高盐矿井水蒸馏处理工艺中水质结垢趋势分析

李岸然，杨庆卫

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

1 概 述

煤炭开采过程中伴随产生大量矿井水，据不完全统计我国每年矿井水产生量超过80亿m3，然而矿井水综合利用率不足25%。矿井水直接排放会造成水源水质污染、矿区地下水位下降、地下水循环系统破坏等一些列环境问题[1]。蒸馏结晶是目前矿井水处理的主要工艺路线[2]，但是由于矿井水富含结垢成分，在蒸馏处理过程中容易在蒸发器换热管中结垢，影响换热效果[3]。因此通过水质分析掌握矿井水结垢特性，有助于解决工艺系统设计时软化措施的选择和工艺参数的确定等问题[4]。

哈密煤电公司大南湖一矿矿井水涌出量大约3 000 m3/d，预采用蒸馏法进行矿井水回用处理。对矿井水进行了连续的取样分析，通过理论计算和蒸发浓缩实验分析了水质结垢特性，了解其浓缩倍率、加热温度与析垢特性的关系，为矿井水处理工艺系统设计及软化工艺参数选择提供依据。

2 矿井水水质特点

由于地下水与煤层、岩层接触，因而矿井水水质具有显著的煤炭行业特征，富含岩粉，黏土、砂、泥颗粒，矿物杂质，粉尘，溶解盐，酸和碱等；含有煤炭颗粒、油脂、生物代谢产物、木材、油等有机物；细菌总数和大肠菌群含量较大。受上述特点限制，矿井水很难直接应用于生活或工业[5]。目前大南湖一矿的矿井水涌出量大约100～150 m3/h，其水质化验报告如表1所示。

3 结垢趋势理论计算

根据大南湖一矿矿井水水质特性，通过朗格利尔饱和指数(Langerlier saturation index)[6]、斯蒂夫·大卫饱和指数(Stiff and David saturation index)[7]、过饱和指数(Saturation index)[8]以及O-T饱和指数(Oddo-Tomson saturation index)[9]对矿井水水样进行结垢趋势理论计算，结果如表2所示(斜体字表示该工况下理论预测结果为未结垢，其余表示已结垢)。

由此可得到以下几点结论或规律：

(1)在相同温度条件下，碳酸钙结晶析出对应的临界浓缩倍数小于硫酸钙结晶析出对应的临界浓缩倍数。该结果表明，哈密矿井水虽然硫酸盐含量远远大于碳酸盐，但是，在加热蒸发浓缩过程中，碳酸钙将优先于硫酸钙结晶析出。在蒸馏处理回收率相对较低的情况下，应将阻垢工作的重点放在碳酸盐垢上，硫酸盐垢放在次要位置。

(2)对于碳酸钙，在4种结垢预测模型计算结果的未结垢对应工况中，均出现了“倒三角形”的特征。这一特征表明，在相同的浓缩倍率条件下，随着水样温度的升高，碳酸钙的结垢趋势增大。该结果与碳酸钙溶解度随着温度的提高而降低的规律一致。理论计算结果与公认的规律相吻合，表明所选结垢趋势预测模型的科学性与合理性。对于硫酸钙，两种结垢预测模型的计算结果出现了两种不同的规律，因此需要进行模拟试验才能进一步验证模型的适用性。

(3)虽然4种结垢预测模型的计算结果稍有差别，但计算结果表明，水样在较低浓缩倍率甚至在仅升温并未浓缩的条件下，碳酸钙就达到饱和。因此认为，大南湖一矿矿井水中碳酸盐垢的成垢离子浓度高，在原水条件下即已接近饱和甚至已达到饱和。

4 加热蒸发浓缩结垢模拟试验

为初步掌握大南湖一矿矿井水加热蒸发浓缩结垢规律，验证结垢趋势预测模型的理论计算结果，对矿井水水样进行加热蒸发浓缩结垢模拟试验。

在60 ℃恒温水浴条件下，对水样进行蒸发浓缩结垢模拟实验。从常温开始计时，观察开始加热及蒸发浓缩过程，至3 h时，水样体积从500 mL减少至440 mL，水样表面出现明显的漂浮物，如图1所示。

与此同时，对蒸发浓缩后的水样取样进行水质分析。蒸发浓缩前后几种离子的浓度变化见表3。

由表3可知，蒸发浓缩后实际钙离子浓度低于理论浓度(原浓度乘以氯离子浓缩倍率)。在浓缩倍率1.17的条件下，钙离子已有部分结晶析出(即水样表面的漂浮物)。此试验结果验证了结垢趋势预测模型理论计算结果所得到的大南湖一矿矿井水已接近甚至已达到碳酸钙饱和的结论。

5 结 论

通过理论计算和蒸发实验发现，该矿井水在较低浓缩倍率下发生结垢现象，其中碳酸钙优先于硫酸钙结晶析出。

研究表明，大南湖一矿矿井水属于极高硬度水质类型，具有水质复杂、易结垢的特点，在蒸馏浓缩处理时极易在较低温度和浓缩倍率条件下即发生析垢现象，影响换热设备安全运行；在蒸馏工艺之前应考虑对矿井水进行软化处理，降低或去除水中Ca2+，有效提高浓缩倍数(接近硫酸钙结晶析出对应的临界浓缩倍率)；同时添加阻垢剂，以期在最优性价比条件下实现提高淡水回收率的目的[10]。

表2 矿井水水样结垢趋势理论计算结果

表3 蒸发浓缩前后离子浓度变化

图1 矿井水水样恒温(60 ℃)加热实验析垢情况