鹽湖表面鹵水礦開采淡化計算與分析

童陽春 吳盛斌 楊新春

(中藍長化工程科技有限公司)

我國鹽湖鹵水礦資源豐富[1-2]，目前有越來越多的以表面鹵水礦為主要開采對象的鹽湖鹵水礦項目開發(fā)建設(shè)，由于周邊淡水或淡鹵水的補給，隨著開采的進行，鹵水淡化不可避免。由于鹵水淡化，一定產(chǎn)品規(guī)模所需的鹵水開采量會逐漸增大，相應(yīng)的后續(xù)鹽田面積以及工藝參數(shù)都需要適應(yīng)這種鹵水組分與含量變化趨勢，當鹵水淡化至一定程度，表面鹵水礦可能失去開采價值，因此表面鹵水礦中鹵水淡化計算、分析及預測對于鹵水礦項目建設(shè)十分重要。近10 a來，我國鹽湖鹵水礦得到了大規(guī)模開發(fā)，都是以開采晶間鹵水礦為主，即以消耗鹽層孔隙靜儲量為主，開采淡化不明顯或短期不會淡化，因此鹵水淡化計算與分析未能得到高度重視，相關(guān)理論分析與工程經(jīng)驗積累較少。對于表面鹵水礦，一經(jīng)開采便會打破原有的水鹽平衡系統(tǒng)，便有鹵水淡化發(fā)生，因此鹵水淡化計算與分析是鹵水礦開采工程建設(shè)迫切需要研究和解決的問題。

1 鹵水礦開采淡化計算條件

1.1 基礎(chǔ)資料及條件

鹽湖表面鹵水礦鹵水淡化計算與分析涉及的范圍大、影響因素眾多[3-5]，一般來說，應(yīng)具備的基礎(chǔ)資料及條件為：①開采初始鹽湖水鹽平衡分析計算資料，一般由相關(guān)地質(zhì)勘查報告或?qū)ｎ}研究報告提供；②鹽湖及周邊多年或歷年氣象資料，主要包括蒸發(fā)量、降雨量、氣溫等；③鹽湖及周邊水文地質(zhì)資料；④鹽湖鹵水礦床地質(zhì)勘查資料，包括液體礦和固體礦的分布、組分和資源量等，液體礦又分為表面鹵水礦、晶間鹵水礦、孔隙鹵水礦等；⑤鹽湖鹵水礦鹽田工藝及加工工藝研究資料，應(yīng)有鹵水比蒸發(fā)系數(shù)、大面積蒸發(fā)校正系數(shù)等參數(shù)；⑥鹽湖地形、地層資料，主要包括鹽湖及近鹽湖周邊地層巖性及參數(shù)、地形坡度及變化、湖水分布面積及深度變化等；⑦開采規(guī)模、產(chǎn)品方案、輸鹵、鹽田工程布置及其滲漏、鹽田及加工廠尾液、尾鹽排放量等易引起鹽湖水鹽重新平衡的參數(shù)。

1.2 假設(shè)條件

鹽湖表面鹵水礦開采淡化計算與分析過程中會涉及大量動態(tài)變化且相互影響的參數(shù)[2-6]，精確求解該類參數(shù)難度較大且不必要。為簡化計算，需對一些參數(shù)或條件進行假設(shè)，其原則要求是既能簡化計算又不會影響計算結(jié)果的工程應(yīng)用。對于具體的工程項目可根據(jù)其工程特性和已掌握的基礎(chǔ)資料進行假設(shè)：①進入鹽湖的水量和各組分含量按初始水鹽平衡的平均量計算，若有條件明確的參數(shù)(如引淡水工程的引水量、在近湖鹽灘地修建大面積鹽田減少的降雨進入量以及加工工藝尾液、尾鹽排放量等)則另行列出；②鹵水比蒸發(fā)系數(shù)、大面積校正系數(shù)等按鹵水組分設(shè)為定值或根據(jù)鹵水組分變化分階段設(shè)為定值；③鹵水開采各組分的年消耗量按項目建設(shè)規(guī)模和產(chǎn)品方案視為一個定值，即主要有益組分總回收率不變或分階段不變，可根據(jù)各組分年消耗量和每年鹵水組分含量來反推年采鹵量；④將表面鹵水和周邊地層中的鹵水視為一個整體，即其水位同水平升降；⑤假定表面鹵水淡化混合均勻，即忽略不同深度的濃度差，當表面鹵水深度較大時，假定一定時間段內(nèi)一定深度內(nèi)混合均勻，即其深度以下部分不參與淡化混合計算；⑥對于近鹽湖表面鹵水的鹽灘地，當鹵水埋深為0時，視為與湖表水具有一致的蒸發(fā)效果，當鹵水埋深超過一定值(經(jīng)驗值一般為1～2 m)時，視為沒有蒸發(fā)(即蒸發(fā)量為0)；⑦近鹽湖表面鹵水的鹽灘地或湖周邊地形一般坡度較小或近水平，湖水下降導致的湖表水面積縮小可在一定深度內(nèi)或分階段視為按線性減小；⑧將因生產(chǎn)工藝進入鹽湖鹵水的組分含量設(shè)為一定值，包括輸鹵工程、鹽田工程的滲漏量以及鹽田、加工廠的排放量等；⑨假定鹵水的淡化不會引起鹽田工藝及加工工藝有較大變化，即工藝方案和工藝參數(shù)不會有原則性的變動調(diào)整。

