CN103858006A - 用于在固体堆中现场测量至少氧含量的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在固体堆内现场测量至少一个氧分压的装置，包括：至少一个被设置于固体堆内的测量变送器用于本地地记录氧分压，其中该测量变送器输出一个代表氧分压的测量信号至一个上级单元，其被设置于固体堆外，用于接收和处理所述测量变送器的测量信号。

Description

用于在固体堆中现场测量至少氧含量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在固体堆中现场测量至少氧含量的装置。

现有技术

在采矿中，以及在废物处理中，例如，在堆肥的情况中，或在净化处理各种材料的情况下，一系列过程，尤其是化学、生物过程，使用固体堆进行。例如，在处理各种矿石中，尤其是在开采铜和铁矿中，总是经常使用微生物支持的浸出过程。在这种微生物浸出情况中，其也被称为“生物浸出”，微生物帮助将不溶性矿石的金属盐类消化为水溶性盐。该术语，微生物，在这种过程中，经常指细菌和古菌，其将硫化物和元素硫氧化为硫酸盐，也部分氧化二价铁至三价铁。这样的细菌的示例包括硫细菌、嗜酸氧化亚铁硫杆菌，其氧化硫化物、硫和铁，以及嗜酸氧化硫硫杆菌，其将硫化物、硫氧化为硫酸盐。微生物矿石浸出涉及的过程可以是需氧的或厌氧的。为此所需的氧气必须足量供给至固体堆内进行的过程，其中，取决于应用的细菌需氧还是厌氧，必须控制氧气供应量在适合于细菌的范围内。

例如，WO01/18269A1公开了一种用于从铜硫矿获得铜的方法。在这种方法中，待消化的矿石在生物浸出溶液中成浆，在相对于环境密封的反应器中搅拌悬浮液。通过微生物支持的处理将铜从矿石中溶解出来。通过控制通风，向浆液提供足量氧气。所述控制基于反应器内浆液和任选的气相中的氧气测量。

除了在密闭反应器中，微生物浸出也可以是在堆积的、粉碎的、硬岩矿石的固体堆内。为此，从上部用浸出液，例如，用如浓度为0.5g/l的硫酸水溶液喷洒所述堆。在这种情况下，过程所需微生物位于堆内硬岩矿石表面上或在它们自己的培养基上。当浸出液慢慢流过固体堆时，难以溶解的金属矿物发生生物消化，因此金属离子，例如，铁或铜离子开始在浸出液中富集。堆的底部相对于其下的岩石是密封的，因此可以借助于通道和排水管的取走富集了金属离子的浸出液并加以收集。收集的浸出液可以从上部喷洒回至堆上。在给定的情况下，为了测试金属浸出的效率，和在给定的情况下，为了确定浸出液慢慢流过堆的过程中的酸消耗，可以及早进行分析。对应于确定的酸消耗，可以在重新喷洒到堆上之前，将酸加到浸出液中。当重循环的浸出液充分富集了所需金属时，可以提取金属离子，例如通过沉淀。之后其余的已缺乏金属离子的浸出液可以重新应用到堆上。所述矿石浸出能够以这种形式持续150天，矿石的金属产量达到80％。

为了给微生物浸出过程提供充足的氧气，用富氧空气给堆充气，例如从其底部。为了监控并在给定情况下能够控制(开环或闭环控制)堆的充气，需要测量堆内氧气浓度。

在H.M.Lizama，Copper bio-leaching behavior in an aerated heap(充气堆中铜生物浸出反应)，Int.J.Miner.Process.62(2001)，257-269页一文中，描述了固体堆内的氧气测量，其中在堆内不同高度移除气体样本的情况中，将钢管插入固体堆的所需深度，通过该钢管从不同深度吸取气体样本。气体样本被提供给设置在固体堆外的氧传感器，气体样本中的氧气浓度得以测量。

该方法的不足是，一方面，它仅提供气体分析仪内条件下的气体样本的氧气浓度。不提供局部(即在样本提取的位置)氧分压的信息。然而，通常在气体分析仪内为标准条件，例如1013hPa的压力，标准温度，例如0℃，并且在测量前气体经常被干燥，而在硬岩矿石堆内存在因通风导致的压力梯度，因微生物代谢导致的升高的温度，因浸出液慢慢流过堆导致的高湿度。此外，通过长的钢管吸取气体样本会导致测量结果延迟和“模糊”。因此，该已知方法不是在所有情况下都足够精确。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种克服所述现有技术中的不足的测量装置。

