鄭文娟，王如意，李 鵬，王 飛

(中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

過(guò)濾是地浸采礦方法中必不可少的工序，其目的在于有效去除浸出液等溶液中的雜質(zhì)，保證溶液在地浸采鈾系統(tǒng)中的連續(xù)、穩(wěn)定、順暢流通。鄂爾多斯盆地某鈾礦床是國(guó)內(nèi)大型可地浸砂巖型鈾礦床，擴(kuò)大試驗(yàn)項(xiàng)目采用CO2+O2原地浸出采鈾工藝，浸出液經(jīng)袋式過(guò)濾器過(guò)濾后，進(jìn)入離子交換塔完成鈾的吸附。隨著離子交換工藝運(yùn)行時(shí)間的增加，樹(shù)脂床過(guò)液能力及樹(shù)脂飽和容量下降等問(wèn)題逐漸加劇，需采用“解堵浸泡+反沖”的方式，提高樹(shù)脂床過(guò)液能力及樹(shù)脂飽和容量。在此過(guò)程中，易出現(xiàn)離子交換塔塔頂過(guò)濾裝置故障的問(wèn)題，影響離子交換工藝的正常運(yùn)行。

1 離子交換工藝運(yùn)行狀況

離子交換是一種廣泛應(yīng)用于濕法冶金中鈾的回收、分離的獨(dú)特有效的化學(xué)分離技術(shù)，主要原理是利用離子交換樹(shù)脂吸附浸出液中的含鈾離子，再利用淋洗劑將鈾從樹(shù)脂上淋洗下來(lái)，以獲得更高濃度鈾離子的溶液[1]。

鄂爾多斯某地浸礦山試驗(yàn)項(xiàng)目離子交換工藝包括吸附、淋洗、反沖等工序，主要的工藝設(shè)備為固定床離子交換塔。離子交換塔直徑1.6 m、高7 m、最高耐壓0.6 MPa、浸出液進(jìn)液口/反沖出液口內(nèi)徑包括165 mm和470 mm兩種規(guī)格，其內(nèi)部安裝由精度為200 μm的316L不銹鋼濾網(wǎng)及304不銹鋼圓筒組成的塔頂過(guò)濾裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“濾網(wǎng)包裹式塔頂過(guò)濾裝置”)，用于浸出液的二次過(guò)濾，以及實(shí)現(xiàn)反沖工序中樹(shù)脂與沉淀物的分離等。所用吸附材料為201×7型樹(shù)脂，樹(shù)脂粒徑集中在315～1 250 μm，占比95%以上，單塔樹(shù)脂平均裝入量達(dá)6 t。

在離子交換工藝中，經(jīng)袋式過(guò)濾器過(guò)濾后的浸出液，以上進(jìn)液的方式進(jìn)入離子交換塔完成鈾的吸附，吸附尾液自離子交換塔底部流出[2]；待樹(shù)脂飽和后，采用碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉按一定比例配置的淋洗劑對(duì)飽和樹(shù)脂進(jìn)行淋洗；淋洗后的貧樹(shù)脂轉(zhuǎn)入吸附工序前，先采用工業(yè)鹽酸、雙氧水按一定比例配置的解堵液對(duì)貧樹(shù)脂進(jìn)行浸泡，再利用吸附尾液或反滲透清水聯(lián)合壓縮空氣進(jìn)行反沖，反沖尾液經(jīng)由塔頂過(guò)濾裝置排出離子交換塔[3]。

2 塔頂過(guò)濾裝置運(yùn)行存在的問(wèn)題及原因

2.1 存在的問(wèn)題

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，伴隨著水冶工藝的連續(xù)運(yùn)行，濾網(wǎng)包裹式塔頂過(guò)濾裝置出現(xiàn)過(guò)濾網(wǎng)堵塞、破損等問(wèn)題，從而造成樹(shù)脂外泄(圖1)，堵塞、破損的塔頂過(guò)濾裝置維修勞動(dòng)強(qiáng)度高、耗時(shí)長(zhǎng)(3～4 h)(圖2)，致使樹(shù)脂反沖工藝不能連續(xù)進(jìn)行，影響工藝進(jìn)度。

圖1 破損的不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)

