立体蒸发高效制卤技术研究

张丽娜,岳茂文,史恒亮,杨 慧

(山东海化集团有限公司,山东 潍坊 262737)

渤海莱州湾地区拥有丰富的地下卤水资源[1],目前地下卤水生产原盐的主要方法仍以盐田自然蒸发为主,生产步骤一般包括:抽取地下卤水、蒸发制卤、蒸发结晶、采盐、原盐存储、成品外运等,其中蒸发制卤和蒸发结晶需要依靠自然环境,虽然有投资少、能耗低的优势,但存在占地面积大、气候依赖性强、蒸发速率慢,而且需要消耗大量的人力、物力的缺点。经过制盐工艺技术的发展,目前提高制盐率的方式有多效真空蒸发、机械蒸汽再压缩技术、膜法[2-3]等,这些方式蒸发效率高,但因其需要电能及热能进行加热加压,制盐过程中耗能高、设备要求高、投资大,成本增加。原盐属于大宗化工原料,产品售价较低[4-5],若制盐成本升高,则不利于原盐生产的经济性。

立体蒸发是将卤水输送至一定高度的装置上,通过布水装置,使之分散到蒸发面或蒸发材料,扩大蒸发面积,促进卤水加速浓缩的技术。最初构成传统立体蒸发装置的材料是竹竿、木杆等,用竹排枝条或渔网作为蒸发面,扩大卤水与空气的接触面积。原轻工业部盐工业科学研究所的试验结果表明,相比于平面蒸发,立体蒸发可以使制卤效率提高10～18倍。据日本的研究,采用聚氯乙烯等高分子制备的丝网作为卤水分布使用,其蒸发效率是枝条架蒸发的2倍[6]。尽管制卤效率有所提高,但竹竿等木质材料不耐腐蚀、不耐日晒,使用寿命短,立体蒸发技术并没有推广下去。中国能源集团北京低碳清洁能源研究院针对煤化工废水的处理,进行了强化自然蒸发研究。该研究利用纺织物的比表面积大、可以高效实现水分迁移、热量交换等特点,以黑色涤纶织物作为蒸发载体,在蒸发架上对含盐废水进行蒸发,结果表明,含盐废水在织物表面的蒸发速率相比于无织物状态下提高了400%[7]。他们还进行了工业化示范项目的研究,工业化示范项目的蒸发效率可提高至少20倍,但其设备以钢结构为支撑,投资较大、成本较高。

为兼顾立体蒸发技术可行性以及原盐生产经济性,文章以耐腐蚀、耐日晒的复合玻璃钢材料为支架,借鉴填料塔内填料[8]分别选取粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网以及黑色帆布为蒸发面,以直接蒸发冷却的工作原理[9],研究立体蒸发制卤技术,克服传统立体蒸发材料使用寿命不长的局限性,最终达到高效制卤、节约土地的目的。

1 实验部分

1.1 材料与设备

实验所用卤水取自潍坊滨海开发区羊口盐场卤水井,其主要成分见表1。

表1 地下卤水成分表Tab.1 Underground brine composition mg/L

实验采用的设备与材料见表2。

表2 设备与材料Tab.2 Equipment and materials

1.2 实验方法

1.2.1 立体蒸发实验

实验采用黑色玻璃钢板一体成型的水池为蒸发池,尺寸为2 m×2 m×4 m;立体蒸发支架以玻璃钢型材相互连接并安装在立体蒸发池内,立体蒸发支架顶端安装有尺寸为2 m×2 m的“由”字形布水器,布水管规格为DN25,布水管间距为20 cm,布水管上安装有蒸发面(图1)。蒸发面的选取原则为深色、比表面积大、有一定的持水性能、抗紫外线、耐老化的材料,实验选取了粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布为蒸发面,见图2。

(1)裁剪相同尺寸的粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布,分别安装在上述立体蒸发装置中。

(2)先用水泵将地下卤水经布水器供至蒸发面,用水泵供水10 min,待蒸发材料完全浸湿后,记录此时蒸发池内的液位,再继续供水进行实验,调节流量计,使地下卤水在蒸发面上分布均匀,记录此时的流量。

(3)每天早8 ∶00和晚17 ∶00记录蒸发池内地下卤水的液位,并记录测试过程中的环境温湿度、风速、地下卤水的盐度。

图1 立体蒸发装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the stereoscopic evaporation device

图2 蒸发面Fig.2 Evaporating surface

1.2.2 计算方法

(1)

式中:P为泵运行功率,单位kW;M为质量流量,单位kg/h;H为卤水输送高度,单位m;η为泵效率。

(2)

