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        地浸礦山風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置的研究與應(yīng)用

        2019-05-14 06:12:44李喜龍王海珍蔚龍鳳季揚(yáng)威阮志龍
        鈾礦冶 2019年2期
        關(guān)鍵詞:蒸發(fā)量風(fēng)能基體

        李喜龍,王海珍,蔚龍鳳,陳 鄉(xiāng),甘 泉,季揚(yáng)威,阮志龍

        (1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

        目前,地浸礦山廢水采用自然蒸發(fā)法處理,處理效果受自然條件影響較大,冬季蒸發(fā)量很小,該法僅適用于蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量的地區(qū)。隨著地浸礦山生產(chǎn)能力的增加,產(chǎn)生更多的廢水,需要擴(kuò)大蒸發(fā)池的面積,這對征地和環(huán)保提出了較高要求。以內(nèi)蒙古某鈾礦為例,產(chǎn)生廢水48.49 m3/d,按當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量1500 mm/a計(jì)算,需建設(shè)面積為11 880 m2、容積為18 012 m3的蒸發(fā)池。

        針對自然蒸發(fā)法處理地浸采鈾礦山生產(chǎn)廢水的不足,探索一種高效蒸發(fā)的方法勢在必行。目前廢水處理應(yīng)用較多的方法有反滲透和電滲析法;但對于高鹽和高含固量的地浸廢水,這些方法在應(yīng)用條件和處理成本上難以滿足要求。風(fēng)能增效蒸發(fā)技術(shù)在澳大利亞、以色列和墨西哥等地海水提鹽和廢水處理上應(yīng)用較多[1-2],本研究在此基礎(chǔ)上提出適用于地浸礦山的風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置,增大蒸發(fā)池廢水的蒸發(fā)量、有效減少蒸發(fā)池廢水存量,為采鈾工藝的連續(xù)運(yùn)行提供保障。

        1廢水來源

        地浸礦山廢水的主要來源:1)外排母液。浸出液中的鈾經(jīng)離子交換吸附、飽和樹脂淋洗、貧樹脂反沖洗、淋洗合格液酸化、沉淀并最后沉降,得到產(chǎn)品。沉降母液中鈾濃度較低的部分排入蒸發(fā)池,外排母液量占總廢水量的9.3%。2)貧樹脂轉(zhuǎn)型廢水[3]。飽和樹脂經(jīng)淋洗后,進(jìn)行貧樹脂反沖洗轉(zhuǎn)型,外排轉(zhuǎn)型廢水占總廢水量的71.5%。貧樹脂轉(zhuǎn)型廢水中的Cl-質(zhì)量濃度高于2 g/L時外排至蒸發(fā)池;低于2 g/L時進(jìn)行反滲透處理,反滲透濃水(占反滲透進(jìn)水量的25%)排入蒸發(fā)池。3)洗井廢水。鉆孔堵塞后,利用空壓機(jī)洗井產(chǎn)生的廢水,外排的洗井廢水占總廢水量的19.2%。

        2廢水化學(xué)組分

        地浸采鈾廢水主要化學(xué)組分見表1。

        表1 地浸采鈾中部分工藝廢水化學(xué)組分mg/L

        轉(zhuǎn)型廢水包含一些化學(xué)沉淀物,如CaCO3等,經(jīng)過2~4VR的反沖洗,其含量逐漸降低。洗井廢水化學(xué)組分與地下水本底值相當(dāng);但由于洗井廢水含固量較高,簡單回用作浸出劑會堵塞注液井,作為浸出液處理又會造成吸附塔上層樹脂板結(jié),目前還沒有較好的工藝將其回用。沉淀母液pH在12.3左右,當(dāng)沉淀母液中鈾濃度較高時配制淋洗劑;鈾濃度較低且淋洗劑量足夠時,因其Cl-濃度較高,做外排處理。

        3風(fēng)能增效蒸發(fā)技術(shù)路線和工藝流程

        3.1 技術(shù)路線

        蒸發(fā)是指物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的相變過程。蒸發(fā)量是指在一定的時段內(nèi),水分經(jīng)蒸發(fā)而散布在空中的量。影響蒸發(fā)的因素主要有溫度、濕度、液體的表面積、液體表面上方空氣的流動速度等。溫度越高,蒸發(fā)越快;液面表面積越大,處于液體表面積附近的分子數(shù)目越多,蒸發(fā)越快;液面上方空氣流動速度越大,蒸發(fā)越快[4]。

