高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶工藝優(yōu)化研究

林清武

(中國昆侖工程有限公司吉林分公司，吉林 吉林 132013)

2007年11月，國家頒布《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》，要求在鋼鐵、電力、化工、煤炭等重點(diǎn)行業(yè)，推廣廢水循環(huán)利用，努力實(shí)現(xiàn)廢水少排放或零排放。2017年1月，原國家環(huán)保部發(fā)布《火電廠污染防治技術(shù)政策》，鼓勵(lì)采用蒸發(fā)干燥或蒸發(fā)結(jié)晶等處理工藝，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水不外排。2017年2月，國家能源局發(fā)布《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》，要求無納污水體的新建示范項(xiàng)目通過利用結(jié)晶分鹽等技術(shù)，將高鹽廢水資源化利用。

國內(nèi)外對(duì)高含鹽廢水“零排放”處理一般采用蒸發(fā)塘自然蒸發(fā)、多效蒸發(fā)結(jié)晶、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝。蒸發(fā)塘自然蒸發(fā)是利用太陽能自然蒸發(fā)的方式蒸發(fā)水分，使鹽分留在池底定期清理，只有多年平均蒸發(fā)量為降雨量的3～5倍以上的區(qū)域才能適合。機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝因蒸汽壓縮機(jī)溫升8～10 ℃，常與降膜蒸發(fā)器配套使用，主要用于高鹽廢水的蒸發(fā)濃縮(TDS含量不大于240 000 mg/L)，多效蒸發(fā)結(jié)晶可針對(duì)高鹽廢水的含鹽量和水量變化隨時(shí)調(diào)整蒸汽量，以達(dá)到控制蒸發(fā)量，因此運(yùn)行穩(wěn)定性和操作靈活性上較機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)更有優(yōu)勢(shì)。

1 中型試驗(yàn)

1.1 原料及進(jìn)水水質(zhì)

表1 煤化工高鹽廢水水樣化驗(yàn)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)流程

蒸發(fā)結(jié)晶工藝采用三效順流流程，一效采用傳熱溫差損失小、傳熱速率高的降膜蒸發(fā)器，二、三效采用抗鹽析、抗結(jié)疤堵管能力強(qiáng)的強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，工藝流程見圖1。

1―溶解罐A；2―溶解罐B；3―進(jìn)料泵；4―一效蒸發(fā)器；5―一效分離器；6―一效循環(huán)泵；7―二效蒸發(fā)器；8―二效分離器；9―二效循環(huán)泵；10―三效蒸發(fā)器；11―三效分離器；12―三效循環(huán)泵；13―出鹽泵；14―稠厚器；15―離心機(jī)；16―母液罐；17―母液泵；18―間接冷凝器；19―真空泵；20―涼水塔；21―循環(huán)水泵；22―產(chǎn)品水泵圖1 煤化工高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶中型試驗(yàn)工藝流程

如圖1所示，溶解罐A中按一定比例加入結(jié)晶鹽和產(chǎn)品水，通過攪拌溶解，配置成一定濃度的高鹽廢水，自流到溶解罐B。溶解罐B中的高鹽廢水經(jīng)進(jìn)料泵輸送至一效蒸發(fā)器，在一效循環(huán)泵的作用下進(jìn)行效內(nèi)循環(huán)，與一效蒸發(fā)器殼程新鮮蒸汽間接換熱，然后在一效分離器進(jìn)行汽/液分離：汽相進(jìn)入二效蒸發(fā)器的殼程，液體經(jīng)一效循環(huán)泵輸送至二效蒸發(fā)器繼續(xù)濃縮，在二效循環(huán)泵的作用下進(jìn)行效內(nèi)循環(huán)，與二效蒸發(fā)器殼程二次蒸汽間接換熱后在二效分離器進(jìn)行汽/液分離：汽相進(jìn)入三效蒸發(fā)器殼程，液體輸送至三效蒸發(fā)器繼續(xù)濃縮，在三效循環(huán)泵的作用下進(jìn)行效內(nèi)循環(huán)，與三效蒸發(fā)器殼程二次蒸汽間接換熱后在三效分離器進(jìn)行汽/液分離：汽相進(jìn)入間接冷凝器冷凝，最終濃縮液通過出鹽泵輸送至稠厚器、經(jīng)離心機(jī)離心分離，得到氯化鈉產(chǎn)品鹽，離心母液至母液罐，然后經(jīng)母液泵返回三效分離器繼續(xù)蒸發(fā)濃縮結(jié)晶出氯化鈉。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)水COD、SS濃度的變化規(guī)律

