CN211999868U - 气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，包括储液罐；与风源系统连通的反应室；设置于所述反应室上方的雾化装置，且雾化出口与所述反应室连通；输送系统用于连通所述反应室与所述雾化装置，将所述待处理的铀浸出液输送至所述雾化装置，以及输出处理完后的铀浸出液；放电电极，与高压脉冲电源电连接，包括放电正电极和放电负电极，且所述放电正电极和放电负电极相对设置。本实用新型可以提高铀的浸出率，进而提高铀的浸出速度。

Description

气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置

技术领域

本实用新型涉及铀矿开采中强化提出铀的技术领域，具体是一种气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置。

背景技术

随着人们对生活要求的提高，人均用电量的增加，同时因为环境环保因素，必须面对节能减排的压力，迫使人们不断增加建设核电站发电机机组数量来满足需求，这就要求不断提高铀的产量及铀生产的技术水平。在铀的生产中，铀是用酸性或碳酸盐浸出法从含铀矿石或砂砾中提取的，为了减小铀矿石开采对环境的影响及后续尾矿库环境恢复治理的成本，通常采取在铀矿区爆破、钻井，然后使用一定浓度的硫酸或碳酸盐溶液进行原地慢慢滴浸，将矿石或砂砾里面的铀随着硫酸或碳酸溶解并浸出，再在旁边另外打一个更深的洞，浸出液在此洞中聚集，使用耐酸泵将溶解了铀的酸溶液抽出来，再利用树脂柱进行离子交换，得到铀。或者采用另外一种方法，俗称为堆浸，其具体做法是将铀矿石开采出来，使用破碎机将矿石破碎成一定颗粒大小，堆成一堆形状矿石，并使用一定浓度的硫酸进行雾化喷洒，这样的过程将持续几十天时间，该过程如图1所示。然而随着铀矿资源的日益枯竭，从低品位铀矿石或砂砾中提取铀，更需要提高铀的浸出效率，以最小的成本提高铀浸出率对未来核能开发至关重要。

铀资源在矿物中以两种形态存在，一是铀IV (四价铀)，二是铀VI (六价铀)。然而硫酸水溶液溶解四价铀能力较差，仅浸出了可溶性较好的六价铀。通常使用在浸出酸液中进一步添加氧化剂的方法将四价铀氧化成六价铀。用于这一目的的常规氧化剂包括二氧化锰、氧气、过氧化氢、二氧化硫和含铁硝酸盐溶液等化学氧化方法。然而化学氧化方法存在以下缺点：要将化学品输送到偏远矿区，需要安全的化学品储存设备，如果强氧化剂在矿区就地生产，氧化剂的生产需要高温和加压氧去氧化这些工艺流程，这必将增加生产的成本，不利于环保。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，便于在空气和雾滴中进行火花放电对铀浸出液进行处理，从而提高铀的浸出率。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，包括：

储液罐；

反应室；

雾化装置，设置于所述反应室上方，且雾化出口与所述反应室连通；

输送系统，用于连通所述反应室与所述雾化装置，将所述储液罐内的待处理的铀浸出液输送至所述雾化装置；

放电电极，与高压脉冲电源电连接，包括放电正电极和放电负电极，且所述放电正电极和放电负电极相对设置；

优选地，所述反应室与风源系统连通。

所述反应室底部与所述储液罐顶面固定连接，所述反应室底部设置多个微孔。

所述输送系统包括进液口与所述储液罐连通的动力泵；所述动力泵出液口通过三通阀与所述雾化装置进液口连通，所述三通阀的其中一个输出端口为处理完后的铀浸出液的输出口。

所述高压脉冲电源与控制系统电连接；所述控制系统与臭氧监测装置电连接；所述臭氧监测装置进气口与所述反应室连通，所述臭氧监测装置排气口位于所述反应室外。

所述反应室外壁为金属材质，所述反应室内部为耐酸材质；所述反应室外壁与脉冲微波发生装置接触。

所述脉冲微波发生装置包括高压脉冲直流电源；所述高压脉冲直流单元与磁控管电连接；所述磁控管与波导管连接；所述波导管与所述反应室外壁接触。使用脉冲微波发生装置可以使铀的总回收率提高1～1.5%。