通过一种在固体堆内现场测量至少一个氧分压的装置实现该目的，所述装置包括：

设置在固体堆内的至少一个测量变送器用于本地地记录氧分压，其中每个测量变送器被实施例为输出代表氧分压的测量信号至上级单元，其被设置在固体堆外并且被实施为接收和处理每个测量变送器的测量信号。

化学、生物过程更多依赖于局部氧分压而不是局部氧气浓度。通常，氧分压增加加速这样的过程的反应动力学。通过使用至少一个设置在固体堆内的测量变送器本地地记录氧分压，可以直接做出关于化学、生物过程状态的推断。相反，另一种测量方法，例如以上所述，在样本被从固体堆本地移除并在固体堆远处分析的情况下，不能提供有关固体堆内局部氧分压的信息。因此，它们次于利用本发明装置所做的测量。在借助于通风系统将富氧空气注入固体堆的过程中，在堆的基底出现明显的正压力，其向上向外。来自于此的氧分压梯度叠加在由于化学、生物过程的氧分压梯度上，以在堆内形成总的氧分压分布。因此，通过以现场测量的形式记录局部氧分压有助于达到精确地监控和/或控制生物浸出过程。

除了提高精确度外，这种直接测量比上述通过位于取样位置远处的气体传感器的测量更经济更速效。

在优选实施方式中，所述装置包括至少两个设置在固体堆内的测量变送器，用于本地地记录氧分压。使用两个或多个测量变送器用于本地地记录固体堆内的氧分压能够确定氧气分布，即氧分压是如何在固体堆内分布的，从而能够更精确地借助于通风控制氧气供给。

所述至少两个测量变送器可以设置在位于固体堆内的不同的测量位置。测量位置可以位于，例如固体堆内的不同深度，和/或在水平方向上彼此间隔地设置。这样，提供了选择以确定固体堆内氧含量的分布或曲线，并且相应地为了达到某个分布而控制固体堆的通风。

所述上级单元可以是控制单元，例如可编程逻辑控制器或过程控制系统，其也被用于控制固体堆内进行的过程，例如微生物浸出，尤其是也用于控制固体堆的通风。所述至少一个测量变送器可以被实施为输出可被控制系统处理的信号。如果所述装置包括多个测量变送器，这些测量变送器中的一些，优选所述装置的所有测量变送器，可以实施为输出可被控制系统处理的信号。

在另一实施方式中，所述上级单元可以包括数据处理系统，连接至所述至少一个测量变送器并被设置在固体堆外，并且被实施为接收和处理来自所述至少一个或多个测量变送器的测量信号。该数据处理系统可以包括，例如，测量发送器或另一计算机或微型计算机。例如可以考虑受让人的Liquiline测量发送器之一。该数据处理系统也可以由多个单独模块形成，例如多个测量发送器，其可以被连接用于相互通信或用于与固体堆内进行的过程，例如微生物浸出过程的控制单元通信。补充地或可选地，该数据处理系统可以包括记录设备或被连接至记录设备。

用作控制单元的可以是，例如，可编程逻辑控制器、过程控制系统或类似物。由于本发明可以确定固体堆内一个或多个测量位置的实际氧分压，尤其是固体堆内的氧分压分布，控制单元可以借助于通风系统为生物浸出非常精确地确定最佳氧气注入。这可以促进提取率，相应地促进生物浸出过程的产量。例如在最初描述的循环过程的情况中，在为了逐渐使浸出液富集金属离子，浸出液在固体堆上多次应用的情况中，产出提高可以减少过程循环数量，从而缩短该方法所需时间。不仅如此，控制改进也节省能源和费用。

在实施方式中，所述至少一个测量变送器可以至少部分地被设置在保护性管内，例如钢保护管，其从固体堆表面上的位置延伸向下至所需测量位置，在那里本地地测量氧含量。如果装置具有多个测量变送器，这些测量变送器可以被相应地至少部分地设置在它们各自的保护管内。在一个或多个测量变送器和设置在固体堆外数据处理系统之间的线缆连接可以至少部分地穿过一个或多个保护管延伸。或者，所述至少一个测量变送器可以非常坚固，例如使用具有保护系统的牢固的壳体，例如保护笼，其围绕测量变送器的传感器元件，以使测量变送器可被堆埋或堆积。

