盐湖表面卤水矿开采淡化计算与分析

2018-03-21童阳春吴盛斌杨新春

现代矿业 2018年2期

童阳春吴盛斌杨新春

(中蓝长化工程科技有限公司)

我国盐湖卤水矿资源丰富[1-2]，目前有越来越多的以表面卤水矿为主要开采对象的盐湖卤水矿项目开发建设，由于周边淡水或淡卤水的补给，随着开采的进行，卤水淡化不可避免。由于卤水淡化，一定产品规模所需的卤水开采量会逐渐增大，相应的后续盐田面积以及工艺参数都需要适应这种卤水组分与含量变化趋势，当卤水淡化至一定程度，表面卤水矿可能失去开采价值，因此表面卤水矿中卤水淡化计算、分析及预测对于卤水矿项目建设十分重要。近10 a来，我国盐湖卤水矿得到了大规模开发，都是以开采晶间卤水矿为主，即以消耗盐层孔隙静储量为主，开采淡化不明显或短期不会淡化，因此卤水淡化计算与分析未能得到高度重视，相关理论分析与工程经验积累较少。对于表面卤水矿，一经开采便会打破原有的水盐平衡系统，便有卤水淡化发生，因此卤水淡化计算与分析是卤水矿开采工程建设迫切需要研究和解决的问题。

1 卤水矿开采淡化计算条件

1.1 基础资料及条件

盐湖表面卤水矿卤水淡化计算与分析涉及的范围大、影响因素众多[3-5]，一般来说，应具备的基础资料及条件为：①开采初始盐湖水盐平衡分析计算资料，一般由相关地质勘查报告或专题研究报告提供；②盐湖及周边多年或历年气象资料，主要包括蒸发量、降雨量、气温等；③盐湖及周边水文地质资料；④盐湖卤水矿床地质勘查资料，包括液体矿和固体矿的分布、组分和资源量等，液体矿又分为表面卤水矿、晶间卤水矿、孔隙卤水矿等；⑤盐湖卤水矿盐田工艺及加工工艺研究资料，应有卤水比蒸发系数、大面积蒸发校正系数等参数；⑥盐湖地形、地层资料，主要包括盐湖及近盐湖周边地层岩性及参数、地形坡度及变化、湖水分布面积及深度变化等；⑦开采规模、产品方案、输卤、盐田工程布置及其渗漏、盐田及加工厂尾液、尾盐排放量等易引起盐湖水盐重新平衡的参数。

1.2 假设条件

盐湖表面卤水矿开采淡化计算与分析过程中会涉及大量动态变化且相互影响的参数[2-6]，精确求解该类参数难度较大且不必要。为简化计算，需对一些参数或条件进行假设，其原则要求是既能简化计算又不会影响计算结果的工程应用。对于具体的工程项目可根据其工程特性和已掌握的基础资料进行假设：①进入盐湖的水量和各组分含量按初始水盐平衡的平均量计算，若有条件明确的参数(如引淡水工程的引水量、在近湖盐滩地修建大面积盐田减少的降雨进入量以及加工工艺尾液、尾盐排放量等)则另行列出；②卤水比蒸发系数、大面积校正系数等按卤水组分设为定值或根据卤水组分变化分阶段设为定值；③卤水开采各组分的年消耗量按项目建设规模和产品方案视为一个定值，即主要有益组分总回收率不变或分阶段不变，可根据各组分年消耗量和每年卤水组分含量来反推年采卤量；④将表面卤水和周边地层中的卤水视为一个整体，即其水位同水平升降；⑤假定表面卤水淡化混合均匀，即忽略不同深度的浓度差，当表面卤水深度较大时，假定一定时间段内一定深度内混合均匀，即其深度以下部分不参与淡化混合计算；⑥对于近盐湖表面卤水的盐滩地，当卤水埋深为0时，视为与湖表水具有一致的蒸发效果，当卤水埋深超过一定值(经验值一般为1～2 m)时，视为没有蒸发(即蒸发量为0)；⑦近盐湖表面卤水的盐滩地或湖周边地形一般坡度较小或近水平，湖水下降导致的湖表水面积缩小可在一定深度内或分阶段视为按线性减小；⑧将因生产工艺进入盐湖卤水的组分含量设为一定值，包括输卤工程、盐田工程的渗漏量以及盐田、加工厂的排放量等；⑨假定卤水的淡化不会引起盐田工艺及加工工艺有较大变化，即工艺方案和工艺参数不会有原则性的变动调整。

1.3 基本计算公式

盐湖表面卤水矿开采淡化计算宜以年度为单元，初始值和基本参数可由相关资料或工程经验获得，根据水量平衡、各组分盐量平衡来推算卤水品位或浓度淡化情况。相关计算公式如下：

年末卤水量=上年或初始卤水量-当年开采卤水量-蒸发水量+补给水量，

(1)

年末某组分盐量=上年或初始某组分盐量-当年开采消耗量+当年补给量，

(2)

年末某组分品位=年末某组分盐量/(年末卤水量×密度)×100% ，

(3)

当年有效蒸发面积=当年湖水面积+上年卤水下降增加的盐滩面积+

上年末干盐滩面积(扣除修建盐田面积后)×卤水埋深折减系数，

(4)

当年湖水水位下降量=(蒸发水量+开采卤水量量-补给淡水量)/

(湖水面积+盐滩面积×盐滩地给水度).

