DE102012011145B4

DE102012011145B4 - CO2-basiertes In-situ-Laugungs- und Aufbereitungsverfahren für den Fluidbergbau

Info

Publication number: DE102012011145B4
Application number: DE102012011145.2A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Merkel Broder; Martin Bertau; Helmut Mischo
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: DE102012011145A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein CO2-basiertes In-situ-Laugungs- und Aufbereitungsverfahren für den Fluidbergbau und findet Anwendung bei der Gewinnung von Metallen aus Armerzlagerstätten, extrem tiefen Lagerstätten und kleinen Lagerstätten, insbesondere seltene Erden, Germanium, Gallium, Indium, Platin Gruppen Metalle, Tantal, Niob, Antimon, Kobalt, Magnesium und Wolfram. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Armerzlagerstätten, sehr tiefe Lagerstätten und kleine Lagerstätte, die nicht durch Tagebau abbaubar sind, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten abzubauen und dabei gleichzeitig die Umwelt zu schonen und Bergleute nicht durch den Einsatz untertage hinsichtlich ihrer Gesundheit zu gefährden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das zu erschließende Gestein in einem ersten Arbeitsschritt mit überkritischem-CO2 und hohen Drücken gefrackt wird. Dadurch werden Trennfugen an Schwachstellen im Gestein geöffnet, die ein weiteres Vordringen des überkritischen CO2 gestattet. Neben dem hydraulischen Effekt durch die hohen Drücke werden bestimmte Gesteine (z. B. Feldspäte) carbonatisiert, was mit einer Volumenverringerung einhergeht. In einem zweiten Schritt wird nun Wasser mit hohem Druck injiziert, dass im Kontakt mit dem überkritischem CO2 zur Bildung von Kohlensäure führt und Carbonate auflöst. Durch die pulsweise Einleitung von CO2 und Wasser in Wechselfolge können auf viele hunderte Meter von der Bohrung entfernt Lösungsprozesse initiiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft Gewinnung von Metallen aus Armerzlagerstätten, extrem tiefen Lagerstätten und kleinen Lagerstätten, insbesondere seltene Erden, Germanium, Gallium, Indium, Platin Gruppen Metalle, Tantal, Niob, Antimon, Kobalt, Magnesium und Wolfram.
Bergbau auf Metalle ist beim traditionellen Bergbau durch Tagebau oder Tiefbau immer damit verbunden, dass große Mengen an Gestein abgebaut werden und diese in Form von Halden und Kippen abgelagert werden müssen. Das gewonnene Erz wird dann gemahlen und das Metall aus dem Gestein extrahiert. Insbesondere bei Armerzen mit geringen Metallgehalten verbleiben große Mengen an Rückständen (Tailings), die in Becken und Dämmen gelagert werden müssen und ein erhebliches Umweltgefährdungspotential enthalten. Der klassische Bergbau kann Armerzlagerstätten, Lagerstätten in großen Teufen und eng begrenzte Lagerstätten nicht wirtschaftlich abbauen oder aber ihre Ausbeutung bringt durch massive Aufhaldungen einen erheblichen Eingriff in die Landschaft und die Umwelt mit sich. Ferner wird in jedem Fall eine übertägige Aufbereitung benötigt, die einen großen Flächenverbrauch hat. Eine Zurückverbringung der Aufbereitungsschlämme in das Bergwerk ist zwar theoretisch möglich, wird aber aus Kostengründen nur selten realisiert.
Demgegenüber kann mit In situ-Laugung das Erz und vor allem auch Armerz direkt im Untergrund extrahiert werden; dabei wird dem Grundwasser in der Regel Schwefelsäure oder eine Lauge (z. B. NaOH) über Injektionsbohrungen zugefügt und damit das Metall aus dem Erz gelöst und über Förderbrunnen zu Tage gefördert. Allerdings kann diese In situ-Laugung nur angewendet werden, wenn die Durchlässigkeit des Gesteins in der vorgesehenen Tiefe ausreichend gut ist. Viele Lagerstätten sind jedoch nicht permeabel genug und sind somit über die In situ-Laugung nicht erschließbar. Zudem bringt das Einbringen von Chemikalien wie Schwefelsäure oder einer Lauge (NaOH oder Ammoniak) ein großes Gefährdungspotential für das Grundwasser und die Umwelt mit sich. Als Konsequenz ergeben sich hohe Sanierungskosten für den In situ-Laugungs-Bergbau.
DE 31 11 137 A1 beinhaltet ein Verfahren zur Untergrundvergasung fester Brennstoffe. Dabei wird die Lagerstätte mit einem überkritischen CO₂-H₂O-Gemisch behandelt, wobei das Wasser aus der Lagerstätte selbst stammt. Es handelt sich bei diesem Verfahren um die unterirdische Vergasung fossiler Brennstoffe und nicht um ein Laugungs- und Aufbereitungsverfahren zur Gewinnung von anorganischen Stoffen.
Nach WO 91/ 04 945 A1 ist ein Verfahren zur Bildung von seltene Erden-Carbonaten aus seltene-Erden enthaltenden Verbindungen bekannt, wobei das Ausgangsmaterial mit CO₂ und H₂O unter superkritischen Bedingungen behandelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Armerzlagerstätten, sehr tiefe Lagerstätten und kleine Lagerstätte, die nicht durch Tagebau abbaubar sind, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten abzubauen und dabei gleichzeitig die Umwelt zu schonen und Bergleute nicht durch den Einsatz untertage hinsichtlich ihrer Gesundheit zu gefährden.
