陳 飛，江 郡，劉 豐

（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇南京 210009）

近年來，隨著國家環(huán)保政策逐漸趨嚴(yán)收緊，各級地方政府環(huán)保部門加強了對企業(yè)外排工業(yè)廢水的管控，體現(xiàn)在不斷提高廢水污染物排放濃度限值，除此之外還設(shè)立了諸如廢水鹽分含量等新增控制指標(biāo)。如上海市執(zhí)行的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中，明確指出外排廢水溶解性總固體限值為2 000mg/L。相關(guān)研究也顯示鹽分對于生態(tài)環(huán)境及水生動植物生存均有潛在威脅。因此，對含鹽廢水實施近零排放處置具有重要意義且勢在必行，常規(guī)處理工藝包含預(yù)處理、膜濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶。其中實現(xiàn)末端液固分離的蒸發(fā)結(jié)晶工藝段是關(guān)鍵點，涉及的技術(shù)有多效和MVR蒸發(fā)結(jié)晶等，已廣泛應(yīng)用于煤化工、電廠、多晶硅等行業(yè)。

1 新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

為解決傳統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶工藝易造成的設(shè)備管路結(jié)垢、堵鹽等問題，開發(fā)出一種新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)。它基于的工作原理是空氣攜濕能力隨溫度變化而變化，其傳質(zhì)動力來源于不同溫度下飽和蒸氣壓差異。其較低操作溫度條件可避免廢水中低沸點物質(zhì)在蒸發(fā)濃縮過程中逸出，從而影響二次蒸汽品質(zhì)。同時可利用富余的低壓蒸汽和高溫?zé)崴葟U熱作為熱源，能耗可進(jìn)一步降低。它無需配備真空設(shè)備以及維持系統(tǒng)高密封性要求，降低了系統(tǒng)制造和操作難度。

具體工藝路線為含鹽廢水經(jīng)過預(yù)處理除去懸浮物后，由預(yù)熱器加熱至40~80℃，經(jīng)由噴淋系統(tǒng)在蒸發(fā)設(shè)備中從上往下均勻噴灑，冷空氣由蒸發(fā)設(shè)備側(cè)底部鼓入，與下行廢水霧化液滴進(jìn)行直接接觸傳熱，廢水以水蒸氣形式由熱空氣帶出，熱濕空氣在冷凝設(shè)備中釋放出凝結(jié)水，再經(jīng)過后處理達(dá)到生活或工業(yè)再生回用水要求，濕冷空氣由冷凝設(shè)備頂部排出。蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)的廢水不斷濃縮至工藝要求后排出系統(tǒng)，運行過程有一股濃液打循環(huán)操作。該技術(shù)工藝現(xiàn)已在垃圾滲濾液、電鍍廢水近零排放處理領(lǐng)域有小規(guī)模示范性 應(yīng)用。

2 工藝流程模擬

2.1 模型簡化與建立

利用Aspen軟件對新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶工藝過程進(jìn)行基于物料衡算和熱量衡算的模擬研究工作。首先根據(jù)工藝流程及特點，進(jìn)行必要簡化并優(yōu)化后，確定整體工藝的模擬流程如圖1所示。

圖1 新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶工藝Aspen流程模擬簡化圖

在此基礎(chǔ)上，確定模擬流程中涉及的單元設(shè)備所采用的模塊類型。即廢水預(yù)熱和熱濕空氣冷凝使用換熱器模塊（HEATER），循環(huán)廢水與進(jìn)料液混合使用混合器模塊（MIXER），蒸發(fā)塔和冷凝塔使用閃蒸模塊（FLASH2），蒸發(fā)塔底部濃液打循環(huán)與排濃分股使用物流分割模塊（FSPLIT）。

2.2 參數(shù)設(shè)置與計算

首先對整體模擬流程進(jìn)行全局參數(shù)設(shè)定，之后再進(jìn)行組分的正確輸入。使用軟件自帶電解質(zhì)向?qū)лo助生成可能發(fā)生的各種電離反應(yīng)以及電離反應(yīng)生成的各種電解質(zhì)組分。再對物性模型進(jìn)行選擇，物性模型選擇正確與否對平衡計算和性質(zhì)計算結(jié)果的準(zhǔn)確程度起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)該工藝特點，確定采用ELECNRTL物性模型，再對研究范圍內(nèi)的基礎(chǔ)物流參數(shù)和模塊參數(shù)進(jìn)行初始賦值和迭代收斂計算。

2.3 結(jié)果輸出

在完成模擬數(shù)據(jù)的輸入基礎(chǔ)上，對此工藝模擬過程進(jìn)行嚴(yán)格的物料衡算和能量衡算。確定模擬的基準(zhǔn)條件為廢水進(jìn)料量2 000kg/h，進(jìn)料溫度25℃，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，空氣溫度25℃，濕度30%，輸出結(jié)果中物料平衡數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 物料衡算結(jié)果

由表1可知，在基準(zhǔn)條件下系統(tǒng)攜濕水量為1771kg/h，其中一部分作為濕冷空氣攜濕外排（AIROUT），另一部分作為冷凝回收水（WATEROUT），其占攜濕總水量的79%。排濃（SALTOUT）流量為229kg/h，料液濃度為17.6%，料液濃縮8.8倍。再分別以進(jìn)料流量，鹽分種類，鹽水濃度，空氣濕度為考察對象，改變初始輸入值，模擬計算得到相應(yīng)結(jié)果。

