2012, Vol. 3引用本文 |
| 风化壳淋积型稀土矿原地浸矿负压收液研究 |  [PDF全文] |
风化壳淋积型稀土矿是我国特有的稀土矿种，广泛分布于江西、福建、广东、云南、湖南、广西、浙江等省区[1]，根据风化壳淋积型稀土矿中的稀土主要以离子相稀土赋存特点[2]，我国科技工作者提出了采用电解质进行离子交换浸出的方法来提取其中的稀土[3]，浸取工艺发展形成了如今三代工艺[4]，其开采方式有池浸、堆浸、原地浸矿[5].而原地浸矿工艺的收液方法依矿体底板标高又可分为天然底板集液沟收液方式（包括水封）[6]、导流孔收液方式[7]、真空负压收液方式等，本项目就真空负压收液方式进行了工艺条件优化，并在寻乌、龙南离子型稀土矿点进行了现场试验研究，并取得了理想的试验效果.
1 试验部分 1.1 试验风化壳淋积型稀土矿体试验风化壳淋积型稀土矿体位于寻乌矿区，属中低丘陵地貌，相对高差30 m，矿体赋存类型为全复式完全型，风化壳厚度大，矿体不仅在全风化层、部分也在半风化层.表土厚0~2.4 m, 风化层平均厚4.7 m, 矿体平均厚4.67 m, 矿块离子相稀土品位0.169 %, 储量14.093 t.成矿母岩为花岗斑岩，基岩在侵蚀基准面以下，山脚没有基岩出露.矿石粒度较细、黏土矿物含量较高，渗透系数K为0.343 m/d，矿石渗透性差，饱和含水率高，矿体底板起伏，矿体内存在纵向张性破裂带，矿块下伏潜水较深，矿床水文地质条件简单.
1.2 渗透及负压收液水力学在风化壳淋积型稀土矿原地浸矿中，浸矿液通过注液井，在一定的水头压力下，连续不断地注入矿体，溶液中交换势更大的阳离子与呈吸附态的稀土离子发生交换作用[8-9]，使稀土离子进入浸出液.这个多向固液交换体系的过程是：渗透→扩散→交换→再扩散→再渗透，扩散动力是浓度差[10].不断注入矿体中的溶液（或顶水）挤出已发生交换作用的稀土浸出液.地下水在渗透过程中所消耗的能量大小与水流的渗透速度和渗流长度成正比，与渗透系数成反比.其渗透过程是适用于达西定律的[11-12]，推广到三维流时，达西定律可表示为：q=Kj=-Kgrandφ，v=q/a，其中K为渗透系数，j为水力梯度，q是单位流量向量，v是速度向量，a为断面积.由此可以得出三维流中达西定律的3个方程：
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负压收液就是利用真空泵通过钻入矿体底部的钻孔管路，把稳定渗透的渗透锥体的正压状态抽成负压，克服母液的自重，改变流动方向，使母液朝负压管中心流动，从而达到收液目的，负压起到两个作用：抽液和封底防向下渗漏[13].
1.3 负压收液试验方法为了更好地掌握负压收液的规律，分别在龙南矿点和寻乌矿点进行了负压条件试验，龙南矿点主要是探求负压与收液的关系，寻乌矿点则是探求负压收液最佳方式及负压影响半径，经历了3个阶段：探索段、试验段、停注段.注液采用浅井注液，注液井直径Φ为0.8 m.龙南采用1个注液井，而寻乌则采用了2个，间距7.0 m.负压收液孔Φ为0.12 m.
2 试验结果与讨论 2.1 负压与收液率关系在龙南矿点，负压收液孔施工了3个，平行排列，间距1.0 m，如图 1所示.试验采用不同的负压值，分别在各负压值下收液，抽负压30 min，停机15 min，每抽1次记录1次收液量，结果见表 1（负压表刻度值单位为mm Hg，表 1中结果为换算后的值）.
