陳偉山，楊彥虎，曹永凱，劉健松

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

地浸采鈾是對(duì)可地浸砂巖型鈾礦按一定網(wǎng)度布置工藝井，從注液井注入浸出劑，使浸出劑與鈾進(jìn)行充分反應(yīng)；再經(jīng)抽液井將浸出液抽出地表，在地表水冶廠經(jīng)過一系列的工藝處理形成鈾產(chǎn)品[1]。地浸技術(shù)具有開采成本低、形成產(chǎn)能快、資源利用率高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，其在砂巖型鈾礦采冶中應(yīng)用廣泛[2]。

地浸礦山一般集中建設(shè)配液池，經(jīng)注液泵將配液一次加壓后送至各個(gè)集控室，然后經(jīng)注液井注到地下。地浸井場(chǎng)面積大，各個(gè)集控室的分布較為分散，管道的沿程阻力損失較大；且隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，各個(gè)集控室控制的注液井所需的壓力也不同。一次回壓注液技術(shù)存在注液管管徑大、耐壓等級(jí)高、運(yùn)行費(fèi)用高等問題，且不能滿足各個(gè)集控室在不同運(yùn)行階段對(duì)壓力和流量的要求。

針對(duì)存在的問題，在地浸礦山首次提出了“疊壓供水[3-8]”注液理念，利用新型注液加壓方式，保證管網(wǎng)運(yùn)行安全，降低運(yùn)行成本，滿足集控室壓力和流量調(diào)節(jié)的需求。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某地浸鈾礦床總體規(guī)劃20個(gè)采區(qū)，一期規(guī)劃有5個(gè)采區(qū)，每個(gè)采區(qū)建設(shè)1座集控室，本研究針對(duì)一期進(jìn)行分析。注液泵將配液池內(nèi)的浸出劑加壓后，經(jīng)注液管網(wǎng)輸送到集控室內(nèi)；集控室設(shè)置流量分配和壓力調(diào)節(jié)裝置，將浸出劑通過注液井注入地下含鈾層。通過一系列復(fù)雜的物化反應(yīng)，礦石中的鈾溶解到浸出液中，浸出液經(jīng)潛水泵加壓提升到集控室，通過流量和壓力調(diào)節(jié)后到集液池。集液池內(nèi)的浸出液再經(jīng)加壓輸送至浸出液處理系統(tǒng)，最終形成鈾產(chǎn)品；尾液排至配液池，形成閉路循環(huán)。單個(gè)集控室的工藝流程如圖1所示。

本研究主要討論注液泵出口至集控室進(jìn)口的注液總管部分，單根注液總管負(fù)責(zé)5個(gè)集控室的注液，單根注液總管的最大注液量為1 500 m3/h。由于礦體分布面積大，為避免將注液泵房布置在礦體上部，只能將泵房布置在采區(qū)外，導(dǎo)致注液泵至末端采區(qū)距離很遠(yuǎn)。

2 一次加壓注液方案

2.1 管徑計(jì)算

在保證所需水量、水壓等安全可靠的前提下，選用最經(jīng)濟(jì)的供水方案及最優(yōu)的管徑或水頭損失。一定年限(投資償還期)內(nèi)管網(wǎng)造價(jià)和管理費(fèi)用(主要是電費(fèi))之和最小情況下的流速，稱為經(jīng)濟(jì)流速，對(duì)應(yīng)的管徑稱為經(jīng)濟(jì)管徑[9]34-36。

圖1 地浸采鈾工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of in-situ leaching uranium

按照以往的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取管道流速為1.8 m/s，管徑的試算公式為

(1)

式中：d—管徑，m；Q—流量，m3/s；v—管道流速，m/s。

注液管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

2.2 水頭損失計(jì)算

一次加壓注液管道如圖2所示。

表1 注液管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Foundation data of injection pipe

