大海則煤礦高鹽礦井水綜合處理關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 哲

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

1 大海則礦井水綜合利用概況

2 高鹽礦井水處理工程

大海則煤礦部分48000m3/d，中煤陜西榆林能源化工有限公司化工廠部分36000m3/d。

2.1 工藝技術(shù)方案選擇

礦井水主要來(lái)源于地下水，是在煤礦開采過(guò)程中，地下水與煤、巖層接觸，發(fā)生一系列反應(yīng)而形成。大海則煤礦預(yù)處理設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)表、脫鹽工藝進(jìn)水水質(zhì)表、分鹽結(jié)晶工藝進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 大海則各工藝段設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)表 mg/L

由該礦井水水質(zhì)特點(diǎn)可知，該礦井水無(wú)法直接回用滿足生產(chǎn)要求，同時(shí)，膜濃縮后的濃水中硬度、堿度較高，且含有較高的鈣、鎂和硅等污堵因子，所以必須增加預(yù)處理加以去除。基于以上分析，礦井水回收利用的流程初步確定為：預(yù)處理+脫鹽濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶，脫鹽濃縮以制水為核心，蒸發(fā)結(jié)晶以制鹽為核心。

2.1.1 沉淀/澄清技術(shù)

目前，常用的沉淀/澄清技術(shù)主要有機(jī)械攪拌澄清池、水力循環(huán)澄清池、高密度沉淀池、斜管沉淀池。高密度沉淀池結(jié)合了軟化、澄清、沉淀等功能，通過(guò)池內(nèi)部的高污泥濃度提高了絮凝沉淀的效果，并且在沉淀區(qū)的上部設(shè)置斜板，用于去除出水中的礬花，保證出水水質(zhì)。具有沉淀效率高、占地面積小、出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，是目前廢水回用常用的沉淀池?？紤]到本項(xiàng)目礦井水的水質(zhì)特點(diǎn)，以及各種沉淀/澄清技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，設(shè)置高密度沉淀池去除進(jìn)水中的結(jié)垢污堵因子，確保后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.1.2 脫鹽技術(shù)

脫鹽技術(shù)的選擇是濃縮的關(guān)鍵，工藝是否合理直接影響處理效果、回收水水質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、投資、運(yùn)轉(zhuǎn)成本及管理操作水平等。因此，必須結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮各方面因素，慎重選擇適宜的處理工藝，以達(dá)到最佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益，確保濃縮單元安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。離子交換為最傳統(tǒng)的脫鹽技術(shù)，離子交換脫鹽系統(tǒng)出水品質(zhì)好，但其再生過(guò)程消耗大量酸堿并產(chǎn)生高濃度的酸堿廢水，對(duì)于該工程來(lái)說(shuō)，大量引入無(wú)機(jī)酸堿是不利的。離子交換脫鹽通常適宜處理含鹽量小于300mg/L的原水，過(guò)高的含鹽量將導(dǎo)致設(shè)備過(guò)大、再生頻繁、操作復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高。反滲透是最精密的膜法液體分離技術(shù)，該技術(shù)可將溶劑和溶劑中離子范圍的溶質(zhì)分開，它能阻擋幾乎所有溶解性鹽，只允許水溶劑通過(guò)，可脫除水中絕大部分的懸浮物、膠體、有機(jī)物及鹽份。反滲透膜需要制成一定構(gòu)型才可用于水處理。目前膜的構(gòu)型主要有平板式、管式、卷式和中空纖維式，卷式膜常用于水處理工藝。其中的抗污染卷式膜已成為目前廢水回用膜技術(shù)的首選。

礦井水在煤礦進(jìn)行了除硬、降濁等處理，通過(guò)長(zhǎng)輸管道送至化工廠，在進(jìn)入RO1系統(tǒng)前進(jìn)行預(yù)處理；反滲透濃水進(jìn)入在進(jìn)入SWRO系統(tǒng)前設(shè)預(yù)處理系統(tǒng)。根據(jù)RO1系統(tǒng)進(jìn)水鹽含量(約7088mg/L)，RO1系統(tǒng)采用低能耗抗污染膜元件；SWRO系統(tǒng)進(jìn)水含鹽量(約23000mg/L)，該單元反滲透采用海淡膜。產(chǎn)品水1、產(chǎn)品水2設(shè)計(jì)出水水質(zhì)見表2。

