高鹽礦井水處理系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計研究

王 偉 張 斌 楊田田

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司, 山東 菏澤 274918）

近年來，隨著國家環(huán)保政策的陸續(xù)出臺，排入自然水體的礦井水標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)，生態(tài)環(huán)境部要求礦井水經(jīng)處理后擬外排的含鹽量不得超過1000 mg/L[1]。目前，成熟的高鹽廢水處理工藝一般采用預(yù)處理、濃縮、結(jié)晶相結(jié)合工藝，工藝流程長、環(huán)節(jié)多，配備設(shè)備多，裝機功率高，從而導(dǎo)致運行成本特別是運行電耗很高，增加了煤炭企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本，系統(tǒng)研究高鹽礦井水節(jié)能技術(shù)就有了新的需求空間。

本文以龍固煤礦高鹽廢水治理項目為研究對象，系統(tǒng)研究節(jié)能技術(shù)，根據(jù)工藝合理設(shè)計，回收利用系統(tǒng)余熱余壓資源，充分挖潛節(jié)能空間，降低系統(tǒng)電耗，降低高鹽廢水治理系統(tǒng)運行成本。

1 龍固煤礦高鹽礦井水處理概況

龍固煤礦是魯西南地區(qū)的省屬國有大型煤礦企業(yè)，礦井設(shè)計能力為600 萬t/a。由于所在地區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響，升井礦井水經(jīng)傳統(tǒng)處理后全鹽量、硫酸鹽分別為4540 mg/L、2510 mg/L。2020 年，該煤礦開展了高鹽礦井水處理系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)采用以“超濾+2 級反滲透+電滲析+MVR 熱法鹽硝聯(lián)產(chǎn)”為主的處理工藝[2]，設(shè)計處理水量為740 m3/h，系統(tǒng)耗電量為7.91 kW·h/噸水，按照電價0.78 元/kW·h計算，系統(tǒng)滿負(fù)荷運行年電費高達(dá)3600 余萬元。

2 節(jié)能工藝流程研究

由于各煤礦礦井水的水量、水質(zhì)各不相同，工藝路線以及結(jié)晶鹽或濃縮液去向也有區(qū)別，所以在對比不同的膜法濃縮減量工藝在節(jié)能方面的優(yōu)勢時，不能單純對比某個環(huán)節(jié)設(shè)備的耗能情況，而應(yīng)該在相同的設(shè)計基礎(chǔ)條件下，對比工程的整體能耗情況。

2.1 分步協(xié)同預(yù)處理

根據(jù)原水及各級濃縮水中鈣鎂硅等硬度離子的濃度，結(jié)合BWRO 反滲透、SWRO 反滲透、電滲析的耐腐蝕、結(jié)垢性能，充分考慮前后預(yù)處理技術(shù)、投資、運行成本，引進(jìn)煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院具有專利技術(shù)的分步預(yù)處理工藝。一級反滲透采用超濾預(yù)處理，二級反滲透采用管式微濾預(yù)處理，電滲析采用管式微濾、離子交換樹脂、脫碳等預(yù)處理，蒸發(fā)結(jié)晶前端不需預(yù)處理。相對于前端一次性徹底預(yù)處理投資、運行能耗及成本均降低20%～30%。

2.2 電滲析處理工藝

三級濃縮技術(shù)選用了電滲析膜濃縮，對二級RO 處理產(chǎn)生的濃縮液進(jìn)一步極致濃縮，回收率設(shè)計為75%，最終濃鹽水TDS 達(dá)到22.5 萬mg/L 以上，進(jìn)入后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶單元制鹽，將投資和運行能耗最高的蒸發(fā)結(jié)晶單元處理水量減至最小。電滲析膜濃縮單元的淡水TDS 不需要做到很低，與一級RO濃水接近即可，回流至二級濃縮單元SWRO 膜前，這樣可以提高電滲析膜濃縮單元的工作電流密度，減少膜用量，降低電力消耗。

