地浸采鈾碳酸鈣結(jié)垢主要影響因素研究

原 淵，江國平，廖天偉，張 渤，鄧錦勛，董惠琦

(1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

0 引 言

CO2+O2地浸工藝具有試劑消耗少、對地下水影響程度小、不破壞天然滲透性等優(yōu)點[1]，同時能有效浸出礦石中鈾，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。我國采用CO2+O2地浸工藝開發(fā)某砂巖型鈾礦床時，曾數(shù)次出現(xiàn)因結(jié)垢導(dǎo)致的抽注液量降低，生產(chǎn)能力下降的情況，如不及時得到處理甚至?xí)?dǎo)致鉆孔報廢。因此，探索CO2+O2浸出工藝中結(jié)垢的成因與處理辦法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 結(jié)垢的形成過程

1.1 結(jié)垢的主要原因

在地浸開采的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞問題，降低過濾器及周圍巖石的滲透性。常見的堵塞類型為：化學(xué)堵塞、氣體堵塞、離子交換堵塞與機械堵塞。CO2+O2地浸工藝，容易產(chǎn)生某些離子在運移過程中，形成單一的或混合的難溶物質(zhì)，在礦層內(nèi)堵塞孔隙，降低礦層滲透性，最常見的是Ca(Mg)CO3。

1.2 結(jié)垢的形成過程

碳酸鈣(CaCO3)結(jié)垢主要包括四個步驟：①水中的相關(guān)離子結(jié)合形成低溶解度的鹽類分子；②低溶解度分子相結(jié)合，形成微小的晶粒，然后產(chǎn)生晶粒化過程；③大量的晶體在特定位置堆積長大；④在不同的部位形成結(jié)垢[2]。

CaCO3結(jié)垢主要發(fā)生在抽液井、離子交換塔、過濾器與潛水泵等處，其中，以過濾器與潛水泵尤為嚴重。

2 預(yù)測方法的選擇

目前，預(yù)測CaCO3結(jié)垢的主要方法包括：Stiff&Daivs飽和指數(shù)法(SI)法、Rynar穩(wěn)定指數(shù)法(RI)法、Oddo&Tomson飽和指數(shù)法以及蘇聯(lián)飽和系數(shù)法[3]。考慮到地浸采鈾的工藝流程，此次選擇Stiff&Daivs飽和指數(shù)法(SI)法。飽和指數(shù)方程見式(1)。

SI=pH-(K+pCa+pAlk)

(1)

(2)

SI為飽和指數(shù)，當SI=0時，CaCO3處于溶解平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生結(jié)垢；當SI>0時，溶液呈過飽和狀態(tài)，CaCO3結(jié)垢傾向于析出，SI越大，結(jié)垢的傾向也越大；當SI<0時，溶液呈不飽和狀態(tài)，不會產(chǎn)生CaCO3結(jié)垢[4]。

圖1 碳酸鹽體系各個物種之間轉(zhuǎn)化與pH值之間的關(guān)系曲線Fig.1 The variation curve between different species distribution of carbonate compounds and pH value

3 結(jié)垢的主要處理方法

根據(jù)調(diào)研，CaCO3結(jié)垢的處理方法主要包括：①在溶液流動回路中加入適量的CO2或其他化學(xué)試劑，降低溶液pH值，增加CaCO3在溶液中的溶解度，避免結(jié)垢的發(fā)生。②使用硬水軟化裝置以及反滲透等方法除去溶液中的Ca2+，避免結(jié)垢的形成。澳大利亞Honeymoon鈾礦床曾使用反滲透處理與用上含水層水替換的方法降低浸出液中Ca2+濃度。③使用化學(xué)試劑沉淀除鈣。新疆738礦床的試驗中，為減輕結(jié)垢，曾在吸附后設(shè)置沉淀槽，使用0.5～0.6 g/L Na2CO3作為沉淀劑沉淀Ca2+離子，降低溶浸液中的Ca2+離子濃度[5]。④加螯合劑或絡(luò)合劑來防止CaCO3結(jié)垢。金問龍等曾使用(NaPO3)6作為防結(jié)垢劑，它可以依附于正在生長的CaCO3微晶，改變晶形高度扭變，抑制CaCO3沉淀的生長[6]。

4 地浸采鈾應(yīng)用案例

4.1 試驗條件簡介

某CO2+O2條件試驗鉆孔井型采用五點型，一抽四注，共5個試驗井，抽注液井間井距為25 m。試驗開始后，抽液孔抽液量約9.0 m3/h。根據(jù)注液井的注液能力以及抽注平衡，確定了各注液井的注液量。運行40 d后開始，鉆孔注液量開始下降，見表1。3#注液井的注液量下降幅度達76.8%，注液壓力升高幅度達到78.5%；4#注液井的注液量下降幅度約100%，注液壓力升高幅度為72.5%。

4.2 結(jié)垢產(chǎn)生的邊界條件預(yù)測

4.3 結(jié)垢處理方法與效果

表1 注液井的注液量變化情況

表2 SI飽和指數(shù)法的預(yù)測結(jié)果

圖2 SI飽和指數(shù)隨溶液pH值變化情況Fig.2 The variation curve between SI saturation index and pH value

利用在線pH值儀測定加入CO2后，溶液pH值的變化情況，最終確定加入CO2的濃度為250 mg/L；CO2加入后，注液pH值開始下降；加入10 d后，注液pH值降至6.69，降低至CaCO3發(fā)生結(jié)垢的臨界pH值6.90之下；加入18 d后，注液總壓力由0.6 MPa降至0 MPa，鉆孔注液量得以恢復(fù)，表明CO2的加入對于解決地浸試驗CaCO3結(jié)垢取得明顯效果。

5 結(jié) 論