表2 產(chǎn)品水1、產(chǎn)品水2設(shè)計(jì)出水水質(zhì)表 mg/L

2.1.3 MVR降膜蒸發(fā)技術(shù)

降膜蒸發(fā)工藝是通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)過(guò)程和液體的最優(yōu)化分布，實(shí)現(xiàn)濃縮液在蒸發(fā)器換熱單元內(nèi)的高效降膜蒸發(fā)。蒸發(fā)濃縮液經(jīng)循環(huán)泵送至蒸發(fā)器頂部的上管箱，經(jīng)液體分布及成膜裝置，均勻分配到每根換熱管內(nèi)并以液體薄膜狀態(tài)流下。在流動(dòng)過(guò)程中，濃縮液被蒸發(fā)器殼程的加熱蒸汽加熱從而部分汽化，產(chǎn)生的二次蒸汽與液相共同進(jìn)入蒸發(fā)器鹽水槽部分。降膜蒸發(fā)器中的液體停留時(shí)間短，能減少熱敏性物料的降解和有結(jié)垢傾向的物料在換熱管壁結(jié)垢。管內(nèi)的液體流速較大，在重力作用下流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)低溫差下的沸騰傳熱，傳熱系數(shù)高。良好的液體布膜狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)高效降膜蒸發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵。液體流經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)的液體分布器，完成均勻的初始分布和再分布。在進(jìn)入換熱管后，液體在重力和真空誘導(dǎo)及氣流作用下，在換熱管壁形成均勻的稀薄液膜自上而下流動(dòng)。

2.1.4 三效結(jié)晶技術(shù)

通過(guò)一效將高鹽廢水蒸發(fā)濃縮，二、三效通過(guò)控制蒸發(fā)終點(diǎn)濃度，均進(jìn)行采出鹽產(chǎn)品，其中為保證產(chǎn)品鹽的品質(zhì)，將三效蒸發(fā)裝置采出的產(chǎn)品鹽返回二效蒸發(fā)裝置，從三效旋流器外排一部分溶液至混鹽裝置，從而減少產(chǎn)品鹽中TOC、氯離子等雜質(zhì)含量，保證得到高純度的硫酸鈉，達(dá)到Ⅰ類一等品要求。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器工作原理：溶液在設(shè)備內(nèi)的循環(huán)主要依靠外加動(dòng)力所產(chǎn)生的強(qiáng)制流動(dòng)。料液由循環(huán)泵自下而上打入，當(dāng)循環(huán)液體流過(guò)加熱室時(shí)被加熱，然后在結(jié)晶器的壓力降低時(shí)發(fā)生閃蒸，閃蒸的蒸氣在結(jié)晶器中由上部排出，料液則降溫至對(duì)應(yīng)該壓力下的沸點(diǎn)溫度，由結(jié)晶器錐形底部被循環(huán)泵吸入，再進(jìn)入加熱管，繼續(xù)循環(huán)，通過(guò)這種在加熱室和結(jié)晶器中循環(huán)，料液最終濃縮達(dá)到過(guò)飽和從而結(jié)晶固體。Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶鹽品質(zhì)指標(biāo)表詳見表3。

表3 Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶鹽品質(zhì)指標(biāo)表 %

2.2 工藝流程

大海則煤礦預(yù)處理工藝為：高鹽礦井水+調(diào)節(jié)預(yù)沉池+高效旋流器/高效斜板沉淀池+高密度沉淀池+V型濾池+超濾+反滲透，反滲透產(chǎn)水用于煤礦生產(chǎn)自用，反滲透濃水返回高密度沉淀池前段，V型濾池產(chǎn)水進(jìn)入高位水池，通過(guò)疏水泵加壓供至中煤陜西榆林煤化工有限公司進(jìn)行深度處理。煤礦預(yù)處理部分工藝流程如圖1所示。

圖1 煤礦預(yù)處理部分工藝流程圖

脫鹽(含二次濃縮)處理工藝為：超濾1+反滲透1+高密度澄清池1+V型濾池2+弱酸陽(yáng)離子交換+超濾2+反滲透(SWRO)該工藝對(duì)原水進(jìn)行兩段脫鹽處理，產(chǎn)生的清水(產(chǎn)品水1)和(產(chǎn)品水2)分別回用于中煤榆橫煤化工項(xiàng)目脫鹽水站補(bǔ)水、循環(huán)水場(chǎng)補(bǔ)水，產(chǎn)生的超濃鹽水進(jìn)入后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶分鹽工藝環(huán)節(jié)。

蒸發(fā)結(jié)晶分鹽為高密度澄清池2+V型濾池3+脫碳+臭氧氧化+MVR膜蒸發(fā)濃縮+一效硫酸鈉結(jié)晶+二效硫酸鈉結(jié)晶+三效硫酸鈉結(jié)晶+雜鹽干化。該工藝對(duì)脫鹽(含二次濃縮)處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的超濃鹽水進(jìn)行除硅、降色度及COD預(yù)處理再經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶，產(chǎn)生硫酸鈉結(jié)晶鹽及少量雜鹽?；S深度處理部分工藝流程如圖2所示。

