專(zhuān)利名稱(chēng)：回收金屬或純化鹽的原地化學(xué)反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從含礦主巖中回收貴金屬和天然鹽及純化通過(guò)天然鹵水蒸發(fā)作用所形成的天然鹽。
在自然界的含礦主巖中發(fā)現(xiàn)了貴金屬，礦石必須進(jìn)行物理和化學(xué)加工才能制成商業(yè)產(chǎn)品。通常在地下開(kāi)采礦石，然后在地面的工廠里進(jìn)行冶煉，為了節(jié)省采礦成本和減少對(duì)環(huán)境的污染，設(shè)計(jì)了原地采礦方法。
富含金屬的有機(jī)巖的卡林(內(nèi)華達(dá))型貴金屬含有相當(dāng)可觀量的浸染狀金和汞、砷、銻等之類(lèi)的伴生金屬或含有鈾、金、銀、銅、銅、鋅和鎳等含金屬的頁(yè)巖礦床的原地采礦回收貴金屬，有著兩個(gè)方面的問(wèn)題必須氧化主巖及必須使主巖對(duì)淋濾溶液具有滲透性。
在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中，如對(duì)卡林型礦床中的金這樣浸染狀金屬的回收方法是已知的，先采礦和磨礦，再使礦石在高溫下氧化。這些方法通常稱(chēng)之為當(dāng)今通用的頁(yè)巖燃燒法。共同未決的專(zhuān)利申請(qǐng)No.08/403364公開(kāi)了一種用當(dāng)今通用的頁(yè)巖燃燒法來(lái)氧化富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖，然后將淋濾液注入燃燒的巖石里的方法。
然而，現(xiàn)今應(yīng)用的頁(yè)巖原地燃燒法有兩個(gè)缺點(diǎn)(1)燃燒過(guò)的頁(yè)巖孔隙度和滲透率靠頂板，由于燃燒使得頂板塌陷，故要在上面挖洞，從而加大該工藝的成本。(2)淋濾液是通過(guò)燃燒后破碎的巖石的裂隙流動(dòng)，而不能對(duì)整個(gè)巖石浸透，這種流動(dòng)模式使得大的未被破碎的或無(wú)微裂隙的原封不動(dòng)的主巖中的金屬不能被淋濾下來(lái)。
現(xiàn)今采用的原地淋濾出主巖中金屬的方法還有一個(gè)缺憾該淋濾液必須側(cè)向流入具孔隙和可滲透的主巖，這種側(cè)向淋濾液流不可能對(duì)一個(gè)相當(dāng)難滲透的主巖進(jìn)行淋濾，故不經(jīng)濟(jì)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是改進(jìn)淋濾金屬過(guò)程中對(duì)化學(xué)反應(yīng)的控制，同時(shí)在比現(xiàn)在可達(dá)深度的更深處回收貴重組分。本發(fā)明可應(yīng)用于高地下水位的潮濕地區(qū)或低地下水位的干旱地區(qū)，因?yàn)榭稍O(shè)計(jì)水槽，使天然的地下水側(cè)向損失減小到最低程度，使得通過(guò)十分難滲透層的垂直流體從一個(gè)下含水層向上流到一個(gè)上含水層或流入其它反應(yīng)溶液的收集裝置。
本發(fā)明設(shè)計(jì)水槽，使流體能注入到一個(gè)有源含水層，再滲入一個(gè)非常難滲透的主巖以便燃燒頁(yè)巖或淋濾出金屬，然后流入位于有源含水層另一側(cè)主巖體的側(cè)面的含水層中，從而再回收該流體。
在自然界，蒸發(fā)鹵水能生產(chǎn)有價(jià)值的鹽類(lèi)，然而該鹽類(lèi)可能含有很多雜質(zhì)，需要進(jìn)行物理或化學(xué)加工，制造有用的商業(yè)產(chǎn)品。本發(fā)明設(shè)計(jì)了帶水槽的原地反應(yīng)池，以便經(jīng)濟(jì)合理地純化從鹵水中沉淀的鹽類(lèi)。
用原地化學(xué)方法在地下回收有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的金屬當(dāng)前，用地下原地法回收銅和鈾多半是成功的，遇到的問(wèn)題是控制通過(guò)含金屬主巖的水流，流體沿裂隙或繞著碎塊最小阻力的線路流動(dòng)，該線路使金屬回收效率減少約10％?？刂屏黧w沿天然含水層的流速和流量，致使其流入工作巖區(qū)是困難的。象卡林型礦床這樣的巖體，它有著誘人的經(jīng)濟(jì)因素，但也有著意想不到的物理的或化學(xué)的性質(zhì)，必須改進(jìn)以用原地法進(jìn)行處理。
不希望迫使流體直接流入巖石工作體積范圍內(nèi)，而是希望將其導(dǎo)入一個(gè)多孔的可滲透的含水層，流體通過(guò)含水層向下滲透，并與相當(dāng)難滲透的主巖發(fā)生反應(yīng)，然后再流入另一個(gè)多孔的易滲透的含水層，該流體可從此含水層抽出或泵出，經(jīng)過(guò)一個(gè)排放孔被輸入一個(gè)工廠或一個(gè)設(shè)置中進(jìn)一步加工。
