太陽池型鉀石鹽熱溶槽底層溶液提取和補充實驗

湯 毅 慧, 趙 啟 文, 屠 蘭 英, 陳 得 清, 趙 榕

(青海大學 化工學院, 青海 西寧 810016)

0 引 言

鉀是農作物必需的三大營養元素之一,我國鉀礦資源短缺,土壤普遍缺鉀,鉀肥長期依賴進口.青海柴達木盆地是我國鉀鹽的主要產地,已探明鉀鹽儲量約占全國的80%,隨著近幾年大規模的開發,高品位鉀礦越來越少,低品位鉀礦的開發具有重要意義.其中察爾汗鹽湖、馬海鹽湖以及西臺吉乃爾鹽湖已探明低品位固體鉀礦(0.5%≤w(KCl)<3.0%)資源量為3.43×108t,平均品位為1.25%,遠低于我國采用的《鹽湖和鹽類礦產地質勘查規范》(DZ/T 0212—2002)中推薦的工業品位8.0%,也遠低于世界標準的15.0%～18.0%[1];而且氯化鉀生產中每年排放上千萬噸含鉀2%～7%的尾礦[2],回收利用這些低品位鉀資源目前主要采用熱溶結晶法工藝,但是此工藝存在能耗高、設備腐蝕嚴重、經濟效益欠佳等問題.

太陽能是一種取之不盡用之不竭的綠色清潔能源[3],但是太陽能在夜間和陰雨天氣下不能被利用,故需有存儲太陽能的方法[4].太陽池是一種經濟、簡單、高效的太陽能收集器,能收集和儲存太陽能并再次利用[5].青海柴達木盆地太陽能資源豐富,具備建造太陽池的優良條件.而且柴達木盆地氯化鉀生產中每年排放的大量含鉀尾礦,是可以利用的低品位鉀資源.本課題組研究將鉀石鹽太陽池和熱溶結晶法工藝的熱溶槽合二為一,利用太陽池聚集太陽能,用于熱溶結晶法工藝降低生產過程能耗.有關太陽池的研究基本集中于熱性能研究和數值研究[6-8],而熱提取方面的研究較少.Jaefarzadeh[6]從實驗上研究了從太陽池提熱用于加熱空氣.Sabetta等[8]給出了采用聚乙烯管進行內部換熱器設計的方法和費用分析.Al-Jamal等[9]從理論上證明了太陽池熱提取有利于增加太陽池對太陽輻射的吸收.Angeli等[10]和 Andrews等[7]分別基于內置和外置換熱器的方法從理論上提出了新的提熱方法.

太陽池型鉀石鹽熱溶槽運行穩定后,提取和補充溶液是其實際應用的重要環節,若提取和補充溶液的方法不合理,會破壞鹽梯度層,導致太陽池型鉀石鹽熱溶槽無法穩定運行,影響的主要因素為單次取補液量、取補液速率和補液管位置.本文研究太陽池型鉀石鹽熱溶槽底層溶液提取與補充的最優方法,通過實驗探究單次取補液量、取補液速率以及補液管位置對太陽池型鉀石鹽熱溶槽性能的影響規律,為太陽池型鉀石鹽熱溶槽技術工業化應用提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 原料、試劑和儀器

1.1.1 原料 實驗原料為鉀石鹽,購自青海鹽湖三元鉀肥股份有限公司.

1.1.2 試劑 主要試劑有四苯硼鈉、酚酞、氫氧化鈉、EDTA、硝酸銀、氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化銨、氨水、無水乙醇、鹽酸,均為分析純.

1.1.3 儀器 儀器主要包括:80 L保溫桶;HID-100W-6000K型氙氣燈;帶探頭數顯溫度傳感器;BSA124S-CW型電子分析天平;SHB-Ⅲ型循環水式真空泵;鹽度計;Orion AQ4500型濁度儀;DRE-Ⅱ型快速導熱儀;0-70波美計;自制取樣器.

1.2 實驗分析方法

采用鹽度計測定溶液的鹽度,電子分析天平測定溶液的密度,波美計測定溶液的濃度,數顯溫度傳感器測定溶液的溫度.

1.2.2 太陽池型鉀石鹽熱溶槽的構建及運行方法

(1)取樣與測溫

熱溶槽溶液分為3層,在各層分界面上下各20 mm處設置取樣管,其余位置每隔50 mm設置取樣管測定溶液密度、鹽度、組成等.每隔50 mm粘貼一個數顯溫度傳感器讀取溶液溫度.

(2)取補液管

將4根94 cm長的φ6×8 mm白色PVC硬管繞成圓形,在硬管周身開設若干均布小孔,其一端密封,另一端與φ6×8 mm橡膠管連接,制作4個相同形狀圓形管,1個為取液管,3個為補液管,然后用細鐵棒、塑料夾及細線等輔助材料每隔50 mm固定一個圓形管,制成簡易取補液管.