所述放电正电极和放电负电极之间的距离为1～5厘米；优选地，所述放电负电极表面积大于所述正电极放电表面积。

所述雾化装置的出口与金属套管连通，所述金属套管伸入所述反应室内；所述金属套管下方设置有金属圆环；所述金属套管、金属圆环分别与直流电源的正极、负极电连接；优选地，所述金属套管、金属圆环之间的垂直距离为10～15厘米。优选地，所述直流电压的大小为5～8千伏。

所述金属圆环与金属件固定连接，所述金属件一端穿过所述反应室，并与反应室外壁接触；优选地，所述金属圆环所在位置的反应室内径与所述金属圆环直径之差为1～5厘米。

所述反应室包括相互连接的上部圆柱体和下部圆柱体，所述上部圆柱体内径小于所述下部圆柱体内径。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：

1、利用本实用新型的装置，可以在空气和雾滴中进行火花放电，便于对铀浸出液进行处理，以提高铀的浸出率。与未进行经本实用新型装置处理的常规铀浸出工艺相比，使用本实用新型装置后，最终铀的总回收率可以提高4～6%。

2、在模拟铀堆浸的试验中，利用本实用新型的装置对铀浸出液进行电火花处理，使相同浸出率的浸出时间缩短为原来的二分之一，产能可以提高，同时浸出率的提高进一步减少了尾矿库存在对环保的压力，降低了环保成本，将最大限度降低对生态的影响。

3、使用本实用新型的装置，无需添加化学氧化剂处理铀浸出液，从而减少了铀浸出生产过程中对化学氧化剂的依赖程度，减少了原地浸出时氧化剂生产、运输和环保的要求及压力。

4、采用本实用新型方案最大的成本是电能需求，相对现有技术，大大减小了成本，既环保又高效，实用性强。

附图说明

图1为铀资源开采浸出流程示意图；

图2为本实用新型在铀资源开采浸出流程中的示意图；

图3为本实用新型气液相火花放电强化处理铀浸出液的装置；

图4为本实用新型火花放电处理铀浸出液化学动力学过程图；

图5为本实用新型雾化装置示意图；

图6为本实用新型实施例1效果图；

图7为本实用新型实施例2效果图；

其中，1为储液罐；2为气液相反应室；3为雾化装置；4为放电正电极；5为放电负电极；6为高压脉冲电源；7为进气鼓风泵；8为臭氧监测装置；9为排气口；10为浸出液循环动力泵；11为三通阀门；12浸出液输出口；13为控制系统；14为磁控管高压脉冲直流电源；15为磁控管；16为波导管；17为雾化增强装置的负电极；18为直流高压电源；19为金属套管；20为螺丝；21为进液口。

具体实施方式

本实用新型相对图1的铀浸出流程，无需增加化学氧化剂，增加一个“气液相火花放电处理”装置，流程图如图2所示。利用高压脉冲气液相放电产生的活性粒子进一步产生亚硝酸，将亚铁离子再氧化成铁离子，然后铁离子再将四价铀氧化成六价铀，六价铀随浸出液输出。在整个浸出流程中，本实用新型过程如图4所示的化学反应式⑤所示，取代了化学氧化剂，加速铀浸出速度，提高铀的浸出率。

