張 威，潘超群，葛春亮，胡達(dá)清，陳文華，鄭俊杰，唐飛翔

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000）

芒硝（Na2SO4·10H2O）是煤化工高鹽廢水主要結(jié)晶鹽之一[1-2]。芒硝脫除10 個(gè)結(jié)晶水后，為元明粉（無(wú)水硫酸鈉或無(wú)水芒硝）。芒硝和元明粉廣泛應(yīng)用于洗滌劑、造紙、醫(yī)藥和玻璃工業(yè)等行業(yè)[3]。但與元明粉相比，芒硝存在不易保存、售價(jià)低廉、運(yùn)輸費(fèi)用高等缺點(diǎn)，有必要將芒硝干化為元明粉后再外售。

傳統(tǒng)的芒硝制元明粉工藝主要為多效蒸發(fā)結(jié)晶工藝[4]，該工藝適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)元明粉，主要涉及溶硝罐、加熱器、結(jié)晶分離器、稠厚器、母液罐、離心機(jī)、真空系統(tǒng)、蒸汽冷凝液罐、各類(lèi)泵等設(shè)備，存在系統(tǒng)流程復(fù)雜，占地面積大，投資較高等問(wèn)題。因此，為資源化利用結(jié)晶鹽，完善工業(yè)廢水分鹽零排放技術(shù)路線(xiàn)中的最后一環(huán)，需要研發(fā)一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地面積小、經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的芒硝干化工藝。

1 芒硝物性特點(diǎn)及干化難點(diǎn)

芒硝為無(wú)色透明單斜晶系棱狀結(jié)晶，堆密度1 480 kg/m3，含結(jié)晶水 55.9%，硫酸鈉 44.1%；其蒸汽壓常大于空氣中的平均飽和蒸汽壓，在大氣中易風(fēng)化；當(dāng)溫度高于32.38 ℃時(shí)，芒硝開(kāi)始失去結(jié)晶水并溶解，加熱至100 ℃以上失去全部結(jié)晶水。

芒硝干化的難點(diǎn)在于：

（1）一般物料在干燥過(guò)程中形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，而芒硝加熱后由固態(tài)變成液態(tài)[5]，所選擇的芒硝干化工藝應(yīng)能解決芒硝受熱液化問(wèn)題。

（2）芒硝受熱后大量結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤x擇的芒硝干化工藝應(yīng)具備較強(qiáng)的蒸發(fā)能力。

2 干化工藝的選擇及試驗(yàn)

2.1 干化工藝的選擇

常見(jiàn)的干燥工藝主要有氣流干燥、噴霧干燥、振動(dòng)流化床干燥、盤(pán)式干燥、槳葉干燥、滾筒干燥等[6-7]。針對(duì)各干燥工藝原理和進(jìn)料特點(diǎn)，考慮到芒硝受熱液化的性質(zhì)，氣流干燥、振動(dòng)流化床干燥、盤(pán)式干燥、槳葉干燥等工藝不適用于芒硝干化，而噴霧干燥、滾筒干燥等進(jìn)料為液態(tài)的干燥工藝較適用于芒硝干化。將芒硝制備成溶液后，可滿(mǎn)足噴霧干燥和滾筒干燥工藝的進(jìn)料要求。

2.2 干化工藝試驗(yàn)

根據(jù)芒硝干化工藝初選結(jié)果，分別采用滾筒干燥工藝和噴霧干燥工藝進(jìn)行芒硝干化試驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性。

2.2.1 滾筒干燥試驗(yàn)

2.2.1.1 試驗(yàn)材料

取適量芒硝，按 m（水）∶m（芒硝）=0.76∶1 的比例加40 ℃水，攪拌均勻，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%左右的硫酸鈉溶液。

2.2.1.2 試驗(yàn)裝置

滾筒干燥試驗(yàn)裝置由滾筒、傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、刮刀、壓縮空氣系統(tǒng)、集液槽、出料槽和控制系統(tǒng)組成。熱源介質(zhì)為導(dǎo)熱油，刮刀帶氣缸，通過(guò)氣缸調(diào)節(jié)壓緊程度，采用人工進(jìn)料方式。

2.2.1.3 試驗(yàn)條件

滾筒有效加熱面積3.3 m2，滾筒轉(zhuǎn)速2 r/min，導(dǎo)熱油溫度150 ℃，刮刀壓力0.3 MPa。

2.2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

溶液黏附筒壁效果良好；出料呈白色粉狀、無(wú)熱黏性，水分≤2%；干化10 kg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%硫酸鈉溶液所需時(shí)間約5 min。

2.2.2 噴霧干燥試驗(yàn)

2.2.2.1 試驗(yàn)材料

與滾筒干燥試驗(yàn)材料相同。

2.2.2.2 試驗(yàn)裝置

噴霧干燥試驗(yàn)裝置由干燥塔、霧化器、熱風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、旋風(fēng)除塵系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。熱源介質(zhì)為熱空氣，采用料泵進(jìn)料方式。

2.2.2.3 試驗(yàn)條件

干燥塔直徑1 m，干燥塔直段高1 m，霧化器轉(zhuǎn)速18 000 r/min，進(jìn)風(fēng)溫度 220 ℃。

2.2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

出風(fēng)溫度95 ℃；料泵流量40 mL/min；干燥效果良好，出料呈白色粉狀，水分≤2%。

3 干化工藝方案比選

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，采用滾筒干燥和噴霧干燥工藝均能干化芒硝，且干燥效果良好。按溶液蒸發(fā)量1.8 t/h，分別對(duì)傳統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶、滾筒干燥和噴霧干燥工藝進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，獲得最佳的芒硝干化工藝。