2.3 MVR 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

由于該煤礦沒有蒸汽源，而電鍋爐耗電量大，因此蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)采用MVR 工藝。該工藝使用機械壓縮機提高二次蒸汽壓力、溫度，使二次蒸汽的潛熱在蒸發(fā)器內(nèi)連續(xù)循環(huán)并產(chǎn)生熱交換。在正常運轉(zhuǎn)時，機械壓縮蒸發(fā)裝置蒸發(fā)所需的能量基本上從壓縮功獲得，只需少量補充蒸汽，可以循環(huán)回收蒸汽余熱，設(shè)備本體熱能利用效率高。

3 系統(tǒng)余熱余壓利用研究

高鹽廢水治理系統(tǒng)流程長，各工藝處理過程伴隨壓力變化、熱量傳遞利用，分析壓力和熱量變化情況，合理優(yōu)化利用余熱余壓資源，可以降低系統(tǒng)能耗。

3.1 高壓反滲透余壓回收

反滲透膜系統(tǒng)的輸入功率為給水壓力與給水流量的乘積，系統(tǒng)的有功能耗為沿系統(tǒng)流程的給濃水壓力與產(chǎn)水流量的積分，系統(tǒng)中最大的能量損失為濃水壓力與濃水流量的乘積。研究回收系統(tǒng)多余壓力，提高反滲透系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性。該項目一級反滲透壓力低，不具備能量回收條件。二級海水淡化反滲透膜SWRO 濃縮液壓力較高，直接釋放掉會損失高壓水泵做功效率，可以進(jìn)行能量回收。

反滲透淡化工藝的經(jīng)濟(jì)性主要決定于對濃水徑流中的能量回收，目前代表性的技術(shù)是有自帶能量回收功能的濃縮高壓泵、正位移式轉(zhuǎn)輪能量回收裝置等。經(jīng)對比不同品牌產(chǎn)品的性能參數(shù)，選用正位移式轉(zhuǎn)輪能量回收裝置中的透平式能量回收裝置。透平式能量回收裝置型號有6 種，其中AT-875 處理流量范圍為136～204 m3/h，滿足該項目二級反滲透單臺設(shè)備流量需求。二級反滲透三段濃水采用透平能量回收裝置，為二段濃水升壓800 kPa，裝置計算結(jié)果如圖1，最大能夠提供1970 kPa 升壓能力。

圖1 能量回收計算示意圖

3.2 電滲析余熱回收

電滲析是采用電遷移離子，在對水中離子遷移過程中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，部分電能轉(zhuǎn)為熱能，導(dǎo)致溶液溫度升高。為保障電滲析正常運行，需增加板換對溶液降溫，維持液溫通常在40 ℃以下使用。將板換另一端與蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)連接，將提取熱量用于補充蒸發(fā)用熱。

3.3 蒸發(fā)工藝余熱回收

蒸發(fā)結(jié)晶配套兩臺電鍋爐，每臺功率為740 kW；2 套蒸汽壓縮機，每套功率389 kW；1 臺強制循環(huán)泵110 kW。系統(tǒng)耗電量高。研究余熱利用技術(shù)，提高系統(tǒng)能耗利用水平，有效降低系統(tǒng)用電量。

分析蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)工作過程，可以回收利用熱量有MVR 蒸發(fā)器母液、冷凝水、機封水、冷凍機組散熱等。冬季供暖時，水源熱泵系統(tǒng)回收電滲析余熱、機封水余熱、冷凍機組散熱、蒸汽壓縮機熱量等，在為建筑物供暖同時可以對電鍋爐用水進(jìn)行預(yù)熱。

3.4 梯級冷凍技術(shù)

蒸發(fā)結(jié)晶段采用MVR 蒸發(fā)器將濃縮溶液升溫至95～105 ℃，蒸發(fā)硫酸鈉晶體，然后將高溫溶液冷卻至-5 ℃，冷凍析出十水硫酸鈉。兩種工藝之間溫差高，熱量傳遞量大，可以采用逐級降溫與熱量回收相結(jié)合。項目設(shè)計冷凍機組冷凍量275 kW，合理考慮系統(tǒng)整體能耗，將蒸發(fā)結(jié)晶與冷凍能量利用相結(jié)合，減少冷凍機組耗電量。

