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地浸矿山风能增效蒸发装置的研究与应用

时间:2019年07月09日 所属分类:推荐论文 点击次数:

摘要:地浸采铀矿山废水处理的主要方法是自然蒸发法,该方法受环境影响大、蒸发效果差。针对自然蒸发法的缺点提出了风能增效蒸发法,通过扩大液面的蒸发面积,在风能和太阳能作用下对废水进行?#38080;?#33976;发。风能增效蒸发装置可模块化设计,和自然蒸发池相比蒸发

  摘要:地浸采铀矿山废水处理的主要方法是自然蒸发法,该方法受环境影响大、蒸发效果差。针对自然蒸发法的缺点提出了风能增效蒸发法,通过扩大液面的蒸发面积,在风能和太阳能作用下对废水进行?#38080;?#33976;发。风能增效蒸发装置可模块化设计,和自然蒸发池相比蒸发面积扩大了约27倍,蒸发耗能为1.467kW·h/t,成本为0.88元/t,具有较好的经济性。

  关键词:风能;增效;蒸发;蒸发面积;废水

中国矿业

  目前,地浸矿山废水采用自然蒸发法处理,处理效果受自然条件影响较大,冬季蒸发量很小,该法仅适用于蒸发量远大于降雨量的地区。随着地浸矿山生产能力的增加,产生更多的废水,需要扩大蒸发池的面积,这对征地和环保提出了较高要求。

  以内蒙古某铀矿为例,产生废水48.49m3/d,按当地蒸发量1500mm/a计算,需建设面积为11880m2、容积为18012m3的蒸发池。针对自然蒸发法处理地浸采铀矿山生产废水的不足,探索一种高效蒸发的方法势在必行。目前废水处理应用较多的方法有反渗透和电渗析法;但对于高盐和高含固量的地浸废水,这些方法在应用条件和处理成本上难以满足要求。风能增效蒸发技术在澳大利亚、以色列和墨西哥等地海水提盐和废水处理上应用较多[1-2],本研究在此基础上提出适用于地浸矿山的风能增效蒸发装置,增大蒸发池废水的蒸发量、有效减少蒸发池废水存量,为采铀工艺的连续运行提供保障。

  1废水来源

  地浸矿山废水的主要来源:1)外排母液。浸出液中的铀经离子交换吸附、饱和树脂淋?#30784;?#36139;树脂反冲?#30784;?#28107;洗合格液酸化、沉淀并最后沉降,得到产品。沉?#30340;?#28082;中铀浓度?#31995;?#30340;部分排入蒸发池,外排母液量占总废水量的9.3%。2)贫树脂转型废水[3]。饱和树脂经淋洗后,进行贫树脂反冲洗转?#20572;?#22806;排转型废水占总废水量的71.5%。贫树脂转型废水中的Cl-质量浓度高于2g/L时外排至蒸发池;低于2g/L时进行反渗透处理,反渗透浓水(占反渗透进水量的25%)排入蒸发池。3)洗井废水。钻孔堵塞后,利用空压机洗井产生的废水,外排的洗井废水占总废水量的19.2%。

  2废水化学组分

  转型废水包含一些化学沉淀物,如CaCO3等,经过2~4VR的反冲洗,其含量逐渐?#26723;汀?#27927;井废水化学组分与地下水本?#23383;?#30456;当;但由于洗井废水含固量较高,简单回用作浸出剂会堵塞注液井,作为浸出液处理又会造成吸附塔上层树脂板结,目前还没有较好的工艺将其回用。沉淀母液pH在12.3左右,当沉淀母液中铀浓度较高时配制淋洗剂;铀浓度?#31995;?#19988;淋洗剂量足够时,因其Cl-浓度较高,做外排处理。

  3风能增效蒸发技术?#24223;?#21644;工艺流程

  3.1技术?#24223;?/p>

  蒸发是指物质从液态转化为气态的相变过程。蒸发量是指在一定的时?#25991;冢?#27700;分经蒸发而散布在空中的量。影响蒸发的因素主要有温度、湿度、液体的表面积、液体表面上方空气的流动速度等。温度越高,蒸发越快;液面表面积越大,处于液体表面积附近的分子数目越多,蒸发越快;液面上方空气流动速度越大,蒸发越快[4]。温度、液体表面空气流动速度受大气物理环境影响较大,难以改变,人为提高温度和增大液体表面空气流动速度又会增加成本消?#27169;?#22240;此主要通过改变液面表面积大小来实现加快蒸发的目的。

  3.2工艺流程

  研究在不同环境温度、水体温度以及湿度条件下废水的蒸发量。通过?#36879;?#28508;水泵将蒸发池废水提升至风能增效蒸发装置上,通过?#23478;?#31649;将废水均匀分?#21152;?#22522;体材料,未喷淋至基体材料上的废水通过底部防渗混凝土垫层返回蒸发池,避免污染周围环境。研究过程间歇操作,喷淋完成后停止?#23478;海?#22522;体材料废水蒸干后再重新启动。为了便于计量整个基体材料的保水量,在进液管加装液体流量计,同时在装置底?#21487;?#32622;返回废水收集器[5]。

  4风能增效增发装置研制

  4.1基体材料选型

  对于蒸发基体材质,需要具?#29976;?#23452;的吸水性能,?#27425;?#27700;能力足够蒸发但不能过强以至于?#26723;?#26377;效蒸发压。无内部表面的材料(网)比?#24515;?#37096;表面的材料(无?#32784;?#24037;布)更不易堵塞,效果更好。同时考虑温度对蒸发效率的影响,基体材料应具有一定的吸光能力,选颜色深的较适宜。另外,基体材质应具有很好的强度和耐候的特性[6-7]。本试验选择目前国产应用较广泛的碳纤维编织布和聚丙烯编织布。

