王 飛

(中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著我國(guó)北方砂巖性鈾礦的不斷探明和開發(fā)，CO2+O2地浸采鈾工藝已成為保障國(guó)內(nèi)天然鈾產(chǎn)能的主力工藝技術(shù)。根據(jù)工藝要求，在配制浸出劑時(shí)，需向注液支管常年連續(xù)注入氧氣，如何實(shí)現(xiàn)氧氣的高效利用至關(guān)重要。在CO2+O2地浸工藝中，氧氣在壓力管道中的溶解過程屬于氣體的傳質(zhì)學(xué)，但是氧氣在水中的低溶解性使得氧在浸出劑中的傳質(zhì)較為困難。在氧氣計(jì)量方面，現(xiàn)有的地浸采鈾礦山氣體加注工藝主要采用玻璃(金屬)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量測(cè)量精度低，流量因介質(zhì)壓力和溫度的變化而難以穩(wěn)定計(jì)量，不能自動(dòng)調(diào)整和遠(yuǎn)程控制，尤其對(duì)于低流量范圍內(nèi)的氣體難以精準(zhǔn)控制，且人工監(jiān)測(cè)和手動(dòng)調(diào)節(jié)的誤差大、費(fèi)時(shí)低效。為了優(yōu)化CO2+O2浸出工藝中氧氣的溶解和計(jì)量方式，系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)地浸礦山溶氧和計(jì)量方式，以內(nèi)蒙古某鈾礦地浸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了靜態(tài)混合器溶氧、氣體質(zhì)量流量控制器計(jì)量的加氧方式，達(dá)到了氧氣高效溶解和精確計(jì)量的目的。

1 溶氧的技術(shù)現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的地浸采鈾氧氣加入工藝中，液態(tài)氧經(jīng)低溫氣體汽化器轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，再經(jīng)過調(diào)壓閥減壓后，通過輸氧管路輸送至井場(chǎng)集中控制室的氣體分配器中。在井場(chǎng)集中控制室內(nèi)，進(jìn)行氧氣和浸出劑的混合，根據(jù)各注液井注液流量大小和工藝濃度要求控制浸出劑氧氣配制濃度。

內(nèi)蒙古通遼市某地浸采鈾礦山采用水力切割式地浸浸出劑混氧裝置(圖1)，在連接注液管道的法蘭內(nèi)裝入噴嘴(圖2)，再將射流部件和法蘭依次順序連接，組成了混氧室。流體從孔徑小的噴嘴中進(jìn)入內(nèi)徑較大的氧氣混合室中，由于流體從噴嘴高速噴出，在連接管處產(chǎn)生負(fù)壓，氧氣從連接管被吸入混氧室。當(dāng)流量一定的情況下，由于噴嘴的內(nèi)徑小于混氧室的內(nèi)徑，混氧室流體流速降低，壓力將增大，高壓流體在接口處產(chǎn)生渦流混合作用，從而使氧氣溶解度增大。流體壓力增大和渦流混合均可以提高溶氧量，從而達(dá)到混氧的目的[1-2]。

新疆某礦山采用金屬浮子流量計(jì)(圖3)，流量計(jì)數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸，但不能遠(yuǎn)程調(diào)控。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，在金屬浮子流量計(jì)前增加了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(圖4)，但電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)于小于1.5 m3/h的流量控制較差，無法實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)[3]。

圖1 水力切割式地浸浸出劑混氧裝置Fig.1 Hydro-cutting in-situ leaching agent oxygen mixing device

圖2 水力切割式地浸浸出劑混氧裝置實(shí)物Fig.2 Actual water-cutting type in-situ leaching agent oxygen mixing device

圖3 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)Fig.3 Glass rotameter

圖4 金屬浮子流量計(jì)Fig.4 Metal rotameter

內(nèi)蒙古鄂爾多斯某地浸采鈾試驗(yàn)浸出劑加氧方式采用普通曝氣法，即將氧氣直接注入各注液井注液支管的浸出劑中，并隨浸出劑一起注入礦層；氧氣計(jì)量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(圖5)進(jìn)行，該流量計(jì)為普通氣體流量計(jì)，僅能實(shí)現(xiàn)氧氣加入量的計(jì)量和調(diào)節(jié)[4]。

圖5 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥Fig.5 Electric control valve

1.2 存在問題

在當(dāng)前CO2+O2地浸采鈾礦山中，采用水力切割式混氧裝置和常規(guī)曝氣法加氧，氧氣計(jì)量和調(diào)節(jié)方式采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬浮子流量計(jì)，這些工藝普遍存在以下問題。