所述装置的一个或多个测量变送器可以选自，例如，电化学氧传感器，尤其是电流或电势型氧传感器。一种已知电流型氧传感器的变形是Clark电极，其可从例如US2913386中得知。受让人销售这种用于确定氧气浓度的电化学测量变送器，例如，名称为Oxymax COS51和Oxymax COS71。Clark电极包括，通过膜从待测介质分离的，这里是堆内存在的气体或堆内存在的液体的，电解质室，其包含电解质水溶液，例如，氯化钾溶液或一些其他含卤化物盐溶液。两个电极浸入电解质溶液中，其中一个连接作为阴极，另一个作为阳极。氧气可从测量介质扩散穿过膜浸入电解质溶液，在阴极上被还原。在这种情况下，阴极电流作为该测量变送器的测量信号与测量介质中的氧分压是成比例的。

在优选实施方式中，所述至少一个测量变送器是光学氧传感器，尤其是根据荧光猝灭原理工作的氧传感器。如果有多个测量变送器，一个、一些或所有测量变送器可以是光学氧传感器。受让人销售这样的光学氧传感器，例如，名称为Oxymax COS61。这样的测量变送器包括膜，其中包含荧光标记分子，例如过度金属复合物，以及激发光源，例如一个或多个LED，以及光电检测器，例如一个或多个二极管，其记录膜中包含的由标记分子发出的荧光辐射。标记分子的荧光衰减的速率即为膜的区域内氧分压的测量。光电传感器输出的电学信号作为这样的光学测量变送器的测量信号。

这样的光学测量变送器具有以下优势，它们也可被用于化学侵蚀环境或介质，其包含化学成份，尤其是硫化物，其可导致电化学测量单元中毒。此外，所述光学测量原理适合于在变化的环境条件中应用，因此该测量变送器在含水气体中或被浸出液浸湿时给出均衡稳定和可靠的测量值。不需要在敏感膜上有流动气体或液体以得到优良的测量质量。

光学测量变送器的另一优势是稳定操作该测量变送器需要很少的维护工作。确实根据荧光淬灭原理工作的测量变送器的膜需要经常更换、在给定情况下测量变送器应重新校准和调整。然而，维护间隔相当长，例如，以年为数量级，因此相对于气体分析仪以及电化学氧测量单元的维护工作，该维护工作相对较小。同时，这里所述的具有光学氧传感器的装置的资金成本明显小于以上引用文章中描述的技术的成本。

光学测量变送器的卓越之处还在于其需要显著小量的电流供应，尤其是与电化学测量变送器相比，因为它们仅在测量的瞬间需要电流供应。相反，电化学测量变送器为了维持极化需要持续供应能量。优选地，所述装置可以在测量变送器是光学测量变送器的程度上，被实施为间歇地工作，即在记录测量值时，仅在某个时间间歇期间为所述至少一个或多个测量变送器供应能量。

在另一优选实施方式中，所述至少一个测量变送器可以包括温度传感器，记录测量位置的局部温度，其中测量变送器被实施为除了输出代表氧分压的测量信号外，还输出温度传感器记录的代表温度的温度测量信号。如果存在多个测量变送器，一些或所有测量变送器可以包括温度传感器，记录各自测量位置的局部温度，其被实施为除了输出代表氧分压的测量信号外，还输出由温度传感器记录的代表温度的温度测量信号。该温度测量信号可被输出至例如上级单元或上述数据处理系统。或者在设置有测量氧含量的测量变送器的测量位置也设置额外的温度传感器，其记录测量位置的温度，并且被实施为输出代表记录温度的测量信号。这些额外的温度传感器可通过线缆连接与上级单元和/或数据处理系统连接，其在用于氧气测量的测量变送器被如上所述设置在保护管内的情况中，也延伸通过保护管。

数据处理系统可以被实施为控制固体堆的通风。或者，数据处理系统也可以被实施为仅记录和额外处理和输出获得自测量变送器以及在给定的情况下温度传感器的测量信号，以及被实施为输出测量信号或进一步处理的测量信号至控制单元用于固体堆的控制和通风。在这种情况中，针对无线或有线通信该数据处理系统与控制单元连接。此外，该数据处理系统可以具有用户界面用于输出源于测量信号的测量值或用于输入用户的参数或命令。

