機械蒸汽再壓縮處理高鹽有機廢水進展

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(1.徐州工程學院 化學化工學院，江蘇 徐州 221111；2江蘇藍豐生物化工股份有限公司 環(huán)保部，江蘇 徐州 221400)

1 概述

常見處理高鹽廢水的方法有化學法、生物法和物理法?；瘜W法有離子交換、電解和微電解、高級氧化等。鄭常春[11]等報道各種高級氧化技術的投資成本低，但是運行成本普遍較高。生物法有好氧法和厭氧法。施帥帥[12]等的研究發(fā)現(xiàn)當鹽度增大時，生物法處理時會出現(xiàn)問題：處理時間加長，去除率明顯下降。物理法[13]有膜分離和蒸發(fā)，膜分離成本較高，目前應用廣泛的脫鹽技術是蒸發(fā)。機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)是最新節(jié)能型的技術，自世界能源危機以來越來越受重視。2007年MVR技術引入中國后，已被廣泛應用于乳品行業(yè)，食品加工和廢水處理等領域。

本文全面介紹了MVR的原理、設備功能及其在廢水處理中應用的優(yōu)缺點，與其他綜述文獻不同的是，本文重點比較分析了運行中的技術難點和經濟成本。

2 MVR簡介

2.1 基本原理

MVR技術在1917年由瑞士的的Sulzer-Escher發(fā)明，第一臺MVR設備在奧地利被設計安裝。其原理是料液經蒸發(fā)器蒸發(fā)產生二次蒸汽，經分離器分離后再經壓縮機壓縮，從而提高壓力、升高溫度、增加熱焓，然后作為加熱蒸汽循環(huán)使用的技術[14-15]，充分利用了蒸發(fā)過程中產生二次蒸汽的冷凝潛熱，從而減少蒸發(fā)濃縮過程對外界能源需求[16]。工作原理[17]如圖1所示，蒸發(fā)器分離出來的二次蒸汽經壓縮機壓縮后，溫度壓力升高，熱焓增大，然后進入加熱室冷凝并釋放潛熱，受熱的料液得到熱量后汽化產生二次蒸汽經分離后進入壓縮機，重復上述操作，完成液通過結晶罐結晶，最后經離心機偶去除各類鹽。整個過程主要向壓縮機提供電能，省去了蒸汽和冷卻水的能源消耗。

1.蒸發(fā)原液；2.冷凝水(冷)；3.冷凝水(熱)；4.壓縮后的二次蒸汽；5.二次蒸汽；6.濃縮液；7.換熱器；8.蒸發(fā)加熱室；

9.分離器；10.壓縮機；11.冷凝水泵；12.循環(huán)水泵

圖1 MVR的工作原理

2.2 主要設備

MVR的主要設備包括預熱器、蒸汽壓縮機、汽液分離器和蒸汽換熱器等。(1)進入預熱器的待蒸發(fā)溶液一般為20～25℃，在預熱器中用列管式換熱器將原料液預加熱，管程內為物料、殼程內為蒸汽，殼程內配有多個折流板，增加擾動強化傳熱，采用強制循環(huán)軸流泵做動力，使物料循環(huán)蒸發(fā)，提高物料的流速以免換熱管結垢。(2)蒸汽壓縮機轉速通常為980rmp～1450rmp為了提高系統(tǒng)內二次蒸汽熱焓，由它壓縮二次蒸汽，持續(xù)向系統(tǒng)提供蒸汽。壓縮機有離心式壓縮機和羅茨式壓縮機兩種，離心式壓縮機屬于葉片式風機，適合蒸發(fā)量較大但物料沸點升高不大的情況。茨式壓縮機屬于容積式風機，適用于蒸發(fā)量較小但沸點升高較大的情況[18]。(3)汽液分離器主要用于將濃縮液體和蒸汽分離，在蒸發(fā)中還起到物料沉降和晶體生長的作用。(4)換熱后原液通過進料泵裝入蒸汽換熱器，溫差ΔT≥20℃并且與蒸汽壓縮機產生的蒸汽進行換熱，使其汽化蒸發(fā)，換熱器的形式可根據原液的特性選擇[19]。

2.3 優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點

①系統(tǒng)只有在開車時需要少量蒸汽，當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后可以不需要蒸汽或僅需極少量的蒸汽用以補充熱平衡。整個系統(tǒng)能耗主要是壓縮機的電耗，運行費用大幅下降。

