任華平,李 德,賈志遠(yuǎn),師振峰,王紅義,何慧民

(新疆中核天山鈾業(yè)有限公司,新疆 伊寧 835000)

“CO2+O2”中性浸出具有地球化學(xué)干擾小、工藝簡(jiǎn)單、基建投資少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境友好和安防條件好、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3],該工藝在新疆某砂巖型鈾礦床應(yīng)用效果較好。該砂巖型鈾礦床屬于辮河沉積砂巖,礦床地質(zhì)及水文條件復(fù)雜。在采區(qū)開(kāi)拓過(guò)程中,各采區(qū)滲透性變化較大,在含水層滲透性差、水量小的采區(qū),單孔加氧方式存在氣堵、氧氣流量計(jì)返水、維修工作量大、氧氣溶解度低等問(wèn)題,導(dǎo)致礦層中四價(jià)鈾氧化不充分,浸出液鈾濃度低,開(kāi)采年限長(zhǎng),生產(chǎn)成本高。

以低滲透性、低水量砂巖型鈾礦為研究對(duì)象,在“CO2+O2”中性浸出時(shí),采用微孔曝氣加氧技術(shù),以期提高氧氣的溶解度和對(duì)四價(jià)鈾的氧化效果。

1 采區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)特征

某砂巖鈾礦床5#采區(qū)共施工57口生產(chǎn)井,布局為五點(diǎn)型;其中抽液井24口,注液井33口,礦體平均厚度為2.40 m,鈾品位為0.042 3%,平米鈾量為2.43 kg/m2。礦石主要呈疏松、次疏松結(jié)構(gòu),為灰色、深灰色砂(礫)巖礦石及少量的泥巖礦石和致密的鈣質(zhì)膠結(jié)砂(礫)巖礦石。礦石中鈾以吸附態(tài)和鈾礦物形式存在[4],占比各為50%;礦石中四價(jià)鈾與六價(jià)鈾的占比約為50%。吸附態(tài)鈾主要與礦石中黏土礦物、粉末狀黃鐵礦和巖屑物相關(guān)[5]。

5#采區(qū)含礦含水層為侏羅系下統(tǒng)西山窯組第一巖性段第四含礦含水層,含水層厚度為10.8～59.9 m,平均厚27.4 m。巖性為礫巖、砂質(zhì)礫巖、中粗砂巖等,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,夾鈣質(zhì)膠結(jié)碎屑巖透鏡體。水文地質(zhì)孔ZK13W4的靜水位為52.62 m,單位涌水量為27.48 m3/d,導(dǎo)水系數(shù)為2.506 m2/d,滲透系數(shù)為0.145 m/d。水化學(xué)以Cl·SO4—Na型為主,礦化度為8.46～9.02 g/L,pH為7.10～7.33,水溫為18～20 ℃,含礦含水層與礦層厚度比主要為1～10(占比78.9%)。

1.2 采區(qū)浸出現(xiàn)狀

圖1 5#采區(qū)單孔平均水量Fig. 1 Average water volume of single hole in 5# mining area

圖2 5#采區(qū)浸出液ρ(U)與變化Fig. 2 Change of ρ(U) and in the leachate of 5# mining area

1.3 存在的問(wèn)題

該采區(qū)原加氧方式為單孔直接加氧,在注液壓力0.80 MPa下,單孔注液量為0.3～0.7 m3/h,單孔抽液量為0.6～1.6 m3/h。在該壓力條件下理論溶解氧計(jì)算公式[6]為

(1)

式中:H為絕對(duì)水柱,m;T為溫度,℃;Q為氧氣溶解量,mg/L。

浸出劑中的溶解氧含量主要由礦層的靜水壓力(礦層頂板至靜水位的水柱壓力)決定[7],5#采區(qū)礦層頂板底部平均埋深為132.6 m,靜水位為52.62 m,地下水溫度為22 ℃。根據(jù)公式(1)計(jì)算得出5#采區(qū)浸出劑中理論溶解氧量為277.63 mg/L。實(shí)際生產(chǎn)中,在氧氣最大加入量為100.00 mg/L時(shí),出現(xiàn)浸出劑注液管道及鉆孔氣堵、氧氣溶解能力差、四價(jià)鈾被氧化不足、浸出液鈾濃度低等問(wèn)題。另外,在排氣過(guò)程會(huì)造成部分氧氣浪費(fèi),增加氧氣消耗和影響生產(chǎn)成本。

