高含盐废水零排放蒸发结晶技术进展

　　随着水资源的日益短缺,实现工业废水零排放是大势所趋,用于高含盐废水零排放的蒸发结晶技术的核心是蒸发。介绍了多效蒸发、热力蒸汽再压缩蒸发、机械蒸汽再压缩蒸发、降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发等的工艺流程、技术特点、存在的问题及其应用情况,指出不同企业应根据实际情况,选择适宜的蒸发结晶工艺,在最大限度地对废水进行回用的基础上实现废水零排放,为可持续发展作贡献。

　　水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素,实现工业废水零排放是大势所趋。美国在1970年首次提出了废水零排放的规定,美国电力研究中心将废水零排放定义为“不向地面水域排放任何形式的水(包括排出或渗出),所有离开电厂的水都是以湿气的形式或是固化在灰渣中”[1-2]。

　　我国于2005年颁布的《中国节水技术政策大纲》明确提出要发展外排废水回用及“零排放”技术。实现工业废水零排放,首先要通过优化工艺,提高装置的用水效率,降低水耗;之后采用超滤(UF)、电渗析(EDR)、反渗透(RO)等工艺将废水充分回用;经过深度浓缩的高含盐废水再通过蒸发结晶等过程最终实现废水的零排放。本文对几种蒸发结晶技术及其应用情况进行介绍。

　　1几种蒸发工艺流程介绍

　　对于废水深度处理过程产生的高含盐污水,可以通过蒸发结晶技术最终实现液体的零排放。蒸发结晶的技术核心是蒸发,目前国内外常用的蒸发技术主要有多效蒸发、热力蒸汽再压缩蒸发、机械蒸汽再压缩蒸发以及降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发等[3]。

　　1.1多效蒸发

　　多效蒸发(MultipleEffectEvaporation,MEE)是将几个蒸发器连接起来操作,前一效蒸发器产生的二次蒸汽作为后一效蒸发器的热源,以提高热能利用效率,图1为五效蒸发的流程简图。MEE的优点是进水预处理简单;应用较灵活,既可以单独使用,也可以与其它方法联合使用;系统操作安全可靠。

图1五效蒸发流程示意图

　　1.2热力蒸汽再压缩蒸发

　　热力蒸气再压缩蒸发(ThermalVaporRecompression,TVR)根据热泵原理,生蒸汽经过文丘里蒸气喷射式热泵,产生相对的负压环境,抽吸来自一效加热室的二次蒸汽的一部分,混合增压、提升温度后作为一效的加热蒸汽,以提高热能利用率,流程如图2所示[4]。

　　根据其效能特点,使用一台热力蒸汽压缩器所节约的能源与增加一效蒸发器所节约的能源相当,因此应用较为广泛。

　　在设备上TVR较多效蒸发系统只增加了蒸汽喷射泵,多效+蒸汽喷射泵组合比单纯的多效蒸发更节能。TVR技术根据喷射泵原理操作,没有活动部件,设计简单、有效,并能确保操作的高度可靠性。热力蒸汽压缩器在运行过程中仍需连续供给一定数量的鲜蒸汽[5]。

图2热力蒸气再压缩蒸发流程示意图

　　1.3机械蒸汽再压缩蒸发

　　机械式蒸汽再压缩(MechanicalVaporRecompression,MVR或MVC),又称机械热压缩,其流程示意图见图3。MVR采用机械压缩机将蒸发器产生的全部二次蒸气压缩,增加热焓后送到蒸发器的加热室作热源,使料液维持沸腾状态,而加热蒸汽本身冷凝成水。

　　在装置启动过程中需供给生蒸气,正常运行后不再需要生蒸气的供给,因此提高了热效率,减少了对外部热源的需求,降低了能耗。MVR采用单效操作,料液停留时间短,能耗和运行成本低,占地面积小,公用工程配套少[6]。

