基于余熱利用實(shí)現(xiàn)低費(fèi)用廢水零排放的研究

馬皓生，李文緒，韓秀臺(tái)，陳麗，袁明軍，張小勇

（河南北方星光機(jī)電有限責(zé)任公司，河南 鄧州 474150）

黨的十八大首次把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會(huì)主義事業(yè)總體布局，十九大報(bào)告作出了“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”的重要部署，吹響了生態(tài)文明建設(shè)的號(hào)角。

電鍍作為制造業(yè)的主要技術(shù)之一，由于其高污染性，勢(shì)必要面對(duì)環(huán)保新形勢(shì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為電鍍工作者，必須樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，走科技創(chuàng)新之路，為企業(yè)的生存和發(fā)展，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)貢獻(xiàn)力量。

筆者所在的公司新建了100萬m2/a能力的電鍍鋅/鋅鎳合金生產(chǎn)線，一類重金屬(特別是鉻和鎳)零排放是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文是相關(guān)的工作總結(jié)，現(xiàn)分享出來供同行參考。

1 廢水的減量化措施

1.1 電鍍生產(chǎn)線廢水的減量化措施

對(duì)于年產(chǎn)量100萬m2的鍍鋅/鋅鎳生產(chǎn)線，如果不采取特殊的廢水減量措施，按照《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900-2008)的要求，廢水允許排放總量為20萬t/a，含鉻廢水和含鎳廢水總排出量應(yīng)為5 ~ 7萬t/a,要實(shí)現(xiàn)廢水零排放的處理費(fèi)用較高。為了減少廢水處理費(fèi)用，在電鍍生產(chǎn)線上必須采用多種減排措施，如多級(jí)逆流清洗技術(shù)、噴淋清洗技術(shù)、行車吹氣減少帶出裝置、給水自動(dòng)控制技術(shù)、用水計(jì)量管控等。將電鍍廢水總排放量降低至2 ~ 3萬t/a，含鉻、鎳等一類重金屬的廢水總排出量控制在2 000 ~ 5 000 t/a。

1.2 廢水處理過程的中水回用

為減少廢水蒸發(fā)量，對(duì)含鉻廢水和含鎳廢水分別預(yù)處理并沉淀重金屬廢泥，分離出的上清液收集到中間池，然后應(yīng)用超濾和二次反滲透技術(shù)對(duì)70% ~ 80%的廢水進(jìn)行回用，剩余20% ~ 30%的濃縮廢水進(jìn)行蒸發(fā)。當(dāng)然也可以采用“預(yù)處理+離子交換”的方式來實(shí)現(xiàn)回用和濃水減量目標(biāo)后再濃縮蒸發(fā)。預(yù)處理產(chǎn)生的含鉻、含鎳電鍍廢泥以及廢水蒸發(fā)產(chǎn)生的結(jié)晶鹽統(tǒng)統(tǒng)交給有資質(zhì)的處理廠商進(jìn)行處理。

通過以上兩項(xiàng)廢水減量化措施，需要蒸發(fā)的廢水量大幅減少到400 ~ 1 000 t/a。

2 余熱利用蒸發(fā)廢水工藝流程

廢水蒸發(fā)的常見方法是使用三效蒸發(fā)器和MVR(機(jī)械蒸汽再壓縮)蒸發(fā)器，但是它們只有在用于大量廢水蒸發(fā)時(shí)才有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，原因主要是設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)較高。據(jù)資料介紹，三效蒸發(fā)器一般的運(yùn)行費(fèi)用是60 ~70元/t，MVR蒸發(fā)器能降到30 ~ 40元/t。但如果蒸發(fā)量太小(如小于0.5 t/h)，三效蒸發(fā)器的運(yùn)行費(fèi)用能達(dá)到120元/t左右，MVR蒸發(fā)器也高達(dá)80元/t。上述方案對(duì)于年廢水蒸發(fā)量較小的情況更不適用。如果直接電加熱蒸發(fā)廢水，運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)500元/t，更是無法承受。