1.3 基本計算公式

鹽湖表面鹵水礦開采淡化計算宜以年度為單元，初始值和基本參數(shù)可由相關(guān)資料或工程經(jīng)驗獲得，根據(jù)水量平衡、各組分鹽量平衡來推算鹵水品位或濃度淡化情況。相關(guān)計算公式如下：

年末鹵水量=上年或初始鹵水量-當年開采鹵水量-蒸發(fā)水量+補給水量 ，

(1)

年末某組分鹽量=上年或初始某組分鹽量-當年開采消耗量+當年補給量 ，

(2)

年末某組分品位=年末某組分鹽量/(年末鹵水量×密度)×100% ，

(3)

當年有效蒸發(fā)面積=當年湖水面積+上年鹵水下降增加的鹽灘面積+

上年末干鹽灘面積(扣除修建鹽田面積后)×鹵水埋深折減系數(shù)，

(4)

當年湖水水位下降量=(蒸發(fā)水量+開采鹵水量量-補給淡水量)/

(湖水面積+鹽灘面積×鹽灘地給水度).

(5)

2 計算實例

吉布堤某鹽湖初始表面鹵水面積62 km2，鹽灘地面積57 km2，KCl(其他組分忽略)資源量1 034.86萬t，其中表面鹵水481.5萬t，平均品位0.84%，晶間鹵水553.36萬t，平均品位1.09%。淡水或淡鹵水年補給量1.2億m3，補給KCl鹽量11.63萬t(其他鹽量忽略)，淡水蒸發(fā)量按2.5 m/a計。產(chǎn)品方案為鉀肥，建設(shè)規(guī)模為20萬t/a，原始品位年采鹵量2 840萬m3/a(年消耗KCl量約為29萬t/a)，基建鹽田(修建于鹽灘地上)面積30 km2。

本研究鹵水淡化計算時不考慮鹽田滲漏量和鹽田、加工廠排入量(采用外部排放方案)，年采鹵量中按1/3為晶間鹵水、2/3為表面鹵水進行了計算，結(jié)果見表1。由表1可知：開采至第10 a時，鹵水中KCl品位(0.76%)降低至初始品位(0.91%)的0.84%，若在保持產(chǎn)品規(guī)模不變的情況下，因鹵水淡化，采鹵量增加了約49%(約第5 a開始鈉鹽池面積因鹵水淡化需要逐年增加)。由于基礎(chǔ)資料準確度可能有偏差以及計算過程中的相關(guān)簡化假定，本研究計算結(jié)果可能與實際生產(chǎn)存在一定偏差，但仍可在總體上反映出礦山未來生產(chǎn)變化的基本趨勢。

對表1計算結(jié)果進一步分析可知：

(1)鹵水水位。雖然每年有鹵水量排出，但由于鹵水組分含量變化、鹵水面積變化等原因，在補給量不變的情況下，表面鹵水能維持自我平衡，總鹵水量減少非常緩慢，鹵水水位升降變化幅度較小。

(2)鹵水品位。隨著開采的進行，鹵水有益組分會逐漸下降，且變化較大，即鹵水淡化較快。雖然晶間鹵水資源量約占資源總量的1/2，且每年補給的有益組分(KCl)鹽量達到開采消耗量的1/3，但是初始品位僅能維持3～4 a，至第10 a時鹵水品位僅為初始的84%。若晶間鹵水占比較小且補給有益組分較小時，鹵水品位淡化現(xiàn)象將更加顯著。

表1 吉布提某鹽湖項目水鹽平衡計算結(jié)果

(3)采鹵量。由于鹵水淡化，年采鹵量在保持產(chǎn)品規(guī)模不變的情況下會逐年增加且增加量較大，第10 a的采鹵量約為初始采鹵量的1.5倍。采鹵量增加必然要求采輸鹵裝置能力有較大富余，此外初級鹽田面積也須逐年增大。