圖2 塔頂過(guò)濾裝置拆卸

為解決濾網(wǎng)包裹式塔頂過(guò)濾裝置在離子交換工藝中存在的問(wèn)題，先后對(duì)塔頂過(guò)濾裝置進(jìn)行了多次改進(jìn)，試驗(yàn)了316L剪板繞焊式、整板激光割縫式、繞條纏繞托條焊接式等塔頂過(guò)濾裝置[4-5]，均不同程度出現(xiàn)過(guò)濾網(wǎng)堵塞、通道堵塞(圖3)、縫隙堵塞、裝置變形等情況，造成塔頂過(guò)濾裝置出現(xiàn)過(guò)液量下降、樹(shù)脂泄露(圖4)等問(wèn)題，增加了大量的拆裝及清洗維護(hù)工作。

圖3 通道堵塞

圖4 樹(shù)脂泄露

2.2 原因分析

基于離子交換塔塔頂過(guò)濾裝置運(yùn)行存在的問(wèn)題，從礦床地質(zhì)條件、沉淀物含量及解堵水中雜質(zhì)濃度、溶液中沉淀物的粒徑分布等方面，分析樹(shù)脂飽和容量和樹(shù)脂床過(guò)液能力下降，以及塔頂過(guò)濾裝置故障原因。

1) 對(duì)樹(shù)脂間沉淀物、塔內(nèi)沉淀物及樹(shù)脂解堵水進(jìn)行研究及取樣分析，分析結(jié)果表明：沉淀物主要為小顆粒形態(tài)和膠體形態(tài)[6-7]，具有巨大的表面積以及很強(qiáng)的吸附力，能夠在水中吸附懸浮固體形成沉淀(圖5和圖6)；沉淀物以鐵、鋁、硅酸鹽等化合物為主(表1和表2)。結(jié)合礦床地質(zhì)條件推斷認(rèn)為，由于鈾礦床礦石中的長(zhǎng)石、有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦含量較高，在CO2+O2原地浸出采鈾過(guò)程中，浸出劑與礦石中的長(zhǎng)石、黃鐵礦等脈石礦物發(fā)生反應(yīng)，生成的沉淀物隨浸出液從抽液井由含礦含水層提升至地表后，浸出液中大顆粒的沉淀物經(jīng)袋式過(guò)濾器過(guò)濾后從溶液中分離，小顆粒的沉淀物進(jìn)入離子交換塔，并在離子交換塔內(nèi)不斷累積。

圖5 樹(shù)脂中沉淀物

圖6 離子交換塔內(nèi)沉淀物

表1 樹(shù)脂間沉淀物各組分含量

表2 樹(shù)脂解堵水中雜質(zhì)成分濃度

2) 對(duì)浸出液、吸附尾液及樹(shù)脂解堵液中的沉淀物進(jìn)行粒徑分布分析，見(jiàn)過(guò)見(jiàn)表3。由表3可知，浸出液、吸附尾液、樹(shù)脂解毒液沉淀物粒徑分布范圍大部分集中在100 μm以下，占比高達(dá)99.83%；浸出液和吸附尾液中沉淀懸浮顆粒分布范圍隨粒徑的增大而減小，5～15 μm范圍內(nèi)浸出液和吸附尾液中的沉淀懸浮占總沉淀物的比例分別為76.43%和96.47%；經(jīng)鹽酸和雙氧水溶液浸泡后的樹(shù)脂解堵液沉淀物含量大，粒度分布范圍主要集中在200 μm以下。結(jié)合樹(shù)脂間沉淀物及塔內(nèi)沉淀物研究分析結(jié)果推算認(rèn)為，以鐵、鋁、硅酸鹽、有機(jī)質(zhì)等化合物為主，不斷累積的小顆粒形態(tài)和膠體形態(tài)沉淀物具有巨大的表面積和很強(qiáng)的吸附力[8]，在雜質(zhì)間的相互吸附和聚沉作用下，沉淀物的粒徑不斷增大，逐漸形成結(jié)構(gòu)疏松、體積較大的大顆粒團(tuán)絮狀沉淀物，并包裹在樹(shù)脂表面或堵塞在樹(shù)脂間隙，是造成樹(shù)脂飽和容量和樹(shù)脂床過(guò)液能力下降的重要原因。