2.1.1 現(xiàn)象

如圖2所示，隨著蒸發(fā)結(jié)晶過程中水分的不斷蒸發(fā)，高鹽廢水COD質(zhì)量濃度與高鹽廢水中的含鹽量(TDS)成比例增長。當(dāng)高鹽廢水達(dá)到過飽和濃度，就會(huì)析出氯化鈉晶體顆粒，三效分離器內(nèi)晶漿溶液達(dá)到15%以上固含量時(shí)，經(jīng)離心機(jī)分離氯化鈉產(chǎn)品鹽后，母液返回三效分離器，這時(shí)的COD濃度基本與三效分離器內(nèi)COD濃度基本一致。進(jìn)水中約50%的COD會(huì)隨著蒸汽冷凝水和結(jié)晶鹽排出系統(tǒng)外，而其余50%含量的COD會(huì)隨著母液返回蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)內(nèi)富集。隨著蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)內(nèi)COD不斷富集，在高鹽廢水蒸發(fā)表面易產(chǎn)生氣泡層，影響蒸發(fā)效率，且隨著蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)內(nèi)COD濃度不斷提升，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝水和結(jié)晶鹽的COD濃度也會(huì)提升，因此需定期將部分母液排出蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。

圖2 高鹽廢水中COD、SS濃度隨蒸發(fā)結(jié)晶過程的變化

高鹽廢水中的懸浮物(SS)濃度也會(huì)隨著蒸發(fā)結(jié)晶過程中水分不斷蒸發(fā)，與高鹽廢水中的TDS一樣成比例增長。每效分離器內(nèi)二次蒸汽出口前都設(shè)置除沫裝置，二次蒸汽夾帶的懸浮物大部分被截留在除沫器上，隨著除沫器清洗回到蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)內(nèi)，漂浮在高鹽廢水蒸發(fā)表面，阻礙分離器內(nèi)水分的蒸發(fā)。當(dāng)出料泵輸送三效分離器內(nèi)晶漿到稠厚器時(shí)，雖然稠厚器內(nèi)設(shè)有攪拌器，但大部分懸浮物與結(jié)晶顆粒易分層，先離心出結(jié)晶鹽后出懸浮物，因此容易使離心機(jī)篩網(wǎng)堵塞，頻繁清洗，造成二次污染。

2.1.2 工藝措施

(1)隨著進(jìn)水中的COD質(zhì)量濃度增加，蒸汽冷凝水和產(chǎn)品鹽的COD質(zhì)量濃度也會(huì)增加，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品水的水質(zhì)指標(biāo)和產(chǎn)品鹽純度的要求，控制進(jìn)水COD質(zhì)量濃度不大于50 mg/L。

(2)隨著母液不斷循環(huán)回蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)COD、SS不斷富集，最終影響三效分離器內(nèi)的蒸發(fā)結(jié)晶速率和蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此應(yīng)增加母液干燥系統(tǒng)，定期排出一定量母液進(jìn)行干燥處理。

(3)高鹽廢水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶前，應(yīng)采用臭氧催化氧化等高級(jí)氧化工藝去除長鏈烴，降低COD濃度及色度。

(4)強(qiáng)化預(yù)處理，使進(jìn)水中的懸浮物濃度不大于20 mg/L。

2.2 進(jìn)水Ca2+、Mg2+的變化規(guī)律

2.2.1 現(xiàn)象

從圖3(b)可知，進(jìn)水中87%含量的Ca2+沉積在設(shè)備或管道內(nèi)，9%含量的Ca2+隨著結(jié)晶產(chǎn)品鹽排出蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，剩余基本留在母液，返回蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)；Mg2+溶解度高，進(jìn)水中56%含量的Mg2+留在母液，返回蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，42%含量的Mg2+與Ca2+形成混合結(jié)垢留在蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)內(nèi)，在設(shè)備或管道表面形成鈣鎂混合結(jié)垢。

