危廢焚燒高鹽廢水三效蒸發(fā)工藝應(yīng)用研究

李武東，王艷明，趙宗亭

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 工程背景概述

煙氣洗滌是危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)煙氣凈化的重要工藝環(huán)節(jié)，亦是確保煙氣達(dá)標(biāo)排放的必備環(huán)節(jié)，由于危險(xiǎn)廢物的種類繁多、成分復(fù)雜，煙氣洗滌產(chǎn)生的高鹽廢水具有雜鹽含量較高的特點(diǎn)，且含有較高的有機(jī)污染物，pH偏堿性。該高鹽廢水不適合采用物化或生物處理技術(shù)，反滲透技術(shù)雖可以解決高鹽廢水的減量，但反滲透產(chǎn)生的高含鹽濃縮液的出路更為棘手［1］。

近年來，隨著環(huán)評對污染物排放總量控制日益嚴(yán)格，絕大多數(shù)危險(xiǎn)廢物綜合處理廠執(zhí)行廢水處理達(dá)標(biāo)后“零”排放，為此，實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的高效減量與達(dá)標(biāo)處理迫在眉睫。本研究結(jié)合某危廢處理廠的高鹽廢水處理工程，探索多效蒸發(fā)［2］工藝在高鹽廢水處理工藝設(shè)計(jì)中相關(guān)重要工藝流程的選取與關(guān)鍵參數(shù)的取值，以期為類似工程提供參考與借鑒。

多效蒸發(fā)是一個(gè)多級串聯(lián)濃縮過程，其中各效操作參數(shù)與單效蒸發(fā)相同，但各效過程參數(shù)相互制約。一般而言，增加效數(shù)可以提高蒸發(fā)處理的經(jīng)濟(jì)性，但由于存在溫度差損失，效數(shù)不可能無限制地增加。針對無機(jī)鹽溶液的蒸發(fā)，目前一般選擇二～四效蒸發(fā)［3］。

根據(jù)多效蒸發(fā)中物料與二次蒸汽的流向不同，多效蒸發(fā)細(xì)分為平流、順流和逆流等多種蒸發(fā)工藝［4-5］。

危廢焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高鹽廢水總?cè)芙夤腆w（Total Dissolved Solids，TDS）含量較高，且含有一定的雜質(zhì)、懸浮物（Suspended Solids，SS）和CODCr，黏度較大，適合選用逆流式三效蒸發(fā)工藝。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

多效蒸發(fā)工藝計(jì)算遵循物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算內(nèi)容包括加熱蒸汽（生蒸汽）的消耗量、各效蒸發(fā)量以及各效傳熱面積［6］。多效蒸發(fā)的計(jì)算一般采用試算法［6］。

2.1 模型假設(shè)

1）各效換熱面積相等。

2）各效蒸發(fā)水量的初始值相等。

3）各效溫差是均等的，用以計(jì)算各效的初始蒸發(fā)溫度。

2.2 主要計(jì)算公式

1）估算各效初始蒸發(fā)量。

由總蒸發(fā)量計(jì)算出各效蒸發(fā)量初始值，其公式如下：

式中：F為總處理量，kg/h；W1為一效蒸發(fā)量，kg/h；W2為二效蒸發(fā)量，kg/h；W3為三效蒸發(fā)量，kg/h；ω0為初始進(jìn)料濃度，%；ω1為第一效的濃度，%。

2）計(jì)算各效濃度。

根據(jù)各效的蒸發(fā)量進(jìn)行物料衡算，由式（3）計(jì)算各效的濃度。

式中：ωj為j效的濃度，%；W j為j效的蒸發(fā)量，kg/h。

3）計(jì)算有效總溫度差。

多效蒸發(fā)中的有效傳熱總溫度差可用下式計(jì)算：

式中：∑Δt為有效總溫度差，為各效有效溫度差之和，℃；T1為第一效加熱蒸汽的溫度，℃；為冷凝器操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的飽和溫度，℃；∑Δ為總溫度差損失，為各效溫度差損失之和，包括各效的沸點(diǎn)升高之和、靜壓頭差之和及管道阻力引起的溫度損失，℃。

4）估算各效溫度［6］。

估計(jì)各效的溫度，這部分是試差計(jì)算，首先計(jì)算該系統(tǒng)的總溫差。

根據(jù)傳熱方程：

結(jié)合各效傳熱面積相等的假設(shè)，相鄰兩效的溫差比可寫為：

式中：Δti為各效傳熱溫差，℃；ki為各效傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Qi為各效換熱量，W；Ai為各效換熱面積，m2。