所述至少一个测量变送器和所述数据处理系统(如果有的话)借助于光伏能量供应可操作，这样所述装置可以独立于固体堆附近存在的电流源而运转。如果所述装置包括多个测量变送器，优选所有测量变送器都通过光伏能量供应的方式运转。在本实施方式中，光学测量变送器也尤其有优势，因为它们如上所释仅消耗少量电流并且/或者可以间歇地运转，使得具有相对小的太阳能模块(太阳能电池板)的小光伏能量供应就足够。这种装置尤其可以被实现为可运输的，即可移动的。

所述装置，尤其是可移动装置，可以具有，例如，相对于环境密封的壳体，其中所述数据处理系统被设置在相对于环境可密封的壳体内，并在外壁上与太阳能模块(太阳能电池板)连接，并且在壳体内设置有能量供应单元，其储存借助于太阳能电池板获得的电能和/或将其提供给数据处理系统。该能量供应单元可以包括能量储存器作为能量缓冲，例如可充电电池。

附图说明

现在将在附图所示的示例实施方式的基础上更详细地描述本发明，唯一附图显示如下：

图1图示用于在固体堆内多个相互分开的测量位置处测量氧分压的装置。

具体实施方式

图1图示用于在例如，硬岩矿石堆的固体堆6内(仅示意指示)，多个测量位置2、3、4、5处本地地测量氧分压的装置1。相互分开的测量位置2、3、4、5位于固体堆6内的不同深度，因此可以测量固体堆6中的氧分配，或分布或曲线。在每个测量位置2、3、4、5处设置有测量变送器7，其记录在测量位置处存在的气相中的或在测量位置处存在的液体中的氧分压，例如，浸出液慢慢流过固体堆，产生代表目前氧分压的测量信号。测量变送器7通过线缆连接8与数据处理系统9连接，其在此所示的示例中包括两个测量发送器。当然，在替代实施方式中，数据处理系统也可以由单个测量发送器实施或由具有一个或多个处理器和一个或多个数据存储器的计算机单元不同地实施。

测量变送器7被容纳在保护管10内，其可以例如是钢的，并且从固体堆6的表面延伸向下至测量位置2、3、4、5。测量变送器7与数据处理系统9的线缆连接8在保护管10内延伸，因此在延伸通过固体堆6的区段中受到保护防止侵蚀或机械损伤。

数据处理系统9设置在相对于环境可密封的壳体11内。壳体11可以被实施为，例如，带门的钢柜，其在装置1正常运转中相对于环境影响密封地封闭壳体11，其可以由维护人员打开以便装置1的保养和/或维护。形成数据处理系统9的两个测量发送器有用户界面，有显示屏器和多个按钮，用于读出测量值和用于输入命令和/或参数。数据处理系统9与记录设备12连接，其记录并储存较长一段时间的由测量变送器7记录的测量信号和/或来源于此的测量值。

如本示例所示测量变送器7被被实施为根据荧光淬灭原理工作的光学氧传感器。这些氧传感器的每个也具有温度传感器(未示出)，其包括，例如热变电阻器(例如Pt100)。该温度传感器记录各个测量位置2、3、4、5处的温度。这些测量变送器7被实施为，除了生成代表在测量位置2、3、4、5处的氧分压的测量信号外，还基于由温度传感器记录的温度生成温度测量信号并将其通过线缆连接8输出至数据处理系统9。

装置1，尤其是数据处理系统9、记录设备12和测量变送器7的能源供应通过光伏系统13实现，其包括太阳能模块14(太阳能电池板)，和控制设备15用于产生并提供来自照射在太阳能模块14上的阳光的电能。控制设备15使如此获得的电能可用于装置1的运转。多余的能量可以临时储存于能量存储器中，在没有阳光的情况下，例如晚上，使得装置1可用。控制设备15和能量存储器与数据处理系统9和记录设备12一起容纳于壳体11内。太阳能模块14可被固定于壳体的外壁上。由于光学测量变送器7需要相对小的能量，因此可以利用相对小的太阳能模块14来运行该设施。如图1所示的柜体设备可被实施为便携式，即可移动设备，因此有利于在固体堆6的不同位置使用或在不同的固体堆6处连续使用。在此所示的示例中，柜体被安装在支架16上。