若不能用那里的天然含水層，可在含礦化帶的主巖上下建造一個(gè)人工含水層，首先用目前通用的水力壓裂法產(chǎn)生裂隙面，然后注入微粒物質(zhì)，制造一層人造的多孔滲透層，使流體可以流過(guò)。當(dāng)流體在表面壓力下被注入該有源含水層，則下層水層壓力升高，當(dāng)流體從滲透含水層泵出，則上含水層壓力是靜水壓或是較低的壓力，于是，在有源含水層和滲透含水層之間就形成了一個(gè)水靜力位能差?？筛淖儍蓚€(gè)含水層的壓力的方法來(lái)調(diào)整流體流過(guò)十分難整滲透的主巖礦化帶的線性速率。可改變垂直流體流動(dòng)方向的主巖橫截面的面積來(lái)調(diào)整流體流入十分難整滲透的主巖含礦帶的流量。于是，可得到使流體充分滲透到一個(gè)相當(dāng)難滲透的巖石中去的足夠的容量。
可改變加工巖體或淋濾出金屬所需的給定的注入流體的成分來(lái)調(diào)整注入液和主巖之間的化學(xué)反應(yīng)速率和溫度。對(duì)于涉及含在主巖中的碳和/或有機(jī)質(zhì)的氧化方法，可以注入一個(gè)合適的含氧量的液體來(lái)調(diào)節(jié)頁(yè)巖燃燒的溫度。對(duì)于其它的化學(xué)方法，包括主巖多孔流體的中和作用或淋濾作用，可注入與其相適應(yīng)成分的流體。
可將流入到上含水層的反應(yīng)完了的流體輸送到表面進(jìn)一步進(jìn)行加工，可用熱流體的熱能制造蒸氣、驅(qū)動(dòng)渦輪和發(fā)電，可將含有毒物質(zhì)的流體導(dǎo)入工廠去排毒，可將含溶解金屬的流體輸入工廠去按常規(guī)方法回收有用組分。
由于修建了有源含水層和滲透含水層，大量的流體在主巖表面能被控制的條件下，流入主巖的工作區(qū)并透過(guò)該區(qū)。由于這樣大橫截面面積的流體流過(guò)一個(gè)成層的主巖，大容量的流體能以設(shè)計(jì)的速度流過(guò)巖石，從而使得象頁(yè)巖燃燒、氧化作用、淋濾作用等化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最佳效益。
設(shè)計(jì)原地反應(yīng)器要考慮到不同的礦物巖體的幾何特征和地球化學(xué)特點(diǎn)。
臨近地面原地化學(xué)反應(yīng)蒸發(fā)鹵水來(lái)純化鹽類(lèi)在太陽(yáng)蒸發(fā)作用產(chǎn)鹽過(guò)程中，大多數(shù)情況下，不能控制這些方法生產(chǎn)的產(chǎn)品所需純度，例如在干旱地區(qū)，從鹵水中沉淀出來(lái)的水氯鎂石-MgCl2·6H2O，該鎂鹽由于含少量的硫酸鹽、硼和/或其它雜質(zhì)成份，故不適用于水解去生產(chǎn)金屬鎂。在干旱地區(qū)，從鹵水中沉淀出來(lái)的鉀鹽KCl，由于含NaCl雜質(zhì)(高達(dá)20％)也不能作為肥料上市。
為純化鹽類(lèi)，僅需設(shè)計(jì)具有一個(gè)有源含水層的原地反應(yīng)器(1)將一種待純化的鹽完全溶解成溶液，然后泵入原地反應(yīng)器內(nèi)有源含水層的疏松的微細(xì)物質(zhì)層中。溶液中少量的雜質(zhì)將和分布在該含水層內(nèi)疏松微細(xì)粒物質(zhì)中的一種純化化學(xué)固體發(fā)生反應(yīng)。將純化了的溶液垂直向上吸入一個(gè)上含水層(或向下滲透到下層倉(cāng)內(nèi))，然后可泵吸或重力排水方式將其輸入一個(gè)工廠去干燥。
(2)將一種待純化的鹽在一個(gè)槽內(nèi)，在作為原地反應(yīng)器內(nèi)有源含水層的惰性層的微細(xì)粒物質(zhì)上或下鋪撒成一固體顆粒的結(jié)晶層。水或其它純化流體泵入有源含水層，則流體垂直向上吸進(jìn)入上層含水層(或向下進(jìn)入下層含水層)，水和純化流體溶解了那里的各固體結(jié)晶層內(nèi)可溶性的雜質(zhì)，然后將含雜質(zhì)的溶液泵出含水層或重力排出，剩入的只是無(wú)雜質(zhì)的固體結(jié)晶顆粒層。


圖1是用于加工和淋濾很難滲透的主巖的一個(gè)原地反應(yīng)器的橫剖面圖。
圖2是一個(gè)沿著圖1的2-2線放大了的原地反應(yīng)器的橫剖面圖。
圖3是用于純化水氯鎂石，有一個(gè)有源含水層的原地反應(yīng)器的橫剖面圖。
圖4是一個(gè)工廠式的反應(yīng)器的橫剖面圖。
圖5是一個(gè)適用于純化從鹵水中回收鹽類(lèi)的原地化學(xué)反應(yīng)器的橫剖面圖。
參照附圖1，該圖展示于一個(gè)原地反應(yīng)器10的一個(gè)地層橫剖面，其中，h1=該原地反應(yīng)器井中鋼活塞的最大高度h2=注水井中砂的高度h3=反應(yīng)器上水力斷裂帶的深度h4=鉆至人工含水層底部注入井的深度(1)用地下原地法從主巖中回收金和能源圖1展示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，將疏松的物質(zhì)，如石英砂壓入原地反應(yīng)器10，反應(yīng)器有先前水壓力破裂作用產(chǎn)生的地下水平斷裂帶11，在11之上有一個(gè)人工含水層12。注入疏松物質(zhì)形成數(shù)厘米厚的一層，它在一個(gè)很難滲透的主巖底部，作為有源含水層，它可持續(xù)不斷地接受注入的流體，去氧化主巖和/或在可控制的條件下，從主巖中淋濾出金屬。為了在高溫下增加原地氧化作用，所注入的疏松物質(zhì)可能是一種砂粒、煤和液體燃料的混合物。