首先假定各效溫差是均等的，求出各效蒸發(fā)溫度，然后根據(jù)各效的溫度和黏度計(jì)算出各效總傳熱系數(shù)，再根據(jù)式（6）按比例調(diào)整每效的平均溫差，反復(fù)計(jì)算直至式（6）的值不變。

5）計(jì)算各效壓力。

根據(jù)上面得到的各效溫度求出該物料的飽和蒸汽壓。

2.3 高鹽廢水設(shè)計(jì)水量與進(jìn)水水質(zhì)

某危廢處置中心高鹽廢水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理量為100 t/d，折合4.2 t/h，整個(gè)工藝過程中預(yù)計(jì)可產(chǎn)雜鹽（干基）約210 kg/h，該高鹽廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表1。

為了使實(shí)際生產(chǎn)過程以及對過程中的波動(dòng)一目了然， 模腔壓力傳感器和模腔溫度傳感器必須安裝在注塑模具的模腔內(nèi)，以提供高清信息。Konig斷言：“正如測量的普遍規(guī)則，往往離工作地點(diǎn)越近，越容易獲得最好的高清信息，所以說由注塑機(jī)或成像系統(tǒng)提供的信號往往不具有這么高的說服力?！?/p>

表1 高鹽廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Table1 Design influent water quality of high-salt wastewater

2.4 設(shè)計(jì)工藝流程

高鹽廢水經(jīng)預(yù)熱、三效蒸發(fā)濃縮、二效蒸發(fā)濃縮、一效蒸發(fā)濃縮后，進(jìn)入離心機(jī)出鹽，總體工藝流程見圖1。一效加熱器為強(qiáng)制循環(huán)式，二效、三效加熱器均為降膜循環(huán)式。蒸發(fā)得到的冷凝液經(jīng)后續(xù)生化系統(tǒng)處理后回用。

圖1 高鹽廢水處理系統(tǒng)工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic of high-salt wastewater treatment system

2.5 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)，本項(xiàng)目三效蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 三效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)Table2 Process design parameters of tri-effect evaporation system

本項(xiàng)目3個(gè)加熱器均為管殼式換熱器，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 加熱器結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Heater structure schematic

2.6 設(shè)計(jì)冷凝水排放指標(biāo)

三效蒸發(fā)冷凝液進(jìn)后續(xù)污水處理站，采用生化處理+膜深度處理的工藝技術(shù)路線進(jìn)行深度處理。經(jīng)污水處理站處理后的廢水達(dá)到GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［7］中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)調(diào)試期間，冷凝水指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

3 測試指標(biāo)與分析方法

3.1 原料組分指標(biāo)

經(jīng)取樣分析，高鹽廢水原料實(shí)際組分較設(shè)計(jì)值差異較大，主要體現(xiàn)在原料TDS、CODCr和氯離子含量均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，具體見表3。一方面由于前端焚燒來料種類繁雜，組分差別較大；另一方面為減少高鹽廢水的產(chǎn)生，實(shí)際增大了焚燒系統(tǒng)洗滌循環(huán)水的循環(huán)次數(shù)，各組分逐漸累積至較高值。

表3 焚燒系統(tǒng)洗滌高鹽廢水實(shí)際水質(zhì)指標(biāo)Table 3 Actual water quality of high-salt wastewater in the incineration system

由表3可知，焚燒系統(tǒng)洗滌高鹽廢水實(shí)際水質(zhì)中TDS和CODCr都超過設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo)，特別是CODCr分別超過設(shè)計(jì)值15.5 倍和11.6 倍，因此需要對高鹽廢水進(jìn)行調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后的進(jìn)水水質(zhì)見表4。

表4 調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水水質(zhì)Table 4 Water quality of high-salt wastewater after adjusting

調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水作為三效蒸發(fā)裝置的進(jìn)料。

3.2 其他指標(biāo)

本項(xiàng)目調(diào)試期間其他測試指標(biāo)還包括：①進(jìn)料流量；②生蒸汽冷凝水、二次蒸汽冷凝水、機(jī)封水、真空系統(tǒng)循環(huán)水中TDS指標(biāo)；③二次蒸汽冷凝水溫度。