如图3为本实用新型的装置组成图，图3中各个部分的功能及特征如下：

储液罐1用于存储需要处理的铀浸出液，使用耐酸材料制作，比如PP共聚物；气液相反应室2，外形为上下两个圆柱形结构，内侧（内壁）使用耐酸材料制作，外侧（外壁）是不锈钢管，气体放电产生的活性粒子在此空间进行溶解、反应。反应室下部的圆柱形直径（30厘米）比上部圆柱体直径（15厘米）大，便于根据需要调节放电电极之间的距离，也为了高压脉冲电源接入电极的绝缘防护安装方便，最下层为微孔结构，液滴可以穿透微孔（微孔直径约1.4～1.8毫米）进入储液罐1，微孔结构可以抑制微波，防止微波穿过，防止微波直接加热下面的储液罐内的液体；放电正电极4和放电负电极5使用平板钢材制作，放电正电极4为正极，接高压脉冲电源6的高电位输出端；放电负电极5为负极，接高压脉冲电源6的低电位输出端，同时它与反应室2的外壳不锈钢连接，并接公共地（零电位）；放电正电极4的表面积（1～3平方厘米）比负电极5的表面积（10～100平方厘米）要小，这样的目的是使放电火化成辐射状，提高放电反应空间，提高效率；高压脉冲电源6，其功能是提供可重复输出的、一定幅度的高压脉冲电压信号，去产生火花放电，放电参数与处理流量、电极间距离有关；电极距离越大，放电电压幅度越高，处理流量也大；电极和放电电压幅度一定时，放电重复频率高，处理流量也大，处理时间会缩短。鼓风泵7通过泵电机转速控制空气进入反应室的流量，为放电反应提供足够的空气；臭氧监测装置8用于监测排气口臭氧的含量，让高压脉冲电源6在进行气体放电时不产生臭氧，因为产生臭氧影响电能应用效能；排气口9用于排除空气，该排气口的直径为50毫米，末端（远离臭氧监测装置的一端）使用带微孔（直径约1.4～1.8毫米）的金属板阻断微波，长度为48厘米，不能让微波泄露；循环动力泵10是浸出液的循环与雾化的动力；三通阀门11可以控制铀浸出液去雾化处理，也可以把处理后的浸出液进入铀浸出装置（矿石），受控于控制系统13；液体输出口12用于输出处理完毕的浸出液；控制系统13由可编程逻辑控制器（PLC）或单片机系统来实现，主要功能包括主要空气流量、浸出液循环流量以及控制放电参数设定及开关控制等人机界面及操作，具体是进气鼓风泵7和循环动力泵10的转速设定，以及雾化直流电源18及脉冲微波发生器（磁控管）15的参数及开关机等操作。空气流量设定范围为5升～60升/分，液体流量设定范围为1升～5升/分；放电电压范围为10kV～50kV，最佳重复频率为500Hz～5kHz，最高不超过100kHz，脉冲宽度最佳参数100～500微秒；高压脉冲直流电源14为磁控管15提供驱动阳极脉冲高压直流以及灯丝供电，工作在脉冲状态，主要参数为阳极高压、重复频率及脉宽，阳极电压一般为4.2kV，重复频率及脉宽时间与上面的脉冲放电电源一样且时序同步；磁控管15在高压脉冲电源14的驱动下，产生频率为2.45GHz的脉冲微波。波导管16是将磁控管发出的微波约束导入反应室2，微波入射的方向为放电正电极4和放电负电极5的侧方，就是尽量让微波在电极间辐照。脉冲微波的功能就是辅助气液相火花放电，增加活性粒子的产生，增加了火花放电的优化区间的范围，当然也可以不要，不影响该装置的主要功能；雾化装置3用于雾化浸出液，让液滴有足够的表面积与放电产生的活性粒子充分反应，雾化装置内部为四氟乙烯材料，外部为不锈钢圆环套在内部的四氟乙烯材料上，不锈钢圆环兼做雾化装置的正电极。雾化装置包括两个电极和一个直流电源18，雾化喷嘴3的前端外金属环兼做正电极，在喷嘴3的下方安装了一个金属圆环17，金属圆环直径比反应器2的上半部分的内径小1-5厘米，并与反应器2的上半部分的不锈钢外壁用螺丝连接固定，当作雾化装置的负电极，并接公共地（零电位），两个电极的垂直距离为10-15厘米，这样的距离有利于扩大雾化的空间且保持好的雾化效果。雾化装置的功能是利用静电电压将喷嘴雾化的液滴进一步分散开来，减小颗粒的直径。直流电源18提供一个直流电压，该电压与供电电网需要变压器隔离，参看如图5所示。

