微孔曝氣加氧技術在地浸采鈾中的應用

任華平,李 德,賈志遠,師振峰,王紅義,何慧民

(新疆中核天山鈾業有限公司,新疆 伊寧 835000)

“CO2+O2”中性浸出具有地球化學干擾小、工藝簡單、基建投資少、生產成本低、環境友好和安防條件好、資源利用率高等優點[1-3],該工藝在新疆某砂巖型鈾礦床應用效果較好。該砂巖型鈾礦床屬于辮河沉積砂巖,礦床地質及水文條件復雜。在采區開拓過程中,各采區滲透性變化較大,在含水層滲透性差、水量小的采區,單孔加氧方式存在氣堵、氧氣流量計返水、維修工作量大、氧氣溶解度低等問題,導致礦層中四價鈾氧化不充分,浸出液鈾濃度低,開采年限長,生產成本高。

以低滲透性、低水量砂巖型鈾礦為研究對象,在“CO2+O2”中性浸出時,采用微孔曝氣加氧技術,以期提高氧氣的溶解度和對四價鈾的氧化效果。

1 采區概況

1.1 水文地質特征

某砂巖鈾礦床5#采區共施工57口生產井,布局為五點型;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、次疏松結構,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膠結砂(礫)巖礦石。礦石中鈾以吸附態和鈾礦物形式存在[4],占比各為50%;礦石中四價鈾與六價鈾的占比約為50%。吸附態鈾主要與礦石中黏土礦物、粉末狀黃鐵礦和巖屑物相關[5]。

5#采區含礦含水層為侏羅系下統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、砂質礫巖、中粗砂巖等,以泥質膠結為主,夾鈣質膠結碎屑巖透鏡體。水文地質孔ZK13W4的靜水位為52.62 m,單位涌水量為27.48 m3/d,導水系數為2.506 m2/d,滲透系數為0.145 m/d。水化學以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 采區浸出現狀

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

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

1.3 存在的問題

該采區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算公式[6]為

(1)

式中:H為絕對水柱,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 ℃。根據公式(1)計算得出5#采區浸出劑中理論溶解氧量為277.63 mg/L。實際生產中,在氧氣最大加入量為100.00 mg/L時,出現浸出劑注液管道及鉆孔氣堵、氧氣溶解能力差、四價鈾被氧化不足、浸出液鈾濃度低等問題。另外,在排氣過程會造成部分氧氣浪費,增加氧氣消耗和影響生產成本。

2 微孔曝氣加氧技術研究

2.1 曝氣方式選擇

目前國內外采用的人工微孔曝氣技術主要有機械曝氣、揚水曝氣以及鼓風曝氣,主要應用在污水凈化及河流湖泊治理工程方面[8-10],優缺點對比見表1。

表1 機械曝氣、揚水曝氣以及鼓風曝氣優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of mechanical aeration, lift aeration and blast aeration

鈾礦“CO2+O2”中性浸出工藝對溶解氧的要求較高,借鑒鼓風曝氣微孔擴散器原理,結合現有帶壓供氧設備及設施,研究微孔曝氣技術。微孔曝氣頭最常見的形式有盤式、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、對設備腐蝕嚴重、安裝及操作方便等方面考慮,選擇采用316不銹鋼粉末燒結而成的微孔曝氣頭,進行“CO2+O2”中性浸出工藝微孔曝氣加氧探索研究。

2.2 微孔曝氣氧傳質理論

微孔曝氣氧傳質是物質分子在具有濃度差的兩相間的傳遞過程。在氣泡-水界面的氧傳質主要發生在液相內部,曝氣產生的氣泡對這一傳質過程起到關鍵作用,而氣泡的物理參數決定了氣泡的運動特性。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。

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

2.3 微孔曝氣加氧裝置設計

試驗選用的微孔曝氣頭由316不銹鋼粉末燒結而成,孔隙度0.5～1.0μm,長500 mm,直徑50 mm。微孔曝氣頭與加氧管道連接并安裝在采區浸出劑的注液總管上,微孔曝氣頭全部沉浸在注液管內的浸出劑中,加入的氧氣通過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程中,可將微小氧分子輸送至礦層,進而將含鈾礦層中四價鈾氧化為六價鈾,六價鈾與碳酸鈾酰配合,從而實現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計安裝了解堵設施,當微孔曝氣頭孔隙出現堵塞時,關閉供氣和出氣閥,向解堵設施中加入少許10%的稀鹽酸,可實現疏通解堵。這種解堵方式的解堵效率高,且對浸出劑注液影響較小。

2.4 微孔曝氣試驗方法

選擇在某砂巖鈾礦床5#采區“CO2+O2”中性浸出采區進行微孔曝氣加氧試驗,該采區注液總管控制24個抽注單元,子單元鉆孔呈五點型分布,抽液井與注液井間距為30 m(圖4),采區鉆孔布局、數量、以及礦體地質特征與其他采區基本一致。為對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。根據采區總注液水量,調整氣體質量計控制氧氣加入流量,定期在采區注液總管、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 試驗結果與討論

3.1 溶氧效果對比

2021年6月6日,在5#采區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,監測微孔曝氣頭加氧浸出效果。5#采區單孔平均抽液量為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,浸出劑為乳白色,乳白色持續1.5～2.0 min逐漸消失。

5#采區浸出劑注液總管微孔曝氣加氧及單孔加氧時的溶氧量對比見表2?？梢钥闯?與單孔加氧相比,采用微孔曝氣加氧時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氣體排出。

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

3.2 浸出液鈾濃度、余氧量對比

浸出液鈾濃度、余氧量對比見表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%),日浸出金屬從3.902 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 微孔曝氣加氧技術經濟效益分析

以2021年微孔曝氣加氧技術在5#采區的“CO2+O2”中性浸出為例,進行經濟效益分析。

4.1 浸出產能分析

采用微孔曝氣加氧技術后,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60萬元計算,經濟效益增加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#采區開拓施工33口注液井計算,總管微孔加氧生產噸金屬消耗氧氣成本降低5 032元,降低了30.77%(表5);采區開拓加氧設施成本降低32 660元,降低了96.09%(表6)。

表5 微孔曝氣加氧前后節約氧氣成本測算Table 5 Cost calculation of saving oxygen before and after micropore aeration

表6 微孔曝氣加氧前后節約加氧設施成本測算Table 6 Cost calculation of saving oxygenation facilities before and after micropore aeration

5 結論

微孔曝氣加氧技術提高了氧氣的溶解度,實現了低滲透性、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%。微孔曝氣加氧技術的tU氧氣消耗降低了30.77%,采區開拓加氧設施成本降低了96.09%,且操作簡便,大幅降低了氣體消耗和化學堵塞風險,解決了低滲透性砂巖鈾礦“CO2+O2”中性浸出的加氧問題。