1) 水力切割式地浸浸出劑混氧裝置對(duì)于注液量影響較大，特別是對(duì)于抽注液閉路循環(huán)系統(tǒng)，部分鉆孔注液量下降幅度達(dá)30%； 常規(guī)曝氣法混氧效果差，混合速度慢，利用率低，在地面長(zhǎng)距離的管道傳輸過程中，易出現(xiàn)氣液分離、氣堵的現(xiàn)象，流量小于1 m3/h的注液井易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

2) 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在使用過程中浮子上下波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)依靠人工讀數(shù)、人工調(diào)節(jié)旋鈕，且易結(jié)垢，造成的控制誤差大，導(dǎo)致氧氣計(jì)量不準(zhǔn)確，需要每班調(diào)節(jié)一次氧氣的加入量，人工調(diào)節(jié)氧氣頻次高，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，金屬浮子流量計(jì)需要搭配電磁控制閥使用。

2 氧氣在溶液中的溶解機(jī)理

2.1 基本原理

氧氣不易溶于水，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為1.429 g/L，1 L水中可以溶解約30 mL的氧氣。 氧氣在水中溶解方式主要有兩種，第一種為氣體分子在水分子的間隙中存在，是一個(gè)物理過程，稱之為間隙填充；第二種為氣體分子、水分子間發(fā)生水合作用，以兩種分子發(fā)生化學(xué)變化緊密結(jié)合，結(jié)合過程中釋放出熱量，氣體分子在水中的兩類溶解方式如圖6所示。氣體分子間隙填充溶解和氣體分子水合作用溶解，以及兩者共同作用溶解構(gòu)成了氣體分子在水中的溶解方式[5-8]。

圖6 氧氣在水中的溶解方式Fig.6 Dissolution of oxygen in water

2.2 氧氣溶解度

不同溫度條件下氧溶解量和壓力關(guān)系如圖7所示，氧氣溶解量與溫度、壓力關(guān)系見式(1)。

(1)

式中：Q為氧氣溶解量，mg/L；H為絕對(duì)水柱，m；T為溫度，℃。

圖7 18 ℃下O2溶解度隨壓力的變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of O2 solubility with pressure at 18 ℃

浸出劑中溶解氧的含量主要由礦層的靜水壓力決定(礦層頂板至靜水位的水柱壓力)，礦層水必須具有一定的水頭壓力，才能夠保證溶解足夠的氧[9]。鄂爾多斯某礦床浸出過程地下水水頭高度178～238 m，地下水溫度為18 ℃左右，根據(jù)式(1)計(jì)算，含礦含水層的溶氧能力為587.04～804.46 mg/L，每10 m水柱溶解氧氣33 mg/L。由此可知，浸出劑采用注氧濃度為200～400 mg/L可行。

2.3 影響氧氣在溶液中溶解的因素

2.3.1 溫度

溫度在氧溶解過程中是一個(gè)重要的影響因子，水溫的變化會(huì)改變水的物理性質(zhì)，直接影響到水的黏滯性和表面張力。當(dāng)水溫升高時(shí)，水的黏度降低，分子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)升高；此外，溫度對(duì)一定氧分壓條件下的飽和溶解氧濃度值存在影響，由亨利定律可知，溫度升高，氣體的溶解度減小，溶解氧的飽和濃度降低。

2.3.2 壓力

壓力對(duì)氧總轉(zhuǎn)移效率的影響主要體現(xiàn)在氧分壓對(duì)溶解氧的飽和濃度值的作用上，根據(jù)亨利定律，水中氧的溶解度與所受壓力的大小成正比，增大壓力可提高溶解氧的飽和濃度值，進(jìn)而增大氧向水體中轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力，最終表現(xiàn)為氧總轉(zhuǎn)移效率的升高。

2.3.3 氣泡半徑

氣泡的表面積公式為S=4πr2，氣泡的體積公式為V=4/3πr3，則比表面積S/V=3/r。在氣泡的體積不變時(shí)，氣泡的比表面積與氣泡的半徑成反比，10 μm氣泡和1 mm氣泡相比，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍。氣泡的比表面積增大，氣泡半徑越小，氣液兩相的接觸面積也變大，可提高氧向水體轉(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)，提高對(duì)氧的吸收利用率。

3 溶氧和氧氣計(jì)量方式

3.1 靜態(tài)混合器溶氧

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，其工作原理是氧氣與溶液在管道內(nèi)初步混合后形成浸出劑，浸出劑流經(jīng)靜態(tài)混合器內(nèi)部的混合單元體，在流動(dòng)的過程中，浸出劑不斷沖擊固定在管內(nèi)的一系列混合單元體，增加浸出劑層流運(yùn)動(dòng)的速度梯度或形成湍流，經(jīng)多次分割、剪切、旋轉(zhuǎn)和重新匯合[10-11]，以達(dá)到溶液與氧氣充分混合的目的。

