蒸發技術在煤化工濃鹽污水零排放中的應用

  由于我國地廣人多，人均水資源占有量及單位 國土水資源占有量均低于世界平均值，其中人均水 資源占有量約為世界平均值的四分之一，我國是貧 水國家， 因此加強水資源的管理尤其具有重大意 義。 如果不能做到節約水資源和提高水的利用率， 水資源問題可能成為經濟發展的瓶頸，勢必會影響 我國經濟建設的速度。 水資源在使用過程中由于喪失了使用價值而 被廢棄外排， 并以各種形式使受納水體受到影響， 這種水就稱為廢水。 據來源不同，廢水分為生活污 水和工業廢水兩大類。 工業廢水又分為生產廢水和 生產污水。 生產廢水是指較清潔、不經處理即可排 放或回用的工業廢水（如冷凝水）。 生產污水是指那 些污染較重，須經過處理后方可排放的工業廢水。 電鍍污水處理廠家處理生產污水的方法按對污染物實施的作用 不同，大體可分為兩類：一類是通過各種外力作用， 把有害物質從污水中分離出來，稱為分離法，如離 子交換法、吸附法、反滲透法、蒸發結晶法等；另一 類是通過化學或生化的作用，使其轉化為無害的物 質或可分離的物質， 后者再經過分離予以除去，稱 為轉化法。 煤化工濃鹽污水的零排放，就是將煤化工生產過 程中產生的高濃度含鹽污水采用有效的處理方法，使 污水中污染物與水分離， 獲得可回收的生產用水，實 現水的循環使用，達到無污水排放保護環境的作用。 某煤化工廠污水深度處理裝置排出的反滲透 (RO)濃鹽水主要成份見表 1。 該廠動力區化學水處理及化工區凝結水處理 站再生排水水質情況為：pH：6~9；含鹽量：10~20g/L （主要為氯化物和硫酸鹽）。 以上兩股水混合后將形成濃鹽污水，需要處理 后回收利用，實現煤化工濃鹽污水零排放。 2 蒸發結晶法處理濃鹽污水的可行性分析 2.1 濃鹽污水采用蒸發結晶法處理， 是通過蒸發濃 縮，使污水中具有結晶性能的溶質濃度超過其溶度積 達到過飽和狀態，形成許多微小的晶核，晶核長大形 成晶體析出，再進行固液分離，可獲得固態結晶體。 其 中污水中的水份吸熱后汽化形成二次蒸汽，二次蒸汽 冷凝后獲得較純凈的水，可實現濃鹽污水中混雜溶質與溶劑水的分離。 故蒸發結晶法處理濃鹽污水可達到 分離和回收有用物質（如純凈水）的目的。 2.2 濃鹽污水蒸發結晶的必要條件是污水與蒸汽 間熱交換要有足夠的傳熱面積； 加熱蒸汽不斷供 給；水份汽化并移走；污水中混雜的溶質在一定的 壓強和溫度下易達到飽和結晶，而不會在蒸發控制 的溫度下氣化。 2.3 蒸發結晶法在污水處理上有成熟的應用實例。 例如從酸洗鋼材的酸洗液中， 用濃縮結晶法回收硫 酸亞鐵和廢酸；從含有氯化鈉、硫酸鈉、硫代硫酸鈉 的污水中， 利用這三種物質的溶解度隨溫度變化的 規律不同的特性，把它們分離開來，從而回收硫代硫 酸鈉。 另外真空蒸發制鹽行業均是采用多效蒸發結 晶法，從鹵水中分離出氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鉀等鹽。 故采用蒸發結晶法處理煤化工濃鹽污水是可行的。污水深度處理排水主要成份 化學需氧量、電導率、濁度 、全鹽量、 氨氮 、揮發酚（以苯酚計）、 硫化物、 氯根、 硫酸根、 磷酸鹽、 氟化物、 氰化物 、鉀、 鈉 、鈣 、鎂 、鐵 、鋁、 可溶性硅 、膠體硅 ， RO 濃水 143mg/L 4952us/cm 14.3NTU 3714 mg/L 14.3mg/L 1.4mg/L 0.3mg/L 161mg/L 215mg/L 3.9mg/L 14.4mg/L 0.5mg/L 5.7 mg/L 1571.4mg/L 8.6 mg/L 7mg/L 3.9mg/L 4.9mg/L 69.1mg/L 18.6mg/L