所有的铀矿石中都含有铁元素，使用硫酸等酸液进行浸出工艺操作，浸出溶液中必定含有亚铁离子。在此情况下，通过本实用新型的装置，对待处理的铀浸出液可以进行如图图2所示处理。

从堆浸或者地浸得到的铀浸出液，首先经过树脂离子交换柱，将可溶的六价铀吸附后，剩下的浸出液含有浓度较高的亚铁离子。这些浸出液由进液口21进入储液罐1，在控制系统13中设置放电处理时间，泵循环流量，进气泵流量，高压脉冲电源6的输出电压幅值、重复频率和脉冲宽度，脉冲微波直流电源的重复频率、脉冲宽度和峰值功率以及直流电源18的输出电压。然后启动循环泵10工作，让铀浸出液经过阀门11从雾化装置3的喷嘴喷出，雾滴的颗粒直径在0.1～1mm之间，然后启动脉冲高压电源输出高压脉冲输出至放电正电极4和放电负电极5，同时启动鼓风机7向反应室2输入空气，此时在空气-空气以及空气-液体颗粒面发生火花放电，并存在火化通道，产生大量的活性粒子物质，这些粒子物质按照图4的化学方程进行化学反应，不断的将亚铁离子氧化成铁离子，在这个过程中，需要检测排气口的气体成分是否含臭氧，否则适当调节高压脉冲电源的电压幅值和放电电极间的距离，臭氧含量低于监测传感器的检测灵敏度（一般为1ppm）以下就可以。随着放电的进行被处理的浸出液中的铁离子与亚铁离子的比例不断增大，当比例增大到70%后，控制系统13将停止放电和空气循环，同时控制循环泵和三通阀门将处理完毕的浸出液回到图2所示中第一部，并适当补充硫酸溶液，保证浸出液的PH满足浸出工艺要求，这样处理完毕的浸出液中含有足够浓度的铁离子去滴浸氧化矿石颗粒中那些不易溶解的四价铀离子，将四价铀离子转化为六价铀离子，六价铀离子随硫酸浸出液回到树脂铀离子交换柱被吸附后，剩下的浸出液含亚铁离子浓度高，继续被放电处理，依次循环，直到把矿石中尽量多的铀浸出，浸出过程就结束了。

在火花放电时产生活性粒子，这些粒子物质分为两类：一是短寿命的高活性的物质，比如O离子和OH自由基等；二是长寿命的含氮氧物质等。由于放电在气体和液体及其表面进行，这些含氮氧物质在空气中的寿命相对较长，移动扩散距离也远，这些活性粒子从火花放电通道扩散到反应室中，并在雾化液滴中进一步溶解，火花放电中高的气体温度和带电粒子的密度促进了一氧化氮(NO)的生成，反应进一步氧化为二氧化氮NO₂，如图4中的反应式①所示。

氮氧化物在水介质中将按照图4中反应式②和③进行溶解进一步形成亚硝酸盐和硝酸盐离子。

在酸性铀浸出液中，亚硝酸盐离子是亚铁离子的主要氧化剂，亚铁离子进一步生成铁离子，在存在铁离子和亚硝酸盐离子的情况下，铀的浸出可在随后的两个阶段沿着催化机理进行：如图4中的反应式④和反应式⑤所示。

在硝酸存在下，一氧化氮的溶解由于下列自催化反应而进一步增加了亚硝酸离子的浓度，如图4中的反应式⑥所示。

从这些反应式可以知道只要铀矿石初始状态下存在铁元素，就会出现一定浓度的Fe2+离子和一定浓度的硫酸水溶液或者铁离子Fe3+溶液和硫酸水溶液，然后对铀矿石颗粒进行地浸或堆浸，得到铀浸出溶液后，启动雾化过程，并使用高压脉冲电源进行火花放电，这个过程持续下去，适当补充硫酸水溶液，不需要添加其它氧化剂，系统能自催化，就可以源源不断的把矿石中的铀浸出，主要原料非常常见且易得。

