含鎳廢水蒸發(fā)器結(jié)垢的解決方法

紀(jì)瑞琦 寧武珍 張 浩 沈亞鵬 朱小明

（珠海杰賽科技有限公司，廣東 珠海 519170）

0 引言

在含鎳廢水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)系統(tǒng)的特點(diǎn)及含鎳廢水的復(fù)雜成分，導(dǎo)致蒸發(fā)濃縮過程中會在蒸發(fā)器的換熱管壁處產(chǎn)生大量白色垢狀物質(zhì)。該白色垢狀物質(zhì)不溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，且積累到一定厚度后會增加換熱器的熱阻，降低蒸發(fā)器的換熱效率，導(dǎo)致循環(huán)水無熱負(fù)荷，浪費(fèi)電能，并造成蒸發(fā)器內(nèi)部流速過快引起霧沫夾帶［1］。因此，須在蒸發(fā)器工作的同時加入阻垢劑及消泡劑。但阻垢劑及消泡劑會增加蒸發(fā)器處置含鎳廢水的成本，且該方法只能延長結(jié)垢時間，無法從根本上解決結(jié)垢的問題。與此同時，換熱器產(chǎn)生的垢會大大增加后續(xù)人工處置的工作量，同時會降低含鎳廢水蒸發(fā)濃縮的工作效率。為了解決蒸發(fā)器濃縮工作中存在的問題，需要研究一套新的方法，從根本上消除蒸發(fā)器結(jié)垢的現(xiàn)象。

1 含鎳廢水蒸發(fā)器工作原理及蒸發(fā)器結(jié)垢原因的分析

1.1 含鎳廢水蒸發(fā)器工作原理

含鎳廢水蒸發(fā)器的工作原理是通過降低蒸發(fā)罐里的壓強(qiáng)來降低溶液的沸點(diǎn)。由真空泵將蒸發(fā)罐抽成真空狀態(tài)，在此壓強(qiáng)下，水的沸點(diǎn)為35 ℃左右，溶液通過循環(huán)泵將物料連續(xù)循環(huán)霧化至換熱器上，溶液中水分被蒸發(fā)；再通過冷凝裝置冷卻水汽。蒸發(fā)器的主要動力部件壓縮機(jī)作用于冷媒，在不同的換熱部位，通過對冷媒壓力進(jìn)行控制同時實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)與冷卻，余熱隨冷媒循環(huán)利用；此外，低溫蒸發(fā)與環(huán)境溫度接近，不存在大溫差熱交換，將熱量損失降到最低，達(dá)到節(jié)能的目的。含鎳廢水蒸發(fā)器如圖1所示。

圖1 含鎳廢水蒸發(fā)器

1.2 蒸發(fā)器結(jié)垢原因的分析

1.2.1 含鎳廢水成分分析

含鎳廢水產(chǎn)自沉鎳金產(chǎn)線中的水洗槽，主要含有鎳離子、鈣離子、鎂離子及其他有機(jī)聚合物，pH 值為3～4，無色透明，在遇堿調(diào)節(jié)pH 值至7 以上時，溶液會產(chǎn)生不溶的凝膠狀物體。

通過反滲透膜作用后的含鎳廢水為綠色，相較于反滲透前的含鎳廢水，其鎳離子、鈣離子、鎂離子、含量均增加，pH 值為2～3，在遇堿調(diào)節(jié)pH 值至7 以上時產(chǎn)生綠色沉淀，隨著pH 值的升高，綠色沉淀的量也逐漸增多。

1.2.2 蒸發(fā)器結(jié)垢的原因分析

通過取樣檢測得出反滲透后濃縮液的數(shù)據(jù)見表1。

表1 含鎳廢水檢測數(shù)據(jù)

由表1 可知，含鎳廢水中鈣離子、硫酸根離子、鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。其中，硫酸鎂極易溶于水，硫酸鈣微溶于水，且硫酸鈣微溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿的性質(zhì)與蒸發(fā)器結(jié)垢的情況相同。通過檢測蒸發(fā)器的結(jié)垢固體得出其主要成分為硫酸鈣。

