串聯(lián)走水光鹵石鹽田數(shù)學(xué)模型研究和探索

蔣中華，任紅偉,史忠錄，劉萬軍,任青峰，金青明

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司 鉀肥分公司，青海 格爾木 816099)

1 前言

察爾汗鹽湖是一個(gè)以鉀為主，固液并存的大型鉀鎂鹽礦床，共生有大型石鹽、硼、鋰礦，伴生有溴、碘、銣、鍶等礦產(chǎn)。液體鉀資源主要賦存于巖層孔隙之中，稱之為晶間鹵水，并有少量地表鹵水(湖水)和碎屑物中的孔隙鹵水。固體鉀鎂鹽礦主要賦存于石鹽層中。

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司鉀肥分公司(以下簡稱“公司”)生產(chǎn)鉀肥的鹽田工藝流程為：通過井渠結(jié)合方式開采礦區(qū)原鹵，輸送到鈉鹽池，待蒸發(fā)析出大量氯化鈉后，進(jìn)入調(diào)節(jié)池，進(jìn)一步濃縮至光鹵石結(jié)晶點(diǎn)，導(dǎo)入光鹵石池，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮析出光鹵石。繼而利用光鹵石再加工生產(chǎn)鉀肥產(chǎn)品。

目前，公司西區(qū)鹽田光鹵石池面積約84.21 km2，共有26個(gè)不同面積的光鹵石池(見圖1)。經(jīng)過多年的運(yùn)行，光鹵石池鹽田系統(tǒng)從未進(jìn)行過系統(tǒng)的光鹵石蒸發(fā)結(jié)晶過程的研究工作，光鹵石池鹽田系統(tǒng)蒸發(fā)濃縮結(jié)晶各階段池子中結(jié)晶礦物的數(shù)量和質(zhì)量也沒有一個(gè)較為準(zhǔn)確和全面的數(shù)據(jù)資料。

圖1 公司鹽田平面及采船布置圖Fig.1 Salt field plane and picking ship layout of the company

2 研究思路

該模型任意選取一個(gè)光鹵石鹽田，研究進(jìn)鹵量、進(jìn)鹵組分、鹽田面積和出鹵組分間的關(guān)系，繼而求解該鹽田出鹵量。對于多個(gè)鹽田長串走水路線而言，某一鹽田的出鹵量和出鹵組分就是下一個(gè)鹽田的進(jìn)鹵量和進(jìn)鹵組分，這樣通過數(shù)據(jù)的迭代本模型就能模擬長串走水路線上各個(gè)鹽田的生產(chǎn)情況。

3 模型依據(jù)

模型建立的主要依據(jù)為鹽田進(jìn)出物料質(zhì)量平衡和(15 ℃)Mg2+、K+、Na+//Cl-—H2O四元水鹽體系相圖數(shù)據(jù)，同時(shí)參照了《年產(chǎn)百萬噸氯化鉀項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》中的鹽田部分，模型的物料平衡示意圖如圖2。

圖2 物料平衡示意圖Fig.2 Material balance diagram

物料平衡方程式為：進(jìn)鹵量=蒸發(fā)水量+Car+NaCl+滲漏+出鹵量。

模型應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Tab.1 Basic data table

模型采用的公式如下：

鹵水比蒸發(fā)系數(shù)=(3 403.567-2 410.881×鹵水比重)/1 000

年鹵水蒸發(fā)量=年淡水蒸發(fā)量×大面積鹽田系數(shù)×鹵水比蒸發(fā)系數(shù)-年降水量

鹽田年淡水蒸發(fā)水量=鹽田面積×年鹵水蒸發(fā)量/1 000

鹽田年滲漏量=鹽田面積×滲漏系數(shù)×全年天數(shù)×鹵水比重/1 000

光鹵石礦量=(光鹵石量+氯化鈉量)/(1-母液夾帶分?jǐn)?shù))

相對誤差=(數(shù)值1-數(shù)值2)/數(shù)值1×100%

鹽田收率=光鹵石礦中氯化鉀總量/進(jìn)鹵中氯化鉀總量×100%

光鹵石析出率=單個(gè)鹽田光鹵石量/各個(gè)鹽田光鹵石量總和×100%

4 模型建立過程

任意選取公司15#光鹵石鹽田作為研究對象，年進(jìn)鹵量設(shè)定為5 000萬m3，進(jìn)鹵組成如表2。

表2 進(jìn)鹵組成Tab.2 Composition table of brine intake

4.1 鹵水組分處理

為了嚴(yán)格使用(15 ℃)Mg2+、K+、Na+∥Cl-—H2O四元水鹽體系相圖數(shù)據(jù)，有必要對雜質(zhì)離子硫酸鈣和硫酸鎂組分做合理的處理，該模型把硫酸鎂當(dāng)作氯化鎂，把硫酸鈣當(dāng)作氯化鈉。通過在干基圖上對處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)到飽和曲線的距離比采用其他方法處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)更短。而且該處理方法保證了組分中總鹽類含量的不變，這為用鹵水組分準(zhǔn)確計(jì)算鹵水比重奠定了基礎(chǔ)。處理后的數(shù)據(jù)見表1的進(jìn)鹵組分。

