廢水蒸發(fā)濃縮工藝在脫硫廢水處理中的應用

吳志勇

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

目前常用的脫硫廢水處理方法有反滲透濃縮法和晶種法。反滲透濃縮法需對反滲透進水進行預處理，包括濁度、結(jié)垢物質(zhì)、化學需氧量(COD)等，系統(tǒng)較為復雜;回收水水質(zhì)不如晶種法，且廢水不能完全回收，需要向周邊環(huán)境或污水收集體系中排放大量污水，如排入現(xiàn)有污水收集系統(tǒng)，將增加后續(xù)污水處理的難度和費用。晶種法對于一般行業(yè)或常規(guī)水系統(tǒng)中鈣離子、硫酸根離子含量較低的廢水處理效果較好，清理周期尚可接受，但已過飽和的脫硫廢水在進入預熱器時會因溫升很快而結(jié)垢，一旦結(jié)垢，清洗會非常困難，影響設備的運行和使用壽命。

本文研究的廢水蒸發(fā)濃縮工藝是將待處理廢水先輸入預處理軟化系統(tǒng)進行軟化處理，然后進入機械式蒸汽再壓縮(MVR)系統(tǒng)進行蒸發(fā)濃縮，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮后進入蒸發(fā)器循環(huán)利用，濃縮液進入三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進行蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶后產(chǎn)生的二次蒸汽循環(huán)回用于蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，結(jié)晶后的濃縮液和晶體顆粒進行固液離心分離，分離后的母液返回原液池或繼續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶，分離后的結(jié)晶體進入離心干燥包裝系統(tǒng)進行稱量包裝。該工藝系統(tǒng)低碳環(huán)保，物料可得到循環(huán)利用，熱效率高、能耗低、節(jié)省能源，大大降低了運行成本;溫差小、不易結(jié)垢和腐蝕，設備使用壽命延長。

1 脫硫廢水水質(zhì)分析

脫硫廢水含有的雜質(zhì)主要為固體懸浮物、過飽和亞硫酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及微量重金屬，其中很多物質(zhì)為國家環(huán)保標準中要求嚴格控制的第1類污染物。由于燃煤中的各種元素在爐膛內(nèi)高溫條件下進行一系列的化學反應，生成了多種化合物，一部分化合物隨爐渣排出爐膛，另一部分隨煙氣進入脫硫裝置吸收塔，溶解于吸收漿液并在吸收漿液循環(huán)系統(tǒng)中不斷濃縮，最終導致脫硫廢水中的雜質(zhì)含量很高。脫硫廢水蒸干系統(tǒng)設計進水水質(zhì)見表1。

表1 脫硫廢水蒸干系統(tǒng)設計進水水質(zhì)

續(xù)表

2 脫硫廢水處理的工藝流程

在將廢水蒸餾前，先對廢水進行軟件處理，盡量除去水中的易結(jié)垢離子Ca2+，Mg2+或SO42－，降低廢水蒸餾過程中易結(jié)垢的傾向，然后進入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進行蒸發(fā)結(jié)晶，最后將結(jié)晶進行離心干燥和包裝。具體工藝流程框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工藝流程框架結(jié)構(gòu)

3 預處理軟化系統(tǒng)

待處理廢水先進入預處理軟化系統(tǒng)，用芒硝－石灰－煙道氣法進行軟化處理，除去易結(jié)垢陽離子。預處理軟化系統(tǒng)的進、出口水質(zhì)見表2。

第1步:加入石灰乳、芒硝，離心分離后得到溶解液和無水芒硝;根據(jù)啟動后系統(tǒng)的運行需求，將pH值調(diào)節(jié)到12．8左右;匯流石膏顆粒物以降低石膏的過飽和狀態(tài)。

第2步:在第1步處理后的廢水中引入脫硫后的煙道氣，利用煙道氣中CO2與廢水中的氫氧化鈉反應生成碳酸鈣沉淀，徹底除去鈣離子;控制pH值為10．5～11．5，防止通入的CO2過量使產(chǎn)生的CaCO3又和H2CO3反應生成Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2會溶解于廢水而達不到徹底除去鈣離子的目的;使用陶瓷膜進行過濾，通過膜分離除去碳酸鈣沉淀，過濾后軟水中懸浮物(SS)的質(zhì)量分數(shù)小于0．001‰。

