某地浸采鈾礦山低流量鉆孔O2加注方式優(yōu)化

趙生祥，曹俊鵬，阮志龍，李喜龍，滕 飛

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

CO2+O2原地浸出采鈾工藝，是通過鉆孔將含O2和CO2的浸出劑注入含礦層，浸出劑與鈾礦物進(jìn)行反應(yīng)，形成含鈾浸出液；然后將浸出液通過鉆孔提升至地表進(jìn)行處理。內(nèi)蒙古某CO2+O2原地浸出采鈾礦山，部分鉆孔所處區(qū)域的含礦含水層滲透性差、注液量小(<1 m3/h)。該部分鉆孔在生產(chǎn)運(yùn)行中，注孔管線經(jīng)常出現(xiàn)O2聚集、溶液斷流現(xiàn)象，使得該部分浸采單元浸出效果較差、浸采周期較長(zhǎng)、資源回收率較低、浸采成本較高。因此，有必要研究一種適合低流量鉆孔的O2加注方式，保障浸出劑連續(xù)穩(wěn)定地注入礦層，進(jìn)而提升低流量鉆孔的浸采效果。

1 O2溶解機(jī)制

O2屬于難溶于水的非極性氣體分子[1]，其與極性水分子之間存在著誘導(dǎo)力及色散力作用，其中色散力占主導(dǎo)地位。色散力的大小主要由分子質(zhì)量決定，分子質(zhì)量越大，色散力也越大，分子之間的范德華力也越大。

O2在水中的溶解方式分為2大類[2]：第一類是O2填充在水分子的間隙中，是一個(gè)物理過程，稱之為間隙填充；第二類是O2分子、水分子間發(fā)生水合作用，2種分子發(fā)生化學(xué)變化緊密結(jié)合并釋放熱量。

O2在標(biāo)準(zhǔn)狀況(0 ℃和大氣壓強(qiáng)101.325 Pa)下的密度為1.429 g/L，能溶于水，但溶解度僅為8.25 mg/L[3]。不同溫度條件下，氧氣溶解量與溫度、壓力關(guān)系為[4]

(1)

式中：H—絕對(duì)水柱，m；T—溫度，℃。

2 O2加注方式研究

目前在國(guó)內(nèi)CO2+O2原地浸出采鈾礦山井場(chǎng)工藝中，O2加注方式主要有傳統(tǒng)的靜態(tài)混合加注方式和噴射混合加注方式。

2.1 靜態(tài)混合加注方式

靜態(tài)混合加注方式是通過注液主管線加注，將具有特殊結(jié)構(gòu)的混合單元按規(guī)律組合、固定在管線內(nèi)部，當(dāng)吸附尾液和O2通過該區(qū)域時(shí)，混合單元對(duì)流體產(chǎn)生分散、改變流向、攪拌等作用，使管道內(nèi)的吸附尾液和O2充分混合[5]。O2靜態(tài)混合加注方式如圖1所示。當(dāng)吸附尾液及O2通過注液分配器時(shí)，注液分配器內(nèi)部設(shè)置的混合單元會(huì)對(duì)吸附尾液產(chǎn)生分散、改變流向、攪拌等作用，使得O2與吸附尾液充分混合。

靜態(tài)混合加注方式巧妙地使用了氧氣加注混合器，混合器外觀是一條管道，內(nèi)部設(shè)有混合單元。混合器一般通過法蘭連接，投資成本較低且維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，能適用于連續(xù)化生產(chǎn)。但靜態(tài)混合加注方式存在以下缺點(diǎn)：1)O2混合不均勻。因O2溶解度較小，在注液分配器內(nèi)氣液混合不充分，導(dǎo)致在注液分配器后端形成O2滯留區(qū)，需進(jìn)行O2排放，造成原材料浪費(fèi)；而且O2滯留區(qū)鉆孔的氧氣加注效果較差，影響浸出效果。2)單孔流量無法準(zhǔn)確計(jì)量。因氧氣溶解度較低，造成經(jīng)過與O2混合的浸出劑中含有大量氣泡，含氣泡的浸出劑采用電磁流量計(jì)計(jì)量時(shí)引起讀數(shù)大幅度波動(dòng)，計(jì)量存在較大誤差；因此無法對(duì)各支管安裝電磁流量計(jì)進(jìn)行單孔水量監(jiān)控，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)單孔運(yùn)行異常。

圖1 O2靜態(tài)混合加注示意圖

2.2 噴射混合加注方式

噴射混合加注方式是通過注液支管加注，將特制的噴射混合器與注液支管連接，當(dāng)流體經(jīng)過混合器噴射后，流體速度變小、壓力增大，氧氣的溶解度隨壓力增大呈直線上升[6]。噴射混合加注方式如圖2所示。

圖2 噴射混合加注方式示意圖

當(dāng)吸附尾液通過一級(jí)噴嘴進(jìn)入負(fù)壓室內(nèi)時(shí)，會(huì)在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，將O2吸入負(fù)壓室內(nèi)。由于吸附尾液和O2的流速差異較大，在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生激烈的混合。當(dāng)混合吸附尾液經(jīng)過二級(jí)噴嘴噴出后，流體速度變小、壓力增大，極大提高了O2溶解效果，使氧氣與吸附尾液充分混合。

