察尔汗盐湖盐田工艺相图分析及计算*

王永梅，李春丽，刘亮梅

（1.青海大学化工学院，青海西宁810016；2.青海盐湖工业集团股份有限公司）

察尔汗盐湖盐田工艺相图分析及计算*

王永梅1，李春丽1，刘亮梅2

（1.青海大学化工学院，青海西宁810016；2.青海盐湖工业集团股份有限公司）

以察尔汗盐湖卤水滩晒含钠光卤石的盐田工艺为研究对象，以Na+、K+、Mg2+∥Cl-—H2O四元水盐体系相图理论为依据，对察尔汗盐田工艺分别做了25℃等温相图和多温相图分析。结果表明：察尔汗盐湖卤水在15～25℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis，-5～15℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+KCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis。物料衡算结果表明：分段蒸发使原矿的钠质量分数由37.046%降至12.353%，钾质量分数由16.899%提升至23.525%，分段蒸发可有效降低光卤石矿中杂质氯化钠的含量，提高含钠光卤石的品位，KCl收率高达97.90%。该研究可为盐田生产和工艺计算提供理论指导。

察尔汗盐湖；盐田工艺；相图；物料衡算

察尔汗盐湖位于柴达木盆地中南部，自东向西由霍布逊、察尔汗、达布逊和别勒滩4个连续的区段组成［1］，总面积为5 856 km2。察尔汗盐湖以液体钾矿为主，固液体并存，并伴有镁、钠、锂、硼等多种矿产，属氯化物型盐湖［2］。湖区海拔2 670 m，为典型的大陆性干旱气候，全年多风少雨，平均风速为4.5 m/s，年平均降雨量为24.1 mm，蒸发量为3 549 mm［3］，是降雨量的145倍，具备优越的卤水蒸发气候条件。因此，利用察尔汗自然气候条件，对盐湖卤水中的钾进行有效的提取十分有利。

盐田滩晒是以盐湖晶间卤水为原料，利用太阳能照射在盐田上进行多级滩晒，分阶段浓缩分离，可以有效获得各种盐类矿物［4-5］。光卤石作为生产钾肥产品的主要原料，其产量和质量直接影响氯化钾生产的数量和质量［6］，决定着加工厂生产成本和工艺。因此，盐田生产过程是钾肥生产的重要环节。相图理论是指导盐田系统生产光卤石矿的重要理论依据［7］，在掌握各阶段有效组分变化规律的基础上，对生产系统进行有效的优化和控制，实现矿池单位面积产量最大化和质量最优化，确保资源的利用率［8］，是企业扩能挖潜、降低成本、提高效益的重要途径。笔者采用Na+、K+、Mg2+∥Cl-—H2O四元水盐体系相图，对察尔汗盐湖盐田工艺做了分析和计算。

1　盐田工艺

开采盐湖晶间卤水，通过盐田多级滩晒生产光卤石矿，再输送至加工厂生产钾肥［9］。察尔汗盐湖卤水的蒸发路线：NaCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis。以析盐顺序为依据，察尔汗盐湖盐田生产过程分为钠盐池、钠调池、光调池和光卤石池4个阶段，工艺流程见图1。

图1　察尔汗盐湖盐田工艺流程

盐湖晶间卤水由输卤泵导入钠盐池，在钠盐池中滩晒蒸发并尽可能在此环节析出大部分氯化钠，钠盐池中蒸发至卤水密度大于1.241 g/cm3时导入调节池（钠调池和光调池统称调节池）；调节池作为卤水浓缩到光卤石饱和点的过渡性卤池，向光卤石池中贮备与添加卤水，稳定卤水的质量并发挥调节作用。卤水在调节池滩晒蒸发，进一步提升氯化钾含量，降低氯化钠含量，将接近光卤石饱和点（冬季密度＞1.260 g/cm3；夏季密度＞1.270 g/cm3）的卤水导入光卤石池继续蒸发，在光卤石池中将光卤石全部析出，将晒完光卤石后的老卤水（密度≥1.320 g/cm3）及时排走，以防止水氯镁石析出从而影响光卤石矿的质量。