表3 浸出液、吸附尾液及樹(shù)脂解堵液沉淀物粒徑分布分析結(jié)果

3) 在對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行淋洗及解堵處理過(guò)程中，由于溶液中Cl-含量高、酸度高，而塔頂過(guò)濾裝置的筒體不耐強(qiáng)酸及Cl-腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間的使用造成腐蝕；同時(shí)，由于團(tuán)絮狀沉淀物包裹在樹(shù)脂表面或堵塞在樹(shù)脂間隙，在通過(guò)反沖工序?qū)崿F(xiàn)樹(shù)脂與沉淀物分離的過(guò)程中，需要較大的流速和流量(流速5～8 m/h，流量10～16 m3/h)，以及較高的壓力(0.4 MPa左右)，而塔頂過(guò)濾裝置的強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)濾網(wǎng)堵塞、破損、通道堵塞、裝置變形等情況。此外，在塔頂過(guò)濾裝置的維修及清洗過(guò)程中，由于必須要拆除相關(guān)管道及大量螺栓，造成裝置拆裝維修強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)。

3 塔頂過(guò)濾裝置改進(jìn)

3.1 改進(jìn)技術(shù)方案

為解決塔頂過(guò)濾裝置易腐蝕、堵塞、破損、變形、拆裝清洗及維修強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)裝置的高效運(yùn)行，改進(jìn)后的裝置需滿足以下基本要求：①材質(zhì)需耐酸堿、耐氧化、抗Cl-；②高強(qiáng)度，在反沖壓力為0.5 MPa下使用不變形；③可自動(dòng)進(jìn)行清洗，降低因裝置清洗維護(hù)帶來(lái)的拆裝工作量。

經(jīng)過(guò)充分的市場(chǎng)調(diào)研和研究，決定采用耐腐蝕性能優(yōu)越的316L不銹鋼材質(zhì)，引入自清洗過(guò)濾技術(shù)理念(自動(dòng)化程度高、壓力損失小、不必進(jìn)行人工清除濾渣、可利用流體自身壓力進(jìn)行自我操作、自我清洗的新型過(guò)濾技術(shù))[9-10]，選用合適的清污方式，研制高強(qiáng)度、易拆裝、過(guò)濾精度合適的自清洗塔頂過(guò)濾裝置，實(shí)現(xiàn)在不拆卸條件下塔頂過(guò)濾器的清洗，減少塔頂過(guò)濾器拆卸頻次，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保障離子交換工序的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 清污方式確定

自清洗過(guò)濾器是利用水壓將液體中的顆粒在一定條件下自動(dòng)過(guò)濾清除并自動(dòng)清洗的分離過(guò)濾裝置，具有連續(xù)過(guò)濾、自動(dòng)反沖洗排污、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、處理量大、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、清洗過(guò)濾周期可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，主要部件包括過(guò)濾元件、自清洗裝置和驅(qū)動(dòng)裝置。

自清洗過(guò)濾器的清污方式包括吸污式、刷式(刮式)[11]、轉(zhuǎn)臂式和反沖洗式。其中，吸污式、轉(zhuǎn)臂式和反沖洗式自清洗過(guò)濾器適用于黏度不大的流體介質(zhì)；刷式(刮式)自清洗過(guò)濾器適用于含有黏稠的介質(zhì)等工作條件較為惡劣的環(huán)境，如冶金、化工、造紙等行業(yè)。根據(jù)地浸采鈾樹(shù)脂解堵反沖液特點(diǎn)，確定選用刷式清污方式，通過(guò)在過(guò)濾器內(nèi)部布置高強(qiáng)度濾網(wǎng)和不銹鋼刮刷組件，利用刷子清除僅靠水力沖洗很難去除的黏稠顆粒。

3.3 過(guò)濾精度確定

結(jié)合表3可知，由于沉淀物粒度分布范圍大都集中在200 μm以下，小于201×7型樹(shù)脂的粒度集中分布范圍(315～1 250 μm)，表明選擇精度在200～300 μm之間的過(guò)濾裝置，即可有效實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂與溶液的分離。

根據(jù)塔頂過(guò)濾裝置過(guò)濾精度初定結(jié)果，取塔內(nèi)解堵劑浸泡后樹(shù)脂樣及水樣的混合樣，分別采用270 μm標(biāo)準(zhǔn)篩、250 μm標(biāo)準(zhǔn)篩、212 μm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行濕式篩分試驗(yàn)(表4)。由表4可知，標(biāo)準(zhǔn)篩精度越接近樹(shù)脂粒度分布范圍，其網(wǎng)孔越易被樹(shù)脂顆粒堵塞；此外，212 μm標(biāo)準(zhǔn)篩可滿足解堵劑浸泡后樹(shù)脂與沉淀物的分離。