数据处理系统9可通过无线电或电线连接到用于浸出过程的远程控制单元(未示出)，除其他之外，所述远程控制单元还控制固体堆6的通风，数据处理系统9并可以将目前记录的测量值或来源于此的控制信号传送至控制单元。控制单元可以基于接收的测量值控制(开环和/或闭环控制)固体堆6的通风。在这种情况下，控制单元也可以控制测量变送器和数据处理系统6的能量供应，尤其通过有线方式。

在另一实施方式中，数据处理系统也可以省略。在这种情况中，测量变送器被实施为直接输出可由控制单元处理的信号，例如，4-20mA信号，HART信号，FIELDBUS信号或类似信号。测量变送器可为此直接连接至控制单元，例如通过电线，并可用从控制单元直接获得能量。

在另一个用于较小应用的更紧凑变形中，控制系统可设置在柜体设备内，并与通风系统连接用于控制固体堆的氧气供应。尤其在这种情况下，与测量变送器连接的数据处理系统可以被实施为控制所述过程，尤其是通风。

除了这里描述的本发明的实施方式外，可以想到大量变化和变形。例如，本发明不仅可以用于矿石堆内局部氧测量，也同样可用于其他在固体堆内进行的过程，例如堆肥或净化处理。

除了氧分压和温度，在这些和其他方法的情况下，可以例如通过设置分布在固体堆中的一个或多个测量位置处的测量变送器，本地地记录其他参数，和将其输出到上级数据处理系统，所述其他参数例如为pH值、氧化还原电势、导电率、浊度、或固体含量、某些分析物的浓度、自由酸的浓度、细菌量、细胞生长、压力或养分含量。

Claims (10)

1.一种用于在固体堆内现场测量至少一个氧分压的装置(1)，包括：

设置在所述固体堆(6)内的至少一个测量变送器(7)，用于本地地记录氧分压，其中每个测量变送器(7)被实施为将代表氧分压的测量信号输出至上级单元，所述上级单元被设置在所述固体堆(6)外并且被实施为接收并处理每个测量变送器(7)的测量信号。

2.如权利要求1的装置(1)，包括设置在所述固体堆(6)内彼此远离的测量位置(2，3，4，5)处的至少两个测量变送器(7)，例如位于所述固体堆中的不同深度。

3.如权利要求1或2之一的装置(1)，其中所述至少一个测量变送器(7)至少部分地被设置在保护管(10)内，所述保护管(10)从所述固体堆(6)的表面上的位置向下延伸至设置所述测量变送器(7)处的测量位置(2，3，4，5)。

4.如权利要求1-3之一的装置(1)，其中所述至少一个测量变送器(7)是光学氧传感器，尤其是根据荧光淬灭原理工作的光学氧传感器。

5.如权利要求1-4之一的装置(1)，其中所述至少一个测量变送器是电化学氧传感器，尤其是电流型或电势型氧传感器。

6.如权利要求1-5之一的装置(1)，其中所述至少一个测量变送器包括温度传感器，其记录局部温度并且其中所述测量变送器被实施为，除了输出代表氧分压的测量信号，也输出代表由所述温度传感器记录的温度的温度测量信号。

7.如权利要求1-6之一的装置(1)，其中所述上级单元包括数据处理系统(9)，其与所述至少一个测量变送器(7)连接并被设置在所述固体堆(6)外，并且被实施为接收并处理所述至少一个测量变送器(7)的所述测量信号。

8.如权利要求7的装置(1)，其中所述数据处理系统(9)被实施为用于控制所述固体堆(6)的通风和/或针对无线或有线通信，与用于控制所述固体堆(6)的通风的控制单元连接。

9.如权利要求1-8之一的装置(1)，其中所述至少一个测量变送器(7)，尤其是所述装置(1)的每个测量变送器(7)和/或所述数据处理系统(9)借助于光伏能量供应(13)可运转。

10.如权利要求7-9之一的装置(1)，其中所述数据处理系统(9)被设置在相对于环境可密封的壳体(11)中，并与外壁上的太阳能模块(太阳能电池板)连接，并且其中在所述壳体(11)中设置有能量供应单元，其储存借助于所述太阳能模块获得的电能和/或将借助于所述太阳能模块获得的电能提供给所述数据处理系统(9)。

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