表2 預處理軟化系統(tǒng)的進、出口水質(zhì)

經(jīng)過軟化處理后，廢水中鈣離子的質(zhì)量分數(shù)小于0．005‰，鎂離子的質(zhì)量分數(shù)小于0．001‰，懸浮物(SS)的質(zhì)量分數(shù)小于0．001‰，進入蒸發(fā)系統(tǒng)廢水的主要成分為氯化鈉和硫酸鈉的混合鹽，可基本杜絕系統(tǒng)在蒸發(fā)濃縮結(jié)晶過程中結(jié)垢，確保系統(tǒng)清洗周期大于10個月。

4 蒸發(fā)－結(jié)晶系統(tǒng)

蒸發(fā)階段采用MVR系統(tǒng)，結(jié)晶階段采用三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)(蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設計進水水質(zhì)及水量見表3)，進入MVR調(diào)節(jié)罐的軟化水再加入阻垢劑，進一步防止軟性脫硫鹽水在換熱管內(nèi)結(jié)垢，在調(diào)節(jié)罐內(nèi)有足夠的停留時間以保證混合液在調(diào)節(jié)罐里充分混合反應，然后通過除氧器分離二氧化碳和其他不凝氣，以保證換熱器里充滿蒸汽來進行換熱，提高設備的換熱效率。

表3 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設計進水水質(zhì)及水量

MVR系統(tǒng)蒸發(fā)了80%的水，該蒸發(fā)系統(tǒng)換熱面積大，換熱效率高，能耗低，且蒸發(fā)器采用立式設計，占地面積較小。結(jié)晶階段采用三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器進行再蒸發(fā)及結(jié)晶，可最大限度地節(jié)能并滿足MVR蒸發(fā)系統(tǒng)對溫升的嚴格要求，保證整個系統(tǒng)的安全運行;三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝還可實現(xiàn)硫酸鈉和氯化鈉的分別結(jié)晶分離，生成的硫酸鈉可在預處理系統(tǒng)中重復利用;同時，氯化鈉的純度也得到提高，即使不進行結(jié)晶也可把濃縮的鹵水作為化工原料進行銷售，有利于提高副產(chǎn)品的附加值。

工藝選擇:根據(jù)軟性脫硫鹽水含鹽沸點升高數(shù)據(jù)(見表4)以及軟性脫硫鹽水蒸發(fā)試驗沸點升高數(shù)據(jù)(見表5)確定工藝。

由表4、表5可知，在軟性脫硫鹽水溶液蒸發(fā)濃縮到7倍時，其沸點升高在3℃以內(nèi)。為了降低設備成本和運行成本，整套蒸發(fā)濃縮設備采用1套MVR離心壓縮機蒸發(fā)器和1套三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)器串聯(lián)使用。

表4 NaCl和Na2 SO4單獨溶液標準沸點升高情況

表5 軟化后脫硫鹽水蒸發(fā)實驗沸點升高情況

在軟性脫硫鹽水中鹽的質(zhì)量分數(shù)為23．0%以前，其沸點升高在3℃以內(nèi)，采用MVR離心壓縮機降膜蒸發(fā)器來蒸發(fā)，其蒸發(fā)能耗為20(kW·h)/t，其蒸發(fā)溫度為90℃，二次蒸汽壓縮后的溫度為98℃。為了降低能耗，在降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)時采用了2個流程，每個流程的蒸發(fā)量見表6。

表6 MVR離心蒸發(fā)器蒸發(fā)量

降膜蒸發(fā)器具有換熱效率高、蒸發(fā)量大以及黏度較大的料液容易流動蒸發(fā)等優(yōu)點。

在三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)器里，溫度為120℃的鮮蒸汽從一效強制循環(huán)換熱器進入，物料采用混流進料方式從二效強制循環(huán)換熱器進入，每效的參數(shù)見表7～表9。

表7 三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)器蒸發(fā)量

表8 三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)器每效蒸發(fā)后無機鹽含量(理論值)