2　相图分析

2.1原卤组成

表1为察尔汗盐湖原卤的化学组成。

表1　察尔汗盐湖原卤的化学组成

2.2相图分析

2.2.1等温相图

察尔汗盐湖卤水的组成符合 Na+，K+，Mg2+∥Cl-—H2O四元水盐体系。盐田晒卤旺季在夏季，夏季卤水的平均温度为25℃，因此，察尔汗盐湖卤水等温蒸发过程以25℃相图进行分析。

依据25℃Na+、K+、Mg2+∥C1-—H2O四元体系的稳定相平衡数据［10］，画出相应的等温相图，并将盐田滩晒过程反映在相图上，如图2所示。

图2显示，原卤组成点在干基图上为M点，落在NaCl结晶区，水（H2O）图上为M0点，为未饱和溶液。由图2分析可知，该系统点经25℃等温蒸发，由于没有钾石盐析出阶段，将经历4个过程：1）未饱和卤水浓缩；2）NaCl析出；3）NaCl与Car共析；4）NaCl、Car、Bis共析至蒸干。

图2　25℃Na+、K+、Mg2+∥Cl-—H2O四元体系等温相图

察尔汗盐湖盐田生产中，各矿池蒸发过程在干基图和水图的详细描述：

1）钠盐池。钠盐池卤水蒸发包括未饱和卤水浓缩和NaCl结晶析出2个阶段。在NaCl刚饱和而尚未析出前，系统只有水量的减少，在干基图上系统点即为液相点，在M点不动，无固相点出现。在图2a中，NaCl刚饱和时的系统点为M1点，因此未饱和卤水浓缩阶段图2a上液相点与系统点同时由M0垂直下移至M1。之后继续蒸发NaCl达到过饱和而结晶析出，并在该池析出大部分氯化钠。图2b中，固相点在A点不动，液相点从M点移至N点；图2a中，固相点也在A点不动，液相点对应地从M1点移至N1点，终点时刻系统点在固相点A与液相点N1的连线上，即AN1线与系统蒸发竖直线的交点M2。

2）调节池。钠盐池液相导入调节池中继续蒸发析出NaCl。图2b中，系统点变为N点，固相点在A点不动，液相点从N点移至L点；图2a中，固相点也在A点不动，液相点对应地从N1点移至L1点，终点时刻系统点在固相点A与液相点L1的连线上，即AL1线与系统蒸发竖直线的交点N2。L点时单一NaCl析出最大量。

3）光卤石池。蒸发至L点的卤水对Car也饱和了，继续蒸发NaCl与Car共析。图2b中，系统点为上一阶段的液相点L，液相点由L点向F点移动，总固相点在AG连线上，即由A移至P，P点是LF连线与AG线的交点。图2a中，液相点由L1移至F′，固相点由A移至P′，P′在AG′连线上，且与P对应。最后系统点为F′P′连线与系统蒸发竖直线的交点L2。

察尔汗盐湖卤水25℃等温蒸发的相图分析过程见表2。

表2　察尔汗盐湖卤水盐田蒸发过程

由表2分析可知，卤水从M点到N点的蒸发过程在钠盐池中进行，该池经历未饱和卤水浓缩和NaCl结晶析出2个阶段；N点到L点的蒸发过程在调节池中进行，调节池作为卤水浓缩到光卤石饱和点的过渡性卤池，继续析出NaCl，保证单一NaCl析出量最大；蒸发至L点时卤水对光卤石也达到饱和，L点到F点的蒸发过程在光卤石池中进行，接近F点的卤水及时排放，以防止氯化镁的析出。

2.2.2多温相图

盐田全年都在晒矿析盐，卤水中各组分的溶解度受温度的影响变化不同。由于各季节温度不同，致使卤水组成发生一定变化，其结晶路线也发生相应变化，影响了盐田光卤石矿产量和质量。表3为察尔汉盐湖盐田生产中各月份的平均卤温及选取的相图温度。

