СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ТЕХНИКЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНОВЫХ РУД

Выщелачивание — главная и основная операция гидрометаллургической переработки урановых руд. Так как масштабы этой стадии производства огромны, усовершенствование техники выщелачивания имеет большое значение в экономике всей урановой промышленности.

При подготовке руды к выщелачиванию находит применение бесшаровое измельчение. При этом сокращается расход шаров и достигаются лучшие технологические показатели: меньше расход кислоты и двуокиси марганца, выше извлечение урана, чище растворы. Представляет интерес возможность совмещения в одном аппарате процессов выщелачивания и бесшарового измельчения (измельчение в кислой среде). При этом растворяется до 50—80% урана и одновременно в 1,5—2 раза интенсифицируется процесс измельчения, так как происходит разрушение частиц руды и химическим путем.

В урановой технологии по-прежнему преобладает кислотное выщелачивание. Удельный вес карбонатного выщелачивания намного меньше. Однако граница содержания карбонатов для рентабельного применения этого метода выщелачивания неуклонно снижается, что объясняется несомненными успехами технологии карбонатного выщелачивания, в особенности применением автоклавов.

При кислотном выщелачивании главное внимание обращают на избирательность извлечения урана. Это достигают применением минимальной кислотности, низких температур, регулировкой конечного рН среды и окислительно-восстановительного потенциала. В ряде случаев прибегают к увеличению общей продолжительности выщелачивания.

Перерабатывают плотные пульпы в пачуках, располагаемых вне здания. Емкость пачуков достигает 600 м³ и выше. Как правило, на этих заводах обеспечиваются хорошее извлечение урана, меньший расход кислоты, получение более чистых растворов. Все это улучшает экономические показатели.      

Лучшим окислителем при сернокислотном выщелачивании признан природный пиролюзит. Его загрузка производится, как правило, во второй пачук, когда Н₂ и Н₂S уже удалены из пульпы. Это снижает расход пиролюзита и повышает эффективность окисления.

С целью снижения удельного расхода кислоты и получения возможно более чистых растворов по примесям в современной технологии широко применяют принцип стадиального выщелачивания, противоточного выщелачивания, выщелачивание оборотными растворами.

В США часто применяют двойной цикл выщелачивания (рис. 34): выщелачивание при малой кислотности в течение 2—3 ч в жидкой пульпе (20—25% твердого), затем сгущение, после которого верхний слив направляется на ионообменную сорбцию. Сгущенная пульпа (60% твердого) выщелачивается в жестких условиях с добавкой серной кислоты и пара. Полученный кислый раствор направляют для нейтрализации новых порций руды, а осадок тщательно отмывают от растворимых соединений урана. Это по существу двойное выщелачивание с противотоком.

Применяется двухступенчатое выщелачивание без противотока:

1-я ступень — в смеси серной кислоты с пиролюзитом или серной и азотной кислот выщелачивается более упорная руда;

2-я ступень — в полученном растворе от 1-й ступени при более низкой кислотности выщелачивается менее упорная руда.

 

Применяют раздельное выщелачивание песков и шламов. Пески, как правило, выщелачиваются при более жестких условиях. Для повышения извлечения растворимого урана осуществляют тщательную многократную промывку твердого остатка от выщелачивания подкисленной водой, фильтрацию и многоступенчатую противоточную декантацию с оборотом промышленных вод.

Дальнейшим развитием метода избирательного выщелачивания явилась разработка и внедрение в СССР метода сорбционного выщелачивания, при котором избирательное выщелачивание и сорбционное извлечение урана из пульпы ионообменной смолой совмещены в одном процессе. Это обеспечивает снижение расхода реагентов, повышение извлечения; сокращение и упрощение всей технологической схемы извлечения урана из руды.

