察爾汗鹽湖鹵水分段蒸發(fā)過程相圖分析

景海德

(青海鹽湖佛照藍(lán)科鋰業(yè)股份有限公司，青海格爾木 816000)

我國西北地區(qū)鹽湖資源非常豐富。鹽湖分類的原則主要有三種：一是按鹽湖鹵水賦存狀態(tài)分類。二是按鹽湖的主要鹽類沉積物分類；三是按鹵水的化學(xué)成分分類。按鹽湖的主要鹽類沉積礦物分類，鹽湖可分為石鹽湖、芒硝湖、堿湖、硼酸鹽鹽湖和鉀鎂鹽鹽湖，察爾汗鹽湖屬于鉀鎂鹽鹽湖。如果按鹽湖鹵水賦存狀態(tài)分類，鹽湖可分為鹵水湖、干鹽湖和沙下湖，察爾汗鹽湖就屬于沙下湖。

1 察爾汗鹽湖資源情況

察爾汗鹽湖是一個(gè)集鎂、鈉、鉀、鋰、硼、碘等多種礦產(chǎn)的大型內(nèi)陸綜合性鹽湖。在察爾汗鹽湖可以看到一種奇特的地貌——鹽喀斯特地貌，平時(shí)所說的鹽鐘乳和鹽花就是此類地貌的體現(xiàn)。察爾汗鹽湖是中國最大的鉀、鎂鹽礦床，它有著極為豐富的鉀鎂鹽資源，其鹽類總儲(chǔ)量達(dá)600億t，其中，氯化鈉550多億t，氯化鎂40億t，氯化鉀5.4億t，氯化鋰1 200萬t，是中國鉀鎂鹽的主要產(chǎn)地。察爾汗鹽湖作為中國鉀肥主要生產(chǎn)基地，每年氯化鉀產(chǎn)量在700萬t左右，生產(chǎn)氯化鉀的企業(yè)也有十多家，為我國鉀肥資源開采和糧食安全提供了有力保障。

察爾汗鹽湖屬氯化物型鹽湖，主要礦藏為氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀和氯化鋰。氯化鉀資源主要是以鹵水為主，原鹵經(jīng)過開采后，進(jìn)入鹽田不同階段曬制，鹵水析出不同組分的鹽類，從而實(shí)現(xiàn)礦物提取。

2 察爾汗鹽湖鹵水資源的開發(fā)過程

察爾汗鹽湖晶間鹵水資源的開采過程，實(shí)質(zhì)上是蒸發(fā)濃縮的一個(gè)過程，通過日曬，使鹵水中水分不斷蒸發(fā)，其中的鹽濃度不斷提高，當(dāng)其中一種鹽濃度達(dá)到飽和后，開始結(jié)晶析出。鹵水中不同鹽分的濃度和溶解度都不相同，利用此特點(diǎn)，在提取鹽分礦物時(shí)，讓不同鹽分結(jié)晶析出時(shí)流經(jīng)不同的人工鹽田，使不同鹽分析出在不同的人工鹽田中，從而簡單實(shí)現(xiàn)結(jié)晶析出的鹽得以分離。察爾汗鹽湖鹵水礦物的開采過程為：晶間鹵水→輸鹵渠→鈉鹽田→光鹵石鹽田→老鹵。

一般情況下，察爾汗鹽湖晶間鹵水在濃縮過程中，析鹽順序?yàn)椋郝然c→氯化鈉+光鹵石→氯化鈉+水氯鎂石；如果晶間鹵水中鎂、鉀比較低，會(huì)有一段鉀石鹽析出，其析鹽順序?yàn)椋郝然c→氯化鈉+氯化鉀→氯化鈉+光鹵石→氯化鈉+光鹵石+六水氯化鎂。

3 鹵水蒸發(fā)過程相圖分析

文章以察爾汗晶間原鹵為原料(組成見表1)，相較其他鹵水，該鹵水在蒸發(fā)過程中會(huì)有一段鉀石鹽析出段。通過分段蒸發(fā)析鹽來進(jìn)行相圖分析，如圖1。