2 微孔曝氣加氧技術(shù)研究

2.1 曝氣方式選擇

目前國(guó)內(nèi)外采用的人工微孔曝氣技術(shù)主要有機(jī)械曝氣、揚(yáng)水曝氣以及鼓風(fēng)曝氣,主要應(yīng)用在污水凈化及河流湖泊治理工程方面[8-10],優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械曝氣、揚(yáng)水曝氣以及鼓風(fēng)曝氣優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of mechanical aeration, lift aeration and blast aeration

鈾礦“CO2+O2”中性浸出工藝對(duì)溶解氧的要求較高,借鑒鼓風(fēng)曝氣微孔擴(kuò)散器原理,結(jié)合現(xiàn)有帶壓供氧設(shè)備及設(shè)施,研究微孔曝氣技術(shù)。微孔曝氣頭最常見(jiàn)的形式有盤式、板式及膜片式,制作材料多采用橡膠、剛玉、陶瓷及不銹鋼。從待研究鈾礦床含礦含水層礦化度高、對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、安裝及操作方便等方面考慮,選擇采用316不銹鋼粉末燒結(jié)而成的微孔曝氣頭,進(jìn)行“CO2+O2”中性浸出工藝微孔曝氣加氧探索研究。

2.2 微孔曝氣氧傳質(zhì)理論

微孔曝氣氧傳質(zhì)是物質(zhì)分子在具有濃度差的兩相間的傳遞過(guò)程。在氣泡-水界面的氧傳質(zhì)主要發(fā)生在液相內(nèi)部,曝氣產(chǎn)生的氣泡對(duì)這一傳質(zhì)過(guò)程起到關(guān)鍵作用,而氣泡的物理參數(shù)決定了氣泡的運(yùn)動(dòng)特性。增加供氧壓力和氧氣與液體的接觸面積,可提高氧在水中的濃度梯度,有利于氧氣向水中傳質(zhì)。

目前地浸采鈾供氧設(shè)備為高壓液氧儲(chǔ)罐,氣化后的氧氣具有一定的壓力(一般在1.5 MPa)[11]。筆者主要通過(guò)增加氧氣與浸出劑的接觸面積來(lái)提高5#采區(qū)“CO2+O2”中性浸出的加氧效果。

2.3 微孔曝氣加氧裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用的微孔曝氣頭由316不銹鋼粉末燒結(jié)而成,孔隙度0.5～1.0μm,長(zhǎng)500 mm,直徑50 mm。微孔曝氣頭與加氧管道連接并安裝在采區(qū)浸出劑的注液總管上,微孔曝氣頭全部沉浸在注液管內(nèi)的浸出劑中,加入的氧氣通過(guò)微孔曝氣頭的微孔形成微小氣泡并附著在曝氣頭表面,增加氧氣與浸出劑的接觸面積(圖3)。

在浸出劑向鉆孔輸送過(guò)程中,可將微小氧分子輸送至礦層,進(jìn)而將含鈾礦層中四價(jià)鈾氧化為六價(jià)鈾,六價(jià)鈾與碳酸鈾酰配合,從而實(shí)現(xiàn)提升鈾資源回采效率的目的。在微孔曝氣加氧裝置的氧氣加入管上設(shè)計(jì)安裝了解堵設(shè)施,當(dāng)微孔曝氣頭孔隙出現(xiàn)堵塞時(shí),關(guān)閉供氣和出氣閥,向解堵設(shè)施中加入少許10%的稀鹽酸,可實(shí)現(xiàn)疏通解堵。這種解堵方式的解堵效率高,且對(duì)浸出劑注液影響較小。

2.4 微孔曝氣試驗(yàn)方法

選擇在某砂巖鈾礦床5#采區(qū)“CO2+O2”中性浸出采區(qū)進(jìn)行微孔曝氣加氧試驗(yàn),該采區(qū)注液總管控制24個(gè)抽注單元,子單元鉆孔呈五點(diǎn)型分布,抽液井與注液井間距為30 m(圖4),采區(qū)鉆孔布局、數(shù)量、以及礦體地質(zhì)特征與其他采區(qū)基本一致。為對(duì)比微孔曝氣加氧的氧氣溶解效果,氧氣加入量與原單孔一致,為100.00 mg/L。根據(jù)采區(qū)總注液水量,調(diào)整氣體質(zhì)量計(jì)控制氧氣加入流量,定期在采區(qū)注液總管、注液井口、以及抽液井取樣,分析氧氣溶解濃度和浸出液鈾濃度變化情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 溶氧效果對(duì)比