注入井13鉆深為h4m，直鉆至人工含水層12的底部，再安裝一個(gè)引起燃燒的機(jī)械裝置14。用潔凈的砂子15充滿注入井，深達(dá)h3m。這種可滲透的砂子應(yīng)疏松地鋪放井內(nèi)，其作用(a)作為一種注入的流體，如壓縮空氣或淋濾液的導(dǎo)管，使注入的流體泵入含水層，(b)作為溫度的絕熱體，以便控制正在燃燒的頁(yè)巖的燃燒作用。用水泥固化井壁，深度為h2。在井內(nèi)安裝一個(gè)鋼活塞16，以h2和h3m的深度之間垂直移動(dòng)，于是，在h2和h3m之間的水泥環(huán)筒空間就形成了一個(gè)壓縮倉(cāng)17?；钊蛳乱苿?dòng)，就在壓縮倉(cāng)內(nèi)壓縮空氣或壓縮其它注入的流體。壓縮空氣或液體在壓力下能夠通過(guò)井15填砂子的部分流入人工含水層12。當(dāng)活塞向上移動(dòng)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)壓力減少，從外部注入的空氣和流體進(jìn)入一個(gè)流體供應(yīng)鉆孔18，并通過(guò)單向閥門(mén)19進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)，再被壓縮，供給含水層12。如果向孔下壓縮作用未提供足夠容積的流體，壓縮的流體能從地面通過(guò)鉆孔18和閥門(mén)19供給倉(cāng)內(nèi)。
在頁(yè)巖開(kāi)始燃燒時(shí)，圖2中機(jī)械引發(fā)裝置14引起含水層12中的燃料20燃燒，同時(shí)引發(fā)含水層中與砂子22混合的煤21燃燒。只有當(dāng)來(lái)自壓縮倉(cāng)17的壓縮空氣、氧氣或其它燃料供給時(shí)，燃燒才可能持續(xù)不斷。調(diào)整注入流體的供給量，使含水層12中煤能以一定的燃速燃燒，以便產(chǎn)生一個(gè)合適的溫度，引起含水層上部的主巖24中的碳和/或有機(jī)質(zhì)23發(fā)生氧化作用。
當(dāng)散布在主巖中的碳和/或有機(jī)質(zhì)和壓縮空氣或其它注入液中的氧氣發(fā)生反應(yīng)溫度足夠高，于是發(fā)生氧化作用，這樣氧化作用是可能的。排放井25也被鉆至主巖24，其作用是當(dāng)主巖被氧化時(shí)，排放井25作為一個(gè)原地反應(yīng)器。排放井能鉆至上部水?dāng)嗔褞?6的深度，離地面深度為h3m，也能用疏松的滲砂27充填這些井。為了較好地控制流速，還應(yīng)該造成一個(gè)上含水層，使疏松的物質(zhì)，如石英砂28能通過(guò)上斷裂帶26。來(lái)自氧化了的主巖24的廢液滲入上斷裂帶或上含水層。廢液進(jìn)入排放井25，并在排放井充滿了水的部分被稀釋。如果該廢液含有用的物質(zhì)，則泵出來(lái)進(jìn)一步加工處理，否則則作為廢料處理。廢液中回收的熱流體或蒸氣可用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
在下注入含水層之上的主巖30首先被點(diǎn)燃，31呈或強(qiáng)或弱地向上進(jìn)行，穿過(guò)主巖24，在一個(gè)指定的高溫下，引起巖石32層的主動(dòng)燃燒或氧化。當(dāng)燃燒前鋒31向上燃燒，穿過(guò)整個(gè)巖石，朝上含水層28，上含水層28以與下含水層12相同的方式形成，前面的巖石燃燒，后面的主巖發(fā)生氧化。在上下含水層之間整個(gè)主巖氧化之后，也就是燃燒前鋒抵達(dá)上含水層面時(shí)，切斷供氧，中斷燃燒。
調(diào)整壓縮倉(cāng)內(nèi)的壓力可調(diào)節(jié)燃燒前鋒的速度，壓縮空氣的壓力越大，供氧越多，氧化作用越強(qiáng)，則燃燒倉(cāng)32倉(cāng)內(nèi)的溫度和壓力也越高，因此，燃燒向前運(yùn)移得也越快?！皬U氣”是由水、二氧化碳和其它物質(zhì)組成。在試生產(chǎn)過(guò)程中，可進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，以確定原地反應(yīng)器里主巖完全氧化最合適的供氧速度。
當(dāng)?shù)叵路磻?yīng)器內(nèi)無(wú)氧供應(yīng)時(shí)，盡管一些硫化物利用主巖中的礦物氧還能繼續(xù)發(fā)生氧化作用，但升溫時(shí)的碳和/或有機(jī)質(zhì)的氧化作用或頁(yè)巖的燃燒作用在任何時(shí)候可被抑止，于是，能很容易地控制頁(yè)巖燃燒的速度，燃燒程度和燃燒量。
