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2022-11-28
從減排到限排再到零排，廢水排放標準逐步攀升。而要想達到“零排放”，重點是要實現(xiàn)高含鹽廢水的全回收，本質是要實現(xiàn)廢水中水和鹽類的分離。目前，濃縮技術、結晶技術，以及2種技術耦合協(xié)同后的技術較多地用于實現(xiàn)高鹽廢水回收零排放。當然，有時根據(jù)高鹽廢水的實際情況，還需要在技術之前增加預處理技術，以便為后續(xù)工藝提供更好的處理條件。濃縮作為高鹽廢水資源化處理的核心工藝，根據(jù)不同的處理對象和適用范圍分為熱濃縮和膜濃縮。其中，熱濃縮技術適于處理高TDS和COD高達數(shù)百克每升的廢水，通過加熱使高鹽廢水中的離子高倍濃縮，主要包括多級閃蒸MSF、多效蒸發(fā)MED以及機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)MVR。多級閃蒸技術起步于上世紀50年代，通過加熱至一定溫度的高含鹽廢水依次在一系列壓力逐漸降低的容器中實現(xiàn)閃蒸氣化，然后再將蒸汽冷凝后得到淡水的過程。多級閃蒸MSF作為最早得到應用的蒸餾技術，工藝成熟，運行可靠，適用于大型化，但熱力學效率相對較低，能耗較高，并且存在設備結垢和腐蝕的現(xiàn)象限制MSF首效蒸汽溫度，影響運行成本。此技術在本文中不做過多敘述，咱們重點來聊一聊多效蒸發(fā)MED和機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)MVR多效蒸發(fā)（以下簡稱MED）的原理是將多個蒸發(fā)器串聯(lián)起來，前一個蒸發(fā)器的二次蒸汽作為下一個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，下一個蒸發(fā)器的加熱室便是前一個蒸發(fā)器的冷凝器。在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中，只需要在第一效處加入新鮮蒸汽，在之后的前面一效蒸發(fā)塔頂產生的二次蒸汽，直接用作后續(xù)一效蒸發(fā)塔再沸器的加熱介質，一效之后的蒸發(fā)塔就無需再引入新鮮的蒸汽，最后一效塔頂蒸汽可以用作低壓力等級熱源。因此，其最大的優(yōu)點是多次利用二次蒸汽的汽化和冷凝，可以顯著減少新鮮蒸汽消耗量。MED蒸發(fā)器類型很多、按照蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)器類型、蒸發(fā)效數(shù)和物料流動方向分類，共四大類十五種：
- 按蒸汽壓力分為：常壓蒸發(fā)、加壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)；
- 按蒸發(fā)器類型分為：管式蒸發(fā)、板式蒸發(fā)和管板結合蒸發(fā)；
- 按效數(shù)分為：二效、三效、四效、五效和六效蒸發(fā)；
那么，MED蒸發(fā)器到底該如何比選？3個原則：1、逆流和混流效果均優(yōu)于并流系統(tǒng)。逆流多效蒸發(fā)能耗最小，并流多效蒸發(fā)能耗最大；混流多效蒸發(fā)系統(tǒng)的特性相對并流多效蒸發(fā)系統(tǒng)較好。 2、蒸發(fā)效數(shù)不是越多越好。當效數(shù)增多時，熱量利用的效率也隨之有所降低，考慮到效數(shù)增加則設備的投資增大，故實際采用效數(shù)應該有一個最佳點。比如對于一些些高沸點物系，只能采用二效或三效蒸發(fā)器。3、考慮物料特性、熱量衡算和不凝氣截留程度等因素選擇蒸發(fā)壓力。有研究表明，各效的壓強除了與蒸發(fā)器的物料與熱量衡算有關，還與物料的特性以及各效上下不凝氣的節(jié)流程度的大小有關。1、MED的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下5方面：
