張麗娜,岳茂文,史恒亮,楊 慧

(山東?；瘓F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],目前地下鹵水生產原鹽的主要方法仍以鹽田自然蒸發(fā)為主,生產步驟一般包括:抽取地下鹵水、蒸發(fā)制鹵、蒸發(fā)結晶、采鹽、原鹽存儲、成品外運等,其中蒸發(fā)制鹵和蒸發(fā)結晶需要依靠自然環(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。經過制鹽工藝技術的發(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、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、設備要求高、投資大,成本增加。原鹽屬于大宗化工原料,產品售價較低[4-5],若制鹽成本升高,則不利于原鹽生產的經濟性。

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。最初構成傳統(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)科學研究所的試驗結果表明,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。據日本的研究,采用聚氯乙烯等高分子制備的絲網作為鹵水分布使用,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,但竹竿等木質材料不耐腐蝕、不耐日曬,使用壽命短,立體蒸發(fā)技術并沒有推廣下去。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,但其設備以鋼結構為支撐,投資較大、成本較高。

為兼顧立體蒸發(fā)技術可行性以及原鹽生產經濟性,文章以耐腐蝕、耐日曬的復合玻璃鋼材料為支架,借鑒填料塔內填料[8]分別選取粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網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,克服傳統(tǒng)立體蒸發(fā)材料使用壽命不長的局限性,最終達到高效制鹵、節(jié)約土地的目的。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

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

實驗采用的設備與材料見表2。

表2 設備與材料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,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、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、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)池內的液位,再繼續(xù)供水進行實驗,調節(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)池內地下鹵水的液位,并記錄測試過程中的環(huán)境溫濕度、風速、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;A為蒸發(fā)倍數;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),可以根據不同時間的蒸發(fā)量,調整立體蒸發(fā)裝置的供水量,達到既可以實現蒸發(fā)效果最優(yōu),又可以實現節(jié)能降耗的目的。

2.2 不同蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果

據研究報道,蒸發(fā)器直徑越大,相對蒸發(fā)量越小,當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)量修正系數為1進行設計。

圖3是在不同月份與同時期平面蒸發(fā)的蒸發(fā)量的對比具體結果。根據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,當獲得一種蒸發(fā)材料的蒸發(fā)效果的數據之后,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)池內鹵水濃度達到22 °Be′±0.5 °Be′(飽和濃度25.26 °Be′);當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)池內鹵水表層的雨水不再進行排放,圖4中橫坐標為有效蒸發(fā)天數。

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、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)見表3,其中平均質量流量為蒸發(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、風速、濕度、降水量等自然因素都會對實驗結果造成影響,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能耗方面的數據,將影響因素的變化結果最終歸結到蒸發(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,三維滲水網為復合材料聚合而成,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),當達到蒸發(fā)終點時,所需的有效天數較少,即蒸發(fā)效率越高。另外,該實驗設置的立體蒸發(fā)支架高度為4 m,自然狀態(tài)下,當有風吹來時,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)效果的數據(表3),假設蒸發(fā)倍數與蒸發(fā)量成正比,根據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,見圖5。

圖5 不同蒸發(fā)材料全年每個月的蒸發(fā)倍數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[6]為蒸發(fā)面時網孔形成液膜的情況類似,之后依次是三維滲水網、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。

以粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網、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屬于硬質材料,當鹵水分布到以它們?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)面供水以實現蒸發(fā)面的有效利用;由于黑色帆布的紡織結構,使得其有一定的持水能力,且鹵水通過毛細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)數據(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、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,達到蒸發(fā)終點時蒸發(fā)池內鹵水濃度為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據,分別安裝了質量流量計和雷達液位計,在實際生產中以轉子流量計和刻度尺來進行測量即可達到正常生產需要,即盡量降低以立體蒸發(fā)技術制鹵的成本。

3 結論

文章分別采用粗糙波紋板、玻纖土工格柵、三維滲水網、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、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狀結構,不但增加了立體蒸發(fā)支架內空氣流通效果,而且在網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、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,故而同時達到了良好的蒸發(fā)效果和較低的能耗。