水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水处理系统

2014-09-07杨洛鹏赵存宏邹振宇王德科

中国环保产业 2014年4期

杨洛鹏，赵存宏，邹振宇，王德科

（1.海汇集团有限公司，山东日照 276500；2.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024；3.中船重工集团第703研究所，江苏无锡 214151）

1 引言

随着工业生产的飞速发展，我国同时面临着废水过度排放和水资源短缺的危机，尤其是沿海经济发达地区危机更为严峻。东部沿海地区是我国人口最集中、经济最发达的地区，其陆地面积只占陆地国土总面积的15%，人口数量超过全国的40%，经济总量超过50%，但该地区的人均淡水资源量低于500立方米，低于国际上通行的人均1000立方米的生存底线，处于严重缺水状况[1-2]，而同时该地区每年排放的工业废水就达上百亿吨，严重的水污染又进一步加剧了水资源短缺。因此有必要寻找高效率、低能耗的技术实现废水排放的同时回收淡水资源。

我国每年排放的工业废水中，石油化工、造纸、有色金属、煤矿、油田等行业是主要的排放源，排放的废水具有浓度高、难降解、毒性大、成分复杂等特点[3-4]。对于这类高盐废水的处理，常采用的方法有生物法、膜分离法和多效蒸发法。生化处理需要将高盐废水稀释到低浓度下运行，造成水资源浪费的同时增加了处理的废水量，而且由于废水成分复杂，难以高效生化降解。分离膜容易被废水中的有机物污染，造成废水处理成本高，企业难以承受。多效蒸发法是将多个蒸发器连接起来的系统，将前一效蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一效蒸发器作为加热蒸汽，并在下一效蒸发器中冷凝为蒸馏水[5-6]。多效蒸发具有适用的废水水质范围广、运行稳定的特点，并能使废水得到有效综合利用，具有显著的经济效益和环境效益。但是目前多效蒸发高盐废水处理中多采用竖管降膜蒸发器，受传热机理和蒸发强度的限制，单效蒸发器内的温度差要不小于12℃，造成系统所需的加热蒸汽压力和温度参数高；同时为有效控制废水中结垢和腐蚀的发生，要控制第一效蒸发器中的蒸发温度。这样使得竖管降膜多效蒸发系统的蒸发器效数一般最多为3效，加热蒸汽的热量循环利用次数有限，因此能耗成本高成为制约多效蒸发技术用于废水处理的瓶颈。

为克服现有的竖管降膜多效蒸发中存在的能耗高问题，本文提出了水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水处理系统，该废水处理系统可通过大幅度减少高压蒸汽的耗量而实现降低废水处理的能耗。

2 水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水工艺

2.1 工艺流程

水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水处理系统（如图1所示），由多台水平管降膜蒸发器和竖管降膜蒸发器并联或者串联组成。末效竖管降膜蒸发器内生成的低温二次蒸汽作为水平管降膜多效蒸发系统第一效蒸发器的加热蒸汽，这部分低温二次蒸汽的热量通常是被冷却水带走而浪费；废水在水平管降膜蒸发系统中被蒸发浓缩后进入竖管降膜蒸发系统，进行蒸发结晶后的废水量大幅减少，有效降低了竖管降膜蒸发系统消耗的高温高压蒸汽量。水平管降膜蒸发是小温差、小流量条件下的高效相变换热技术，可以实现在50℃～65℃的温差范围内布置多个蒸发器，对末效竖管蒸发器排放的低温二次蒸汽热量重复利用，从而进一步降低废水蒸发的能耗。水平管蒸发器内为低温蒸发，蒸发温度通常低于65℃，这使得蒸发器内传热管束和壳体的腐蚀和结构得到有效控制，保证了系统运行的稳定性和安全性。

图1 水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水处理系统流程图

2.2 水平管降膜蒸发技术原理

水平管降膜蒸发技术原理[5-6]（如图2所示），液体以膜状形式由一个水平管向下滴落到与其并联的另一个水平管，并依靠管内介质的加热而不断蒸发的过程。基于该技术的横管降膜蒸发器由多排水平管组成，在上一层管外壁上蒸发的余液落至下一层管上继续蒸发，随着蒸发的持续进行，液膜厚度不断减小。液膜厚度越小，其传热系数就越高，水平管降膜蒸发相比其它形式的蒸发可在很大程度上提高传热系数和传热性能。对于光滑管而言，水平管降膜的传热系数两倍于竖管降膜蒸发。在有效合理的喷淋密度下，水平管降膜蒸发不仅消除了液体静压柱和过热区的影响，而且有效降低了蒸发的驱动温度，能够使多效蒸发在较小的温差变化范围内有足够的效数，从而保障了低温多效蒸发的经济性。

图2 水平管降膜蒸发过程示意图

2.3 流程技术特点

（1）不受废水成分变化的影响，适用的水质范围广，系统运行稳定，因此能满足处理高盐废水的技术要求。

（2）利用竖管降膜蒸发器生成的通常被废弃的二次蒸汽作为水平管降膜多效蒸发系统的加热蒸汽，使废水在水平管降膜蒸发系统浓缩，可有效降低废水蒸发的能耗。

（3）依据水平管降膜蒸发所具有的小温差传热特点，可在50℃～66℃的温差范围内布置多效蒸发器，实现对蒸汽热量的重复利用。高盐废水在水平管降膜蒸发器中被浓缩后，废水中的大部分水分被蒸发，浓缩后的废水作为竖管降膜蒸发器的进料水，减少了竖管降膜蒸发器中消耗的高压蒸汽量。

（4）水平管降膜蒸发器采用的是负压蒸发，在低温下蒸发，最高蒸发温度低于70℃。由于蒸发温度降低，传热管材和壳体的结垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此传热管可以使用价格低的铝合金材料替代贵重的防腐合金，壳体可以使用碳钢内衬防腐涂层，从而有效降低了蒸发器的制造成本。

3 应用实例

以某化工厂的废水处理为例，废水成分为：盐度10%，pH值6～8，温度20℃，处理量100吨/天，加热蒸汽压力0.5MPa，温度140℃；竖管降膜蒸发器采用3效，水平管降膜蒸发器为2效，水平管低温多效蒸发系统的热源是第二效竖管降膜蒸发器内生成的二次蒸汽，温度为60℃，末效水平管降膜蒸发温度为50℃。

能耗分析结果：相对于典型的竖管降膜3效蒸发系统0.35吨汽/吨废水的能耗，通过增加两效水平管降膜蒸发器后能耗降低为0.23吨汽/吨废水，消耗的高温高压蒸汽量减少30%以上，并同时获得了17吨/天的蒸馏水。如果按照高温高压蒸汽价格100元/吨、除盐水价格10元/吨计算，年均可节省费用49.2万元。增加的水平管降膜蒸发器使投资增加30万元，只需要不到8个月的时间就可以收回投资。因此该高盐废水蒸发系统的节能效果十分显著。