李铁良，李 胜，裴程林，綦宗河，郑春光，方 伟，徐振华，张 爽

(1. 北京金隅琉水环保科技有限公司，北京 102403；2.中洁蓝环保科技有限公司，北京 102403)

在钾石盐加工过程中钾石盐原料加水溶解后形成的母液，生活垃圾焚烧飞灰水泥窑协同处置过程中产生的洗灰水，高炉烟灰炼锌过程中沉锌后的废水等，均属于NaCl-KCl-H2O三元体系[1]，在工业生产过程中，可以采用蒸发结晶提取NaCl和水，分离后的母液降温结晶提取KCl，从而实现NaCl-KCl-H2O三元体系分离的目的。

蒸发过程中需要消耗生蒸汽，是一个能耗较高的单元，在国家节能减排大背景下，机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Recompression，MVR)因全部回收利用蒸发过程中二次蒸汽的潜热，从而降低蒸发浓缩过程能耗。黄镜宇[2]等人应用MVR蒸发技术在放射性废液处理中过程，对MVR蒸发的热力过程进行分析，其有效能利用率达到 90%，从理论上论证了MVR蒸发技术的节能过程。LIANG L等人[3]设计了两级MVR蒸发系统，用于处理硫酸铵废水溶液，研究了系统参数，特别是一级排出液浓度对系统性能的综合影响，达到降低系统能耗的目的。韩东等人[4]对应用MVR于高盐溶液蒸发过程进行研究，在不考虑压缩机实际提升二次蒸汽温度能力的基础上建立了多级MVR蒸发系统，并分析有效传热温差、沸点升对系统性能的影响。刘燕[5]等人建立了考虑蒸汽压缩机实际做功能力的分级压缩MVR蒸发系统模型，研究表明相对于传统的MVR蒸发技术可节约47.83%的系统能耗和 28.75%的设备成本。

于雪峰[6]介绍了热溶—冷结晶法从光卤石矿中制备氯化钾，并对影响氯化钾收率的因素进行分析，结果表明应控制母液与淡水比为2.1 ∶1～2.4 ∶1，结晶过程中的降温速率0.3 ℃/min～0.6 ℃/min范围内。詹光[7]建立了烧结灰浸出液多效蒸发结晶分离提纯KCl模型，研究表明采用冷凝水闪蒸和引出蒸汽联合预热原料可节省18.17%的生蒸汽。王朝乾[8]从浓缩海水中提取氯化钾，研究表明氯化钾产品主含量超过98%，降温至25 ℃时，氯化钾回收率可达到60%。

NaCl-KCl-H2O三元体系沸点会随着浓度的提高而升高，在饱和状态下可达到16 ℃。目前研究者应用MVR于低沸点升溶液的蒸发过程进行深入研究和应用，实现能量高效回收利用，降低蒸发过程能耗的目的。但考虑到蒸汽压缩机实际做功能力，针对于高沸点升的溶液应用MVR蒸发技术进一步降低过程能耗的研究和应用有待深入研究。另一方面NaCl-KCl-H2O三元体系蒸发过程中NaCl和KCl浓度均增加，提取KCl实践过程中如何提高其品质和回收率同样有待深入研究。此工作基于蒸汽压缩机实际做功能力，溶液在蒸发过程中沸点升高的特性，结合分级压缩MVR蒸发模型，从能量梯级利用角度，设计出适用于NaCl-KCl-H2O三元体系分离的MVR蒸发结晶系统，分析沸点升高、出料浓度等过程参数对系统能耗和设备投资的影响，以获得系统运行最优操作工况，为进一步降低飞灰洗灰水处理过程能耗和设备成本提供参考。

1 NaCl-KCl-H2O分离系统

1.1 分级压缩MVR模型

分级压缩MVR蒸发模型如图1所示，其核心为蒸汽压缩机和蒸发器，蒸发产生的二次蒸汽全部进入一级压缩机，模块中压缩机入口蒸汽来自前一级压缩机，出口蒸汽一部分作为蒸发器的热源，另一部分送入下一级压缩机[5]。

图1 分级压缩MVR模块Fig.1 Hierarchical compression MVR module

1.2 NaCl-KCl-H2O分离模型

常压下NaCl溶液和KCl溶液的沸点升高随质量浓度升高而增加，不同温度下NaCl和KCl的溶解度的变化如图2，可知NaCl在水中的溶解度随温度变化不大，而KCl在水中的溶解度随温度变化较大，NaCl和KCl在水中不同温度下溶解度的差别，是实现NaCl和KCl的分离理论基础，通过合理控制过程温度实现NaCl-KCl-H2O三元体系的分质结晶。