3.3 分析方法

2）TDS分析測定方法：高精度筆型鹽度測定儀AZ8373（自動(dòng)溫度補(bǔ)償）。

3）電導(dǎo)率分析測定方法：電導(dǎo)儀法（GB/T 6908—2008鍋爐用水和冷卻水分析方法電導(dǎo)率的測定）［9］。

4）鹽含量分析測定方法：蒸發(fā)干燥稱量法。

5）二次蒸汽冷凝水溫度：溫度計(jì)。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 二效物料循環(huán)及轉(zhuǎn)料

二效循環(huán)泵兼具物料循環(huán)和轉(zhuǎn)料的功能，出口壓力控制在0.15 ～0.18 MPa，可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)向一效分離器轉(zhuǎn)料。

但二效循環(huán)泵出口壓力低于0.15 MPa或高于0.18 MPa時(shí)，一效進(jìn)料量均會(huì)有不同程度地下降，一效分離器液位會(huì)逐步降低，直至低液位報(bào)警，需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)。這主要是因?yàn)樵诙аh(huán)泵出口壓力太低時(shí)，二效無法正常向一效迅速補(bǔ)料；出口壓力太高時(shí)，二效加熱器循環(huán)量變小，一效進(jìn)料量也相應(yīng)減小。

因此，調(diào)節(jié)并控制二效循環(huán)泵出口壓力在0.15 ～0.18 MPa，既能穩(wěn)定向一效分離器轉(zhuǎn)料，又不影響二效物料的循環(huán)。

4.2 三效分離器壓力

二次蒸汽冷凝水溫度一般不超過40℃，其隨時(shí)間變化趨勢見圖3。

由圖3可知，在實(shí)際調(diào)試過程中，二次蒸汽冷凝水溫度集中在31～39℃，此時(shí)三效分離器壓力為12.3 kPa（絕對壓力）。

圖3 二次蒸汽冷凝水溫度隨時(shí)間變化趨勢Figure 3 Change trends of secondary steam condensate temperature over time

4.3 分離器操作液位

調(diào)試過程中，分離器液位隨時(shí)間變化趨勢見圖4～圖6。由于3個(gè)分離器液位量程有差異，因此均以實(shí)際液位所占分離器液位計(jì)總高度的比例來表示實(shí)際操作液位。

圖4 第1個(gè)24 h分離器液位變化情況Figure4 Liquid level changes of separators in the first24 hours

圖5 第2個(gè)24 h分離器液位變化情況Figure5 Liquid levelchangesofseparatorsin thesecond24hours

圖6 第3個(gè)24 h分離器液位變化情況Figure6 Liquid level changes of separators in the third 24 hours

可以看出，調(diào)試期間正常運(yùn)行工況下，3個(gè)分離器液位均穩(wěn)定在45%～55%（出鹽工況除外，此時(shí)一效分離器液位會(huì)明顯下降）。此時(shí)二次蒸汽冷凝水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

分離器液位達(dá)到65%～70%左右時(shí)，二次蒸汽冷凝水中TDS就可能會(huì)超標(biāo)，主要是因?yàn)榇藭r(shí)分離器液面上部氣相空間相對縮短，蒸發(fā)出的二次蒸汽在分離器內(nèi)停留時(shí)間縮短，二次蒸汽與鹽分未能完全分離，導(dǎo)致從分離器頂部出去的氣相物料夾帶部分鹽分。

綜合考慮分離器與加熱器的豎向布置，3個(gè)分離器液位控制值為50%時(shí)系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

4.4 出鹽時(shí)間與出鹽量

系統(tǒng)設(shè)計(jì)出鹽量約為210 kg/h，實(shí)際調(diào)試期間為間歇出鹽，即先根據(jù)一效分離器底部視鏡觀察分離器內(nèi)物料濃度，如果視鏡中鹽分低于1/3視鏡位置，則說明暫時(shí)還未濃縮到出料濃度；若視鏡中鹽分達(dá)到1/3位置，則說明可能達(dá)到出料濃度，需要再進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)確定，具體實(shí)驗(yàn)方法為：取1只500mL燒杯，至出料泵出口取樣管取樣，冷卻約10 min后觀察鹽分含量，若鹽分含量超過40%，即具備出鹽條件。調(diào)試期間，每隔約4～6 h出鹽1次，每次出鹽約1.0 ～1.2 t。

5 討論

基于上述調(diào)試運(yùn)行結(jié)果分析，考慮危廢焚燒系統(tǒng)洗滌高鹽廢水水質(zhì)組分復(fù)雜且波動(dòng)較大，此條件下針對三效蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝設(shè)備選型、關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)提出優(yōu)化意見。