圖2 一次加壓注液管道示意圖Fig.2 Uniformly injection pipe diagram

井場(chǎng)管網(wǎng)布置成枝狀，因此只需針對(duì)最遠(yuǎn)端集控室進(jìn)行分析。若最遠(yuǎn)端集控室的壓力、流量能夠滿足要求，則整個(gè)管網(wǎng)壓力、流量均能滿足要求。應(yīng)用式(2)進(jìn)行精確計(jì)算：

(2)

式中：i—水力坡度，單位管道的水頭損失，m/m；λ—摩阻系數(shù)；d—管徑，m；v—管道流速，m/s；g—重力加速度，m/s2，取9.81。

式(2)中λ的計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中：Re—雷諾數(shù)；υ—液體的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s，水溫10 ℃時(shí)，取1.3×10-6m2/s。

將公式(3)～(4)代入公式(2)，進(jìn)行整理得

(5)

h=1.2i·l，

(6)

式中：l—管道長度，m；h—水頭損失，m；

一次加壓注液管道水頭損失見表2。

表2 一次加壓注液管道水頭損失Table 2 Head loss of uniformly injection pipe

一次加壓時(shí),注液泵揚(yáng)程H=100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+3.7(節(jié)點(diǎn)2～3損失)+5.1(節(jié)點(diǎn)3～4損失)+10.4(節(jié)點(diǎn)4～5損失)+12.4(節(jié)點(diǎn)5～6損失)+53(高差)=187.4 m，注液泵流量為1 500 m3/h。

3 “疊壓供水”注液方案

井場(chǎng)管網(wǎng)布置成枝狀，疊壓供水注液管道如圖3所示。一級(jí)加壓注液泵提供集控室1、集控室2、集控室3、集控室4、集控室5的全部注液流量(1 500 m3/h)，提供的揚(yáng)程只需滿足集控室1的注液壓力要求。疊壓泵站1提供集控室2、集控室3、集控室4、集控室5的全部注液流量(1 200 m3/h)，利用節(jié)點(diǎn)2處的余壓，疊壓泵站1提供的揚(yáng)程僅需克服節(jié)點(diǎn)2～3損失、節(jié)點(diǎn)3～9損失和高差。疊壓泵站2提供集控室3、集控室4、集控室5的全部注液流量(900 m3/h)，利用節(jié)點(diǎn)3處的余壓，疊壓泵站2提供的揚(yáng)程僅需克服節(jié)點(diǎn)3～4損失、節(jié)點(diǎn)4～8損失和高差。疊壓泵站3提供集控室4、集控室5的全部注液流量(600 m3/h)，利用節(jié)點(diǎn)4處的余壓，疊壓泵站3提供的揚(yáng)程僅需克服節(jié)點(diǎn)4～5損失、節(jié)點(diǎn)5～7損失和高差。疊壓泵站4提供集控室5的全部注液流量(300 m3/h)，利用節(jié)點(diǎn)5處的余壓，疊壓泵站4提供的揚(yáng)程僅需克服節(jié)點(diǎn)5～6損失和高差。

疊壓泵站注液管道水頭損失見表3。

圖3 疊壓供水注液管道示意圖Fig.3 Injection pipe diagram of additive pressure water supply

一級(jí)加壓泵注液泵揚(yáng)程H=100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+1.0(節(jié)點(diǎn)2～10損失)+2.0(高差)=105.8 m，流量為1 500 m3/h。

疊壓泵站1揚(yáng)程H1=[100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+3.7(節(jié)點(diǎn)2～3損失)+0.3(節(jié)點(diǎn)3～9損失)]+4.0(高差)-105.8 =5.0 m，流量為1 200 m3/h。

疊壓泵站2揚(yáng)程H2=100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+3.7(節(jié)點(diǎn)2～3損失)+5.1(節(jié)點(diǎn)3～4損失)+0.3(節(jié)點(diǎn)4～8損失)+8.0(高差)-105.8=14.1 m，流量為900 m3/h。