通過檢測數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出蒸發(fā)器結(jié)垢的原因?yàn)椋涸谡舭l(fā)器蒸發(fā)含鎳廢水時，結(jié)垢分為3 個過程，分別為溶液中過飽和→晶核形成→晶體生長。硫酸鈣在特定的鹵水中有特定的溶解度，當(dāng)硫酸鈣在鹵水中的過飽和度達(dá)到一定程度時，就會產(chǎn)生微觀的硫酸鈣晶粒作為結(jié)晶的核心，形成晶核；晶核形成后，硫酸鈣分子會圍繞晶核快速聚集并形成大晶體，晶體不斷堆積最終形成難溶鈣垢［2］。

2 確定含鎳廢水蒸發(fā)器結(jié)垢解決方法

根據(jù)蒸發(fā)器結(jié)垢的原因以及廢水和蒸發(fā)器的情況，擬先進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)。在小試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，最終確定解決蒸發(fā)器結(jié)垢的方法。

2.1 實(shí)驗(yàn)部分

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用物品

實(shí)驗(yàn)儀器：加熱器，滬興電熱電器廠；燒杯；溫度計(jì)；量筒。

實(shí)驗(yàn)藥品：乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetie acid，EDTA）（深圳市博林達(dá)科技有限公司）；氫氧化鈉（分析純）（茂名市熊大化工有限公司）；鹽酸（天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；含鎳廢水。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)廢水的特點(diǎn)及蒸發(fā)器結(jié)垢的原因，進(jìn)行如下3組實(shí)驗(yàn)。

方案1：由于硫酸鈣在酸性條件下隨著pH 值的降低其溶解性逐漸增大，因此擬設(shè)計(jì)5 組樣品，每組各1 L，置于燒杯內(nèi)，將其溶液pH 值分別調(diào)至2.0、1.5、1.0、0.8 和0.3，調(diào)節(jié)pH 值后將其放置于加熱器加熱至沸騰，直至溶液的體積減少至100 mL，在蒸發(fā)結(jié)束后觀察燒杯內(nèi)結(jié)晶情況。具 體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 pH值降低時燒杯底部的結(jié)晶

通過實(shí)驗(yàn)得出，隨著含鎳廢水pH 值逐漸降低，蒸發(fā)后在燒杯底部的結(jié)晶越來越少，在pH 值降至0.3時，蒸發(fā)完畢后燒杯底部無結(jié)垢產(chǎn)生。但由于pH 值為0.3 時，廢液存在較大的安全隱患且強(qiáng)酸容易對蒸發(fā)器造成損壞，且該廢液調(diào)節(jié)至酸性需要消耗大量鹽酸，約為蒸發(fā)含鎳廢液體積量的50%，處置成本很高，并且在蒸發(fā)過程中及蒸發(fā)完畢后會產(chǎn)生強(qiáng)烈刺鼻的酸氣，具有較大的安全隱患，故排除該方案。

方案2：由于EDTA 與鈣離子絡(luò)合生成的絡(luò)合鈣離子化合物在pH 值小于等于6 時比較穩(wěn)定，且溶于水，故擬加入EDTA，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其降低結(jié)垢的效果。

實(shí)驗(yàn)方案如下：①直接加入5%的EDTA，混合均勻后直接加熱至沸騰，待溶液體積減少至100 mL，停止加熱并觀察結(jié)垢情況。② 調(diào)節(jié)pH 值至5 左右，加入5%的EDTA，混合均勻后直接加熱至沸騰，待溶液體積減少至100 mL，停止加熱并觀察結(jié)垢情況。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 加入EDTA后的結(jié)晶狀態(tài)

通過實(shí)驗(yàn)得出，加入EDTA 后，如不調(diào)節(jié)pH值（含鎳廢液pH 值為2.1），加熱過程中會產(chǎn)生大量的泡沫，蒸發(fā)濃縮后底部產(chǎn)生大量的白色固體，且很難去除。當(dāng)pH 值為5 時，在蒸發(fā)的過程中基本無泡沫，蒸發(fā)濃縮結(jié)束后，相對于未調(diào)節(jié)pH 值的含鎳廢液，燒杯底部會產(chǎn)生一層較薄的白色固體。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出，該方案處置效果較差，故排除該方案。

