張麗娜,岳茂文,史恒亮,楊 慧

(山東海化集團有限公司,山東 濰坊 262737)

渤海萊州灣地區(qū)擁有豐富的地下鹵水資源[1],目前地下鹵水生產(chǎn)原鹽的主要方法仍以鹽田自然蒸發(fā)為主,生產(chǎn)步驟一般包括:抽取地下鹵水、蒸發(fā)制鹵、蒸發(fā)結(jié)晶、采鹽、原鹽存儲、成品外運等,其中蒸發(fā)制鹵和蒸發(fā)結(jié)晶需要依靠自然環(huán)境,雖然有投資少、能耗低的優(yōu)勢,但存在占地面積大、氣候依賴性強、蒸發(fā)速率慢,而且需要消耗大量的人力、物力的缺點。經(jīng)過制鹽工藝技術(shù)的發(fā)展,目前提高制鹽率的方式有多效真空蒸發(fā)、機械蒸汽再壓縮技術(shù)、膜法[2-3]等,這些方式蒸發(fā)效率高,但因其需要電能及熱能進行加熱加壓,制鹽過程中耗能高、設(shè)備要求高、投資大,成本增加。原鹽屬于大宗化工原料,產(chǎn)品售價較低[4-5],若制鹽成本升高,則不利于原鹽生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

立體蒸發(fā)是將鹵水輸送至一定高度的裝置上,通過布水裝置,使之分散到蒸發(fā)面或蒸發(fā)材料,擴大蒸發(fā)面積,促進鹵水加速濃縮的技術(shù)。最初構(gòu)成傳統(tǒng)立體蒸發(fā)裝置的材料是竹竿、木桿等,用竹排枝條或漁網(wǎng)作為蒸發(fā)面,擴大鹵水與空氣的接觸面積。原輕工業(yè)部鹽工業(yè)科學(xué)研究所的試驗結(jié)果表明,相比于平面蒸發(fā),立體蒸發(fā)可以使制鹵效率提高10～18倍。據(jù)日本的研究,采用聚氯乙烯等高分子制備的絲網(wǎng)作為鹵水分布使用,其蒸發(fā)效率是枝條架蒸發(fā)的2倍[6]。盡管制鹵效率有所提高,但竹竿等木質(zhì)材料不耐腐蝕、不耐日曬,使用壽命短,立體蒸發(fā)技術(shù)并沒有推廣下去。中國能源集團北京低碳清潔能源研究院針對煤化工廢水的處理,進行了強化自然蒸發(fā)研究。該研究利用紡織物的比表面積大、可以高效實現(xiàn)水分遷移、熱量交換等特點,以黑色滌綸織物作為蒸發(fā)載體,在蒸發(fā)架上對含鹽廢水進行蒸發(fā),結(jié)果表明,含鹽廢水在織物表面的蒸發(fā)速率相比于無織物狀態(tài)下提高了400%[7]。他們還進行了工業(yè)化示范項目的研究,工業(yè)化示范項目的蒸發(fā)效率可提高至少20倍,但其設(shè)備以鋼結(jié)構(gòu)為支撐,投資較大、成本較高。

為兼顧立體蒸發(fā)技術(shù)可行性以及原鹽生產(chǎn)經(jīng)濟性,文章以耐腐蝕、耐日曬的復(fù)合玻璃鋼材料為支架,借鑒填料塔內(nèi)填料[8]分別選取粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)以及黑色帆布為蒸發(fā)面,以直接蒸發(fā)冷卻的工作原理[9],研究立體蒸發(fā)制鹵技術(shù),克服傳統(tǒng)立體蒸發(fā)材料使用壽命不長的局限性,最終達(dá)到高效制鹵、節(jié)約土地的目的。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

實驗所用鹵水取自濰坊濱海開發(fā)區(qū)羊口鹽場鹵水井,其主要成分見表1。

表1 地下鹵水成分表Tab.1 Underground brine composition mg/L

實驗采用的設(shè)備與材料見表2。

表2 設(shè)備與材料Tab.2 Equipment and materials

1.2 實驗方法

1.2.1 立體蒸發(fā)實驗

實驗采用黑色玻璃鋼板一體成型的水池為蒸發(fā)池,尺寸為2 m×2 m×4 m;立體蒸發(fā)支架以玻璃鋼型材相互連接并安裝在立體蒸發(fā)池內(nèi),立體蒸發(fā)支架頂端安裝有尺寸為2 m×2 m的“由”字形布水器,布水管規(guī)格為DN25,布水管間距為20 cm,布水管上安裝有蒸發(fā)面(圖1)。蒸發(fā)面的選取原則為深色、比表面積大、有一定的持水性能、抗紫外線、耐老化的材料,實驗選取了粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布為蒸發(fā)面,見圖2。

