способ извлечения редких металлов из золошлаковых масс отработанного подземного газогенератора

Формула изобретения

1. Способ извлечения редких металлов из золошлаковых масс отработанного подземного газогенератора, включающий интенсифицированный отбор подземных вод из отработанного подземного газогенератора через основные водоотливные скважины и создание депрессионной воронки на участке отработанного подземного газогенератора для минимизации уровня подземных вод и поддержания максимальной депрессии на участке отработанного подземного газогенератора, обработку золошлаковых масс растворителем, нагнетаемым в отработанный подземный газогенератор, выщелачивание и улавливание редкого металла, растворенного в отбираемом из подземного газогенератора растворителе, в поверхностном химическом комплексе.

2. Способ по п.1, в котором интенсифицированный отбор подземных вод осуществляют при контроле за положением их уровня с помощью гидронаблюдательных скважин до его стабилизации.

3. Способ по п.2, в котором периодически отбирают пробы воды из гидронаблюдательных скважин на химический анализ, определяют в них концентрацию растворителя и при превышении предельно допустимой концентрации растворителя снижают уровень подземных вод в отработанном подземном газогенераторе через дополнительные водоотливные скважины.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором после выщелачивания золошлаковые массы в отработанном подземном газогенераторе обрабатывают нейтрализующим раствором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горнохимического производства, а именно к извлечению редких металлов из золошлаковых масс, оставшихся после газификации угля металлоугольных месторождений.

Известна технология подземной газификации углей (ПГУ), основанная на бурении на угольный пласт серий дутьевых скважин для нагнетания дутья - окислителя к раскаленной угольной поверхности и газоотводящих скважин для отвода образовавшегося горючего газа, осушении участка подземного газогенератора с помощью водоотливных и дренажных скважин, контроле за состоянием подземных вод с помощью гидронаблюдательных скважин. [1. Крейнин Е.В. и др. «Подземная газификация угольных пластов». - М.: «Недра», 1982, С.10-25].

Известны также современные технические решения по повышению эффективности ПГУ как в энергетическом, так и экономическом плане [2. RU 2358101, 2009; RU 2358102, 2009].

Однако эти технические решения направлены только на газификацию угольных пластов на месте их естественного залегания, они не учитывают и не рассматривают особенности разработки металлоугольных пластов.

Известна также геотехнология извлечения редких металлов из горного массива с помощью поверхностных скважин [3. Фазлуллин М.И. Подземное выщелачивание урана. - М:, «Руда и металлы», 2007] путем их растворения (выщелачивания). Кроме того, известно техническое предложение, заключающееся в растворении редких металлов из золошлаковых отвалов, скопившихся в непосредственной близости от угольных ТЭС Кузбасса [4. Скурский М.Д. Прогноз редкоземельно-редкометалльно-нефтегазоугольных местороджений в Кузбассе, ж. «ТЭК и ресурсы Кузбасса», Кемерово: 2004, № 2/15, с.24-30].

Однако оба эти решения не рассматривают технологии комбинированной разработки металлоугольных месторождений и пластов. Вне внимания остались проблемы экологического обеспечения технологии выщелачивания редких металлов из золошлаковых масс, оставшихся в подземном газогенераторе после выгазовывания угля.

Учитывая неизбежность экологического загрязнения подземной гидросферы при нагнетании растворителя в отработанный подземный газогенератор, необходимо техническое решение по его минимизации, т.е. ограничению зоны миграции растворителя в горный массив за пределы подземного газогенератора, содержащего оставшиеся в нем золошлаковые массы, подвергаемые выщелачиванию.

Поставленная задача решается предлагаемым изобретением следующим образом.

Согласно изобретению извлечение редких металлов из золошлаковых масс отработанного подземного газогенератора включает интенсифицированный отбор подземных вод из отработанного подземного газогенератора через основные водоотливные скважины и создание депрессионной воронки на участке отработанного подземного газогенератора для минимизации уровня подземных вод и поддержания максимальной депрессии на участке отработанного подземного газогенератора, обработку золошлаковых масс растворителем, нагнетаемым в отработанный подземный газогенератор, выщелачивание и улавливание редкого металла, растворенного в отбираемом из подземного газогенератора растворителе, в поверхностном химическом комплексе.

Способствует решению поставленной задачи то, что интенсифицированный отбор подземных вод осуществляют при контроле за положением их уровня с помощью гидронаблюдательных скважин до его стабилизации, а также то, что периодически отбирают пробы воды из гидронаблюдательных скважин на химический анализ, определяют в них концентрацию растворителя и при превышении предельно допустимой концентрации растворителя снижают уровень подземных вод в отработанном подземном газогенераторе через дополнительные водоотливные скважины.