針對(duì)SV型、SX型、SL型、SH型和SK型五種靜態(tài)混合器進(jìn)行比選，結(jié)合靜態(tài)混合器的用途(表1)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況，確定使用SV型氣-液混合器開展混氧試驗(yàn)。該裝置可以增加液體紊動(dòng)，減小液膜厚度，加速氣水界面更換，使氣泡變小，增大氣水接觸面積，從而實(shí)現(xiàn)浸出劑中氧氣的順暢注入和氣液的良好混合。

3.2 氣體質(zhì)量流量控制器

氣體質(zhì)量流量控制器用于對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)量和控制，該設(shè)備集控制與顯示于一體，量程為0～15 SLM、準(zhǔn)確度為±1%F.S、重復(fù)精度為±0.2%F.S、壓力范圍為0～1.6 MPa；裝置自帶液晶顯示器，能直觀清晰地顯示出不同的流量數(shù)據(jù)，并自動(dòng)校正溫度及壓力變化產(chǎn)生的影響；裝置核心部件為速度傳感器和溫度傳感器，均為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)白金電阻溫度探測(cè)器，密封在316L不銹鋼包裝殼內(nèi)。氣體質(zhì)量流量控制器自帶模擬信號(hào)，可通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)[12]。

表1 靜態(tài)混合器產(chǎn)品用途Table 1 Static mixer product use

氧氣流經(jīng)速度傳感器，儀表電路將速度傳感器加熱到高于氧氣溫度的一個(gè)常數(shù)值，使速度傳感器和測(cè)量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當(dāng)保持溫差不變時(shí)，電加熱消耗的能量，也可以說熱消散值，與流過氣體的質(zhì)量流量成正比，以此原理可計(jì)算出氧氣流量，并在顯示器上直觀清晰地顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和溫度等數(shù)據(jù)[13-14]。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

4.1 靜態(tài)混合器集中加氧試驗(yàn)

以內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾礦山試驗(yàn)為例，介紹靜態(tài)混合器(SV型)和氣體質(zhì)量流量控制器在氣液混合過程中的應(yīng)用情況。

4.1.1 試驗(yàn)概況

為了解決小流量注液井加氧困難的問題，針對(duì)試驗(yàn)采區(qū)注液量小于2.0 m3/h的6個(gè)注液井，用靜態(tài)混合器進(jìn)行集中加氧試驗(yàn)，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)氧氣和浸出劑的高效混合，試驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 靜態(tài)混合器集中加氧試驗(yàn)Fig.8 Concentrated oxygen addition test of static mixer

4.1.2 效果分析

為驗(yàn)證加氧效果，開展集中加氧與集控室溶氧進(jìn)行平行對(duì)比。在與集中加氧鉆孔注液量相近的1-14-7Z注液井、1-9-8Z注液井上增加取樣口，進(jìn)行溶氧的平行對(duì)比。根據(jù)溶氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同等條件下，各注液井溶氧較1-14-7Z注液井、1-9-8Z注液井上升幅度在10.4%～18.1%之間，平均增幅為15%。采用氣液靜態(tài)混合器進(jìn)行集中加氧能有效提升氧氣溶解量，確保了低流量注入氧氣的有效加入，解決了采用常規(guī)曝氣加氧造成的低流量鉆孔嚴(yán)重氣堵的問題[15]。

隨著集中加氧試驗(yàn)的持續(xù)運(yùn)行，各注液井流量呈緩慢下降趨勢(shì)，單孔流量下降0.2～0.4 m3/h，平均降幅為15%。通過分析可知，改造的集中加氧管路將注液管加長(zhǎng)，增加彎頭，增大了管道阻力，造成水流動(dòng)力損失，導(dǎo)致注液量下降，從而需增加管道泵以克服集中混氧裝置阻力，增大注液壓力。

4.2 靜態(tài)混合器單孔混氧試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證單孔靜態(tài)混合器混氧效果，選定位于采區(qū)邊緣、浸采率相對(duì)較低的1-7-6C抽液?jiǎn)卧?-7-10C抽液?jiǎn)卧?-3-2C抽液?jiǎn)卧?個(gè)單元對(duì)應(yīng)的9個(gè)注液井，安裝了SV型靜態(tài)混合器(圖9)。

