太阳池型钾石盐热溶槽底层溶液提取和补充实验

汤 毅 慧, 赵 启 文, 屠 兰 英, 陈 得 清, 赵 榕

(青海大学 化工学院, 青海 西宁 810016)

0 引 言

钾是农作物必需的三大营养元素之一,我国钾矿资源短缺,土壤普遍缺钾,钾肥长期依赖进口.青海柴达木盆地是我国钾盐的主要产地,已探明钾盐储量约占全国的80%,随着近几年大规模的开发,高品位钾矿越来越少,低品位钾矿的开发具有重要意义.其中察尔汗盐湖、马海盐湖以及西台吉乃尔盐湖已探明低品位固体钾矿(0.5%≤w(KCl)<3.0%)资源量为3.43×108t,平均品位为1.25%,远低于我国采用的《盐湖和盐类矿产地质勘查规范》(DZ/T 0212—2002)中推荐的工业品位8.0%,也远低于世界标准的15.0%～18.0%[1];而且氯化钾生产中每年排放上千万吨含钾2%～7%的尾矿[2],回收利用这些低品位钾资源目前主要采用热溶结晶法工艺,但是此工艺存在能耗高、设备腐蚀严重、经济效益欠佳等问题.

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色清洁能源[3],但是太阳能在夜间和阴雨天气下不能被利用,故需有存储太阳能的方法[4].太阳池是一种经济、简单、高效的太阳能收集器,能收集和储存太阳能并再次利用[5].青海柴达木盆地太阳能资源丰富,具备建造太阳池的优良条件.而且柴达木盆地氯化钾生产中每年排放的大量含钾尾矿,是可以利用的低品位钾资源.本课题组研究将钾石盐太阳池和热溶结晶法工艺的热溶槽合二为一,利用太阳池聚集太阳能,用于热溶结晶法工艺降低生产过程能耗.有关太阳池的研究基本集中于热性能研究和数值研究[6-8],而热提取方面的研究较少.Jaefarzadeh[6]从实验上研究了从太阳池提热用于加热空气.Sabetta等[8]给出了采用聚乙烯管进行内部换热器设计的方法和费用分析.Al-Jamal等[9]从理论上证明了太阳池热提取有利于增加太阳池对太阳辐射的吸收.Angeli等[10]和 Andrews等[7]分别基于内置和外置换热器的方法从理论上提出了新的提热方法.

太阳池型钾石盐热溶槽运行稳定后,提取和补充溶液是其实际应用的重要环节,若提取和补充溶液的方法不合理,会破坏盐梯度层,导致太阳池型钾石盐热溶槽无法稳定运行,影响的主要因素为单次取补液量、取补液速率和补液管位置.本文研究太阳池型钾石盐热溶槽底层溶液提取与补充的最优方法,通过实验探究单次取补液量、取补液速率以及补液管位置对太阳池型钾石盐热溶槽性能的影响规律,为太阳池型钾石盐热溶槽技术工业化应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 原料、试剂和仪器

1.1.1 原料 实验原料为钾石盐,购自青海盐湖三元钾肥股份有限公司.

1.1.2 试剂 主要试剂有四苯硼钠、酚酞、氢氧化钠、EDTA、硝酸银、氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化铵、氨水、无水乙醇、盐酸,均为分析纯.

1.1.3 仪器 仪器主要包括:80 L保温桶;HID-100W-6000K型氙气灯;带探头数显温度传感器;BSA124S-CW型电子分析天平;SHB-Ⅲ型循环水式真空泵;盐度计;Orion AQ4500型浊度仪;DRE-Ⅱ型快速导热仪;0-70波美计;自制取样器.

1.2 实验分析方法

采用盐度计测定溶液的盐度,电子分析天平测定溶液的密度,波美计测定溶液的浓度,数显温度传感器测定溶液的温度.

1.2.2 太阳池型钾石盐热溶槽的构建及运行方法

(1)取样与测温

热溶槽溶液分为3层,在各层分界面上下各20 mm处设置取样管,其余位置每隔50 mm设置取样管测定溶液密度、盐度、组成等.每隔50 mm粘贴一个数显温度传感器读取溶液温度.

(2)取补液管

将4根94 cm长的φ6×8 mm白色PVC硬管绕成圆形,在硬管周身开设若干均布小孔,其一端密封,另一端与φ6×8 mm橡胶管连接,制作4个相同形状圆形管,1个为取液管,3个为补液管,然后用细铁棒、塑料夹及细线等辅助材料每隔50 mm固定一个圆形管,制成简易取补液管.