方案3：硫酸鈣在堿性條件下會和氫氧根生成氫氧化鈣沉淀，與此同時也會將含鎳廢液中的鎳離子以及鎂離子、膠體聚合物（該聚合物會在堿性條件下聚合成坨沉降）等成分完成沉降。因此設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案：擬設(shè)計(jì)5 組樣品，每組各1 L置于燒杯內(nèi)，將其溶液pH值分別調(diào)節(jié)至7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，調(diào)節(jié)pH 值后將其放置于加熱器加熱至沸騰，待溶液的體積減少至100 mL，在蒸發(fā)結(jié)束后觀察燒杯內(nèi)結(jié)晶情況。具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 堿性條件下燒杯底部的結(jié)晶

通過實(shí)驗(yàn)得出：隨著含鎳廢水pH 值逐漸升高，蒸發(fā)后燒杯底部的結(jié)晶減少，在pH值升至11時，蒸發(fā)完畢后燒杯底部無結(jié)垢產(chǎn)生。在加入液堿后會產(chǎn)生綠色沉淀；隨著pH 值的升高產(chǎn)生沉淀的厚度變大，靜置后會分層，上層為清液，下層為沉淀。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出：該處置方法安全可靠，液堿的使用量僅為含鎳廢水的2%左右，成本低廉；同時在處置的過程中無泡沫產(chǎn)生，下層沉淀可溶于含鎳廢液（沉淀溶于含鎳廢液的過程中無放熱、冒煙的現(xiàn)象產(chǎn)生，整個溶解過程安全可靠），故擬在車間采用該處置方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 車間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過小試實(shí)驗(yàn)確定了含鎳廢水蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)方案，見表2。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。

表2 含鎳廢水蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)方案

圖5 蒸發(fā)器蒸發(fā)后無垢產(chǎn)生

在含鎳廢水原液的處置過程中，隨著pH 值的升高，溶液溫度逐漸升高。在pH 值為11.5 左右時，溫度為35～40 ℃左右。隨著pH 值的升高，含鎳廢液產(chǎn)生的沉淀增多。整個處置過程無有毒、有害、特殊氣味的氣體產(chǎn)生，原液處置過程安全可靠。處置后的原液進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)時內(nèi)部無泡沫產(chǎn)生，證明無需添加消泡劑。在蒸發(fā)器運(yùn)行半個月之后，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)部基本無結(jié)垢產(chǎn)生，證明該方法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。為了驗(yàn)證該方法的穩(wěn)定性，進(jìn)行了3個月的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)3個月內(nèi)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況及現(xiàn)場一線員工的反饋得出，處置效率由優(yōu)化前的每日1 t提升至每日2 t，處置效果見表3。

表3 新方法的處置效果及收益

通過處置效果得出該處置方法滿足實(shí)際需求，安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，將蒸發(fā)器的處置效率提升了1 倍，達(dá)到了除垢效果，降低了處置成本及員工工作量，并提高了實(shí)際含鎳廢水系統(tǒng)的處置效率。該方法可應(yīng)用于實(shí)際含鎳廢水系統(tǒng)處置中。

2.3 處置方法的確定

通過實(shí)驗(yàn)及車間驗(yàn)證，確定蒸發(fā)器結(jié)垢處置方法如下。

（1）在含鎳廢液原液中添加工業(yè)級液堿，邊添加邊攪拌，直至pH 值調(diào)節(jié)至11.5 后停止加液堿。

（2）含鎳廢液原液處置完畢后開啟蒸發(fā)器，在進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)的過程中無需添加阻垢劑及消泡劑，直至蒸發(fā)濃縮至指定標(biāo)準(zhǔn)，停止蒸發(fā)濃縮。

3 后續(xù)工藝優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在少許問題，提出了相應(yīng)的解決方法，具體如下。

（1）液堿添加為人工操作，較為繁瑣，且在添加過程中有安全隱患。為解決該問題，在原液儲罐處增加了一條液堿輸送管線。

（2）蒸發(fā)后的濃縮液需采用移動的潛水泵抽至含鎳廢水池，操作過程中工作量較大且存在安全隱患。為解決該問題，在濃縮液儲罐處增加一條管線，由隔膜泵抽至含鎳廢水池內(nèi)。

4 結(jié)論

通過小試實(shí)驗(yàn)及車間驗(yàn)證，確定了解決蒸發(fā)器結(jié)垢的處置方法。該方法處置效果滿足蒸發(fā)器除垢要求，且節(jié)約了阻垢劑及消泡劑使用成本。同時，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的情況對方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，整個方法安全可靠。