地浸采鈾離子交換工藝塔頂過濾裝置的優化改進

鄭文娟，王如意，李 鵬，王 飛

(中核內蒙古礦業有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

過濾是地浸采礦方法中必不可少的工序，其目的在于有效去除浸出液等溶液中的雜質，保證溶液在地浸采鈾系統中的連續、穩定、順暢流通。鄂爾多斯盆地某鈾礦床是國內大型可地浸砂巖型鈾礦床，擴大試驗項目采用CO2+O2原地浸出采鈾工藝，浸出液經袋式過濾器過濾后，進入離子交換塔完成鈾的吸附。隨著離子交換工藝運行時間的增加，樹脂床過液能力及樹脂飽和容量下降等問題逐漸加劇，需采用“解堵浸泡+反沖”的方式，提高樹脂床過液能力及樹脂飽和容量。在此過程中，易出現離子交換塔塔頂過濾裝置故障的問題，影響離子交換工藝的正常運行。

1 離子交換工藝運行狀況

離子交換是一種廣泛應用于濕法冶金中鈾的回收、分離的獨特有效的化學分離技術，主要原理是利用離子交換樹脂吸附浸出液中的含鈾離子，再利用淋洗劑將鈾從樹脂上淋洗下來，以獲得更高濃度鈾離子的溶液[1]。

鄂爾多斯某地浸礦山試驗項目離子交換工藝包括吸附、淋洗、反沖等工序，主要的工藝設備為固定床離子交換塔。離子交換塔直徑1.6 m、高7 m、最高耐壓0.6 MPa、浸出液進液口/反沖出液口內徑包括165 mm和470 mm兩種規格，其內部安裝由精度為200 μm的316L不銹鋼濾網及304不銹鋼圓筒組成的塔頂過濾裝置(以下簡稱“濾網包裹式塔頂過濾裝置”)，用于浸出液的二次過濾，以及實現反沖工序中樹脂與沉淀物的分離等。所用吸附材料為201×7型樹脂，樹脂粒徑集中在315～1 250 μm，占比95%以上，單塔樹脂平均裝入量達6 t。

在離子交換工藝中，經袋式過濾器過濾后的浸出液，以上進液的方式進入離子交換塔完成鈾的吸附，吸附尾液自離子交換塔底部流出[2]；待樹脂飽和后，采用碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉按一定比例配置的淋洗劑對飽和樹脂進行淋洗；淋洗后的貧樹脂轉入吸附工序前，先采用工業鹽酸、雙氧水按一定比例配置的解堵液對貧樹脂進行浸泡，再利用吸附尾液或反滲透清水聯合壓縮空氣進行反沖，反沖尾液經由塔頂過濾裝置排出離子交換塔[3]。

2 塔頂過濾裝置運行存在的問題及原因

2.1 存在的問題

在實際運行過程中，伴隨著水冶工藝的連續運行，濾網包裹式塔頂過濾裝置出現過濾網堵塞、破損等問題，從而造成樹脂外泄(圖1)，堵塞、破損的塔頂過濾裝置維修勞動強度高、耗時長(3～4 h)(圖2)，致使樹脂反沖工藝不能連續進行，影響工藝進度。

圖1 破損的不銹鋼過濾網

圖2 塔頂過濾裝置拆卸

為解決濾網包裹式塔頂過濾裝置在離子交換工藝中存在的問題，先后對塔頂過濾裝置進行了多次改進，試驗了316L剪板繞焊式、整板激光割縫式、繞條纏繞托條焊接式等塔頂過濾裝置[4-5]，均不同程度出現過濾網堵塞、通道堵塞(圖3)、縫隙堵塞、裝置變形等情況，造成塔頂過濾裝置出現過液量下降、樹脂泄露(圖4)等問題，增加了大量的拆裝及清洗維護工作。

圖3 通道堵塞

圖4 樹脂泄露

2.2 原因分析

基于離子交換塔塔頂過濾裝置運行存在的問題，從礦床地質條件、沉淀物含量及解堵水中雜質濃度、溶液中沉淀物的粒徑分布等方面，分析樹脂飽和容量和樹脂床過液能力下降，以及塔頂過濾裝置故障原因。

