一种盐硝分离系统及应用其的冻硝生产方法
技术领域
本发明涉及节能环保和盐化工领域，特别是涉及一种盐硝分离系统及应用其的冻硝生产方法。
背景技术
目前硝矿的开采和硫酸钠的生产主要是以固态硝矿为原料，将含硝矿石采运至厂区，经过热溶，净化，重结晶生产无水硫酸钠(元明粉)。在以往的矿区留下了许多矿坑，在厂区却堆起了砂山，破坏了环境。就盐湖演化的一般规律，盐硝多为共生关系。硫酸钠具有在低温下溶解度特别低的特性。据此现代盐硝工业广泛利用硝池冻硝以提取或除去混合卤液中的硫酸钠。
但是硝池冻硝的问题是冬天卤水与冷空气的热交换只发生在气-液接触表面，总的能量交换有限，而整池卤水的热容量很大，而且硫酸钠冷冻结晶过程又是发热过程，所以一个冬季所能造成的整池卤水降温有限，每年冷冻析出的硫酸钠总量很有限，需要多年冻硝的积累才能达到经济开采量，每年形成的冻硝隔层中含有大量其它季节沉淀的沙土，为冻硝的开采利用增加了成本。此外，由于整池硝液的温度无法降到最低，硝池母液中硫酸钠的含量仍然相当高，不利于母液的后续利用，譬如晒盐作业。利用温度变化对盐硝卤液进行蒸发结晶分离作业是当前行业的成熟方案。经检索，中国中轻国际工程有限公司彭赛军等在申请号为CN201811472718.5的发明专利中公开了：一种盐硝体系卤水蒸发生产盐硝工艺，提出了一种取用盐硝体系卤水为原料，利用不同蒸发装置对盐硝卤液实施蒸发分离作业的装置以及应用其的工艺方法，该发明通过将卤液导入可调节不同温度的蒸发装置，对卤液进行蒸发与结晶作业，可以得到纯度较高的氯化钠和硫酸钠产品。然而该发明需要较多的工艺步骤以及相应的装置，作业流程需要耗费蒸汽，越大的工业产能对应需要越大的装置结构和越大的能源消耗，而所产出的主副产品单位经济价值并不太高，这在工业实际应用中制约了大规模量化生产的可能，提高了实际工业生产的经济风险。因此成熟的工业市场，在盐硝生产领域提出了对大规模处理量产原料、降低各项相关成本、利用自然力降低工艺流程中的能源消耗以及更加自动化、智能化完成工业量化生产的实际需求。
发明内容
针对现有生产工艺中存在的问题，本发明提供一种盐硝分离系统，包括用于对含硝地层进行循环淋洗的立体开采系统、用于对立体开采系统收集的卤水进行冻硝处理的斜坡冻硝系统以及用于对斜坡冻硝系统输出的母液以及晶体进行分离的固液分离系统，所述斜坡冻硝系统设置有通过卤水输送管道与所述立体开采系统相连通的卤水储集池，所述卤水储集池与设置在所述斜坡冻硝系统上的卤水泵送分布系统相连接，所述固液分离系统位于斜坡冻硝系统的底部。
本发明采用淋洗方法溶解含硝地层中的硫酸钠成分，变固体开采为矿区洗提，省去了将大量的沙土运往厂区的工序，也不会在矿区留下大量的矿坑，不会在厂区堆积沙山。能解决或缓解以往固体开采造成的环境和安全问题；卤水泵送的投资和运行成本都远低于固体矿石运输，所以本发明降低了硝矿单位开采成本，因而降低了对开采地层成矿含量的要求，扩大了可开采储量，延长了硝矿的可开采寿命；本发明的采硝方法将沙土留在原地，经过淋滤土壤中的盐分大部分被洗走，为今后改造成良田创造了条件。
优选地，所述立体开采系统包括用于对含硝地层进行淋洗的卤水淋洗系统、设于含硝地层中的卤水收集槽以及设置在含硝地层中成呈网状分布的卤水收集沟网，所述卤水收集沟网与所述卤水收集槽相连接，所述卤水收集槽通过管道与卤水淋滤系统相连接。在本技术方案中，所述立体开采系统，按照含硝地层的分布和开采规划，在开采区内按照含硝地层的分布和厚度合理布局沟渠及开挖深度，形成卤水收集槽网，在含硝地层上开挖网状分布浅沟或成排钻孔形成喷淋沟网，并与所述收集槽网共同构成卤水立体淋洗体系，对含硝地层进行有限的破碎以提高淋洗效率；所述卤水淋滤系统分布在所述含硝地层上，含硝地层中挖掘分布的喷淋沟网与卤水收集槽相连接，所述卤水收集槽通过管道与卤水淋滤系统相连接。