    3 污水蒸發常用的設備 3.1 列管式蒸發器：分自然循環式和強制循環式兩 種。 最常用的蒸發器為外加熱式強制循環蒸發器， 污水在加熱管內的循環速度一般為 1.5~2.5m/s，傳 熱系數高，對水垢有一定的沖刷作用，適于易蒸發 結晶和結垢性的污水，但能耗較高。 3.2 薄膜式蒸發器：它有長管式、旋流式和旋片式 三種類型。 其特點是污水通過加熱室在加熱管內壁 上，形成一層很薄的水膜。 水膜吸收管外蒸汽潛熱 后，水份很快汽化移走而被濃縮。 該類型蒸發器蒸 發速度快，傳熱效率高，適用于一次性蒸發熱敏性 物料，間歇性處理粘度較大，容易產生泡沫的污水， 但不適用于處理易結晶的污水，故該類型蒸發器只 適用于污水濃縮，不能作為污水蒸發結晶器使用。 常用的是長管式薄膜蒸發器，它按水流方向分 為升膜、降膜、升—降膜式三種。加熱室內有一組 5~ 30m 長的加熱管，污水從管端進入，沿管程汽化，然 后進入分離室，分離二次蒸汽和濃縮液。 目前國內引進了一種先進的薄膜式蒸發器，其 特點是污水在加熱室內連續形成水膜，不斷循環蒸 發，故稱為降膜式循環蒸發器。 3.3 浸沒燃燒蒸發器：熱氣與污水直接接觸式蒸發 器，熱源一般為高溫煙氣。 它具有傳熱效率高，污水 沸點較低，構造簡單等優點，適用于蒸發強腐蝕性 和易結垢的廢液，但不適于熱敏性物料和不能被煙 氣污染的物料蒸發。 3.4 自然蒸發塘： 適用于在雨水少、 空氣干燥、風 大、日照時間長的荒漠地區使用，通過露天自然蒸 發，可將污水中水份不斷汽化進入大氣，污水不斷 濃縮結晶而減少。 它使用節能，運行成本低，對周圍 環境影響不大，但其設置容量大，占地面積大，防滲 漏要求高，蒸發速率低，一次性投入高，且不能回收 利用水是它存在的問題。

 4 濃鹽污水蒸發工藝及設備簡介 4.1 薄膜式循環蒸發器+強制循環蒸發結晶器處理 濃鹽污水。 降膜循環蒸發是將濃鹽污水自降膜蒸發 器加熱室上部溢流箱加入，經液體分布器（成膜裝 置），均勻分配到各加熱管內，在重力、真空誘導及 氣流作用下，成均勻膜狀自上而下流動。 流動過程 中，被殼程內飽和蒸汽加熱汽化，產生的二次蒸汽 與濃縮液共同進入蒸發器的分離室，汽液經充分分 離，蒸汽進入冷凝器冷凝（單效操作）或進入下一效 蒸發器作為加熱介質， 從而實現多效蒸發操作，濃 鹽污水在循環泵的作用下，不斷循環蒸發，濃縮液 則由分離室排出。 內蒙神華煤制油公司濃鹽污水蒸發裝置由二 效降膜循環蒸發（濃縮）器和一臺外加熱式強制循 環蒸發結晶器組成。 其中Ⅰ效蒸發器為濃鹽水蒸發 濃縮罐，合格的濃縮液排入蒸發塘自然蒸發；Ⅱ效 為硫酸銨廢水濃縮罐（與Ⅰ效蒸發器同類型），產生 的硫酸銨濃縮液進入Ⅲ效結晶器結晶，硫酸銨晶體 作為產品回收。 公司所產濃鹽污水在進料罐中調好 PH 值，加入防沫劑、防垢劑后，加熱、脫氣，進入Ⅰ 效（加晶種）蒸發器。 該蒸發器由一臺立式降膜管殼式換熱器及一臺位于管板上面的溢流箱組成。 該換 熱器下部設有濃鹽水槽，一臺循環泵將槽內的污水 輸送給溢流箱。 蒸發器均使用絲網型除沫器，脫除 二次蒸汽中夾帶的霧滴。 主要設備有：降膜式循環蒸發器、外加熱式強制 循環蒸發結晶器、主空冷器、輔助空冷器、蒸汽噴射器、 脫氣器、換熱器、進料罐、緩沖罐、泵、晶種旋流器等。 其中降膜式循環蒸發器的主要組成有：換熱器（加 熱室）、溢流箱及布水器、濃鹽水箱（蒸發室）、除霧器等。 其 中 Ⅰ 效濃鹽污水蒸發器處理污水量為 129m3 /h，可產生冷凝水 120.4 m3 /h。Ⅱ效硫酸銨廢水 蒸發器處理廢水量為 103m3 /h，可產生冷凝水 98.3 m3 /h。 蒸發器配套的循環泵均屬單級離心泵。 濃鹽水蒸發 設備尺寸如圖

