多效蒸發(fā)、MVR、多級閃蒸，你覺得哪個才是“高鹽廢水”的最優(yōu)解？
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2022-11-28
從減排到限排再到零排，廢水排放標(biāo)準(zhǔn)逐步攀升。而要想達(dá)到“零排放”，重點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)高含鹽廢水的全回收，本質(zhì)是要實(shí)現(xiàn)廢水中水和鹽類的分離。目前，濃縮技術(shù)、結(jié)晶技術(shù)，以及2種技術(shù)耦合協(xié)同后的技術(shù)較多地用于實(shí)現(xiàn)高鹽廢水回收零排放。當(dāng)然，有時(shí)根據(jù)高鹽廢水的實(shí)際情況，還需要在技術(shù)之前增加預(yù)處理技術(shù)，以便為后續(xù)工藝提供更好的處理?xiàng)l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(shù)適于處理高TDS和COD高達(dá)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(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)MVR。多級閃蒸技術(shù)起步于上世紀(jì)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(shí)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(yīng)用的蒸餾技術(shù)，工藝成熟，運(yùn)行可靠，適用于大型化，但熱力學(xué)效率相對較低，能耗較高，并且存在設(shè)備結(jié)垢和腐蝕的現(xiàn)象限制MSF首效蒸汽溫度，影響運(yùn)行成本。此技術(shù)在本文中不做過多敘述，咱們重點(diǎn)來聊一聊多效蒸發(fā)MED和機(jī)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(chǎn)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(zhì)，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(diǎn)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(jié)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(dāng)效數(shù)增多時(shí)，熱量利用的效率也隨之有所降低，考慮到效數(shù)增加則設(shè)備的投資增大，故實(shí)際采用效數(shù)應(yīng)該有一個最佳點(diǎn)。比如對于一些些高沸點(diǎn)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(qiáng)除了與蒸發(fā)器的物料與熱量衡算有關(guān)，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(guān)。1、MED的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下5方面：
- 預(yù)處理簡單，化學(xué)藥劑消耗較少，加入阻垢劑即可。
- 受熱時(shí)間短，多采用管內(nèi)冷凝和管外沸騰的雙側(cè)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(shè)計(jì)值40%~110%的產(chǎn)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(yùn)行，且在運(yùn)行過程中管內(nèi)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(chǎn)品水。
2、MED的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3方面：
- 管內(nèi)易結(jié)垢，10d左右就要清理一次，需要及時(shí)除垢處理。
- 效數(shù)增加，蒸汽利用率低。當(dāng)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(shè)備生產(chǎn)能力下降。
四、多效蒸發(fā)MED常見的三個技術(shù)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(jié)垢、含鹽離子末效蒸汽腐蝕設(shè)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(jī)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(yùn)行成本較高；化學(xué)消泡法主要是指使用消泡劑，但使用受消泡劑價(jià)格昂貴、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜影響；機(jī)械消泡法主要利用旋轉(zhuǎn)來改變作用在氣泡處的壓力和剪切力來達(dá)到除泡，因其成本低、消泡效果好，目前更受歡迎。2、針對蒸發(fā)器的結(jié)垢問題，解決方法——有研究者有對蒸發(fā)器外壁垢樣（硫酸鈉和碳酸鈣）進(jìn)行酸洗加中性清洗，對末效換熱器內(nèi)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(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（HG/T2387-2007）及《腐蝕試樣的制備、清洗和評定標(biāo)準(zhǔn)》。3、針對含鹽離子末效蒸汽腐蝕設(shè)備的問題，解決方法——可以用低氯離子含量冷凝水進(jìn)行低溫、定時(shí)、定量的置換和補(bǔ)充，并在循環(huán)水中加入高效緩蝕劑。機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（以下簡稱MVR）是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，將低品位的蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)的機(jī)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(xiàng)節(jié)能技術(shù)。