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| 1. 收液管；2. 真空表；3. 观测管；4. 闸阀；5. 气水分离器；6. 刻度管；7. 真空泵；8. 水表 图 1 负压收液系统 |
| 表1 负压与收液率的关系表 |
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以负压值为横坐标，收液率为纵坐标，作出如图 2所示的5个点，从图 2中可看出这5个点基本上呈线性关系，用最小二乘法原理求解回归方程[14]：
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| 图 2 负压与收液率的关系 |
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从单孔1号抽液，中间孔2号，边孔3号作为观测孔来看，2号孔离1号孔距离只有1 m，当1号孔负压1.33×104 Pa时，中孔2号负压0.16×104~0.20×104 Pa，其负压值降低了85 %左右，说明1号孔周围的负压区域很小，3号孔原有积水流出，在1号孔开机后，孔中不再有水流出，说明负压影响范围达到2 m.由此判断，当负压在1.33×104~3.99×104 Pa收液时，影响半径可达1.5~2.0 m.
1号、3号双孔收液时，中间2号负压观测孔的负压值比同等抽液的条件下要高，当1号和3号孔负压各为1.33×104 Pa时，中间2号孔负压为0.27×104 Pa，1号、3号孔负压1.73×104 Pa时，2号孔为0.33×104 Pa，说明双孔收液时，孔距2 m，其负压区重迭，此时收液量反而减少，应是负压相互干扰之故.因此，作为收液孔，孔距应大于负压区，以避免此种干扰现象.如果要考虑负压封底，其孔距应适当小于单孔负压区.
2.2 负压收液工艺在寻乌矿点采用了2台真空泵A、B泵，8个孔，每台泵各负责4个孔，A泵负责1~4号孔，B泵负责5~8号孔，孔径Φ 0.12 m，孔长9 m，孔间距2 m.探索段主要是探索停机时间t停与收液量Q、开机时间t开与收液量Q、负压与收液量、收液方式与收液量的关系及进一步确认负压影响范围.
（1）停机时间t停对收液量Q的影响.当开机时间、方式相同、负压值相近时，随着停机间隔时间的延长，单位收液量降低.对于A泵，一般停机10 min，即可达到总收液量约0.4 m3，停机时间再延长，总收液量增加不大，停机185 min，总收液量也只有0.48 m3.说明停机时间长，渗下的液体往下流失，没有回收到，引起收液率降低.B泵也同样，停机20 min，可达到总收液量0.13 m3，停机627 min，总收液量也只有0.14 m3.说明停机时间延长，只会造成渗液的流失.
（2）开机时间t开对收液量Q的影响.当停机间隔时间、开机方式相同、负压值相近时，随开机时间的延长，单位收液量有的增大，有的减小，说明在一定的停机间隔内，进入钻孔负压影响区的液量是一定的，开机时间延长，若延长时间内渗进的液量多，则有可能单位收液量增大.但若渗进的液量小，单位收液量反而会减小.
（3）负压与收液量的关系. A泵第10次抽液时，人为降低负压，其收液量与同样条件下第9次抽液量比较，大大减小（见表 2），在B泵收液时，也发现当孔负压低于2.66×104 Pa时，收液量很小.第36次抽液时，采取三孔联抽，负压值只有1.6×104 Pa，单位收液量只有0.026 m3/h.相近开机、停机时间，采取单孔抽，负压值较高的第16、17次抽液，单位收液量却达到0.053~0.054 m3/h，几乎是第36次的两倍.由此可见，负压对收液量的影响是很大的.
| 表2 负压与收液率的关系表 |
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（4）收液方式与收液量的关系.在负压钻孔收液情况下，试验了不同开、停机时间，单孔抽与多孔联抽方式.A泵三孔联抽单位收液量均比单孔抽的高，停机时间短，收液效果更佳，在停机10 min，开机50 min情况下最高可达到0.402 m3/h，B泵将孔联抽，一般情况下单位收液量反而不及单孔抽，最好的指标是停机10 min，5号、6号孔与6号、7号孔联抽各30 min时单位收液量达0.121 m3/h，究其原因是受负压影响，当双孔、三孔联抽时，钻孔负压偏低.