圖2 化工廠深度處理部分工藝流程圖

2.3 關(guān)鍵工藝技術(shù)分析

2.3.1 MVR降膜蒸發(fā)技術(shù)

從前端膜脫鹽工段來(lái)的高含鹽廢水首先進(jìn)入蒸發(fā)原水罐，用蒸發(fā)原水泵分別送至MVR凝液預(yù)熱器和結(jié)晶二次汽凝液預(yù)熱器。在特殊工況下，如果結(jié)晶二次汽凝液沒有過(guò)來(lái)?yè)Q熱，則進(jìn)料可進(jìn)入蒸汽預(yù)熱器。在濃鹽水進(jìn)入原水罐之前，應(yīng)在前端預(yù)處理單元經(jīng)加酸系統(tǒng)加硫酸調(diào)節(jié)至pH約為5.5～6.0。在進(jìn)料泵出口管道上向進(jìn)料中加入阻垢劑，抑制污垢的形成。板式換熱器為了防止換熱表面產(chǎn)生結(jié)垢，影響系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，充分考慮了污垢系數(shù)，確保足夠的換熱面積，板式換熱器的框架考慮了20%的裕量。MVR凝液預(yù)熱器以蒸發(fā)蒸餾液為熱源，結(jié)晶二次汽凝液預(yù)熱器以結(jié)晶二次汽凝液為熱源，蒸汽預(yù)熱器以低壓蒸汽為熱源。通過(guò)板式換熱器，進(jìn)料換熱至接近溶液沸點(diǎn)溫度，一方面降低了氧氣和不凝氣在水中的溶解度，另外一方面可以減少脫氣塔的蒸汽負(fù)荷，保證脫氣塔的運(yùn)行效果。換熱后的進(jìn)料進(jìn)入脫氣塔，在脫氣塔中去除溶解氧和其他不凝氣，通過(guò)除氧可以減降低濃鹽水中的氯離子對(duì)蒸發(fā)器設(shè)備的腐蝕。經(jīng)除氧后的濃鹽水分別進(jìn)入1#降膜蒸發(fā)器和2#降膜蒸發(fā)器的鹽水槽，與循環(huán)濃鹽水混合。1#降膜蒸發(fā)器和2#蒸發(fā)器設(shè)計(jì)按并聯(lián)運(yùn)行，但也可根據(jù)裝置負(fù)荷情況實(shí)現(xiàn)單套獨(dú)立運(yùn)行。降膜蒸發(fā)系統(tǒng)的濃鹽水從底部經(jīng)循環(huán)泵送到蒸發(fā)器頂部的溢流箱，在此處采用液體分布器將液流均勻分配到每個(gè)管，在管內(nèi)壁形成液膜，被蒸發(fā)器殼程的蒸汽加熱蒸發(fā)。降膜蒸發(fā)生成的二次蒸汽和鹽水一起下降到鹽水槽，二次蒸汽經(jīng)除霧器去除夾帶液滴后分別排出至1#和2#MVR蒸汽壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)升溫升壓后進(jìn)入蒸發(fā)器殼程，少量蒸汽以及部分不凝氣通過(guò)管線送入脫氣塔。經(jīng)蒸發(fā)器換熱后的蒸汽凝液分別送入蒸發(fā)蒸餾液罐，由各自的蒸餾液泵送入MVR凝液預(yù)熱器與進(jìn)料換熱，換熱后的裝置產(chǎn)品水進(jìn)入界區(qū)外的產(chǎn)品水罐進(jìn)行回用。1#降膜蒸發(fā)器和2#降膜蒸發(fā)器的濃縮液外排出MVR蒸發(fā)界區(qū)，至MVR濃縮液緩沖罐進(jìn)入結(jié)晶工段進(jìn)行處理。

2.3.2 三效結(jié)晶技術(shù)

MVR濃水首先進(jìn)入MVR濃水罐，由上料泵首先進(jìn)入到一效蒸發(fā)器中，經(jīng)一效蒸發(fā)器循環(huán)泵在一效加熱室和分離室中循環(huán)濃縮，濃縮液排入二效結(jié)晶器中；經(jīng)二效結(jié)晶器循環(huán)泵在二效加熱室和結(jié)晶器中循環(huán)，MVR濃水最終濃縮達(dá)到過(guò)飽和結(jié)晶出硫酸鈉，關(guān)鍵是控制蒸發(fā)終點(diǎn)濃度在硫酸鈉的結(jié)晶區(qū)；二效蒸發(fā)的部分濃縮液經(jīng)二效出料泵排入二效旋流器，旋流器底流液出料至硫酸鈉離心機(jī)，分離得到無(wú)水硫酸鈉濕鹽(含水率≤5%)，硫酸鈉濕鹽經(jīng)干燥后包裝；離心機(jī)母液返回二效淘洗腿淘洗結(jié)晶鹽；二效旋流器部分上清液至三效結(jié)晶器中，經(jīng)三效蒸發(fā)器軸流泵在三效加熱室和結(jié)晶器中循環(huán)，蒸發(fā)濃縮達(dá)到過(guò)飽和結(jié)晶出硫酸鈉；三效蒸發(fā)的濃縮液經(jīng)三效出料泵排入三效旋流器中，底流液出料返回二效結(jié)晶器中，上清液返回三效結(jié)晶器中繼續(xù)循環(huán)蒸發(fā)。為降低系統(tǒng)中雜質(zhì)離子和COD的濃縮聚集，在三效旋流器上清液外排一部分母液去混鹽結(jié)晶系統(tǒng)。