- 受熱時間短，多采用管內冷凝和管外沸騰的雙側向變傳熱方法，傳熱面積小，傳熱系數(shù)高。
- 操作彈性大，系統(tǒng)可以提供設計值40%~110%的產品水，而多級閃蒸和反滲透都不具備這么大的操作彈性。
- 處理效果好，處理過程中鹽分析出徹底，并且冷卻后冷卻液的鹽分能被去除90%以上，使微生物很難再受鹽分的抑制。
- 操作可靠性高，整過程使用全自動化運行，且在運行過程中管內壓力大于管外壓力，即使出現(xiàn)腐蝕換熱管現(xiàn)象，冷卻水也不會污染產品水。
2、MED的缺點主要體現(xiàn)在以下3方面：
- 管內易結垢，10d左右就要清理一次，需要及時除垢處理。
- 效數(shù)增加，蒸汽利用率低。當效數(shù)增加后，每一效的傳熱溫差損失就增加，如每蒸發(fā)1t水所消耗的蒸汽量比率為一效1.1、兩效0.57、三效0.4、四效0.3、五效0.27，設備生產能力下降。
四、多效蒸發(fā)MED常見的三個技術問題和對策一般來說，多效蒸發(fā)MED常出現(xiàn)裝置中起泡、蒸發(fā)器的結垢、含鹽離子末效蒸汽腐蝕設物理消泡主要有高溫和低溫消泡法、聲波消泡法、液體噴散消泡法以及機械振動法等。雖然物理消泡在處理量特別大的情況下效果明顯，但其裝置及其運行成本較高；化學消泡法主要是指使用消泡劑，但使用受消泡劑價格昂貴、生產成本高、生產工藝復雜影響；機械消泡法主要利用旋轉來改變作用在氣泡處的壓力和剪切力來達到除泡，因其成本低、消泡效果好，目前更受歡迎。有研究者有對蒸發(fā)器外壁垢樣（硫酸鈉和碳酸鈣）進行酸洗加中性清洗，對末效換熱器內壁垢樣（碳酸鈣）酸洗，掛片分析發(fā)現(xiàn)各效掛片平均腐蝕速率都小于1g/m2·h，總腐蝕量都小于10g/m2。值得一提的是，該方法要優(yōu)于《工業(yè)設備化學清洗質量標準》（HG/T2387-2007）及《腐蝕試樣的制備、清洗和評定標準》。3、針對含鹽離子末效蒸汽腐蝕設備的問題，解決方法——可以用低氯離子含量冷凝水進行低溫、定時、定量的置換和補充，并在循環(huán)水中加入高效緩蝕劑。機械式蒸汽再壓縮技術（以下簡稱MVR）是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產生的二次蒸汽及其能量，將低品位的蒸汽經(jīng)壓縮機的機械做功提升為高品位的蒸汽熱源。如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)提供熱能，從而減少對外界能源的需求的一項節(jié)能技術。在該系統(tǒng)中，預熱階段的熱源由蒸汽發(fā)生器提供，直至物料開始蒸發(fā)產生蒸汽。物料經(jīng)過加熱產生的二次蒸汽，通過壓縮機壓縮成為高溫高壓的蒸汽，在此產生的高溫高壓蒸汽作為加熱的熱源，蒸發(fā)腔內的物料經(jīng)加熱不斷蒸發(fā)，而經(jīng)過壓縮機的高溫高壓蒸汽通過不斷的換熱，冷卻變成冷凝水，即處理后的水。壓縮機作為整個系統(tǒng)的熱源，實現(xiàn)了電能向熱能的轉換，避免了整個系統(tǒng)對外界生蒸汽的依賴與攝取。從MVR蒸發(fā)工藝流程不難看出，MVR蒸發(fā)系統(tǒng)是由各個設備串聯(lián)在一起所組成，各設備之間要在熱力學和傳熱學方面巧妙地匹配，以使整個系統(tǒng)達到最佳效果。系統(tǒng)中的主要設備有以下4個：1、壓縮機。MVR壓縮機的選型主要有羅茨壓縮機和離心壓縮機兩種。羅茨鼓風機常被用來壓縮小流量的蒸汽，屬于是容積型壓縮機，其提供風量小，溫升大，適用于蒸發(fā)量小，沸點升高大的物料。離心式壓縮機為壓差式風機，提供的壓差小，流量大，溫升小，排氣均勻，氣流無脈沖，適合蒸發(fā)量較大，沸點升高較小的物料。綜合來看，離心式壓縮機的穩(wěn)定性要優(yōu)于羅茨壓縮機，但離心式壓縮機有時會發(fā)生喘振現(xiàn)象，會導致壓縮機不穩(wěn)定。2、蒸發(fā)器。蒸發(fā)處理裝置的型式一般分為升膜蒸發(fā)和降膜蒸發(fā)兩種。