煤化工高鹽廢水處理多效蒸發(fā)裝置的優(yōu)化運(yùn)行研究

劉奇杰(內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

中國(guó)能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“富煤貧油少氣”的特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)充分利用煤炭資源作為中國(guó)主體能源的優(yōu)勢(shì)，適度發(fā)展煤化工，尤其是煤制天然氣、煤制油、煤制烯烴、等新型煤化工。這對(duì)保障國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效清潔利用具有重要意義。但在加快生態(tài)文明建設(shè)背景下，如何節(jié)約水資源、降低污染排放，實(shí)現(xiàn)煤化工廢水“零排放”的意義也越顯重要。煤化工實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”關(guān)鍵在于濃鹽水末端高鹽濃縮廢水的處理。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是處理高鹽濃縮廢水比較成熟的技術(shù)對(duì)多效蒸發(fā)裝置的工藝穩(wěn)定性和節(jié)能運(yùn)行提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1 煤化工高鹽廢水的特點(diǎn)

煤化工高鹽廢水呈現(xiàn)水中含鹽量高，鹽種類較多，懸浮固體(SS)和總?cè)芙夤腆w(TDS)高，硬度、 堿度高，污染物濃度高(污染物以無(wú)機(jī)鹽類和有機(jī)污染物為主，其中COD等有機(jī)污染物含量通常可達(dá)2 000～10 000 mg/L)，成分復(fù)雜，處理難度大的特點(diǎn)。

2 多效蒸發(fā)工藝技術(shù)的應(yīng)用

大唐克旗公司廢水處理項(xiàng)目濃鹽水處理末端高鹽廢水采用的是三效真空強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝技術(shù)。高鹽廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理除碳除氧后采用逆向進(jìn)料方式進(jìn)入各效蒸發(fā)罐。蒸發(fā)分離器采用斜向進(jìn)料，濃鹽水依靠密度差和循環(huán)泵加壓的作用在蒸發(fā)罐內(nèi)循環(huán)，利用氣壓式冷凝器和蒸汽噴射器產(chǎn)生微負(fù)壓真空，從而使后一效蒸發(fā)器的操作壓力和料液的沸點(diǎn)均低于前一效蒸發(fā)器。蒸汽從Ⅰ效進(jìn)入，利用熱泵技術(shù)回抽部分二次蒸汽并減少蒸汽用量，前一效蒸發(fā)罐產(chǎn)生的二次蒸汽作為下一效蒸發(fā)罐的加熱源。每一效蒸發(fā)罐的濃鹽水不斷在罐內(nèi)吸熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶，濃縮結(jié)晶后的漿液依次通過(guò)轉(zhuǎn)料管排入下一效，最終在Ⅲ效蒸發(fā)室內(nèi)結(jié)晶。蒸發(fā)裝置產(chǎn)水進(jìn)入生產(chǎn)水系統(tǒng)回收利用，濃縮漿液經(jīng)離心機(jī)固液分離，鹽泥作固廢處理[1]。

3 影響多效蒸發(fā)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素及解決措施

3.1 真空度不穩(wěn)定

真空度是確保多效蒸發(fā)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，真空度不僅影響蒸發(fā)溫度，也對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)度、能耗比產(chǎn)生影響。影響真空度的主要因素有：不凝氣過(guò)多或不能及時(shí)排出；氣壓式冷凝器冷卻水量不足，不能及時(shí)冷凝二次汽；蒸發(fā)系統(tǒng)密封不嚴(yán)，存在泄漏。具體解決措施和原因如下：(1)通過(guò)調(diào)整各效不凝氣和蒸汽噴射器可解決不凝氣過(guò)多或不能及時(shí)排出的問(wèn)題。不凝氣多因?yàn)榱弦簤A度和含氮氧化物過(guò)高，料液進(jìn)入蒸發(fā)罐加熱后釋放大量CO2等氣體，蒸汽噴射器無(wú)法將其全部帶出，可以在預(yù)處理進(jìn)水增加脫碳塔裝置，加鹽酸降低料液堿度，再通過(guò)除氧器去除料液里的O2等氣體，減少料液加熱后產(chǎn)生的不凝氣。蒸汽夾帶冷凝液或不凝氣也會(huì)影響真空度，通過(guò)在進(jìn)蒸發(fā)裝置前加強(qiáng)蒸汽排凝和放空，減少蒸汽夾帶冷凝液和不凝氣；(2)通過(guò)提高冷卻水量確保二次汽能及時(shí)冷凝可解決冷凝器冷卻水量不足的問(wèn)題。一般上下水溫差控制在6～8 ℃；(3)蒸發(fā)氣路系統(tǒng)出現(xiàn)漏點(diǎn)的問(wèn)題可能因在負(fù)壓作用下吸入空氣造成真空度不穩(wěn)引起，需檢查蒸發(fā)氣路系統(tǒng)相關(guān)的密封點(diǎn)和設(shè)備本體是否出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

3.2 加熱器結(jié)垢和堵管

加熱器管結(jié)垢和堵管，嚴(yán)重影響蒸發(fā)量和運(yùn)行周期。主要因素及解決措施：(1)進(jìn)水硬度和堿度過(guò)高，通過(guò)在預(yù)處理加酸降低進(jìn)料堿度和硬度；(2)轉(zhuǎn)料或脫鹽不及時(shí)，料液濃度過(guò)高，使鹽結(jié)晶附著在加熱器管束上造成結(jié)垢和堵管，通過(guò)合理控制轉(zhuǎn)料和及時(shí)脫鹽降低料液濃度，排一部分料液通過(guò)加快進(jìn)料或頂冷凝液的方式稀釋蒸發(fā)罐內(nèi)鹽濃度。

3.3 料液沸騰不正常

料液沸騰不正常的主要因素及解決措施：(1)真空度與料液沸騰點(diǎn)的氣壓不匹配，真空度過(guò)高會(huì)抑制料液沸騰，影響正常蒸發(fā)；真空度過(guò)低料液沸騰劇烈，造成霧沫夾帶或飛料，影響產(chǎn)水質(zhì)量，污染冷卻水。通過(guò)視鏡觀察沸騰狀況，合理調(diào)整真空度或通過(guò)加大補(bǔ)冷料降低料溫使罐內(nèi)料溫與真空度對(duì)應(yīng)的沸騰點(diǎn)相匹配。(2)料液內(nèi)含有提高或降低料液沸點(diǎn)的物質(zhì)，通過(guò)不斷累積干擾料液的正常沸騰，通過(guò)排料稀釋方式降低該物質(zhì)濃度使料液沸騰正常。

3.4 加熱室溫差高

蒸發(fā)加熱室蒸汽側(cè)和料液溫差高，嚴(yán)重影響蒸發(fā)量。主要因素有：(1)加熱器結(jié)垢和堵管比較嚴(yán)重，可以用處理結(jié)垢堵管的方法解決，或通過(guò)在線酸洗消除加熱器結(jié)垢和堵管；(2)加熱器殼程(蒸汽側(cè))串入不凝氣較多影響蒸汽換熱，通過(guò)開(kāi)大不凝氣閥門，調(diào)節(jié)蒸汽噴射器來(lái)抽出加熱室殼程的不凝氣[2]。

4 影響多效蒸發(fā)鹽結(jié)晶和脫鹽量的主要因素及解決措施

4.1 料液溫度的影響及控制

煤化工高鹽廢水中85%以上為氯化鈉。根據(jù)氯化鈉晶體生長(zhǎng)速率與溶液的過(guò)飽和度關(guān)系，氯化鈉的結(jié)晶過(guò)程中，溫度越高，晶體的生長(zhǎng)速率越快。因此提高蒸發(fā)罐各效(特別是Ⅲ效)料溫對(duì)提高晶體的成長(zhǎng)速率有著明顯的效果，因而蒸發(fā)Ⅲ效料溫控制在50 ℃以上最佳。

4.2 料液過(guò)飽和度的影響及控制

蒸發(fā)罐內(nèi)料液的過(guò)飽和度是影響鹽結(jié)晶的重要因素。根據(jù)工業(yè)結(jié)晶過(guò)程基本理論，溶液的過(guò)飽和度與結(jié)晶的關(guān)系為過(guò)飽和度越大結(jié)晶的生長(zhǎng)速率越大，越有利于結(jié)晶生長(zhǎng)。但過(guò)飽和度過(guò)大，超越介穩(wěn)區(qū)極限會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的晶核生成，鹽晶粒過(guò)小，不利于離心機(jī)的固液分離。有效控制料液的過(guò)飽和度是實(shí)現(xiàn)結(jié)晶粒度控制的關(guān)鍵?？刂七^(guò)飽和度的方法：(1)合理控制蒸發(fā)強(qiáng)度，使料液過(guò)飽和度控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，得到較大的鹽晶粒，但控制蒸發(fā)強(qiáng)度會(huì)對(duì)蒸發(fā)速率，蒸發(fā)處理能力造成影響；(2)向蒸發(fā)Ⅲ效和鹽角頂入一部分低濃度料液或冷凝液以溶解鹽漿中的細(xì)小鹽粒和部分晶核，降低料液過(guò)飽和度。再適當(dāng)加大上一效轉(zhuǎn)料量使剩余晶核更好的成長(zhǎng)，增大鹽粒度；(3)持續(xù)增加蒸發(fā)強(qiáng)度和加大上一效轉(zhuǎn)料量，使料液過(guò)飽和度進(jìn)一步提高到下一個(gè)介穩(wěn)區(qū)，使新增的過(guò)飽和度能滿足過(guò)剩晶核和細(xì)鹽粒同時(shí)長(zhǎng)大，產(chǎn)出大顆粒鹽晶粒，缺點(diǎn)是在由于晶核過(guò)多料液粘稠造成加熱器換熱溫差升高，如果脫鹽不及時(shí)會(huì)加快加熱器結(jié)垢和堵管；(4)調(diào)整離心機(jī)篩骨間隙，盡可能在脫鹽時(shí)夾帶小晶粒鹽和部分晶核一并脫出，達(dá)到降低過(guò)飽和度的目的[3]。

4.3 固液比的影響及控制

增加料液的固液比，會(huì)增大結(jié)晶面積而增加過(guò)飽和度的消耗速率，使料液過(guò)飽和度變低，有效的抑制部分初級(jí)成核的形成，減少細(xì)晶量，增大產(chǎn)品粒度。但固液比太高，將加劇鹽晶體與循環(huán)泵、加熱管、循環(huán)管壁等的摩擦，晶體間的碰撞機(jī)會(huì)增多，從而產(chǎn)生更多二次晶核，影響鹽粒度。由于固液比過(guò)高或過(guò)低都不能得到較好的鹽粒度，建議I效II效固液比不要控制過(guò)高，根據(jù)換熱溫差合理控制各效的轉(zhuǎn)料量，Ⅲ效固液比控制在20%左右最佳。

4.4 停留時(shí)間的影響及控制

晶體在介穩(wěn)區(qū)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶體生長(zhǎng)的時(shí)間越長(zhǎng)，晶體粒度越大。大顆粒鹽的生成必須有足夠的生長(zhǎng)時(shí)間。但停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)增加結(jié)晶鹽的二次成核的數(shù)量，因而達(dá)不到生產(chǎn)大顆粒鹽的目的。操作過(guò)程中要合理控制各效轉(zhuǎn)料及時(shí)觀察鹽角視鏡，視鏡出現(xiàn)較大顆粒鹽時(shí)及時(shí)啟動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行脫鹽，根據(jù)蒸發(fā)強(qiáng)度和進(jìn)料濃度合理控制停留時(shí)間，既不能操之過(guò)急，也不能延誤脫鹽最佳時(shí)機(jī)，需要加強(qiáng)蒸發(fā)脫鹽管控。

4.5 強(qiáng)制循環(huán)速度的影響及控制

在蒸發(fā)操作中，選擇適宜的循環(huán)速度對(duì)結(jié)晶鹽的粒度控制是關(guān)鍵，如果流速較低，會(huì)增大循環(huán)料液的過(guò)熱度，從而增大料液的過(guò)飽和度，導(dǎo)致晶核數(shù)增多，不利于晶粒的長(zhǎng)大。但如果循環(huán)速度過(guò)快而增大了晶體相互碰撞以及與器壁和葉輪撞擊的力度和幾率，容易造成晶粒破碎，產(chǎn)生大量二次晶核，使得鹽顆粒過(guò)細(xì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。循環(huán)速度的大小對(duì)鹽結(jié)晶粒度影響很大，通過(guò)增加變頻電機(jī)可以調(diào)節(jié)循環(huán)速度，以便找出適宜的循環(huán)速度[4]。

4.6 雜鹽和有機(jī)污染物濃度的影響及控制

難析出雜鹽和COD等有機(jī)污染物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間濃縮積累干擾無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶，同時(shí)將造成各效料液粘稠，加快加熱器結(jié)垢和堵管。通過(guò)定期排母液或倒料頂稀料降低雜鹽和COD的濃度，或調(diào)整脫鹽的含水率，從而盡可能通過(guò)脫鹽將雜鹽和COD帶出系統(tǒng)。

4.7 離心機(jī)的選型和操作控制

離心機(jī)的選型很重要，要選擇固液分離效果較好的臥式雙級(jí)過(guò)濾式離心機(jī)，而且離心機(jī)的篩骨間隙調(diào)整要合理，一般控制1～2 mm左右，確保結(jié)晶鹽正常脫出，在操作過(guò)程中要注意旋液分離器的使用，含鹽漿液進(jìn)入離心機(jī)前先進(jìn)行分離，更能保證脫鹽效果。

5 影響運(yùn)行周期的主要因素及解決措施

影響運(yùn)行周期的主要因素是加熱室結(jié)垢和堵管，通過(guò)在線清洗和超聲波除垢技術(shù)可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期。在線清洗是在蒸發(fā)正常運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)向各效加酸的方法除去加熱器堵管和結(jié)構(gòu)，具有較好的清洗效果。超聲波除垢技術(shù)是利用超聲波使料液和傳熱面之間產(chǎn)生振蕩，防止鹽晶體附著在管壁上，同時(shí)使沉積在換熱面上的垢層經(jīng)多次振動(dòng)后出現(xiàn)微小裂痕而脫離，這種除垢技術(shù)是利用鹽垢剛而脆的機(jī)械特性進(jìn)行的，對(duì)硬垢的作用極為顯著。

6 多效蒸發(fā)節(jié)能運(yùn)行的研究

6.1 降低蒸汽用量

降低蒸汽用量的操作手段：(1)各效產(chǎn)生的冷凝液通過(guò)冷凝液預(yù)熱器給進(jìn)蒸發(fā)罐的料液預(yù)先加熱，達(dá)到降低蒸汽用量的目的；(2)利用熱泵把I效產(chǎn)生的部分二次蒸汽回抽至I效加熱室減少蒸汽用量；(3)盡可能降低各效真空度，使各效料液沸騰溫度降低，增大效與效之間的溫度差，使其不小于12 ℃，以保證各效的蒸發(fā)強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)約蒸汽使用量的目的[5]。

6.2 減少晶種和消泡劑用量

合理控制結(jié)晶過(guò)程，可以減少或不投加晶種。合理調(diào)節(jié)水質(zhì)，減少消泡劑使用量。

6.3 冷凝液低位熱能利用

各效冷凝液除了給料液預(yù)先加熱外，剩余的殘余熱量可以通過(guò)換熱器加熱采暖水，充分回收低位熱能，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能降耗的目的。