（5）负压边界测定.为进一步确定负压边界，测定时以单孔在某一负压值下抽液，测定相邻孔的负压值.随着抽孔负压值的降低，相邻孔负压值也降低.当抽孔负压低于2.00×104 Pa时，相邻孔就测不到负压.说明当负压大于2.00×104~2.66 ×104 Pa时，负压影响半径大于2 m，如表 3所示.
| 表3 负压边界测定/（×104Pa） |
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试验段期间的试验除部分继续探求合适的抽液方式外，主要是确定可能达到的收液率.根据探索试验结果，对于A泵，停机时间10 min，开机50 min，三孔联抽是最佳的抽液方式.对于B泵，停机10 min，开机50~60 min，抽孔负压尽量维持在2.66×104 Pa以上的单、双孔抽方式较好.因此，在试验段，除停电停水干扰以及部分探索试验需要外，一般都采用以上较好的抽液方式.收液率见表 4.从表 4中可见, 在试验段间, 排除停电停水干扰，收液率可以达到75 %左右.
| 表4 最佳收液方式下的收液率表 |
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由停止注液后的收液量随时间变化结果可知，虽然收液方式与试验段的相同，在停注以后5~7 h以内，单位收液量维持原水平，但随着时间进一步延长，单位收液量显著下降，直到几乎收不到所注液体.
2.3 负压收液工业试验 2.3.1 注液注液井布置要合理，应尽可能减少浸矿盲区[15].寻乌矿块分南北两个浸矿区，南浸区由下往上分段注浸矿液，然后由上往下注顶水，北浸区由上往下注浸矿液，然后由上往下注顶水.南区注液完毕后，即开始注顶水，同时北区开始注液.北区上段注液完毕而往下段转移注液时，上段即开始注顶水.为了缩短注液时间，同时注液井数尽可能多点，在注液过程中，加强管理，严格控制注井水头高度，并及时调整注液顺序、井号、井数，确保注井的合适注液量，控制好各注井结束注液与注水时间，以使整个矿块的注液尽可能均衡.
注液从9月4日开始，浸矿液用20 g/L硫铵浸矿液，设计的注液固液比1: 0.4，顶水固液比1: 0.6.试验过程中，根据实际情况进行了调整，因矿石渗透性差，渗透速度慢，浸矿周期长，峰值后浸出液浓度下降慢，为了提高浸取回收率，增大了注水量与注水时间.南浸区9月4日开始注浸矿液，10月3日结束，共注液1687 m3, 注顶水从10月4日开始，11月15日大部分注井停注，只保留山脊部位少数井继续注水，直至第二年1月8日，共注顶水3334 m3.北浸区从9月18日开始注浸矿液，11月6日结束，共注液2880 m3，注水从11月6日开始，1月8日结束，共注顶水5799 m3.整个矿块注液历时127 d，共注液4567 m3，注水9133 m3.总注液量13700 m3，平均日注液量108 m3.共用硫铵86 t，但上清液中余留硫铵26.2 t，实际消耗硫铵59.8 t.
2.3.2 负压收液真空泵采用了4台，钻孔共18个，孔径Φ0.11 m，孔深24~36 m, 孔间距3.5~4 m, 孔倾角5~10°，总长640 m，1#、2#与17#、18#孔分别为两侧封边之孔.从试验开始到结束，工业母液几乎全部是由负压收液得到的.9月7日开始出液，液量很小，浓度也很低，直到9月14日，共收液71 m3，平均浓度0.37 g/L，出液孔为2~10号孔.1号泵浓度0.7 g/L，2号泵浓度0.35 g/L, 9月27日3号泵出液, 浓度1.7 g/L，此时日收液量20 m3，浓度平均1.0 g/L.此后收液量逐渐增大，浓度也不断升高.10月17日，4号泵开始出液，浓度起初为0.169 g/L，以后很快升高.试验期间总收液量达到8416.1 m3，累计REO量10927.7 kg，日收液量平均65 m3，其中日收液量60 m3以上维持了100 d左右.从浓度方面看，出现2个高峰值，第1个是在10月初达到1.5 g/L，第2个在11月20日前后，达到2 g/L，在不停电的情况下，日收液量达到80~90 m3.出现2个高峰值，一方面是浸矿分两个区，另一方面是受停电的影响，硫铵供应不上，在母液浓度上升阶段，曾停注7 d浸矿液，使母液浓度从1.8 g/L下降到0.99 g/L.整个试验期间母液浓度在1 g/L以上维持了近83天，平均浓度为1.3 g/L.
