Влияние физико-геологических факторов на процесс подземного выщелачивания фосфоритов

Процесс выщелачивания фосфатов непосредственно в залежи, в отличие от химической переработки предварительно обогащенного сырья, осложняется значительным количеством других кислоторастворимых примесей — карбонатов кальция и магния, полуторных оксидов железа и алюминия и других соединений. Поэтому одной из важнейших задач при ПВФ является выбор типа и концентрации кислоты, обеспечивающих наиболее высокую селективность извлечения полезно го компонента (Р₂О₅) по отношению к извлечению других кислоторастворимых компонентов, прежде всего полуторных оксидов.

Для разных рН среды на основании расчетов энергии Гиббса реакций указанных кислот с основными фосфатными минералами ряды активности кислот имеют следующий вид:

HNO₃ > НСl > Н₃РО₄> H₂SO₄ (pH < 1,5—2,0), Н₃РО₄ >HNO₃,

HCl >H₂SO₄ (pH> 1,5—2,0)

Выбор конкретной кислоты помимо ее активности и селективности обусловлен принятой схемой переработки продукционных растворов и технологией утилизации возможных отходов.

Как правило, в пластовых условиях концентрация кислоты должна быть намного меньше концентрации кислоты в наземной технологии кислотного разложения фосфатного сырья. Это связано с тем, что применение концентрированных кислот для разложения необогащенного сырья в пластовых условиях приводит к резкому ухудшению фильтрации растворов за счет кольматации пор пласта углекислым газом при разложении карбонатов, переотложением солей впереди фронта выщелачивания (образование так называемые ≪геохимического барьера≫) и повышением вязкости растворов.

Таким образом, на реализацию процесса ПВФ влияют в первую очередь химический и вещественный состав пород продуктивного пласта и вмещающих пород, их пористость и проницаемость, прежде всего, соотношение проницаемости пласта и вмещающих пород, размеры фосфатных зерен и конкреций. Из геологических факторов важнейшими являются мощность залежи, ее глубина, величина напора пластовых вод, наличие и удаленность гидрогеологической разгрузки залежи. К технологическим факторам, определяющим процесс ПВФ, относятся состав выщелачивающего агента, темп его закачки в пласт и давление закачки, параметры сетки эксплуатационных скважин, соотношение между объемами закачки и откачки, химический состав оборотных растворов после выделения удобрительных компонентов при наземной переработке.

Технология ПВФ во многом аналогична технологии подземного выщелачивания руд металлов. Она включает вскрытие залежи скважинами, их обсадку коррозионно-стойкими колоннами труб (чаше всего полиэтиленовыми или стеклопла стиковыми), оборудование забойной части скважин фильтрами.

Технология подготовки залежи к выщелачиванию также аналогична подготовке залежей руд металлов. Для плотных скальных пород (например, хибинских апатитов) необходимо применять схемы с предварительным дроблением руды и подготовкой блоков выщелачивания.

Для осадочных месторождений с достаточно высоким коэффициентом фильтрации можно применять более простые схемы с выщелачиванием через скважины без специальной подготовки пласта.

Метод апробирован в опытных масштабах во Флориде (США) и в Кировской области (Россия). Сведений о промышленном применении метода не имеется.

На Верхнекамском месторождении в качестве выщелачивающего агента была выбрана азотная кислота, наиболее активная по отношению к фосфатам в сильнокислотной среде и позволяющая при переработке растворов получить безбалластное удобрение.

Определение селективности азотной кислоты в диапазоне концентраций от 0,01 до 14 % показало, что наиболее рациональной является концентрация 5—10 %. При больших концентрациях резко возрастает газовая кольматация руды и извлечение полуторных окислов железа и алюминия, при меньших — значительно падает содержание полезного компонента в растворе. Процесс выщелачивания протекает главным образом, в диффузионной области.

Исследования производились на лабораторных моделях. Было показано, что величина извлечения Р₂О₅ в моделях составляла 78—80 %, коэффициент использования кислоты 75—62 %, кратность смены порового раствора и критерий Нуссельта составляли 10,6 и 81 для 5 %-ной кислоты и 5,75 и 231 для 10 %-ной кислоты. Максимальная концентрация Р₂О₅ в моделях достигала на 5 %-ной кислоте 7,5 г/л, на 10 %-ной кислоте -20 г/л. Установлена значительная роль газовой кольматации и переосаждения вторичных фосфатов на течение процесса выщелачивания. Отложения фосфатов образуют вокруг зоны выщелачивания подвижный малопроницаемый геохимический барьер. После достижения кислотной сбойки в канале выщелачивания продолжается растворение наиболее крупных конкреций и стенок канала, сцементированных вторичными фосфатами. Установлена также своеобразная роль примесей пирита в фосфатных рудах. Его выщелачивание азотной кислотой приводит к образованию серной кислоты, которая, в свою очередь, взаимодействует с карбонатными минералами с образованием гипса Опытные работы на месторождении проводились на участке, вскрытом гексагональными ячейками скважин глубиной 15—16 м по сетке 10x10 м и 20x20 м.

В общей сложности опытный участок включал 48 эксплуатационных и наблюдательных скважин. Наземная часть опытного участка включала шесть кислотостойких емкостей для приготовления выщелачивающего раствора, сбора продукционных растворов и их нейтрализации, систему трубопроводов с запорной арматурой для распределения выщелачивающего раствора по скважинам, кислотные насосы, нутч-фильтры, продукционных растворов. Основные характеристики процесса ПВФ в натурных условиях. Мощность пласта 0,3—0,4 м, коэффициент фильтрации 2—6 м/сут. содержание P₂O₅ = 14%, карбонатная – до 9%, концентрированная азотистая кислота — 5—10%, концентрация P₂O₅ в растворе до 20%, коэф. Извлечения (в Канаде) до 90%.

Специфика переработки растворов подземного выщелачивания фосфоритов заключается в необходимости перерабатывать сравнительно бедные по P₂O₅ продукционные растворы, содержащие, кроме того, значительное количество железа.

Для переработки таких растворов была предложена и экспериментально обоснована технологическая схема, включающая постадийную нейтрализацию раствора щелочным агентом (известью, аммиаком) и регенерацию выщелачивающего раствора обработкой растворов нитрата кальция серной кислотой.

Осадок первой ступени (до рН = 3) содержит до 40 % P₂O₅ в виде средних фосфатов железа с примесью фосфатов кальция и алюминия, фторидов кальция и может использоваться как удобрение. Осадок второй ступени при нейтрализации известью или аммиаком представляет собой преципитат с незначительной примесью нитрата кальция и аммония и является высококачественным агрохимическим удобрением.

При регенерации азотной кислоты из растворов нитрата кальция используют концентрированную 96%-ю серную кислоту в стехиометрическом соотношении с нитратом кальция. Опыты показали, что из раствора выделяется до 60—70 % кальция в виде гипса. Остальной гипс в растворенном виде вместе с регенерированной кислотой направляется на выщелачивание.

Вопросы к разделу:

1.Технологические операции при подземном выщелачивании металлов.

2.Переработка продуктивных урансодержащих растворов выщелачивания.

3. Подземное выщелачивание фосфорного сырья.

Дата добавления: 2014-01-03