火花放电处理铀浸出液的时间根据铁离子与亚铁粒子的比例确定，一般铁离子与亚铁粒子的比例不低于70%-90%。放电正电极4和放电负电极5之间的距离，介于1厘米～5厘米之间，距离太小放电火化不稳定，活性粒子产生不够理想，反应空间太小，距离太大，产生火花放电的脉冲电源激发电压幅度要求更高，放电更难，但产生的氮氧化物更多一点。

火花放电激发脉冲高压电源，最佳的参数范围为：输出的电压在10千伏～50千伏之间，重复频率最大达到100千赫兹，脉冲宽度不低于10微秒，最大不超过500微秒，每个脉冲的能量在0.3～5个焦耳之间，过大的脉冲宽度耗电多，脉冲波形的前沿时间越小，产生的活性粒子越多。所有这些参数的优化的前提是：在排气口9处，臭氧检测装置8不能检测到臭氧的产生。

空气鼓风机7只要保证空气流通就行，火花放电能量及重复频率高时，适当提高鼓风转速，保证反应室有足够的空气。

为了更好的发挥气液相火花放电性能，进一步在如下两个方面进行了优化。

一是提高雾化的效果，减小雾化液滴颗粒的直径，因为雾化颗粒越小，能更好的让活性粒子与液滴充分反应，效果越好，同时颗粒直径越小，火花放电通道在脉冲电压脉宽范围内不易中断。采用的措施是在在雾化喷嘴3的下外端加了一个金属管套19和喷嘴的下方加了一个大的金属圆环17，这个管套和金属圆环就是两个电极，然后将直流电源18输出的直流电压与两个电极连接，其中管套19接正极，金属环17接负极，使用螺丝20将金属环17固定在反应器2的金属外壳，并连接公共地（零电位），直流电压的大小介于5～8千伏。其基本原理是一种静电吸附，产生微小的液滴。其连接图如图5所示。

二是在反应室的电极之间施加脉冲微波，辅助促使两个电极4和5之间更容易产生火花放电通道，产生更多的氮氧化物活性粒子，使系统铀浸出能效更高。主要措施是使用磁控管15，在高压脉冲直流电源14的驱动下，产生脉冲微波，经波导管输出至放电正电极4和放电负电极5之间。为了提高能效，降低成本，脉冲微波的作用时间、重复频率与高压脉冲电源6的作用时间、重复频率一致，且同步进行。

例1：采集花岗斑岩型铀矿石，经检测含铀约百分之二点一，三氧化二铁百分之二点五，利用破碎机将矿石破碎成直径约4厘米，将这些碎颗粒充分混合，分成2堆，每堆质量约1000千克，使用堆浸出法，浸出溶液为硫酸溶液，硫酸含量为30克每升，供220升，初始PH值为1.2。1号堆使用传统的方法浸出，工艺流程如图1所示，而2号堆使用本实用新型提出的方法，工艺流程如图2所示，连续浸出50天，所有的浸出液的PH数为4.5。每天测试一下铀的浸出率，并记录画出曲线图如图6所示。实线为2号堆浸出率，虚线为1号的浸出率。从曲线可以看出整个浸出时间为50天，采用本实用新型装置的2号堆浸出率达到了95%，采用传统方法的1号堆浸出率只有91%，可以得出采用本实用新型装置来处理铀浸出液达到传统方法浸出率的时间为26天，浸出时间可以节约24天，浸出率提高了4%。

本实用新型装置运行参数为，进气鼓风流量为10L/min，每次处理的浸出液为30L，雾化为1L/min，放电参数为，重复频率1kHz，每次脉宽120us，每个脉冲能量为0.47J，脉冲电压幅度为22kV，考虑到初始阶段矿石里面的铁离子没有浸出，前10天不处理，从第11天开始处理，每次处理时间为30min。