為此，對(duì)空壓機(jī)的工作原理進(jìn)行深入研究?？諌簷C(jī)的工作原理是：電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)過濾器過濾后被吸入螺桿壓縮機(jī)中，制成了高壓空氣，并與循環(huán)油混合成高壓高溫油氣混合體，然后進(jìn)入油氣分離器，被分離成油和氣。壓縮空氣經(jīng)降溫、干燥處理后供給用戶；循環(huán)油被分離并降溫而凝結(jié)成液態(tài)油，經(jīng)散熱降溫并過濾后返回到壓縮機(jī)。這樣便完成一個(gè)循環(huán)過程?？諌簷C(jī)的輸入功率除了約 15%變成了壓縮空氣的勢(shì)能以外，其他近 85%的能量以廢熱的形式被排放到空氣中而浪費(fèi)掉，可利用的能量(余熱)約為空壓機(jī)輸入功率的 80%。考慮到空壓機(jī)余熱量較大，可利用價(jià)值高，再加上開式橫流冷卻裝置技術(shù)成熟度高、水蒸發(fā)效果好，把這兩者融合成一套利用余熱對(duì)廢水進(jìn)行蒸發(fā)的系統(tǒng)是一個(gè)很好的方案，于是對(duì)利用空壓機(jī)余熱進(jìn)行廢水蒸發(fā)的工藝流程進(jìn)行研究并開發(fā)實(shí)施。如圖1所示，整個(gè)過程包含3個(gè)循環(huán)——熱水循環(huán)、熱汽循環(huán)和油循環(huán)。熱水循環(huán)和熱汽循環(huán)交匯于蒸發(fā)器，并以蒸發(fā)器為核心。

圖1 余熱利用廢水蒸發(fā)的工藝流程Figure 1 Process flow of wastewater evaporation using waste heat

2.1 熱水循環(huán)

常溫水自蒸發(fā)水池由循環(huán)泵加壓泵入空壓機(jī)的油冷器，在冷卻空壓機(jī)油溫的同時(shí)，通過交換能量加熱成高溫?zé)崴?，然后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器內(nèi)，一部分熱水被蒸發(fā)為熱汽，進(jìn)入熱汽循環(huán)；另一部分熱水在蒸發(fā)過程中交換能量，降溫為低溫?zé)崴罅魅胝舭l(fā)水池，進(jìn)入下一循環(huán)。熱水循環(huán)過程有2個(gè)分岔，蒸發(fā)水池水位控制自動(dòng)補(bǔ)水和廢水蒸發(fā)到預(yù)定濃度后泵入結(jié)晶池。結(jié)晶池的設(shè)置主要是為了避免廢水濃度過高，因?yàn)閺U水在系統(tǒng)內(nèi)析鹽會(huì)導(dǎo)致堵塞，特別是油冷器內(nèi)細(xì)管的堵塞。

2.2 熱汽循環(huán)

蒸發(fā)器內(nèi)高溫?zé)崞谎h(huán)風(fēng)機(jī)吸入冷凝器，在冷凝器內(nèi)與冷卻水(生產(chǎn)線清洗水先經(jīng)過這里)完成能量交換，高溫?zé)崞唤禍夭⒗淠秊槔淠?，未徹底冷凝的濕氣進(jìn)入后續(xù)冷凝水罐中完成進(jìn)一步冷凝。冷凝水罐后的循環(huán)風(fēng)道連接風(fēng)機(jī)，冷凝后的氣體經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后作為新鮮氣體重新進(jìn)入蒸發(fā)器，參與下一循環(huán)。這一循環(huán)有一個(gè)分叉，就是冷凝水收集后利用。

2.3 油循環(huán)

