波源相同，n为2～10的自然数。在腔体内水平地装有物料传输带，传输带的上表面距离腔体顶部的高度为0.52～0.58a，传输带的宽度为0.9～0.95a，传输带的运输速度为na～2na/min。

四个长方形平板分别为顶板、左侧板、底板和右侧板，顶板、左侧板、底板和右侧板依次对应地装有顶板波源、左侧板波源、底板波源和右侧板波源；每个波源均由1个磁控管和1个波导组成，每个波源在长方形平板的安装面为矩形。

每个波源在各自对应的长方形平板上的安装位置：

为描述简便起见，假定将所述腔体从顶板和右侧板的交线处分开，使所述腔体展开为一个平面；且令：物料的进口端为每个长方形平板的起始边，顶板的分开线为腔体展开面的上边线，即腔体展开面的第一根水平线为顶板的上边线，腔体展开面的第二根水平线为左侧板的上边线，腔体展开面的第三根水平线为底板的上边线，腔体展开面的第四根水平线为右侧板的上边线。

顶板波源在顶板的安装位置：第1个顶板波源位于距顶板起始边的a/2处，第2个顶板波源位于距顶板起始边的2a(2-1)+a/2处，第3个顶板波源位于距顶板起始边的2a(3-1)+a/2处，……，以此类推，第n个顶板波源位于距顶板起始边的2a(n-1)+a/2处。每个顶板波源的安装面中心O1均与顶板的上边线的距离为a/4，每个顶板波源安装面的长边与顶板的上边线垂直。

左侧板波源在左侧板的安装位置：第1个左侧板波源位于距左侧板起始边的a/2处，第2个左侧板波源位于距左侧板起始边的2a(2-1)+a/2处，第3个左侧板波源位于距左侧板起始边的2a(3-1)+a/2处，……，以此类推，第n个左侧板波源位于距左侧板起始边的2a(n-1)+a/2处。每个左侧板波源的安装面中心O2均与左侧板的上边线的距离为a/4，每个左侧板波源安装面的长边与左侧板的上边线的夹角θ为0°～45°。

底板波源在底板的安装位置：第1个底板波源位于距底板起始边的3a/2处，第2个底板波源位于距底板起始边的2a(2-1)+3a/2处，第3个底板波源位于距底板起始边的2a(3-1)+3a/2处，……，以此类推，第n个底板波源位于距底板起始边的2a(n-1)+3a/2处。每个底板波源的安装面中心O3均与底板的上边线的距离为a/4，每个底板波源安装面的长边与底板的上边线平行。

右侧板波源在右侧板的安装位置：第1个右侧板波源位于距右侧板起始边的3a/2处，第2个右侧板波源位于距右侧板起始边的2a(2-1)+3a/2处，第3个右侧板波源位于距右侧板起始边的2a(3-1)+3a/2处，……，以此类推，第n个右侧板波源位于距右侧板起始边的2a(n-1)+3a/2处。每个右侧板波源的安装面中心O4均与右侧板的上边线的距离为a/4，每个右侧板波源安装面的长边与右侧板的上边线的夹角β为90°-θ。

所述矩形的长边l＝a/6～a/3。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明基于微波处理装置腔体中电-磁-热-应力复合物理场的仿真模拟与实验验证，对强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续微波处理装置(以下简称“连续式微波处理装置”)的腔体及波源进行布局优化，在连续式微波处理装置腔体的4个平板外壁的不同位置和不同角度分别有规律地装有各自对应的n个波源，实现了腔体内复合物理场的优化分布，充分发挥微波对钒页岩异相解离的诱导强化作用；另外，多波源连续式处理方式能够实现钒页岩在腔体内的运行过程中受到连续多维度辐照，提高了处理效果和缩短了处理周期。试验证明：本装置能够在1～2min内和在碳的燃烧温度以下实现钒页岩的高效预处理，使得钒页岩可磨性(以破碎速率计)提高了200％以上，同时使磨矿能耗(包括微波预处理能耗在内)降低了40％以上，处理周期短、处理效果好和能耗低。