        溫度、液體表面空氣流動速度受大氣物理環(huán)境影響較大,難以改變,人為提高溫度和增大液體表面空氣流動速度又會增加成本消耗,因此主要通過改變液面表面積大小來實(shí)現(xiàn)加快蒸發(fā)的目的。

        3.2 工藝流程

        研究在不同環(huán)境溫度、水體溫度以及濕度條件下廢水的蒸發(fā)量。通過耐腐潛水泵將蒸發(fā)池廢水提升至風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置上,通過布液管將廢水均勻分布于基體材料,未噴淋至基體材料上的廢水通過底部防滲混凝土墊層返回蒸發(fā)池,避免污染周圍環(huán)境。研究過程間歇操作,噴淋完成后停止布液,基體材料廢水蒸干后再重新啟動。為了便于計(jì)量整個基體材料的保水量,在進(jìn)液管加裝液體流量計(jì),同時在裝置底部設(shè)置返回廢水收集器[5]。風(fēng)能增效蒸發(fā)工藝流程如圖1所示。

        圖1 風(fēng)能增效蒸發(fā)工藝流程

        4風(fēng)能增效增發(fā)裝置研制

        4.1 基體材料選型

        對于蒸發(fā)基體材質(zhì),需要具備適宜的吸水性能,即吸水能力足夠蒸發(fā)但不能過強(qiáng)以至于降低有效蒸發(fā)壓。無內(nèi)部表面的材料(網(wǎng))比有內(nèi)部表面的材料(無紡?fù)凉げ?更不易堵塞,效果更好。同時考慮溫度對蒸發(fā)效率的影響,基體材料應(yīng)具有一定的吸光能力,選顏色深的較適宜。另外,基體材質(zhì)應(yīng)具有很好的強(qiáng)度和耐候的特性[6-7]。

        本試驗(yàn)選擇目前國產(chǎn)應(yīng)用較廣泛的碳纖維編織布和聚丙烯編織布。基體材質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

        表2 基體材質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)

        試驗(yàn)中分別取12 k(360 g/m2)、3 k斜紋(200 g/m2)、平紋(200 g/m2)碳纖維編織布和400 g/m2聚丙烯編織布樣品放入烘箱,在50 ℃下烘干5 h,各取1 L蒸餾水將樣品浸濕,取出后直至樣品不滴水為止,稱量樣品吸水量,同時將樣品放室外晾曬,每5 min稱重一次。浸濕樣品后無明水至樣品恢復(fù)原重量的時間為蒸發(fā)時間,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 基體材質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

        從表3可看出,碳纖維編織布比聚丙烯編織布單位保水量低,而聚丙烯編織布所需的蒸發(fā)時間較長。綜合價格因素,碳纖維編織布100元/m2,聚丙烯編織布15元/m2,最終選擇黑色聚丙烯編織布作為基體材料。

        4.2 基體材料懸掛方式

        基體懸掛方式有單個纏繞懸掛方式和連續(xù)交錯懸掛方式,如圖2所示。單個纏繞懸掛方式纏繞工序復(fù)雜,且每個接口都需要縫接;而連續(xù)交錯懸掛基體材料面積大于單個纏繞方式,因而選擇基體連續(xù)交錯懸掛方式。

        a—連續(xù)交錯懸掛方式;b—單個纏繞懸掛方式。圖2 基體材料懸掛方式

        選擇基體材料支撐管主要考慮對浸濕后基體材料總質(zhì)量的承受能力,選擇耐腐蝕鍍鋅鋼管為基體材料支撐管,規(guī)格DN 15 mm×2 105 mm,間距240 mm。

        4.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮布液管和基體支撐管的安裝,同時要方便移動和安裝。本研究將機(jī)架設(shè)計(jì)模塊化,單個機(jī)架模塊規(guī)格2.5 m×2 m×10 m;整體骨架選擇H型鋼,便于整體焊接或螺栓連接;輔助部分選擇角鋼。增效蒸發(fā)裝置主視圖如圖3所示。

        1—基體材料;2—機(jī)架結(jié)構(gòu);3—基體支撐管;4—布液管。圖3 增效蒸發(fā)裝置主視圖

        4.4 布液方式設(shè)計(jì)

        如何高鹽廢水均勻分布到蒸發(fā)基體材料表面,關(guān)系到蒸發(fā)能耗和蒸發(fā)量的大小,一般采用毛細(xì)管吸力和溶液動力輸送的方式進(jìn)行溶液傳輸。毛細(xì)管吸力布液方式是將基體材料放入蒸發(fā)池中,利用基體材料中纖維與纖維間毛細(xì)空隙所產(chǎn)生的毛細(xì)管吸力將溶液吸附在基體材料上;動力輸送是通過泵將廢水均勻的布置在基體表面,布液間斷操作,能耗高。毛細(xì)管吸力布液可連續(xù)操作,基本不產(chǎn)生能耗;但需要將機(jī)架布置在蒸發(fā)池上,施工難度大,維護(hù)困難。綜上所述,選擇動力布液方式。布液管如圖4所示。