將余熱利用設(shè)備的油冷器與空壓機(jī)原散熱濾器的油路串聯(lián)起來，高溫循環(huán)油引入蒸發(fā)設(shè)備的油冷器內(nèi)與待蒸發(fā)廢水進(jìn)行熱交換，用蒸發(fā)設(shè)備的油冷器替代散熱濾器，油冷卻后回壓縮機(jī)完成循環(huán)?；厥盏臒崮軐a(chǎn)生高溫?zé)崴⒃谡舭l(fā)器內(nèi)完成廢水蒸發(fā)，予以利用。余熱利用設(shè)備使用與否、使用效果好壞都不影響空壓機(jī)的正常工作，能實(shí)現(xiàn)在余熱設(shè)備不啟動(dòng)或其油冷效果不好的情況下，空壓機(jī)原散熱設(shè)備及時(shí)啟動(dòng)降溫，確?？諌簷C(jī)的使用安全。

3 余熱利用主要設(shè)備

根據(jù)圖1可以確定，廢水蒸發(fā)設(shè)備主要由蒸發(fā)器、油冷器、冷凝器、冷凝水箱、循環(huán)風(fēng)機(jī)、管路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，見圖2。

圖2 主要蒸發(fā)設(shè)備的照片F(xiàn)igure 2 Photos of main equipment for evaporation

3.1 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器的主體是與橫流冷卻塔類似的結(jié)構(gòu)，布水盤、填料、接水盤從上到下布置在支撐框架內(nèi)，上下兩個(gè)面進(jìn)行封閉，前后兩個(gè)面為了方便檢查維修而做成可拆卸結(jié)構(gòu)，并設(shè)置觀察窗。兩個(gè)側(cè)面做成喇叭口與主體對(duì)接，一個(gè)作為進(jìn)風(fēng)口，位置略低，另一個(gè)作為出風(fēng)口，位置略高，符合冷空氣在下、熱空氣在上的熱力學(xué)原則，又保持進(jìn)出風(fēng)口線路一致，便于進(jìn)出氣體的導(dǎo)流。

3.1.1 布水盤

采用布水盤式配水，布水盤用不銹鋼材料制造，盤底現(xiàn)場(chǎng)調(diào)水平。布水盤設(shè)計(jì)水深0.24 m。配水池保護(hù)高度宜大于0.1 m，總高度為0.34 m。確保在最大設(shè)計(jì)水量時(shí)不產(chǎn)生溢流。在入水口設(shè)有消能器，令進(jìn)水管中流速較快的水流均勻、徐緩地分布到布水池中，避免飛濺，還有效降低了噪音。此外，布水池內(nèi)全部加裝“變流量變徑花瓣式”噴嘴，使蒸發(fā)器流量在30% ~ 100%范圍內(nèi)變化時(shí)仍然能保持布水均勻，噴嘴首先將水柱散布成中空?qǐng)A錐狀，然后噴嘴下部的六葉形花瓣分水器將其濺散成細(xì)小的水滴，均勻布灑到填料上。這種布水方式與一般廠家采用的細(xì)孔式布水相比，具有布水更均勻，沒有布水死角，水與空氣接觸時(shí)間較長，冷效更高等顯著優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了蒸發(fā)器的效率，同時(shí)避免水霧逸出。

3.1.2 填料

選用懸掛式薄膜PP(聚丙烯)填料，其安裝比傳統(tǒng)填料更容易，在使用過程中清洗也更方便和徹底。選用改性PP材料，通風(fēng)阻力小，表面粗糙，親水性較光滑平面的填料好，吸水率小于0.015%，能使更多的水流形成薄膜而不濺落，水和空氣有更充分的接觸且在流動(dòng)時(shí)表面擾動(dòng)大。填料組裝后，入風(fēng)面是呈蜂窩狀的導(dǎo)流器，有良好的均布風(fēng)效果，提高并穩(wěn)定了水氣的熱交換強(qiáng)度。

3.1.3 接水盤

接水盤用316不銹鋼或PP材料制造，下層填料下邊緣沒入水面0.1 m，不致使空氣被吸進(jìn)系統(tǒng)，同時(shí)水流經(jīng)填料表面后直接分散入下部水槽，噪音很低。下水管的管口高于接水盤底部0.25 m左右，下水管伸入下面的接水池中，下水管的管徑需滿足流量要求，確保在最大設(shè)計(jì)水量時(shí)不產(chǎn)生溢流。