2.本发明针对钒页岩的特殊矿物特性，在复合物理场仿真模拟的基础上，通过微波腔体、n级(4个平板的第一个波源称为第一级，4个平板的第二个波源称为第二级，……，依次类推，4个平板的第n个波源称为第n级)波源和连续传输装置的特殊设计，在预处理过程中，连续激发多级(波源)微波有质动力效应，被处理的钒页岩在腔体中连续且交替受到n级电-磁-热-应力复合物理场的作用，极大地强化了对钒页岩中含钒矿物晶格结构的有效破坏，使得钒浸出率在同等浸出条件下提高15％以上，对钒浸出率具有显著的强化作用。

3.本发明在钒页岩微波处理过程中，由于处理周期短、整体温度低和不产生碳排放，可在钒页岩破碎工序和磨矿工序之间设置本发明所述的连续式微波处理装置，适用于钒页岩全湿法提钒体系。

4.本发明采用n级波源的多级连续分布的机构与物料传输带(9)相结合，对各级波源的辐照功率、辐照时间以及物料传输带(9)的传输速度进行调节，实行优化匹配，一方面，简化了操作步骤，能够在简单的操作下实现钒页岩的批量连续化处理，另一方面，由于被处理的钒页岩连续通过n个电-磁-热-应力复合物理场，连续和交替辐射能大幅减小微波装置腔体中的多个物理场中的辐射不均匀性，在短时间内能获得较高的钒页岩可磨性和浸出效率，生产效率高。

因此，本发明具有处理周期短、能耗低、无碳排放、钒页岩可磨性高、浸出率强化效果好、连续化操作简单和生产效率高的特点，适用于钒页岩全湿法提钒体系。

附图说明

图1是本发明的一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置的结构示意图；

图2是图1所示结构的一种展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

为避免重复，先将本具体实施方式是有关结构统一描述如下，实施例中不再赘述：

如图1所示，所述四个长方形平板分别为顶板1、左侧板3、底板5和右侧板7，顶板1、左侧板3、底板5和右侧板7依次对应地装有顶板波源8、左侧板波源2、底板波源4和右侧板波源6；每个波源均由1个磁控管和1个波导组成，每个波源在长方形平板的安装面为矩形。

为描述简便起见，假定将图1所示腔体从顶板1和右侧板7的交线处分开，使所示腔体展开为图2所示的平面图；且令：物料的进口端为每个长方形平板的起始边，顶板1的分开线为腔体展开面的上边线，即腔体展开面的第一根水平线为顶板1的上边线，腔体展开面的第二根水平线为左侧板3的上边线，腔体展开面的第三根水平线为底板5的上边线，腔体展开面的第四根水平线为右侧板7的上边线。

实施例1

一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。如图1所示，所述连续式微波处理装置是由4个长方形平板围成的腔体、4×n个波源和一条物料传输带9组成。所述长方形平板的长×宽＝2na×a，每个长方形平板各自均匀地分别装有n个波源，4n个波源相同，；在腔体内水平地装有物料传输带9，传输带9的上表面距离腔体顶部的高度为0.55a，传输带9的宽度为0.92a；传输带9的运输速度为1.5na/min。

本实施例中：所述n＝5。

每个波源在各自对应的长方形平板上的安装位置：

顶板波源8在顶板1的安装位置如图2所示：第1个顶板波源8位于距顶板1起始边的a/2处，第2个顶板波源8位于距顶板1起始边的2a+a/2处，第3个顶板波源8位于距顶板1起始边的4a+a/2处，第4个顶板波源8位于距顶板1起始边的6a+a/2处，第5个顶板波源8位于距顶板1起始边的8a+a/2处。每个顶板波源8的安装面中心O1均与顶板1的上边线的距离为a/4，每个顶板波源8安装面的长边与顶板1的上边线垂直。

左侧板波源2在左侧板3的安装位置如图2所示：第1个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的a/2处，第2个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的2a+a/2处，第3个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的4a+a/2处，第4个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的6a+a/2处，第5个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的8a+a/2处。每个左侧板波源2的安装面中心O2均与左侧板3的上边线的距离为a/4，每个左侧板波源2安装面的长边与左侧板3的上边线的夹角θ为30°。