5.1 選擇加熱器循環(huán)型式

本項(xiàng)目中二效和三效加熱器均選用了降膜式加熱器。當(dāng)含鹽量高于8%時(shí)，三效加熱器和二效加熱器頂部的布液盤和換熱管極易堵塞，系統(tǒng)僅能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3～4 d，這也就對高鹽廢水水質(zhì)提出了更嚴(yán)格的要求。

降膜式加熱器：液體物料從加熱器頂部進(jìn)入，經(jīng)過液體分布器的分布，在換熱管內(nèi)呈膜狀向下流動(dòng)，管外加熱使其汽化，被汽化的氣體隨液體一起通過加熱管流出，將液體與氣體分離即得到濃縮液，這是降膜式蒸發(fā)器的工作原理。

強(qiáng)制循環(huán)式加熱器：物料通過大流量的循環(huán)泵被輸送至列管式加熱器內(nèi)，經(jīng)加熱后進(jìn)入分離器蒸發(fā)分離，未蒸發(fā)的余料回流再次由循環(huán)泵輸送至加熱器加熱蒸發(fā)，這樣形成了一個(gè)反復(fù)循環(huán)蒸發(fā)的系統(tǒng)，強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器適用于有結(jié)垢性、結(jié)晶性、熱敏性（低溫）、高濃度、高黏度并且含帶顆粒的不溶性固形物等物料的處理。通常在處理黏度大、易結(jié)垢或易結(jié)晶的溶液時(shí)，優(yōu)先采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。

危廢焚燒洗滌高鹽廢水雜質(zhì)組分多，且含鹽量較高，屬易結(jié)垢、易結(jié)晶物料，因此建議優(yōu)先選擇強(qiáng)制循環(huán)型加熱器。

5.2 優(yōu)化循環(huán)和轉(zhuǎn)料

本項(xiàng)目未設(shè)置單獨(dú)的二效進(jìn)料泵，而是由二效循環(huán)泵向一效進(jìn)料。

為方便轉(zhuǎn)料流量和循環(huán)量均可精確控制與調(diào)節(jié)，二效循環(huán)泵不宜兼具物料循環(huán)和轉(zhuǎn)料的功能，建議單獨(dú)設(shè)置二效轉(zhuǎn)料泵與二效循環(huán)泵。

另外，進(jìn)料高鹽廢水中CODCr含量較高，平均值為1 505mg/L，因此母液不能再循環(huán)回一效分離器；否則，離心結(jié)晶就會(huì)受到影響，系統(tǒng)運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)管路堵塞或蒸發(fā)量下降。此種情況下建議母液不宜回流至三效系統(tǒng)。

5.3 三效分離器壓力調(diào)節(jié)與控制設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目分離器壓力是依靠手動(dòng)操作系統(tǒng)抽真空管路上泄壓閥的開度來調(diào)節(jié)和控制的。

由于分離器壓力控制與調(diào)節(jié)與真空泵入口處泄壓閥的開度相關(guān)聯(lián)，為確保系統(tǒng)蒸發(fā)量以及三效系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，建議增加1組壓力調(diào)節(jié)閥，設(shè)定一定值后，由調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對三效分離器壓力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與控制，進(jìn)而保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1）由于高鹽廢水成分復(fù)雜，且含鹽量可能會(huì)有較大波動(dòng)，尤其是含鹽量高于8%時(shí)，二效加熱器即會(huì)有少量結(jié)晶鹽析出，降膜式加熱器由于循環(huán)量較小，存在結(jié)晶鹽堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，因此針對危廢焚燒系統(tǒng)高鹽廢水處理三效蒸發(fā)系統(tǒng)，一效、二效和三效加熱器均選擇強(qiáng)制循環(huán)型。

2）本系統(tǒng)二效循環(huán)泵出口壓力需控制在0.15 ～0.18 MPa；分別設(shè)置單獨(dú)的二效轉(zhuǎn)料泵與二效循環(huán)泵，確保進(jìn)料量穩(wěn)定，系統(tǒng)蒸發(fā)過程平穩(wěn)。

3）為確保在進(jìn)水CODCr較高（＞1 500mg/L）且水質(zhì)波動(dòng)較大的情況下，三效蒸發(fā)系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，母液不宜回流至三效系統(tǒng)。

4）為控制三效分離器壓力穩(wěn)定在12.3 kPa（絕對壓力），宜設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，以保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。