表4 塔內(nèi)樹(shù)脂及水樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

在過(guò)濾精度接近212 μm左右情況下，市場(chǎng)上過(guò)濾器過(guò)濾精度較為普遍和成熟的為200 μm，結(jié)合樹(shù)脂解堵液中沉淀物和樹(shù)脂粒徑分布及加工成本(同等過(guò)液量情況下，過(guò)濾精度越高，加工成本越高)等因素，確定塔頂過(guò)濾裝置過(guò)濾精度為200 μm。

3.4 自清洗塔頂過(guò)濾裝置

3.4.1 裝置結(jié)構(gòu)及連接方式

在316L外襯加固骨架型(圖7)、繞條纏繞托條焊接式過(guò)濾裝置基礎(chǔ)上，研制形成自清洗塔頂過(guò)濾裝置，由電機(jī)帶動(dòng)長(zhǎng)度略小于過(guò)濾筒有效長(zhǎng)度的清洗刷對(duì)過(guò)濾裝置進(jìn)行刷洗。裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、過(guò)濾筒、外護(hù)套筒、清洗刷等(圖8)。

圖7 外襯加固骨架型示意圖

圖8 自清洗過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

各部件結(jié)構(gòu)及連接方式如下所述。①驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于濾筒固定法蘭正上方，與驅(qū)動(dòng)軸相連接。②驅(qū)動(dòng)軸置于過(guò)濾筒中，軸上固定有清洗刷夾板，清洗刷置于夾板上。③過(guò)濾筒上部焊接于濾筒固定法蘭上，底部中間固定帽置于外護(hù)套筒底部的固定孔內(nèi)。過(guò)濾筒包括筒體、繞條、法蘭、加固骨架、固定帽，其中，法蘭與過(guò)濾筒筒體焊接，并連接于濾筒固定法蘭及塔體固定法蘭之間；筒體由繞條、加固骨架及固定帽組成，所用繞條為梯形，即其內(nèi)部縫隙尺寸稍大于外部縫隙尺寸，以便清洗鋼刷順利進(jìn)入過(guò)液縫隙；加固骨架為方形鋼條并焊接于繞條外部，繞條厚度及加固骨架的數(shù)量及尺寸依據(jù)使用壓力選定；固定帽選用實(shí)心鋼筋或空心鋼管，焊接于過(guò)濾筒筒體底部中心。④外護(hù)套筒底部支撐板之間較過(guò)濾筒直徑大的部分為中空式，置于過(guò)濾筒外部，頂部與塔體固定法蘭連接；側(cè)壁面上設(shè)有過(guò)液孔，用于反沖液的進(jìn)液及防止樹(shù)脂在外護(hù)筒與過(guò)濾筒間積累；底部的中間部位設(shè)置有固定孔，防止過(guò)濾筒在刷洗時(shí)因晃動(dòng)而變形[12-13]。

3.4.2 主要部件參數(shù)

根據(jù)離子交換塔塔頂浸出液進(jìn)液口/反沖出液口內(nèi)徑及過(guò)液量等參數(shù)[14]，改進(jìn)后的自清洗塔頂過(guò)濾裝置主要參數(shù)如下所述。 ①驅(qū)動(dòng)電機(jī)：功率0.25 kW；②驅(qū)動(dòng)軸：直徑18 mm；③清洗刷：鋼絲直徑0.1 mm；④過(guò)濾筒：直徑180 mm、高度600 mm、過(guò)濾精度(外部縫隙尺寸)0.2 mm、梯形繞條最大寬度2 mm、耐壓強(qiáng)度1.0 MPa、最大過(guò)液量100 m3/h以上；⑤外護(hù)套筒：筒體直徑320 mm、底部卡槽內(nèi)徑190 mm、固定孔內(nèi)徑24 mm、過(guò)液孔12個(gè)、過(guò)液孔孔徑110 mm。

3.4.3 分離過(guò)濾方式

富含沉淀物并混合大量樹(shù)脂的反沖液由外護(hù)套筒開(kāi)孔及底部中空處進(jìn)入過(guò)濾筒外部縫隙，溶液經(jīng)外部過(guò)液縫隙過(guò)濾后進(jìn)入過(guò)濾筒內(nèi)部，并經(jīng)出液孔排出。在過(guò)濾時(shí)，塔內(nèi)部分細(xì)小樹(shù)脂會(huì)卡堵過(guò)液縫隙。同時(shí)，大團(tuán)絮狀沉淀物會(huì)黏附在過(guò)濾筒外部從而堵塞過(guò)液縫隙，樹(shù)脂卡堵及沉淀物堵塞，均會(huì)引起過(guò)液量下降、塔壓上升，根據(jù)摸索的堵塞周期，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制柜上設(shè)定周期性清洗間隔時(shí)間及連續(xù)清洗時(shí)長(zhǎng)，清洗刷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后，鋼絲刷上鋼絲由過(guò)濾筒內(nèi)部縫隙刷洗至外部縫隙并將卡堵的樹(shù)脂及堵塞的沉淀物清洗干凈。塔內(nèi)含有的大團(tuán)絮狀沉淀物會(huì)在水氣沖擊及清洗刷的刮刷作用下變小，并逐步隨反沖液帶出。