По уровню автоматизации урановые заводы нашей страны стоят на одном из первых мест в гидрометаллургии и вообще в химической технологии неорганических веществ. Полностью автоматизированы дробление и измельчение, включая взвешивание, учет, пробоотбор и даже анализ руды. Используются звукометрический и ваттметрический контроль и регулирование загрузки, в частности ваттметрический контроль работы классификаторов, пьезометрический и радиометрический контроль слива классификаторов и сгустителей, полная автоматизация подачи руды, воды, пиролюзита, пара, регулировки температуры. Регулировка рН среды и окислительно-восстановительного потенциала производится с погрешностью ±0,02 рН. Организована автоматизация разгрузки нижнего слива сгустителей, фильтрации, транспортировки пульп, растворов, кеков.

Широко используют высокопроизводительные, непрерывные процессы. Для ускорения процессов отстаивания и фильтрации применяют флоккулянты типа полиакриламида (АМФ) или американского «Сепарана».

Следует упомянуть о новых оригинальных методах, получивших пока лишь ограниченное практическое применение. В первую очередь необходимо отметить использование высокотемпературного выщелачивания под давлением кислорода с применением автоклавов. Для процесса карбонатного выщелачивания автоклавы используют как в Советском Союзе, так и за рубежом. Что касается сернокислотного выщелачивания, то и здесь открываются возможности с применением автоклавов сократить продолжительность выщелачивания, уменьшить до минимума расход кислоты, получить более чистые растворы урана. Кроме того, представляется возможным производить серную кислоту в процессе самого выщелачивания из пирита гидролизом Fe₂(SO₄)₃. Однако надо иметь в виду определенные трудности с выбором конструкционных материалов, достаточно стойких в сильнокоррозионной среде.

 

ПОДЗЕМНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

 

Мы уже упоминали о методе подземного выщелачивания урана. Этот метод имеет потенциальные преимущества по сравнению с традиционной добычей руд и переработкой их на заводах, так как позволяет снизить стоимость производства урана и более полно использовать урансодержащее сырье. Очень важно, что переработка урановой руды на месте ее залегания исключает загрязнение окружающей среды долгоживущими естественными радиоактивными элементами — продуктами распада урана и необходимость создания отвальных зон для хранения жидких и твердых отходов урановорудных заводов. Известно, что стоимость подземной добычи и транспортировки руды на завод составляет около 40% общей стоимости извлекаемого урана, в то время как расходы по подземному выщелачиванию и откачке продукционного раствора на урановый завод не превышают 5%. По данным американской фирмы «Юта констракшн энд майнинг», расходы на получение урана методом подземного выщелачивания того же порядка, что и при добыче руды открытым способом, и в несколько раз меньше расходов при подземной добыче руды.

В Советском Союзе разработаны и применяются методы подземного выщелачивания для извлечения урана как из руд месторождений с твердыми скальными породами, так и из руд осадочных месторождений.

В первом случае выщелачивание проводят в подземных блоках, в которых магазинируют руду, предварительно раздробленную взрывами. Блоки орошают раствором серной кислоты. Во втором случае раствор серной кислоты подают с поверхности в пласт через одни скважины, а урансодержащий раствор выводят из пласта через другие скважины, оборудованные аэролифтными насосами.

Следует отметить, что процесс подземного выщелачивания - это экстенсивные процесс, протекающий по законам фильтрационного выщелачивания и имеющий много общего с перколяцией при кучном выщелачивании.

Уран извлекают из откачанных на поверхность растворов с помощью сорбционно-экстракционной технологии, после чего растворы вновь используют для выщелачивания.

Подземное выщелачивание, как показывает опыт его применения в СССР, позволяет исключить из процесса добычи урана некоторые дорогостоящие производственные операции, связанные с выемкой руды из подземных блоков, выдачей ее на поверхность, транспортировкой, измельчением и обогащением руды, транспортировкой и складированием отвальных хвостов и др. Сокращение числа трудоемких и дорогостоящих операций значительно снижает стоимость добываемого металла.

Подземное выщелачивание было успешно осуществлено на одном из советских рудников, который ранее был намечен к закрытию из-за выработки промышленных руд, несмотря на то, что в недрах еще оставалось большое количество урана в убогих рудах, добыча которых обычными способами явно нерентабельна.

Кроме того, в СССР проводятся работы по подземному извлечению урана и из месторождений других типов.

