高鹽礦井水蒸餾處理工藝中水質(zhì)結(jié)垢趨勢分析

李岸然，楊慶衛(wèi)

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

1 概 述

煤炭開采過程中伴隨產(chǎn)生大量礦井水，據(jù)不完全統(tǒng)計我國每年礦井水產(chǎn)生量超過80億m3，然而礦井水綜合利用率不足25%。礦井水直接排放會造成水源水質(zhì)污染、礦區(qū)地下水位下降、地下水循環(huán)系統(tǒng)破壞等一些列環(huán)境問題[1]。蒸餾結(jié)晶是目前礦井水處理的主要工藝路線[2]，但是由于礦井水富含結(jié)垢成分，在蒸餾處理過程中容易在蒸發(fā)器換熱管中結(jié)垢，影響換熱效果[3]。因此通過水質(zhì)分析掌握礦井水結(jié)垢特性，有助于解決工藝系統(tǒng)設(shè)計時軟化措施的選擇和工藝參數(shù)的確定等問題[4]。

哈密煤電公司大南湖一礦礦井水涌出量大約3 000 m3/d，預(yù)采用蒸餾法進(jìn)行礦井水回用處理。對礦井水進(jìn)行了連續(xù)的取樣分析，通過理論計算和蒸發(fā)濃縮實驗分析了水質(zhì)結(jié)垢特性，了解其濃縮倍率、加熱溫度與析垢特性的關(guān)系，為礦井水處理工藝系統(tǒng)設(shè)計及軟化工藝參數(shù)選擇提供依據(jù)。

2 礦井水水質(zhì)特點

由于地下水與煤層、巖層接觸，因而礦井水水質(zhì)具有顯著的煤炭行業(yè)特征，富含巖粉，黏土、砂、泥顆粒，礦物雜質(zhì)，粉塵，溶解鹽，酸和堿等；含有煤炭顆粒、油脂、生物代謝產(chǎn)物、木材、油等有機物；細(xì)菌總數(shù)和大腸菌群含量較大。受上述特點限制，礦井水很難直接應(yīng)用于生活或工業(yè)[5]。目前大南湖一礦的礦井水涌出量大約100～150 m3/h，其水質(zhì)化驗報告如表1所示。

3 結(jié)垢趨勢理論計算

根據(jù)大南湖一礦礦井水水質(zhì)特性，通過朗格利爾飽和指數(shù)(Langerlier saturation index)[6]、斯蒂夫·大衛(wèi)飽和指數(shù)(Stiff and David saturation index)[7]、過飽和指數(shù)(Saturation index)[8]以及O-T飽和指數(shù)(Oddo-Tomson saturation index)[9]對礦井水水樣進(jìn)行結(jié)垢趨勢理論計算，結(jié)果如表2所示(斜體字表示該工況下理論預(yù)測結(jié)果為未結(jié)垢，其余表示已結(jié)垢)。

由此可得到以下幾點結(jié)論或規(guī)律：

(1)在相同溫度條件下，碳酸鈣結(jié)晶析出對應(yīng)的臨界濃縮倍數(shù)小于硫酸鈣結(jié)晶析出對應(yīng)的臨界濃縮倍數(shù)。該結(jié)果表明，哈密礦井水雖然硫酸鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳酸鹽，但是，在加熱蒸發(fā)濃縮過程中，碳酸鈣將優(yōu)先于硫酸鈣結(jié)晶析出。在蒸餾處理回收率相對較低的情況下，應(yīng)將阻垢工作的重點放在碳酸鹽垢上，硫酸鹽垢放在次要位置。

(2)對于碳酸鈣，在4種結(jié)垢預(yù)測模型計算結(jié)果的未結(jié)垢對應(yīng)工況中，均出現(xiàn)了“倒三角形”的特征。這一特征表明，在相同的濃縮倍率條件下，隨著水樣溫度的升高，碳酸鈣的結(jié)垢趨勢增大。該結(jié)果與碳酸鈣溶解度隨著溫度的提高而降低的規(guī)律一致。理論計算結(jié)果與公認(rèn)的規(guī)律相吻合，表明所選結(jié)垢趨勢預(yù)測模型的科學(xué)性與合理性。對于硫酸鈣，兩種結(jié)垢預(yù)測模型的計算結(jié)果出現(xiàn)了兩種不同的規(guī)律，因此需要進(jìn)行模擬試驗才能進(jìn)一步驗證模型的適用性。

(3)雖然4種結(jié)垢預(yù)測模型的計算結(jié)果稍有差別，但計算結(jié)果表明，水樣在較低濃縮倍率甚至在僅升溫并未濃縮的條件下，碳酸鈣就達(dá)到飽和。因此認(rèn)為，大南湖一礦礦井水中碳酸鹽垢的成垢離子濃度高，在原水條件下即已接近飽和甚至已達(dá)到飽和。

4 加熱蒸發(fā)濃縮結(jié)垢模擬試驗

為初步掌握大南湖一礦礦井水加熱蒸發(fā)濃縮結(jié)垢規(guī)律，驗證結(jié)垢趨勢預(yù)測模型的理論計算結(jié)果，對礦井水水樣進(jìn)行加熱蒸發(fā)濃縮結(jié)垢模擬試驗。

在60 ℃恒溫水浴條件下，對水樣進(jìn)行蒸發(fā)濃縮結(jié)垢模擬實驗。從常溫開始計時，觀察開始加熱及蒸發(fā)濃縮過程，至3 h時，水樣體積從500 mL減少至440 mL，水樣表面出現(xiàn)明顯的漂浮物，如圖1所示。

與此同時，對蒸發(fā)濃縮后的水樣取樣進(jìn)行水質(zhì)分析。蒸發(fā)濃縮前后幾種離子的濃度變化見表3。

由表3可知，蒸發(fā)濃縮后實際鈣離子濃度低于理論濃度(原濃度乘以氯離子濃縮倍率)。在濃縮倍率1.17的條件下，鈣離子已有部分結(jié)晶析出(即水樣表面的漂浮物)。此試驗結(jié)果驗證了結(jié)垢趨勢預(yù)測模型理論計算結(jié)果所得到的大南湖一礦礦井水已接近甚至已達(dá)到碳酸鈣飽和的結(jié)論。

5 結(jié) 論

通過理論計算和蒸發(fā)實驗發(fā)現(xiàn)，該礦井水在較低濃縮倍率下發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，其中碳酸鈣優(yōu)先于硫酸鈣結(jié)晶析出。

研究表明，大南湖一礦礦井水屬于極高硬度水質(zhì)類型，具有水質(zhì)復(fù)雜、易結(jié)垢的特點，在蒸餾濃縮處理時極易在較低溫度和濃縮倍率條件下即發(fā)生析垢現(xiàn)象，影響換熱設(shè)備安全運行；在蒸餾工藝之前應(yīng)考慮對礦井水進(jìn)行軟化處理，降低或去除水中Ca2+，有效提高濃縮倍數(shù)(接近硫酸鈣結(jié)晶析出對應(yīng)的臨界濃縮倍率)；同時添加阻垢劑，以期在最優(yōu)性價比條件下實現(xiàn)提高淡水回收率的目的[10]。

表2 礦井水水樣結(jié)垢趨勢理論計算結(jié)果

表3 蒸發(fā)濃縮前后離子濃度變化

圖1 礦井水水樣恒溫(60 ℃)加熱實驗析垢情況