        布液管落水孔的大小影響布液時間的長短和泵的選型。試驗(yàn)過程中,落水孔徑為3.0 mm時,存在落水不均勻現(xiàn)象,整個布液管靠近進(jìn)水口處落水較快;遠(yuǎn)離進(jìn)水口處由于壓力過低落水較慢,有時不落水,造成部分基體材料閑置。當(dāng)落水孔徑2.0 mm、落水孔距中心垂線夾角45°兩側(cè)均布、兩相鄰落水孔間距35 mm時,落水過程帶壓,可直接噴淋至基體材料上,布液符合要求。

        圖4 布液管示意

        4.5 清洗方式選擇

        地浸采鈾礦山廢水含有較高的鹽分,蒸發(fā)池廢水鹽分最高達(dá)9 g/L。試驗(yàn)過程中,隨著液體的蒸發(fā),水體中鹽類物質(zhì)逐漸結(jié)晶,結(jié)晶物附著在基體上,使整個基體材料顯現(xiàn)白色,近距離觀察部分結(jié)晶懸掛在基體材料上。由于選擇基體材料屬編織布種類,內(nèi)部不含有纖維短絲,結(jié)晶物不會附著于基體材料內(nèi)部,所以結(jié)晶物無需專門清洗,直接用外力敲打即可去除。

        5增效蒸發(fā)裝置現(xiàn)場試驗(yàn)

        風(fēng)能增效蒸發(fā)試驗(yàn)主要對進(jìn)水、出水、保水量進(jìn)行計(jì)量,同時考慮不同時間段對蒸發(fā)效果的影響,每個模塊基體材料面積為142 m2,試驗(yàn)裝置如圖5所示。室外溫度27 ℃、相對濕度為40%條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表4;溫度、風(fēng)速、濕度對蒸發(fā)的影響見表5。

        圖5 風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置

        表4 風(fēng)能增效蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果

        表5 溫度、濕度、風(fēng)速對蒸發(fā)的影響

        從表4可知:現(xiàn)場試驗(yàn)的基體保水量為211~352 g/m2,與室內(nèi)試驗(yàn)基本相當(dāng);在保水量相同的情況下,蒸發(fā)受溫度、濕度、風(fēng)速的影響。從表5可知,環(huán)境溫度和環(huán)境濕度有相關(guān)性,同等風(fēng)速下,當(dāng)溫度逐漸升高時濕度逐漸降低,蒸發(fā)時間減少。溫度升高5.5 ℃時,蒸發(fā)時間可減少5 min。當(dāng)溫度保持在25 ℃左右,相對濕度保持在48%時,風(fēng)速從1.8 m/s升高到2.6 m/s時,蒸發(fā)時間從42 min減少至37 min,風(fēng)速越大越有利于基體材料上液體的蒸發(fā)。

        6技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置拓展了蒸發(fā)面積,加快了蒸發(fā),該裝置的耗能設(shè)備只有潛水泵(功率1.5 kW),增效蒸發(fā)裝置總面積284 m2,基體材料保水量300 g/m2,單次蒸發(fā)量為85.2 kg,單次耗電0.125 kWh(運(yùn)行5 min),所以風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置能耗為1.467 kW·h/t,經(jīng)核算增效蒸發(fā)成本為0.88元/t。

        7結(jié)論

        1)風(fēng)能增效蒸發(fā)受溫度和風(fēng)速影響較大,單位面積基體最大保水量352 g/m2,最快蒸發(fā)時間25 min。

        2)該裝置模塊化設(shè)計(jì),可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。當(dāng)蒸發(fā)裝置占地面積為10 m2時,基體材料蒸發(fā)面積可達(dá)284 m2,蒸發(fā)面積擴(kuò)大了約27倍。

        3)風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置,利用有限的占地面積和自然資源,將蒸發(fā)面從平面向立體擴(kuò)展,使其蒸發(fā)面積和蒸發(fā)效率提高,達(dá)到高效低耗的目的,為廢水減量化處理提供新思路。

        致謝:項(xiàng)目研究中得到了核工業(yè)北京化工冶金研究院的大力支持,特別是前期做了大量的調(diào)研和設(shè)計(jì)工作,在此表示感謝!

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