地浸采铀碳酸钙结垢主要影响因素研究

原 渊，江国平，廖天伟，张 渤，邓锦勋，董惠琦

(1.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

0 引 言

CO2+O2地浸工艺具有试剂消耗少、对地下水影响程度小、不破坏天然渗透性等优点[1]，同时能有效浸出矿石中铀，在国内外得到了广泛的应用。我国采用CO2+O2地浸工艺开发某砂岩型铀矿床时，曾数次出现因结垢导致的抽注液量降低，生产能力下降的情况，如不及时得到处理甚至会导致钻孔报废。因此，探索CO2+O2浸出工艺中结垢的成因与处理办法，具有广阔的应用前景。

1 结垢的形成过程

1.1 结垢的主要原因

在地浸开采的过程中，经常会出现堵塞问题，降低过滤器及周围岩石的渗透性。常见的堵塞类型为：化学堵塞、气体堵塞、离子交换堵塞与机械堵塞。CO2+O2地浸工艺，容易产生某些离子在运移过程中，形成单一的或混合的难溶物质，在矿层内堵塞孔隙，降低矿层渗透性，最常见的是Ca(Mg)CO3。

1.2 结垢的形成过程

碳酸钙(CaCO3)结垢主要包括四个步骤：①水中的相关离子结合形成低溶解度的盐类分子；②低溶解度分子相结合，形成微小的晶粒，然后产生晶粒化过程；③大量的晶体在特定位置堆积长大；④在不同的部位形成结垢[2]。

CaCO3结垢主要发生在抽液井、离子交换塔、过滤器与潜水泵等处，其中，以过滤器与潜水泵尤为严重。

2 预测方法的选择

目前，预测CaCO3结垢的主要方法包括：Stiff&Daivs饱和指数法(SI)法、Rynar稳定指数法(RI)法、Oddo&Tomson饱和指数法以及苏联饱和系数法[3]。考虑到地浸采铀的工艺流程，此次选择Stiff&Daivs饱和指数法(SI)法。饱和指数方程见式(1)。

SI=pH-(K+pCa+pAlk)

(1)

(2)

SI为饱和指数，当SI=0时，CaCO3处于溶解平衡状态，不产生结垢；当SI>0时，溶液呈过饱和状态，CaCO3结垢倾向于析出，SI越大，结垢的倾向也越大；当SI<0时，溶液呈不饱和状态，不会产生CaCO3结垢[4]。

图1 碳酸盐体系各个物种之间转化与pH值之间的关系曲线Fig.1 The variation curve between different species distribution of carbonate compounds and pH value

3 结垢的主要处理方法

根据调研，CaCO3结垢的处理方法主要包括：①在溶液流动回路中加入适量的CO2或其他化学试剂，降低溶液pH值，增加CaCO3在溶液中的溶解度，避免结垢的发生。②使用硬水软化装置以及反渗透等方法除去溶液中的Ca2+，避免结垢的形成。澳大利亚Honeymoon铀矿床曾使用反渗透处理与用上含水层水替换的方法降低浸出液中Ca2+浓度。③使用化学试剂沉淀除钙。新疆738矿床的试验中，为减轻结垢，曾在吸附后设置沉淀槽，使用0.5～0.6 g/L Na2CO3作为沉淀剂沉淀Ca2+离子，降低溶浸液中的Ca2+离子浓度[5]。④加螯合剂或络合剂来防止CaCO3结垢。金问龙等曾使用(NaPO3)6作为防结垢剂，它可以依附于正在生长的CaCO3微晶，改变晶形高度扭变，抑制CaCO3沉淀的生长[6]。

4 地浸采铀应用案例

4.1 试验条件简介

某CO2+O2条件试验钻孔井型采用五点型，一抽四注，共5个试验井，抽注液井间井距为25 m。试验开始后，抽液孔抽液量约9.0 m3/h。根据注液井的注液能力以及抽注平衡，确定了各注液井的注液量。运行40 d后开始，钻孔注液量开始下降，见表1。3#注液井的注液量下降幅度达76.8%，注液压力升高幅度达到78.5%；4#注液井的注液量下降幅度约100%，注液压力升高幅度为72.5%。

4.2 结垢产生的边界条件预测

4.3 结垢处理方法与效果

表1 注液井的注液量变化情况

表2 SI饱和指数法的预测结果

图2 SI饱和指数随溶液pH值变化情况Fig.2 The variation curve between SI saturation index and pH value

利用在线pH值仪测定加入CO2后，溶液pH值的变化情况，最终确定加入CO2的浓度为250 mg/L；CO2加入后，注液pH值开始下降；加入10 d后，注液pH值降至6.69，降低至CaCO3发生结垢的临界pH值6.90之下；加入18 d后，注液总压力由0.6 MPa降至0 MPa，钻孔注液量得以恢复，表明CO2的加入对于解决地浸试验CaCO3结垢取得明显效果。

5 结 论