Имеется опыт подземного выщелачивания урановых руд и в зарубежных странах. В США, Канаде и Франции уже в течение нескольких лет уран выщелачивают как из проницаемых осадочных месторождений пластового типа, так и из скальных пород. С апреля 1970 г. американская фирма «Анаконда» успешно применяет подземное выщелачивание урана из рыхлого песчаника, залегающего ниже водоносного горизонта между двумя водоупорными пластами. Добывает уран подземным выщелачиванием американская фирма «Пинэкл эксплорейшн» из месторождения Ганнисон (шт. Колорадо), расположенного на высоте 3100 м над уровнем моря. Основной минерал руды - настуран, тонко вкрапленный в углистом известняке. Поэтому в качестве выщелачивающего реагента первоначально использовали рудничные воды. Добавление в них соды позволило увеличить содержание урана в продукционном растворе, собираемом в одном из штреков, до 120 мг/л.

Позднее перешли к применению содовых растворов и аэрации воздухом. После сорбционного извлечения урана оборотные растворы вновь направляют на подземное выщелачивание.

На рис. 35 показана система организации подземного выщелачивания на руднике Пич фирмы «Пинэкл эксплорейшн», где используется 40 нагнетательных скважин. Эта система отличается простотой и эффективностью и обеспечивает безопасность, сравнительно низкую стоимость получаемой U₃O₈, небольшие капиталовложения.

 

 

Во Франции подземное выщелачивание применяют для извлечения урана из предварительно разрушенной руды. Применяется система с магазинированием, причем богатую руду подают на поверхность, а оставленную в забоях выщелачивают раствором серной кислоты (100 г/л) при извлечении урана до 80%.

Некоторые американские фирмы применяют или намерены применять в ближайшие годы метод подземного выщелачивания с использованием как карбонатных, так и сернокислых растворов в зависимости от характера руд. Окислителем в первом случае служит воздух (аэрация растворов), а во втором - добавки хлората натрия.

Метод подземного выщелачивания имеет свои недостатки: зависимость от проницаемости пласта и других неконтролируемых горногеологических условий, в некоторых случаях трудность достижения приемлемой степени извлечения урана в сложных многослойных пластах.

По мнению некоторых специалистов, можно установить зависимость рентабельности применения подземного выщелачивания от содержания урана в руде и степени его извлечения (рис. 36). Судя по этим данным, подземное выщелачивание рентабельно при содержании урана в руде 0,06—0,16%, т. е. при переработке довольно бедных руд. Однако, по-видимому, эта область может быть существенно расширена.

В настоящее время работа по совершенствованию технологии подземного выщелачивания урана продолжается во многих странах. В этой связи представляет большой интерес сравнительно недавно опубликованное сообщение о работе новой промышленной установки в Клей Уэсте по подземному выщелачиванию урана карбонатными растворами, пущенной в эксплуатацию в апреле 1975 года в шт. Техас, США. Ее производительность намечено довести до 450 т U₃O₈/год. Установка создана в районе обводненного месторождения пластового типа. Выщелачивание проводят из пласта ураноносного песчаника на максимальной глубине 165 м. Содержание урана колеблется в пределах 0,05—0,5%. Здесь имеется водоносный горизонт с естественной скоростью потока примерно 3,6 м/год, имеющий уклон 0,015 в сторону Мексиканского залива и являющийся источником снабжения пресной водой ряда населенных пунктов. Однако вблизи уранового месторождения вода имеет высокий уровень естественной радиоактивности и не пригодна для питья. Этим воспользовались для организации подземного выщелачивания урана, приняв ряд мер по охране окружающей среды и для исключения проникновения урана за пределы зоны выщелачивания в источники питьевой воды. В группу по контролю за окружающей средой вошли химики и инженеры-нефтяники, геологи и гидрологи, зоологи, биологи и радиологи.