1) 對樹脂間沉淀物、塔內沉淀物及樹脂解堵水進行研究及取樣分析，分析結果表明：沉淀物主要為小顆粒形態和膠體形態[6-7]，具有巨大的表面積以及很強的吸附力，能夠在水中吸附懸浮固體形成沉淀(圖5和圖6)；沉淀物以鐵、鋁、硅酸鹽等化合物為主(表1和表2)。結合礦床地質條件推斷認為，由于鈾礦床礦石中的長石、有機質、黃鐵礦含量較高，在CO2+O2原地浸出采鈾過程中，浸出劑與礦石中的長石、黃鐵礦等脈石礦物發生反應，生成的沉淀物隨浸出液從抽液井由含礦含水層提升至地表后，浸出液中大顆粒的沉淀物經袋式過濾器過濾后從溶液中分離，小顆粒的沉淀物進入離子交換塔，并在離子交換塔內不斷累積。

圖5 樹脂中沉淀物

圖6 離子交換塔內沉淀物

表1 樹脂間沉淀物各組分含量

表2 樹脂解堵水中雜質成分濃度

2) 對浸出液、吸附尾液及樹脂解堵液中的沉淀物進行粒徑分布分析，見過見表3。由表3可知，浸出液、吸附尾液、樹脂解毒液沉淀物粒徑分布范圍大部分集中在100 μm以下，占比高達99.83%；浸出液和吸附尾液中沉淀懸浮顆粒分布范圍隨粒徑的增大而減小，5～15 μm范圍內浸出液和吸附尾液中的沉淀懸浮占總沉淀物的比例分別為76.43%和96.47%；經鹽酸和雙氧水溶液浸泡后的樹脂解堵液沉淀物含量大，粒度分布范圍主要集中在200 μm以下。結合樹脂間沉淀物及塔內沉淀物研究分析結果推算認為，以鐵、鋁、硅酸鹽、有機質等化合物為主，不斷累積的小顆粒形態和膠體形態沉淀物具有巨大的表面積和很強的吸附力[8]，在雜質間的相互吸附和聚沉作用下，沉淀物的粒徑不斷增大，逐漸形成結構疏松、體積較大的大顆粒團絮狀沉淀物，并包裹在樹脂表面或堵塞在樹脂間隙，是造成樹脂飽和容量和樹脂床過液能力下降的重要原因。

表3 浸出液、吸附尾液及樹脂解堵液沉淀物粒徑分布分析結果

3) 在對樹脂進行淋洗及解堵處理過程中，由于溶液中Cl-含量高、酸度高，而塔頂過濾裝置的筒體不耐強酸及Cl-腐蝕，長時間的使用造成腐蝕；同時，由于團絮狀沉淀物包裹在樹脂表面或堵塞在樹脂間隙，在通過反沖工序實現樹脂與沉淀物分離的過程中，需要較大的流速和流量(流速5～8 m/h，流量10～16 m3/h)，以及較高的壓力(0.4 MPa左右)，而塔頂過濾裝置的強度不夠，導致運行過程中出現過濾網堵塞、破損、通道堵塞、裝置變形等情況。此外，在塔頂過濾裝置的維修及清洗過程中，由于必須要拆除相關管道及大量螺栓，造成裝置拆裝維修強度大、耗時長。

3 塔頂過濾裝置改進

3.1 改進技術方案

為解決塔頂過濾裝置易腐蝕、堵塞、破損、變形、拆裝清洗及維修強度大、耗時長等問題，實現裝置的高效運行，改進后的裝置需滿足以下基本要求：①材質需耐酸堿、耐氧化、抗Cl-；②高強度，在反沖壓力為0.5 MPa下使用不變形；③可自動進行清洗，降低因裝置清洗維護帶來的拆裝工作量。

經過充分的市場調研和研究，決定采用耐腐蝕性能優越的316L不銹鋼材質，引入自清洗過濾技術理念(自動化程度高、壓力損失小、不必進行人工清除濾渣、可利用流體自身壓力進行自我操作、自我清洗的新型過濾技術)[9-10]，選用合適的清污方式，研制高強度、易拆裝、過濾精度合適的自清洗塔頂過濾裝置，實現在不拆卸條件下塔頂過濾器的清洗，減少塔頂過濾器拆卸頻次，降低人員勞動強度，保障離子交換工序的連續運轉。