3 經(jīng)濟(jì)分析

3.1 投資概算

該工程總概算投資110114.42萬(wàn)元，其中第一部分總概算投資(預(yù)處理及輸水工程)48655.02萬(wàn)元，第二部分總概算投資(深度處理工程)61459.40萬(wàn)元。

3.2 總成本估算

合并預(yù)處理工程、輸水工程及深度處理工程成本費(fèi)用，項(xiàng)目總成本23684.52萬(wàn)元，按設(shè)計(jì)規(guī)模1500m3/h計(jì)算，折合單位總成本18.02元/m3?？偨?jīng)營(yíng)成本15910.80萬(wàn)元，按設(shè)計(jì)規(guī)模1500m3/h計(jì)算，折合單位經(jīng)營(yíng)成本12.11元/m3。具體項(xiàng)目總成本估算表見表4。

表4 項(xiàng)目總成本估算表

3.3 效益分析

3.3.1 銷售收入

該項(xiàng)目的產(chǎn)品為產(chǎn)品水和硫酸鈉。根據(jù)節(jié)省費(fèi)用即為收益的原則，大海則煤礦及化工園區(qū)節(jié)省的水費(fèi)即為產(chǎn)品水收入，硫酸鈉產(chǎn)品銷售費(fèi)用即為硫酸鈉產(chǎn)品收入。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為1500m3/h，可計(jì)算年產(chǎn)品水為938.46萬(wàn)m3，參考化工生產(chǎn)用水不含稅價(jià)格10.00元/m3，則化工園區(qū)年節(jié)省水費(fèi)9384.59萬(wàn)元；根據(jù)供水平衡，可計(jì)算出大海則煤礦年復(fù)用水量為247.80萬(wàn)m3，參考大海則煤礦用水不含稅價(jià)格為1.77元/m3，則大海則煤礦年節(jié)省水費(fèi)438.59萬(wàn)元。因此，大海則煤礦和化工園區(qū)年共計(jì)節(jié)省水費(fèi)9823.18萬(wàn)元。

因此，項(xiàng)目年總銷售收入為10977.34萬(wàn)元。見表5。

表5 銷售收入估算表

3.3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

該項(xiàng)目年運(yùn)營(yíng)總成本費(fèi)用大于年銷售收入，從財(cái)務(wù)角度分析，項(xiàng)目盈利能力和財(cái)務(wù)生存能力不足。但該項(xiàng)目實(shí)施能夠保證大海則礦井水排放滿足國(guó)家環(huán)保政策要求，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井水資源綜合利用和固廢減量化處理。礦井水加以充分合理利用，形成多水源供水的格局，提高區(qū)域生產(chǎn)和生活用水的安全性，處理后的井下水部分用于礦井生產(chǎn)用水，部分經(jīng)輸水管線輸送化工園區(qū)經(jīng)深度處理后復(fù)用，減少了水源供水，并對(duì)化工園區(qū)用水起到很好的補(bǔ)充作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

蒙陜地區(qū)多為煤礦與煤化工聚集地，該地區(qū)礦井水普遍鹽含量較高，并存在一定比例關(guān)系，該工程的建設(shè)可保證大海則礦井及選礦廠項(xiàng)目運(yùn)行期間排放的礦井水得到有效的處理，減小由于項(xiàng)目礦井水得不到利用因排放而影響大海則礦井及選礦廠項(xiàng)目正常運(yùn)行的可能，同時(shí)為中煤榆橫煤化工項(xiàng)目提供處理后的產(chǎn)品水作為補(bǔ)充水源，節(jié)省新鮮水的使用量，節(jié)約水資源。既解決了礦井水排放問題，減少對(duì)環(huán)境的污染，又可以將水資源合理利用，節(jié)約新鮮水資源，為企業(yè)帶來(lái)巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目為后續(xù)該地區(qū)煤礦與煤化工高鹽礦井水的綜合利用提供借鑒與指導(dǎo)作用，提高該地區(qū)礦井水資源的合理分配與利用，踐行“兩山”理念，把煤礦與煤化工高鹽水項(xiàng)目行穩(wěn)致遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)共進(jìn)共贏。