底板波源4在底板5的安装位置如图2所示：第1个底板波源4位于距底板5起始边的3a/2处，第2个底板波源4位于距底板5起始边的2a+3a/2处，第3个底板波源4位于距底板5起始边的4a+3a/2处，第4个底板波源4位于距底板5起始边的6a+3a/2处，，第5个底板波源4位于距底板5起始边的8a+3a/2处。每个底板波源4的安装面中心O3均与底板5的上边线的距离为a/4，每个底板波源4安装面的长边与底板5的上边线平行。

右侧板波源6在右侧板7的安装位置如图2所示，第2个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的2a+3a/2处，第3个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的4a+3a/2处，第4个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的6a+3a/2处，第5个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的8a+3a/2处。每个右侧板波源6的安装面中心O4均与右侧板7的上边线的距离为a/4，每个右侧板波源6安装面的长边与右侧板7的上边线的夹角β为60°。

所述矩形的长边l＝a/6。

实施例2

一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。如图1所示，所述连续式微波处理装置是由4个长方形平板围成的腔体、4×n个波源和一条物料传输带9组成。所述长方形平板的长×宽＝2na×a，每个长方形平板各自均匀地分别装有n个波源，4n个波源相同；在腔体内水平地装有物料传输带9，传输带9的上表面距离腔体顶部的高度为0.58a，传输带9的宽度为0.9a；传输带9的运输速度为na/min。

本实施例中：所述n＝10。

每个波源在各自对应的长方形平板上的安装位置：

顶板波源8在顶板1的安装位置如图2所示：第1个顶板波源8位于距顶板1起始边的a/2处，第2个顶板波源8位于距顶板1起始边的2a+a/2处，第3个顶板波源8位于距顶板1起始边的4a+a/2处，……，以此类推，第10个顶板波源8位于距顶板1起始边的18a+a/2处。每个顶板波源8的安装面中心O1均与顶板1的上边线的距离为a/4，每个顶板波源8安装面的长边与顶板1的上边线垂直。

左侧板波源2在左侧板3的安装位置如图2所示：第1个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的a/2处，第2个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的2a+a/2处，第3个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的4a+a/2处，……，以此类推，第10个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的18a+a/2处。每个左侧板波源2的安装面中心O2均与左侧板3的上边线的距离为a/4，每个左侧板波源2安装面的长边与左侧板3的上边线的夹角θ为45°。

底板波源4在底板5的安装位置如图2所示：第1个底板波源4位于距底板5起始边的3a/2处，第2个底板波源4位于距底板5起始边的2a+3a/2处，第3个底板波源4位于距底板5起始边的4a+3a/2处，……，以此类推，第10个底板波源4位于距底板5起始边的18a+3a/2处。每个底板波源4的安装面中心O3均与底板5的上边线的距离为a/4，每个底板波源4安装面的长边与底板5的上边线平行。

右侧板波源6在右侧板7的安装位置如图2所示：第1个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的3a/2处，第2个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的2a+3a/2处，第3个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的4a+3a/2处，……，以此类推，第10个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的18a(n-1)+3a/2处。每个右侧板波源6的安装面中心O4均与右侧板7的上边线的距离为a/4，每个右侧板波源6安装面的长边与右侧板7的上边线的夹角β为45°。

所述矩形的长边l＝a/4。

实施例3

一种强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续式微波处理装置。如图1所示，所述连续式微波处理装置是由4个长方形平板围成的腔体、4×n个波源和一条物料传输带9组成。所述长方形平板的长×宽＝2na×a，每个长方形平板各自均匀地分别装有n个波源，4n个波源相同；在腔体内水平地装有物料传输带9，传输带9的上表面距离腔体顶部的高度为0.52a，传输带9的宽度为0.95a；传输带9的运输速度为2na/min。

本实施例中：所述n＝3。

每个波源在各自对应的长方形平板上的安装位置：

顶板波源8在顶板1的安装位置如图2所示：第1个顶板波源8位于距顶板1起始边的a/2处，第2个顶板波源8位于距顶板1起始边的2a+a/2处，第3个顶板波源8位于距顶板1起始边的4a/2处。每个顶板波源8的安装面中心O1均与顶板1的上边线的距离为a/4，每个顶板波源8安装面的长边与顶板1的上边线垂直。

