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(nóng)作物必需的三大營養(yǎng)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(chǎn)地,已探明鉀鹽儲量約占全國的80%,隨著近幾年大規(guī)模的開發(fā),高品位鉀礦越來越少,低品位鉀礦的開發(fā)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(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0212—2002)中推薦的工業(yè)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(chǎn)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(jié)晶法工藝,但是此工藝存在能耗高、設(shè)備腐蝕嚴重、經(jīng)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(jīng)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(yōu)良條件.而且柴達木盆地氯化鉀生產(chǎn)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(jié)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(jié)晶法工藝降低生產(chǎn)過程能耗.有關(guān)太陽池的研究基本集中于熱性能研究和數(shù)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(nèi)部換熱器設(shè)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(nèi)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(wěn)定后,提取和補充溶液是其實際應用的重要環(huán)節(jié),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(wěn)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(yōu)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(guī)律,為太陽池型鉀石鹽熱溶槽技術(shù)工業(yè)化應用提供理論依據(jù).

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(shù)顯溫度傳感器;BSA124S-CW型電子分析天平;SHB-Ⅲ型循環(huán)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(shù)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(gòu)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(shè)置取樣管,其余位置每隔50 mm設(shè)置取樣管測定溶液密度、鹽度、組成等.每隔50 mm粘貼一個數(shù)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(shè)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(gòu)建

選用內(nèi)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(nèi)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(shè)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(gòu)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(qū)的太陽光,白天開燈模擬光照,夜間關(guān)閉.每天測定各層溶液的密度與溫度;開始與結(jié)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(fā),為了保證太陽池型鉀石鹽熱溶槽穩(wěn)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(wěn)定后,使用蠕動泵設(shè)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(jié)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(wěn)定后,使用蠕動泵設(shè)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(jié)束實驗,改變?nèi)⊙a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(wěn)定后,使用蠕動泵設(shè)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(jié)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(jié)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(qū)域內(nèi)出現(xiàn)微量鹽分從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)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(wěn)定,LCZ層最高溫度36.7 ℃,實驗用熱溶槽規(guī)格小,集熱能力有限,實驗期間環(huán)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(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)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(jié)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(guān).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(nèi)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(xù)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(xù)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(nèi)溶液密度差較穩(wěn)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(nèi)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(wěn)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(jié) 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(wěn)定狀態(tài).在15 ℃左右的室溫下運行穩(wěn)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(xù)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(shè)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(shè)置在距熱溶槽底部150 mm處較合適.