地浸礦山風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置的研究與應(yīng)用

李喜龍，王海珍，蔚龍鳳，陳 鄉(xiāng)，甘 泉，季揚(yáng)威，阮志龍

(1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

目前，地浸礦山廢水采用自然蒸發(fā)法處理，處理效果受自然條件影響較大，冬季蒸發(fā)量很小，該法僅適用于蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量的地區(qū)。隨著地浸礦山生產(chǎn)能力的增加，產(chǎn)生更多的廢水，需要擴(kuò)大蒸發(fā)池的面積，這對征地和環(huán)保提出了較高要求。以內(nèi)蒙古某鈾礦為例，產(chǎn)生廢水48.49 m3/d，按當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量1500 mm/a計(jì)算，需建設(shè)面積為11 880 m2、容積為18 012 m3的蒸發(fā)池。

針對自然蒸發(fā)法處理地浸采鈾礦山生產(chǎn)廢水的不足，探索一種高效蒸發(fā)的方法勢在必行。目前廢水處理應(yīng)用較多的方法有反滲透和電滲析法；但對于高鹽和高含固量的地浸廢水，這些方法在應(yīng)用條件和處理成本上難以滿足要求。風(fēng)能增效蒸發(fā)技術(shù)在澳大利亞、以色列和墨西哥等地海水提鹽和廢水處理上應(yīng)用較多[1-2]，本研究在此基礎(chǔ)上提出適用于地浸礦山的風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置，增大蒸發(fā)池廢水的蒸發(fā)量、有效減少蒸發(fā)池廢水存量，為采鈾工藝的連續(xù)運(yùn)行提供保障。

1廢水來源

地浸礦山廢水的主要來源：1)外排母液。浸出液中的鈾經(jīng)離子交換吸附、飽和樹脂淋洗、貧樹脂反沖洗、淋洗合格液酸化、沉淀并最后沉降，得到產(chǎn)品。沉降母液中鈾濃度較低的部分排入蒸發(fā)池，外排母液量占總廢水量的9.3%。2)貧樹脂轉(zhuǎn)型廢水[3]。飽和樹脂經(jīng)淋洗后，進(jìn)行貧樹脂反沖洗轉(zhuǎn)型，外排轉(zhuǎn)型廢水占總廢水量的71.5%。貧樹脂轉(zhuǎn)型廢水中的Cl-質(zhì)量濃度高于2 g/L時(shí)外排至蒸發(fā)池；低于2 g/L時(shí)進(jìn)行反滲透處理，反滲透濃水(占反滲透進(jìn)水量的25%)排入蒸發(fā)池。3)洗井廢水。鉆孔堵塞后，利用空壓機(jī)洗井產(chǎn)生的廢水，外排的洗井廢水占總廢水量的19.2%。

2廢水化學(xué)組分

地浸采鈾廢水主要化學(xué)組分見表1。

表1 地浸采鈾中部分工藝廢水化學(xué)組分mg/L

轉(zhuǎn)型廢水包含一些化學(xué)沉淀物，如CaCO3等，經(jīng)過2～4VR的反沖洗，其含量逐漸降低。洗井廢水化學(xué)組分與地下水本底值相當(dāng)；但由于洗井廢水含固量較高，簡單回用作浸出劑會(huì)堵塞注液井，作為浸出液處理又會(huì)造成吸附塔上層樹脂板結(jié)，目前還沒有較好的工藝將其回用。沉淀母液pH在12.3左右，當(dāng)沉淀母液中鈾濃度較高時(shí)配制淋洗劑；鈾濃度較低且淋洗劑量足夠時(shí)，因其Cl-濃度較高，做外排處理。

3風(fēng)能增效蒸發(fā)技術(shù)路線和工藝流程

3.1 技術(shù)路線

蒸發(fā)是指物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的相變過程。蒸發(fā)量是指在一定的時(shí)段內(nèi)，水分經(jīng)蒸發(fā)而散布在空中的量。影響蒸發(fā)的因素主要有溫度、濕度、液體的表面積、液體表面上方空氣的流動(dòng)速度等。溫度越高，蒸發(fā)越快；液面表面積越大，處于液體表面積附近的分子數(shù)目越多，蒸發(fā)越快；液面上方空氣流動(dòng)速度越大，蒸發(fā)越快[4]。

溫度、液體表面空氣流動(dòng)速度受大氣物理環(huán)境影響較大，難以改變，人為提高溫度和增大液體表面空氣流動(dòng)速度又會(huì)增加成本消耗，因此主要通過改變液面表面積大小來實(shí)現(xiàn)加快蒸發(fā)的目的。