表3　察尔汗盐湖卤水各月份平均卤温及选取相图温度

根据月份的不同，分别选取温度为-5、5、10、15、20、25℃绘制了Na+、K+、Mg2+∥C1-—H2O四元体系多温相图，如图3所示。由图3可以看出，察尔汗盐湖卤水在15～25℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+ Car→NaCl+Car+Bis，在-5～15℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+KCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis。相同组分的卤水在不同温度下蒸发浓缩，温度越高，NaCl相区越大，越有利于NaCl在钠盐池中析出，这可使光卤石矿中NaCl含量变少，并且使钾石盐析出阶段变短（高于一定温度时钾石盐析出阶段消失），光卤石阶段变长，从而提高盐田产量和质量。

图3　Na+、K+、Mg2+∥Cl-—H2O四元体系多温相图（a）及局部放大（b）

冬季卤温较低时，卤水中的钾将以钾石盐的形式析出，如果将蒸发到Q点的卤水导入光卤石池，则生产的光卤石原矿质量很差。矿中氯化钠含量很高，对之后的生产工序很不利。采用兑卤的方法可以很好地解决这个问题，通过老卤（F点）与原卤（M点）的掺兑，可使原料组成点由M点向F点方向移动，使卤水中的钾尽量以光卤石的形式析出。在-5℃相图上，当老卤与原卤的质量比为0.3∶1时，新的卤水组成点变为M′点，M′点卤水在蒸发至E点时导入光卤石池。该过程完全越过钾石盐阶段，钾全部以光卤石的形式析出，有效避免了钾的损失，提高了光卤石矿质量。

3　物料衡算

物料衡算仍以25℃等温蒸发相图为依据，计算基准为100 g原卤。

3.1各阶段物料衡算

利用直线杠杆规则法对图2中各蒸发阶段进行物料衡算，结果见表4。

表4　各阶段卤水蒸发相图计算结果

通过物料衡算得出了盐田蒸发过程各阶段的蒸发水量、析盐量、母液组成，实际生产中可以此作为导卤点控制和老卤排放指标。由计算可知，氯化钠在钠盐池和调节池中的析出率达到74.41%，这为后续阶段生产优质光卤石矿打下了良好的基础。钠盐池、调节池与光卤石池蒸发水量之比（质量比）为15∶3∶19，盐田设计中可以此作为参考来设计各盐田池相对面积的大小。

3.2连续蒸发与分段蒸发的比较

盐田生产所得的光卤石矿为含钠光卤石，为了提高含钠光卤石矿的品位，需要采用分段蒸发。由图2可见，连续蒸发由于系统点一直在M点不动，所得的光卤石矿组成点为P1点（P1点为FM延长线与AG线的交点），m（Car）∶m（NaCl）=1.038；而分段蒸发所得的光卤石矿组成点则为P点，m（Car）∶m（NaCl）= 7.095。连续蒸发和分段蒸发光卤石矿组成见表5。

表5　连续蒸发与分段蒸发光卤石矿组成

由表5可见，分段蒸发使盐田光卤石矿的钠质量分数由37.046%降至12.353%，钾质量分数由16.899%升至23.525%，KCl收率高达97.90%，从而有效地降低了光卤石矿中杂质氯化钠的含量，提高了含钠光卤石矿的品位。

4　结果与讨论

1）通过25℃等温蒸发分析，卤水从M点到N点的蒸发过程在钠盐池中进行，该池经历未饱和卤水浓缩和NaCl结晶析出2个阶段；N点到L点的蒸发过程在调节池中进行，继续析出NaCl，保证单一NaCl析出量最大；蒸发至L点时卤水对光卤石也达到饱和，L点到F点的蒸发过程在光卤石池中进行，析出光卤石，接近F点的卤水及时排放，以防止氯化镁的析出。