2.2.2 工藝措施

(1)Ca2+容易沉積在設(shè)備或管道內(nèi)，應(yīng)避免Ca2+在降膜蒸發(fā)器內(nèi)達(dá)到過飽和狀態(tài)。

(2)Ca2+、Mg2+的無機(jī)鹽沉淀，容易堵塞離心機(jī)篩網(wǎng)及影響產(chǎn)品鹽白度。

(3)通過化學(xué)軟化和離子交換預(yù)處理去除進(jìn)水中Ca2+、Mg2+硬度。

圖3 高鹽廢水中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度隨蒸發(fā)結(jié)晶過程的變化

2.3 進(jìn)水濃度的變化規(guī)律

2.3.1 現(xiàn)象

通過這種模擬制造的方式進(jìn)行虛擬化生產(chǎn)，還能有效節(jié)約人力物力的投入，減少能源的損耗，并保障機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)也能在一定程度上顯著增強(qiáng)企業(yè)在激烈市場(chǎng)環(huán)境下的核心競爭力，使企業(yè)能夠在變化莫測(cè)的市場(chǎng)中具備更高的靈活性與應(yīng)變能力，并依據(jù)市場(chǎng)的實(shí)際需求對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品制造方案進(jìn)行不斷地改進(jìn)與調(diào)整，從而使機(jī)械設(shè)備制造更能滿足市場(chǎng)需求。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備制造柔性化與虛擬化發(fā)展目標(biāo)提供了可靠的技術(shù)支撐。

2.3.2 工藝措施

圖4 高鹽廢水質(zhì)量濃度隨蒸發(fā)結(jié)晶過程的變化

2.4 進(jìn)水TDS的變化規(guī)律

2.4.1 現(xiàn)象

調(diào)整結(jié)晶鹽和產(chǎn)品水的比例，分別配置不同TDS質(zhì)量濃度的高鹽廢水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶中型試驗(yàn)。

從圖5可知，隨著進(jìn)水中TDS質(zhì)量濃度增加，單位體積高鹽廢水所消耗蒸汽量緩慢增加、總的蒸汽量下降幅度大，但TDS濃度越高下降幅度越小。

圖5 高鹽廢水量和蒸汽量隨TDS質(zhì)量濃度的變化

隨著TDS質(zhì)量濃度增加，相同鹽總量條件下，水量減少，運(yùn)行費(fèi)用減少、設(shè)備投資也減少。因此，高鹽廢水“零排放”項(xiàng)目中，應(yīng)盡量提高進(jìn)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)高鹽廢水的TDS質(zhì)量濃度，濃縮到100 000 mg/L以上，以降低工程投資和整個(gè)“零排放”項(xiàng)目的運(yùn)行費(fèi)用。

3 結(jié) 論

通過中型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，結(jié)合國內(nèi)“零排放”工程項(xiàng)目的調(diào)研，得出如下結(jié)論。

(1)蒸發(fā)結(jié)晶是高鹽廢水“零排放”項(xiàng)目中工程投資和運(yùn)行費(fèi)用最高的單元，應(yīng)采用高濃縮倍數(shù)膜裝置將TDS濃縮到100 000 mg/L以上。

(2)以分鹽結(jié)晶產(chǎn)品化為目的的“零排放”項(xiàng)目預(yù)處理應(yīng)采用化學(xué)軟化、離子交換、脫碳塔工藝去除硬度和堿度。

(3)為保證結(jié)晶鹽的純度、白度及蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，高鹽廢水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)前應(yīng)設(shè)置臭氧催化氧化等高級(jí)氧化裝置，以降低高鹽廢水中的COD及色度，COD質(zhì)量濃度宜控制在不大于50 mg/L。