(5)

2 计算实例

吉布堤某盐湖初始表面卤水面积62 km2，盐滩地面积57 km2，KCl(其他组分忽略)资源量1 034.86万t，其中表面卤水481.5万t，平均品位0.84%，晶间卤水553.36万t，平均品位1.09%。淡水或淡卤水年补给量1.2亿m3，补给KCl盐量11.63万t(其他盐量忽略)，淡水蒸发量按2.5 m/a计。产品方案为钾肥，建设规模为20万t/a，原始品位年采卤量2 840万m3/a(年消耗KCl量约为29万t/a)，基建盐田(修建于盐滩地上)面积30 km2。

本研究卤水淡化计算时不考虑盐田渗漏量和盐田、加工厂排入量(采用外部排放方案)，年采卤量中按1/3为晶间卤水、2/3为表面卤水进行了计算，结果见表1。由表1可知：开采至第10 a时，卤水中KCl品位(0.76%)降低至初始品位(0.91%)的0.84%，若在保持产品规模不变的情况下，因卤水淡化，采卤量增加了约49%(约第5 a开始钠盐池面积因卤水淡化需要逐年增加)。由于基础资料准确度可能有偏差以及计算过程中的相关简化假定，本研究计算结果可能与实际生产存在一定偏差，但仍可在总体上反映出矿山未来生产变化的基本趋势。

对表1计算结果进一步分析可知：

(1)卤水水位。虽然每年有卤水量排出，但由于卤水组分含量变化、卤水面积变化等原因，在补给量不变的情况下，表面卤水能维持自我平衡，总卤水量减少非常缓慢，卤水水位升降变化幅度较小。

(2)卤水品位。随着开采的进行，卤水有益组分会逐渐下降，且变化较大，即卤水淡化较快。虽然晶间卤水资源量约占资源总量的1/2，且每年补给的有益组分(KCl)盐量达到开采消耗量的1/3，但是初始品位仅能维持3～4 a，至第10 a时卤水品位仅为初始的84%。若晶间卤水占比较小且补给有益组分较小时，卤水品位淡化现象将更加显著。

表1 吉布提某盐湖项目水盐平衡计算结果

(3)采卤量。由于卤水淡化，年采卤量在保持产品规模不变的情况下会逐年增加且增加量较大，第10 a的采卤量约为初始采卤量的1.5倍。采卤量增加必然要求采输卤装置能力有较大富余，此外初级盐田面积也须逐年增大。

(4)卤水资源利用率。以表面卤水矿为主的盐湖开采的资源利用率低于以晶间卤水矿开采为主的资源利用率。若仅考虑表面卤水，在无法将补给淡水有效引出盐湖的情况下，随着淡化的发生，其资源利用量应为有益组分现有品位降低至工业品位时的采出量(工业品位以下可视为失去开采价值)，根据初始卤水品位，其资源利用率一般为40%～70%，远低于晶间卤水的资源利用率。

(5)采卤方案。以表面卤水为主的盐湖开采由于淡化发生和资源利用率降低，相对于同等资源量而言，其开采规模应小于以晶间卤水为主的盐湖开采规模，规模偏大会加剧淡化的发生，增加生产系统的适应难度，缩短开采服务年限。虽然卤水淡化计算时假定卤水混合均匀，但实际上盐湖淡水或淡卤水补给时段一般相对集中，短时间内浓度差现象实际存在，且无论采取何种措施开采，表层卤水量占比均较大。由于短时间内深度上卤水浓度梯度存在，表层卤水往往为品位相对较低的卤水，因此在制定采卤工作制度时，宜避开丰水期，丰水期及其后续一定时间内有必要停采，同时采卤泵站位置宜避开或远离淡水补给盐湖的源头区域。

(6)加工尾盐、尾液排放。盐湖卤水具有多种组分，而产品方案往往仅能考虑利用其中的主要有益组分，一般都有大量尾盐、尾液排放。将该类尾盐、尾砂就近排放入盐湖，可降低排放工程投资和排放费用，但由于其他组分循环会在一定程度上加速主要有益组分的淡化程度，并且使得原卤水各组分含量发生较大变化，当其他组分含量提高至一定程度时，极有可能引起卤水性质发生变化，原有的卤水加工装置可能难以适应这种变化，则会严重影响原有加工装置的生产效果，因此，应尽可能制定外排方案，即不采用将尾盐、尾砂排入盐湖的方案。

(7)引水方案。以表面卤水为主的盐湖开采时，防止卤水淡化最有效的方法是引开或隔离补给淡水或淡卤水进入开采盐湖。在该类项目设计中，应充分研究工程特性，充分利用有利地形、地层等条件，将防淡化方案与防洪方案、取水方案等进行系统性考虑，通过采取引水、蓄水、调水等措施尽可能避免部分补给淡水或淡卤水进入开采盐湖。