4.2電驅動壓縮蒸汽機的單效降膜式循環蒸發器 處理濃鹽污水 該類型蒸發裝置主要由電驅動壓縮蒸汽機和 單效降膜式循環蒸發器組成。 它利用自身蒸發濃鹽 污水產生的二次蒸汽，經壓縮機壓縮，蒸汽的壓力、 溫度升高，熱焓增加后，進入自身的加熱室作加熱 蒸汽使用，維持污水沸騰狀態，而加熱蒸汽本身冷 凝成水。 這樣，回收利用了原來要廢棄的二次蒸汽 及潛熱，提高了熱效率，生蒸汽的經濟性相當于多 效蒸發的 30 效， 減少了對外部加熱及冷卻資源的 需求，降低能耗，減少污染。 

降膜式循環蒸發器工藝流程 主要設備：降膜式循環蒸發器、電驅動壓縮蒸汽機、 冷凝器、換熱器、進料罐、緩沖罐、泵、晶種旋流器等。 采用電驅動壓縮蒸汽機的單效降膜式循環蒸 發器處理濃鹽污水，其 工 藝 簡 單，設 備 少，操 作 方 便，生產成本低，值得推廣應用。 但其主要設備壓縮 機目前仍依賴進口，設備制作周期長，投資費用高 是它的缺點。

 5 濃鹽污水蒸發結晶過程中存在的問題及預防措施 5.1 蒸發器、預熱器結垢 結垢是指濃鹽污水中含有大量的雜質鹽，不斷 蒸發濃縮后形成晶核。 晶核附著于換熱管（或面）內 表面而結垢，輕則影響換熱器效率，重則會使換熱 管堵塞，嚴重影響蒸發結晶裝置正常運行。 濃鹽污水中含有鈣、 鎂離子和硫酸根離子、碳 酸根離子、硅酸鹽等，它們在蒸發結晶過程中，不斷 濃縮達到共飽和產生硫酸鈣、碳酸鈣等晶核及硅酸 鹽膠體，晶核及膠體在蒸發器加熱管、換熱器的被 加熱面上附著形成垢層。 蒸發器、換熱器結垢后，需 酸洗除垢，既耗時又會造成設備腐蝕。 濃鹽污水在蒸發汽化過程中，易產生二次蒸汽 霧沫夾帶，霧沫中所帶的含鹽水滴附著在除沫器的 絲網或折流板上， 不斷濃縮析出晶體形成垢層，嚴 重時造成二次蒸汽受阻。

隨著循環的濃鹽污水濃度不斷升高，污水中所 含硫酸鈣、碳酸鈣、硅酸鹽會在降膜式蒸發器的分 布器縫隙處析出、附著結垢，造成部分分布器堵塞。 蒸發器內循環濃鹽污水中晶種控制量是蒸發結 晶過程中，防止同種晶型、溶解度小的鹽析出附著于 換熱管（或面）結垢的重要監控指標。 其控制范圍窄， 易波動，且監測分析結果滯后，一旦未及時發現晶種 量不足進行調整時，可能已發生了結垢現象。 5.2 預防結垢措施 （1）晶種法：通過在濃鹽污水中加入一定的硫酸 鈣或氯化鈣作為晶種，利用與垢物相同的晶體表面對 垢物的親和力，降低污水中硫酸鈣過飽和度，使污水 中析出的硫酸鈣分子優先附著在懸浮的晶種上，%E