酸法地浸采鈾配液池配酸與管道配酸的利弊分析

聞?wù)袂?，姚益軒，胥國龍，?翀，鄭劍平，李宏星，高明哲

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083)

2015年以來，地浸工藝生產(chǎn)的天然鈾產(chǎn)品比例呈逐年升高的趨勢[1]，達(dá)到了50%以上。受礦床條件和礦石性質(zhì)制約[2]，有的礦床適合采用CO2+O2中性浸出工藝，有的礦床則適合采用酸法浸出工藝[3]。

酸法地浸采鈾礦山一般采用質(zhì)量濃度為3～50 g/L的H2SO4溶液作浸出劑。浸出劑用92.5%的工業(yè)濃硫酸配制，試驗(yàn)前期以礦層地下水為溶劑，試驗(yàn)后期以提取鈾后的吸附尾液為溶劑。目前，酸法地浸采鈾礦山的配酸方式主要以配液池(槽)配酸為主。建設(shè)配液池需要一定的占地面積和土建工程投資，通常在建設(shè)初期同集液池同時(shí)設(shè)計(jì)和施工。

隨著地浸技術(shù)的發(fā)展、過程精細(xì)化控制和應(yīng)急事故處理能力的提高，有地浸從業(yè)人員提出了用管道配酸代替配液池的觀點(diǎn)[4]。管道配酸即直接在吸附尾液的管道上進(jìn)行改造，根據(jù)工藝參數(shù)要求，在計(jì)量吸附尾液流量的基礎(chǔ)上，配入一定量的濃硫酸達(dá)到直接配酸的目的。

無論是傳統(tǒng)的配液池(槽)配酸還是管道配酸，都可有效配制稀硫酸溶液浸出劑；但2種配酸方式在安全、環(huán)保和應(yīng)急等方面各有利弊，筆者對(duì)2種配酸方式進(jìn)行比較分析，以期在以后的試驗(yàn)和生產(chǎn)中根據(jù)需要選擇利用。

1 配液池配酸

1.1 配液池配酸流程及功能

傳統(tǒng)的地浸采鈾工藝流程一般設(shè)置配液池，地浸采鈾工藝流程如圖1所示。

圖1 地浸采鈾配液池配酸工藝流程示意

在地浸采鈾工藝中，配液池具有以下作用：

1)為溶液提供緩沖空間。當(dāng)試驗(yàn)和生產(chǎn)中出現(xiàn)停電、設(shè)備故障、管道堵塞、溶液外漏、抽注液量不穩(wěn)定、吸附淋洗異常等現(xiàn)象時(shí)，配液池存有一定的緩沖空間和溶液，為事故的應(yīng)急處理留有一定的處理時(shí)間，保證了異常情況在被操作人員發(fā)現(xiàn)前配液池不會(huì)出現(xiàn)“冒槽”和“打空”現(xiàn)象，可避免由此造成的設(shè)備損壞和連鎖事故，且同時(shí)保證了浸出試驗(yàn)抽注的連續(xù)性。

2)為固體顆粒物提供沉降場所。浸出液經(jīng)過離子交換工藝提取鈾后，吸附尾液流入配液池配制浸出劑。長期運(yùn)行，樹脂床層存有的泥沙顆粒和樹脂顆粒碎屑會(huì)被吸附尾液帶出至配液池，配液池為固體顆粒物沉降提供了場所，避免了固體顆粒物直接隨浸出劑注入鉆孔，大大降低了注液鉆孔過濾器堵塞而影響注液量的風(fēng)險(xiǎn)。

3)為浸出劑混合均勻提供空間和時(shí)間。配液池中存有一定體積的溶液，硫酸和吸附尾液同時(shí)注入配液池，溶液混合配制點(diǎn)至注液泵有足夠的混合空間和時(shí)間，使溶液混合更加均勻，浸出劑濃度更加穩(wěn)定。

1.2 配液池配酸的缺點(diǎn)

在降雨量小于蒸發(fā)量地區(qū)(如新疆伊犁、吐哈等地)，配液池上方一般不設(shè)置遮擋物。大風(fēng)天氣容易將灰塵和砂石吹入配液池污染溶液，增加浸出劑中顆粒物含量。降雨天氣對(duì)當(dāng)天的浸出劑配制濃度會(huì)稍有影響。

對(duì)于降雨量偏大的地區(qū)，配液池常設(shè)置圍墻和頂棚。配液池上方彌漫的酸性水霧，容易對(duì)遮擋物造成腐蝕。

1.3 配液池設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的地浸采鈾工藝一般同時(shí)設(shè)置集液池和配液池?？紤]二者容納溶液的體積，同時(shí)兼顧對(duì)稱美觀、便于施工，二者的設(shè)計(jì)尺寸和施工工藝一般相同。