优选地，所述卤水收集槽通过所述卤水输送管道与设置在所述斜坡冻硝系统下方的卤水储集池相连接。在本技术方案中，卤水收集槽中的卤水可通过管道再次注入卤水淋滤系统中，通过对含硝地层的反复淋滤，可迅速提高卤水收集槽中卤水浓度，达到后续工艺处理对高效冻硝结晶的工艺要求。
优选地，所述斜坡冻硝系统还包结晶斜坡以及设于结晶斜坡底部的固液收集槽；所述卤水泵送分布系统的进液口与所述卤水储集池相连接，所述卤水泵送分布系统的出液口分布在所述结晶斜坡的顶部。在本技术方案中，卤水储集池中的高浓度卤水通过卤水泵送分布系统运送至斜坡顶部，使卤水在斜坡表面均匀降膜，提高了冻硝工艺中对自然低温和风力的利用，结晶出来的晶体随母液滚至坡底固液收集槽，实现了工艺流程的自动化作业。
优选地，所述固液分离系统包括固液分离槽、设于固液分离槽中的固体提升输送装置、母液液位传感器以及母液泵；所述固液分离槽设于所述固液收集槽的固液收集槽开口处。在本技术方案中，从斜坡上表面自动流下的硫酸钠结晶和母液可自动汇入固液分离槽，实现了工艺流程的自动化作业。
优选地，所述固液分离槽中设置有溢流堰，所述溢流堰将所述固液分离槽间隔为固体沉降池以及母液缓冲池。在本技术方案中，固体沉降池通过溢流堰结构的设置将母液自动导入母液缓冲池中，完成了母液和硫酸钠结晶的自动分离，实现了工艺流程的自动化作业。
优选地，所述液位传感器和母液泵设于所述母液缓冲池中，所述母液缓冲池通过泵送管路与设于卤水储集池中的热交换器的进液口管道连接，所述热交换器的出液口通过管道与母液蓄水池相连通。在本技术方案中，母液泵通过液位传感器控制启停，通过热交换器将母液缓冲池中的母液自动转移至外部，同时设置经过了卤水储集池的热交换器将母液与卤水储集池中的卤水进行热交换，通过降低卤水储集池中卤水的温度优化了斜坡降膜工序中卤水的结晶效率。
优选地，所述固体提升输送装置设于所述固体沉降池中，所述固体提升输送装置的一端位于固体沉降池的底部。在本技术方案中，所述固体提升输送装置通过驱动装置驱动其内部螺旋结构转动从而将固体物料从一端向另一端输送，通过固体提升输送装置将固体沉降池中底部的硫酸钠结晶提升输送至固体沉降池外装车或通过其他输送机械转运到冻硝堆场，实现了工艺流程的高效率自动化作业。
本发明另一方面提供一种冻硝生产方法，所述冻硝生产方法包括以下工艺步骤：
S1：抽取适当量的矿区地表水，或井水，或补充以冻硝母液，通过卤水淋滤系统直接喷洒至含硝地层上的喷淋沟网，当卤水收集槽中累积足够的下渗卤液，然后卤水淋滤系统从卤水收集槽中抽取卤液不断喷洒至喷淋沟网，进行淋洗循环；
S2：当所述卤水收集槽内卤水浓度达到目标值，将卤水通过卤水输送管道泵送至所述卤水储集池中，并开始新一轮S1；
S3：当天气条件适合冷冻，将含硝卤水从所述卤水储集池通过所述卤水泵送分布系统泵上所述结晶斜坡顶部；卤水沿结晶斜面淌下形成降膜，迅速与环境达成温度平衡，其中的硫酸钠成分达到过饱和，硫酸钠成分不断结晶析出、长大；
S4：母液携带析出的晶体滚下结晶斜坡，进入坡底所述固液收集槽，并通过固液收集槽开口汇流进入所述固液分离槽，冻硝晶体沉淀在溢流堰前的固体沉降池内，母液漫过溢流堰进入母液缓冲池；当安装于母液缓冲池中的液位传感器侦测到母液液位达到设定高位即启动母液泵将母液通过沉于所述卤水储集池中的热交换器转移至母液蓄水池，直至所述母液缓冲池中液位达到设置低位，母液泵停止工作，等待下一轮母液转移；