(3)热溶槽的构建

选用内径440 mm、高420 mm的保温桶作为太阳池型钾石盐热溶槽.保温桶内壁衬黑色塑料袋.保温桶中心垂直固定取样器和温度传感器.热溶槽底部固定取液管,取液管上方铺设一层小石子,小石子上方平铺固体钾石盐,小石子与固体钾石盐厚度共计50 mm,固体钾石盐组成见表1.然后灌注钾石盐饱和溶液作为下对流层(LCZ),通过水平布液器灌注20°Bé的钾石盐溶液作为盐梯度层(NCZ),自来水作为上对流层(UCZ),各层厚度比为5∶4∶1.静置24 h后取样测得与底部不同距离L下各层溶液的密度ρ(如图1所示),由图可知,热溶槽水平方向的密度几乎一致,但垂直方向形成了明显的密度梯度,表明热溶槽构建成功.

表1 固体钾石盐组成

图1 太阳池型钾石盐热溶槽中各层溶液的密度

(4)热溶槽的运行

在实验室利用4只100 W的氙气灯模拟柴达木盆地察尔汗地区的太阳光,白天开灯模拟光照,夜间关闭.每天测定各层溶液的密度与温度;开始与结束时取样测定各层溶液的离子组成.因光照时存在水分蒸发,为了保证太阳池型钾石盐热溶槽稳定运行以及上对流层溶液厚度不变,每天开始运行前对上对流层补充适量的自来水.

1.2.3 单次取补液量对热性能影响 实验中待太阳池型钾石盐热溶槽运行稳定后,使用蠕动泵设置取补液速率为1.243 mL/s,取出1 000 mL的钾石盐热溶液,然后通过补液管1补入1 000 mL室温下的饱和钾石盐溶液,每隔5 min,记录取补液后的温度变化.待补液后温度恢复至取液前,结束实验.改变单次取补液量分别为2 000、3 000、4 000 mL,重复上述实验.

1.2.4 取补液速率对热性能影响 实验中待太阳池型钾石盐热溶槽运行稳定后,使用蠕动泵设置取补液速率为0.275 mL/s,取出2 000 mL的钾石盐热溶液,然后通过补液管1补入2 000 mL室温下的饱和钾石盐溶液,每隔5 min,记录取补液后的温度变化.待补液后温度恢复至取液前,结束实验,改变取补液速率分别为0.738、1.243、1.765 mL/s,重复上述实验.

1.2.5 补液管位置对热性能影响 实验中待太阳池型钾石盐热溶槽运行稳定后,使用蠕动泵设置取补液速率为1.243 mL/s,取出2 000 mL的钾石盐热溶液,然后通过补液管1补入2 000 mL室温下的饱和钾石盐溶液,每隔5 min,记录取补液后的温度变化.待补液后温度恢复至取液前,结束实验,改变补液管位置分别为补液管2、补液管3,重复上述实验.然后改变单次取补液量分别为3 000与4 000 mL,重复上述过程.

2 结果与讨论

2.1 操作运行

热溶槽运行过程中与底部不同距离溶液的密度、盐度以及温度变化如图2所示,由图可以得出:热溶槽运行过程中密度与盐度变化较小,随温度增加底层部分钾石盐溶解进入LCZ层,使LCZ层下部的密度有微量增加,在NCZ层与UCZ层交界的小区域内出现微量盐分从高浓度区向低浓度区扩散的情况,UCZ层下部的密度有微量增加.温度随着运行时间的增加而上升,在15 ℃左右的室温下运行6 d后趋于稳定,LCZ层最高温度36.7 ℃,实验用热溶槽规格小,集热能力有限,实验期间环境温度不高,昼夜温差较大,热溶槽保温效果欠佳,夜间散热较多,导致升温较慢,最终温度不高.

(a)密度

2.2 单次取补液量

2.2.1 密度 取补液前后密度变化如图3所示.由图可得,取补液量为1 000 mL时,取补液前后各层溶液密度无明显变化;而取补液量为2 000 mL时,LCZ层70 mm处的密度与取液前相比增大了0.007 8 g/mL.主要是因为补入液为室温,当补入液与LCZ层热溶液混合后发生传热传质现象,导致温度降低、密度增大.

(a)1 000 mL

2.2.2 组成 1 000 mL取补液前后离子浓度组成见表2,开始运行前各层溶液离子浓度组成水平方向基本一致,垂直方向形成了梯度,而补液结束后离子浓度变化主要在LCZ层.1 000～4 000 mL取补液前后LCZ层热溶液中离子浓度与补入液离子浓度相关.取出液中各离子浓度与补入液相比普遍有一定量增加(见表3),是底层部分钾石盐溶解进入取出液所致,但因为温度升高不多,所以各离子浓度增加幅度不大.