式中:Q为蒸发吨水能耗,单位kW·h/m3;P为泵运行功率,单位kW;ε为成卤率;V为蒸发池内卤水初始体积,单位m3;t为蒸发时间,单位h。

(3)

式中:V为蒸发池内卤水初始体积,单位m3;ε为成卤率;h为自然蒸发量,单位m/h;δ为蒸发系数;A为蒸发倍数;S为蒸发面积,单位m2。

由公式(2)和(3)得:

(4)

制卤吨水能耗Q′(kW·h/m3)可由下式表示:

(5)

2 结果与讨论

2.1 自然蒸发量统计

图3是统计的2015～2020年潍坊滨海开发区羊口盐场区域的纯水蒸发量,从图中可以看出,每年3～10月为蒸发旺季,从3月开始,月平均蒸发量开始大于150 mm;蒸发量最高的月份为每年6、7月,月平均蒸发量最大可超过320 mm;11月至次年2月蒸发量较低,通常情况下蒸发量小于70 mm。

图3 羊口盐场区域的蒸发量Fig.3 Evaporation in Yangkou salt field

对于全年不同月份、不同季度水蒸发量的统计,有助于预测盐场平面蒸发以及文章中立体蒸发的蒸发效果,尤其是对于立体蒸发,可以根据不同时间的蒸发量,调整立体蒸发装置的供水量,达到既可以实现蒸发效果最优,又可以实现节能降耗的目的。

2.2 不同蒸发材料的蒸发效果

据研究报道,蒸发器直径越大,相对蒸发量越小,当直径增大到一定程度时,相对蒸发量不再变化。文章中蒸发池尺寸依照蒸发器直径≥5 m时,蒸发量修正系数为1进行设计。

图3是在不同月份与同时期平面蒸发的蒸发量的对比具体结果。根据2.1的实验过程,选取开阔场地,在不同月份分别进行了不同蒸发面的立体蒸发实验,研究不同蒸发面对地下卤水的蒸发效果,当获得一种蒸发材料的蒸发效果的数据之后,将其更换为另一种蒸发材料再进行试验;在进行蒸发实验时,为了防止局部饱和,更换蒸发材料的蒸发终点是蒸发池内卤水浓度达到22 °Be′±0.5 °Be′(饱和浓度25.26 °Be′);当有雨天时停止运行立体蒸发装置,雨天过后继续进行立体蒸发,蒸发池内卤水表层的雨水不再进行排放,图4中横坐标为有效蒸发天数。

图4 不同蒸发材料的蒸发效果Fig.4 The performance of different evaporation materials

从图4中可以看出,虽然蒸发时间不同,但是以粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布为蒸发面的立体蒸发效果均优于同期平面蒸发。不同蒸发材料的蒸发效果与同期平面蒸发的比值(蒸发倍数)见表3,其中平均质量流量为蒸发时供水泵为立体蒸发支架提供的流量。

表3 立体蒸发与同期平面蒸发量的比值Tab.3 Ratio of stereoscopic evaporation to simultaneous plane evaporation

实验是在自然条件下进行的,气温、风速、湿度、降水量等自然因素都会对实验结果造成影响,这些因素在实验过程中是不可控的,为了获取不同蒸发材料与同期平面蒸发的对比效果以及相应能耗方面的数据,将影响因素的变化结果最终归结到蒸发池液位的变化,而且平面蒸发与立体蒸发实验处于同一地点,影响实验的因素两者变化一致。

立体蒸发装置的蒸发材料为黑色,在蒸发过程中,黑色较其他颜色有利于吸热[7],使得地下卤水水温升高,加速了喷淋在其上的卤水的蒸发速率;此外,蒸发材料显著增加了蒸发的表面积,那么其蒸发效果会优于平面蒸发,然而不同形式的蒸发材料所产生的蒸发效果是有差异的,且不同的蒸发材料对地下卤水蒸发的效果不同,这主要是由于不同的蒸发材料有不同的表面积,表面积大的蒸发效果相对更好,其中,波纹板为表面喷砂的黑色玻璃钢板排列而成,玻纤土工格栅为多根玻璃纤维编织而成,三维渗水网为复合材料聚合而成,黑色帆布为涤纶纺织物。由图4还可以看出,以玻纤土工格栅和黑色帆布进行立体蒸发,当达到蒸发终点时,所需的有效天数较少,即蒸发效率越高。另外,该实验设置的立体蒸发支架高度为4 m,自然状态下,当有风吹来时,蒸发面附近以及立体蒸发支架附近的饱和空气被吹走,降低了附近的湿度,也促进了地下卤水的蒸发。