頁(yè)巖完全燃燒之后，用于改進(jìn)燃燒作用的水文系統(tǒng)能用來(lái)從氧化了巖石里淋濾金屬。燃燒之后，只有象石英砂這樣的惰性顆粒構(gòu)成下含水層12及上含水層28，但含水層中充滿了溶解的CO2孔隙水。在任何特定的情況下淋濾金屬而言，可能必須用水來(lái)沖洗含水層中或氧化了的主巖的孔隙液或進(jìn)行中和，這樣才能達(dá)到所要求的pH值。能用一種具有某一酸中和含量(ANC)的溶液來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的酸進(jìn)行中和，如鈣和鎂的重碳酸鹽溶液。中和溶液能通過(guò)下含水層12泵入注入井13，該溶液滲到氧化了的主巖14中，然后通過(guò)上含水層28，流入排放井15。
當(dāng)含水層內(nèi)和氧化了的主巖中的孔隙液已被中和之后，淋濾液泵入注入井13，然后它通過(guò)下含水層12垂直向上流入氧化了的主巖24。那時(shí)，富含欲被回收的金屬的淋濾液通過(guò)上含水層28流入排放井25或一個(gè)采集池中。
當(dāng)淋濾液通過(guò)難以滲透的主巖時(shí)，其向上流動(dòng)或下滲的線性速率應(yīng)該是很慢的，這樣產(chǎn)生了高效率的淋濾作用。因而滲進(jìn)主巖中淋濾液的總?cè)萘恳彩窍喈?dāng)可觀的，這是因?yàn)榇怪庇谙蛏纤畡?dòng)力流動(dòng)的橫剖面很大，也就是說(shuō)待采主巖面積很大的緣故。可以通過(guò)調(diào)節(jié)下含水層12和上含水層28中的流體所規(guī)定的壓力來(lái)調(diào)整流速，下含水層12中流體壓力取決于注入液的壓力，和上含水層28中流體壓力，后者可能是靜水壓或由泵來(lái)降低此壓力。
典型的卡林型礦石含碳量約0.5％，由于含碳太低，不能燃燒。然而，在原則上低烴礦石和硫化物可以緩慢地化學(xué)氧化，利用原地反應(yīng)器控制流速和化學(xué)成分，以便擴(kuò)大礦物反應(yīng)表面，該方法對(duì)富含烴的礦床，也就是至少含3％碳的礦床最適用。富含有機(jī)質(zhì)及硫化物礦物礦石在高溫下燃燒，使其轉(zhuǎn)變成適合淋濾的礦石。對(duì)于非頁(yè)巖燃燒的氧化作用來(lái)說(shuō)，帶水槽的同類(lèi)型的原地反應(yīng)器也適用。
將疏松的物質(zhì)壓入地下水平斷裂帶11中，以便形成一個(gè)人工含水層12。所注入的疏松物質(zhì)可能由惰性砂粒如石英砂，陶瓷小珠或其它惰性的、非燃燒的、能提供孔隙層的物質(zhì)組成。
當(dāng)一種氧化液注入含水層12中，并向上流入主巖14里，則產(chǎn)生氧化作用。氧化溶液流動(dòng)必須充分地滲透主巖整個(gè)巖體，并且必須調(diào)整流體的流速，以便使黃鐵礦或有機(jī)質(zhì)緩慢地完全氧化。
氧化劑可能是a)氧氣，過(guò)氧化氫、氫氯酸鈉、硝酸，這些物質(zhì)的溶劑是水，或b)三價(jià)鐵的化合物或其它化學(xué)氧化劑。在某些情況下，加一些能氧化硫化物和鐵的微生物，以增進(jìn)此加工工藝。
用ANC循環(huán)溶液能中和黃鐵礦氧化所產(chǎn)生的酸，對(duì)于1％的黃鐵礦，ANC的方解石和白云石的重量百分比應(yīng)是2％～4％。由于在酸性環(huán)境中淋濾金屬，如氰化物淋濾金，效果不好，故需用一種含ANC的溶液來(lái)中和酸，以便減少由于黃鐵礦的氧化作用而游離出來(lái)的硫酸。
黃鐵礦氧化釋放出金的一個(gè)問(wèn)題是要控制砷和其它有害物質(zhì)析出。為了抑制和控制有毒物質(zhì)，必須致力于環(huán)境的研究。由于主巖通常含鈣，該元素也可能和砷結(jié)合形成砷化物，于是要中和砷。
在廢液中溶解著污染物。然而，含污染物的廢液可排入處理池中?；瘜W(xué)反應(yīng)使得污染物轉(zhuǎn)變成其它形式。然而，鐵可作為氧化劑加進(jìn)去，其作用是作為砷的一種化學(xué)捕收劑，因?yàn)檠趸说娜齼r(jià)鐵將吸收砷，并和氧化后的砷化合物砷(通常是H2AsO4)反應(yīng)，形成沉淀物。
當(dāng)頁(yè)巖燃燒期間或無(wú)頁(yè)巖燃燒的黃鐵礦氧化期間，主巖內(nèi)的碳和有機(jī)質(zhì)未完全氧化時(shí)，需要加入次氯酸鈉作為附加的淋濾劑。
在頁(yè)巖不燃燒的氧化作用之后及含水層和主巖中孔隙液進(jìn)行中和作用之后，可注入淋濾液至注入含水層中，以便淋濾主巖中的金屬，方式與用于頁(yè)巖燃燒后的淋濾階段情況相同。
其它金屬硫化物包括砷、銻、汞和鉈也可以通過(guò)脈石金屬硫化物的氧化作用來(lái)增溶，在卡林型礦床中的脈石金屬硫化物主要是黃鐵礦。水冶金法能回收那些值得回收的金屬，將其在控制池表面轉(zhuǎn)變成無(wú)害的固體。
總之，通過(guò)燃燒或化學(xué)方法產(chǎn)生氧化反應(yīng)的帶水槽的原地化學(xué)反應(yīng)器是行之有效的。該體系可沖洗反應(yīng)產(chǎn)物，調(diào)整象pH這樣的溶液參數(shù)，特別是利用該原地反應(yīng)器的水動(dòng)力梯度來(lái)設(shè)計(jì)流經(jīng)所要回收元素的淋濾液。為了從一個(gè)大的、不規(guī)則形狀的礦體中回收金屬，將該礦體分隔成一定數(shù)量的水槽，每個(gè)水槽由6個(gè)注入井、一個(gè)下含水層、一個(gè)上含水層和一個(gè)排放井組成。槽可位于任何深度。其形狀和大小取決于礦床的地質(zhì)條件。