2）通过多温相图分析，察尔汗盐湖卤水在15～ 25℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+Car→NaCl+Car+ Bis，-5～15℃时的结晶路线为NaCl→NaCl+KCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis。冬季卤温过低，实际生产中应加入适量老卤调节，以消除钾石盐阶段，使卤水中的钾尽量以光卤石形式析出。

3）通过物料衡算得到了各阶段蒸发水量、析盐量、母液组成，实际生产可以参考计算所得结果确定各阶段工艺控制点。在钠盐池和调节池中，氯化钠析出率达到74.41%，为后续阶段生产优质光卤石矿打下了良好基础。分段蒸发有效降低了光卤石矿中杂质氯化钠的含量，提高了含钠光卤石的品位。

合理使用不同温度的相图，可以确定最佳生产工艺条件，有效控制导卤点、排卤点，实现盐田生产产量和质量的最优化，科学指导盐田生产。

［1］李波涛，赵元艺，叶荣，等.青海察尔汗盐湖固体钾盐物质组成及意义［J］.现代地质，2012，26（1）：71-84.

［2］姜旭，周保华.中国盐湖卤水蒸发实验研究进展［J］.无机盐工业，2013，45（6）：1-3，32.

［3］李承宝，张秀春.青海察尔汗盐湖钾资源开发现状［J］.现代矿业，2009（2）：16-19.

［4］伍倩.当雄错盐湖卤水提钾盐田日晒工艺扩大试验研究［J］.无机化学学报，2013，29（1）：36-44.

［5］周晓军，赵颖，刘国旺，等.盐湖卤水提钾盐田的日晒工艺探讨［J］.科技传播，2014（13）：151-153.

［6］曹正祥.关于盐田生产工艺的探讨与分析［J］.科技信息，2010（3）：25-27.

［7］张建忠，杜佩英，马芬兰，等.察尔汗盐湖盐田日晒法生产光卤石介绍［J］.盐业与化工，2014，43（8）：27-28.

［8］杨青山.盐田系统的物料衡算［J］.化工矿物与加工，2010，39（8）：30-32.

［9］王全军，谭忠德，张生富，等.高硫酸钙光卤石矿的优化实验研究［J］.无机盐工业，2011，43（5）：49-51.

［10］邓天龙.水盐体系相图及应用［M］.北京：化学工业出版社，2013：308-310.

联系方式：lxwlchl@163.com

Phase diagram analysis and calculation of salt pan process of Chaerhan salt lake

Wang Yongmei1，Li Chunli1，Liu Liangmei2
（1.College of Chemical Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China；2.Qinghai Salt Lake Industry Group Co.，Ltd.）

With salt pan process of Chaerhan Salt Lake brine teds to sodium-contaning carnallite as the research object，based on Na+，K+，Mg2+∥Cl--H2O quaternary salt system phase diagram theory，the isothermal phase diagram at 25℃and multitemperature phase diagram of Chaerhan salt pan process were analyzed.Results showed that the crystallization routes of Chaerhan Salt Lake brine were NaCl→NaCl+Car→NaCl+Car+Bis at 15～25℃，and NaCl→NaCl+KCl→NaCl+Car→NaCl+ Car+Bis at-5～15℃，respectively.Material balance showed that stage evaporation made sodium mass fraction of crude ore decrease from 37.046%to 12.353%，potassium mass fraction increase from 16.899%to 23.525%.Stage evaporation could effectively reduce the impurity NaCl in carnallite and increase carnallite grade.KCl′s yield was up to 97.90%.This study could provide theoretical guidance for salt production and process calculations.

Chaerhan Salt Lake；salt pan process；phase diagram；material balance

TQ131.12

A

1006-4990（2016）02-0026-04

青海省科技厅应用基础研究项目（2014-ZJ-717）。

2015-08-10

王永梅（1990—），女，硕士，主要研究方向为盐湖化工过程集成与节能减排。

李春丽