配液池除具備配液功能外，最大的作用是緩沖。配液池的緩沖能力取決于其尺寸，而配液池的尺寸一般根據(jù)抽注液流量和緩沖時(shí)間確定。

緩沖時(shí)間一般要求不小于30 min。當(dāng)井場總注液量qv=10 m3/h時(shí)，若要求緩沖時(shí)間為1 h，配液池的穩(wěn)定液面處于一半高度，則要求配液池體積應(yīng)為20 m3?？紤]到施工難度，配液池深度不宜過深，一般不超過3 m，當(dāng)遇到特殊情況受到地表面積限制時(shí)，可適當(dāng)考慮加深配液池深度。

吸附尾液中攜帶的固體顆粒物進(jìn)入配液池后，做“類平拋運(yùn)動(dòng)”。豎直方向在重力場的作用下，溶液中的固體顆粒物將發(fā)生沉降。為了避免配液池中的固體顆粒物進(jìn)入注液系統(tǒng)，要求其在水平流向的時(shí)間應(yīng)大于其沉降時(shí)間，由此計(jì)算配液池和集液池應(yīng)具備的長度。

為了確保配液池溶液中固體顆粒的沉降效果，在配液池下部設(shè)置溢流堰阻擋顆粒物下降過程中向前移動(dòng)。配液池溢流堰設(shè)置如圖2所示。

圖2 設(shè)置溢流堰的配液池示意

1.4 配液池的輔助設(shè)施

為了實(shí)現(xiàn)集液池和配液池液位突變時(shí)能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并對(duì)浸出液、浸出劑流量及時(shí)反饋和調(diào)節(jié)，可在集液池和配液池中設(shè)置高液位和低液位傳感器報(bào)警裝置。當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定的液位上限或下限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒值班人員進(jìn)行查看和調(diào)節(jié)，避免集液池和配液池出現(xiàn)“冒槽”和“抽空”現(xiàn)象。

2 管道配酸

2.1 管道配酸流程

根據(jù)不同的需求，堆浸和地浸配酸工序中有采用管道配酸裝置的報(bào)道[4-5]。地浸采鈾工藝中，對(duì)吸附尾液管道進(jìn)行改造或連接管道配酸裝置，根據(jù)工藝需要配上一定流量的濃硫酸，進(jìn)行管道配酸以實(shí)現(xiàn)浸出劑的配制。如果井場各點(diǎn)所需酸濃度一致，則可直接在流出水冶廠的吸附尾液管道進(jìn)行配酸；如果井場不同注孔所需酸濃度不一，則可在吸附尾液出集控室之后針對(duì)不同注孔需求進(jìn)行分別配酸，管道配酸流程如圖3所示。

圖3 地浸采鈾管道配酸工藝流程示意

2.2 管道配酸的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1管道配酸的優(yōu)點(diǎn)

1)減少占地，節(jié)省建設(shè)投資。改造后的吸附尾液管道根據(jù)工藝需要，可直接注入一定流量的濃硫酸，實(shí)現(xiàn)浸出劑的配制。配酸直接在管道上實(shí)現(xiàn)，無需修建配液池，可節(jié)省占地和配液池建設(shè)投資。

2)靈活方便，易實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。地浸采鈾工程中，前續(xù)采區(qū)進(jìn)入浸出中后期時(shí)，需要開拓新的采區(qū)。一般地，新開拓采區(qū)浸出初期和前續(xù)采區(qū)浸出中后期所需浸出劑濃度不同，因此可采用管道配酸的方法實(shí)現(xiàn)不同采區(qū)配制不同濃度的浸出劑。同一采區(qū)中不同地段資源情況也不盡相同，如果采用相同濃度的浸出劑浸出，浸出結(jié)束時(shí)間先后不一致，這勢必延長整個(gè)采區(qū)退役周期。根據(jù)不同鉆孔的資源量和抽注液能力，采用管道配酸方式，分別為不同注液孔配制相應(yīng)的酸濃度，實(shí)現(xiàn)部分鉆孔的精細(xì)化控制，使采區(qū)不同鉆孔浸出結(jié)束時(shí)間大體一致，有利于縮短采區(qū)退役周期，提高工作效率。

3)配酸響應(yīng)更加及時(shí)。根據(jù)浸出工藝要求，有時(shí)需要對(duì)浸出劑的酸濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。管道配酸與配液池配酸相比，不存在大量溶液和空間緩沖，采用管道配酸時(shí)酸度響應(yīng)更加及時(shí)。

2.2.2管道配酸的缺點(diǎn)

