空氣循環(huán)蒸發(fā)分離電鍍廢水處理系統(tǒng)噴霧分離塔試驗(yàn)研究

陳 聰，金蘇敏，陳 亮

（南京工業(yè)大學(xué) 制冷與空調(diào)實(shí)驗(yàn)室，南京 211816）

符號說明：

ηt——熱效率；

t——溫度，℃；

DS——干燥強(qiáng)度，kg/（m3·h）；

DW——水分蒸發(fā)量，kg/h；

V——有效干燥區(qū)域體積，m3；

L——體積流量，L/h；

m——質(zhì)量流量，kg/h；

w——含濕量，g/kg；

x——濃度；

0——下標(biāo)，環(huán)境；

a——下標(biāo)，濕空氣；

da——下標(biāo)，干空氣；

in——下標(biāo)，入口；

out——下標(biāo)，出口；

s——下標(biāo)，溶液；

sp——下標(biāo)，噴霧分離塔。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)廢水尤其是電鍍廢水的排放量持續(xù)增長。電鍍廢水中除了存在Cr，Cu，Ni等重金屬物質(zhì)外，還存在堿性和酸性物質(zhì)，以及劇毒物質(zhì)氰化合物，對環(huán)境和人體健康具有極大威脅［1］。常見的電鍍廢水處理方法可分為化學(xué)法、物理法、生物法等［2］。其中化學(xué)法需要投入大量藥劑，容易造成二次污染［3］。生物法會(huì)存在反應(yīng)效率低、成本高等問題［4-6］。而物理法中的濃縮結(jié)晶法在理論上最容易實(shí)現(xiàn)“零排放”，其主要原理是廢水吸收所提供的熱量而在蒸發(fā)器中蒸發(fā)濃縮，最終以固態(tài)結(jié)晶的形態(tài)從溶液中分離出來。

空氣循環(huán)蒸發(fā)分離電鍍廢水處理系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)合了空氣循環(huán)蒸發(fā)分離技術(shù)以及熱泵技術(shù)，以空氣作為載體，利用熱泵回收空氣中部分水蒸汽的冷凝潛熱，為電鍍廢水蒸發(fā)分離提供熱量。

圖1 空氣循環(huán)蒸發(fā)分離電鍍廢水處理系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of spray separation tower in air circulation evaporation separation system

系統(tǒng)主要分為空氣循環(huán)、廢水循環(huán)、熱泵循環(huán)以及冷卻水循環(huán)4個(gè)部分?？諝庋h(huán)中，空氣先后經(jīng)過回?zé)崞骱屠淠魃郎?，再?jīng)加熱器加熱后成為高溫干燥空氣，隨后依次進(jìn)入填料濃縮塔和噴霧分離塔中與電鍍廢水進(jìn)行傳熱傳質(zhì)變?yōu)榈蜏馗邼窨諝?，接著依次通過冷卻器、回?zé)崞?、蒸發(fā)器降溫至露點(diǎn)溫度后析出冷凝水，最后再進(jìn)入回?zé)崞魃郎?；廢水循環(huán)中，電鍍廢水經(jīng)填料濃縮塔濃縮后，再進(jìn)入噴霧分離塔霧化成小液滴，與干燥的熱空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換后迅速升溫，水分蒸發(fā)后干燥成為金屬鹽顆粒，并從塔底部排出，少量被濕空氣夾帶的顆粒通過袋式除塵器收集；熱泵循環(huán)主要用來吸收空氣中部分水蒸氣的冷凝潛熱，提升品位后再進(jìn)入冷凝器對空氣加熱，為電鍍廢水蒸發(fā)分離提供熱量，同時(shí)，冷卻器、回?zé)崞骷罢舭l(fā)器中的冷凝水也會(huì)被回收利用，實(shí)現(xiàn)零排放；冷卻水主要用于吸收系統(tǒng)中多余的熱量，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

