某鈾礦山水冶工藝廠房平面布置方案優(yōu)化

熊驍

中核環(huán)保工程設(shè)計(jì)研究有限公司，北京，100089

0 引言

某鈾礦山水冶廠始建于20世紀(jì)70年代，1976年投入正常生產(chǎn)，采用典型的常規(guī)攪拌浸出—礦漿吸附—淋萃工藝，生產(chǎn)“131”即三碳酸鈾酰銨結(jié)晶產(chǎn)品。該工藝流程雖然生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本較高，但避免了固液完全分離的難題，運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)的“131”產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，后續(xù)處理簡單，為我國核工業(yè)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

水冶廠位于大體由東向北延伸的大山谷中，大山谷東高北低，在山谷中部由東南向北延伸一小山谷與之相交，小山谷東南高北部低。整個(gè)現(xiàn)有水冶廠在大山谷中由東向北（由高到低）布置破碎、磨礦、吸附、浸出等廠房和設(shè)施，中部的小山谷為原堿法浸出設(shè)施，已停運(yùn)多年，由東南向北（由高到低）布置了9個(gè)濃密池、12號(hào)廠房和10號(hào)廠房等設(shè)施。

水冶廠迄今已連續(xù)運(yùn)行40多年，超過設(shè)計(jì)年限20年。各種設(shè)備設(shè)施陳舊且年久失修，生產(chǎn)上存在安全隱患，且生產(chǎn)效率低，運(yùn)行成本高。隨著時(shí)間的推移，鈾礦水冶技術(shù)得到了長足的進(jìn)步和發(fā)展，浸出、固液分離、離子交換以及萃取等生產(chǎn)設(shè)備也都有了更多的選擇和更高的效率，國內(nèi)新建鈾礦水冶廠的生產(chǎn)成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該鈾礦山。因此，采用新的水冶工藝進(jìn)行技術(shù)升級和進(jìn)行整體性改造，成為某鈾礦山水冶廠節(jié)能減排、降低成本、提高安全環(huán)保性的根本途徑。

1 水冶工藝提升

原水冶廠的水冶工藝流程為：礦石→破磨→加熱攪拌浸出→流態(tài)化粗砂分級洗滌→部分中和→旋流器細(xì)砂分級洗滌→礦漿吸附→硫酸淋洗→P204溶劑萃取→碳酸銨反萃取→結(jié)晶沉淀→過濾脫水→“131”產(chǎn)品。該工藝具有對礦石適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)較穩(wěn)定、鈾浸出率較高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但流程長，工序多，操作控制復(fù)雜，試劑消耗和動(dòng)力消耗較高，浸回差高，水冶生產(chǎn)成本高。通過對原水冶工藝流程存在的問題進(jìn)行分析，在工藝方面提出幾點(diǎn)改進(jìn)意見。

1.1 生產(chǎn)“111”產(chǎn)品代替“131”產(chǎn)品

原水冶工藝生產(chǎn)“131”產(chǎn)品，需要通過淋萃流程，而流程中所使用的萃取劑和稀釋劑等有機(jī)試劑均屬于危險(xiǎn)品，對存貯廠房防火等級有較高要求，而現(xiàn)有廠房由于按照六十年代末設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造，已不能符合現(xiàn)行的防火規(guī)范要求，只能靠一些消防設(shè)施和安全管理措施預(yù)防火災(zāi)，達(dá)不到本質(zhì)安全，存在火災(zāi)安全隱患。

鑒于我國核燃料循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)布局的變化，根據(jù)目前后續(xù)純化廠的現(xiàn)狀和要求，繼續(xù)生產(chǎn)“131”產(chǎn)品已無必要，因此以“111”產(chǎn)品代替“131”產(chǎn)品，這樣就縮短了水冶流程。同時(shí)，直接生產(chǎn)“111”產(chǎn)品，工藝流程中就沒有了萃取這一環(huán)節(jié)，涉及有機(jī)物安全與環(huán)保的問題得以避免。

