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地浸礦山風能增效蒸發裝置的研究與應用

時間:2019年07月09日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

摘要:地浸采鈾礦山廢水處理的主要方法是自然蒸發法,該方法受環境影響大、蒸發效果差。針對自然蒸發法的缺點提出了風能增效蒸發法,通過擴大液面的蒸發面積,在風能和太陽能作用下對廢水進行加速蒸發。風能增效蒸發裝置可模塊化設計,和自然蒸發池相比蒸發

  摘要:地浸采鈾礦山廢水處理的主要方法是自然蒸發法,該方法受環境影響大、蒸發效果差。針對自然蒸發法的缺點提出了風能增效蒸發法,通過擴大液面的蒸發面積,在風能和太陽能作用下對廢水進行加速蒸發。風能增效蒸發裝置可模塊化設計,和自然蒸發池相比蒸發面積擴大了約27倍,蒸發耗能為1.467kW·h/t,成本為0.88元/t,具有較好的經濟性。

  關鍵詞:風能;增效;蒸發;蒸發面積;廢水

中國礦業

  目前,地浸礦山廢水采用自然蒸發法處理,處理效果受自然條件影響較大,冬季蒸發量很小,該法僅適用于蒸發量遠大于降雨量的地區。隨著地浸礦山生產能力的增加,產生更多的廢水,需要擴大蒸發池的面積,這對征地和環保提出了較高要求。

  以內蒙古某鈾礦為例,產生廢水48.49m3/d,按當地蒸發量1500mm/a計算,需建設面積為11880m2、容積為18012m3的蒸發池。針對自然蒸發法處理地浸采鈾礦山生產廢水的不足,探索一種高效蒸發的方法勢在必行。目前廢水處理應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,這些方法在應用條件和處理成本上難以滿足要求。風能增效蒸發技術在澳大利亞、以色列和墨西哥等地海水提鹽和廢水處理上應用較多[1-2],本研究在此基礎上提出適用于地浸礦山的風能增效蒸發裝置,增大蒸發池廢水的蒸發量、有效減少蒸發池廢水存量,為采鈾工藝的連續運行提供保障。

  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,得到產品。沉降母液中鈾濃度較低的部分排入蒸發池,外排母液量占總廢水量的9.3%。2)貧樹脂轉型廢水[3]。飽和樹脂經淋洗后,進行貧樹脂反沖洗轉型,外排轉型廢水占總廢水量的71.5%。貧樹脂轉型廢水中的Cl-質量濃度高于2g/L時外排至蒸發池;低于2g/L時進行反滲透處理,反滲透濃水(占反滲透進水量的25%)排入蒸發池。3)洗井廢水。鉆孔堵塞后,利用空壓機洗井產生的廢水,外排的洗井廢水占總廢水量的19.2%。

  2廢水化學組分

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

  3風能增效蒸發技術路線和工藝流程

  3.1技術路線

  蒸發是指物質從液態轉化為氣態的相變過程。蒸發量是指在一定的時段內,水分經蒸發而散布在空中的量。影響蒸發的因素主要有溫度、濕度、液體的表面積、液體表面上方空氣的流動速度等。溫度越高,蒸發越快;液面表面積越大,處于液體表面積附近的分子數目越多,蒸發越快;液面上方空氣流動速度越大,蒸發越快[4]。溫度、液體表面空氣流動速度受大氣物理環境影響較大,難以改變,人為提高溫度和增大液體表面空氣流動速度又會增加成本消耗,因此主要通過改變液面表面積大小來實現加快蒸發的目的。

  3.2工藝流程

  研究在不同環境溫度、水體溫度以及濕度條件下廢水的蒸發量。通過耐腐潛水泵將蒸發池廢水提升至風能增效蒸發裝置上,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池,避免污染周圍環境。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。為了便于計量整個基體材料的保水量,在進液管加裝液體流量計,同時在裝置底部設置返回廢水收集器[5]。