　　1.4降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发

　　“降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发”技术,是目前处理高含盐废水最有效、最经济的方法。这种蒸发器采用降膜式蒸发,并在机械蒸气再压缩蒸发的基础上增加了液体再循环泵,将液料强制循环。图4为该工艺的流程简图。

图4降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发流程示意图

　　待处理的高含盐废水首先进入换热器预热,再经过除气器,脱除水里的氧气和二氧化碳及不溶气体后进入浓缩器底槽,和在浓缩器内部循环的盐水混合;混合盐水被泵至换热器管束顶部水箱,通过换热管顶部的盐水分布件流入换热管内,呈均匀的薄膜状下降至底糟,同时吸收管外蒸气的热能而蒸发;管内蒸汽和未蒸发的盐水一起下降至底糟,底糟内的二次蒸汽经压缩机增压后进入浓缩器的换热管外,对沿换热管内壁下降的盐水膜加热,使部分盐水蒸发,压缩蒸汽则在换热管外壁上冷凝成蒸馏水;蒸馏水被泵经换热器后进储罐待用,同时给新流入的 48 31746 48 15231 0 0 4052 0 0:00:07 0:00:03 0:00:04 4052废水加热;底槽内的部分盐水被排放,以控制浓缩器内盐水的浓度。

　　用这种蒸发器蒸发废水所需要的热量由蒸汽冷凝和冷凝水冷却所释放的热能提供,在运行过程中消耗的只是驱动蒸发器内的废水、蒸汽和冷凝水流动的泵体以及控制系统所需要的电能。在含盐废水首次经过效体达不到所需浓度时,可通过循环泵抽到效体上部再次循环,直至达到所需浓度,因此该工艺采用单效蒸发器可以达到多效蒸发的效果。

　　1.5几种蒸发器的比较

　　多效蒸发(MEE)技术成熟,可处理废水范围广,所需生蒸气量大。由于各效的压力和温度由前到后依次降低,为达到蒸发效率需要依次增加换热面积,这会显著增加装置投资,因此并非效数越多越好,效数的多少要综合考虑热量利用和设备的投资情况。

　　热力蒸气再压缩蒸发(TVR),将一部分二次蒸汽压缩,提高热焓后作热源,节省了部分生蒸气,比MEE工艺更加节能,但TVR在蒸发过程中仍需连续供给生蒸气。

　　机械蒸汽再压缩蒸发(MVR)能最大程度地利用二次蒸汽,节能效果显著。MVR一般采用单效操作,在启动时需要新鲜蒸汽供给,正常运行后不需另行供给蒸汽。但MVR对蒸汽压缩机能力的要求很高,蒸汽压缩机基本采用国外进口,价格高昂。其总体优势在于低能耗、低成本运行,占地面积小,公用工程配套少。

　　降膜式机械蒸汽再压缩循环蒸发不但具有MVR的优点,并以单体蒸发器集多效降膜蒸发于一身,即单效蒸发器可以达到多效蒸发的效果,液料强制循环还可以减少堵塞。

　　2存在的问题

　　高盐废水零排放技术的难点在于设备容易结垢污堵、腐蚀性强、投资大、成本高、发泡等。

　　2.1结垢

　　浓盐废水中常含有溶解度很低的盐分,经蒸发浓缩后,很快达到饱和并析出,在设备上结垢,使得蒸发器和结晶器的传热系数下降,清洗频繁,严重降低系统的在线率[7-8]。

　　“晶种法”技术可以缓解蒸发器换热管结垢的问题,被广泛用于各种含盐工业废水的处理。“晶种法”以硫酸钙为基础,废水里一般都含有钙和硫化物,蒸发器开始运行前,如果废水里自然存在的钙和硫化物离子含量不足,可以人工补加。

　　在废水中加添硫酸钙“种子”,使废水中的钙和硫化物离子浓度达到适当水平,在废水开始蒸发时,水里开始结晶的钙和硫酸钙离子就附着在这些“种子”上,并保持悬浮在水中,不会附着在换热管表面结垢,这种现象称为“选择性结晶”。应用“晶种法”技术的蒸发器通常能连续运行长达一年或以上,才需定期清洗保养。一般情况下,除了在蒸发器启动时可能需要加添“晶种”外,正常运行时不需再添加。

