察爾汗鹽湖蒸發成礦及相關數學模型的研究進展

韓玉蘭，劉鯉君，趙云*(.青海大學，青海 西寧 8006；.青海省測試計算中心，青海 西寧 80008)

0 引言

鹽田蒸發涉及眾多領域，是一個相對復雜的工藝體系。它是由察爾汗鹽湖鹽田鹵水體系、氣象因素、地理區域等共同作用，這些因素在不同程度上影響鹽田蒸發量、析鹽量及礦物結晶行為。綜合探究眾多因素與鹽田蒸發成礦間的相關性是目前研究的關鍵。

了解成礦機理、經驗工藝、現有數學模型，有助于后期蒸發工藝進展，相關知識的增長。如圖1所示，理論基礎建構為蒸發成礦的整個過程提供觀察視角、理論參數，設計鹽田工藝。通過實驗發現規律，探究各個影響鹽田蒸發因素間的相關性，與蒸發特征的相關性。實踐可知，鹽田工藝的好壞直接影響或決定著光鹵石礦的質量。需建立數學模型，通過數值模擬對鹽田工藝不斷調優，建立相對完善的鹽田工藝體系。

圖1 鹽田體系的形成

1 影響蒸發結晶的因素

察爾汗鹽湖鹵水大體上是一個K+、Na+、Mg2+//Cl-—H2O的四元水鹽體系，含有少量和其他微量元素。鹽湖氣候干燥、日照強、蒸發量大、湖面風期長，優越的地理環境和氣象條件使鹵水蒸發結晶。堅持“以鉀為主、綜合利用、循環經濟、持續發展”的理念[1]，應綜合考慮鹵水體系、氣象及其他因素與蒸發結晶的相關性。

1.1 鹵水體系對蒸發結晶的影響

1.1.1 鹵水組分

鹵水組分間相互影響，一定程度上決定相平衡時的化學組成。鹵水蒸發濃縮時，鹵水中不同鹽分的數目與數量比決定鹽礦的性質特征。由于不同鹽分中氯離子的存在，產生“同離子效應”，使鹽礦的溶解度降低。隨著蒸發過程的進行，鹵水組分發生變化，由此分階段析出不同品質鹽礦，會有液相-固相-液相的幾個階段的固液相轉換[2-3]。

1.1.2 鹵水濃度

特定時期，近乎恒定氣象條件下，影響蒸發的主要因素之一屬鹵水濃度。鹵水自然蒸發時，濃度逐漸增大，限制蒸發速度。從微觀角度分析，鹵水中組分濃度增大，導致鹵水黏度增大，內聚力增強，因此阻礙相變的發生。

1.2 氣象條件對蒸發結晶的影響

1.2.1 太陽能輻射

太陽能輻射影響鹽湖氣溫、鹵溫、鹵水蒸發速率及鹽礦析出率。太陽能使水體升溫，輻射熱量轉化為鹵水蒸發潛熱。水體飽和蒸氣壓增大，一部分潛熱轉化為動能，使水分由液相變為氣相蒸出，達到蒸發目的[4]。隨之降低鹽類礦物的溶解度，不斷有鹽粒析出。

1.2.2 風力

風力強度主要影響鹽湖水面之上大氣的相對濕度。通過不斷排除水汽，使空氣中的水汽分壓降低，具有推動相變速率的作用。

1.3 其他對蒸發結晶的影響

除上述影響因素，還存在一些間接因素。如適宜鹽田單池面積及深度，能接受到更多的太陽能輻射，水體熱容量大。結合風力，水面產生波浪，擴增蒸發面積，綜合提高鹽田蒸發能力[5]。

如采收作業方式有旱采和水采，旱采是對成礦鹵水進行一次性灌鹵到排鹵，水采是針對濃度差不大的原鹵水進行穩定，連續進鹵，使濃度逐次增大[6]。采收方式對晶體生長環境和成礦周期有較大的影響。再如鹽田鹵水走水方式有串聯和并聯之分，利用鹵水水位差使鹵水流動蒸發。實現蒸發與結晶同時進行，有效增加蒸發量，促進晶核生長[7,8]。