  4風能增效增發裝置研制

  4.1基體材料選型

  對于蒸發基體材質,需要具備適宜的吸水性能,即吸水能力足夠蒸發但不能過強以至于降低有效蒸發壓。無內部表面的材料(網)比有內部表面的材料(無紡土工布)更不易堵塞,效果更好。同時考慮溫度對蒸發效率的影響,基體材料應具有一定的吸光能力,選顏色深的較適宜。另外,基體材質應具有很好的強度和耐候的特性[6-7]。本試驗選擇目前國產應用較廣泛的碳纖維編織布和聚丙烯編織布。

  試驗中分別取12k(360g/m2)、3k斜紋(200g/m2)、平紋(200g/m2)碳纖維編織布和400g/m2聚丙烯編織布樣品放入烘箱,在50℃下烘干5h,各取1L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,同時將樣品放室外晾曬,每5min稱重一次。浸濕樣品后無明水至樣品恢復原重量的時間為蒸發時間,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時間較長。綜合價格因素,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纏繞懸掛方式和連續交錯懸掛方式。單個纏繞懸掛方式纏繞工序復雜,且每個接口都需要縫接;而連續交錯懸掛基體材料面積大于單個纏繞方式,因而選擇基體連續交錯懸掛方式。選擇基體材料支撐管主要考慮對浸濕后基體材料總質量的承受能力,選擇耐腐蝕鍍鋅鋼管為基體材料支撐管,規格DN15mm×2105mm,間距240mm。

  4.3機架結構設計

  機架結構設計主要考慮布液管和基體支撐管的安裝,同時要方便移動和安裝。本研究將機架設計模塊化,單個機架模塊規格2.5m×2m×10m;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。

  4.4布液方式設計

  如何高鹽廢水均勻分布到蒸發基體材料表面,關系到蒸發能耗和蒸發量的大小,一般采用毛細管吸力和溶液動力輸送的方式進行溶液傳輸。毛細管吸力布液方式是將基體材料放入蒸發池中,利用基體材料中纖維與纖維間毛細空隙所產生的毛細管吸力將溶液吸附在基體材料上;動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。毛細管吸力布液可連續操作,基本不產生能耗;但需要將機架布置在蒸發池上,施工難度大,維護困難。

  綜上所述,選擇動力布液方式。布液管落水孔的大小影響布液時間的長短和泵的選型。試驗過程中,落水孔徑為3.0mm時,存在落水不均勻現象,整個布液管靠近進水口處落水較快;遠離進水口處由于壓力過低落水較慢,有時不落水,造成部分基體材料閑置。當落水孔徑2.0mm、落水孔距中心垂線夾角45°兩側均布、兩相鄰落水孔間距35mm時,落水過程帶壓,可直接噴淋至基體材料上,布液符合要求。

  4.5清洗方式選擇

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

  5增效蒸發裝置現場試驗

  風能增效蒸發試驗主要對進水、出水、保水量進行計量,同時考慮不同時間段對蒸發效果的影響,每個模塊基體材料面積為142m2。

  6技術經濟指標

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

  7結論

  1)風能增效蒸發受溫度和風速影響較大,單位面積基體最大保水量352g/m2,最快蒸發時間25min。2)該裝置模塊化設計,可以根據實際情況進行靈活調整。當蒸發裝置占地面積為10m2時,基體材料蒸發面積可達284m2,蒸發面積擴大了約27倍。3)風能增效蒸發裝置,利用有限的占地面積和自然資源,將蒸發面從平面向立體擴展,使其蒸發面積和蒸發效率提高,達到高效低耗的目的,為廢水減量化處理提供新思路。

  參考文獻:

  [1]常澤輝,侯靜,溫雯.太陽能海水淡化技術研究進展[J].價值工程,2013(6):301-302.

  [2]趙敬恩.基于風能利用的海水淡化技術途徑研究[D].北京:中國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2013.

  [3]阮志龍,李喜龍,楊少武.反滲透工藝技術在CO2+O2地浸礦山的應用:中國核科學技術進展報告(第三卷)———中國核學會2013年學術年會論文集第2冊[C].北京:中國原子能出版社,2013:204-208.

  [4]方霞,蔡維,張燕,等.利用太陽能風能的海水淡化裝置的研究[J].現代制造工程,2013(9):136-139.

  [5]蘇學斌,劉乃忠,李喜龍,等.一種地浸采鈾礦山廢水蒸發裝置及方法:CN104609487A[P].2015-05-13.

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