На участке уранового месторождения площадью 1,4 га пробурено 66 нагнетательных и 46 откачных скважин. Весь участок разбит на квадраты (рис. 37). Нагнетательные скважины расположены по периферии квадратов, а откачные — в центре. Материалом для труб служит полихлорвинил, что сводит к минимуму коррозию. В забое откачных скважин установлены насосы погружного типа. Очень строго контролируют равнодебитность закачки и откачки растворов, а также возможность миграции урансодержащих растворов за пределы зоны, что осуществляют с помощью системы контрольных скважин по внешнему контуру участка. Весь контроль за процессом и его управление сосредоточены на центральном пульте.

Для повышения степени извлечения урана в пласт подают кислород. Карбонатный раствор после выщелачивания, содержащий уран в количестве до 200 мг/л, передается на сорбционную установку, расположенную, в 3 км от откачных ячеек, где после контрольной фильтрации на угольных фильтрах уран извлекают с помощью анионита типа амберлит на колоннах периодического действия. Десорбцию осуществляют раствором NaCl, причем в получаемом регенерате урана содержится около 10 г/л. Его пропускают через колонну с древесным углем для удаления примесей, в частности молибдена, и затем направляют на осаждение аммиаком. Полученную пульпу химического концентрата сгущают, фильтруют, сушат, упаковывают в барабаны для отправки на завод по производству гексафторида урана. Раствор после сорбционного извлечения урана в случае необходимости доукрепляют реагентами и направляют вновь в нагнетательные скважины. Технологическая схема завода в Клей Уэсте показана на рис. 38.

После окончания эксплуатации рудного месторождения предполагают обеспечить практически полное восстановление природной среды, в частности восстановление первоначального состава пластовых вод в водоносном горизонте, и приведение в первоначальный вид поверхности участка.

Интересны инженерные решения по охране окружающей среды. Все образующиеся жидкие отходы хранят в резервуарах, футерованных полиэтиленом. Объем и поверхность испарения в подобных резервуарах рассчитаны так, чтобы с учетом дождей количество испаряемой влаги было эквивалентно объему ежегодно получаемых химических отходов. Окончательное захоронение загрязненных отходов намечено осуществить закачкой их в две скважины глубиной 1370 м. Это позволит свежей воде водоносного горизонта промыть зону выщелачивания и восстановить состав пластовых вод в водоносном горизонте до первоначального значения. Нагнетательные и откачные скважины будут залиты цементом, все трубы обрезаны. Участок будет засеян травой и, как это предусмотрено проектом, за короткое время примет свой первоначальный вид.

Фирма «Вайоминг минералз» эксплуатирует две установки подземного выщелачивания урана карбонатными растворами сравнительно небольшой производительности — 112,5 и 225 т U₃O₈/год. Эта же фирма наметила ввод еще одной установки такого типа в ближайшие годы. В шт. Техас построена установка опытного характера подземного выщелачивания урана с использованием растворов карбоната аммония и с последующей ионообменной сорбцией урана из растворов, На всех этих установках предусмотрены специальные меры по предотвращению утечки выщелачивающих растворов за пределы производственной зоны.

Описанные установки применяют для выщелачивания урана из обводненных месторождений пластового типа. Вместе с тем в зарубежных странах планируется ввод в эксплуатацию предприятий по подземному выщелачиванию урана в горных выработках. В Канаде (пров. Онтарио) намечен пуск соответствующей установки производительностью 500 т U₃O₈/год. В этом случае выщелачивание будет осуществляться в крутопадающем месторождении сильно сцементированного ураноносного конгломерата, характерного для урановых месторождений этого района, содержащего 0,07—0,09% урана. Подготовительными взрывными работами были произведены необходимое разрушение горного массива, магазинирование отбитой крупнокусковой руды и другие подготовительные горные работы.. Подготовка к выщелачиванию начнется со строительства дамбы на одном из горизонтов и монтажа кислотных насосов, трубопроводов, и всей системы подачи растворов серной кислоты.Эффективность использования метода подземного выщелачивания видна из данных табл. 16.