(3)熱溶槽的構建

選用內徑440 mm、高420 mm的保溫桶作為太陽池型鉀石鹽熱溶槽.保溫桶內壁襯黑色塑料袋.保溫桶中心垂直固定取樣器和溫度傳感器.熱溶槽底部固定取液管,取液管上方鋪設一層小石子,小石子上方平鋪固體鉀石鹽,小石子與固體鉀石鹽厚度共計50 mm,固體鉀石鹽組成見表1.然后灌注鉀石鹽飽和溶液作為下對流層(LCZ),通過水平布液器灌注20°Bé的鉀石鹽溶液作為鹽梯度層(NCZ),自來水作為上對流層(UCZ),各層厚度比為5∶4∶1.靜置24 h后取樣測得與底部不同距離L下各層溶液的密度ρ(如圖1所示),由圖可知,熱溶槽水平方向的密度幾乎一致,但垂直方向形成了明顯的密度梯度,表明熱溶槽構建成功.

表1 固體鉀石鹽組成

圖1 太陽池型鉀石鹽熱溶槽中各層溶液的密度

(4)熱溶槽的運行

在實驗室利用4只100 W的氙氣燈模擬柴達木盆地察爾汗地區的太陽光,白天開燈模擬光照,夜間關閉.每天測定各層溶液的密度與溫度;開始與結束時取樣測定各層溶液的離子組成.因光照時存在水分蒸發,為了保證太陽池型鉀石鹽熱溶槽穩定運行以及上對流層溶液厚度不變,每天開始運行前對上對流層補充適量的自來水.

1.2.3 單次取補液量對熱性能影響 實驗中待太陽池型鉀石鹽熱溶槽運行穩定后,使用蠕動泵設置取補液速率為1.243 mL/s,取出1 000 mL的鉀石鹽熱溶液,然后通過補液管1補入1 000 mL室溫下的飽和鉀石鹽溶液,每隔5 min,記錄取補液后的溫度變化.待補液后溫度恢復至取液前,結束實驗.改變單次取補液量分別為2 000、3 000、4 000 mL,重復上述實驗.

1.2.4 取補液速率對熱性能影響 實驗中待太陽池型鉀石鹽熱溶槽運行穩定后,使用蠕動泵設置取補液速率為0.275 mL/s,取出2 000 mL的鉀石鹽熱溶液,然后通過補液管1補入2 000 mL室溫下的飽和鉀石鹽溶液,每隔5 min,記錄取補液后的溫度變化.待補液后溫度恢復至取液前,結束實驗,改變取補液速率分別為0.738、1.243、1.765 mL/s,重復上述實驗.

1.2.5 補液管位置對熱性能影響 實驗中待太陽池型鉀石鹽熱溶槽運行穩定后,使用蠕動泵設置取補液速率為1.243 mL/s,取出2 000 mL的鉀石鹽熱溶液,然后通過補液管1補入2 000 mL室溫下的飽和鉀石鹽溶液,每隔5 min,記錄取補液后的溫度變化.待補液后溫度恢復至取液前,結束實驗,改變補液管位置分別為補液管2、補液管3,重復上述實驗.然后改變單次取補液量分別為3 000與4 000 mL,重復上述過程.

2 結果與討論

2.1 操作運行

熱溶槽運行過程中與底部不同距離溶液的密度、鹽度以及溫度變化如圖2所示,由圖可以得出:熱溶槽運行過程中密度與鹽度變化較小,隨溫度增加底層部分鉀石鹽溶解進入LCZ層,使LCZ層下部的密度有微量增加,在NCZ層與UCZ層交界的小區域內出現微量鹽分從高濃度區向低濃度區擴散的情況,UCZ層下部的密度有微量增加.溫度隨著運行時間的增加而上升,在15 ℃左右的室溫下運行6 d后趨于穩定,LCZ層最高溫度36.7 ℃,實驗用熱溶槽規格小,集熱能力有限,實驗期間環境溫度不高,晝夜溫差較大,熱溶槽保溫效果欠佳,夜間散熱較多,導致升溫較慢,最終溫度不高.

(a)密度

2.2 單次取補液量

2.2.1 密度 取補液前后密度變化如圖3所示.由圖可得,取補液量為1 000 mL時,取補液前后各層溶液密度無明顯變化;而取補液量為2 000 mL時,LCZ層70 mm處的密度與取液前相比增大了0.007 8 g/mL.主要是因為補入液為室溫,當補入液與LCZ層熱溶液混合后發生傳熱傳質現象,導致溫度降低、密度增大.