3.2 工藝流程

研究在不同環(huán)境溫度、水體溫度以及濕度條件下廢水的蒸發(fā)量。通過耐腐潛水泵將蒸發(fā)池廢水提升至風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置上，通過布液管將廢水均勻分布于基體材料，未噴淋至基體材料上的廢水通過底部防滲混凝土墊層返回蒸發(fā)池，避免污染周圍環(huán)境。研究過程間歇操作，噴淋完成后停止布液，基體材料廢水蒸干后再重新啟動(dòng)。為了便于計(jì)量整個(gè)基體材料的保水量，在進(jìn)液管加裝液體流量計(jì)，同時(shí)在裝置底部設(shè)置返回廢水收集器[5]。風(fēng)能增效蒸發(fā)工藝流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)能增效蒸發(fā)工藝流程

4風(fēng)能增效增發(fā)裝置研制

4.1 基體材料選型

對于蒸發(fā)基體材質(zhì)，需要具備適宜的吸水性能，即吸水能力足夠蒸發(fā)但不能過強(qiáng)以至于降低有效蒸發(fā)壓。無內(nèi)部表面的材料(網(wǎng))比有內(nèi)部表面的材料(無紡?fù)凉げ?更不易堵塞，效果更好。同時(shí)考慮溫度對蒸發(fā)效率的影響，基體材料應(yīng)具有一定的吸光能力，選顏色深的較適宜。另外，基體材質(zhì)應(yīng)具有很好的強(qiáng)度和耐候的特性[6-7]。

本試驗(yàn)選擇目前國產(chǎn)應(yīng)用較廣泛的碳纖維編織布和聚丙烯編織布?；w材質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2 基體材質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)

試驗(yàn)中分別取12 k(360 g/m2)、3 k斜紋(200 g/m2)、平紋(200 g/m2)碳纖維編織布和400 g/m2聚丙烯編織布樣品放入烘箱，在50 ℃下烘干5 h，各取1 L蒸餾水將樣品浸濕，取出后直至樣品不滴水為止，稱量樣品吸水量，同時(shí)將樣品放室外晾曬，每5 min稱重一次。浸濕樣品后無明水至樣品恢復(fù)原重量的時(shí)間為蒸發(fā)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 基體材質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

從表3可看出，碳纖維編織布比聚丙烯編織布單位保水量低，而聚丙烯編織布所需的蒸發(fā)時(shí)間較長。綜合價(jià)格因素，碳纖維編織布100元/m2，聚丙烯編織布15元/m2，最終選擇黑色聚丙烯編織布作為基體材料。

4.2 基體材料懸掛方式

基體懸掛方式有單個(gè)纏繞懸掛方式和連續(xù)交錯(cuò)懸掛方式，如圖2所示。單個(gè)纏繞懸掛方式纏繞工序復(fù)雜，且每個(gè)接口都需要縫接；而連續(xù)交錯(cuò)懸掛基體材料面積大于單個(gè)纏繞方式，因而選擇基體連續(xù)交錯(cuò)懸掛方式。

a—連續(xù)交錯(cuò)懸掛方式;b—單個(gè)纏繞懸掛方式。圖2 基體材料懸掛方式

選擇基體材料支撐管主要考慮對浸濕后基體材料總質(zhì)量的承受能力，選擇耐腐蝕鍍鋅鋼管為基體材料支撐管，規(guī)格DN 15 mm×2 105 mm，間距240 mm。

4.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮布液管和基體支撐管的安裝，同時(shí)要方便移動(dòng)和安裝。本研究將機(jī)架設(shè)計(jì)模塊化，單個(gè)機(jī)架模塊規(guī)格2.5 m×2 m×10 m；整體骨架選擇H型鋼，便于整體焊接或螺栓連接；輔助部分選擇角鋼。增效蒸發(fā)裝置主視圖如圖3所示。

1—基體材料；2—機(jī)架結(jié)構(gòu)；3—基體支撐管；4—布液管。圖3 增效蒸發(fā)裝置主視圖

4.4 布液方式設(shè)計(jì)

如何高鹽廢水均勻分布到蒸發(fā)基體材料表面，關(guān)系到蒸發(fā)能耗和蒸發(fā)量的大小，一般采用毛細(xì)管吸力和溶液動(dòng)力輸送的方式進(jìn)行溶液傳輸。毛細(xì)管吸力布液方式是將基體材料放入蒸發(fā)池中，利用基體材料中纖維與纖維間毛細(xì)空隙所產(chǎn)生的毛細(xì)管吸力將溶液吸附在基體材料上；動(dòng)力輸送是通過泵將廢水均勻的布置在基體表面，布液間斷操作，能耗高。毛細(xì)管吸力布液可連續(xù)操作，基本不產(chǎn)生能耗；但需要將機(jī)架布置在蒸發(fā)池上，施工難度大，維護(hù)困難。綜上所述，選擇動(dòng)力布液方式。布液管如圖4所示。