2 鹽田蒸發及相關數學模型的研究

蒸發工藝對察爾汗鹽湖產業及其環境保護、綠色開發和資源合理充分利用有著極其重要的意義。目前察爾汗鹽湖蒸發實驗大部分依據自然蒸發與等溫蒸發條件下的研究。通過相圖理論分析鹵水析鹽規律，大致將蒸發結晶過程依次分為原鹵濃縮、氯化鈉析出、鉀石鹽析出、光鹵石析出和老鹵曬制五個階段[9]。嚴格控制鹽田鹵水的導排過程是鹽田蒸發的關鍵。期間進行多次固液分離，計算測定并控制鹵水的密度、組分、蒸發量和析鹽率，把握光鹵石的最佳分離點得到品質好的光鹵石礦[10-11]。至今，察爾汗鹽田工藝計算仍就依據典型經驗證據，通過蒸發實驗與實踐生產建立相關數學模型。

2.1 鹽田蒸發實驗的研究

鹽田灘曬法是察爾汗鹽湖的最主要的鹽田蒸發工藝。概而論之，察爾汗鹽田生產過程如圖2所示，原鹵水經過日曬蒸發濃縮，NaCl飽和析出于鈉鹽池，將析出的鈉鹽進行第一次固液分離。在調節池中進行第二次固液分離，灘曬蒸發提高KCl含量。調節池是鹽田鹵水蒸發濃縮到光鹵石飽和析出的過渡階段，起著向光鹵石池中補充鹵水、穩定鹵水質量、調整鹵水濃度和組分的作用。緊接著將接近光鹵石飽和點的鹵水導入光鹵石池繼續蒸發，在光鹵石池中將光鹵石全部析出，及時將老鹵排走，阻止水氯鎂石析出。直接灘曬法的優點是利用優越的日曬條件，工藝成本低廉。不足即直接灘曬過程可能有大量鉀石鹽析出，鹵水中KCl含量削減，固液分離時發現由于母液夾帶，鉀在這一蒸發工序中流失嚴重。再者直接灘曬法蒸發時間較長，蒸發效率低，一般完成一個完整的蒸發鹵水過程需要1～2年時間。

圖2 鹽田蒸發流程

兌鹵法是在原鹵或尾鹽水中，提前加入一定比例老鹵水以提高資源利用效益的手段。兌鹵法有效解決了直接灘曬時鉀石鹽析出階段鉀嚴重損失的問題。解決了尾液排放問題，使排出的老鹵循環利用[12]。改變原鹵和成礦鹵水中鹽類組分與不同鹽分的數目之比，有效提高鹽田蒸發速率與光鹵石礦的產量。

張兆廣[13]針對察爾汗鹽湖低品位鹵水進行自然蒸發實驗，以蒸發兩組原鹵水中氯化鉀含量不同的實驗做對比。定時檢測鹵水密度，析鹽種類來確定固液分離點，探究結晶路線。表明不同KCl含量的鹵水樣品的石鹽析出階段長短不一，含量低的石鹽析出段較長，母液夾帶的鉀、鎂的量高。試驗樣品的水化學類型及高鈉組分特征決定了鹵水較長的石鹽階段，低鉀組分特征反映了光鹵石為鹵水后期的鹽礦，說明光鹵石結晶析出階段較短。掌握最佳分離點十分重要，他提出針對低鉀高鈉類型的鹵水應用蒸發—兌鹵工藝，在鈉鹽池中導入尾液，使更多的鈉離子結晶析出，縮短鉀石鹽析出階段，鈉鹽池面積無需擴大，有效降低生產成本。實驗不足之處是固液分離時兩組樣品的蒸發面積及取樣時間不一致。該實驗應考慮到鹵水蒸發特征在冬夏季有很大的差別，且鹽田單池面積對蒸發量的影響不容忽視。

王永梅等[14]通過25 ℃等溫及多溫相圖，探究結晶路線，分析計算鹽田工藝各項指標。將一年的節氣溫度劃分為兩個溫區：-5～15 ℃和15～30 ℃。指出在不同溫區鹵水結晶路線發生變化，較低溫區比較高溫區多一步鉀石鹽析出階段。一定鹵水濃度下，升溫時，蒸發效率呈上升趨勢，鈉鹽提前大量析出，鉀石鹽析出階段變短直至消失。較低溫區，采納兌鹵工藝，解決鉀石鹽析出階段較長問題，使鉀盡量以光鹵石礦的形式析出。等溫相圖分析研究，恰好消除因溫度變化引起的結晶路線的變化。