(a)1 000 mL

2.2.2 組成 1 000 mL取補液前后離子濃度組成見表2,開始運行前各層溶液離子濃度組成水平方向基本一致,垂直方向形成了梯度,而補液結束后離子濃度變化主要在LCZ層.1 000～4 000 mL取補液前后LCZ層熱溶液中離子濃度與補入液離子濃度相關.取出液中各離子濃度與補入液相比普遍有一定量增加(見表3),是底層部分鉀石鹽溶解進入取出液所致,但因為溫度升高不多,所以各離子濃度增加幅度不大.

表2 1 000 mL取補液前后離子濃度組成

表3 取出液與補入液的離子濃度

2.2.3 溫度 補液后溫度恢復時間如圖4、5所示.由圖可得,取補液量為1 000 mL時,溫度基本不變;取補液量為2 000 mL時,補液后在50 mm處溫度下降0.6 ℃,39 min后溫度恢復到取液前溫度.取補液量從1 000 mL增到4 000 mL,隨著取補液量增加,溫度下降幅度增大,恢復時間延長.

圖4 1 000 mL補液后溫度恢復時間

圖5 2 000 mL補液后溫度恢復時間

將取液、補液、溫度恢復時間包括在內計算每min平均取液量,單次取補液量為1 000、2 000、3 000 mL時,每min平均取液量分別為37.3、21.6、16.5 mL,說明在補液管位置與取補液速率保持不變條件下,連續操作單次取補液量1 000 mL較合適,間歇操作2 000 mL較合適.后續以間歇操作2 000 mL為準進行取補液速率實驗.

2.3 取補液速率

2.3.1 密度 不同速率取補液前后密度變化如圖6所示.由圖可得,取補液速率為0.275、0.738、1.243、1.765 mL/s時,LCZ層與NCZ層密度均有微量波動;取補液速率為0.275、1.243、1.765 mL/s時,UCZ層密度補液后微高于取液前.當取補液速率較低時,太陽池型鉀石鹽熱溶槽內溶液密度差較穩定,隨取補液速率增大,其對鹽梯度的影響逐漸增大,1.765 mL/s時鹽分向上擴散明顯,使得UCZ層密度補液后大于取液前.

(a)0.275 mL/s

2.3.2 溫度 當取補液速率為0.275 mL/s時,溫度基本不變;取補液速率為0.738 mL/s時,補液后溫度恢復時間如圖7(a)所示,補液后在50 mm處溫度下降0.1 ℃,77 min后溫度恢復到取液前溫度;取補液速率為1.243 mL/s時,補液后溫度恢復時間如圖7(b)所示,補液后在50 mm處溫度下降0.2 ℃,86 min后溫度恢復到取液前溫度;取補液速率為1.765 mL/s時,補液后在50 mm處溫度下降0.6 ℃,97 min后溫度恢復到取液前溫度.表明隨著取補液速率增大,溫度下降幅度增大,恢復時間變長.

(a)0.738 mL/s

取補液速率越大,單位時間內取出液體越多,運行效率越高,但取補液速率越大,鹽的擴散越明顯,對NCZ層破壞越大,綜合考慮取補液速率對密度、溫度的影響,補液速率取1.243 mL/s較合適.

2.4 補液管位置

2.4.1 密度 不同補液管位置下取補液前后密度基本維持不變(見表4),表明實驗中采取的3種補液管位置對熱溶槽穩定性影響不大.

表4 不同補液管位置下取補液前后密度變化

2.4.2 溫度 不同補液管位置下補液后溫度恢復時間見表5.由表可得,在同一取補液量下,補液后溫度恢復時間隨著補液管位置上移而縮短,補液管2與3基本一致.在同一補液管位置處,補液后溫度恢復時間隨著取補液量增大而延長.補液管位置在LCZ層中越靠近上部,接受太陽輻射量越多,溫度上升越快,但對鹽梯度影響也越大.補液管3的位置,即距熱溶槽底部150 mm的位置較合適.

表5 不同補液管位置下補液后溫度恢復時間

3 結 論

(1)太陽池型鉀石鹽熱溶槽運行至第6 d時其密度、鹽度與溫度處于穩定狀態.在15 ℃左右的室溫下運行穩定后其最高溫度達到36.7 ℃.

(2)單次取補液量越大,熱溶槽底層溶液溫度下降越多,恢復時間越長,鹽分向上擴散越明顯.連續操作單次取補液量1 000 mL較合適,取補液前后各層溶液的密度、溫度基本不變.間歇操作單次取補液量2 000 mL較合適.

(3)隨著取補液速率增加,溫度下降幅度增大,恢復時間變長,每min平均取液量增大,對鹽梯度影響也增大,取補液速率1.243 mL/s較合適.

(4)補液管分別設置在下對流層高度方向相距50 mm 3個位置時,取補液前后溶液密度基本維持不變,但在150 mm處補液后溫度恢復時間相對較短,鹽分向上擴散相對較少,因此補液管設置在距熱溶槽底部150 mm處較合適.