3 討論與分析

3.1 進(jìn)料流量影響

如圖2所示，隨著進(jìn)料流量增加，低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)攜濕水量增加，相應(yīng)的預(yù)熱器負(fù)荷也增加。由于進(jìn)料流量增加，進(jìn)蒸發(fā)塔料液溫度不變，預(yù)熱負(fù)荷增加。進(jìn)入蒸發(fā)塔內(nèi)料液攜帶總熱量增加，而進(jìn)入蒸發(fā)塔內(nèi)空氣量、濕度和溫度不變的情況下，被料液接觸換熱后，空氣被加熱升溫得越高，即出蒸發(fā)塔攜濕空氣溫度增加，故最終呈現(xiàn)出系統(tǒng)攜濕水量增加。

圖2 預(yù)熱負(fù)荷和攜濕水量隨進(jìn)料流量變化

3.2 鹽分種類影響

如圖3所示，改變進(jìn)料含鹽廢水鹽分種類，對低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的攜濕水量是有影響的。模擬計算中選取了常見的鹽分種類，如NaCl、NH4Cl、Na2SO4和（NH4）2SO4。結(jié)果顯示，系統(tǒng)攜濕水量和預(yù)熱負(fù)荷由大到小依次為：Na2SO4>（NH4）2SO4> NH4Cl>NaCl。針對不同鹽分種類的含鹽廢水，水分子的逃逸能力與電解質(zhì)離子之間的強度有關(guān)系。電解質(zhì)離子強度越大，離子之間相互作用力越強，其對水分子的拉拽力越小，則水分子更容易被空氣攜帶出。另外，水分子逃逸能力還受水中銨根離子水解作用的影響，最終表現(xiàn)為含硫酸鈉鹽水系統(tǒng)攜濕水量最大。

圖3 預(yù)熱負(fù)荷和攜濕水量隨鹽水成分變化

3.3 鹽水濃度影響

如圖4所示，隨著進(jìn)料含鹽廢水濃度增加，低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)攜濕水量減小，相應(yīng)的預(yù)熱器所需負(fù)荷也減小。含鹽廢水會導(dǎo)致飽和蒸氣壓減小，且隨著鹽度增加其減小的幅度越大。即含鹽廢水從溶液體系因相平衡逃逸出的水蒸氣量小于純水逃逸出的水蒸氣量，故隨著含鹽廢水濃度增加，體系對水蒸氣的拖拽力越大，從溶液逃逸出的水蒸氣量越小，最終呈現(xiàn)出系統(tǒng)攜濕水量越小。

圖4 預(yù)熱負(fù)荷和攜濕水量隨進(jìn)料廢水濃度變化

3.4 空氣濕度影響

如圖5所示，隨著鼓入蒸發(fā)塔空氣濕度的增加，低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)攜濕水量減小，相應(yīng)的預(yù)熱器所需負(fù)荷也減小?？諝鉂穸鹊脑黾樱磫挝毁|(zhì)量空氣自身攜帶水量增加。在蒸發(fā)塔進(jìn)出空氣溫度保持不變的情況下，出蒸發(fā)塔空氣攜濕總水量是一定值。若空氣自身攜帶水量多，則從進(jìn)料廢水中攜走的水量就會減少，最終呈現(xiàn)出系統(tǒng)攜濕能力下降。由于空氣從廢水中攜走的水量需要經(jīng)過預(yù)熱器的加熱升溫，故預(yù)熱負(fù)荷隨攜濕能力的下降而減小。

圖5 預(yù)熱負(fù)荷和攜濕水量隨空氣濕度變化

3.5 能耗估算

低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)運行在不考慮低溫廢熱源能耗前提下，主要來自系統(tǒng)裝置中的風(fēng)機和料液循環(huán)泵的電耗。以基準(zhǔn)條件為參考，即進(jìn)料量2 000kg/h， 進(jìn)料溫度25℃，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，循環(huán)泵流量140t/h，風(fēng)機風(fēng)量20 000m3(標(biāo))/h，空氣溫度25℃，濕度30%，風(fēng)機能耗12~18kWh，料液循環(huán)泵能耗8~12kWh，折合噸水能耗10~15kWh。較之MVR蒸發(fā)技術(shù)，其噸水能耗在25~35kWh，具有一定優(yōu)勢。但低品位熱源是否不計入運行能耗成本，還需視項目所在地副產(chǎn)多余低品位熱能實際情況而定。

4 結(jié)論與展望

1）新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶工藝決定系統(tǒng)蒸發(fā)能力的關(guān)鍵因素是空氣量和預(yù)熱溫度，并受空氣濕度、料液含鹽種類、進(jìn)料量和進(jìn)料液濃度等因素影響。其他工藝條件保持不變，空氣濕度越大，系統(tǒng)攜濕水量越?。豢傔M(jìn)料量越大，系統(tǒng)攜濕水量越大；進(jìn)料濃度越大，系統(tǒng)攜濕水量越小。廢水含鹽種類不同，系統(tǒng)攜濕水量不同，由大到小依次為硫酸鈉、硫酸銨、氯化銨、氯化鈉。系統(tǒng)攜濕水量越大，預(yù)熱器的預(yù)熱負(fù)荷越大。

2）不考慮工藝系統(tǒng)過程中所需低品位熱能消耗，采用新型低溫常壓蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，基準(zhǔn)條件下噸水能耗10~15kWh，相較于其他節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，具有一定優(yōu)勢。但廢熱是否計入運行成本，還得具體依賴于項目自身特征。若項目副產(chǎn)廢熱且滿足自身供暖或外售后還有富余，可不計入成本，此時運用該技術(shù)具有顯著經(jīng)濟性。

3）該技術(shù)工藝的實現(xiàn)對于所處自然環(huán)境條件依賴性較大，基于空氣的攜濕能力，若項目所在地空氣濕度常年較高，則蒸發(fā)處理能力降低，噸水能耗增加。若項目所在地空氣濕度隨季節(jié)變化較大，如江浙地區(qū)梅雨季節(jié)濕度可達(dá)70%~80%，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)備后期維護難度較大。