Das zu erschließende Gestein wird in einem ersten Arbeitsschritt mit überkritischem-CO₂ und hohen Drücken gefrackt, d. h. es werden Trennfugen an Schwachstellen im Gestein geöffnet, die ein weiteres Vordringen des überkritischen CO₂ gestattet. Neben dem hydraulischen Effekt durch die hohen Drücke werden bestimmte Gesteine (z. B. Feldspäte) carbonatisiert, was mit einer Volumenverringerung einhergeht. In einem zweiten Schritt wird nun Wasser mit hohem Druck injiziert, dass im Kontakt mit dem überkritischem CO₂ zur Bildung von Kohlensäure führt und Carbonate auflöst. Durch die pulsweise Einleitung von CO₂ und Wasser in Wechselfolge können auf viele hunderte Meter von der Bohrung entfernt Lösungsprozesse initiiert werden.
Bislang wurde überkritisches CO₂ noch nicht zur untertägigen Gewinnung von Erzen verwendet; neu ist zudem die pulsierende Zugabe des weitgehend inerten überkritschen CO₂ in Abwechslung mit Wasser. Dadurch werden große Eindringtiefen in das Gestein erreicht und die physikalische Lösung des Gesteins durch die sich dann bildende Kohlensäure kann darüber nahezu beliebig gesteuert werden. Durch den Einsatz von Richtbohrtechnik kann eine Lagerstätte unter Berücksichtigung des Spannungsfeldes optimal ausgebeutet werden.
So enthält beispielsweise der Karbonatit vom Badberg (Kaiserstuhl, BW) < 1 Gew.-% Koppit, eine cerhaltige Variante des Pyrochlors. Wegen der massiven Kalkanteile läßt sich die seltenen Erden Metall-Lagerstätte mit konventioneller Technik nicht wirtschaftlich ausbeuten. Mit der erfindungsgemäßen Technologie indes werden Cer und andere Metalle in Lösung an die Oberfläche gefördert und dort aus der wässrigen Lösung extrahiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für folgende Lagerstättentypen geeignet: Karbonatite, Sandsteine mit carbonatischem Bindemittel und Lagerstätten mit signifikanten Anteilen an Carbonaten, die durch das CO₂ aufgelöst werden können.
Karbonatite sind subvulkanische oder flachplutonische Komplexe. Sie kommen meist lokal begrenzt in nur wenige Quadratkilometer großen Arealen vor. Die größten Anreicherungen von Seltene-Erden wurden in Karbonatit-Gängen und kalireiche Intrusionen gefunden. Die größte deutsche Carbonatit Lagerstätte dürfte Storkwitz in Nord-Sachsen sein. In Storkwitz wurden unter anderem leichte seltene Erden wie Cer, Lanthan, Praseodym und Neodym nachgewiesen aber auch schwere seltene Erden wie Europium und Yttrium.
Eine zweite Variante ist die Kavernenlaugung. In diesem Fall wird eine Carbonatitlagerstätte durch das Injizieren eines CO₂-H₂O Gemisches vollständig aufgelöst, dabei entsteht eine Kaverne. Bei der Kavernenlaugung wird einerseits die Lösung nach Übertrage transportiert und über eine zweite Bohrung der Schlamm aus dem Karvernentiefsten. Beide Teilströme werden an der Oberfläche verarbeitet. Der von den Wert-Metallen befreite Schlamm wird wieder verpresst, so dass keine Stoffe deponiert werden müssen. Neu ist auch gegenüber dem klassischen In situ Laugungs-Verfahren, dass keine Unterwasserpumpen eingesetzt werden. Vielmehr wird der gesamte Kreislauf durch die Beaufschlagung des Systems mit CO₂ und Wasser unter hohen Drücken realisiert. Damit entfällt das zeitraubende Auswechseln von Pumpen in den Bohrlöchern.
Ferner kann der Kalk und Magnesium aus den CaCO₃- und MgCO₃-Solen übertägig durch Entspannung gewonnen und kommerziell weiterverarbeitet werden. Die Qualität ist sehr fein und macht bergbauliche Aktivitäten in der Kalkgewinnung überflüssig.
zeigt die Laugung einer Lagerstätte nach Erhöhung der Permeabilität durch überkritisches CO₂
zeigt die Kavernengenerierung.
Das Prinzip der Laugung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden:
0,5 g erzhaltiger Karbonatit werden mit 500 ml H₂O in einen Autoklaven gegeben und mit CO₂ bis auf 150 bar beaufschlagt. Nach 1 h Rühren wird der Rührer ausgeschaltet. Nach 30 min hat sich der Feststoff abgesetzt. Der Reaktor wird in einen zweiten Druckreaktor entspannt, in welchen die wässrige Aufschlusslösung übergeht. Durch Öffnen des Gasauslassventils am zweiten Druckreaktor wird die CO₂-Atmosphäre aus dem Gesamtsystem abgeblasen, wobei eventuell vorhandene Restwassermengen aus dem Aufschlussreaktor ausgetragen werden. Unter Umständen nicht vollständig entferntes Restwasser kann durch Dekantieren entfernt werden. Es verbleibt die kohlensäureunlösliche mineralische Erzfraktion.

Claims

CO₂-basiertes In-situ-Laugungs- und Aufbereitungsverfahren für den Fluidbergbau gekennzeichnet dadurch, dass das Gestein mit einem überkritischen CO₂-H₂O Gemisch aufgeschlossen wird.
CO₂-basiertes In-situ-Laugungs- und Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Gestein in einem ersten Arbeitsschritt mit überkritischem-CO₂ und hohen Drücken gefrackt und in einem zweiten Schritt Wasser mit hohem Druck injiziert wird.
CO₂-basiertes In-situ-Laugungs- und Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Gestein mit CO₂ und Wasser pulsweise in Wechselfolge beaufschlagt wird.