經(jīng)調(diào)研，內(nèi)蒙古紅慶河煤礦高鹽廢水項目采用三級冷凍模式，逐級降低漿液溫度從而實現(xiàn)節(jié)能。一級使用清水冷凍，二級使用離心機低溫的離心母液冷凍，三級使用制冷機組進(jìn)行冷凍。為合理降低蒸發(fā)結(jié)晶母液溫度，從而降低冷凍機組功率提供了解決思路。

經(jīng)多次研究論證，在該項目設(shè)計中采用梯級冷凍技術(shù)。首先將MVR 蒸發(fā)器母液與濃鹽水池出水對流換熱，降低蒸發(fā)母液溫度，同時提高即將進(jìn)入MVR 蒸發(fā)器濃鹽水溫度，然后采用清水、離心母液冷凍，最后再使用制冷機組進(jìn)行冷凍。系統(tǒng)冷凍需求量為275 kW 條件下，在充分利用梯級冷凍技術(shù)后，冷凍壓縮機功率僅為121 kW，大大降低了能耗。

4 輸送水節(jié)能技術(shù)研究

在水處理系統(tǒng)管網(wǎng)走向設(shè)計中，充分利用流體力學(xué)特點，降低水流阻力，合理利用地勢高差，降低輸送水能耗。該項目從礦井水處理廠溢流口至高鹽廢水系統(tǒng)調(diào)節(jié)池敷設(shè)一根管道，利用水位高差輸送水，無需安裝水泵減少電耗。在系統(tǒng)管網(wǎng)高程布置中，減少總水頭損失及躍水高度，管道拐角采用45°連接彎頭，降低提升泵的提升高度，達(dá)到節(jié)約水泵揚程、降低電耗的目的。根據(jù)水位實現(xiàn)提升泵組啟停數(shù)量和順序的控制，根據(jù)實時在線流量實現(xiàn)變頻控制，減少水泵啟停次數(shù)，降低能耗。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

本文結(jié)合龍固煤礦項目實際情況開展自主研究，從項目設(shè)計、運行統(tǒng)籌考慮，充分運用余壓余熱利用、能量梯級利用技術(shù)，各項節(jié)能措施符合項目實際情況，為項目經(jīng)濟(jì)運行奠定了基礎(chǔ)。項目設(shè)計優(yōu)化后，預(yù)計系統(tǒng)運行電耗降低1.5 kW·h/噸水，按照處理量740 m3/h、每天平均運行22 h 計算，年可實現(xiàn)節(jié)約電量594.22 萬kW·h，節(jié)約電費416 萬元。

5.2 展望

降低能耗成為控制煤炭企業(yè)高鹽礦井水治理項目運行成本的重要手段，也是煤炭企業(yè)持續(xù)關(guān)注并不斷研究的領(lǐng)域。近年來，部分單位結(jié)合項目及周邊環(huán)境實際情況進(jìn)行探索研究，取得了顯著節(jié)能效果。趙澤盟[3]等人對鹽硝聯(lián)產(chǎn)工藝和納濾分鹽工藝進(jìn)行了研究，靳德武[4]等人研究了納濾膜選擇性截留技術(shù)、膜蒸餾和太陽能高效蒸發(fā)技術(shù)、微生物脫鹽燃料電池、雙極膜工藝等內(nèi)容，為高鹽廢水治理實現(xiàn)節(jié)能降本提供了新思路。段威[5]等人對熱法濃縮結(jié)晶、直接熱法干燥等脫硫廢水零排放工藝路線進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對比分析，降低系統(tǒng)能耗，噸水運營成本降低。隨著研究深入，技術(shù)不斷進(jìn)步，高鹽廢水治理系統(tǒng)能耗將不斷降低，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行。