　　另外,采用蒸汽走换热管内,盐水走管外的方式有利于对垢物的清洗。广东某电厂引进美国“卧式薄膜喷淋蒸发系统+结晶系统”废水零排放技术,将薄膜喷淋蒸发和双效蒸发相结合,两者蒸汽均走管内,浓水在管外,更易于清理[9]。

　　2.2腐蚀与投资

　　浓盐废水经蒸发浓缩后,常含有高浓度的氯离子等腐蚀性杂质,对设备的选材和制造的要求很高,通常适用的材质包括Ti、Ti合金、6%Mo、625、2205、316L等,导致投资极高。蒸发器及结晶器的吨水投资费用,采用进口设备为150~200万元,采用引进技术的国内制造设备为110~140万元[9]。

　　2.3发泡

　　浓盐废水中常存在有机物杂质,通常具有易发泡的特性。如果蒸发器和结晶器内的泡沫得不到控制,将严重损坏机械压缩机,并污染产品水水质[3]。因此,在高盐废水进入蒸发器前,应尽量将其中的有机污染物脱除。

　　3蒸发结晶技术的应用

　　蒸发结晶技术在电力、石油化工、采油行业,特别是煤化工行业的高含盐废水零排放中有较广泛的应用。在电力行业,欧美国家燃煤电厂废水“零排放”系统应用较多的是MVR降膜蒸发器[10-11]。意大利国家电网公司(ENEL)旗下五个燃煤电厂的脱硫废水,采用蒸发结晶技术对脱硫废水进行了深度处理,最终实现了废水的零排放。国内广东河源电厂采用“预处理+四效蒸发+结晶”工艺对湿法脱硫产生的废水进行了深度处理,处理量为22m3/h,系统投资9750万元。

　　恒益电厂脱硫废水“零排放”系统引进美国卧式薄膜喷淋MVC蒸发/结晶处理工艺,设计处理量20m3/h,系统总投资约6000万元。

　　石油化工企业在丙烯酸纤维液处理、聚氯乙烯废液处理等领域应用蒸发技术很广泛,北美、中东、埃及以及我国的金山石化、兰州石化等都有这些技术的应用。新疆华泰重化工有限责任公司和新疆中泰化学阜康能源有限公司氯乙烯装置的含汞废水,经蒸发结晶装置深度处理后,全盐量脱除率均在97.5%以上,氯离子脱除率在97%以上。

　　煤化工行业中内蒙古神华煤油公司采用蒸发结晶法处理浓盐废水,其装置由美国GE公司和四川自贡轻工业设计研究院共同完成,由两效降膜循环蒸发器和一台外加热式强制循环蒸发结晶器组成。该蒸发结晶系统2009年底建成试车,2010年8月转入正常运行。

　　在采油行业,2002年加拿大阿尔伯达油田将蒸发法应用于SAGD(SteamAssistedGravityDrainage)工艺装置,深度处理油田污水。荷兰、德国、中东等一些国家,将蒸发技术广泛用于油田污水处理,实现了出水的回用。国内2004-2005年,胜利油田分公司与中国石油大学利用多效蒸发技术在单家寺油田进行了油田污水深度处理的试验研究,处理能力3~5m3/h,处理后的水达到锅炉用水要求。

　　4结语

　　随着水资源日益短缺,工业废水实现零排放是发展趋势。对于高含盐废水的零排放,应根据实际情况合理选择蒸发结晶工艺。在蒸气来源较便利的企业可以选择多效蒸发、热力蒸气再压缩蒸发,而在蒸气匮乏、电力较充足的地域可选用机械蒸汽再压缩循环蒸发。在最大限度地对废水进行回用的基础上,实现零排放,为可持续发展作贡献。

来源《广州化工》

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