(1)裁剪相同尺寸的粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布,分別安裝在上述立體蒸發(fā)裝置中。

(2)先用水泵將地下鹵水經(jīng)布水器供至蒸發(fā)面,用水泵供水10 min,待蒸發(fā)材料完全浸濕后,記錄此時蒸發(fā)池內(nèi)的液位,再繼續(xù)供水進行實驗,調(diào)節(jié)流量計,使地下鹵水在蒸發(fā)面上分布均勻,記錄此時的流量。

(3)每天早8 ∶00和晚17 ∶00記錄蒸發(fā)池內(nèi)地下鹵水的液位,并記錄測試過程中的環(huán)境溫濕度、風(fēng)速、地下鹵水的鹽度。

圖1 立體蒸發(fā)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the stereoscopic evaporation device

圖2 蒸發(fā)面Fig.2 Evaporating surface

1.2.2 計算方法

(1)

式中:P為泵運行功率,單位kW;M為質(zhì)量流量,單位kg/h;H為鹵水輸送高度,單位m;η為泵效率。

(2)

式中:Q為蒸發(fā)噸水能耗,單位kW·h/m3;P為泵運行功率,單位kW;ε為成鹵率;V為蒸發(fā)池內(nèi)鹵水初始體積,單位m3;t為蒸發(fā)時間,單位h。

(3)

式中:V為蒸發(fā)池內(nèi)鹵水初始體積,單位m3;ε為成鹵率;h為自然蒸發(fā)量,單位m/h;δ為蒸發(fā)系數(shù);A為蒸發(fā)倍數(shù);S為蒸發(fā)面積,單位m2。

由公式(2)和(3)得:

(4)

制鹵噸水能耗Q′(kW·h/m3)可由下式表示:

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 自然蒸發(fā)量統(tǒng)計

圖3是統(tǒng)計的2015～2020年濰坊濱海開發(fā)區(qū)羊口鹽場區(qū)域的純水蒸發(fā)量,從圖中可以看出,每年3～10月為蒸發(fā)旺季,從3月開始,月平均蒸發(fā)量開始大于150 mm;蒸發(fā)量最高的月份為每年6、7月,月平均蒸發(fā)量最大可超過320 mm;11月至次年2月蒸發(fā)量較低,通常情況下蒸發(fā)量小于70 mm。

圖3 羊口鹽場區(qū)域的蒸發(fā)量Fig.3 Evaporation in Yangkou salt field

對于全年不同月份、不同季度水蒸發(fā)量的統(tǒng)計,有助于預(yù)測鹽場平面蒸發(fā)以及文章中立體蒸發(fā)的蒸發(fā)效果,尤其是對于立體蒸發(fā),可以根據(jù)不同時間的蒸發(fā)量,調(diào)整立體蒸發(fā)裝置的供水量,達(dá)到既可以實現(xiàn)蒸發(fā)效果最優(yōu),又可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

2.2 不同蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果

據(jù)研究報道,蒸發(fā)器直徑越大,相對蒸發(fā)量越小,當(dāng)直徑增大到一定程度時,相對蒸發(fā)量不再變化。文章中蒸發(fā)池尺寸依照蒸發(fā)器直徑≥5 m時,蒸發(fā)量修正系數(shù)為1進行設(shè)計。

圖3是在不同月份與同時期平面蒸發(fā)的蒸發(fā)量的對比具體結(jié)果。根據(jù)2.1的實驗過程,選取開闊場地,在不同月份分別進行了不同蒸發(fā)面的立體蒸發(fā)實驗,研究不同蒸發(fā)面對地下鹵水的蒸發(fā)效果,當(dāng)獲得一種蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果的數(shù)據(jù)之后,將其更換為另一種蒸發(fā)材料再進行試驗;在進行蒸發(fā)實驗時,為了防止局部飽和,更換蒸發(fā)材料的蒸發(fā)終點是蒸發(fā)池內(nèi)鹵水濃度達(dá)到22 °Be′±0.5 °Be′(飽和濃度25.26 °Be′);當(dāng)有雨天時停止運行立體蒸發(fā)裝置,雨天過后繼續(xù)進行立體蒸發(fā),蒸發(fā)池內(nèi)鹵水表層的雨水不再進行排放,圖4中橫坐標(biāo)為有效蒸發(fā)天數(shù)。