例2：采集流纹英安岩型铀矿石，经检测含铀约万分之十九，利用破碎机将矿石破碎成直径约2厘米，将这些碎颗粒充分混合，分成4堆，每堆质量约100千克，使用4根PPR管材的柱子装起来，浸出溶液为硫酸溶液，硫酸含量为30克每升，供20升，初始PH值为1.3。将4根柱子，分成两批，1-4号柱子使用传统的方法浸出，工艺流程如图1所示，连续浸出20天，所有的浸出液的PH数为5。在第20天开始，1-2号柱子继续使用传统的方法浸出，而3和4号柱子使用本实用新型的装置处理，工艺流程如图2所示，每天测试一下铀的浸出率，并记录画出曲线图如图7所示。实线为3和4号柱子的平均浸出率，虚线为1和2号柱子的平均浸出率。从曲线可以看出整个浸出时间为50天，采用本实用新型装置的3和4号柱子的平均浸出率达到了96%，而传统方法浸出率只有90%，而且采用本实用新型来处理铀浸出液达到传统方法浸出率的时间为33天，可以节约17天，浸出率提高了6%。

本实用新型装置运行参数为：进气鼓风流量为5L/min，每次处理的浸出液为5L，雾化为1L/min，雾化直流电压为6kV；4号电极面积1平方厘米，5号电极面积10平方厘米，电极距离1厘米。放电参数为：重复频率100Hz，每次脉宽100us，每个脉冲能量为0.47J，脉冲电压幅度为25kV；脉冲微波平均功率为5W。从第20天开始处理，每次处理时间为20min。加上优化措施后的浸出率高了。

Claims (15)

1.一种气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，包括：

储液罐；

反应室；

雾化装置，设置于所述反应室上方，且雾化出口与所述反应室连通；

输送系统，用于连通所述反应室与所述雾化装置，将所述储液罐内的待处理的铀浸出液输送至所述雾化装置；

放电电极，设置于所述反应室内，与高压脉冲电源电连接，包括放电正电极和放电负电极，且所述放电正电极和放电负电极相对设置。

2.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述反应室与风源系统连通。

3.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述反应室底部与所述储液罐顶面固定连接，所述反应室底部设置多个微孔。

4.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述输送系统包括进液口与所述储液罐连通的动力泵；所述动力泵出液口通过三通阀与所述雾化装置进液口连通，所述三通阀的其中一个输出端口为处理完后的铀浸出液的输出口。

5.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述高压脉冲电源与控制系统电连接；所述控制系统与臭氧监测装置电连接；所述臭氧监测装置进气口与所述反应室连通，所述臭氧监测装置排气口位于所述反应室外。

6.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述反应室外壁为金属材质，所述反应室内部为耐酸材质；所述反应室外壁与脉冲微波发生装置连接。

7.根据权利要求6所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述脉冲微波发生装置包括高压脉冲直流电源；所述高压脉冲直流单元与磁控管电连接；所述磁控管与波导管连接；所述波导管与所述反应室外壁连接。

8.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述放电正电极和放电负电极之间的距离为1～5厘米。

9.根据权利要求8所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述放电负电极表面积大于所述放电正电极表面积。

10.根据权利要求1所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述雾化装置的出口与金属套管连通，所述金属套管伸入所述反应室内；所述金属套管下方设置有金属圆环；所述金属套管、金属圆环分别与直流电源的正极、负极电连接。

11.根据权利要求10所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述金属套管、金属圆环之间的垂直距离为10～15厘米。

12.根据权利要求10所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述直流电源电压的大小为5～8千伏。

13.根据权利要求10所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述金属圆环与金属件固定连接，所述金属件一端穿过所述反应室，并与反应室外壁接触。

14.根据权利要求13所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述金属圆环所在位置的反应室内径与所述金属圆环直径之差为1～5厘米。

15.根据权利要求1～14之一所述的气液相脉冲火花放电强化铀浸出装置，其特征在于，所述反应室包括相互连接的上部圆柱体和下部圆柱体，所述上部圆柱体内径小于所述下部圆柱体内径。

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