其主要根據(jù)處理物的特性、能耗進行選擇。目前，國內主要采用降膜蒸發(fā)方式。3、熱交換器。在MVR熱泵蒸發(fā)工藝過程中，所使用的換熱器多為間壁式換熱器。在這類換熱器內，冷熱流體不直接接觸，而是通過間壁進行換熱。生產中常用的間壁式換熱器類型有：列管式換熱器、波紋式換熱器和螺旋式換熱器。4、氣液分離器。氣液分離器是提供物料和二次蒸汽分離的場所。其作用主要為將霧沫中的溶液聚集成液滴，把液滴與二次蒸汽分離。值得一提的是，分離器的設計要充分考慮蒸發(fā)量、蒸發(fā)溫度、物料粘度、分離器液位等因素。1、對比傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)，MVR 系統(tǒng)只需要在啟動時，通入生蒸汽作為熱源，而當二次蒸汽產生，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，將不需要外部的熱源，系統(tǒng)的能耗就壓縮機和各類泵的能耗，所以節(jié)能效果相當顯著。2、MVR 蒸發(fā)器系統(tǒng)能耗主要是壓縮機的電耗，運行費用大幅下降，運維成本低，由于系統(tǒng)不需要工業(yè)蒸汽，其安全方面的隱患較低，操作簡單。3、在同樣的蒸發(fā)處理量下，MVR蒸發(fā)器所需的占地面積是遠遠小于傳統(tǒng)多效的蒸發(fā)設備。盡管MVR技術在高鹽廢水處理中發(fā)揮了很好的效果，但是運行中仍有一些技術問題對運行效果有所影響。換熱器器壁結垢是系統(tǒng)蒸發(fā)效率降低的主要原因之一，這主要是由于加熱熱源是利用二次蒸汽，結垢結焦會使傳熱效果下降，單位時間內的蒸發(fā)量降低,這使得可利用的壓縮二次蒸汽量減少，對生產能力影響會更加明顯。由于MVR蒸發(fā)器的特殊性，不能按時清洗設備比較常見，這是造成生產能力不穩(wěn)定的原因之一。MVR系統(tǒng)中的溫升問題是影響其在含鹽廢水處理應用中的一個重要因素。當采用MVR技術處理高濃度含鹽廢水時，由于其濃度高、沸點升較大，相應的蒸汽壓縮機需要提高較高的溫度來克服沸點升高的影響，對壓縮機提出了較高的要求，且系統(tǒng)能耗顯著增加。研究表明，使用MVR蒸發(fā)技術，合理的溫升范圍為8℃～20℃。如果沸點升高超過18℃，MVR技術將失去優(yōu)勢。由于工業(yè)廢水來源不同，需根據(jù)不同物料的物性對MVR進行選擇。物料特性分析主要包括：物料所含的成分；物料在蒸發(fā)過程中是否伴有結晶析出；物料的黏度、比熱、密度和沸點升等。單一物料可通過查閱相關表格獲取參數(shù)，但工業(yè)高鹽廢水多為混合型的料液，其相關數(shù)據(jù)只能通過模擬估算，因此，準確地對物料物性進行分析計算，是確保MVR裝置正常運行的關鍵因素。一般來說，
- 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)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)器內的時間盡量短等。
綜上所述，當前蒸發(fā)技術使用普遍，但同時也存在著能耗大、運行成本高、易結垢堵塞等問題，所以必須重點考慮高效節(jié)能，而多效蒸發(fā)MED和機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)MVR是推薦的高效節(jié)能技術。其中，MVR蒸發(fā)裝置的一次投資比較大，能耗較低，但隨著國產蒸汽壓縮機不斷改進技術和生產工藝，價格也在不斷地下降；多效蒸發(fā)裝置的效數(shù)增多，那么多效蒸發(fā)裝置投資也會增大，但能耗也能在一定程度內降低。因此，不論是MVR蒸發(fā)裝置還是多效蒸發(fā)裝置，都有一定的相對優(yōu)勢，要根據(jù)適用性、投資、運行、消耗、人工、占地進行多方位的比選。
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