图2 常压下不同温度下NaCl和KCl的溶解度Fig.2 Solubility of NaCl and KCl at different temperatures under normal pressure

1.3 NaCl-KCl-H2O分盐过程

以北京金隅琉水环保科技有限公司(以下简称“公司”)飞灰处置线产生的洗灰水处理过程为例，该洗灰水为NaCl-KCl-H2O三元体系，利用NaCl和KCl在水中不同温度下溶解度的差异，分离得到纯净的NaCl晶体和KCl晶体，工艺流程如图3。洗灰水在蒸发浓缩过程传热状态随质量浓度变化的关系如图4。洗灰水在降膜蒸发器蒸发的过程中，质量浓度较低，沸点升高BPE1(Tb1-Ts)较低，经过一级和二级压缩机压缩后的二次蒸汽的温度为Tc2，即可维持蒸发过程中的有效传热温差ΔT1 ；洗灰水进入强制循环蒸发器中，质量浓度升高，沸点升高BPE2(Tb2-Ts)也增大，一级和二级压缩机压缩后的二次蒸汽经过三级压缩机进一步提高温度到Tc3，以维持蒸发过程的有效传热温差ΔT2，且三级压缩机的进气量较少。洗灰水分盐分级压缩MVR蒸发系统通过优化三级压缩机的进气量，对二次蒸汽进行分级压缩，对能量实行梯级利用，在维持蒸发过程中有效传热温差的同时达到降低系统能耗的目的。

图3 KCl和NaCl分离工艺流程Fig.3 Separation process of KCl and NaCl

图4 多级MVR蒸发过程质量浓度与温度变化图Fig.4 Variation diagram of mass concentration and temperature in multistage MVR evaporation process

NaCl-KCl-H2O三元体系在蒸发及降温过程中组分变化如图5。采用高温蒸发浓缩，结晶析出纯净的NaCl晶体，随着蒸发结晶的进行，KCl浓度逐渐升高，控制K元素在130 g/L以上后，排出蒸发系统，对应于图5中为A-B-C过程。排出的母液通过降温结晶析出纯净的KCl晶体，对应于图5中为C-D过程。经过降温析钾的母液返回蒸发系统继续蒸发，对应于图5中为D-E过程，与新料液混合后进行循环，实现NaCl和KCl的彻底分离。

图5 KCl和NaCl分离过程洗灰水组分变化Fig.5 Composition charge of ash washing water in KCl and NaCl separation process

2 NaCl-KCl-H2O分离系统运行参数

以公司飞灰处置线产生的洗灰水处理系统为例，工艺方案流程如图3，系统自2018年初调试完成后稳定运行至今，该系统设计及运行参数如表1，采用分级压缩MVR模型，蒸汽压缩机温升为7 ℃～9 ℃，转速约5 000 r/min。

表1 洗灰水处置系统数据表Tab.1 Data sheet of ash washing water disposal system

3 主要运行参数影响分析

NaCl-KCl-H2O三元体系分离系统的核心设备为蒸汽压缩机、蒸发器和强制循环泵，其中蒸汽压缩机和强制循环泵的电耗为系统主要能耗。压缩机能耗主要与过气量和温升有关，温升包括克服洗灰水沸点升高和维持系统有效传热温差两部分，效传热温差影响系统换热面积。溶液沸点升高随其浓度而变化，调节降膜蒸发器出料浓度以维持合理的有效传热面积，达到降低系统能耗和设备投资的目的。

3.1 降膜蒸发出料浓度对NaCl分离过程的影响

降膜蒸发出料浓度是NaCl-KCl-H2O三元体系分离系统的一个重要过程参数，降膜蒸发出料浓度对NaCl分离运行过程的影响如图6，NaCl结晶过程的循环量、三级压缩机过气量，以及NaCl分离过程的运行能耗均随着降膜蒸发出料浓度的增加而下降，这是因为降膜蒸发出料浓度的增加，出料量减少，强制循环蒸发量减少，三级蒸汽压缩机的过气量降低，同时强制循环量也降低，三级蒸汽压缩机和强制循环泵能耗降低，NaCl分离过程的运行能耗降低。即降膜蒸发出料浓度越高，越有利于降低设备投资和系统运行能耗，考虑到系统的操作弹性和运行稳定性，取降膜蒸发出料浓度为22%。

图6 降膜蒸发出料浓度对NaCl分离过程的影响 Fig.6 Effect of falling film evaporation effluent concentration on NaCl separation process