陳祥針[15]對開采過后的鹵水組分進行分析，探討變化后的鹵水組分對鹽田生產的影響。表明氯化鈣是鹵水高度蒸發濃縮后的產物，相同溫度下氯化鈣溶解度遠高于其他鹽分，同離子效應促使氯化鉀、氯化鈉趨向飽和，結晶析出，成礦光鹵石中氯化鈉含量低。同樣，李海朝等[16]探究了氯化鎂對鹵水蒸發效率的影響。表明降低鹵水中鎂離子的含量，可縮短鹵水成礦周期。于-18～35 ℃溫區內，升溫使氯化鎂溶解度變大，雖鹵水蒸發量增大，但隨之鹵水濃度升高，不利于鹵水成礦。

迄今，察爾汗鹽湖企業在鹽田生產中針對不同的鹵區采納不同的蒸發工藝。從開采形式、走水方式再到曬鹵都有所研究且采取了相應的措施。無論是理論分析，還是生產實踐，從綜合資源及經濟效益出發，表明大部分原鹵水鹽田適用采鹽船水采串聯走水，分段蒸發；成礦鹵水旱采一次性灌鹵成礦。

2.2 鹽田蒸發模型的研究

水鹽體系相圖分析在察爾汗鹽田蒸發模型建立研究歷程中起主導作用。蒸發過程和相圖分析相結合，理論固相量、液相量、系統總量可通過測量水鹽相圖中固相和液相對應線段長度計算得到，找出理論最佳工藝控制點。結合鹵水組分動態變化，大致控制生產過程中鹽田鹵水的導輸鹵時間，預測計算導輸鹵量和析鹽量。

建立鹽田蒸發模型的主要作用是為了調整、優化、研究更為精準的鹽田工藝。實時診斷、測量鹵水動態變化。建立精度高、適用性強的蒸發數學模型成為當前研究的必然趨勢。表1中的各項蒸發模型是迄今察爾汗鹽湖在工藝計算中常用的計算公式[17]。

表1 察爾汗鹽湖常用的蒸發數學模型

田紅斌[18]結合相圖指導理論與實踐生產累積數據，利用數理統計，回歸分析有及無鉀石鹽析出類鹵水及固相分離點，分別建立不同階段礦鹽的析出率僅與溫度相關的分離模型。對于早期蒸發模型建立的研究有著較大的影響力，有力推進了相關研究。

張軍[19-20]對石鹽析出階段、光鹵石析出階段和氯化鎂飽和階段建立鹵水相對比蒸發系數與鹵水密度及大氣相對濕度的變化的二元回歸方程：

(1)石鹽析出與光鹵石階段，在1.240～1.335 g/cm3密度范圍內：F=0.76*(571.905-0.525 657R-393.477D)[19]

(2)氯化鎂飽和階段，在1.335～1.370 g/cm3密度范圍內：F=3.679 74*10-12*R-0.382558*[exp(39.8577/D)][20]

R為大氣相對濕度；D為鹵水密度。

研究闡明為消除鹽田面積引發的蒸發速率的影響，應用于實際生產，引入了大面積校正系數。鹵水密度和相對濕度與鹵水蒸發速率呈負相關。大氣相對濕度對蒸發的影響大過鹵水密度。

太陽能輻射為察爾汗鹽湖主要能量來源及影響因素，成春春等[21]研究者依據察爾汗鹽湖累積數據及理論知識，建立太陽能輻射量與鹽田各蒸發過程的蒸發水量和成礦量模型。模型指數R2值均大于0.99，對鹽田蒸發有較強的指導意義。

3 結語

察爾汗鹽湖工藝是一個復雜體系，其研究發展必然是一個高投入，長期試驗的過程。重視人才培育，資金投入，研發新型技術，有力推動鹽湖蒸發工藝的發展。注重因地制宜，因時制宜，綜合考慮鹵水體系、氣象因素、鹽田形式、地理區域對蒸發結晶過程的影響，綠色開發，循環利用以及最佳的經濟效益。目前察爾汗鹽湖鹽田蒸發結晶的研究主要從三方面入手：

(1)夯實相關理論基礎方面的研究，透徹分析鹽田鹵水蒸發結晶的內在性質與外在表征；

(2)設計合理的鹽田工藝，力求蒸發量、成礦量、資源利用率最大化；

(3)結合相圖分析及實際生產累積數據，建立與蒸發結晶相關的數學模型，不斷擴充數值模擬數據庫，逐步完善，形成一個全面的體系。