可以看出，噴霧分離塔是整個(gè)系統(tǒng)中最主要的傳熱傳質(zhì)部件，其性能直接影響了整體系統(tǒng)的性能，因此需要對噴霧分離塔的性能進(jìn)行深入研究。已有不少學(xué)者對噴霧干燥的干燥過程、產(chǎn)品以及影響因素等方面進(jìn)行了研究。鄧益平等［7］利用Aspen Plus軟件對碳酸氫鈉漿料的噴霧過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到空氣溫度的變化對噴霧干燥系統(tǒng)具有較大影響。BORJA等［8］提出了新的方法，對逆流噴霧干燥塔旋流流動(dòng)進(jìn)行CFD模擬。尚良超等［9］描述了蒸發(fā)誘導(dǎo)下溶質(zhì)的自組裝行為，預(yù)測顆粒不同干燥條件下表面形貌的演變過程。現(xiàn)有研究的常壓噴霧干燥技術(shù)的入口風(fēng)溫幾乎都是在 150 ℃以上，甚至達(dá)到 600 ℃［10］，而入口風(fēng)溫150 ℃以下且操作壓力為常壓下的噴霧干燥特性的研究很少，因此本文針對空氣循環(huán)蒸發(fā)分離電鍍廢水處理系統(tǒng)中的噴霧分離塔，搭建噴霧分離塔性能測試試驗(yàn)臺(tái)，探究其在中低溫入口空氣的條件下傳熱傳質(zhì)特性變化的情況。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2示出空氣循環(huán)蒸發(fā)分離電鍍廢水處理系統(tǒng)噴霧分離塔傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括噴霧管路、空氣管路、噴霧分離塔以及測量儀表4個(gè)部分。其中噴霧管路包括溶液罐、流量標(biāo)定柱、隔膜泵、脈沖阻尼器、安全閥、Y型過濾器和噴嘴，空氣管路包括電加熱器、風(fēng)機(jī)和除塵器。溶液罐中的溶液經(jīng)隔膜泵加壓后，利用壓力噴嘴霧化為無數(shù)個(gè)小液滴，在塔內(nèi)與加熱后的空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，干燥后的固體鹽顆粒從塔底排出，部分被空氣攜帶的顆粒通過袋式除塵器收集排出。壓力噴嘴孔徑0.2 mm，在額定壓力0.05 MPa下，半張角25°，流量1.07 L/h。由于塔頂入口溫度較高，因此塔頂采用不銹鋼材料，塔體其余部分采用有機(jī)玻璃材料。塔內(nèi)徑500 mm，有效傳質(zhì)高度1 773 mm。塔體外覆蓋30 mm厚帶有鋁箔的保溫棉以創(chuàng)造絕熱條件。系統(tǒng)其他部件型號見表1。

圖2 噴霧分離塔試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Diagram of spray separation tower test system

表1 主要部件型號Tab.1 Model list of main components

1.2 測量裝置及試驗(yàn)材料

表2為試驗(yàn)中所需要測量的參數(shù)及使用儀表的型號和精度。由于電鍍廢水成分復(fù)雜，物性難以確定，因此采用電鍍廢水進(jìn)行試驗(yàn)研究不具有可行性。電鍍廢水中的鹽分對噴霧分離塔中的干燥過程產(chǎn)生影響主要是隨著干燥過程的進(jìn)行，溶液濃度增加、表面水蒸氣分壓力降低、比熱容降低以及黏度增加，因此單一鹽溶液的干燥機(jī)理與電鍍廢水相同，所以本試驗(yàn)中采用物性參數(shù)更易獲得的氯化鈣溶液作為處理液來研究噴霧分離塔的傳熱傳質(zhì)特性。氯化鈣藥劑采用無水氯化鈣，純度≥95%。

表2 測量參數(shù)及儀器Tab.2 Measuring parameters and instruments

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為測量不同噴霧流量、入口溶液濃度、空氣流量以及入口空氣溫度下噴霧分離塔溶液和空氣的進(jìn)、出口參數(shù)。

試驗(yàn)中通過閥門1、閥門2控制溶液流動(dòng)，通過閥門3控制空氣流動(dòng)。采用DEBIMO翼型風(fēng)量測片對空氣管道內(nèi)空氣動(dòng)靜壓差進(jìn)行測量，并通過LXL868微壓差變送器將壓差信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，從而獲得空氣體積流量。由于本試驗(yàn)中噴霧流量太小，無法直接測量，因此本系統(tǒng)中主要采用流量標(biāo)定柱內(nèi)溶液量以及抽完溶液所需時(shí)間對噴霧流量進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)中，每隔2 min記錄一次該工況下進(jìn)出口各儀表參數(shù)，每工況記錄3次。

1.4 性能參數(shù)