左侧板波源2在左侧板3的安装位置如图2所示：第1个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的a/2处，第2个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的2a+a/2处，第3个左侧板波源2位于距左侧板3起始边的4a+a/2处。每个左侧板波源2的安装面中心O2均与左侧板3的上边线的距离为a/4，每个左侧板波源2安装面的长边与左侧板3的上边线的夹角θ为0°。

底板波源4在底板5的安装位置如图2所示：第1个底板波源4位于距底板5起始边的3a/2处，第2个底板波源4位于距底板5起始边的2a+3a/2处，第3个底板波源4位于距底板5起始边的4a+3a/2处。每个底板波源4的安装面中心O3均与底板5的上边线的距离为a/4，每个底板波源4安装面的长边与底板5的上边线平行。

右侧板波源6在右侧板7的安装位置如图2所示：第1个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的3a/2处，第2个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的2a+3a/2处，第3个右侧板波源6位于距右侧板7起始边的4a4+3a/2处。每个右侧板波源6的安装面中心O4均与右侧板7的上边线的距离为a/4，每个右侧板波源6安装面的长边与右侧板7的上边线的夹角β为90°。

所述矩形的长边l＝a/3。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本具体实施方式基于微波处理装置腔体中电-磁-热-应力复合物理场的仿真模拟与实验验证，对强化钒页岩磨矿与浸出效率的连续微波处理装置(以下简称“连续式微波处理装置”)的腔体及波源进行布局优化，在连续式微波处理装置腔体的4个平板外壁的不同位置和不同角度分别有规律地装有各自对应的n个波源，实现了腔体内复合物理场的优化分布，充分发挥微波对钒页岩异相解离的诱导强化作用；另外，多波源连续式处理方式能够实现钒页岩在腔体内的运行过程中受到连续多维度辐照，提高了处理效果和缩短了处理周期。试验证明：本装置能够在1～2min内和在碳的燃烧温度以下实现钒页岩的高效预处理，使得钒页岩可磨性(以破碎速率计)提高了200％以上，同时使磨矿能耗(包括微波预处理能耗在内)降低了40％以上，处理周期短、处理效果好和能耗低。

2、本具体实施方式针对钒页岩的特殊矿物特性，在复合物理场仿真模拟的基础上，通过微波腔体、n级(4个平板的第一个波源称为第一级，4个平板的第二个波源称为第二级，……，依次类推，4个平板的第n个波源称为第n级)波源和连续传输装置的特殊设计，在预处理过程中，连续激发多级(波源)微波有质动力效应，被处理的钒页岩在腔体中连续且交替受到n级电-磁-热-应力复合物理场的作用，极大地强化了对钒页岩中含钒矿物晶格结构的有效破坏，使得钒浸出率在同等浸出条件下提高15％以上，对钒浸出率具有显著的强化作用。

3、本具体实施方式在钒页岩微波处理过程中，由于处理周期短、整体温度低和不产生碳排放，可在钒页岩破碎工序和磨矿工序之间设置本具体实施方式所述的连续式微波处理装置，适用于钒页岩全湿法提钒体系。

4、本具体实施方式采用n级波源的多级连续分布的机构与物料传输带(9)相结合，对各级波源的辐照功率、辐照时间以及物料传输带(9)的传输速度(传输带9的运输速度为na～2na/min)进行调节，实行优化匹配，一方面，简化了操作步骤，能够在简单的操作下实现钒页岩的批量连续化处理，另一方面，由于被处理的钒页岩连续通过n个电-磁-热-应力复合物理场，交替辐射大幅减小了微波装置腔体中的多个物理场中的辐射不均匀性，在短时间内能获得较高的钒页岩可磨性和浸出效率，生产效率高。

因此，本具体实施方式具有处理周期短、能耗低、无碳排放、钒页岩可磨性高、浸出率强化效果好、连续化操作简单和生产效率高的特点，适用于钒页岩全湿法提钒体系。