在該系統(tǒng)中，預(yù)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(chǎn)生蒸汽。物料經(jīng)過加熱產(chǎn)生的二次蒸汽，通過壓縮機(jī)壓縮成為高溫高壓的蒸汽，在此產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽作為加熱的熱源，蒸發(fā)腔內(nèi)的物料經(jīng)加熱不斷蒸發(fā)，而經(jīng)過壓縮機(jī)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(jī)作為整個系統(tǒng)的熱源，實(shí)現(xiàn)了電能向熱能的轉(zhuǎn)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(shè)備串聯(lián)在一起所組成，各設(shè)備之間要在熱力學(xué)和傳熱學(xué)方面巧妙地匹配，以使整個系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。系統(tǒng)中的主要設(shè)備有以下4個：1、壓縮機(jī)。MVR壓縮機(jī)的選型主要有羅茨壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)兩種。羅茨鼓風(fēng)機(jī)常被用來壓縮小流量的蒸汽，屬于是容積型壓縮機(jī)，其提供風(fēng)量小，溫升大，適用于蒸發(fā)量小，沸點(diǎn)升高大的物料。離心式壓縮機(jī)為壓差式風(fēng)機(jī)，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(diǎn)升高較小的物料。綜合來看，離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定性要優(yōu)于羅茨壓縮機(jī)，但離心式壓縮機(jī)有時(shí)會發(fā)生喘振現(xiàn)象，會導(dǎo)致壓縮機(jī)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(jìn)行選擇。目前，國內(nèi)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(nèi)，冷熱流體不直接接觸，而是通過間壁進(jìn)行換熱。生產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shí)，通入生蒸汽作為熱源，而當(dāng)二次蒸汽產(chǎn)生，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，將不需要外部的熱源，系統(tǒng)的能耗就壓縮機(jī)和各類泵的能耗，所以節(jié)能效果相當(dāng)顯著。2、MVR 蒸發(fā)器系統(tǒng)能耗主要是壓縮機(jī)的電耗，運(yùn)行費(fèi)用大幅下降，運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)多效的蒸發(fā)設(shè)備。盡管MVR技術(shù)在高鹽廢水處理中發(fā)揮了很好的效果，但是運(yùn)行中仍有一些技術(shù)問題對運(yùn)行效果有所影響。換熱器器壁結(jié)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(jié)垢結(jié)焦會使傳熱效果下降，單位時(shí)間內(nèi)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(chǎn)能力影響會更加明顯。由于MVR蒸發(fā)器的特殊性，不能按時(shí)清洗設(shè)備比較常見，這是造成生產(chǎn)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(yīng)用中的一個重要因素。當(dāng)采用MVR技術(shù)處理高濃度含鹽廢水時(shí)，由于其濃度高、沸點(diǎn)升較大，相應(yīng)的蒸汽壓縮機(jī)需要提高較高的溫度來克服沸點(diǎn)升高的影響，對壓縮機(jī)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(shù)，合理的溫升范圍為8℃～20℃。如果沸點(diǎn)升高超過18℃，MVR技術(shù)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(jìn)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(jié)晶析出；物料的黏度、比熱、密度和沸點(diǎn)升等。單一物料可通過查閱相關(guān)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(guān)數(shù)據(jù)只能通過模擬估算，因此，準(zhǔn)確地對物料物性進(jìn)行分析計(jì)算，是確保MVR裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。一般來說，
- 對沸點(diǎn)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(qiáng)制循環(huán)以防止物料流速太慢而結(jié)焦；
- 熱敏性物料要求停留在蒸發(fā)器內(nèi)的時(shí)間盡量短等。
綜上所述，當(dāng)前蒸發(fā)技術(shù)使用普遍，但同時(shí)也存在著能耗大、運(yùn)行成本高、易結(jié)垢堵塞等問題，所以必須重點(diǎn)考慮高效節(jié)能，而多效蒸發(fā)MED和機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)MVR是推薦的高效節(jié)能技術(shù)。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(chǎn)蒸汽壓縮機(jī)不斷改進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝，價(jià)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(nèi)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(yùn)行、消耗、人工、占地進(jìn)行多方位的比選。