3.2 清污方式確定

自清洗過濾器是利用水壓將液體中的顆粒在一定條件下自動過濾清除并自動清洗的分離過濾裝置，具有連續過濾、自動反沖洗排污、結構緊湊、運行平穩可靠、處理量大、運行費用低、使用壽命長、清洗過濾周期可調節等優點，主要部件包括過濾元件、自清洗裝置和驅動裝置。

自清洗過濾器的清污方式包括吸污式、刷式(刮式)[11]、轉臂式和反沖洗式。其中，吸污式、轉臂式和反沖洗式自清洗過濾器適用于黏度不大的流體介質；刷式(刮式)自清洗過濾器適用于含有黏稠的介質等工作條件較為惡劣的環境，如冶金、化工、造紙等行業。根據地浸采鈾樹脂解堵反沖液特點，確定選用刷式清污方式，通過在過濾器內部布置高強度濾網和不銹鋼刮刷組件，利用刷子清除僅靠水力沖洗很難去除的黏稠顆粒。

3.3 過濾精度確定

結合表3可知，由于沉淀物粒度分布范圍大都集中在200 μm以下，小于201×7型樹脂的粒度集中分布范圍(315～1 250 μm)，表明選擇精度在200～300 μm之間的過濾裝置，即可有效實現樹脂與溶液的分離。

根據塔頂過濾裝置過濾精度初定結果，取塔內解堵劑浸泡后樹脂樣及水樣的混合樣，分別采用270 μm標準篩、250 μm標準篩、212 μm標準篩進行濕式篩分試驗(表4)。由表4可知，標準篩精度越接近樹脂粒度分布范圍，其網孔越易被樹脂顆粒堵塞；此外，212 μm標準篩可滿足解堵劑浸泡后樹脂與沉淀物的分離。

表4 塔內樹脂及水樣篩分試驗結果

在過濾精度接近212 μm左右情況下，市場上過濾器過濾精度較為普遍和成熟的為200 μm，結合樹脂解堵液中沉淀物和樹脂粒徑分布及加工成本(同等過液量情況下，過濾精度越高，加工成本越高)等因素，確定塔頂過濾裝置過濾精度為200 μm。

3.4 自清洗塔頂過濾裝置

3.4.1 裝置結構及連接方式

在316L外襯加固骨架型(圖7)、繞條纏繞托條焊接式過濾裝置基礎上，研制形成自清洗塔頂過濾裝置，由電機帶動長度略小于過濾筒有效長度的清洗刷對過濾裝置進行刷洗。裝置包括驅動電機、驅動軸、過濾筒、外護套筒、清洗刷等(圖8)。

圖7 外襯加固骨架型示意圖

圖8 自清洗過濾裝置結構示意圖

各部件結構及連接方式如下所述。①驅動電機置于濾筒固定法蘭正上方，與驅動軸相連接。②驅動軸置于過濾筒中，軸上固定有清洗刷夾板，清洗刷置于夾板上。③過濾筒上部焊接于濾筒固定法蘭上，底部中間固定帽置于外護套筒底部的固定孔內。過濾筒包括筒體、繞條、法蘭、加固骨架、固定帽，其中，法蘭與過濾筒筒體焊接，并連接于濾筒固定法蘭及塔體固定法蘭之間；筒體由繞條、加固骨架及固定帽組成，所用繞條為梯形，即其內部縫隙尺寸稍大于外部縫隙尺寸，以便清洗鋼刷順利進入過液縫隙；加固骨架為方形鋼條并焊接于繞條外部，繞條厚度及加固骨架的數量及尺寸依據使用壓力選定；固定帽選用實心鋼筋或空心鋼管，焊接于過濾筒筒體底部中心。④外護套筒底部支撐板之間較過濾筒直徑大的部分為中空式，置于過濾筒外部，頂部與塔體固定法蘭連接；側壁面上設有過液孔，用于反沖液的進液及防止樹脂在外護筒與過濾筒間積累；底部的中間部位設置有固定孔，防止過濾筒在刷洗時因晃動而變形[12-13]。

3.4.2 主要部件參數

根據離子交換塔塔頂浸出液進液口/反沖出液口內徑及過液量等參數[14]，改進后的自清洗塔頂過濾裝置主要參數如下所述。 ①驅動電機：功率0.25 kW；②驅動軸：直徑18 mm；③清洗刷：鋼絲直徑0.1 mm；④過濾筒：直徑180 mm、高度600 mm、過濾精度(外部縫隙尺寸)0.2 mm、梯形繞條最大寬度2 mm、耐壓強度1.0 MPa、最大過液量100 m3/h以上；⑤外護套筒：筒體直徑320 mm、底部卡槽內徑190 mm、固定孔內徑24 mm、過液孔12個、過液孔孔徑110 mm。

