微孔曝气加氧技术在地浸采铀中的应用

任华平,李 德,贾志远,师振峰,王红义,何慧民

(新疆中核天山铀业有限公司,新疆 伊宁 835000)

“CO2+O2”中性浸出具有地球化学干扰小、工艺简单、基建投资少、生产成本低、环境友好和安防条件好、资源利用率高等优点[1-3],该工艺在新疆某砂岩型铀矿床应用效果较好。该砂岩型铀矿床属于辫河沉积砂岩,矿床地质及水文条件复杂。在采区开拓过程中,各采区渗透性变化较大,在含水层渗透性差、水量小的采区,单孔加氧方式存在气堵、氧气流量计返水、维修工作量大、氧气溶解度低等问题,导致矿层中四价铀氧化不充分,浸出液铀浓度低,开采年限长,生产成本高。

以低渗透性、低水量砂岩型铀矿为研究对象,在“CO2+O2”中性浸出时,采用微孔曝气加氧技术,以期提高氧气的溶解度和对四价铀的氧化效果。

1 采区概况

1.1 水文地质特征

某砂岩铀矿床5#采区共施工57口生产井,布局为五点型;其中抽液井24口,注液井33口,矿体平均厚度为2.40 m,铀品位为0.042 3%,平米铀量为2.43 kg/m2。矿石主要呈疏松、次疏松结构,为灰色、深灰色砂(砾)岩矿石及少量的泥岩矿石和致密的钙质胶结砂(砾)岩矿石。矿石中铀以吸附态和铀矿物形式存在[4],占比各为50%;矿石中四价铀与六价铀的占比约为50%。吸附态铀主要与矿石中黏土矿物、粉末状黄铁矿和岩屑物相关[5]。

5#采区含矿含水层为侏罗系下统西山窑组第一岩性段第四含矿含水层,含水层厚度为10.8～59.9 m,平均厚27.4 m。岩性为砾岩、砂质砾岩、中粗砂岩等,以泥质胶结为主,夹钙质胶结碎屑岩透镜体。水文地质孔ZK13W4的静水位为52.62 m,单位涌水量为27.48 m3/d,导水系数为2.506 m2/d,渗透系数为0.145 m/d。水化学以Cl·SO4—Na型为主,矿化度为8.46～9.02 g/L,pH为7.10～7.33,水温为18～20 ℃,含矿含水层与矿层厚度比主要为1～10(占比78.9%)。

1.2 采区浸出现状

图1 5#采区单孔平均水量Fig. 1 Average water volume of single hole in 5# mining area

图2 5#采区浸出液ρ(U)与变化Fig. 2 Change of ρ(U) and in the leachate of 5# mining area

1.3 存在的问题

该采区原加氧方式为单孔直接加氧,在注液压力0.80 MPa下,单孔注液量为0.3～0.7 m3/h,单孔抽液量为0.6～1.6 m3/h。在该压力条件下理论溶解氧计算公式[6]为

(1)

式中:H为绝对水柱,m;T为温度,℃;Q为氧气溶解量,mg/L。

浸出剂中的溶解氧含量主要由矿层的静水压力(矿层顶板至静水位的水柱压力)决定[7],5#采区矿层顶板底部平均埋深为132.6 m,静水位为52.62 m,地下水温度为22 ℃。根据公式(1)计算得出5#采区浸出剂中理论溶解氧量为277.63 mg/L。实际生产中,在氧气最大加入量为100.00 mg/L时,出现浸出剂注液管道及钻孔气堵、氧气溶解能力差、四价铀被氧化不足、浸出液铀浓度低等问题。另外,在排气过程会造成部分氧气浪费,增加氧气消耗和影响生产成本。

2 微孔曝气加氧技术研究

2.1 曝气方式选择

目前国内外采用的人工微孔曝气技术主要有机械曝气、扬水曝气以及鼓风曝气,主要应用在污水净化及河流湖泊治理工程方面[8-10],优缺点对比见表1。

表1 机械曝气、扬水曝气以及鼓风曝气优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of mechanical aeration, lift aeration and blast aeration

铀矿“CO2+O2”中性浸出工艺对溶解氧的要求较高,借鉴鼓风曝气微孔扩散器原理,结合现有带压供氧设备及设施,研究微孔曝气技术。微孔曝气头最常见的形式有盘式、板式及膜片式,制作材料多采用橡胶、刚玉、陶瓷及不锈钢。从待研究铀矿床含矿含水层矿化度高、对设备腐蚀严重、安装及操作方便等方面考虑,选择采用316不锈钢粉末烧结而成的微孔曝气头,进行“CO2+O2”中性浸出工艺微孔曝气加氧探索研究。

2.2 微孔曝气氧传质理论

微孔曝气氧传质是物质分子在具有浓度差的两相间的传递过程。在气泡-水界面的氧传质主要发生在液相内部,曝气产生的气泡对这一传质过程起到关键作用,而气泡的物理参数决定了气泡的运动特性。增加供氧压力和氧气与液体的接触面积,可提高氧在水中的浓度梯度,有利于氧气向水中传质。