3.2 油冷器

油冷器為管式換熱器，使用電鍍廢水冷卻空壓機(jī)油，將螺桿空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移給電鍍廢水，使電鍍廢水加熱升溫。管程為電鍍廢水，殼程為空壓機(jī)油。

3.3 冷凝器

冷凝器也是管式換熱器，使用純水冷卻蒸發(fā)器產(chǎn)生的濕熱空氣使水蒸氣冷凝成水滴，沉積成冷凝水后通過自動(dòng)排水裝置排至冷凝水儲(chǔ)槽。管程為反滲透水，殼程為飽和空氣。

3.4 除水罐

經(jīng)過冷凝器初步降溫冷凝后的濕熱氣體中的水汽凝結(jié)成小水滴進(jìn)入除水罐后，氣流先受隔板阻擋撞擊折回向下，繼而又回升向上，產(chǎn)生環(huán)形回轉(zhuǎn)。流向和速度的急劇變化所產(chǎn)生的離心作用將密度較大的水滴分離出來并沉降在殼體底部。除水罐內(nèi)部采用不銹鋼絲網(wǎng)聚結(jié)填料，濕熱氣體通入冷凝水罐后，大液滴在重力作用下落到油水分離器底部，霧狀小液滴被絲網(wǎng)捕獲，凝結(jié)成大液滴后落到除水罐底部而被分離出來。通過自動(dòng)排水裝置將冷凝水排至冷凝水儲(chǔ)槽。

3.5 循環(huán)風(fēng)機(jī)

熱汽循環(huán)風(fēng)機(jī)的型號(hào)選用6-31-4.5A，配置變頻調(diào)速電機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量由變頻器控制，便于調(diào)整風(fēng)量，要求風(fēng)機(jī)流量在1 600 ~ 3 600 m3/h之間可調(diào)，風(fēng)壓應(yīng)能夠在2 500 ~ 3 500 Pa之間可調(diào)。在調(diào)試過程中，根據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)不同頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的廢水蒸發(fā)量記錄來確定獲得最大廢水蒸發(fā)量的風(fēng)機(jī)頻率。

3.6 管路系統(tǒng)

熱水循環(huán)是通過循環(huán)水泵來實(shí)現(xiàn)的。循環(huán)水泵是耐高溫泵，配置變頻電機(jī)，要求一用一備，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，流量在2.0 ~ 5.0 t/h之間可調(diào)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)出口溫度的要求，由控制系統(tǒng)控制變頻器的輸出頻率，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵流量的控制。通過控制循環(huán)水的流量來實(shí)現(xiàn)熱交換器的可控制換熱。通過閉環(huán)控制使空壓機(jī)的溫度維持在最佳的工作溫度(75 ~ 95 °C)。通過自動(dòng)補(bǔ)水來控制蒸發(fā)水池的水位。通過多次循環(huán)，廢水經(jīng)分析確認(rèn)達(dá)到預(yù)定濃度后泵入濃縮水箱，經(jīng)自然蒸發(fā)濃縮后交有資質(zhì)的單位處置。設(shè)置濃縮水箱主要是為了避免廢水濃度過高而析鹽，導(dǎo)致系統(tǒng)(特別是油冷器內(nèi)細(xì)管)堵塞。濃縮水箱要求316L不銹鋼或PP材質(zhì)，控制水位在200 ~ 500 mm之間。

3.7 控制系統(tǒng)

以PLC(可編程邏輯控制器)為核心，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)補(bǔ)水的目的。通過HMI(人機(jī)交互界面)顯示空壓機(jī)油冷器進(jìn)出口油溫、冷水及熱水溫度、水位等狀態(tài)。余熱利用設(shè)備的運(yùn)行和控制不能干涉空壓機(jī)的運(yùn)行，要求空壓機(jī)的機(jī)油溫度控制在75 ~ 95 °C，廢水熱交換后的溫度控制在60 ~ 75 °C之間，控制精度為± 5 °C。

4 利用空壓機(jī)余熱蒸發(fā)廢水的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 電鍍廢水蒸發(fā)所需總能量的核算

