李岸然，楊慶衛(wèi)

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

1 概 述

煤炭開采過程中伴隨產生大量礦井水，據不完全統(tǒng)計我國每年礦井水產生量超過80億m3，然而礦井水綜合利用率不足25%。礦井水直接排放會造成水源水質污染、礦區(qū)地下水位下降、地下水循環(huán)系統(tǒng)破壞等一些列環(huán)境問題[1]。蒸餾結晶是目前礦井水處理的主要工藝路線[2]，但是由于礦井水富含結垢成分，在蒸餾處理過程中容易在蒸發(fā)器換熱管中結垢，影響換熱效果[3]。因此通過水質分析掌握礦井水結垢特性，有助于解決工藝系統(tǒng)設計時軟化措施的選擇和工藝參數的確定等問題[4]。

哈密煤電公司大南湖一礦礦井水涌出量大約3 000 m3/d，預采用蒸餾法進行礦井水回用處理。對礦井水進行了連續(xù)的取樣分析，通過理論計算和蒸發(fā)濃縮實驗分析了水質結垢特性，了解其濃縮倍率、加熱溫度與析垢特性的關系，為礦井水處理工藝系統(tǒng)設計及軟化工藝參數選擇提供依據。

2 礦井水水質特點

由于地下水與煤層、巖層接觸，因而礦井水水質具有顯著的煤炭行業(yè)特征，富含巖粉，黏土、砂、泥顆粒，礦物雜質，粉塵，溶解鹽，酸和堿等；含有煤炭顆粒、油脂、生物代謝產物、木材、油等有機物；細菌總數和大腸菌群含量較大。受上述特點限制，礦井水很難直接應用于生活或工業(yè)[5]。目前大南湖一礦的礦井水涌出量大約100～150 m3/h，其水質化驗報告如表1所示。

3 結垢趨勢理論計算

根據大南湖一礦礦井水水質特性，通過朗格利爾飽和指數(Langerlier saturation index)[6]、斯蒂夫·大衛(wèi)飽和指數(Stiff and David saturation index)[7]、過飽和指數(Saturation index)[8]以及O-T飽和指數(Oddo-Tomson saturation index)[9]對礦井水水樣進行結垢趨勢理論計算，結果如表2所示(斜體字表示該工況下理論預測結果為未結垢，其余表示已結垢)。

由此可得到以下幾點結論或規(guī)律：

(1)在相同溫度條件下，碳酸鈣結晶析出對應的臨界濃縮倍數小于硫酸鈣結晶析出對應的臨界濃縮倍數。該結果表明，哈密礦井水雖然硫酸鹽含量遠遠大于碳酸鹽，但是，在加熱蒸發(fā)濃縮過程中，碳酸鈣將優(yōu)先于硫酸鈣結晶析出。在蒸餾處理回收率相對較低的情況下，應將阻垢工作的重點放在碳酸鹽垢上，硫酸鹽垢放在次要位置。

(2)對于碳酸鈣，在4種結垢預測模型計算結果的未結垢對應工況中，均出現了“倒三角形”的特征。這一特征表明，在相同的濃縮倍率條件下，隨著水樣溫度的升高，碳酸鈣的結垢趨勢增大。該結果與碳酸鈣溶解度隨著溫度的提高而降低的規(guī)律一致。理論計算結果與公認的規(guī)律相吻合，表明所選結垢趨勢預測模型的科學性與合理性。對于硫酸鈣，兩種結垢預測模型的計算結果出現了兩種不同的規(guī)律，因此需要進行模擬試驗才能進一步驗證模型的適用性。

(3)雖然4種結垢預測模型的計算結果稍有差別，但計算結果表明，水樣在較低濃縮倍率甚至在僅升溫并未濃縮的條件下，碳酸鈣就達到飽和。因此認為，大南湖一礦礦井水中碳酸鹽垢的成垢離子濃度高，在原水條件下即已接近飽和甚至已達到飽和。

4 加熱蒸發(fā)濃縮結垢模擬試驗

為初步掌握大南湖一礦礦井水加熱蒸發(fā)濃縮結垢規(guī)律，驗證結垢趨勢預測模型的理論計算結果，對礦井水水樣進行加熱蒸發(fā)濃縮結垢模擬試驗。

在60 ℃恒溫水浴條件下，對水樣進行蒸發(fā)濃縮結垢模擬實驗。從常溫開始計時，觀察開始加熱及蒸發(fā)濃縮過程，至3 h時，水樣體積從500 mL減少至440 mL，水樣表面出現明顯的漂浮物，如圖1所示。

與此同時，對蒸發(fā)濃縮后的水樣取樣進行水質分析。蒸發(fā)濃縮前后幾種離子的濃度變化見表3。

由表3可知，蒸發(fā)濃縮后實際鈣離子濃度低于理論濃度(原濃度乘以氯離子濃縮倍率)。在濃縮倍率1.17的條件下，鈣離子已有部分結晶析出(即水樣表面的漂浮物)。此試驗結果驗證了結垢趨勢預測模型理論計算結果所得到的大南湖一礦礦井水已接近甚至已達到碳酸鈣飽和的結論。

5 結 論

通過理論計算和蒸發(fā)實驗發(fā)現，該礦井水在較低濃縮倍率下發(fā)生結垢現象，其中碳酸鈣優(yōu)先于硫酸鈣結晶析出。

研究表明，大南湖一礦礦井水屬于極高硬度水質類型，具有水質復雜、易結垢的特點，在蒸餾濃縮處理時極易在較低溫度和濃縮倍率條件下即發(fā)生析垢現象，影響換熱設備安全運行；在蒸餾工藝之前應考慮對礦井水進行軟化處理，降低或去除水中Ca2+，有效提高濃縮倍數(接近硫酸鈣結晶析出對應的臨界濃縮倍率)；同時添加阻垢劑，以期在最優(yōu)性價比條件下實現提高淡水回收率的目的[10]。

表2 礦井水水樣結垢趨勢理論計算結果

表3 蒸發(fā)濃縮前后離子濃度變化

圖1 礦井水水樣恒溫(60 ℃)加熱實驗析垢情況