象卡林型金礦床的一個(gè)礦體可分成10m厚的段，每塊礦床能用蜂巢形的水槽進(jìn)行開(kāi)采。可選擇六邊形水槽，每邊長(zhǎng)20m，層厚10m，體積為10400m3。
第一個(gè)水槽要有6個(gè)注入井、一個(gè)排放井、一個(gè)下含水層和一個(gè)上含水層。對(duì)于每個(gè)附加槽，所需注入井的數(shù)量?jī)H為每槽有一個(gè)注入井，因?yàn)槊總€(gè)槽可共用其相鄰槽的注入井。為了開(kāi)采一個(gè)較深的礦塊，每個(gè)井必須加深10m，還需修建一個(gè)附加的人工含水層作為下含水層，將液體注入到第二個(gè)深層中。還要加進(jìn)去可忽略的燃燒費(fèi)，如用于氧化的煤的成本及適當(dāng)?shù)牧転V液的成本。在任何地區(qū)和可達(dá)到的任何深度，對(duì)低品位的卡林型金礦石(5ppm或每單元槽含金約125kg)可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開(kāi)采。
若卡林型金是一個(gè)大的、較均一的、富碳或有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖或細(xì)粒巖石的礦體，可合理地設(shè)計(jì)水槽的安置，開(kāi)采可從一層(或一深層)采到下一個(gè)較深層。若金礦不規(guī)則，且地質(zhì)條件復(fù)雜，則必須修改水槽的大小和形狀，使其適合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。若相當(dāng)難滲透的主巖含較易滲透的粉砂巖或砂巖夾層的話，則人工含水層的選位必須確定在能控制氧化劑和淋濾劑注入的位置上。對(duì)于一個(gè)用于氧化主巖或從主巖中淋濾出金屬的水槽來(lái)說(shuō)，天然的地下含水層作為上述功能的含水層可能不合適，因?yàn)樵谝粋€(gè)尺度大小不定的天然的橫向含水層中，不能準(zhǔn)確地控制和檢查注入液的水文學(xué)狀況。對(duì)于不可避免地出現(xiàn)天然含水層的地方，必須修建一個(gè)工程裝置，限制液體沿著含水層橫向流動(dòng)，使淋濾液從一個(gè)天然下含水層直接流到一個(gè)上含水層。
設(shè)計(jì)用于燃燒頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的原地反應(yīng)器，也能用于燃燒沉積巖中其它的碳或碳化合物，如；不能經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的煤中的碳，油頁(yè)巖里的烴及焦油瀝青砂中的焦油。采用同樣的原理修建兩個(gè)含水層；下含水層接收壓縮空氣、氧或用于氧化巖石中碳或烴的化合物，上含水層吸收CO2氣體和被排放到排放井中的蒸氣的熱氣體，這些氣體可通過(guò)管道送到一個(gè)發(fā)電廠去。
(2)從天然鹵水中蒸發(fā)出的鹽類(lèi)的純化作用本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中是用一個(gè)反應(yīng)器或一個(gè)原地反應(yīng)器來(lái)純化鹽類(lèi)。干旱地區(qū)蒸發(fā)作用所生產(chǎn)的廉價(jià)的水氯鎂石可能是電解法生產(chǎn)金屬鎂的原料。鎂的生產(chǎn)者總是要求水氯鎂石有一定的純度，通常水氯鎂石含大量的硫酸鹽和硼酸鹽而不適合用于電解生產(chǎn)金屬鎂。
在干旱地區(qū)，產(chǎn)鉀鹽后的廢鹵水通常是一種較純的MgCl2溶液。然而，該鹵水可能含很微量的硫酸鹽和更微量的硼酸鹽?？刻?yáng)的蒸發(fā)作用沉淀出水氯鎂石，或在零度以下的溫度條件下水氯鎂石將結(jié)晶。通常，少量殘存的硫酸鹽離子將作為一種硫酸鹽鹽類(lèi)與水氯鎂石混合，同時(shí)沉淀下來(lái)，其含量為萬(wàn)分之幾。在MgCl2鹵水蒸發(fā)的晚期階段，大量的水氯鎂石已經(jīng)沉淀出來(lái)之后，鹵水也富含硼酸鹽，最終它將以一種硼酸鹽鹽類(lèi)與水氯鎂石混合，同時(shí)沉淀下來(lái)。在一個(gè)僅有一個(gè)有源含水層或一個(gè)工廠反應(yīng)器的原地反應(yīng)器底部的一個(gè)含水層或一個(gè)濾層中，用化學(xué)試劑可將鹵水中硫酸鹽或硼酸鹽除去。
如圖3所示，蒸發(fā)池33挖成長(zhǎng)xm、寬ym、深zm，在太陽(yáng)蒸發(fā)作用下，水氯鎂石在其中沉淀下來(lái)。一個(gè)含水層或一個(gè)濾層由一層化學(xué)上呈惰性的粒狀物質(zhì)、一種化學(xué)試劑和一層象蓋住含水層的惰性篩組成，厚tm，鋪在反應(yīng)器底部。該含水層34含一層惰性化學(xué)物質(zhì)，如石英砂，其上面是細(xì)砂35和少量的純化鹵水的化學(xué)試劑(圖中未標(biāo)出)的混合物層。試劑量和性質(zhì)取決于待純化鹵水的化學(xué)成分。頂部是一篩層36，它由化學(xué)惰性物質(zhì)制成，如能滲透鹵水溶液，但它不能讓固體物質(zhì)通過(guò)的塑料。