噴霧分離塔主要是將霧化后的液滴蒸發(fā)干燥成為固體顆粒，定義如下性能參數(shù)以描述不同運(yùn)行參數(shù)下的噴霧分離塔的干燥特性。

熱效率ηt表征噴霧分離塔蒸發(fā)水分所消耗的能量占總輸入能量的比值。

干燥強(qiáng)度DS［11表征噴霧分離塔單位干燥區(qū)域體積每小時(shí)蒸發(fā)的水分量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 入口空氣溫度

圖3，4分別示出在表3所示工況下，入口空氣溫度從60 ℃上升至120 ℃時(shí)，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發(fā)分離塔熱效率和干燥強(qiáng)度的變化情況。

表3 試驗(yàn)工況1Tab.3 Test condition 1

圖3 入口空氣溫度對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.3 Effect of inlet air temperature on outlet air temperature and moisture content

從圖3可以看出，隨著入口空氣溫度的升高，出口空氣溫度和含濕量幾乎都呈直線增長，分別增加了41.3 ℃和6.4 g/kg。這是因?yàn)槿肟诳諝鉁囟忍岣?，塔?nèi)整體空氣溫度都提高，相應(yīng)的出口空氣溫度也會(huì)增大。而塔內(nèi)傳熱溫差也會(huì)隨著塔內(nèi)溫度的升高而增大，液滴溫度提高，表面水蒸汽分壓力增加，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢增加，導(dǎo)致出口空氣含濕量的增加。如圖4所示，噴霧分離塔熱效率隨著入口空氣溫度的增加而下降，并且下降速度逐漸變慢。這是由于入口空氣溫度增加，出口空氣溫度增加，空氣進(jìn)出口溫差增加速度小于空氣進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度差值的增加速度，并且隨著空氣進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度差值的增大熱效率變化逐漸變慢。而由圖3已知出口空氣含濕量是逐漸增加的，因此噴霧分離塔干燥強(qiáng)度也隨之增加，增加了約1.7 kg/（m3·h）。

圖4 入口空氣溫度對熱效率和干燥強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of inlet air temperature on thermal efficiency and drying strength

2.2 空氣流量

圖5，6分別為在表4所示工況下，空氣流量從43.5 m3/h上升至81.3 m3/h，出口空氣溫度和含濕量以及噴霧分離塔熱效率和干燥強(qiáng)度的變化情況。

表4 試驗(yàn)工況2Tab.4 Test condition 2

圖5 空氣流量對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.5 Effect of air flow rate on outlet air temperature and moisture content

由圖5可以看出，隨著空氣流量的增加，噴霧分離塔出口空氣溫度增加了14 ℃，而出口空氣含濕量降低了5.5 g/kg。這是由于入口空氣流量增大，帶入塔內(nèi)的熱量增多，但塔內(nèi)液滴蒸發(fā)所需要的熱量有限，因此塔內(nèi)整體空氣溫度都會(huì)升高，出口空氣溫度也會(huì)升高。此外，入口空氣流量增加，而塔內(nèi)液滴水分蒸發(fā)量有限，導(dǎo)致空氣出口含濕量降低。

圖6中，噴霧分離塔熱效率隨著空氣流量的增大而降低，這是由于隨著空氣流量的增大，出口空氣溫度升高，熱效率會(huì)隨之降低，約0.16。與此同時(shí)，干燥強(qiáng)度隨空氣流量的增加先增加后降低，存在最佳空氣流量。這是因?yàn)樵诳諝饬髁枯^低時(shí)，空氣流量提高，空氣所攜帶進(jìn)塔的能量增多，塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)得到強(qiáng)化，導(dǎo)致噴霧分離塔干燥強(qiáng)度增加。而當(dāng)空氣流量大于76 m3/h時(shí)，液滴已基本達(dá)到干燥極限，并且隨著空氣流量的增加，塔內(nèi)風(fēng)速提高，液滴在塔內(nèi)的干燥時(shí)間減少，導(dǎo)致塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程惡化，所以此時(shí)再增加空氣流量，會(huì)使得噴霧分離塔干燥強(qiáng)度降低。

圖6 空氣流量對熱效率和干燥強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of air flow rate on thermal efficiency and drying strength