После завершения стадии выщелачивания золошлаковые массы в отработанном подземном газогенераторе обрабатывают нейтрализующим раствором.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с известными показывает, что заявленный способ в предложенной совокупности существенных признаков формулируется впервые и придает проблеме комплексной разработки металлоугольных пластов экологическую направленность, минимизирующую возможное загрязнение гидросферы на стадии выщелачивания из золошлаковой массы редких металлов отработанных газогенераторов, т.е. соответствует критерию «новизна».

Заявляемый способ соответствует также критерию «изобретательский уровень», т.к. отличительные признаки и их совокупность позволяют минимизировать негативное экологическое воздействие растворителя при выщелачивании редких металлов из золошлаков в подземном газогенераторе, чего в известных решениях применительно к металлоугольному пласту не было выявлено.

На графическом изображении представлена принципиальная схема отработанного подземного газогенератора (в плоскости наклонного угольного пласта) и положение уровня подземных вод на различных стадиях его осушения.

Пример реализации предлагаемого изобретения.

В качестве примера рассмотрим отработанный подземный газогенератор на ураноугольном пласте (см. чертеж). Запасы угля полностью выгазованы и контур выгазовывания пласта ограничен линией 1. Дутьевые 2 и газоотводящие 3 скважины прекратили осуществлять свое основное функциональное назначение. Выгазованное пространство заполнено золой и оплавившейся породой кровли 4. Включения урана в концентрированном виде остались в золошлаковой массе 4. Статический уровень подземных вод 5 полностью восстановился.

Приступают к следующей стадии отработки ураноугольного пласта - выщелачиванию урана из оставшейся золошлаковой массы. В качестве растворителя применяют кислоты (например H₂SO₄ или HCl), задача сводится к минимизации миграции растворителя в горный массив и гидросферу, а следовательно, минимизации негативного экологического воздействия.

С этой целью необходимо создать депрессионную воронку на участке отработанного подземного газогенератора. Поэтому включают в работу водоотливные скважины 6, соединенные с подземным газогенератором еще на стадии газификации угля. По возможности интенсифицируют отбор воды погружными насосами, статический уровень подземных вод 5 начинает снижаться, фиксируя последовательно уровни 7, 8 и, наконец, установившийся уровень 9.

При установившемся уровне 9 обеспечивается максимальная депрессия на участке газификации по отношению к окружающему столбу подземных вод. После этого начинают нагнетать в отработанный подземный газогенератор растворитель и выщелачивать уран из золошлаковой массы 4. Естественно, что в созданных гидродинамических условиях депрессионной воронки миграция растворителя за ее пределы может быть минимальной.

Контроль за положением уровня подземных вод осуществляют с помощью гидронаблюдательных скважин 10. Кроме того, периодически отбирают из этих скважин пробы воды на химический анализ для фиксации в них концентрации растворителя. В случае превышения этой концентрации выше предельно допустимой (для использованного растворителя) включают в работу дополнительные водоотливные скважины (не показаны), которые еще на стадии газификации угля обычно соединены с подземным газогенератором. Кроме того, они могут быть оборудованы и более мощными погружными насосами для обеспечения дополнительного снижения уровня подземных вод в отработанном газогенераторе.

При этом откачиваемые воды, загрязненные растворителем, подвергают в поверхностном химическом комплексе очистке и разделению (на условно чистые воды и растворитель).

После завершения стадии выщелачивания выработанное пространство подземного газогенератора и золошлаковые массы обрабатывают нейтрализующим раствором. В частности, при использовании в процессе выщелачивания серной кислоты в качестве нейтрализатора применяют щелочь (H₂ SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2H₂ O).

Некоторые угольные пласты Кузбасса являются редкометалльноугольными [4]. В золошлаковых массах, скопившихся у потребителей угля (тепловые электростанции, котельные), обнаружены высокие промышленные содержания ценных редких металлов (германий, скандий, иттрий, цирконий и др.). Поэтому извлечение этих редких металлов из отработанных подземных газогенераторов согласно заявляемому способу является актуальным. Технологический регламент извлечения перечисленных редких металлов при подземной газификации металлоугольных пластов Кузбасса аналогичен рассмотренному выше ураноугольному Кольджатскому месторождению.

Предлагаемое техническое решение планируется применить при комплексной отработке Кольджатского ураноугольного месторождения и металлоугольного месторождения Кузбасса, обеспечив при этом минимальные экологические последствия. Это техническое решение будет способствовать также становлению нового направления в физико-химической геотехнологии.