電鍍廢水正常電加熱進(jìn)行蒸發(fā)有兩個(gè)方面需要消耗電能：一是廢水升溫到蒸發(fā)溫度需要消耗的能量，二是廢水克服蒸發(fā)潛能消耗的能量。1 t廢水從20 °C升溫到70 °C所需的能量為：1 000 kg ×[(70 - 20)°C]×4.2 kJ·kg-1·°C-1= 225 000 kJ。1 t廢水在 70 °C 汽化為蒸汽需要的能量為：1 000 kg × 2 335 kJ·kg-1= 2 335 000 kJ。蒸發(fā)1 t廢水共需能量225 000 kJ + 2 335 000 kJ = 3 560 000 kJ，折算成電能為706 kW·h。蒸發(fā)600 t廢水共需要電能423 488 kW·h。

4.2 空壓機(jī)余熱總能量核算

將一臺(tái)110 kW空壓機(jī)用于廢水蒸發(fā)，可利用功率按80%計(jì)算，每年(按250 d計(jì)，每天24 h工作)提供可利用的能量為110 × 0.8 × 24 × 250 = 528 000(kW·h)。空壓機(jī)提供的余熱能滿足600 t廢水蒸發(fā)的需要。

4.3 余熱利用的經(jīng)濟(jì)性分析

空壓機(jī)余熱每小時(shí)蒸發(fā)廢水量為110 × 0.8 ÷ 706 = 0.12(t)。蒸發(fā)1 t廢水的時(shí)間約為8.5 h，蒸發(fā)600 t廢水需要的時(shí)間是600/0.12 = 5 000(h)。廢水蒸發(fā)設(shè)備運(yùn)行能耗主要出自風(fēng)機(jī)(功率4 kW)，循環(huán)泵的功率為0.75 kW，加上電控能耗，設(shè)備運(yùn)行總功率約為5.0 kW。每噸廢水蒸發(fā)能耗為5.0 kW × 8.5 h = 42.5 kW·h，按電價(jià)0.8元/(kW·h)計(jì)算，電費(fèi)為0.8 × 42.5 = 34(元)。蒸發(fā)600 t廢水的電費(fèi)約為20 000元。

按照空壓機(jī)余熱利用研發(fā)的蒸發(fā)設(shè)備進(jìn)行初步預(yù)估，設(shè)備制造費(fèi)用預(yù)算為 50萬元。目前三效蒸發(fā)器和MVR蒸發(fā)器沒有小于0.5 t/h的規(guī)格，按照0.5 t/h的蒸發(fā)量進(jìn)行詢價(jià)，并咨詢小規(guī)格蒸發(fā)器的耗能情況，統(tǒng)計(jì)出設(shè)備的能耗費(fèi)用，見表1。

表1 幾種廢水蒸發(fā)設(shè)備的能耗費(fèi)用Table 1 Energy cost of some different wastewater evaporation equipment

純電熱管加熱廢水蒸發(fā)設(shè)備本身造價(jià)低，但運(yùn)行費(fèi)用太高，企業(yè)無法承受。本空壓機(jī)余熱蒸發(fā)廢水設(shè)備與三效蒸發(fā)器和MVR蒸發(fā)器蒸發(fā)設(shè)備相比，不管是設(shè)備造價(jià)還是運(yùn)行費(fèi)用，都有明顯優(yōu)勢(shì)，成本回收快，在經(jīng)濟(jì)性上是可行的。

5 結(jié)語

通過小型余熱利用蒸發(fā)器的研究，實(shí)現(xiàn)了年蒸發(fā)600 t電鍍廢水運(yùn)行費(fèi)只需2萬元左右，每噸水蒸發(fā)運(yùn)行費(fèi)用約34元，達(dá)到大型MVR蒸發(fā)器的運(yùn)行費(fèi)用水平。藉此實(shí)現(xiàn)了小流量廢水的零排放，解決了小流量廢水蒸發(fā)費(fèi)用居高不下的問題，因此該方案有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。