目前地浸采铀供氧设备为高压液氧储罐,气化后的氧气具有一定的压力(一般在1.5 MPa)[11]。笔者主要通过增加氧气与浸出剂的接触面积来提高5#采区“CO2+O2”中性浸出的加氧效果。

2.3 微孔曝气加氧装置设计

试验选用的微孔曝气头由316不锈钢粉末烧结而成,孔隙度0.5～1.0μm,长500 mm,直径50 mm。微孔曝气头与加氧管道连接并安装在采区浸出剂的注液总管上,微孔曝气头全部沉浸在注液管内的浸出剂中,加入的氧气通过微孔曝气头的微孔形成微小气泡并附着在曝气头表面,增加氧气与浸出剂的接触面积(图3)。

在浸出剂向钻孔输送过程中,可将微小氧分子输送至矿层,进而将含铀矿层中四价铀氧化为六价铀,六价铀与碳酸铀酰配合,从而实现提升铀资源回采效率的目的。在微孔曝气加氧装置的氧气加入管上设计安装了解堵设施,当微孔曝气头孔隙出现堵塞时,关闭供气和出气阀,向解堵设施中加入少许10%的稀盐酸,可实现疏通解堵。这种解堵方式的解堵效率高,且对浸出剂注液影响较小。

2.4 微孔曝气试验方法

选择在某砂岩铀矿床5#采区“CO2+O2”中性浸出采区进行微孔曝气加氧试验,该采区注液总管控制24个抽注单元,子单元钻孔呈五点型分布,抽液井与注液井间距为30 m(图4),采区钻孔布局、数量、以及矿体地质特征与其他采区基本一致。为对比微孔曝气加氧的氧气溶解效果,氧气加入量与原单孔一致,为100.00 mg/L。根据采区总注液水量,调整气体质量计控制氧气加入流量,定期在采区注液总管、注液井口、以及抽液井取样,分析氧气溶解浓度和浸出液铀浓度变化情况。

3 试验结果与讨论

3.1 溶氧效果对比

2021年6月6日,在5#采区将原单孔加氧改为注液总管微孔曝气加氧,在浸出剂注液总管安装微孔曝气加氧装置,监测微孔曝气头加氧浸出效果。5#采区单孔平均抽液量为0.3～0.7 m3/h,单孔平均注液量为0.6～1.6 m3/h;在氧气加入量为100.00 mg/L时,浸出剂为乳白色,乳白色持续1.5～2.0 min逐渐消失。

5#采区浸出剂注液总管微孔曝气加氧及单孔加氧时的溶氧量对比见表2。可以看出,与单孔加氧相比,采用微孔曝气加氧时浸出剂单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,且浸出剂注液井口基本无气体排出。

表2 微孔曝气加氧前后溶氧量对比Table 2 Comparison of dissolved oxygen content before and after micropore aeration

3.2 浸出液铀浓度、余氧量对比

浸出液铀浓度、余氧量对比见表3、表4和图5。加氧14 d,浸出液溶氧量上升;加氧34 d,浸出液总管ρ(U)从13.55 mg/L提高至18.61 mg/L(上升了37.34%),余氧量从5.21 mg/L提高至14.36 mg/L(上升了175.62%),日浸出金属从3.902 kg/d提高至5.360 kg/d(上升了37.34%)。

表3 微孔曝气加氧前后浸出液总管铀浓度与余氧量对比Table 3 Comparison of uranium concentration and residual oxygen in leachate before and after micropore aeration

表4 微孔曝气加氧前后单孔浸出液铀浓度与余氧量对比Table 4 Comparison of uranium concentration and residual oxygen content in single-hole leachate before and after micropore aeration

图5 5#采区总浸出液ρ(U)与余氧量变化Fig. 5 The ρ(U) and residual oxygen change of total leachate of 5# mining area

4 微孔曝气加氧技术经济效益分析

以2021年微孔曝气加氧技术在5#采区的“CO2+O2”中性浸出为例,进行经济效益分析。

4.1 浸出产能分析

采用微孔曝气加氧技术后,浸出液ρ(U)从13.55 mg/L提高至18.61 mg/L,相比2021年增加金属0.587 t,按每吨金属60万元计算,经济效益增加37.34%(图6)。

图6 微孔曝气加氧前后浸出液铀浓度与日浸出金属变化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#采区开拓施工33口注液井计算,总管微孔加氧生产吨金属消耗氧气成本降低5 032元,降低了30.77%(表5);采区开拓加氧设施成本降低32 660元,降低了96.09%(表6)。

表5 微孔曝气加氧前后节约氧气成本测算Table 5 Cost calculation of saving oxygen before and after micropore aeration

表6 微孔曝气加氧前后节约加氧设施成本测算Table 6 Cost calculation of saving oxygenation facilities before and after micropore aeration

5 结论

微孔曝气加氧技术提高了氧气的溶解度,实现了低渗透性、低水量钻孔的高效加氧。浸出剂溶氧量提升62.47%～84.40%;浸出液余氧量平均上升226.85%,铀浓度平均上升43.29%。微孔曝气加氧技术的tU氧气消耗降低了30.77%,采区开拓加氧设施成本降低了96.09%,且操作简便,大幅降低了气体消耗和化学堵塞风险,解决了低渗透性砂岩铀矿“CO2+O2”中性浸出的加氧问题。