S5：当固体沉降槽内累积了足够的冻硝晶体，启动所述固体提升输送装置直接将冻硝晶体提升输送至固体沉降池外装车或通过到其他输送机械转运到冻硝堆场。
在本技术方案中，在冻硝季节，每当雨雪或气候不利于冻硝时，停止向坡顶泵送卤水，在环境条件适宜后从步骤S3继续循环。通过利用本发明的装置、系统和流程进行盐硝分离，实现了整个硝矿开采、纯化、结晶分离、富集和采收流程的工业化，达到高纯度，高效率，节能环保的工业目标，并可实现全流程自动化，达到节约人力，通过大规模高效地淋洗含硝地层，在工业生产中获得高纯度硫酸钠和含盐母液的同时将含硝地层进行净化，为后续的土地开发提供了更有利的条件。
优选地，为利用硫酸钠溶解度随温度快速上升的特性，步骤S1宜安排在温暖季节进行，或者对淋洗用水进行加热，有效提高淋洗效率；步骤S4中可通过在结晶斜坡上设置吹风装置，通过增大斜坡外表面空气流速，提高卤水的蒸发效率，增加冻硝晶体析出产量。在本技术方案中，对淋洗用水进行加热可有效的提高淋洗效率，选择在温暖季节进行淋洗作业可在提高效率的同时节省大量能源；通过设置吹风装置增大斜坡表面的空气流速，可大大提高卤水与冷空气热交换的效率，实现高纯度，高产量，节能环保的工业目标。
本发明具有如下优点：
本发明采用淋洗方法溶解含硝地层中的硫酸钠成分，变固体开采为矿区洗提，省去了将大量的沙土运往厂区的工序，也不会在矿区留下大量的矿坑，不会在厂区堆积沙山。能解决或缓解以往固体开采造成的环境和安全问题；
卤水泵送的投资和运行成本都远低于固体矿石运输，所以本发明降低了硝矿单位开采成本，因而降低了对开采地层成矿含量的要求，扩大了可开采储量，延长了硝矿的可开采寿命；
本发明的采硝方法将沙土留在原地，经过淋滤土壤中的盐分大部分被洗走，为今后变成良田创造了条件；
本发明利用斜坡结晶分离系统形成卤水降膜，实现卤水与气温的快速平衡，因而可以根据实际气温灵活准确地选择冻硝温度，将卤水中的硫酸钠彻底析出，不仅冻硝的产量达到几乎最高，经过冷冻的母液中剩余硫酸钠的含量也最低；
本发明的冻硝方法将形成的冻硝晶体即时分离出来，不仅是冻硝过程，也是冻硝固体的采收过程，而且主要利用了节能环保的泵送，替代了传统的易污染高成本机械破碎和开挖；
本发明所采收的冻硝晶体不仅均匀松散易于运送，纯度也很高，无需净化便可直接用于元明粉生产；
本发明冻硝方法能够可以利用晚间的低温，因而每年有更长的可利用的冻硝天数；由于冻硝同时即采收，采收效率达到最高。而传统硝池冻硝法实际利用的其实只是冬天的平均温度，更何况由于需要多年的积累才够开采，所以其他季节硝池平均水温回升又会部分溶解冬天形成的冻硝；
如果采用可拆卸移动的斜坡结晶分离系统，可以充分利用开采区广大地皮，可以方便地在所开采的矿区建设流动“结晶车间”；
如果说传统硝池冻硝法利用了自然力进行盐硝分离，本发明则在利用自然力进行盐硝分离的时候实现了整个硝矿开采、纯化、结晶分离、富集和采收流程的工业化，达到高纯度，高产量，节能环保的所有目标，并可实现全流程智能化；
含硝地层中往往也含有大量共生的其它盐类，尤其氯化钠，通常淋滤所用矿区地表水或井水以及淋滤产物卤水都是硫酸钠和氯化钠的混合溶液，直接蒸发结晶无法生产纯净单一盐产品。本发明的流程通过低温冻硝将混合卤水中的硫酸钠以固体形式彻底分离出来。由于氯化钠溶解度随温度降低很少，不会被冷冻结晶，所以不仅不会影响冻硝的质量，其存在反而在本发明的斜坡盐硝结晶分离过程中降低了母液的结冰温度，从而可以使冷冻温度更低，所得到的母液中硫酸钠含量更低，母液综合利用的价值更高。
本发明虽然主要为冻硝而设计，但也可以运用于理化条件类似的其他物质的洗提，譬如污染土壤的修复工程，将蒸汽或热水洗提的污染物质通过斜坡结晶装置直接分离出来。