圖4 不同蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果Fig.4 The performance of different evaporation materials

從圖4中可以看出,雖然蒸發(fā)時間不同,但是以粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布為蒸發(fā)面的立體蒸發(fā)效果均優(yōu)于同期平面蒸發(fā)。不同蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果與同期平面蒸發(fā)的比值(蒸發(fā)倍數(shù))見表3,其中平均質(zhì)量流量為蒸發(fā)時供水泵為立體蒸發(fā)支架提供的流量。

表3 立體蒸發(fā)與同期平面蒸發(fā)量的比值Tab.3 Ratio of stereoscopic evaporation to simultaneous plane evaporation

實驗是在自然條件下進行的,氣溫、風(fēng)速、濕度、降水量等自然因素都會對實驗結(jié)果造成影響,這些因素在實驗過程中是不可控的,為了獲取不同蒸發(fā)材料與同期平面蒸發(fā)的對比效果以及相應(yīng)能耗方面的數(shù)據(jù),將影響因素的變化結(jié)果最終歸結(jié)到蒸發(fā)池液位的變化,而且平面蒸發(fā)與立體蒸發(fā)實驗處于同一地點,影響實驗的因素兩者變化一致。

立體蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)材料為黑色,在蒸發(fā)過程中,黑色較其他顏色有利于吸熱[7],使得地下鹵水水溫升高,加速了噴淋在其上的鹵水的蒸發(fā)速率;此外,蒸發(fā)材料顯著增加了蒸發(fā)的表面積,那么其蒸發(fā)效果會優(yōu)于平面蒸發(fā),然而不同形式的蒸發(fā)材料所產(chǎn)生的蒸發(fā)效果是有差異的,且不同的蒸發(fā)材料對地下鹵水蒸發(fā)的效果不同,這主要是由于不同的蒸發(fā)材料有不同的表面積,表面積大的蒸發(fā)效果相對更好,其中,波紋板為表面噴砂的黑色玻璃鋼板排列而成,玻纖土工格柵為多根玻璃纖維編織而成,三維滲水網(wǎng)為復(fù)合材料聚合而成,黑色帆布為滌綸紡織物。由圖4還可以看出,以玻纖土工格柵和黑色帆布進行立體蒸發(fā),當(dāng)達(dá)到蒸發(fā)終點時,所需的有效天數(shù)較少,即蒸發(fā)效率越高。另外,該實驗設(shè)置的立體蒸發(fā)支架高度為4 m,自然狀態(tài)下,當(dāng)有風(fēng)吹來時,蒸發(fā)面附近以及立體蒸發(fā)支架附近的飽和空氣被吹走,降低了附近的濕度,也促進了地下鹵水的蒸發(fā)。

通過以上實驗,獲取了不同蒸發(fā)面在1 a中某一段時間蒸發(fā)效果的數(shù)據(jù)(表3),假設(shè)蒸發(fā)倍數(shù)與蒸發(fā)量成正比,根據(jù)2015～2020年每個月的平均蒸發(fā)量(圖3),計算出不同蒸發(fā)材料全年每個月的蒸發(fā)倍數(shù),見圖5。

圖5 不同蒸發(fā)材料全年每個月的蒸發(fā)倍數(shù)Fig.5 The evaporation results of different evaporating materials every single month of the year

在這些蒸發(fā)材料中,玻纖土工格柵的蒸發(fā)效果最好,這是由于液體在流經(jīng)玻纖土工格柵時,會在其上的方形孔上形成薄薄的液膜,這顯著增加了鹵水與空氣的接觸面積,進而提升了蒸發(fā)速率,其效果與漁網(wǎng)[6]為蒸發(fā)面時網(wǎng)孔形成液膜的情況類似,之后依次是三維滲水網(wǎng)、黑色帆布和粗糙波紋板。