疊壓泵站3揚(yáng)程H3=100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+3.7(節(jié)點(diǎn)2～3損失)+5.1(節(jié)點(diǎn)3～4損失)+10.4(節(jié)點(diǎn)4～5損失)+0.4(節(jié)點(diǎn)5～7損失)+20.0(高差)-105.8=36.6 m，流量為600 m3/h。

表3 疊壓供水注液管道水頭損失Table 3 Head loss of additive pressure water supply

疊壓泵站4揚(yáng)程H4=100(末端水壓)+2.8(節(jié)點(diǎn)1～2損失)+3.7(節(jié)點(diǎn)2～3損失)+5.1(節(jié)點(diǎn)3～4損失)+10.4(節(jié)點(diǎn)4～5損失)+12.4(節(jié)點(diǎn)5～6損失)+53.0(高差)-105.8=81.6 m，流量為300 m3/h。

疊壓泵站關(guān)鍵部位設(shè)置流量、壓力、揚(yáng)程、視頻等數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)傳輸至廠區(qū)的集中控制室，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)App操作、集中控制室遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)無人化操作[10]。疊壓泵站連續(xù)串聯(lián)加壓輸水，中途不泄壓，節(jié)省能耗[11-12]。

4 能量分析

泵站能量分析公式為[9]54-58

E=ρ·g·Q·H，

(7)

式中：ρ—水的密度，kg/m3，取1 000；H—揚(yáng)程，m；Q—單個(gè)集控室流量，m3/s。

未分區(qū)時(shí)泵站的能量為

E=ρ·g·5Q·187.4=937ρ·g·Q。

(8)

分區(qū)時(shí)泵站的能量為

E=ρ·g·5Q·105.8+ρ·g·4Q·5.0+
ρ·g·3Q·14.1+ρ·g·2Q·36.6+
ρ·g·Q·81.6=738.5ρ·g·Q。

(9)

采用疊壓供水的能量節(jié)約率為

(10)

5 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

對(duì)于一期工程而言，相比傳統(tǒng)的一次加壓注液系統(tǒng)，疊壓供水注液系統(tǒng)增加5套疊壓供水設(shè)備，減少了管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用，降低了注液管道的工作壓力，提高了管網(wǎng)的安全性[13-15]。管網(wǎng)投資對(duì)比見表4。設(shè)備投資對(duì)比見表5?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的一次加壓注液系統(tǒng)采用工作壓力2.5 MPa的鋼骨架復(fù)合管和一次加壓泵，一次性投資(管網(wǎng)+設(shè)備)約685.84萬元；疊壓供水注液系統(tǒng)采用1.6 MPa的鋼骨架復(fù)合管并配置一級(jí)加壓泵和疊壓泵站，一次性投資(管網(wǎng)+設(shè)備)約618.57萬元。疊壓供水注液系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一次加壓注液系統(tǒng)相比，可節(jié)約投資67.27萬元。

按照每年正常生產(chǎn)300 d計(jì)，一次加壓注液系統(tǒng)耗電約907.20萬kW·h，疊壓供水注液系統(tǒng)耗電約730.08萬kW·h，疊壓泵站注液系統(tǒng)節(jié)約用電約177.12萬kW·h，減少碳排放約48.18萬噸。

表4 一次加壓和疊壓供水系統(tǒng)管網(wǎng)投資對(duì)比Table 4 Comparison of pipe disposable investment between uniformly injection and additive pressure water supply

表5 一次加壓和疊壓供水系統(tǒng)設(shè)備投資對(duì)比Table 5 Comparison of equipment investment between uniformly injection and additive pressure water supply

6 結(jié)論

疊壓供水注液系統(tǒng)的管網(wǎng)耐壓等級(jí)1.6 MPa，一次加壓注液系統(tǒng)的管網(wǎng)耐壓等級(jí)2.5 MPa。疊壓供水可有效降低管網(wǎng)的工作壓力。

疊壓供水注液系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的一次加壓注液系統(tǒng)，投資更低,更節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用更低。