表1 原料含鈉光鹵石的組成(20 ℃)Tab.1 Composition of Sodium-containing Carnallite(20 ℃) %

圖1 察爾汗晶間鹵水分段蒸發(fā)過程相圖分析Fig.1 Phase diagram analysis of evaporation process of Chaerhan intergranular brine

3.1 原鹵的濃縮

結(jié)合圖1分析，察爾汗原始鹵水系統(tǒng)點(diǎn)在M點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)處在氯化鈉相區(qū)，也就是說如果鹵水析鹽時(shí)，最先析出氯化鈉。此時(shí)系統(tǒng)點(diǎn)在水圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)為M1點(diǎn)向M2點(diǎn)移動(dòng)，即鹵水為不飽和鹵水，沒有固相。在干基圖上系統(tǒng)點(diǎn)、液相點(diǎn)、固相點(diǎn)三點(diǎn)重合。此鹵水從礦區(qū)采出后，在采鹵渠道輸送過程中，受太陽光的照射，通過蒸發(fā)，鹵水濃度得到不斷提高，當(dāng)在水圖中系統(tǒng)點(diǎn)達(dá)到M2點(diǎn)時(shí)，氯化鈉剛剛飽和(A′點(diǎn)的確定方法：A′是氯化鈉在相應(yīng)溫度下的溶解度對(duì)應(yīng)在水圖上的表示點(diǎn)，利用A′和N1連線，與系統(tǒng)蒸發(fā)豎直線交點(diǎn)即為M2點(diǎn))[1]，氯化鈉開始飽和并開始析出，此時(shí)鹵水進(jìn)入鈉鹽池，并在鈉鹽池中集中結(jié)晶析出氯化鈉。

3.2 鹵水析鈉過程

當(dāng)鹵水進(jìn)入鈉鹽池后開始析出氯化鈉，在干基圖系統(tǒng)點(diǎn)為M點(diǎn)，固相點(diǎn)從M點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng)，液相點(diǎn)從M點(diǎn)向N點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)N點(diǎn)，固相點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，固相量析出最大，系統(tǒng)固液相總量為線段AN長度，液相量為線段AM長度，固相量為NM線段長度，在水圖中系統(tǒng)點(diǎn)M2向M3點(diǎn)移動(dòng)，對(duì)應(yīng)固相為A′點(diǎn)，液相對(duì)應(yīng)點(diǎn)為N1點(diǎn)，期間蒸發(fā)水量為線段M2M3長度，此時(shí)因?yàn)橹挥幸环N鹽析出，所以析出的氯化鈉純度比較高。

當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)N點(diǎn)時(shí)，氯化鉀也達(dá)到飽和，此時(shí)為了減少氯化鉀損失，鹵水進(jìn)入鉀石鹽池，集中析出鉀石鹽(如果鹵水析鹽時(shí)，沒有鉀石鹽析出段，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以不需要鉀石鹽池，可以與光鹵石析出段放在同一個(gè)鹽田中，如果系統(tǒng)連續(xù)變化，當(dāng)光鹵石飽時(shí)，析出的氯化鉀會(huì)回溶，并以光鹵石的形式析出來，只是其中氯化鈉的量較高，具體生產(chǎn)時(shí)，可以根據(jù)工藝條件進(jìn)行調(diào)節(jié))。

3.3 鉀石鹽析出段

此時(shí)要完成第一次固液分離，即析出的氯化鈉固體和液相進(jìn)行了分離，當(dāng)鹵水進(jìn)入鉀石鹽池后，在鉀石鹽池中，系統(tǒng)點(diǎn)由M點(diǎn)變至N點(diǎn)(因?yàn)榇藭r(shí)固液分離，N點(diǎn)為新的系統(tǒng)點(diǎn))，此時(shí)鹵水對(duì)鉀石鹽過飽和。依據(jù)過程向量法則，干基圖中此時(shí)固相點(diǎn)為P點(diǎn)，并向Q點(diǎn)移動(dòng)；液相點(diǎn)從N點(diǎn)向E點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)E點(diǎn)，固相點(diǎn)到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)，固相析出量最大，析出量為線段NE長度，液相量為NQ長度。在水圖中，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)點(diǎn)從N1點(diǎn)移動(dòng)到N2點(diǎn)，固相點(diǎn)從P1向Q1點(diǎn)移動(dòng)，液相點(diǎn)由N1向E1點(diǎn)移動(dòng)，期間蒸發(fā)水量為線段N1N2長度。干基圖中當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)E點(diǎn)時(shí)，此時(shí)有新固相飽和，即E點(diǎn)為氯化鈉、氯化鉀和光鹵石三鹽共飽，此時(shí)可以進(jìn)行第二次固液分離，即析出的光鹵石、氯化鈉與液相分離，鹵水進(jìn)入光鹵石鹽田。