通过以上实验,获取了不同蒸发面在1 a中某一段时间蒸发效果的数据(表3),假设蒸发倍数与蒸发量成正比,根据2015～2020年每个月的平均蒸发量(图3),计算出不同蒸发材料全年每个月的蒸发倍数,见图5。

图5 不同蒸发材料全年每个月的蒸发倍数Fig.5 The evaporation results of different evaporating materials every single month of the year

在这些蒸发材料中,玻纤土工格栅的蒸发效果最好,这是由于液体在流经玻纤土工格栅时,会在其上的方形孔上形成薄薄的液膜,这显著增加了卤水与空气的接触面积,进而提升了蒸发速率,其效果与渔网[6]为蒸发面时网孔形成液膜的情况类似,之后依次是三维渗水网、黑色帆布和粗糙波纹板。

2.3 立体蒸发能耗

实验所研究的立体蒸发需要外部能量来维持其运行,即消耗能量以提高蒸发效率。因此,能耗是立体蒸发的一个重要指标。

以粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布分别为蒸发面进行立体蒸发时,泵运行功率分别是0.27、0.51、0.45、0.12 kW。虽然所选蒸发材料均有较大的比表面积,但是粗糙波纹板、玻纤土工格栅以及三维渗水网属于硬质材料,当卤水分布到以它们为蒸发材料的蒸发面上时,卤水在蒸发面上的停留时间较短,需要不断向蒸发面供水以实现蒸发面的有效利用;由于黑色帆布的纺织结构,使得其有一定的持水能力,且卤水通过毛细作用能够更好地润湿帆布,因此通过较低的供水量即可使卤水在黑色帆布上实现均匀布水,故以黑色帆布为蒸发面进行立体蒸发时,运行能耗最低。

由图3可以看出,3～10月的蒸发量超过了全年总蒸发量的85%,即全年的蒸发集中在3～10月份,因此取该时间段每种蒸发材料的蒸发数据(见图4)平均值计算蒸发单位体积水所需要的能耗,粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布分别为蒸发面的立体蒸发装置在3～10月份是同期平面蒸发的4.6、15.8、11.5、8.2倍,达到蒸发终点时蒸发池内卤水浓度为22 °Be′,查阅资料得卤水由8.5 °Be′蒸发至22 °Be′的成卤率为32.1%,按照实验所用蒸发池尺寸以及初始储卤量计算四种材料的蒸发能耗见表4。

表4 不同蒸发材料的蒸发吨水能耗和成卤吨水能耗Tab.4 Energy consumption of evaporating ton water and producing ton brine for different evaporating materials kW·h/m3

虽然以玻纤土工格栅和三维渗水网蒸发效果要优于黑色帆布的蒸发效果,但是由于以玻纤土工格栅和三维渗水网为蒸发面的立体蒸发装置需要供水泵提供更多的水才能保证布水的均匀,那么其提高蒸发效率是以牺牲更多的能量换取而来的。在实际生产中既需要保证蒸发效果良好,也需要有较低的运行成本。通过以上实验,以黑色帆布为蒸发面的立体蒸发装置有非常好的应用前景,既可以提高蒸发效率,又可以维持较低的运行成本。值得注意的是,实验研究为了更精确记录实验数据,分别安装了质量流量计和雷达液位计,在实际生产中以转子流量计和刻度尺来进行测量即可达到正常生产需要,即尽量降低以立体蒸发技术制卤的成本。

3 结论

文章分别采用粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布为蒸发面进行在自然条件下进行立体蒸发实验,对立体蒸发在盐田中的实际应用具有十分良好的借鉴意义,通过研究不同蒸发面的蒸发效果和能耗分析,形成了以下主要结论。

1)潍坊滨海开发区羊口盐场区域的纯水蒸发量进行统计分析,每年3～10月份为蒸发旺季,月平均蒸发量超过150 mm,该时间段内更能发挥立体蒸发装置的蒸发效果。

2)粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布分别为蒸发面时,玻纤土工格栅蒸发效果最好,其中玻纤土工格栅因其网状结构,不但增加了立体蒸发支架内空气流通效果,而且在网孔上形成的液膜也增加了蒸发面积,然而其能耗较高。

3) 粗糙波纹板、玻纤土工格栅、三维渗水网、黑色帆布分别为蒸发面时,黑色帆布具有一定的持水性,可以使得布水更加均匀,且可增加卤水在蒸发面上的停留时间,故而同时达到了良好的蒸发效果和较低的能耗。