Na2SO4的溶解度隨著溫度的升高而降低，NaCl的溶解度隨著溫度的升高基本保持不變。物料從二效強制循環(huán)換熱器進入并經(jīng)蒸發(fā)后，NaCl的質(zhì)量分數(shù)為19．0%。由表9可知，在80℃時，NaCl還沒有達到結(jié)晶濃度，所以在第2效里NaCl和Na2SO4處于共存狀態(tài);通過第1效蒸發(fā)后，NaCl的質(zhì)量分數(shù)為28．0%，Na2SO4的質(zhì)量分數(shù)為19．3%。在溫度為100℃ 時，如果NaCl的質(zhì)量分數(shù)超過28．0%，Na2SO4的質(zhì)量分數(shù)接近 0，所以，在第 1效時Na2SO4能夠全部結(jié)晶，達到了分離Na2SO4和NaCl的目的;通過第3效蒸發(fā)后，達到了NaCl的結(jié)晶濃度，從而分離出較為純凈的NaCl。

表9 NaCl和Na2 SO4在水中的互溶度

5 離心干燥包裝系統(tǒng)

采用了制鹽行業(yè)的離心、干燥和包裝工藝:離心機+流化床干燥機+自動包裝機，離心機脫水后結(jié)晶鹽含水率小于5．0%，經(jīng)流化床干燥后結(jié)晶鹽含水率小于0．5%。經(jīng)離心機分離后物料的含水量約為5．0%，落到皮帶輸送帶上后被送至干燥進料斗?？諝饨?jīng)蒸汽換熱器加熱后進入干燥機，進風溫度為140～150℃。濕物料送至加料機(變頻控制)中，均勻加入流化床第1室中(帶機械耙散裝置，防止物料結(jié)塊)與熱空氣充分接觸，使物料快速升溫，初步干燥。經(jīng)過第1室后，物料達到松散狀態(tài)，保證了流化質(zhì)量并最終達到干燥要求，干燥后的結(jié)晶鹽被提升到儲料倉儲存。該工藝流程簡單、自動化程度較高。

6 廢水蒸發(fā)濃縮工藝的優(yōu)點

(1)低碳環(huán)保。利用煙道氣中的CO2和水中的鈣離子反應生成難溶解的碳酸鈣沉淀，達到除鈣軟化目的并減排二氧化碳。

(2)物料循環(huán)。結(jié)晶產(chǎn)生的硫酸鈉可作為預處理原料重復使用;結(jié)晶的工業(yè)氯化鈉純度大于98%，可作為化工原料得到再利用;MVR系統(tǒng)蒸發(fā)冷凝水含鹽量小于0．02‰，簡單處理后可作為鍋爐補給水。

(3)節(jié)能。蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)采用MVR系統(tǒng)，通過使用負壓降膜一效兩體大蒸發(fā)面積的蒸發(fā)器，最大限度地節(jié)能降耗，蒸發(fā)1 t水的能耗約是傳統(tǒng)三效蒸發(fā)能耗的1/5，運行成本大大降低。

(4)不結(jié)垢，低腐蝕。由于采用軟化預處理和阻垢劑防結(jié)垢，可基本實現(xiàn)系統(tǒng)不結(jié)垢;MVR系統(tǒng)的針對性設計可保證較小蒸發(fā)溫差和較高的安全性，同時材質(zhì)的保證和三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)的使用也極大地降低了設備的腐蝕，延長了設備的使用壽命。

(5)經(jīng)過大量試驗，使得此系統(tǒng)具有高安全性和可靠性。

(6)系統(tǒng)布局合理，便于檢修操作。

(7)自動化程度高，基本實現(xiàn)全過程無人值守。

7 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)采用預處理軟化+機械蒸汽再壓縮循環(huán)蒸發(fā)+三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶+離心干燥包裝工藝對廢水進行軟化、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥包裝后，無需向地面水域排放廢水，廢水最終以蒸汽的形式排出，或以污泥等形式封閉、填埋處理，可實現(xiàn)廢水零排放;該工藝系統(tǒng)低碳環(huán)保，物料可得到循環(huán)利用，熱效率高，能耗低，節(jié)省能源，大大降低了運行成本;溫差小，不易腐蝕管路和結(jié)垢，設備使用壽命延長。

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