附图说明
图1为本发明的一种组合立体布局示意图；
图2为本发明的一种组合立体布局另一角度示意图；
图3为本发明的收集槽和固液分离槽的结构示意图；
附图中：1-含硝地层，2-卤水淋滤系统，3-卤水收集槽，4-卤水输送管道，5-卤水储集池，6-结晶斜坡，7-卤水泵送分布系统，8-固液收集槽，81-固液收集槽开口，9-固液分离槽，91-固体沉降池，92-溢流堰，93-母液缓冲池，94-液位传感器，95-固体提升输送装置，10-母液泵，11-热交换器，12-母液储水池。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步的具体描述：
实施例1
如图1至图3所示，一种盐硝分离系统包括用于对含硝地层1进行循环淋洗的立体开采系统、用于对立体开采系统收集的卤水进行冻硝处理的斜坡冻硝系统以及用于对斜坡冻硝系统输出的母液以及晶体进行分离的固液分离系统，所述斜坡冻硝系统设置有通过卤水输送管道4与所述立体开采系统相连通的卤水储集池5，所述卤水储集池5与设置在所述斜坡冻硝系统上的卤水泵送分布系统7相连接，所述固液分离系统位于斜坡冻硝系统的底部。
其中，所述立体开采系统包括用于对含硝地层1进行淋洗的卤水淋洗系统2、设于含硝地层1中的卤水收集槽3以及设置在含硝地层1中成呈网状分布的卤水收集沟网，所述卤水收集沟网与所述卤水收集槽3相连接，所述卤水收集槽3通过管道与卤水淋滤系统2相连接。
在实施方案中，所述立体开采系统，按照含硝地层1的分布和开采规划，在开采区内按照含硝地层1的分布和厚度合理布局沟渠及开挖深度，形成卤水收集槽网，在含硝地层1上开挖网状分布浅沟或成排钻孔形成喷淋沟网，并与所述收集槽网共同构成卤水立体淋洗体系，对含硝地层1进行有限的破碎以提高淋洗效率；所述卤水淋滤系统2分布在所述含硝地层1上，含硝地层1中挖掘分布的喷淋沟网与卤水收集槽3相连接，所述卤水收集槽3通过管道与卤水淋滤系统2相连接。
另外，所述卤水收集槽3通过所述卤水输送管道4与设置在所述斜坡冻硝系统下方的卤水储集池5相连接。卤水收集槽3中的卤水可通过管道再次注入卤水淋滤系统2中，通过对含硝地层1的反复淋滤，可迅速提高卤水收集槽3中卤水浓度，达到后续工艺处理对高效冻硝结晶的工艺要求。
其中，所述斜坡冻硝系统还包结晶斜坡6以及设于结晶斜坡底部的固液收集槽8；所述卤水泵送分布系统7的进液口与所述卤水储集池5相连接，所述卤水泵送分布系统7的出液口分布在所述结晶斜坡6的顶部。卤水储集池5中的高浓度卤水通过卤水泵送分布系统7运送至结晶斜坡6顶部，使卤水在结晶斜坡6表面均匀降膜，提高了冻硝工艺中对自然低温和风力的利用，结晶出来的晶体随母液滚至坡底固液收集槽，实现了工艺流程的自动化作业。
另外，所述固液分离系统包括固液分离槽9、设于固液分离槽9中的固体提升输送装置95、母液液位传感器94以及母液泵10；所述固液分离槽9设于所述固液收集槽8的固液收集槽开口81处。从结晶斜坡6上表面自动流下的硫酸钠结晶和母液可自动汇入固液分离槽9，实现了工艺流程的自动化作业。
其中，所述固液分离槽9中设置有溢流堰92，所述溢流堰92将所述固液分离槽9间隔为固体沉降池91以及母液缓冲池93。固体沉降池91通过溢流堰92结构的设置将母液自动导入母液缓冲池93中，完成了母液和硫酸钠结晶的自动分离，实现了工艺流程的自动化作业。