2021年6月6日,在5#采區(qū)將原單孔加氧改為注液總管微孔曝氣加氧,在浸出劑注液總管安裝微孔曝氣加氧裝置,監(jiān)測(cè)微孔曝氣頭加氧浸出效果。5#采區(qū)單孔平均抽液量為0.3～0.7 m3/h,單孔平均注液量為0.6～1.6 m3/h;在氧氣加入量為100.00 mg/L時(shí),浸出劑為乳白色,乳白色持續(xù)1.5～2.0 min逐漸消失。

5#采區(qū)浸出劑注液總管微孔曝氣加氧及單孔加氧時(shí)的溶氧量對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?與單孔加氧相比,采用微孔曝氣加氧時(shí)浸出劑單孔注液中心管的溶氧量提升62.47%～84.40%,井管溶氧量提升120.00%～134.35%,溶氧效果大幅提升,且浸出劑注液井口基本無(wú)氣體排出。

表2 微孔曝氣加氧前后溶氧量對(duì)比Table 2 Comparison of dissolved oxygen content before and after micropore aeration

3.2 浸出液鈾濃度、余氧量對(duì)比

浸出液鈾濃度、余氧量對(duì)比見(jiàn)表3、表4和圖5。加氧14 d,浸出液溶氧量上升;加氧34 d,浸出液總管ρ(U)從13.55 mg/L提高至18.61 mg/L(上升了37.34%),余氧量從5.21 mg/L提高至14.36 mg/L(上升了175.62%),日浸出金屬?gòu)?.902 kg/d提高至5.360 kg/d(上升了37.34%)。

表3 微孔曝氣加氧前后浸出液總管鈾濃度與余氧量對(duì)比Table 3 Comparison of uranium concentration and residual oxygen in leachate before and after micropore aeration

表4 微孔曝氣加氧前后單孔浸出液鈾濃度與余氧量對(duì)比Table 4 Comparison of uranium concentration and residual oxygen content in single-hole leachate before and after micropore aeration

圖5 5#采區(qū)總浸出液ρ(U)與余氧量變化Fig. 5 The ρ(U) and residual oxygen change of total leachate of 5# mining area

4 微孔曝氣加氧技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

以2021年微孔曝氣加氧技術(shù)在5#采區(qū)的“CO2+O2”中性浸出為例,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

4.1 浸出產(chǎn)能分析

采用微孔曝氣加氧技術(shù)后,浸出液ρ(U)從13.55 mg/L提高至18.61 mg/L,相比2021年增加金屬0.587 t,按每噸金屬60萬(wàn)元計(jì)算,經(jīng)濟(jì)效益增加37.34%(圖6)。

圖6 微孔曝氣加氧前后浸出液鈾濃度與日浸出金屬變化Fig. 6 Change of uranium concentration in leachate and diurnal leaching metal before and after micropore aeration

4.2 材料消耗分析

以5#采區(qū)開(kāi)拓施工33口注液井計(jì)算,總管微孔加氧生產(chǎn)噸金屬消耗氧氣成本降低5 032元,降低了30.77%(表5);采區(qū)開(kāi)拓加氧設(shè)施成本降低32 660元,降低了96.09%(表6)。

表5 微孔曝氣加氧前后節(jié)約氧氣成本測(cè)算Table 5 Cost calculation of saving oxygen before and after micropore aeration

表6 微孔曝氣加氧前后節(jié)約加氧設(shè)施成本測(cè)算Table 6 Cost calculation of saving oxygenation facilities before and after micropore aeration

5 結(jié)論

微孔曝氣加氧技術(shù)提高了氧氣的溶解度,實(shí)現(xiàn)了低滲透性、低水量鉆孔的高效加氧。浸出劑溶氧量提升62.47%～84.40%;浸出液余氧量平均上升226.85%,鈾濃度平均上升43.29%。微孔曝氣加氧技術(shù)的tU氧氣消耗降低了30.77%,采區(qū)開(kāi)拓加氧設(shè)施成本降低了96.09%,且操作簡(jiǎn)便,大幅降低了氣體消耗和化學(xué)堵塞風(fēng)險(xiǎn),解決了低滲透性砂巖鈾礦“CO2+O2”中性浸出的加氧問(wèn)題。