某地浸采铀矿山低流量钻孔O2加注方式优化

赵生祥，曹俊鹏，阮志龙，李喜龙，滕 飞

(中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

CO2+O2原地浸出采铀工艺，是通过钻孔将含O2和CO2的浸出剂注入含矿层，浸出剂与铀矿物进行反应，形成含铀浸出液；然后将浸出液通过钻孔提升至地表进行处理。内蒙古某CO2+O2原地浸出采铀矿山，部分钻孔所处区域的含矿含水层渗透性差、注液量小(<1 m3/h)。该部分钻孔在生产运行中，注孔管线经常出现O2聚集、溶液断流现象，使得该部分浸采单元浸出效果较差、浸采周期较长、资源回收率较低、浸采成本较高。因此，有必要研究一种适合低流量钻孔的O2加注方式，保障浸出剂连续稳定地注入矿层，进而提升低流量钻孔的浸采效果。

1 O2溶解机制

O2属于难溶于水的非极性气体分子[1]，其与极性水分子之间存在着诱导力及色散力作用，其中色散力占主导地位。色散力的大小主要由分子质量决定，分子质量越大，色散力也越大，分子之间的范德华力也越大。

O2在水中的溶解方式分为2大类[2]：第一类是O2填充在水分子的间隙中，是一个物理过程，称之为间隙填充；第二类是O2分子、水分子间发生水合作用，2种分子发生化学变化紧密结合并释放热量。

O2在标准状况(0 ℃和大气压强101.325 Pa)下的密度为1.429 g/L，能溶于水，但溶解度仅为8.25 mg/L[3]。不同温度条件下，氧气溶解量与温度、压力关系为[4]

(1)

式中：H—绝对水柱，m；T—温度，℃。

2 O2加注方式研究

目前在国内CO2+O2原地浸出采铀矿山井场工艺中，O2加注方式主要有传统的静态混合加注方式和喷射混合加注方式。

2.1 静态混合加注方式

静态混合加注方式是通过注液主管线加注，将具有特殊结构的混合单元按规律组合、固定在管线内部，当吸附尾液和O2通过该区域时，混合单元对流体产生分散、改变流向、搅拌等作用，使管道内的吸附尾液和O2充分混合[5]。O2静态混合加注方式如图1所示。当吸附尾液及O2通过注液分配器时，注液分配器内部设置的混合单元会对吸附尾液产生分散、改变流向、搅拌等作用，使得O2与吸附尾液充分混合。

静态混合加注方式巧妙地使用了氧气加注混合器，混合器外观是一条管道，内部设有混合单元。混合器一般通过法兰连接，投资成本较低且维修保养简单，能适用于连续化生产。但静态混合加注方式存在以下缺点：1)O2混合不均匀。因O2溶解度较小，在注液分配器内气液混合不充分，导致在注液分配器后端形成O2滞留区，需进行O2排放，造成原材料浪费；而且O2滞留区钻孔的氧气加注效果较差，影响浸出效果。2)单孔流量无法准确计量。因氧气溶解度较低，造成经过与O2混合的浸出剂中含有大量气泡，含气泡的浸出剂采用电磁流量计计量时引起读数大幅度波动，计量存在较大误差；因此无法对各支管安装电磁流量计进行单孔水量监控，不能及时发现单孔运行异常。

图1 O2静态混合加注示意图

2.2 喷射混合加注方式

喷射混合加注方式是通过注液支管加注，将特制的喷射混合器与注液支管连接，当流体经过混合器喷射后，流体速度变小、压力增大，氧气的溶解度随压力增大呈直线上升[6]。喷射混合加注方式如图2所示。

图2 喷射混合加注方式示意图

当吸附尾液通过一级喷嘴进入负压室内时，会在负压室内产生负压，将O2吸入负压室内。由于吸附尾液和O2的流速差异较大，在负压室内产生激烈的混合。当混合吸附尾液经过二级喷嘴喷出后，流体速度变小、压力增大，极大提高了O2溶解效果，使氧气与吸附尾液充分混合。