圖9 靜態(tài)混合器實(shí)物圖Fig.9 Physical map of static mixer

4.2.2 效果分析

浮萍家族的成員雖然都很微小，但卻有著較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，浮萍含有多種維生素和豐富的植物性蛋白，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可與黃豆媲美。

靜態(tài)混合器安裝后各注液井的注液流量相對(duì)穩(wěn)定，表明安裝靜態(tài)器不會(huì)造成注液量下降。 期間，保持氧氣加入濃度為300 mg/L，注液壓力為1.1 MPa，二氧化碳加入濃度為180 mg/L，3個(gè)抽液?jiǎn)卧＿\(yùn)行的狀態(tài)下，鈾濃度緩慢上升(圖10)，其中，1-3-2C抽液?jiǎn)卧獫舛扔?1.0 mg/L上漲至24.7 mg/L，上漲3.7 mg/L；1-7-6C抽液?jiǎn)卧獫舛扔?0.0 mg/L上漲至12.9 mg/L， 上漲2.9 mg/L； 1-7-10C抽液?jiǎn)卧獫舛扔?.4 mg/L上漲至15.0 mg/L， 上漲5.6 mg/L。但是，在現(xiàn)有的條件下無法準(zhǔn)確測(cè)量溶液中溶解氧濃度，因此對(duì)于靜態(tài)混合器混氧效果，暫無法進(jìn)行定量分析，后續(xù)將重點(diǎn)研究高濃度溶氧儀進(jìn)行溶氧測(cè)定。

圖10 鈾濃度變化趨勢(shì)圖Fig.10 Variation trend of uranium concentration

4.3 氣體質(zhì)量流量控制器氧氣計(jì)量試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)概況

選定1-16-9C抽液?jiǎn)卧?個(gè)注液井開展氣體質(zhì)量流量控制器的加氧試驗(yàn)，氣體質(zhì)量流量控制器代替玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行氧氣計(jì)量。

4.3.2 效果分析

為精確地分析試驗(yàn)效果，選取了氧氣加入濃度為250 mg/L時(shí)的數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，期間，1-16-9C抽液?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)的4個(gè)注液井累計(jì)注入氧氣3.50 t，累計(jì)注液量14 000 m3，4個(gè)注液井的平均加氧濃度為250.19 mg/L，與理論加入濃度250 mg/L相差0.19 mg/L，單孔加入濃度分別為252.23 mg/L、253.56 mg/L、247.45 mg/L、248.67 mg/L，誤差率為-1.02%～1.42%(表2)。氣體質(zhì)量流量控制器相比玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)測(cè)值誤差10%)，計(jì)量精度得到了大幅度提升，有力地保障了地浸浸出劑的配制工作。該裝置穩(wěn)定加氧，無需每班調(diào)節(jié)，減輕了人工作業(yè)量，且裝置可記錄累計(jì)加氧量，對(duì)于分析單元浸采率提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

表2 氧氣加入濃度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of oxygen added concentration

5 應(yīng)用評(píng)價(jià)

氣體質(zhì)量流量控制器在CO2+O2地浸采鈾工藝中的應(yīng)用，可精確計(jì)量氧氣加入量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，減少人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)頻次，降低員工作業(yè)量。 高效混氧和氧氣的精確計(jì)量技術(shù)，將突破傳統(tǒng)的CO2+O2地浸采鈾礦山混氧和計(jì)量方式，為砂巖型鈾礦床開采的地浸生產(chǎn)企業(yè)帶來精益化控制方式。

6 結(jié)論及展望

1) 采用氣液靜態(tài)混合器進(jìn)行集中加氧可有效提升氧氣溶解量，確保低流量注液井氧氣的有效加入。

2) 靜態(tài)混合器單孔混氧試驗(yàn)，提高了浸出劑溶氧濃度，促使試驗(yàn)單元鈾濃度緩慢上升。

3) 氣體質(zhì)量流量控制器在CO2+O2地浸采鈾工藝中的應(yīng)用，可精確計(jì)量氧氣加入量，氧氣計(jì)量誤差控制在2%以內(nèi)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，減少人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)頻次，降低員工作業(yè)量。

4) 在現(xiàn)有的溶氧測(cè)量技術(shù)下，測(cè)量溶解氧的最高濃度為50 mg/L，無法準(zhǔn)確測(cè)量靜態(tài)混合器混氧后的高濃度溶解氧，因此對(duì)于靜態(tài)混合器混氧效果，暫無法進(jìn)行定量分析，后續(xù)，將重點(diǎn)研究高濃度溶解氧測(cè)量技術(shù)，定量的對(duì)比靜態(tài)混合器溶氧效果。