串联走水光卤石盐田数学模型研究和探索

蒋中华，任红伟,史忠录，刘万军,任青峰，金青明

(青海盐湖工业股份有限公司 钾肥分公司，青海 格尔木 816099)

1 前言

察尔汗盐湖是一个以钾为主，固液并存的大型钾镁盐矿床，共生有大型石盐、硼、锂矿，伴生有溴、碘、铷、锶等矿产。液体钾资源主要赋存于岩层孔隙之中，称之为晶间卤水，并有少量地表卤水(湖水)和碎屑物中的孔隙卤水。固体钾镁盐矿主要赋存于石盐层中。

青海盐湖工业股份有限公司钾肥分公司(以下简称“公司”)生产钾肥的盐田工艺流程为：通过井渠结合方式开采矿区原卤，输送到钠盐池，待蒸发析出大量氯化钠后，进入调节池，进一步浓缩至光卤石结晶点，导入光卤石池，继续蒸发浓缩析出光卤石。继而利用光卤石再加工生产钾肥产品。

目前，公司西区盐田光卤石池面积约84.21 km2，共有26个不同面积的光卤石池(见图1)。经过多年的运行，光卤石池盐田系统从未进行过系统的光卤石蒸发结晶过程的研究工作，光卤石池盐田系统蒸发浓缩结晶各阶段池子中结晶矿物的数量和质量也没有一个较为准确和全面的数据资料。

图1 公司盐田平面及采船布置图Fig.1 Salt field plane and picking ship layout of the company

2 研究思路

该模型任意选取一个光卤石盐田，研究进卤量、进卤组分、盐田面积和出卤组分间的关系，继而求解该盐田出卤量。对于多个盐田长串走水路线而言，某一盐田的出卤量和出卤组分就是下一个盐田的进卤量和进卤组分，这样通过数据的迭代本模型就能模拟长串走水路线上各个盐田的生产情况。

3 模型依据

模型建立的主要依据为盐田进出物料质量平衡和(15 ℃)Mg2+、K+、Na+//Cl-—H2O四元水盐体系相图数据，同时参照了《年产百万吨氯化钾项目初步设计》中的盐田部分，模型的物料平衡示意图如图2。

图2 物料平衡示意图Fig.2 Material balance diagram

物料平衡方程式为：进卤量=蒸发水量+Car+NaCl+渗漏+出卤量。

模型应用的基础数据如表1。

表1 基础数据表Tab.1 Basic data table

模型采用的公式如下：

卤水比蒸发系数=(3 403.567-2 410.881×卤水比重)/1 000

年卤水蒸发量=年淡水蒸发量×大面积盐田系数×卤水比蒸发系数-年降水量

盐田年淡水蒸发水量=盐田面积×年卤水蒸发量/1 000

盐田年渗漏量=盐田面积×渗漏系数×全年天数×卤水比重/1 000

光卤石矿量=(光卤石量+氯化钠量)/(1-母液夹带分数)

相对误差=(数值1-数值2)/数值1×100%

盐田收率=光卤石矿中氯化钾总量/进卤中氯化钾总量×100%

光卤石析出率=单个盐田光卤石量/各个盐田光卤石量总和×100%

4 模型建立过程

任意选取公司15#光卤石盐田作为研究对象，年进卤量设定为5 000万m3，进卤组成如表2。

表2 进卤组成Tab.2 Composition table of brine intake

4.1 卤水组分处理

为了严格使用(15 ℃)Mg2+、K+、Na+∥Cl-—H2O四元水盐体系相图数据，有必要对杂质离子硫酸钙和硫酸镁组分做合理的处理，该模型把硫酸镁当作氯化镁，把硫酸钙当作氯化钠。通过在干基图上对处理后数据进行标点，发现点到饱和曲线的距离比采用其他方法处理后的数据点更短。而且该处理方法保证了组分中总盐类含量的不变，这为用卤水组分准确计算卤水比重奠定了基础。处理后的数据见表1的进卤组分。

