酸法地浸采铀配液池配酸与管道配酸的利弊分析

闻振乾，姚益轩，胥国龙，张 翀，郑剑平，李宏星，高明哲

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083)

2015年以来，地浸工艺生产的天然铀产品比例呈逐年升高的趋势[1]，达到了50%以上。受矿床条件和矿石性质制约[2]，有的矿床适合采用CO2+O2中性浸出工艺，有的矿床则适合采用酸法浸出工艺[3]。

酸法地浸采铀矿山一般采用质量浓度为3～50 g/L的H2SO4溶液作浸出剂。浸出剂用92.5%的工业浓硫酸配制，试验前期以矿层地下水为溶剂，试验后期以提取铀后的吸附尾液为溶剂。目前，酸法地浸采铀矿山的配酸方式主要以配液池(槽)配酸为主。建设配液池需要一定的占地面积和土建工程投资，通常在建设初期同集液池同时设计和施工。

随着地浸技术的发展、过程精细化控制和应急事故处理能力的提高，有地浸从业人员提出了用管道配酸代替配液池的观点[4]。管道配酸即直接在吸附尾液的管道上进行改造，根据工艺参数要求，在计量吸附尾液流量的基础上，配入一定量的浓硫酸达到直接配酸的目的。

无论是传统的配液池(槽)配酸还是管道配酸，都可有效配制稀硫酸溶液浸出剂；但2种配酸方式在安全、环保和应急等方面各有利弊，笔者对2种配酸方式进行比较分析，以期在以后的试验和生产中根据需要选择利用。

1 配液池配酸

1.1 配液池配酸流程及功能

传统的地浸采铀工艺流程一般设置配液池，地浸采铀工艺流程如图1所示。

图1 地浸采铀配液池配酸工艺流程示意

在地浸采铀工艺中，配液池具有以下作用：

1)为溶液提供缓冲空间。当试验和生产中出现停电、设备故障、管道堵塞、溶液外漏、抽注液量不稳定、吸附淋洗异常等现象时，配液池存有一定的缓冲空间和溶液，为事故的应急处理留有一定的处理时间，保证了异常情况在被操作人员发现前配液池不会出现“冒槽”和“打空”现象，可避免由此造成的设备损坏和连锁事故，且同时保证了浸出试验抽注的连续性。

2)为固体颗粒物提供沉降场所。浸出液经过离子交换工艺提取铀后，吸附尾液流入配液池配制浸出剂。长期运行，树脂床层存有的泥沙颗粒和树脂颗粒碎屑会被吸附尾液带出至配液池，配液池为固体颗粒物沉降提供了场所，避免了固体颗粒物直接随浸出剂注入钻孔，大大降低了注液钻孔过滤器堵塞而影响注液量的风险。

3)为浸出剂混合均匀提供空间和时间。配液池中存有一定体积的溶液，硫酸和吸附尾液同时注入配液池，溶液混合配制点至注液泵有足够的混合空间和时间，使溶液混合更加均匀，浸出剂浓度更加稳定。

1.2 配液池配酸的缺点

在降雨量小于蒸发量地区(如新疆伊犁、吐哈等地)，配液池上方一般不设置遮挡物。大风天气容易将灰尘和砂石吹入配液池污染溶液，增加浸出剂中颗粒物含量。降雨天气对当天的浸出剂配制浓度会稍有影响。

对于降雨量偏大的地区，配液池常设置围墙和顶棚。配液池上方弥漫的酸性水雾，容易对遮挡物造成腐蚀。

1.3 配液池设计

传统的地浸采铀工艺一般同时设置集液池和配液池。考虑二者容纳溶液的体积，同时兼顾对称美观、便于施工，二者的设计尺寸和施工工艺一般相同。

配液池除具备配液功能外，最大的作用是缓冲。配液池的缓冲能力取决于其尺寸，而配液池的尺寸一般根据抽注液流量和缓冲时间确定。

缓冲时间一般要求不小于30 min。当井场总注液量qv=10 m3/h时，若要求缓冲时间为1 h，配液池的稳定液面处于一半高度，则要求配液池体积应为20 m3。考虑到施工难度，配液池深度不宜过深，一般不超过3 m，当遇到特殊情况受到地表面积限制时，可适当考虑加深配液池深度。

吸附尾液中携带的固体颗粒物进入配液池后，做“类平抛运动”。竖直方向在重力场的作用下，溶液中的固体颗粒物将发生沉降。为了避免配液池中的固体颗粒物进入注液系统，要求其在水平流向的时间应大于其沉降时间，由此计算配液池和集液池应具备的长度。

为了确保配液池溶液中固体颗粒的沉降效果，在配液池下部设置溢流堰阻挡颗粒物下降过程中向前移动。配液池溢流堰设置如图2所示。

图2 设置溢流堰的配液池示意

1.4 配液池的辅助设施

为了实现集液池和配液池液位突变时能够被及时发现，并对浸出液、浸出剂流量及时反馈和调节，可在集液池和配液池中设置高液位和低液位传感器报警装置。当液位达到设定的液位上限或下限时，系统自动报警，提醒值班人员进行查看和调节，避免集液池和配液池出现“冒槽”和“抽空”现象。