各泵浓度与收液量是不相同的，1号泵收液量比较小，浓度也较低，3号泵收液量大，浓度也较高，4号泵浓度最高.从各泵收液情况来看，基本上与矿体赋存情况是一致的.
由于负压收液受电力供应影响很大，试验期间，受停电影响，从池面跑液，流失液量300.2 m3，损失REO:364.8 kg.各泵收液情况如表 5所示.
| 表5 各泵收液情况 |
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2.3.3 主要技术经济指标
在负压收液的工业试验中所取得的主要技术经济指标如表 6.从表 6中可知，REO浸取率达到77.5 %，超过合同指标70 %，取得了理想的试验结果.
| 表6 主要技术经济指标 |
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3 结束语
（1）当负压在1.33×104~3.33×104 Pa时，收液率可达到60 %~81 %，单孔负压区范围较小，负压影响半径可达到1.5~2.0 m.如采用单排多孔，孔距≤4.0 m时，这排孔不单是收液，还具备负压封底作用.
（2）负压收液时，停机时间应尽可能短，一般不超过10 min，开机时只要负压达得到，尽可能多孔联抽，每次抽液时间掌握在50~60 min.
（3）在负压收液工业试验时，钻孔孔深加大有可能降低负压值，而且孔深达不到整个矿块长度，遇到石头时，孔深易打不到位，有可能影响收液率.
（4）负压收液时，电力消耗较多，必须保证负压收液过程的连续性，如果停电或真空泵等设备出现故障，将造成浸出液的下渗，使收液率下降.
| [1] | 池汝安, 田君. 风化壳淋积型稀土矿化工冶金[M]. 北京: 科学出版社 , 2006. |
| [2] |
Chi R, Tian J, Li Z, et al. Existing state and partitioning of rare earth on weathered Ores[J].
Journal of Rare Earths, 2005, 23(6): 756–759. |
| [3] | 贺伦燕, 冯天泽, 傅师义. 硫酸铵淋洗从离子型稀土矿中提取稀土工艺的研究[J]. 稀土, 1983, 4(3): 1–8. |
| [4] | Chi R, Tian J. Weathered crust elution-deposited rare earth ores[M]. New York: Nova Science Publishers , 2008. |
| [5] | 袁长林. 中国稀土资源开采利用现状暨发展策略分析[J]. 四川稀土, 2009(1): 6–10. |
| [6] | 汤洵忠, 李茂楠, 杨殿. 原地浸析采矿中的水封闭工艺原理及其应用[J]. 中南大学学报, 1999(3): 225–229. |
| [7] | 李春. 原地浸矿新工艺在离子型稀土矿的推广应用[J]. 有色金属科学与工程, 2011(1): 63–67. |
| [8] | 贺伦燕, 王似男. 离子吸附型稀土矿淋洗交换稀土动力学问题的研究[J]. 稀有金属与硬质合金, 1989(6): 2–8. |
| [9] |
Tian J, Yin J, Chi R, et al. Kinetics on leaching rare earth from the weathered crust elution-deposited rare earth ores with ammonium sulfate solution[J].
Hydrometallurgy, 2010, 101(3-4): 166–170. DOI: 10.1016/j.hydromet.2010.01.001. |
| [10] | 李春, 邵亿生. 离子型稀土矿原地浸矿中反吸附问题的探讨[J]. 江西有色金属, 2001(4): 5–8. |
| [11] | 翟云芳. 渗流力学[M]. 北京: 石油工业出版社 , 2010. |
| [12] |
Tian J, Chi R, Zhu G, et al. Leaching hydrodynamics of weathered elution-deposited rare earth ore[J].
Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2001, 11(3): 434–437. |
| [13] | 邵亿生.离子型稀土原地浸矿新工艺研究[C]//中国稀土资源跨世纪术论坛论文集.天津:中国稀土学会地采选专业委员会, 2000: 5. |
| [14] | 陆健. 最小二乘法及其应用[J]. 中国西部科技, 2007(19): 19–21. |
| [15] | 卢盛良, 卢朝晖, 吴南萍, 等. 淋积型稀土矿原地浸矿几项技术问题的解决途径[J]. 湿法冶金, 1997(2): 22–24. |