表2 1 000 mL取补液前后离子浓度组成

表3 取出液与补入液的离子浓度

2.2.3 温度 补液后温度恢复时间如图4、5所示.由图可得,取补液量为1 000 mL时,温度基本不变;取补液量为2 000 mL时,补液后在50 mm处温度下降0.6 ℃,39 min后温度恢复到取液前温度.取补液量从1 000 mL增到4 000 mL,随着取补液量增加,温度下降幅度增大,恢复时间延长.

图4 1 000 mL补液后温度恢复时间

图5 2 000 mL补液后温度恢复时间

将取液、补液、温度恢复时间包括在内计算每min平均取液量,单次取补液量为1 000、2 000、3 000 mL时,每min平均取液量分别为37.3、21.6、16.5 mL,说明在补液管位置与取补液速率保持不变条件下,连续操作单次取补液量1 000 mL较合适,间歇操作2 000 mL较合适.后续以间歇操作2 000 mL为准进行取补液速率实验.

2.3 取补液速率

2.3.1 密度 不同速率取补液前后密度变化如图6所示.由图可得,取补液速率为0.275、0.738、1.243、1.765 mL/s时,LCZ层与NCZ层密度均有微量波动;取补液速率为0.275、1.243、1.765 mL/s时,UCZ层密度补液后微高于取液前.当取补液速率较低时,太阳池型钾石盐热溶槽内溶液密度差较稳定,随取补液速率增大,其对盐梯度的影响逐渐增大,1.765 mL/s时盐分向上扩散明显,使得UCZ层密度补液后大于取液前.

(a)0.275 mL/s

2.3.2 温度 当取补液速率为0.275 mL/s时,温度基本不变;取补液速率为0.738 mL/s时,补液后温度恢复时间如图7(a)所示,补液后在50 mm处温度下降0.1 ℃,77 min后温度恢复到取液前温度;取补液速率为1.243 mL/s时,补液后温度恢复时间如图7(b)所示,补液后在50 mm处温度下降0.2 ℃,86 min后温度恢复到取液前温度;取补液速率为1.765 mL/s时,补液后在50 mm处温度下降0.6 ℃,97 min后温度恢复到取液前温度.表明随着取补液速率增大,温度下降幅度增大,恢复时间变长.

(a)0.738 mL/s

取补液速率越大,单位时间内取出液体越多,运行效率越高,但取补液速率越大,盐的扩散越明显,对NCZ层破坏越大,综合考虑取补液速率对密度、温度的影响,补液速率取1.243 mL/s较合适.

2.4 补液管位置

2.4.1 密度 不同补液管位置下取补液前后密度基本维持不变(见表4),表明实验中采取的3种补液管位置对热溶槽稳定性影响不大.

表4 不同补液管位置下取补液前后密度变化

2.4.2 温度 不同补液管位置下补液后温度恢复时间见表5.由表可得,在同一取补液量下,补液后温度恢复时间随着补液管位置上移而缩短,补液管2与3基本一致.在同一补液管位置处,补液后温度恢复时间随着取补液量增大而延长.补液管位置在LCZ层中越靠近上部,接受太阳辐射量越多,温度上升越快,但对盐梯度影响也越大.补液管3的位置,即距热溶槽底部150 mm的位置较合适.

表5 不同补液管位置下补液后温度恢复时间

3 结 论

(1)太阳池型钾石盐热溶槽运行至第6 d时其密度、盐度与温度处于稳定状态.在15 ℃左右的室温下运行稳定后其最高温度达到36.7 ℃.

(2)单次取补液量越大,热溶槽底层溶液温度下降越多,恢复时间越长,盐分向上扩散越明显.连续操作单次取补液量1 000 mL较合适,取补液前后各层溶液的密度、温度基本不变.间歇操作单次取补液量2 000 mL较合适.

(3)随着取补液速率增加,温度下降幅度增大,恢复时间变长,每min平均取液量增大,对盐梯度影响也增大,取补液速率1.243 mL/s较合适.

(4)补液管分别设置在下对流层高度方向相距50 mm 3个位置时,取补液前后溶液密度基本维持不变,但在150 mm处补液后温度恢复时间相对较短,盐分向上扩散相对较少,因此补液管设置在距热溶槽底部150 mm处较合适.