1.2 采用絮凝—逆流傾析方法獲得清液，代替原流程的流態(tài)化粗砂分級洗滌、水力旋流器細(xì)砂分級洗滌得到稀礦漿；以密實(shí)固定床清液吸附代替礦漿吸附

原流程的流態(tài)化粗砂分級洗滌，洗水用量大；細(xì)沙洗滌效果差，使外排細(xì)沙漿體鈾濃度超標(biāo)，同時(shí)細(xì)砂洗滌溢流礦漿粒度偏粗，使樹脂磨損消耗量過大，樹脂消耗指標(biāo)超出設(shè)計(jì)指標(biāo)50%以上。由于樹脂磨損較快，離子交換工序樹脂基本在較低保有量下運(yùn)轉(zhuǎn)，吸附尾棄礦漿金屬含量經(jīng)常超標(biāo)，造成金屬損失；同時(shí)磨損消耗的樹脂也造成鈾的夾帶損失。

以逆流傾析固液分離設(shè)施取代目前使用的粗砂、細(xì)砂分離洗滌設(shè)施；以密實(shí)固定床清液吸附取代礦漿吸附的工藝流程及設(shè)備，設(shè)計(jì)足夠的洗滌級數(shù)及洗滌模數(shù)，降低浸出液中的固體含量，提高固液分離效果，再經(jīng)過絮凝沉降池進(jìn)一步沉降澄清以達(dá)到后續(xù)清液吸附的目的，從而能較好地解決老工藝的相關(guān)問題[1-2]。

1.3 雙氧水作氧化劑代替軟錳礦

原生產(chǎn)流程使用軟錳礦粉作為氧化劑，但南方氣候潮濕多雨，錳礦粉受潮后易粘結(jié)，使用原礦倉儲(chǔ)料配料投加方式，下料容易粘結(jié)封堵，經(jīng)常需要人工清堵，勞動(dòng)強(qiáng)度大、存在安全隱患且容易釀成重大安全事故等；錳礦粉采購成本高，實(shí)際生產(chǎn)中軟錳礦的投加量操作不易控制，投加量大，造成試劑消耗過高，同時(shí)也增加酸耗，造成系統(tǒng)運(yùn)行成本偏高；環(huán)保方面，對外排水中錳離子的監(jiān)測很嚴(yán)格，以軟錳礦作氧化劑時(shí)，廢水（尾礦漿）處理時(shí)需增加石灰用量約30%，從而增加處理成本。

采用雙氧水取代軟錳礦粉做氧化劑，可直接購買濃度27%或30%的工業(yè)雙氧水產(chǎn)品儲(chǔ)存在高位容器中利用地形高差采取管道輸送自流方式直接投加到浸出攪拌槽里，可解決上述軟錳礦粉作氧化劑的問題，而且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，雙氧水作氧化劑的浸出效果與軟錳礦粉類似，還有利于降低酸耗。

根據(jù)上述對水冶工藝流程的改進(jìn)，改進(jìn)之后的水冶流程變?yōu)榈V石→破磨→加熱攪拌浸出→部分中和→逆流傾析→清液吸附→氯化鈉淋洗→氫氧化鈉沉淀→“111”產(chǎn)品。

2 水冶工藝廠房平面布置方案

水冶工藝的提升，對廠房的平面布置也有了相應(yīng)的要求，根據(jù)水冶工藝流程的改進(jìn)，結(jié)合“四新”“四化”的設(shè)計(jì)理念，按照技術(shù)改造的總體要求，在水冶工藝廠房平面布置中，將水冶廠劃分為四大模塊：破磨模塊、水冶模塊、廢水處理模塊、公共輔助模塊。

劃分模塊化明確了各自的功能，使之相對獨(dú)立，在中心調(diào)度的控制下，各模塊有機(jī)地結(jié)合起來，快速高效地完成水冶任務(wù)。可提高工作效率，有利于管理與協(xié)調(diào)。

各模塊所包括的功能區(qū)見表1。

表1 各模塊功能區(qū)詳情

根據(jù)鈾礦山的實(shí)際情況和礦區(qū)地理位置條件，以實(shí)現(xiàn)水冶工藝的改進(jìn)要求為目的，在水冶工藝廠房平面布局上設(shè)計(jì)了以下兩種布置方案。