Таблица 16

Сравнение экономических показателей методов подземного и обычного выщелачивания (по данным США)

показатель	Обычный метод	Подземное выщелачивание
Содержание урана в руде, 5	0,15	0,065
Производительность, U3O8/год	900	900
Число предприятий	3 рудника, 1 завод	4
Продолжительность периода от начала освоения до выдачи продукции, годы:
Максимальная	10	3
Минимальная	7	2
Год отгрузки первой продукции (если работы были начаты в 1975 г.)	1983	1978
Капитальные затраты, млн. долл.	40 – 70	8 – 16
Удельные капитальные затраты на 1 кг U3O8/год	44 – 77	9 – 17,6
Общие удельные расходы, долл./кг U3O8	25,3	19,8
Расходы на рекультивацию участков, долл./кг	-	1,1
Стоимость производства первой партии U3O8 (с учетом 15 %-ной инфляции), долл./кг	68 (поставка в 1982 г.)	26,2 (поставка в 1977 г.)

Следует особо подчеркнуть важнее преимущество подземного выщелачивания, которое заключается в исключении загрязнения окружающей среды долгоживущими радиоактивными веществами. Кроме того, отпадает необходимость создания обширных отвалов или хвостохранилищ для пульпы из поднятой на поверхность пустой породы.

На урановых заводах, использующих традиционную технологию, до 99,8% поступающего на завод сырья, как правило, сбрасывается в хвостохранилища. Это составляет примерно 0,9 т твердых и более 3 м³ жидких отходов на каждую тонну переработанной руды, т. е. около 1 т отходов на 1 кг извлеченного урана!

Объем отходов при подземном выщелачивании зависит от особенностей применяемого процесса, но во всех случаях он существенно ниже, чем при обычном выщелачивании. Особенно он невелик при использовании карбонатного выщелачивания в пластовых условиях залегания рудного тела, когда возможен практически 100%-ный возврат отработанных растворов в цикл. В таких случаях количество отходов составляет не более 1—2 кг на 1 кг добытого урана, что эквивалентно всего 1—2 т отходов на каждые 1500 т руды, которая в этом случае почти полностью остается на месте залегания под землей. Немаловажное значение имеет и тот фактор, что вследствие полного возвращения в производственный цикл карбонатных растворов объем жидкости в разрабатываемом пласте остается постоянным и естественные гидравлические градиенты за пределами рабочей зоны не меняются.

Таким образом, можно констатировать, что метод подземного выщелачивания урана получает все большее распространение, особенно в США. Как установлено в настоящее время, использование подземного выщелачивания по карбонатному методу наиболее эффективно для извлечения урана из руд осадочных месторождений пластового типа. Есть основания полагать, что после реализации возможности дробления рудных тел до нужной степени и выщелачивания руд скального типа метод подземного выщелачивания найдет применение и для разработки бедных руд, сложенных плотными горными породами.

КУЧНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

 

Метод кучного выщелачивания, в котором по существу реализуется принцип перколяции, все шире применяется для извлечения урана из бедных и забалансовых руд, а также из старых отвалов хвостов обогащения урановой руды. Считают, что кучное выщелачивание пригодно для переработки рудных материалов, содержащих 0,01—0,08% урана. В современном варианте процесс кучного выщелачивания выглядит следующим образом. Штабеля руды высотой до 10 м, уложенные на специально подготовленной площадке, покрытой полиэтиленовой пленкой, орошаются раствором серной кислоты, подаваемым насосом. Получаемые урановые растворы по системе дренажа поступают в зумпфы, откуда их перекачивают для сорбционного извлечения урана. В этих растворах содержание U₃O₈ составляет 0,1—0,5 г/л. Схема кучного выщелачивания показана на рис. 39.

Кучное выщелачивание урана применяют на двух заводах в США, а также в Португалии и некоторых других странах. Как показывает практика работы установок в США и Португалии, подобным методом удается извлечь до 80% урана даже из такого бедного сырья, как хвосты радиометрической сортировки.

До последнего времени кучное выщелачивание рассматривали как дополнительный метод получения урана. В настоящее время после усовершенствования этот метод применяют в качестве основного на некоторых урановых заводах, например на заводе фирмы «Хоумстед» в районе Мейболла, шт. Вайоминг, США, или заводе Лос-Адобс в Аргентине.

 

 

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться: