水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)高鹽廢水處理系統(tǒng)

楊洛鵬，趙存宏，鄒振宇，王德科

（1.海匯集團(tuán)有限公司，山東 日照 276500；2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.中船重工集團(tuán)第703研究所，江蘇 無(wú)錫 214151）

1 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，我國(guó)同時(shí)面臨著廢水過(guò)度排放和水資源短缺的危機(jī)，尤其是沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)危機(jī)更為嚴(yán)峻。東部沿海地區(qū)是我國(guó)人口最集中、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，其陸地面積只占陸地國(guó)土總面積的15%，人口數(shù)量超過(guò)全國(guó)的40%，經(jīng)濟(jì)總量超過(guò)50%，但該地區(qū)的人均淡水資源量低于500立方米，低于國(guó)際上通行的人均1000立方米的生存底線，處于嚴(yán)重缺水狀況[1-2]，而同時(shí)該地區(qū)每年排放的工業(yè)廢水就達(dá)上百億噸，嚴(yán)重的水污染又進(jìn)一步加劇了水資源短缺。因此有必要尋找高效率、低能耗的技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢水排放的同時(shí)回收淡水資源。

我國(guó)每年排放的工業(yè)廢水中，石油化工、造紙、有色金屬、煤礦、油田等行業(yè)是主要的排放源，排放的廢水具有濃度高、難降解、毒性大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)[3-4]。對(duì)于這類高鹽廢水的處理，常采用的方法有生物法、膜分離法和多效蒸發(fā)法。生化處理需要將高鹽廢水稀釋到低濃度下運(yùn)行，造成水資源浪費(fèi)的同時(shí)增加了處理的廢水量，而且由于廢水成分復(fù)雜，難以高效生化降解。分離膜容易被廢水中的有機(jī)物污染，造成廢水處理成本高，企業(yè)難以承受。多效蒸發(fā)法是將多個(gè)蒸發(fā)器連接起來(lái)的系統(tǒng)，將前一效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽引入下一效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并在下一效蒸發(fā)器中冷凝為蒸餾水[5-6]。多效蒸發(fā)具有適用的廢水水質(zhì)范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，并能使廢水得到有效綜合利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但是目前多效蒸發(fā)高鹽廢水處理中多采用豎管降膜蒸發(fā)器，受傳熱機(jī)理和蒸發(fā)強(qiáng)度的限制，單效蒸發(fā)器內(nèi)的溫度差要不小于12℃，造成系統(tǒng)所需的加熱蒸汽壓力和溫度參數(shù)高；同時(shí)為有效控制廢水中結(jié)垢和腐蝕的發(fā)生，要控制第一效蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度。這樣使得豎管降膜多效蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器效數(shù)一般最多為3效，加熱蒸汽的熱量循環(huán)利用次數(shù)有限，因此能耗成本高成為制約多效蒸發(fā)技術(shù)用于廢水處理的瓶頸。

為克服現(xiàn)有的豎管降膜多效蒸發(fā)中存在的能耗高問(wèn)題，本文提出了水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)高鹽廢水處理系統(tǒng)，該廢水處理系統(tǒng)可通過(guò)大幅度減少高壓蒸汽的耗量而實(shí)現(xiàn)降低廢水處理的能耗。

2 水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)高鹽廢水工藝

2.1 工藝流程

水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)高鹽廢水處理系統(tǒng)（如圖1所示），由多臺(tái)水平管降膜蒸發(fā)器和豎管降膜蒸發(fā)器并聯(lián)或者串聯(lián)組成。末效豎管降膜蒸發(fā)器內(nèi)生成的低溫二次蒸汽作為水平管降膜多效蒸發(fā)系統(tǒng)第一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，這部分低溫二次蒸汽的熱量通常是被冷卻水帶走而浪費(fèi)；廢水在水平管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)中被蒸發(fā)濃縮后進(jìn)入豎管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶后的廢水量大幅減少，有效降低了豎管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)消耗的高溫高壓蒸汽量。水平管降膜蒸發(fā)是小溫差、小流量條件下的高效相變換熱技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在50℃～65℃的溫差范圍內(nèi)布置多個(gè)蒸發(fā)器，對(duì)末效豎管蒸發(fā)器排放的低溫二次蒸汽熱量重復(fù)利用，從而進(jìn)一步降低廢水蒸發(fā)的能耗。水平管蒸發(fā)器內(nèi)為低溫蒸發(fā)，蒸發(fā)溫度通常低于65℃，這使得蒸發(fā)器內(nèi)傳熱管束和殼體的腐蝕和結(jié)構(gòu)得到有效控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

圖1 水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)高鹽廢水處理系統(tǒng)流程圖

2.2 水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)原理

水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)原理[5-6]（如圖2所示），液體以膜狀形式由一個(gè)水平管向下滴落到與其并聯(lián)的另一個(gè)水平管，并依靠管內(nèi)介質(zhì)的加熱而不斷蒸發(fā)的過(guò)程。基于該技術(shù)的橫管降膜蒸發(fā)器由多排水平管組成，在上一層管外壁上蒸發(fā)的余液落至下一層管上繼續(xù)蒸發(fā)，隨著蒸發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，液膜厚度不斷減小。液膜厚度越小，其傳熱系數(shù)就越高，水平管降膜蒸發(fā)相比其它形式的蒸發(fā)可在很大程度上提高傳熱系數(shù)和傳熱性能。對(duì)于光滑管而言，水平管降膜的傳熱系數(shù)兩倍于豎管降膜蒸發(fā)。在有效合理的噴淋密度下，水平管降膜蒸發(fā)不僅消除了液體靜壓柱和過(guò)熱區(qū)的影響，而且有效降低了蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溫度，能夠使多效蒸發(fā)在較小的溫差變化范圍內(nèi)有足夠的效數(shù)，從而保障了低溫多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 水平管降膜蒸發(fā)過(guò)程示意圖

2.3 流程技術(shù)特點(diǎn)

（1）不受廢水成分變化的影響，適用的水質(zhì)范圍廣，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，因此能滿足處理高鹽廢水的技術(shù)要求。

（2）利用豎管降膜蒸發(fā)器生成的通常被廢棄的二次蒸汽作為水平管降膜多效蒸發(fā)系統(tǒng)的加熱蒸汽，使廢水在水平管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮，可有效降低廢水蒸發(fā)的能耗。

（3）依據(jù)水平管降膜蒸發(fā)所具有的小溫差傳熱特點(diǎn)，可在50℃～66℃的溫差范圍內(nèi)布置多效蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽熱量的重復(fù)利用。高鹽廢水在水平管降膜蒸發(fā)器中被濃縮后，廢水中的大部分水分被蒸發(fā)，濃縮后的廢水作為豎管降膜蒸發(fā)器的進(jìn)料水，減少了豎管降膜蒸發(fā)器中消耗的高壓蒸汽量。

（4）水平管降膜蒸發(fā)器采用的是負(fù)壓蒸發(fā)，在低溫下蒸發(fā)，最高蒸發(fā)溫度低于70℃。由于蒸發(fā)溫度降低，傳熱管材和殼體的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題得到了有效控制，因此傳熱管可以使用價(jià)格低的鋁合金材料替代貴重的防腐合金，殼體可以使用碳鋼內(nèi)襯防腐涂層，從而有效降低了蒸發(fā)器的制造成本。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某化工廠的廢水處理為例，廢水成分為：鹽度10%，pH值6～8，溫度20℃，處理量100噸/天，加熱蒸汽壓力0.5MPa，溫度140℃；豎管降膜蒸發(fā)器采用3效，水平管降膜蒸發(fā)器為2效，水平管低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源是第二效豎管降膜蒸發(fā)器內(nèi)生成的二次蒸汽，溫度為60℃，末效水平管降膜蒸發(fā)溫度為50℃。

能耗分析結(jié)果：相對(duì)于典型的豎管降膜3效蒸發(fā)系統(tǒng)0.35噸汽/噸廢水的能耗，通過(guò)增加兩效水平管降膜蒸發(fā)器后能耗降低為0.23噸汽/噸廢水，消耗的高溫高壓蒸汽量減少30%以上，并同時(shí)獲得了17噸/天的蒸餾水。如果按照高溫高壓蒸汽價(jià)格100元/噸、除鹽水價(jià)格10元/噸計(jì)算，年均可節(jié)省費(fèi)用49.2萬(wàn)元。增加的水平管降膜蒸發(fā)器使投資增加30萬(wàn)元，只需要不到8個(gè)月的時(shí)間就可以收回投資。因此該高鹽廢水蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能效果十分顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)工藝流程的原理分析和工程實(shí)例計(jì)算證明，將水平管多效蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于高鹽廢水處理，能夠利用水平管降膜蒸發(fā)所具有的小溫差和高效傳熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的分級(jí)合理利用，節(jié)能效果顯著。水平-豎直管降膜多效蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于高鹽廢水蒸發(fā)是具有發(fā)展前景的節(jié)能新技術(shù)，在廢水蒸發(fā)產(chǎn)業(yè)上將逐步得到推廣應(yīng)用。

[1]姜文來(lái).中國(guó)21世紀(jì)水資源安全對(duì)策研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2001，12（1）： 66-71.

[2]Wangnick K. IDA worldwide desalting plants inventory Report No.18[R]， 2004.

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[4]馮俊舉，王緒書，翟擁軍.海水淡化與制鹽聯(lián)產(chǎn)方式的研究[J].海湖鹽與化工， 2005，34（5）：4-6.

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