布液管落水孔的大小影響布液時(shí)間的長短和泵的選型。試驗(yàn)過程中，落水孔徑為3.0 mm時(shí)，存在落水不均勻現(xiàn)象，整個(gè)布液管靠近進(jìn)水口處落水較快；遠(yuǎn)離進(jìn)水口處由于壓力過低落水較慢，有時(shí)不落水，造成部分基體材料閑置。當(dāng)落水孔徑2.0 mm、落水孔距中心垂線夾角45°兩側(cè)均布、兩相鄰落水孔間距35 mm時(shí)，落水過程帶壓，可直接噴淋至基體材料上，布液符合要求。

圖4 布液管示意

4.5 清洗方式選擇

地浸采鈾礦山廢水含有較高的鹽分，蒸發(fā)池廢水鹽分最高達(dá)9 g/L。試驗(yàn)過程中，隨著液體的蒸發(fā)，水體中鹽類物質(zhì)逐漸結(jié)晶，結(jié)晶物附著在基體上，使整個(gè)基體材料顯現(xiàn)白色，近距離觀察部分結(jié)晶懸掛在基體材料上。由于選擇基體材料屬編織布種類，內(nèi)部不含有纖維短絲，結(jié)晶物不會(huì)附著于基體材料內(nèi)部，所以結(jié)晶物無需專門清洗，直接用外力敲打即可去除。

5增效蒸發(fā)裝置現(xiàn)場試驗(yàn)

風(fēng)能增效蒸發(fā)試驗(yàn)主要對進(jìn)水、出水、保水量進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)考慮不同時(shí)間段對蒸發(fā)效果的影響，每個(gè)模塊基體材料面積為142 m2，試驗(yàn)裝置如圖5所示。室外溫度27 ℃、相對濕度為40%條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表4；溫度、風(fēng)速、濕度對蒸發(fā)的影響見表5。

圖5 風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置

表4 風(fēng)能增效蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果

表5 溫度、濕度、風(fēng)速對蒸發(fā)的影響

從表4可知：現(xiàn)場試驗(yàn)的基體保水量為211～352 g/m2，與室內(nèi)試驗(yàn)基本相當(dāng)；在保水量相同的情況下，蒸發(fā)受溫度、濕度、風(fēng)速的影響。從表5可知，環(huán)境溫度和環(huán)境濕度有相關(guān)性，同等風(fēng)速下，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)濕度逐漸降低，蒸發(fā)時(shí)間減少。溫度升高5.5 ℃時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間可減少5 min。當(dāng)溫度保持在25 ℃左右，相對濕度保持在48%時(shí)，風(fēng)速從1.8 m/s升高到2.6 m/s時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間從42 min減少至37 min，風(fēng)速越大越有利于基體材料上液體的蒸發(fā)。

6技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置拓展了蒸發(fā)面積，加快了蒸發(fā)，該裝置的耗能設(shè)備只有潛水泵(功率1.5 kW)，增效蒸發(fā)裝置總面積284 m2，基體材料保水量300 g/m2，單次蒸發(fā)量為85.2 kg，單次耗電0.125 kWh(運(yùn)行5 min)，所以風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置能耗為1.467 kW·h/t，經(jīng)核算增效蒸發(fā)成本為0.88元/t。

7結(jié)論

1)風(fēng)能增效蒸發(fā)受溫度和風(fēng)速影響較大，單位面積基體最大保水量352 g/m2，最快蒸發(fā)時(shí)間25 min。

2)該裝置模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。當(dāng)蒸發(fā)裝置占地面積為10 m2時(shí)，基體材料蒸發(fā)面積可達(dá)284 m2，蒸發(fā)面積擴(kuò)大了約27倍。

3)風(fēng)能增效蒸發(fā)裝置，利用有限的占地面積和自然資源，將蒸發(fā)面從平面向立體擴(kuò)展，使其蒸發(fā)面積和蒸發(fā)效率提高，達(dá)到高效低耗的目的，為廢水減量化處理提供新思路。

致謝：項(xiàng)目研究中得到了核工業(yè)北京化工冶金研究院的大力支持，特別是前期做了大量的調(diào)研和設(shè)計(jì)工作，在此表示感謝！