另外，所述液位传感器94和母液泵10设于所述母液缓冲池93中，所述母液缓冲池93通过母液泵10与设于卤水储集池5中的热交换器11的进液口管道连接，所述热交换器11的出液口通过管道与母液蓄水池12相连通。母液泵10通过液位传感器94控制启停，通过热交换器11将母液缓冲池93中的母液自动转移至外部，同时设置经过了卤水储集池5的热交换器11将母液与卤水储集池5中的卤水进行热交换，通过降低卤水储集池5中卤水的温度优化了斜坡降膜工序中卤水的结晶效率。
其中，所述固体提升输送装置95设于所述固体沉降池91中，所述固体提升输送装置95的一端位于固体沉降池91的底部。所述固体提升输送装置95通过驱动装置驱动其内部螺旋结构转动从而将固体物料从一端向另一端输送，通过固体提升输送装置95将固体沉降池91中底部的硫酸钠结晶提升输送至固体沉降池91外装车或通过其他输送机械转运到冻硝堆场，实现了工艺流程的高效率自动化作业。
实施例2
一种冻硝生产方法，所述冻硝生产方法包括以下工艺步骤：
S1：抽取适当量的矿区地表水，或井水，或补充以冻硝母液，通过卤水淋滤系统2直接喷洒至含硝地层1上的喷淋沟网，当卤水收集槽3中累积足够的下渗卤液，然后卤水淋滤系统2从卤水收集槽3中抽取卤液不断喷洒至喷淋沟网，进行淋洗循环；
S2：当所述卤水收集槽3内卤水浓度达到目标值，将卤水通过卤水输送管道4泵送至所述卤水储集池5中，并开始新一轮S1；
S3：当天气条件适合冷冻，将含硝卤水从所述卤水储集池5通过所述卤水泵送分布系统7泵上所述结晶斜坡6顶部；卤水沿结晶斜坡6斜面淌下形成降膜，迅速与环境达成温度平衡，其中的硫酸钠成分达到过饱和，硫酸钠成分不断结晶析出、长大；
S4：母液携带析出的晶体滚下结晶斜坡6，进入坡底所述固液收集槽8，并通过固液收集槽开口81汇流进入所述固液分离槽9，冻硝晶体沉淀在溢流堰92前的固体沉降池91内，母液漫过溢流堰92进入母液缓冲池93；当安装于母液缓冲池93中的液位传感器94侦测到母液液位达到设定高位即启动母液泵10将母液通过沉于所述卤水储集池5中的热交换器11转移至母液蓄水池12，直至所述母液缓冲池93中液位达到设置低位，母液泵10停止工作，等待下一轮母液转移；
S5：当固体沉降槽91内累积了足够的冻硝晶体，开动所述固体提升输送装置95直接将冻硝晶体提升输送至固体沉降池91外装车或通过其他输送机械转运到冻硝堆场。
另外，在冻硝季节，每当雨雪或气候不利于冻硝时，停止向坡顶泵送卤水，在环境条件适宜后从步骤S3继续循环。通过利用本发明的装置、系统以及流程进行盐硝分离，实现了整个硝矿开采、纯化、结晶分离、富集和采收流程的工业化，达到高纯度，高效率、节能环保的工业目标，并可实现全流程自动化，达到节约人力，通过大规模高效地淋洗含硝地层，在工业生产中获得高纯度硫酸钠和含盐母液的同时将含硝地层进行净化，为后续的土地开发提供了更有利的条件。
其中，为利用硫酸钠溶解度随温度快速上升的特性，步骤S1宜安排在温暖季节进行，或者对淋洗用水进行加热，有效提高淋洗效率；步骤S4中通过在结晶斜坡6上设置吹风装置，通过增大结晶斜坡6外表面空气流速，提高卤水的蒸发效率，增加冻硝晶体析出产量。对淋洗用水进行加热可有效地提高淋洗效率，选择在温暖季节进行淋洗作业可在提高效率的同时节省大量能源；通过设置吹风装置增大结晶斜坡6表面的空气流速，可大大提高卤水结晶的效率，实现高纯度，高产量，节能环保的工业目标。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本发明虽然主要为冻硝而设计，但也可以运用于理化条件类似的其他物质的洗提，譬如污染土壤的修复工程，将蒸汽或热水洗提的污染溶液通过斜坡结晶装置直接分离出来。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