待純化的鹵水經(jīng)過(guò)一個(gè)注入井37泵入含水層34，鹵水上升通過(guò)篩層36。鹵水中少量的溶解的雜質(zhì)將和濾層中分散的化學(xué)試劑反應(yīng)，雜質(zhì)作為固相(圖中未標(biāo)出)沉淀在濾層中。現(xiàn)在，純化了的鹵水在水壓力下向上流進(jìn)蒸發(fā)池，它在那里被蒸發(fā)以沉淀成純鹽。該化學(xué)試劑最終將用盡，該純化加工的沉淀物最終將填塞孔隙空間，從而阻礙鹵水自由地通過(guò)該含水層或?yàn)V層，在此情況下，除去濾層34，換之以砂和化學(xué)試劑混合物的一個(gè)新層。
CaCl2可用來(lái)作為純化溶解的含一定量硫酸鹽離子和硼酸鹽的鎂鹵水的純化劑。硫酸鹽離子作為硫酸鈣2水合物(石膏)，硼酸鹽作為硼酸鈣的水化物(CaB2O4·6H2O)而沉淀。如果要完全除去硫酸鹽離子，可以用BaCl2作為純化劑，用這種方法，硫酸鹽離子將作為Ba2SO4而沉淀下來(lái)。
圖4也展示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案，用一個(gè)工廠的反應(yīng)器。在一個(gè)類(lèi)似于原地反應(yīng)器的工廠里，也能有效地進(jìn)行純化加工工藝，在一個(gè)大罐40的底部修建一個(gè)含水層或一濾層，該含水層由惰性化學(xué)物質(zhì)41組成，如石英砂，上面是一個(gè)含水層或一濾層42，由砂和用于純化鹵水的化學(xué)試劑混合而成，試劑的性質(zhì)和量取決于待純化鹵水的化學(xué)成分。含水層或?yàn)V層頂部是篩層43，它也是由化學(xué)惰性物質(zhì)構(gòu)成，如塑料，鹵水溶液可通過(guò)篩子，但固體通不過(guò)。待純化的鹵水被泵入含水層或?yàn)V層40，鹵水中作為雜質(zhì)的溶解了的微量組分與含水層或?yàn)V層42中的化學(xué)試劑反應(yīng)，鹵水中雜質(zhì)作為固體43沉淀在含水層或?yàn)V層里。化學(xué)試劑最終將用盡，純化加工工藝產(chǎn)生的沉淀物最終將堵塞孔隙空間，從而阻止鹵水自由地流過(guò)含水層或?yàn)V層，在此情況下，除去濾層32，換上砂和化學(xué)試劑混合的新層。來(lái)自大罐45待純化鹵水通過(guò)原料線46而輸入含水層濾層40去。來(lái)自含水層或?yàn)V層40已純化的鹵水通過(guò)原料線48至采集罐47，在那里，收集純MgCl249結(jié)晶并干化。
CaCl2可用于純化干旱地區(qū)從鹵水沉淀出來(lái)的水氯鎂石純化劑；硫酸鹽離子作為石膏(CaSO4·2H2O)、硼酸鹽離子作為硼酸鈣的水化物(CaB2O4·6H2O)而沉淀下來(lái)。如果欲完全除去硫酸鹽離子，可用BaCl2作為純化劑，用此方法則硫酸鹽離子作為BaSO4而沉淀下來(lái)。
僅用一個(gè)有源含水層(圖5)的原地化學(xué)反應(yīng)器可以對(duì)干旱地區(qū)從工廠經(jīng)蒸發(fā)作用而生產(chǎn)出來(lái)的鉀鹽(鉀石鹽Kcl)進(jìn)行再加工。在多數(shù)情況下，約有5-20％相當(dāng)可觀的NaCl和鉀鹽共沉淀而不能與KCl分開(kāi)，這種不純的鉀鹽不能作為農(nóng)用肥料上市銷(xiāo)售，因?yàn)镹aCl對(duì)土壤有鹽化的副作用。大量地這種不純的鉀鹽只好積壓存放，它們只有待NaCl雜質(zhì)除去后才能出售。
反應(yīng)器是一個(gè)長(zhǎng)xm、寬ym、深zm的槽子50，將含石鹽雜質(zhì)52的鉀石鹽51在槽中鋪成一層，幾乎填滿槽子，在槽底修建一個(gè)tm厚的人工含水層53，含水層下層是由惰性的化學(xué)物質(zhì)54，如石英砂構(gòu)成，上層是一層篩網(wǎng)55，也由惰性化學(xué)物質(zhì)，如塑料構(gòu)成，它允許水通過(guò)，而固體通不過(guò)。
鉀石鹽KCl和石鹽NaCl的溶解度溫度系數(shù)大不相同；KCl在低溫下不太溶解而在高溫下易溶，NaCl在低溫下比高溫下溶解度高。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)已經(jīng)表明當(dāng)冷水通過(guò)鉀石鹽和石鹽混合時(shí)，能有效地除去NaCl雜質(zhì)，那時(shí)，有等量或少量的Kcl也溶解在溶液中。當(dāng)NaCl和KCl飽和的溶液被加熱和蒸發(fā)時(shí)，由于NaCl在較高溫度下溶解度降低，則多于KCl量的NaCl將沉淀出來(lái)，于是，富含KCl的殘存溶液可再次被冷卻，使得KCl沉淀，這樣，從不純的鉀石鹽-石鹽混合物里首次淋濾NaCl時(shí)，收集了部分KCl。