2.1 方案一 升級改造原有的磨礦模塊，其余模塊布置在中部小山谷

2.1.1 磨礦模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的磨礦系統(tǒng)采用的是兩段一閉路破碎→球磨流程。礦石由原礦倉給料經(jīng)過顎式破碎機(jī)后直接去篩分，篩下合格礦石經(jīng)皮帶機(jī)送去球磨，篩上物料經(jīng)皮帶機(jī)進(jìn)去圓錐破碎機(jī)，圓錐破碎后亦去篩分。磨礦工藝流程圖見圖1。

方案一中對原礦倉、球磨廠房、粉礦倉利舊改造，破碎篩分廠房拆除新建，新建1臺(tái)Φ12m濃密池；球磨機(jī)及分級機(jī)利舊，其余破碎設(shè)備新購；皮帶全部拆除重建，同時(shí)加蓋皮帶廊。

2.1.2 水冶模塊設(shè)計(jì)

水冶模塊包括攪拌浸出廠房、逆流傾析、吸附原液池和浸出液處理廠房。合格礦漿經(jīng)泵送至攪拌浸出塔中進(jìn)行攪拌浸出，然后經(jīng)過逆流傾析得到相對澄清的浸出原液，最后進(jìn)入浸出液處理廠房的離子交換塔中進(jìn)行吸附。

水冶模塊設(shè)計(jì)布置在中部小山谷中。濃密池從山谷東南部（高點(diǎn)）順地勢依次往下建，吸附原液池濃密池之后，攪拌浸出廠房與浸出液處理廠房建于山谷西部的空地上。

2.1.3 廢水處理模塊設(shè)計(jì)

廢水處理模塊包括廢水處理廠房、廢水調(diào)節(jié)池和石灰倉平臺(tái)[3]。石灰倉平臺(tái)為廢水處理廠房中的石灰乳配置槽提供原料，廢水調(diào)節(jié)池收集工藝廢水、匯集的各類排污沖洗和雨水沖刷的廢水，然后泵送中和槽中進(jìn)行除鐳和余酸中和；逆流傾析出來的尾礦漿直接進(jìn)入除鐳及中和槽。廢水處理達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)后，通過溜槽和管道輸送到現(xiàn)有尾礦庫。廢水調(diào)節(jié)池修建于鍋爐房南側(cè)，廢水處理廠房和石灰倉建于廢水調(diào)節(jié)池的西部。

2.1.4 公共輔助模塊

公共輔助主要是鍋爐房、硫酸罐、雙氧水罐等輔助設(shè)施設(shè)備。鍋爐房在原址上利舊整修，硫酸罐與雙氧水罐都布置在原礦倉與生產(chǎn)水池之間的公路北側(cè)。鋪設(shè)管路讓硫酸與雙氧水自流到磨礦模塊。設(shè)計(jì)從磨礦模塊修一條長380m的隧道，鋪設(shè)礦漿輸送管、供水管、雙氧水管和硫酸管等。

2.1.5 方案一示意圖

方案一總體布置示意圖見圖2。

2.2 方案二 在中部小山谷中集中布置總體水冶廠

2.2.1 磨礦模塊設(shè)計(jì)

在中部小山谷東部（高點(diǎn)）新建原礦倉與卸礦坪，順地勢走向在臨近低點(diǎn)建設(shè)磨礦廠房。半自磨機(jī)、球磨機(jī)、分級機(jī)采用平行布置方式，分級機(jī)位于半自磨機(jī)與球磨機(jī)之間。礦石從原礦倉經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)入半自磨機(jī)，礦漿從半自磨機(jī)自流至分級機(jī)，合格礦漿泵送去攪拌浸出，粗砂再次返送球磨機(jī)進(jìn)行研磨。磨礦工藝流程圖見圖3。

2.2.2 水冶模塊設(shè)計(jì)

攪拌浸出廠房、浸出液處理廠房按照工藝流程順序依地勢逐級而建，逆流傾析所用的濃密機(jī)位于攪拌浸出廠房西側(cè)，沿山谷走向順地勢由高到低依次而建，吸附原液池建于濃密池末級。