②整個系統(tǒng)只有一個加熱室，不需要冷凝器， 無需冷卻水，節(jié)省了設備投資和動力消耗。

③結構簡單，操作容易，占地面積小[20]。

④用電代替蒸汽，節(jié)約能源折標煤40%～60%左右[17]。

⑤可用于熱敏物料的蒸發(fā)，蒸發(fā)產品的結構不易被破壞。

(2)缺點

①機械蒸汽再壓縮整體設備較為昂貴，前期投資比較高，造價約為四效降膜蒸發(fā)器的1.8倍[21]。

②整個系統(tǒng)運行受海拔高度影響，在高海拔地區(qū)耗電較為嚴重，增加了能耗。

③生產能力不足，蒸發(fā)不穩(wěn)定，出料濃度的干物質含量不穩(wěn)定[22]。

3 MVR在高鹽有機廢水處理中的應用

3.1 應用目的

3.2 技術問題和解決策略

盡管MVR已經發(fā)揮了很好的效果，但是運行中仍有許多技術問題對運行效果有所影響[22]，比如物料物性對MVR的選擇、沸點升高對蒸發(fā)的影響、結垢結焦問題等。目前的解決策略報道有：王帥[25]等研究了物料的物性對MVR性能的影響，并根據不同物料的物性對MVR進行選擇，對沸點溫度升高較大的物料，一般采用MVR單效蒸發(fā)；高濃度物料需要使用強制循環(huán)或刮板蒸發(fā)器以防止物料流速太慢而結焦；熱敏性物料要求停留在蒸發(fā)器內的時間短，若是蒸發(fā)的物料對溫度的高低有相應需求則需考慮蒸發(fā)溫度的高低、蒸發(fā)器的型式與流程。仲濤[26]等報道，提高蒸發(fā)溫度會使物料的沸點升高，從而影響蒸發(fā)器設計參數。物料中的少量有機物及鹽導致料液的整體沸點升高，使得在MVR設計中要增加換熱器的換熱面積，而在設計蒸發(fā)量不變的情況下，還要增加壓縮機的壓縮比和減少系統(tǒng)總傳熱面積。馬文杰[27]等研究了處理MVR結垢的方法，分類分析垢樣后，選擇了化學除垢法。對碳酸鈣垢用5%～10%的鹽酸加緩蝕劑進行溶解去除；對硫酸鈣垢先用堿處理，再用鹽酸常溫浸泡，除垢率可達100%；對于碳酸鈣和硫酸鈣混合垢，用酸和堿交替處理效果較好；CaSiO3和SiO2等硅酸鹽垢先用火堿溶液煮，1～2天后硅垢變較松軟，再用鹽酸加氟化鈉進行清洗。

3.3 能耗和成本分析

MVR蒸發(fā)器以消耗電能為主，主要的運行成本來源于壓縮機耗電，廢水的單位處理量和不同的單位電價對成本也有相應的影響。MVR處理高鹽有機廢水電費和成本如圖2顯示：蒸發(fā)一噸水平均耗電范圍為24～50kW·h。方健才[28]報道處理氯化銨廢水，單位處理量為3t/h，年處理時間7200h，結果單位廢水耗電46kW·h/t，折18.45kgce/t水(每kW·h電折0.404kgce)；按照電價為0.6元/kW·h計，每噸廢水成本為29.6元。

葉正茂[29]等報道硫酸銨廢水(氯離子濃度100 000mg/L)處理，單位處理量為50t/h，年處理7920h，結果顯示單位廢水耗電24kW·h/t，折9.70kgce/t水，電價為0.6元/kW·h，每噸水成本為14.4元。

在張向陽[30]報道含硫酸鈉廢水處理，蒸發(fā)量為20t/h，單位廢水電量消耗36kW·h/t，折14.38kgce/t水，單位電價為0.75元/kW·h，處理噸水成本為34.72元。

圖中處理氯化銨和硫酸銨廢水單位電價為0.6元/kW·h，處理硫酸鈉廢水的單位電價為0.75元/kW·h

圖2 MVR處理不同廢水單位電耗和成本比較

4 結語

今后的蒸發(fā)包括MVR技術和生物處理組合處理將是高鹽度有機廢水的應用方向，著名學者Olivier Lefebvre[31]也提出高鹽有機廢水處理的主要方向將是將物化和生物技術結合。筆者更想指出的是在技術穩(wěn)定的基礎上進一步降低成本，也是今后機械蒸汽再壓縮處理高鹽有機廢水的發(fā)展方向。