铀尾矿处置的实践和认识

第28卷　第1期2009年2月铀　矿　冶

U RAN IUM M IN IN G AND M ETALL U R GY Vol 128　No 11Feb 12009

收稿日期:2008203215

作者简介:王志章(1941—),男,河北省石家庄市人,研究员级高级工程师,长期从事铀尾矿处置的研究、设计工作。

铀尾矿处置的实践和认识

王志章

(核工业北京化工冶金研究院,北京101149)

摘要:回顾我国铀尾矿处置的相关科研工作和工程实践,涉及高固体含量尾矿浆的管道输送,高压矿浆的研制,耐腐蚀管材的应用,以及铀尾矿库的退役治理,并对铀尾矿库渗水等有待解决的问题提出建议。关键词:铀尾矿;处置;水力输送;退役治理

中图分类号:TL 942.21;TL 943　文献标识码:A 文章编号:100028063(2009)0120022204

自20世纪50年代我国铀矿冶工业兴起至今,铀尾矿处置作为铀矿冶一个重要组成部分经历了不断提高和发展的过程。由于科研、设计、施工和运行各个部门的共同努力,在确保正常生产、工程安全、辐射防护安全等方面都取得了较好结果。随着人们环境保护意识的不断提高,国家对铀尾矿处置的要求也日趋严格。通过总结国内的实践,学习、借鉴国外先进经验,努力争取在这一领域开创新的局面,是一项刻不容缓的任务。

1铀尾矿处置方法及技术改进

世界各国根据各自的国情(水冶工艺流程、设备装备水平、尾矿库地形地质条件等)曾对铀尾矿采用过多种处置方法:有采用水力输送方式的“湿法”,有采用将尾矿浆过滤脱水的“干法”;有在陆地上堆积处置的(如山谷型、平地形尾矿库),也有采用水下处置的(如湖下沉积)。有过很多成功的经验,也有不少失败的教训。

我国的铀尾矿处置绝大多数是采用水力输送的“湿法”及“上游筑坝法”,即在水冶厂附近选一山谷作尾矿库,用当地土石料建一初期坝形成一定库容。在水冶厂将铀尾矿制成中性尾矿浆,再用泵和管道排放至尾矿库。尾矿在库内沉积,当沉积滩面超过初期坝顶时,则开始用尾矿在初期坝顶上游侧堆积形成堆积坝,并不断分期加高。1.1水力输送系统的改进1.1.1

高浓度输送的试验研究

直到20世纪90年代初,我国铀尾矿的水力

输送系统一直采用“低浓度”输送法,即矿浆的液

固质量比为41～8∶1。由于大量的水需要往返输送,使得尾矿输送系统的电耗在水冶厂总电耗中占有较大比例(8%～15%)。而且由于矿浆含固量低,尾矿在沉积过程中分级明显,沉积体的孔隙率高、干密度低(1.0～0.9g/cm 3),内凝聚力、内摩擦角等物理力学指标较低,对坝体的稳定不利。特别是在库内后部形成的“细泥区”的干密度仅为0.4～0.6g/cm 3,一旦管理操作失当,则会造成排出水“跑浑”。这种方法形成的沉积滩坡度很缓(1.0%～0.5%),往往使初期坝工程量偏大。

20世纪90年代初,核工业北京化工冶金研

究院引进加拿大学者罗宾斯基(Robinsky )的“浓

密处置法”[1]

,即在水冶厂先将铀尾矿浆浓缩至液

固质量比1∶1～0.8∶1,再用泵和管道送往尾矿库。其主要优点是可节省输送电耗35%～50%;由于矿浆含固量高,黏度大,其流变特性不再属牛顿体,而是呈宾汉体,不但在输送过程中不易沉积、堵塞管道,而且排放后可使沉积滩坡度较陡(4%～6%),进而使初期坝工程量减少,沉积体孔隙率降低,干密度提高(1.2～1.4g/cm 3),同时也使堆积体内凝聚力、内摩擦角等物理力学指标提高,有利于坝体稳定;基本消灭了“淤泥区”,使滩面的氡析出率大大降低,有利于辐射防护。

在靖远铀水冶厂、翁源铀矿的尾矿处置系统工程改造中,核工业北京化工冶金研究院在现场进行了专项的浓密、输送、排放沉积试验,并取得了较好结果[2]。在实测不同w (固)尾矿浆流变特

性的基础上,浓密试验证明,推荐的深锥浓密机可将矿浆浓缩到w(固)≥50%;输送试验测出了i～υ曲线(i为水力坡度,υ为流速)及临界流速;沉积试验测得了沉积滩面坡度及干密度,为设计提供了可信依据。根据实测的大量数据,率先导出了倾斜管段沿程损失的计算公式,还用清华大学的高固含量矿浆输送试验数据对公式的正确性进行了很好的验证[3],并将这一技术成功地扩展到了制碱工业的氨碱厂蒸氨废液(渣)的处置中[4]。