2.3 噴霧流量

圖7，8分別示出了在表5所示工況下，噴霧流量從1.57 L/h上升至2.72 L/h，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發(fā)分離塔熱效率和干燥強(qiáng)度的變化情況。

表5 試驗(yàn)工況3Tab.5 Test condition 3

圖7 噴霧流量對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.7 Effect of spray flow rate on outlet air temperature and moisture content

如圖7所示，隨著噴霧流量的增加，塔內(nèi)液滴數(shù)增加，與空氣的傳熱傳質(zhì)面積增大，增強(qiáng)了塔內(nèi)熱質(zhì)傳遞效果，因此會(huì)發(fā)現(xiàn)，出口空氣溫度逐漸降低，而出口空氣含濕量逐漸增大。

然而，出口空氣溫度的降低會(huì)提高噴霧分離塔的熱效率，同時(shí)出口空氣含濕量的增大會(huì)導(dǎo)致干燥強(qiáng)度的提高，因此從圖8中可以看到，噴霧分離塔的熱效率和干燥強(qiáng)度都隨著噴霧流量的增大而增大，分別增加了0.13和1.08 kg/（m3·h）。此外，噴霧流量較小時(shí)，噴霧流量對熱效率及干燥強(qiáng)度的影響較為明顯，這是因?yàn)樵谛婌F流量時(shí)，液滴在塔內(nèi)會(huì)析出固體，會(huì)有部分干燥階段的蒸發(fā)速率非常低，此時(shí)提高噴霧流量會(huì)使得塔內(nèi)液滴達(dá)不到該階段，從而使得塔內(nèi)液滴始終保持高蒸發(fā)速率。

圖8 噴霧流量對熱效率和干燥強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of spray flow rate on air temperature and moisture content at outlet

2.4 入口濃度

圖9，10分別示出了在表6所示工況下，入口溶液濃度從0上升至0.4，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發(fā)分離塔熱效率和干燥強(qiáng)度的變化情況。圖9中，入口溶液濃度增加，出口空氣溫度逐漸增加，而出口空氣含濕量逐漸降低。入口濃度增加，溶液表面水蒸汽分壓力降低，與空氣之間的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力也會(huì)隨之降低，溶液的水分蒸發(fā)量減少，因此出口空氣含濕量降低。而蒸發(fā)量的減少也意味著空氣為蒸發(fā)所提供的熱量減少，因此出口空氣溫度會(huì)增加。另外，由于溶液表面水蒸氣分壓力會(huì)隨著入口溶液濃度的變化呈指數(shù)級降低，因此出口空氣溫度和濕度也會(huì)成指數(shù)級變化，入口濃度越大，變化速率越大。如圖10所示，由于出口空氣溫度增加，噴霧分離塔熱效率降低了0.22。而因?yàn)槌隹诤瑵窳康脑黾?，干燥?qiáng)度也會(huì)降低，約降低2.01 kg/（m3·h）。同樣，熱效率和干燥強(qiáng)度增長速度也隨著入口濃度的增加而增大。

表6 試驗(yàn)工況4Tab.6 Test condition 4

圖9 入口溶液濃度對出口空氣溫度和含水率的影響Fig.9 Effect of inlet solution concentration on outlet air temperature and moisture content

圖10 入口溶液濃度對熱效率和干燥強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of inlet solution concentration on thermal efficiency and drying intensity

3 結(jié)論

（1）提高入口空氣溫度不利于提高噴霧分離塔熱效率，但是干燥強(qiáng)度隨之增加了約1.7 kg/（m3·h），因此可以通過提高入口空氣溫度以減小噴霧分離塔體積。

（2）隨著空氣流量的提高，噴霧分離塔熱效率逐漸降低，降低了約0.16。但是由于傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢和干燥時(shí)間的共同作用，干燥強(qiáng)度會(huì)隨之先增加后減小，當(dāng)風(fēng)量為76 m3/h時(shí)，干燥強(qiáng)度最大。

（3）噴霧濃縮塔熱效率和干燥強(qiáng)度都會(huì)隨著噴霧流量的增加而增大，分別增加了0.13和1.08 kg/（m3·h）。但提高噴霧流量不利于出口含水率的降低，需要進(jìn)一步的研究。

（4）入口溶液濃度對噴霧分離塔性能的影響最大，熱效率和干燥強(qiáng)度分別降低了0.22和2.01 kg/（m3·h），且變化速率越來越大。