噴射混合加注方式的優(yōu)點(diǎn)在于吸附尾液在經(jīng)過流量計(jì)計(jì)量后，再進(jìn)入噴射裝置。這種加注方式可根據(jù)鉆孔內(nèi)注入的吸附尾液量加注O2，實(shí)現(xiàn)不同鉆孔不同加注標(biāo)準(zhǔn)，在溶解氧較低區(qū)域增加氧氣加注量，在溶解氧較高區(qū)域減少氧氣加注量。對(duì)于注液量低于1 m3/h的鉆孔，在加注O2時(shí)，因鉆孔注液量較低，吸附尾液在噴射裝置中的射流速度相對(duì)低，導(dǎo)致O2與吸附尾液混合不充分，造成氣體聚集堵塞，產(chǎn)生滯流、斷流現(xiàn)象，致使該部分浸采單元浸出效果較差、浸采周期較長(zhǎng)、資源回收率較低、浸采成本升高。

3 低流量鉆孔注氧方式優(yōu)化

內(nèi)蒙古某鈾礦床27#采區(qū)于2017年9月投入生產(chǎn)運(yùn)行，累計(jì)投入抽液鉆孔41個(gè)，注液鉆孔89個(gè)，采區(qū)注液壓力為1.7 MPa，注氧壓力為1.9 MPa，氧氣加注質(zhì)量濃度為500 mg/L。采區(qū)瞬時(shí)抽液量為187.5 m3/h，采區(qū)瞬時(shí)注液量為186.9 m3/h。單孔平均瞬時(shí)抽液量為4.6 m3/h；單孔平均瞬時(shí)注液量為2.1 m3/h，其中有17個(gè)注液鉆孔的瞬時(shí)注液量低于1 m3/h。該部分鉆孔因流量過低，無法進(jìn)行高效均勻的O2加注，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔周邊浸采單元的浸出液濃度較低。

針對(duì)上述問題，結(jié)合靜態(tài)混合加注和噴射混合加注方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種適用于低流量鉆孔的O2加注方式，即先使經(jīng)過計(jì)量的O2與吸附尾液進(jìn)行噴射混合，然后再進(jìn)行靜態(tài)混合。低流量鉆孔O2加注裝置由噴射混合裝置與靜態(tài)混合裝置組成，如圖3所示。

圖3 低流量鉆孔O2加注裝置示意圖

將噴射混合器與靜態(tài)混合器相結(jié)合，當(dāng)吸附尾液通過一級(jí)噴嘴進(jìn)入負(fù)壓室內(nèi)時(shí)，與吸入負(fù)壓室內(nèi)的O2激烈混合；接著經(jīng)過二級(jí)噴嘴噴出，吸附尾液壓力增大，O2與流體實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步混合；然后再通過注液分配器內(nèi)設(shè)置的混合單元，對(duì)吸附尾液產(chǎn)生分散、攪拌、改變流體方向等作用，使得O2與吸附尾液充分混合。通過該注氧方式，提高了單孔流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了O2和吸附尾液的混合效果，解決低流量鉆孔氣體堵塞問題。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

選取27#采區(qū)流量低于1 m3/h的注液孔，開展低流量鉆孔O2加注方式優(yōu)化試驗(yàn)。該部分注液鉆孔在注氧方式改變前已投入運(yùn)行10個(gè)月，周邊浸采單元的溶解氧質(zhì)量濃度為3.0 mg/L，浸出液鈾質(zhì)量濃度為9.75 mg/L。根據(jù)集控室內(nèi)低流量鉆孔分布情況，制定了低流量鉆孔O2加注改造方案，開展低流量鉆孔O2加注現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。對(duì)改造前后的鉆孔流量、溶解氧、U濃度等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖4～6所示。

從圖4可看出，該部分鉆孔在O2加注方式優(yōu)化前的鉆孔瞬時(shí)注液量為22.55 m3/h，采用低流量鉆孔O2加注方式后，瞬時(shí)注液量有小幅上升，未出現(xiàn)流量下降現(xiàn)象。這表明采用低流量鉆孔O2加注方式后單孔未出現(xiàn)氣體聚集堵塞，未產(chǎn)生滯留、斷流現(xiàn)象，鉆孔運(yùn)行正常。

圖4 注氧方式改造前后注液量變化曲線

圖5 注氧方式改造前后溶解氧變化曲線

圖6 注氧方式改造前后鈾質(zhì)量濃度變化曲線

從圖5可看出，低流量鉆孔O2加注方式優(yōu)化前，該部分浸采單元的溶解氧質(zhì)量濃度由2.0 mg/L(3月份)上升至3.0 mg/L(7月份)；采用低流量鉆孔O2加注方式后，該部分浸采單元的溶解氧質(zhì)量濃度由3.0 mg/L(7月份)上升至11.8 mg/L(10月份)。采用低流量鉆孔O2加注方式，大幅提高了該部分浸采單元的溶解氧濃度。

從圖6可看出，采用低流量鉆孔O2加注方式前，該部分浸采單元的鈾質(zhì)量濃度由9.3 mg/L(3月份)上升至9.7 mg/L(7月份)，鈾質(zhì)量濃度上升了0.4 mg/L；注氧方式優(yōu)化后，該部分浸采單元的鈾質(zhì)量濃度由9.7 mg/L(7月份)上升至13.0 mg/L(10月份)，鈾質(zhì)量濃度上升了3.3mg/L。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)采用低流量鉆孔O2加注方式提高了浸采單元的浸出液鈾濃度。

5 結(jié)論

低流量鉆孔O2加注方式將靜態(tài)混合方式與噴射混合方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低流量鉆孔O2加注。低流量鉆孔O2加注方式提高了鉆孔利用率，提高了低流量浸采單元的浸出效果，縮短了浸采周期，提高了資源回收率。