  试验中分别取12k(360g/m2)、3k斜纹(200g/m2)、平纹(200g/m2)碳纤维编织布和400g/m2聚丙烯编织布样品放入烘箱,在50℃下烘干5h,各取1L蒸馏水将样品浸湿,取出后直至样品不滴水为止,称量样品吸水量,同时将样品放室外晾晒,每5min称重一次。浸湿样品后无明水至样品?#25351;?#21407;重量的时间为蒸发时间,碳纤维编织布比聚丙烯编织布单位保水量?#20572;?#32780;聚丙烯编织布所需的蒸发时间较长。综合价格因素,碳纤维编织布100元/m2,聚丙烯编织布15元/m2,最终选择黑色聚丙烯编织布作为基体材料。

  4.2基体材料悬挂方式

  基体悬挂方式有单个缠绕悬挂方式和连续交错悬挂方式。单个缠绕悬挂方式缠绕工序复杂,且每个接口都需要缝接;而连续交错悬?#19968;?#20307;材料面积大于单个缠绕方式,因而选择基体连续交错悬挂方式。选择基体材料支撑管主要考虑对浸湿后基体材料总质量的承受能力,选择?#36879;?#34432;镀锌钢管为基体材料支撑管,规格DN15mm×2105mm,间距240mm。

  4.3机架结构设计

  机架结构设计主要考虑?#23478;?#31649;和基体支撑管的安装,同时要方便移动和安装。本研究将机架设计模块化,单个机架模块规格2.5m×2m×10m;整体骨架选择H?#36879;鄭?#20415;于整体?#38468;?#25110;螺栓连接;辅助部分选择角钢。

  4.4?#23478;?#26041;式设计

  如何高盐废水均匀分布到蒸发基体材料表面,关系到蒸发能耗和蒸发量的大小,?#35805;?#37319;用毛细管吸力和溶液动力输送的方式进行溶液传输。毛细管吸力?#23478;?#26041;式是将基体材料放入蒸发池中,利用基体材料中纤维与纤维间毛细?#38556;?#25152;产生的毛细管吸力将溶液吸附在基体材料上;动力输送是通过泵将废水均匀的布置在基体表面,?#23478;?#38388;断操作,能耗高。毛细管吸力?#23478;?#21487;连续操作,基本不产生能耗;但需要将机架布置在蒸发池上,施工难度大,维护困难。

  综上所述,选择动力?#23478;?#26041;式。?#23478;?#31649;落水孔的大小影响?#23478;?#26102;间的长短和泵的选型。试验过程中,落水孔?#27573;?.0mm时,存在落水不均匀现象,整个?#23478;?#31649;靠近进水口处落水较快;远离进水口处由于压力过低落水?#19979;?#26377;时不落水,造成部分基体材料闲置。当落水孔径2.0mm、落水孔距?#34892;?#22402;线夹角45°两侧均布、两相邻落水孔间距35mm时,落水过程带压,可直接喷淋至基体材料上,?#23478;?#31526;合要求。

  4.5清洗方式选择

  地浸采铀矿山废水含有较高的盐分,蒸发池废水盐分最高达9g/L。试验过程中,随着液体的蒸发,水体中盐类物质逐渐结晶,结晶物附着在基体上,使整个基体材料显?#32844;咨?#36817;距离观察部分结晶悬挂在基体材料上。由于选择基体材料属编织布种类,内部不含有纤维短丝,结晶物不会附着于基体材料内部,所以结晶物无需专门清洗,直接用外力敲打即可去除。

  5增效蒸发装置现场试验

  风能增效蒸发试验主要对进水、出水、保水量进行计量,同时考虑不同时间段对蒸发效果的影响,每个模块基体材料面积为142m2。

  6技术经济指标

  风能增效蒸发装置拓展了蒸发面积,加快了蒸发,该装置的耗能设备只有潜水泵(功率1.5kW),增效蒸发装置总面积284m2,基体材料保水量300g/m2,单次蒸发?#35838;?5.2kg,单次耗电0.125kWh(运行5min),所以风能增效蒸发装置能耗为1.467kW·h/t,经核算增效蒸发成本为0.88元/t。

  7结论

  1)风能增效蒸发受温度和风速影响较大,单位面积基体最大保水量352g/m2,最快蒸发时间25min。2)该装置模块化设计,可以根据实?#26159;?#20917;进行灵活调整。当蒸发装置占地面积为10m2时,基体材料蒸发面积可达284m2,蒸发面积扩大了约27倍。3)风能增效蒸发装置,利用有限的占地面积和自然资源,将蒸发面从平面向立体扩展,使其蒸发面积和蒸发效率提高,达到高效低耗的目的,为废水减量化处理提供新思路。

  参考文献:

  [1]常泽辉,侯静,温雯.太阳能海水淡化技术研究进展[J].价值工程,2013(6):301-302.

  [2]赵敬恩.基于风能利用的海水淡化技术途径研究[D].北京:中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2013.

  [3]阮志龙,李喜龙,杨少武.反渗透工艺技术在CO2+O2地浸矿山的应用:中国核科学技术进展报告(第三卷)———中国核学会2013年学术年会论文集第2册[C].北京:中国原子能出版社,2013:204-208.

  [4]方霞,蔡维,张燕,等.利用太阳能风能的海水淡化装置的研究[J].现代制造工程,2013(9):136-139.

  [5]苏学斌,刘乃忠,李喜龙,等.一种地浸采铀矿山废水蒸发装置及方法:CN104609487A[P].2015-05-13.

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