在僅有一個(gè)有源含水層反應(yīng)器中，用這種原理進(jìn)行純化時(shí)，最好是在清晨空氣溫度較低時(shí)將冷水從一個(gè)水塔(圖中未標(biāo)出)泵入第一個(gè)反應(yīng)器的有源含水層，便槽內(nèi)的水上升到不純鉀石鹽KCl的孔隙里，淋濾出NaCl，而一些KCl也損失到淋濾液中，現(xiàn)在溶液是一種低溫的NaCl和KCl飽和溶液，通過(guò)泵或重力排液使淋濾液進(jìn)入設(shè)計(jì)得和第一個(gè)反應(yīng)器相同的第二個(gè)反應(yīng)器內(nèi)(圖5)。
由第一反應(yīng)器泵入第二反應(yīng)器的溶液是一種KCl和NaCl的飽和溶液。當(dāng)飽和鹵不在陽(yáng)光下部分地被蒸發(fā)時(shí)，與鉀石鹽混合的石鹽發(fā)生沉淀。兩者之比是蒸發(fā)溫度的函數(shù)。為了增加該反應(yīng)器的石鹽和鉀石鹽沉淀比，用安裝在含水層下面的一個(gè)加熱裝置來(lái)提高蒸發(fā)溫度。該裝置可用塑料管做成，管內(nèi)來(lái)自太陽(yáng)池的熱鹵水或由燃料燒熱的熱空氣不斷地循環(huán)著。第二反應(yīng)器內(nèi)被加熱升溫、富含KCl的殘存鹵水被輸入第三反應(yīng)器內(nèi)。當(dāng)溫度下降時(shí)(例如在夜間)，第三反應(yīng)器內(nèi)KCl從溶液中沉淀，在冷卻的過(guò)程中，無(wú)NaCl或僅有少量的NaCl沉淀下來(lái)，因?yàn)樗娜芙舛入S溫度的降低而增加。
當(dāng)?shù)诙磻?yīng)器內(nèi)有相當(dāng)量的KCl和NaCl共沉淀時(shí)，熱水可從反應(yīng)器的底部注入含水層中，此時(shí)，注到該層的熱水增加了KCl的溶解。富含KCl的熱溶液被輸至第三反應(yīng)器，在那里被冷卻，析出KCl。循環(huán)純化水的加工工藝在三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)可不斷地重復(fù)，直至在第一至第三原地反應(yīng)器內(nèi)的KCl的純度達(dá)到商業(yè)規(guī)格。
根據(jù)同樣的原理，該方法在工廠的化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)也同樣有效。
盡管對(duì)本發(fā)明參照各種實(shí)施方案先作了充分地?cái)⑹?，只要不偏離本發(fā)明所涉及的范疇，會(huì)有各種修改和改進(jìn)，這是可以理解的，本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求書(shū)來(lái)定義。
權(quán)利要求
1．一種用來(lái)從含礦物料如含不純金屬或鹽的鹵水或礦石中回收純化的金屬和鹽類(lèi)的有至少一個(gè)頂部、底部和側(cè)壁的反應(yīng)器，包括在所述反應(yīng)器底部的流體分布設(shè)備，以引發(fā)能與所述含礦物料中組分反應(yīng)的反應(yīng)流體的流動(dòng)；將反應(yīng)流體供給所述流體分布設(shè)備的管線；與所述流體分布設(shè)備相鄰用來(lái)引發(fā)所述含礦物料和所述反應(yīng)流體之間化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)設(shè)備；與所述反應(yīng)設(shè)備相鄰用來(lái)回收從所述反應(yīng)設(shè)備流出的反應(yīng)流體的收集設(shè)備；用將使反應(yīng)流體流過(guò)所述反應(yīng)器的設(shè)備；和用來(lái)從所述收集設(shè)備回收所述反應(yīng)流體的設(shè)備。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中流體分布設(shè)備是一個(gè)含惰性介質(zhì)的有源含水層。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的反應(yīng)器，其中在所述含水層中的惰性介質(zhì)是砂和陶瓷顆粒及一種能與不純的鹽或金屬反應(yīng)以除去雜質(zhì)的化合物的混合物。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的反應(yīng)器，其中所述的有源含水層是由水裂較難滲透的主巖產(chǎn)生的水平斷裂帶。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器設(shè)備是一個(gè)經(jīng)頁(yè)巖燃燒處理以提供一個(gè)破裂巖石結(jié)構(gòu)的巖石床。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中所述收集設(shè)備是位于反應(yīng)器設(shè)備之上的人工含水層。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中所述流體分布設(shè)備是由化學(xué)惰性的顆粒狀物質(zhì)組成的床，所述反應(yīng)器設(shè)備是由惰性顆粒物質(zhì)和能與所述含礦物料反應(yīng)的化學(xué)組分的混合物組成的床和所述的收集設(shè)備是化學(xué)惰性的物料。