喷射混合加注方式的优点在于吸附尾液在经过流量计计量后，再进入喷射装置。这种加注方式可根据钻孔内注入的吸附尾液量加注O2，实现不同钻孔不同加注标准，在溶解氧较低区域增加氧气加注量，在溶解氧较高区域减少氧气加注量。对于注液量低于1 m3/h的钻孔，在加注O2时，因钻孔注液量较低，吸附尾液在喷射装置中的射流速度相对低，导致O2与吸附尾液混合不充分，造成气体聚集堵塞，产生滞流、断流现象，致使该部分浸采单元浸出效果较差、浸采周期较长、资源回收率较低、浸采成本升高。

3 低流量钻孔注氧方式优化

内蒙古某铀矿床27#采区于2017年9月投入生产运行，累计投入抽液钻孔41个，注液钻孔89个，采区注液压力为1.7 MPa，注氧压力为1.9 MPa，氧气加注质量浓度为500 mg/L。采区瞬时抽液量为187.5 m3/h，采区瞬时注液量为186.9 m3/h。单孔平均瞬时抽液量为4.6 m3/h；单孔平均瞬时注液量为2.1 m3/h，其中有17个注液钻孔的瞬时注液量低于1 m3/h。该部分钻孔因流量过低，无法进行高效均匀的O2加注，进而导致钻孔周边浸采单元的浸出液浓度较低。

针对上述问题，结合静态混合加注和喷射混合加注方式的优缺点，提出了一种适用于低流量钻孔的O2加注方式，即先使经过计量的O2与吸附尾液进行喷射混合，然后再进行静态混合。低流量钻孔O2加注装置由喷射混合装置与静态混合装置组成，如图3所示。

图3 低流量钻孔O2加注装置示意图

将喷射混合器与静态混合器相结合，当吸附尾液通过一级喷嘴进入负压室内时，与吸入负压室内的O2激烈混合；接着经过二级喷嘴喷出，吸附尾液压力增大，O2与流体实现进一步混合；然后再通过注液分配器内设置的混合单元，对吸附尾液产生分散、搅拌、改变流体方向等作用，使得O2与吸附尾液充分混合。通过该注氧方式，提高了单孔流量计量的准确性，增强了O2和吸附尾液的混合效果，解决低流量钻孔气体堵塞问题。

4 现场应用

选取27#采区流量低于1 m3/h的注液孔，开展低流量钻孔O2加注方式优化试验。该部分注液钻孔在注氧方式改变前已投入运行10个月，周边浸采单元的溶解氧质量浓度为3.0 mg/L，浸出液铀质量浓度为9.75 mg/L。根据集控室内低流量钻孔分布情况，制定了低流量钻孔O2加注改造方案，开展低流量钻孔O2加注现场试验。对改造前后的钻孔流量、溶解氧、U浓度等参数进行了统计，如图4～6所示。

从图4可看出，该部分钻孔在O2加注方式优化前的钻孔瞬时注液量为22.55 m3/h，采用低流量钻孔O2加注方式后，瞬时注液量有小幅上升，未出现流量下降现象。这表明采用低流量钻孔O2加注方式后单孔未出现气体聚集堵塞，未产生滞留、断流现象，钻孔运行正常。

图4 注氧方式改造前后注液量变化曲线

图5 注氧方式改造前后溶解氧变化曲线

图6 注氧方式改造前后铀质量浓度变化曲线

从图5可看出，低流量钻孔O2加注方式优化前，该部分浸采单元的溶解氧质量浓度由2.0 mg/L(3月份)上升至3.0 mg/L(7月份)；采用低流量钻孔O2加注方式后，该部分浸采单元的溶解氧质量浓度由3.0 mg/L(7月份)上升至11.8 mg/L(10月份)。采用低流量钻孔O2加注方式，大幅提高了该部分浸采单元的溶解氧浓度。

从图6可看出，采用低流量钻孔O2加注方式前，该部分浸采单元的铀质量浓度由9.3 mg/L(3月份)上升至9.7 mg/L(7月份)，铀质量浓度上升了0.4 mg/L；注氧方式优化后，该部分浸采单元的铀质量浓度由9.7 mg/L(7月份)上升至13.0 mg/L(10月份)，铀质量浓度上升了3.3mg/L。通过对比，可以发现采用低流量钻孔O2加注方式提高了浸采单元的浸出液铀浓度。

5 结论

低流量钻孔O2加注方式将静态混合方式与喷射混合方式相结合，实现了低流量钻孔O2加注。低流量钻孔O2加注方式提高了钻孔利用率，提高了低流量浸采单元的浸出效果，缩短了浸采周期，提高了资源回收率。