4.2 卤水比重计算

对于众多盐田的长串走水计算而言，若通过实际测量获得卤水比重就显得费时费力，因此寻找一种通过卤水组分合理准确计算卤水比重的方法就很有必要。采用密度计算中的加和法，该法是基于体系比重等于体系中各单一组分所贡献比重的总和来计算的。通过大量的数据验证，该比重计算方法的平均误差<1%，通过计算，15 ℃该卤水比重为1.281 685 g/mL。

4.3 蒸发水量和渗漏量计算

在计算卤水比蒸发系数时采用盐田进卤卤水比重，渗漏卤水比重采用盐田进卤卤水比重，经计算：15#盐田年淡水蒸发水量为245.38万t，15#盐田年渗漏量为4.21万t。

4.4 出卤组分的求解

扣除盐田渗漏部分，15#盐田有用进卤量为6 404.21万t。设出卤量为d，光卤石量为e，氯化钠量为f,根据物料守恒列方程如下：

d+e+f+245.38=6 404.21

(1)

ad+34.28e=6 404.21×27.249

(2)

bd+100f=6 404.21×1.539

(3)

cd+38.88e+245.38×100=6 404.21×69.234

(4)

联立方程组(1)(2)(3)(4)消去d、e和f可得到一个关于a、b和c的关系式，此式就是确定出卤组分的关系式。在实际应用中可以把大量的溶解度数据分别代入此出卤组分关系式中，这样就能得到一组数据，选择绝对值最小的数据，则其对应的溶解度数据就是出卤组分。该模型利用EXCEl表格中的各种计算程序能快速搜索到误差最小的出卤组分。通过计算机求得的出卤组成见表2。

4.5 盐田生产状况计算

然后联立方程组(1)(2)(3)(4)，解得(表3)：

表3 盐田生产状况表Tab.3 Table of salt field prodeuction 万t

以蒸发水量计，相对误差0.04%；求得的光卤石矿组分含量见表2，盐田收率为49.21%。考虑夹带母液后的15#盐田物料平衡如图3。

图3 盐田物料平衡图Fig.3 Material balance chart of salt field

5 模型应用

以模型建立过程中的数据研究公司如下走水路线→15#→16#→17#→18#→，盐田共四个，面积分别为3 km2。把15#盐田物料平衡计算中求得的出卤量和出卤组分代入模型可得16#盐田的出卤量和出卤组分，以此类推，求得的各个盐田主要数据如表4。

表4 各个盐田主要数据表Tab.4 Main data table for each salt field

把进卤量提高一倍，其余条件不变，求得的各个盐田的主要数据如表5。

表5 各个盐田主要数据表Tab.5 Main data table for each salt field

6 结论和建议

1)沿走水路线各盐田的光卤石析出率依次降低(降幅较大)，光卤石矿含钾量依次降低(降幅较小)。针对不同走水路线下进卤条件，模型能较好地模拟盐田的生产情况，对于指导整个盐田的采收生产具有重要意义。

2)针对一定面积的盐田，模型能模拟出合理的卤水需求量和生产的光卤石矿总量。这对于准确制定钾肥系统全年的生产计划具有指导作用。

3)模型建立的依据是15 ℃卤水等温蒸发析盐规律，而全年盐田生产中每个月的平均卤温都有不小变化，如表6。

表6 全年盐田生产中每个月的平均卤温Tab.6 Average brine termperature per month in salt field production in a year

模型还应用了大量的经验参数和公式，如大面积盐田系数、盐田渗漏系数和比蒸发系数等。针对这些主要影响因素系统深入地开展相关研究，使模型与实际生产更加吻合是模型优化的主要方向。

4)目前针对单个光卤石盐田在进出卤水量，光卤石矿产量和品质，光卤石矿积存量等众多方面还有大量的数据采集工作有待更进一步的完善。准确全面的盐田基础数据可以为模型的优化提供关键的数据支持，这也是加强盐田生产管理的必然要求。