對(duì)于整個(gè)工藝流程而言，管道配酸方式在應(yīng)急事故處理方面比配液池配液差。一旦出現(xiàn)管道堵塞、漏液等異常情況，需要全線停車維修。

2.3 管道配酸裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)配酸需求，對(duì)吸附尾液管道進(jìn)行改造，管道配酸試驗(yàn)裝置初步設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 管道配酸試驗(yàn)裝置初步設(shè)計(jì)示意

試驗(yàn)中，在溶液流量qv=10 m3/h、管徑d=0.05 m時(shí)，計(jì)算得到溶液在管道的流速為

(1)

溶液密度ρ約為1.05 g/mL，取溶液黏度μ=2.0×10-3Pa·s，計(jì)算吸附尾液在管道流動(dòng)的雷諾數(shù)[6]為

(2)

由此計(jì)算得到滯流內(nèi)層厚度δ=0.31 mm。該滯流內(nèi)層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管徑0.05 m，滯流內(nèi)層厚度可忽略。因此，吸附尾液質(zhì)點(diǎn)在管道內(nèi)作無規(guī)律的曲線運(yùn)動(dòng)，酸加入管道后依靠流體自身特性在一定距離內(nèi)即可混合均勻。由于受廠房空間等因素限制，浸出劑配酸后通過短程管路進(jìn)入分配器，可能會(huì)造成酸濃度不均。為了避免上述問題，管道可增設(shè)混合器實(shí)現(xiàn)酸的均勻配制。

試驗(yàn)中，采用專用濃硫酸隔膜泵將濃硫酸通過管道加入到吸附尾液中。濃硫酸進(jìn)入吸附尾液瞬間，流體密度和流速發(fā)生較大變化，引起三通處(硫酸管與吸附尾液管連接處)壓力的變化，形成渦流。濃硫酸排入吸附尾液內(nèi)，由于渦環(huán)的卷吸作用，有少量湍流運(yùn)動(dòng)的吸附尾液進(jìn)入濃硫酸管內(nèi)，導(dǎo)致該處濃硫酸受倒流進(jìn)入的吸附尾液的稀釋而釋放反應(yīng)熱，升高溫度超過80 ℃。如果在該溫度下長時(shí)間工作，會(huì)引起硫酸管道變形和管道連接處的快速腐蝕。

為此，在環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，開展了98%濃硫酸與吸附尾液按不同體積比例混合的試驗(yàn)，測得硫酸溶液體系溫度升高數(shù)據(jù)見表1。

表1 濃硫酸與水混合體系升高溫度

試驗(yàn)結(jié)果表明越少的吸附尾液進(jìn)入硫酸管道，溫度升高越劇烈。因此有必要對(duì)管道配酸初步試驗(yàn)裝置進(jìn)行改造。

2.4 管道配酸裝置改進(jìn)

針對(duì)吸附尾液倒吸進(jìn)入硫酸管道導(dǎo)致的溫度升高問題，對(duì)管道配酸濃硫酸管道和吸附尾液管道連接處進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)前如圖5所示，改進(jìn)后如圖6所示。

圖5 管道配酸初步試驗(yàn)管道連接示意

圖6 管道配酸改進(jìn)后的管道連接示意

改進(jìn)后，濃硫酸管道伸入至配液管道中心，并向溶液流動(dòng)方向彎曲。擬配制浸出劑硫酸濃度為10 g/L時(shí)，當(dāng)硫酸進(jìn)入吸附尾液管道時(shí)，由于吸附尾液與濃硫酸體積比大于200∶1，濃硫酸瞬間被稀釋，稀釋熱導(dǎo)致的溫度升高小于2 ℃，幾乎可忽略。改進(jìn)裝置解決了硫酸管道和吸附尾液管道連接處發(fā)熱問題，保證了管道配酸的正常進(jìn)行。

3 結(jié)論

配液池配酸和管道配酸都可實(shí)現(xiàn)浸出劑的配制。配液池配酸在應(yīng)對(duì)抽注系統(tǒng)異常情況時(shí)具有優(yōu)勢，提供了一定的緩沖時(shí)間，配液池配酸有利于浸出液和浸出劑體系中固體和氣體的分離。配液池配酸的缺點(diǎn)是配液池上部的酸霧對(duì)遮擋物有腐蝕，建設(shè)集液池和配液池需要一定占地面積和建設(shè)投資。而管道配酸操作方便靈活，易實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，尤其在分采區(qū)酸化、為特殊鉆孔提供不同濃度浸出劑方面更具優(yōu)勢。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，可綜合試驗(yàn)和生產(chǎn)規(guī)模、處理的溶液量、配制的浸出劑濃度、土地使用、建設(shè)投資等因素，選擇配液池配酸或管道配酸或2種配酸方式配合使用。