2 管道配酸

2.1 管道配酸流程

根据不同的需求，堆浸和地浸配酸工序中有采用管道配酸装置的报道[4-5]。地浸采铀工艺中，对吸附尾液管道进行改造或连接管道配酸装置，根据工艺需要配上一定流量的浓硫酸，进行管道配酸以实现浸出剂的配制。如果井场各点所需酸浓度一致，则可直接在流出水冶厂的吸附尾液管道进行配酸；如果井场不同注孔所需酸浓度不一，则可在吸附尾液出集控室之后针对不同注孔需求进行分别配酸，管道配酸流程如图3所示。

图3 地浸采铀管道配酸工艺流程示意

2.2 管道配酸的优缺点

2.2.1管道配酸的优点

1)减少占地，节省建设投资。改造后的吸附尾液管道根据工艺需要，可直接注入一定流量的浓硫酸，实现浸出剂的配制。配酸直接在管道上实现，无需修建配液池，可节省占地和配液池建设投资。

2)灵活方便，易实现精细化控制。地浸采铀工程中，前续采区进入浸出中后期时，需要开拓新的采区。一般地，新开拓采区浸出初期和前续采区浸出中后期所需浸出剂浓度不同，因此可采用管道配酸的方法实现不同采区配制不同浓度的浸出剂。同一采区中不同地段资源情况也不尽相同，如果采用相同浓度的浸出剂浸出，浸出结束时间先后不一致，这势必延长整个采区退役周期。根据不同钻孔的资源量和抽注液能力，采用管道配酸方式，分别为不同注液孔配制相应的酸浓度，实现部分钻孔的精细化控制，使采区不同钻孔浸出结束时间大体一致，有利于缩短采区退役周期，提高工作效率。

3)配酸响应更加及时。根据浸出工艺要求，有时需要对浸出剂的酸浓度进行调节。管道配酸与配液池配酸相比，不存在大量溶液和空间缓冲，采用管道配酸时酸度响应更加及时。

2.2.2管道配酸的缺点

对于整个工艺流程而言，管道配酸方式在应急事故处理方面比配液池配液差。一旦出现管道堵塞、漏液等异常情况，需要全线停车维修。

2.3 管道配酸装置设计

根据配酸需求，对吸附尾液管道进行改造，管道配酸试验装置初步设计如图4所示。

图4 管道配酸试验装置初步设计示意

试验中，在溶液流量qv=10 m3/h、管径d=0.05 m时，计算得到溶液在管道的流速为

(1)

溶液密度ρ约为1.05 g/mL，取溶液黏度μ=2.0×10-3Pa·s，计算吸附尾液在管道流动的雷诺数[6]为

(2)

由此计算得到滞流内层厚度δ=0.31 mm。该滞流内层厚度远远小于管径0.05 m，滞流内层厚度可忽略。因此，吸附尾液质点在管道内作无规律的曲线运动，酸加入管道后依靠流体自身特性在一定距离内即可混合均匀。由于受厂房空间等因素限制，浸出剂配酸后通过短程管路进入分配器，可能会造成酸浓度不均。为了避免上述问题，管道可增设混合器实现酸的均匀配制。

试验中，采用专用浓硫酸隔膜泵将浓硫酸通过管道加入到吸附尾液中。浓硫酸进入吸附尾液瞬间，流体密度和流速发生较大变化，引起三通处(硫酸管与吸附尾液管连接处)压力的变化，形成涡流。浓硫酸排入吸附尾液内，由于涡环的卷吸作用，有少量湍流运动的吸附尾液进入浓硫酸管内，导致该处浓硫酸受倒流进入的吸附尾液的稀释而释放反应热，升高温度超过80 ℃。如果在该温度下长时间工作，会引起硫酸管道变形和管道连接处的快速腐蚀。

为此，在环境温度为10 ℃时，开展了98%浓硫酸与吸附尾液按不同体积比例混合的试验，测得硫酸溶液体系温度升高数据见表1。

表1 浓硫酸与水混合体系升高温度

试验结果表明越少的吸附尾液进入硫酸管道，温度升高越剧烈。因此有必要对管道配酸初步试验装置进行改造。

2.4 管道配酸装置改进

针对吸附尾液倒吸进入硫酸管道导致的温度升高问题，对管道配酸浓硫酸管道和吸附尾液管道连接处进行了改进。改进前如图5所示，改进后如图6所示。

图5 管道配酸初步试验管道连接示意

图6 管道配酸改进后的管道连接示意

改进后，浓硫酸管道伸入至配液管道中心，并向溶液流动方向弯曲。拟配制浸出剂硫酸浓度为10 g/L时，当硫酸进入吸附尾液管道时，由于吸附尾液与浓硫酸体积比大于200∶1，浓硫酸瞬间被稀释，稀释热导致的温度升高小于2 ℃，几乎可忽略。改进装置解决了硫酸管道和吸附尾液管道连接处发热问题，保证了管道配酸的正常进行。

3 结论

配液池配酸和管道配酸都可实现浸出剂的配制。配液池配酸在应对抽注系统异常情况时具有优势，提供了一定的缓冲时间，配液池配酸有利于浸出液和浸出剂体系中固体和气体的分离。配液池配酸的缺点是配液池上部的酸雾对遮挡物有腐蚀，建设集液池和配液池需要一定占地面积和建设投资。而管道配酸操作方便灵活，易实现精细化控制，尤其在分采区酸化、为特殊钻孔提供不同浓度浸出剂方面更具优势。

在实际应用过程中，可综合试验和生产规模、处理的溶液量、配制的浸出剂浓度、土地使用、建设投资等因素，选择配液池配酸或管道配酸或2种配酸方式配合使用。