2.3 立體蒸發(fā)能耗

實驗所研究的立體蒸發(fā)需要外部能量來維持其運行,即消耗能量以提高蒸發(fā)效率。因此,能耗是立體蒸發(fā)的一個重要指標(biāo)。

以粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布分別為蒸發(fā)面進行立體蒸發(fā)時,泵運行功率分別是0.27、0.51、0.45、0.12 kW。雖然所選蒸發(fā)材料均有較大的比表面積,但是粗糙波紋板、玻纖土工格柵以及三維滲水網(wǎng)屬于硬質(zhì)材料,當(dāng)鹵水分布到以它們?yōu)檎舭l(fā)材料的蒸發(fā)面上時,鹵水在蒸發(fā)面上的停留時間較短,需要不斷向蒸發(fā)面供水以實現(xiàn)蒸發(fā)面的有效利用;由于黑色帆布的紡織結(jié)構(gòu),使得其有一定的持水能力,且鹵水通過毛細(xì)作用能夠更好地潤濕帆布,因此通過較低的供水量即可使鹵水在黑色帆布上實現(xiàn)均勻布水,故以黑色帆布為蒸發(fā)面進行立體蒸發(fā)時,運行能耗最低。

由圖3可以看出,3～10月的蒸發(fā)量超過了全年總蒸發(fā)量的85%,即全年的蒸發(fā)集中在3～10月份,因此取該時間段每種蒸發(fā)材料的蒸發(fā)數(shù)據(jù)(見圖4)平均值計算蒸發(fā)單位體積水所需要的能耗,粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布分別為蒸發(fā)面的立體蒸發(fā)裝置在3～10月份是同期平面蒸發(fā)的4.6、15.8、11.5、8.2倍,達(dá)到蒸發(fā)終點時蒸發(fā)池內(nèi)鹵水濃度為22 °Be′,查閱資料得鹵水由8.5 °Be′蒸發(fā)至22 °Be′的成鹵率為32.1%,按照實驗所用蒸發(fā)池尺寸以及初始儲鹵量計算四種材料的蒸發(fā)能耗見表4。

表4 不同蒸發(fā)材料的蒸發(fā)噸水能耗和成鹵噸水能耗Tab.4 Energy consumption of evaporating ton water and producing ton brine for different evaporating materials kW·h/m3

雖然以玻纖土工格柵和三維滲水網(wǎng)蒸發(fā)效果要優(yōu)于黑色帆布的蒸發(fā)效果,但是由于以玻纖土工格柵和三維滲水網(wǎng)為蒸發(fā)面的立體蒸發(fā)裝置需要供水泵提供更多的水才能保證布水的均勻,那么其提高蒸發(fā)效率是以犧牲更多的能量換取而來的。在實際生產(chǎn)中既需要保證蒸發(fā)效果良好,也需要有較低的運行成本。通過以上實驗,以黑色帆布為蒸發(fā)面的立體蒸發(fā)裝置有非常好的應(yīng)用前景,既可以提高蒸發(fā)效率,又可以維持較低的運行成本。值得注意的是,實驗研究為了更精確記錄實驗數(shù)據(jù),分別安裝了質(zhì)量流量計和雷達(dá)液位計,在實際生產(chǎn)中以轉(zhuǎn)子流量計和刻度尺來進行測量即可達(dá)到正常生產(chǎn)需要,即盡量降低以立體蒸發(fā)技術(shù)制鹵的成本。

3 結(jié)論

文章分別采用粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布為蒸發(fā)面進行在自然條件下進行立體蒸發(fā)實驗,對立體蒸發(fā)在鹽田中的實際應(yīng)用具有十分良好的借鑒意義,通過研究不同蒸發(fā)面的蒸發(fā)效果和能耗分析,形成了以下主要結(jié)論。

1)濰坊濱海開發(fā)區(qū)羊口鹽場區(qū)域的純水蒸發(fā)量進行統(tǒng)計分析,每年3～10月份為蒸發(fā)旺季,月平均蒸發(fā)量超過150 mm,該時間段內(nèi)更能發(fā)揮立體蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效果。

2)粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布分別為蒸發(fā)面時,玻纖土工格柵蒸發(fā)效果最好,其中玻纖土工格柵因其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),不但增加了立體蒸發(fā)支架內(nèi)空氣流通效果,而且在網(wǎng)孔上形成的液膜也增加了蒸發(fā)面積,然而其能耗較高。

3) 粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網(wǎng)、黑色帆布分別為蒸發(fā)面時,黑色帆布具有一定的持水性,可以使得布水更加均勻,且可增加鹵水在蒸發(fā)面上的停留時間,故而同時達(dá)到了良好的蒸發(fā)效果和較低的能耗。