3.2 降膜蒸发出料浓度对设备参数的影响

降膜蒸发出料浓度对系统核心设备参数的影响如图7。随着降膜蒸发出料浓度的增加，降膜蒸发器换热面积降低，强制循环换热器的换热面积增加，这是因为降膜蒸发出料浓度的增加，降膜蒸发器的蒸发量增加，同时其沸点升高也随之增加，在压缩机功率不变的同时，有效传热温差降低，因此降膜蒸发器的换热面积增加；降膜蒸发出料浓度的增加，在总处理要求及有效传热温差一致的情况下，强制循环蒸发器蒸发量降低，强制循环蒸发器的换热面积也随之降低。随着降膜蒸发出料浓度的增加，一级压缩机和二级压缩机功率保持一致，三级压缩机功率降低，这是因为在维持总处理要求一致的情况下，系统总蒸发量一致，因此一级压缩机和二级压缩机过气量一致，因此其运行功率维持不变，但是强制循环蒸发器蒸发量降低，三级压缩机的过气量降低、运行功率降低。

图7 降膜蒸发出料浓度对设备参数的影响Fig.7 Effect of falling film evaporation effluent concentration on equipment parameters

3.3 浓缩液中KCl含量对钾盐分离过程的影响

浓缩液中KCl含量对KCl分离过程的影响如图8,其中浓缩液降温终点为40 ℃。KCl分离过程运行进料量、配液量及母液预热蒸汽消耗量均随浓缩液中KCl含量的升高而降低。这是因为浓缩液中KCl含量越高，达到降温终点时析出的KCl就越多，达到KCl产量要求所需要的钾盐进料量就越少；KCl生产降温过程采用真空冷却与循环水冷却相结合的方式，此过程会闪蒸出一部分二次蒸汽，并伴随NaCl的析出，因此为保证降温过程中析出纯净的KCl，配入原料液以防止浓缩液在降温过程中析出NaCl，随着进料量的降低，为达到系统平衡，配液量也随之降低；钾盐母液返回前段MVR蒸发系统继续蒸发浓缩，实现KCl生产过程的连续性，但是经过降温的钾盐母液会破坏MVR蒸发系统的热平衡，因此需要用外部生蒸汽预热至泡点后再进入前段MVR系统，由于钾盐生产进料量及配液量均减少，提取KCl后的母液量也随之减少，预热母液的生蒸汽消耗量也随之减少。由图8可知，浓的浓缩液中KCl含量越高对钾盐生产工况越有利，但是在实际生产运行过程中，浓缩液中KCl含量越高，系统越容易在换热管中形成垢层，缩短系统清洗周期，在实际运行过程中控制浓缩液中KCl含量在19%～20%之间。

图8 浓缩液中KCl含量对KCl分离过程的影响Fig.8 Effect of KCl content in concentrated solution on KCl separation process

3.4 浓缩液降温终点对钾盐分离过程的影响

浓缩液降温终点对KCl分离过程的影响如图9，其中浓缩液中KCl质量浓度为20%，KCl分离过程运行进料量、配液量及母液预热蒸汽消耗量均随浓缩液降温终点的升高而增加。这是因为温度升高，KCl的溶解度增加，降温过程KCl的收率降低，通过增加浓缩液进料量而保证系统的KCl产量；同时随着进料量的增加，为达到系统平衡，配液量也随之增加；由于钾盐生产进料量及配液量的增加，提取KCl后的母液量也随之增加，预热母液的生蒸汽消耗量也随之增加。

图9 浓缩液降温终点对钾盐分离过程的影响Fig.9 Effect of cooling end point of concentrated solution on potassium salt separation process

由图9可知，浓缩液降温终点越低对钾盐生产工况越有利，但是考虑到实际操作工况，降温过程采用真空冷却与循环水冷却相结合的方式，夏季循环水温度接近30 ℃，综合考虑到系统连续运行的稳定性及可操作性，浓缩液降温终点温度取40 ℃。

4 结论

依托MVR系统蒸发结晶分离NaCl-KCl-H2O三元体系析出NaCl和H2O，浓缩液降温析出KCl，以公司飞灰处置线产生的洗灰水处理过程为例，通过对过程参数的合理管控，核算洗灰水处理效率及对技术经济的影响，得出如下结论：

1)降膜蒸发出料浓度会对设备投资和系统运行能耗有较大影响，综合考虑系统的操作弹性和运行稳定性，取降膜蒸发出料浓度为22%；

2)浓缩液中KCl含量对进料量和运行能耗有较大影响，KCl含量越高对钾盐生产工况越有利，综合考虑到系统连续运行及系统清洗周期，浓缩液中KCl含量控制在19%～20%；

3)浓缩液降温终点对进料量和运行能耗有较大的影响，综合考虑到系统连续运行的稳定性及可操作性，浓缩液降温终点温度在40 ℃左右。