3.4 鹵水析光鹵石過程

當(dāng)鹵水進(jìn)入光鹵石池后，在光鹵石池中，系統(tǒng)點(diǎn)由N點(diǎn)變成E點(diǎn)，此時(shí)鹵水對(duì)氯化鉀、氯化鈉和光鹵石三鹽飽和。依據(jù)過程向量法則，干基圖中固相點(diǎn)為D點(diǎn)，并向G點(diǎn)移動(dòng)；液相點(diǎn)從E點(diǎn)向F點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)F點(diǎn)，固相點(diǎn)到達(dá)G點(diǎn)時(shí)，固相析出量最大，析出量為線段EF長度，液相量為EG長度。在水圖中，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)點(diǎn)從E1點(diǎn)移動(dòng)到E2點(diǎn)，固相點(diǎn)從D1向G1點(diǎn)移動(dòng)，液相點(diǎn)由E1向F1點(diǎn)移動(dòng)，期間蒸發(fā)水量為線段N1N2長度[2]。當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá)F點(diǎn)時(shí)，此時(shí)有新固相飽和，即F點(diǎn)為氯化鈉、光鹵石和六水氯化鎂三鹽共飽，此時(shí)鹵水已成為老鹵，可以排至老鹵渠，至此鹽田曬鹵工作告一段落(值得一提的是，在此過程中，不僅有光鹵石析出，而且氯化鈉也在一直析出)。

3.5 鹽田曬鹵蒸發(fā)過程總結(jié)(表2)

表2 鹽田曬鹵蒸發(fā)過程Tab.2 Summary of evaporation process of salt field drying brine

4 結(jié)語

1)由分析過程可知，鹽田鹵水分段曬鹽過程，因?yàn)橛腥舾纱喂桃悍蛛x，所以,在相圖中固液相及系統(tǒng)點(diǎn)的變化并非連續(xù)的，這與等溫連續(xù)蒸發(fā)過程有所不同，但三點(diǎn)的變化規(guī)律、相圖基本分析原理是一致的。

2)通過相圖分析，在第四階段可以看出，固相點(diǎn)從D點(diǎn)逐漸向G點(diǎn)移動(dòng)的過程中，固相中氯化鈉含量在不斷升高。由相圖分析可知，圖中DG長度為含鈉光鹵石中氯化鈉的含量，根據(jù)相圖計(jì)算，DG/DA為含鈉光鹵石中氯化鈉的含量，根據(jù)長度計(jì)算，含鈉光鹵石中氯化鈉量高含量可以達(dá)到22%(僅以光鹵石析出段計(jì))。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證光鹵石品質(zhì)，降低生產(chǎn)消耗，此段鹵水曬制一定要做好系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌安排。

3)結(jié)合蒸發(fā)過程分析和相圖分析法則，只要量取相圖中固相、液相對(duì)應(yīng)的線段長度，就可以把相應(yīng)階段理論的固相量、液相量及系統(tǒng)總量計(jì)算出來，從而可以確定理論最佳工藝控制點(diǎn)。

4)結(jié)合鹵水組分的變化和相圖分析，可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中鹽田鹵水的導(dǎo)輸鹵時(shí)間把握、導(dǎo)輸鹵量和析鹽量計(jì)算、析鹽指標(biāo)的控制等，提供理論指導(dǎo)，當(dāng)然，因?yàn)辂}田曬鹽影響因素較多，理論分析能提供大致的處理方向和較為準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，具體指標(biāo)還應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況綜合分析。