3.4.4 清洗控制方式

清洗方式可選“手動(dòng)控制”和“自動(dòng)控制”兩種模式[15]。手動(dòng)控制時(shí)，將控制方式開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至“手動(dòng)”位置，以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾裝置的手動(dòng)清洗；自動(dòng)控制時(shí)，將控制方式開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至“自動(dòng)”位置，并對(duì)過(guò)濾時(shí)間和排污時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)清洗；可設(shè)定最大過(guò)濾時(shí)間為9 999 min，刷洗時(shí)間為10～60 s。

4 自清洗塔頂過(guò)濾裝置應(yīng)用試驗(yàn)

為驗(yàn)證裝置的耐壓性及清洗效果，將自清洗塔頂過(guò)濾裝置(圖9)安裝在離子交換塔上(圖10)，進(jìn)行反沖試驗(yàn)，清洗的污垢隨反沖液進(jìn)入廢水處理工藝。 試驗(yàn)過(guò)程中，控制初始反沖流量在14～16 m3/h，設(shè)定清洗方式為自動(dòng)控制，設(shè)定過(guò)濾時(shí)間為4 min，刷洗時(shí)間為30 s。刷洗前后各記錄一次數(shù)據(jù)，刷洗過(guò)程中反沖不間斷。

圖9 自清洗過(guò)濾裝置實(shí)物圖

圖10 安裝后的自清洗塔頂過(guò)濾裝置

1) 未進(jìn)行浸泡解堵條件下的反沖試驗(yàn)。在未浸泡解堵劑條件下開(kāi)展沖洗試驗(yàn)，反沖時(shí)，反沖液進(jìn)口及出口閥門(mén)保持恒定開(kāi)關(guān)度，以維持塔壓相對(duì)平穩(wěn)，在0.5 MPa左右波動(dòng)。反沖持續(xù)59 min，刷洗13次，未出現(xiàn)樹(shù)脂泄露現(xiàn)象，反沖流量可恢復(fù)至初始狀態(tài)的96%以上，實(shí)現(xiàn)了在不加解堵劑情況下反沖工序的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行(圖11)。

圖11 第一階段反沖流量及塔壓變化情況

2) 加入解堵劑并浸泡12 h后的反沖試驗(yàn)。加入解堵劑并浸泡12 h后，將反沖液出口閥門(mén)全開(kāi)，進(jìn)行反沖，直至清洗出水無(wú)明顯沉淀物。反沖持續(xù)45.5 min，刷洗10次，未出現(xiàn)樹(shù)脂泄露現(xiàn)象，反沖流量可恢復(fù)至初始狀態(tài)的98%以上，實(shí)現(xiàn)了在加入解堵劑浸泡后，反沖工序的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行(圖12)。

圖12 第二次反沖流量及塔壓變化情況

5 結(jié) 論

1) 引入自清洗過(guò)濾技術(shù)理念及刮刷式清洗方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后的自清洗塔頂過(guò)濾裝置，克服了常規(guī)塔頂過(guò)濾裝置強(qiáng)度低、易腐蝕、過(guò)濾效果不佳、拆裝清洗及維修強(qiáng)度大及耗時(shí)長(zhǎng)等缺陷。

2) 改進(jìn)后的自清洗塔頂過(guò)濾裝置，在塔內(nèi)沉淀物含量高、粒徑大、黏附性強(qiáng)、樹(shù)脂多的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)脂與沉淀物的分離，以及堵塞后過(guò)濾裝置的自動(dòng)化清洗，清洗后的反沖流量恢復(fù)至初始流量的96%以上。

3) 與常規(guī)的塔頂過(guò)濾裝置相比，該裝置的應(yīng)用能夠有效避免因離子交換塔塔頂過(guò)濾裝置堵塞或清洗不佳而進(jìn)行人工拆卸清洗等情況，確保了離子交換工序的穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，不僅降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、也極大的改善了維護(hù)人員的作業(yè)環(huán)境，帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全環(huán)保效益。