1.1.2输送用泵及管材的改进

20世纪70年代前,尾矿输送系统主要是使用国产离心砂泵及普通钢管。由于当时冶金技术的限制,离心砂泵的叶轮、泵壳及输送管(槽)所用钢管的磨损和腐蚀都非常严重,泵的叶轮平均只能用1～2个星期,钢管的壁厚每半年就会减少3～5mm,迫使工厂消耗大量的备品备件。另外,我国多数铀水冶厂处理量小,尾矿浆流量小(30～50m3/h),但由于地处山区,往往需要的扬程较高(≥80m),在当时的国产砂泵系列中,适用于如此小流量的砂泵的扬程也很低(≤50m)。这就迫使工程设计中不得不采用“2级”甚至“3级”串联,给运行和管理带来很多麻烦。

20世纪70年代起,在学习日本玛尔斯(Mars)泵技术的基础上,铀矿冶系统率先研制成功了“油隔离泥浆泵”(流量30～120m3/s,扬程250m),并应用于靖远铀水冶厂、息峰铀矿、抚州铀矿等水冶工程中。这些工程的尾矿输送系统均实现了“1级”输送,而且流量可连续调节。“油隔离技术”使泵的磨损非常轻微。

与此同时,在这些工程的输送管(槽)方面,也及时采用了耐磨、耐腐蚀的辉绿岩铸石管(板)作衬里,使输送管(槽)的寿命长达15a以上。

新型设备、管材的应用,使铀尾矿输送系统操作、运行状况大大改观。

1.2初期坝推荐坝型的改进

我国在20世纪50年代最早兴建的衡阳铀厂、上饶铀矿2座铀尾矿库,是分别由苏联专家设计和在苏联专家指导下设计的,其初期坝均为均质土坝。随后于20世纪60年代建设的南雄、翁源、兴城、抚州铀矿等尾矿库的初期坝也都采用均质土坝。通常情况下,土坝具有施工进度快(南方多雨区除外)、节省投资、初期应用情况较好等优点。但是,从“上游筑坝法”的总体结构上分析,用土坝作为初期坝在使用后期将对坝体正常排渗和坝体稳定不利,因为,随着使用年限的延长,库内控制水位将逐步抬高到初期坝顶以上,导致土坝下游坝坡及坝顶可能因渗水而沼泽化,甚至出现滑坡。上述分析都先后被工程实践所证实:1980年,衡阳铀厂尾矿库拦水坝下游坝坡出现严重沼泽化和局部塌方(当时,其上堆积坝高度约为20 m),随后,翁源铀矿尾矿库初期坝(“水中倒土法”施工的均质土坝)、南雄铀矿尾矿库初期坝(碾压式土坝)和兴城铀矿尾矿库初期坝也都先后因下游坡渗水而沼泽化形成局部塌方。上饶铀矿小尾矿库的坝也出现过类似的事故苗头,所幸的是由于及时采取了压坡、排渗等工程措施,才未造成大的影响。

基于对用土坝作初期坝的上述分析,从20世纪70年代起,铀矿冶系统开始积极推广用堆石透水坝作为初期坝(因为这种坝型可以有效地避免前述土坝的缺点),并先后在息峰铀矿、南雄铀矿Ⅱ期工程中建成应用。这些工程一直稳定可靠地运行了近20a。遗憾的是,正当即将突出显现其堆积坝堆积过程中的优越性时,却因水冶厂政策性停产而停用(不过,这一坝型的优越性已在冶金矿山的同类工程中已充分显现)。但在随后进行的退役治理中,这些尾矿库的初期坝因为坝体稳定可靠无安全隐患,几乎无需任何治理费用。

2铀尾矿库的退役治理

20世纪90年代初,我国一批铀矿冶工程因资源枯竭或政策性关停而停产关闭,需要退役治理。在学习发达国家有关经验和IA EA相关标准基础上,结合我国的国情,管理部门制定了G B 14586—1993《铀矿冶设施退役环境管理技术规定》,E J1107—2000《铀矿冶设施退役整治工程设计规定》等一系列有关铀矿冶退役治理的标准、规定。由于尾矿库属重大污染源,退役治理工程量大,退役工程要求的稳定年限长等原因,尾矿库退役治理已成为铀矿冶退役治理的重点。

211　铀尾矿库退役治理的国际合作

IA EA对我国的铀尾矿库退役治理曾给予积极支持。1997—2000年间,IA EA对我国执行铀尾矿库退役治理的技术援助计划,曾先后派其技术官员、法国专家、德国专家来华,以衡阳铀厂尾矿库为对象,与中国专家共同就铀尾矿库退役治

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