(4)鹵水資源利用率。以表面鹵水礦為主的鹽湖開采的資源利用率低于以晶間鹵水礦開采為主的資源利用率。若僅考慮表面鹵水，在無法將補給淡水有效引出鹽湖的情況下，隨著淡化的發(fā)生，其資源利用量應(yīng)為有益組分現(xiàn)有品位降低至工業(yè)品位時的采出量(工業(yè)品位以下可視為失去開采價值)，根據(jù)初始鹵水品位，其資源利用率一般為40%～70%，遠低于晶間鹵水的資源利用率。

(5)采鹵方案。以表面鹵水為主的鹽湖開采由于淡化發(fā)生和資源利用率降低，相對于同等資源量而言，其開采規(guī)模應(yīng)小于以晶間鹵水為主的鹽湖開采規(guī)模，規(guī)模偏大會加劇淡化的發(fā)生，增加生產(chǎn)系統(tǒng)的適應(yīng)難度，縮短開采服務(wù)年限。雖然鹵水淡化計算時假定鹵水混合均勻，但實際上鹽湖淡水或淡鹵水補給時段一般相對集中，短時間內(nèi)濃度差現(xiàn)象實際存在，且無論采取何種措施開采，表層鹵水量占比均較大。由于短時間內(nèi)深度上鹵水濃度梯度存在，表層鹵水往往為品位相對較低的鹵水，因此在制定采鹵工作制度時，宜避開豐水期，豐水期及其后續(xù)一定時間內(nèi)有必要停采，同時采鹵泵站位置宜避開或遠離淡水補給鹽湖的源頭區(qū)域。

(6)加工尾鹽、尾液排放。鹽湖鹵水具有多種組分，而產(chǎn)品方案往往僅能考慮利用其中的主要有益組分，一般都有大量尾鹽、尾液排放。將該類尾鹽、尾砂就近排放入鹽湖，可降低排放工程投資和排放費用，但由于其他組分循環(huán)會在一定程度上加速主要有益組分的淡化程度，并且使得原鹵水各組分含量發(fā)生較大變化，當其他組分含量提高至一定程度時，極有可能引起鹵水性質(zhì)發(fā)生變化，原有的鹵水加工裝置可能難以適應(yīng)這種變化，則會嚴重影響原有加工裝置的生產(chǎn)效果，因此，應(yīng)盡可能制定外排方案，即不采用將尾鹽、尾砂排入鹽湖的方案。

(7)引水方案。以表面鹵水為主的鹽湖開采時，防止鹵水淡化最有效的方法是引開或隔離補給淡水或淡鹵水進入開采鹽湖。在該類項目設(shè)計中，應(yīng)充分研究工程特性，充分利用有利地形、地層等條件，將防淡化方案與防洪方案、取水方案等進行系統(tǒng)性考慮，通過采取引水、蓄水、調(diào)水等措施盡可能避免部分補給淡水或淡鹵水進入開采鹽湖。

3 結(jié) 論

(1)對于以表面鹵水為主要開采對象的鹽湖鹵水開采項目，鹵水淡化不可避免且淡化程度較快。

(2)鹵水淡化給工程建設(shè)方案和生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了較大影響，在礦山勘查、設(shè)計及生產(chǎn)過程中必須引起高度重視，應(yīng)深入研究項目建設(shè)特性、水鹽平衡參數(shù)，對鹵水淡化進行定量分析與預測，采取有效的防淡化和適應(yīng)淡化的技術(shù)措施，以確保項目順利建設(shè)和生產(chǎn)。

(3)提出了鹵水淡化計算基本公式，并對鹵水淡化相關(guān)問題進行了分析和討論，對于同類型表面鹵水礦開發(fā)項目建設(shè)和生產(chǎn)有一定的借鑒價值。

[1] 鄭喜玉，張明剛.中國鹽湖志[M].北京：科學出版社，2002.

[2] 張彭熹.中國鹽湖自然資源及其開發(fā)利用[M].北京：科學出版社，1999.

[3] 于升松.察爾汗鹽湖首采區(qū)鉀鹵水動態(tài)及其預測[M].北京：科學出版社，2000.

[4] 于升松，白福易，李浩基.吉蘭泰鹽湖資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究[M].北京：科學出版社，2001.

[5] 胡東生.察爾汗鹽湖研究[M].長沙：湖南師范大學出版社，2001.

[6] 王方強，鮑永恩，劉振湖，等.鹽湖礦床開采[M].北京: 化學工業(yè)出版社，2001.