2.2.3 廢水處理模塊設(shè)計(jì)

此模塊設(shè)計(jì)與方案一中基本相同。

2.2.4 公共輔助模塊

鍋爐房在原址上利舊整修；硫酸罐位于山谷西北部山上，使用時(shí)，由于高差有限，需要泵送至攪拌浸出廠房；雙氧水位于山谷東部山上，使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自流至攪拌浸出廠房。

2.2.5 方案二布置示意圖

方案二總體布置示意圖見圖4。

2.3 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

見方案對比表2。

2.4 方案優(yōu)化選擇

通過表2方案優(yōu)缺點(diǎn)對比和結(jié)合所選方案，從方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性、利于安全、環(huán)保及生產(chǎn)管理等方面綜合優(yōu)化分析，確定采用方案一。具體特征為：

表2 方案對比

（1）破磨系統(tǒng)利舊改造，利用已有的運(yùn)礦道路、礦倉等設(shè)施，減少了建設(shè)項(xiàng)目和基建投資，為水冶處理模塊留出空間，減少堿法浸出場地拓展空間的土方量；破磨和水冶的分離，減少了破碎粉塵和噪音對水冶車間的影響[4-5]。

（2）水冶設(shè)施場地內(nèi)挖方量小，無需在南側(cè)山體上新修公里，而管線隧道對山體擾動(dòng)小，降低了山體發(fā)生滑坡的概率，利于環(huán)境保護(hù)；另外，土方量的減少，避免山體結(jié)構(gòu)的過分破壞，有助于規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害，符合“四新”要求，保證礦山綠色安全運(yùn)行。

（3）設(shè)置管線隧道，可將礦漿輸送管、供水管、硫酸管和雙氧水管集中鋪設(shè)，便于管理和維修，同時(shí)拉近了破磨模塊和水冶模塊的距離，便于人員溝通。

（4）危化品硫酸與雙氧水的使用上能實(shí)現(xiàn)自流，降低了生產(chǎn)和管理的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省能源消耗。

（5）按照方案一布置，對現(xiàn)有水冶設(shè)施影響較小，一旦某鈾礦山水冶廠恢復(fù)生產(chǎn)，即可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原設(shè)施，同時(shí)對新水冶廠也留出了足夠的基建期和調(diào)試期。

（6）方案一總投資估算為9600萬元；方案二總投資估算為10300萬元，可節(jié)省約700萬元。

3 結(jié)語

經(jīng)過方案優(yōu)化比較，水冶廠整體改造方案采用方案一。升級改造原有的磨礦模塊，其余模塊布置在中部小山谷。經(jīng)方案比選和分析研究，在狹小山地區(qū)域水冶廠房平面布置方面，得出以下結(jié)論：

（1）廠房平面布局可采用功能模塊化，既明確了各模塊的功能，又可將各模塊有機(jī)結(jié)合起來，快速高效地完成水冶任務(wù)，提高了工作效率，有利于管理與協(xié)調(diào)。

（2）改造設(shè)計(jì)時(shí)盡可能利用已有廠房設(shè)施，通過原礦倉和球磨廠房的利舊改造，有效減少了廠區(qū)挖方量和道路工程量，節(jié)約了投資成本。

（3）水冶功能模塊的布置，可充分考慮地形地勢的特點(diǎn)，結(jié)合自身工藝路線的要求，實(shí)現(xiàn)廠房的合理布局，有利于廠房之間的物料輸送和管道的鋪設(shè)。

（4）公共輔助模塊布置充分利用地形和廠區(qū)已有道路，合理布置危化品倉儲(chǔ)設(shè)備位置，實(shí)現(xiàn)危化品自流，提高了生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。

（5）破磨與水冶模塊分區(qū)布置，中部有山體阻隔，其管線可以沿原有地形鋪設(shè)；但存在線路長、拐彎多、起伏大、運(yùn)行安全性差、檢修不便等缺點(diǎn)。在充分研究工程地形地貌條件下，采用在隧道內(nèi)布置管線方式是可行的。