3.4.3 分離過濾方式

富含沉淀物并混合大量樹脂的反沖液由外護套筒開孔及底部中空處進入過濾筒外部縫隙，溶液經外部過液縫隙過濾后進入過濾筒內部，并經出液孔排出。在過濾時，塔內部分細小樹脂會卡堵過液縫隙。同時，大團絮狀沉淀物會黏附在過濾筒外部從而堵塞過液縫隙，樹脂卡堵及沉淀物堵塞，均會引起過液量下降、塔壓上升，根據摸索的堵塞周期，在驅動電機控制柜上設定周期性清洗間隔時間及連續清洗時長，清洗刷驅動機構啟動后，鋼絲刷上鋼絲由過濾筒內部縫隙刷洗至外部縫隙并將卡堵的樹脂及堵塞的沉淀物清洗干凈。塔內含有的大團絮狀沉淀物會在水氣沖擊及清洗刷的刮刷作用下變小，并逐步隨反沖液帶出。

3.4.4 清洗控制方式

清洗方式可選“手動控制”和“自動控制”兩種模式[15]。手動控制時，將控制方式開關旋轉至“手動”位置，以實現過濾裝置的手動清洗；自動控制時，將控制方式開關旋轉至“自動”位置，并對過濾時間和排污時間進行設置，以實現裝置的自動清洗；可設定最大過濾時間為9 999 min，刷洗時間為10～60 s。

4 自清洗塔頂過濾裝置應用試驗

為驗證裝置的耐壓性及清洗效果，將自清洗塔頂過濾裝置(圖9)安裝在離子交換塔上(圖10)，進行反沖試驗，清洗的污垢隨反沖液進入廢水處理工藝。 試驗過程中，控制初始反沖流量在14～16 m3/h，設定清洗方式為自動控制，設定過濾時間為4 min，刷洗時間為30 s。刷洗前后各記錄一次數據，刷洗過程中反沖不間斷。

圖9 自清洗過濾裝置實物圖

圖10 安裝后的自清洗塔頂過濾裝置

1) 未進行浸泡解堵條件下的反沖試驗。在未浸泡解堵劑條件下開展沖洗試驗，反沖時，反沖液進口及出口閥門保持恒定開關度，以維持塔壓相對平穩，在0.5 MPa左右波動。反沖持續59 min，刷洗13次，未出現樹脂泄露現象，反沖流量可恢復至初始狀態的96%以上，實現了在不加解堵劑情況下反沖工序的連續、穩定運行(圖11)。

圖11 第一階段反沖流量及塔壓變化情況

2) 加入解堵劑并浸泡12 h后的反沖試驗。加入解堵劑并浸泡12 h后，將反沖液出口閥門全開，進行反沖，直至清洗出水無明顯沉淀物。反沖持續45.5 min，刷洗10次，未出現樹脂泄露現象，反沖流量可恢復至初始狀態的98%以上，實現了在加入解堵劑浸泡后，反沖工序的連續、穩定運行(圖12)。

圖12 第二次反沖流量及塔壓變化情況

5 結 論

1) 引入自清洗過濾技術理念及刮刷式清洗方法進行優化改進后的自清洗塔頂過濾裝置，克服了常規塔頂過濾裝置強度低、易腐蝕、過濾效果不佳、拆裝清洗及維修強度大及耗時長等缺陷。

2) 改進后的自清洗塔頂過濾裝置，在塔內沉淀物含量高、粒徑大、黏附性強、樹脂多的環境下，實現了樹脂與沉淀物的分離，以及堵塞后過濾裝置的自動化清洗，清洗后的反沖流量恢復至初始流量的96%以上。

3) 與常規的塔頂過濾裝置相比，該裝置的應用能夠有效避免因離子交換塔塔頂過濾裝置堵塞或清洗不佳而進行人工拆卸清洗等情況，確保了離子交換工序的穩定、連續運行，不僅降低了員工的勞動強度、也極大的改善了維護人員的作業環境，帶來了較好的經濟效益和安全環保效益。