8．一種用來(lái)回收金屬和回收源于化學(xué)反應(yīng)能源的原地反應(yīng)器，所述化學(xué)反應(yīng)是所述反應(yīng)器中的固體如含金屬巖石、煤、油頁(yè)巖、焦油、砂、含油巖石等和注入到所述反應(yīng)器中液體或氣體之間進(jìn)行的，該反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)水槽，水槽帶有形成一個(gè)有源含水層并位于反應(yīng)器中與較難滲透固體巖石相鄰的破裂帶上的第一多孔滲透床和形成一個(gè)滲水層并位于所述固體巖石相反一側(cè)與所述有源含水層距離最遠(yuǎn)的破裂帶上的第二多孔滲透床；用來(lái)使反應(yīng)流體流過(guò)所述有源含水層、所述較難滲透的固體巖石和所述滲水層的設(shè)備；和從所述滲水層回收反應(yīng)流體的設(shè)備。
9．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中至少一個(gè)含水層由砂、陶瓷球或注射到至少一個(gè)斷裂帶的其它惰性顆粒材料組成。
10．按照權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中注入用于所述含水層的疏松物質(zhì)于其中的斷裂帶是由水力學(xué)斷裂法形成的。
11．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中至少一種含水層是多孔和可滲透的巖石地層，它位于反應(yīng)器中固體或主巖之上或下或與其相鄰。
12．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中所述的有源含水層含砂及一種或多種能通過(guò)燃燒或氧化與反應(yīng)器內(nèi)主巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種或多種化合物。
13．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，注到所述有源含水層的氣體或液體是氧氣或能支持所述反應(yīng)器內(nèi)主巖氧化的其它化學(xué)物質(zhì)。
14．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中注到所述有源含水層的液體是多孔流體中和溶液。
15．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中注到有含水層中的液體是一種淋濾液。
16．根據(jù)權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中流入所述滲透層的流體是由放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱氣體或液體，該熱氣體或液體流入一個(gè)排放孔，再通過(guò)管線流到工廠去發(fā)電。
17．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中流到所述滲透層的流體是含有毒物質(zhì)流體，該有毒物質(zhì)是在主巖中的礦物的氧化作用產(chǎn)生的，所述流體通過(guò)一個(gè)排放孔到一個(gè)解毒設(shè)備中除去。
18．按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，其中流到所述滲透層中的流體是含貴金屬如金、鈾或由浸取主巖中礦物產(chǎn)生的其它金屬的流體，所述流體經(jīng)排放孔到精制設(shè)備中被除去。
19．一個(gè)帶有水槽的原地反應(yīng)器，該水槽由一個(gè)用來(lái)純化鹽的有源含水層組成，所述的純化是通過(guò)在所述反應(yīng)器中的固體和注到多孔和可滲透床的液體之間化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成的，所述的床用作所述水槽的有源含水層。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的反應(yīng)器，其中流到所述有源含水層的流體是不同程度溶解鹽的雜質(zhì)的水。
全文摘要
提供一個(gè)帶水槽的原地反應(yīng)器以促進(jìn)從巖石中回收象金這樣金屬或純化象KCl或MgCl
文檔編號(hào)C22B3/02GK1238420SQ98107940
公開(kāi)日1999年12月15日 申請(qǐng)日期1998年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月7日
發(fā)明者許靖華 申請(qǐng)人:塔里木科學(xué)采礦及探油公司