4.2 鹵水比重計(jì)算

對于眾多鹽田的長串走水計(jì)算而言，若通過實(shí)際測量獲得鹵水比重就顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此尋找一種通過鹵水組分合理準(zhǔn)確計(jì)算鹵水比重的方法就很有必要。采用密度計(jì)算中的加和法，該法是基于體系比重等于體系中各單一組分所貢獻(xiàn)比重的總和來計(jì)算的。通過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該比重計(jì)算方法的平均誤差<1%，通過計(jì)算，15 ℃該鹵水比重為1.281 685 g/mL。

4.3 蒸發(fā)水量和滲漏量計(jì)算

在計(jì)算鹵水比蒸發(fā)系數(shù)時(shí)采用鹽田進(jìn)鹵鹵水比重，滲漏鹵水比重采用鹽田進(jìn)鹵鹵水比重，經(jīng)計(jì)算：15#鹽田年淡水蒸發(fā)水量為245.38萬t，15#鹽田年滲漏量為4.21萬t。

4.4 出鹵組分的求解

扣除鹽田滲漏部分，15#鹽田有用進(jìn)鹵量為6 404.21萬t。設(shè)出鹵量為d，光鹵石量為e，氯化鈉量為f,根據(jù)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)

聯(lián)立方程組(1)(2)(3)(4)消去d、e和f可得到一個(gè)關(guān)于a、b和c的關(guān)系式，此式就是確定出鹵組分的關(guān)系式。在實(shí)際應(yīng)用中可以把大量的溶解度數(shù)據(jù)分別代入此出鹵組分關(guān)系式中，這樣就能得到一組數(shù)據(jù)，選擇絕對值最小的數(shù)據(jù)，則其對應(yīng)的溶解度數(shù)據(jù)就是出鹵組分。該模型利用EXCEl表格中的各種計(jì)算程序能快速搜索到誤差最小的出鹵組分。通過計(jì)算機(jī)求得的出鹵組成見表2。

4.5 鹽田生產(chǎn)狀況計(jì)算

然后聯(lián)立方程組(1)(2)(3)(4)，解得(表3)：

表3 鹽田生產(chǎn)狀況表Tab.3 Table of salt field prodeuction 萬t

以蒸發(fā)水量計(jì)，相對誤差0.04%；求得的光鹵石礦組分含量見表2，鹽田收率為49.21%?？紤]夾帶母液后的15#鹽田物料平衡如圖3。

圖3 鹽田物料平衡圖Fig.3 Material balance chart of salt field

5 模型應(yīng)用

以模型建立過程中的數(shù)據(jù)研究公司如下走水路線→15#→16#→17#→18#→，鹽田共四個(gè)，面積分別為3 km2。把15#鹽田物料平衡計(jì)算中求得的出鹵量和出鹵組分代入模型可得16#鹽田的出鹵量和出鹵組分，以此類推，求得的各個(gè)鹽田主要數(shù)據(jù)如表4。

表4 各個(gè)鹽田主要數(shù)據(jù)表Tab.4 Main data table for each salt field

把進(jìn)鹵量提高一倍，其余條件不變，求得的各個(gè)鹽田的主要數(shù)據(jù)如表5。

表5 各個(gè)鹽田主要數(shù)據(jù)表Tab.5 Main data table for each salt field

6 結(jié)論和建議

1)沿走水路線各鹽田的光鹵石析出率依次降低(降幅較大)，光鹵石礦含鉀量依次降低(降幅較小)。針對不同走水路線下進(jìn)鹵條件，模型能較好地模擬鹽田的生產(chǎn)情況，對于指導(dǎo)整個(gè)鹽田的采收生產(chǎn)具有重要意義。

2)針對一定面積的鹽田，模型能模擬出合理的鹵水需求量和生產(chǎn)的光鹵石礦總量。這對于準(zhǔn)確制定鉀肥系統(tǒng)全年的生產(chǎn)計(jì)劃具有指導(dǎo)作用。

3)模型建立的依據(jù)是15 ℃鹵水等溫蒸發(fā)析鹽規(guī)律，而全年鹽田生產(chǎn)中每個(gè)月的平均鹵溫都有不小變化，如表6。

表6 全年鹽田生產(chǎn)中每個(gè)月的平均鹵溫Tab.6 Average brine termperature per month in salt field production in a year

模型還應(yīng)用了大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和公式，如大面積鹽田系數(shù)、鹽田滲漏系數(shù)和比蒸發(fā)系數(shù)等。針對這些主要影響因素系統(tǒng)深入地開展相關(guān)研究，使模型與實(shí)際生產(chǎn)更加吻合是模型優(yōu)化的主要方向。

4)目前針對單個(gè)光鹵石鹽田在進(jìn)出鹵水量，光鹵石礦產(chǎn)量和品質(zhì)，光鹵石礦積存量等眾多方面還有大量的數(shù)據(jù)采集工作有待更進(jìn)一步的完善。準(zhǔn)確全面的鹽田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以為模型的優(yōu)化提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持，這也是加強(qiáng)鹽田生產(chǎn)管理的必然要求。