3.1 工藝流程

3.1.1 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程示意圖

硫酸鈉流程：冷凍結(jié)晶制得的芒硝在溶硝罐中受熱失去結(jié)晶水并溶解，加適量水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的硫酸鈉溶液。溶液由溶硝泵送入進(jìn)料罐緩沖后，由進(jìn)料泵輸送至循環(huán)液管道，與循環(huán)液一起由循環(huán)泵送入加熱器進(jìn)行換熱，換熱后的溶液進(jìn)入結(jié)晶分離器進(jìn)行氣液分離，溶液通過(guò)循環(huán)泵在系統(tǒng)中強(qiáng)制循環(huán)。經(jīng)濃縮后的濃鹽水經(jīng)過(guò)離心進(jìn)料泵送入稠厚器增稠，稠厚器中的濃鹽水自流進(jìn)入離心機(jī)中進(jìn)行固液分離，分離出的晶體作為硫酸鈉產(chǎn)品，分離的母液進(jìn)入結(jié)晶母液罐中，經(jīng)母液泵送回進(jìn)料罐重新結(jié)晶，母液定期外排[8]。

蒸汽流程：來(lái)自管網(wǎng)的一次蒸汽進(jìn)入加熱器殼程進(jìn)行換熱，產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)入蒸汽冷凝液罐，經(jīng)蒸汽冷凝液泵送入溶硝罐內(nèi)加熱，回收熱量后送入蒸汽冷凝液管網(wǎng)；結(jié)晶分離器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入真空間冷器進(jìn)行冷凝，產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)入真空冷凝液罐，經(jīng)真空冷凝液泵排出系統(tǒng)。

硫酸鈉溶液在40 ℃時(shí)溶解度最大，高于40 ℃時(shí)溶解度逐漸減小。傳統(tǒng)四效真空蒸發(fā)法適用于低濃度硫酸鈉溶液制硫酸鈉，而冷凍結(jié)晶的芒硝溶硝后為飽和硫酸鈉溶液，經(jīng)加熱蒸發(fā)后析出晶體，適合采用單效蒸發(fā)結(jié)晶。蒸發(fā)結(jié)晶工藝的特點(diǎn)是真空蒸發(fā)，噸水蒸汽耗量比干燥工藝低，但其工藝系統(tǒng)較復(fù)雜，占地面積大，運(yùn)行操作要求較高。

3.1.2 滾筒干燥工藝

滾筒干燥工藝流程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 滾筒干燥工藝流程示意圖

離心機(jī)來(lái)料芒硝固體經(jīng)過(guò)溶硝罐加熱攪拌溶解在自身結(jié)晶水中，形成高濃度硫酸鈉溶液；硫酸鈉溶液經(jīng)溶硝泵送至滾筒干燥機(jī)下方料槽，并浸沒(méi)滾筒底部；通入蒸汽的滾筒在傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下按規(guī)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒壁面上形成硫酸鈉液膜，筒壁傳熱使液膜的水分汽化，再通過(guò)刮刀將達(dá)到干燥要求的硫酸鈉刮下，通過(guò)螺旋輸送機(jī)出料，得到無(wú)水硫酸鈉；蒸發(fā)形成的水蒸氣可直接由罩頂排濕風(fēng)機(jī)排放至大氣。

滾筒干燥傳熱機(jī)理屬熱傳導(dǎo)，傳熱方向在整個(gè)操作周期中保持一致，除蓋散熱和熱輻射損失外，其余熱量全都用于筒壁濕料膜的蒸發(fā)上，熱效率可達(dá)70%～80%。滾筒干燥工藝特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作方便，可以通過(guò)調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)控制出料的干燥程度。

3.1.3 噴霧干燥工藝

噴霧干燥工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 噴霧干燥工藝流程示意圖

經(jīng)蒸汽加熱器、電加熱器加熱后的熱空氣從噴霧干燥塔頂部進(jìn)入，經(jīng)熱風(fēng)分配器均布。料液經(jīng)塔體頂部的高速離心霧化器形成極細(xì)微的霧狀液珠，與熱空氣并流接觸，物料被極速干燥。干燥合格的物料隨熱風(fēng)通過(guò)干燥塔底部環(huán)狀出風(fēng)口離開(kāi)，經(jīng)旋風(fēng)分離器捕集產(chǎn)品后，尾氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入布袋除塵器除塵后排放[9]。干燥塔錐體和旋風(fēng)分離器底部收料。

噴霧干燥是典型的對(duì)流型干燥工藝，其傳熱系數(shù)不僅低于傳導(dǎo)傳熱型干燥工藝，在對(duì)流傳熱干燥工藝中也是比較低的。該工藝的特點(diǎn)是物料脫水時(shí)間很短，產(chǎn)品具有良好的均勻度，可連續(xù)運(yùn)行，自動(dòng)化水平高，操作控制方便，可通過(guò)改變操作條件控制產(chǎn)品質(zhì)量和指標(biāo)。其缺點(diǎn)是設(shè)備較龐大，動(dòng)力消耗較大，氣固分離裝置要求較高。

3.2 主要設(shè)備選型

3 種芒硝干化工藝方案主要設(shè)備選型分別見(jiàn)表1、表 2、表 3。

表1 蒸發(fā)結(jié)晶工藝主要設(shè)備

表2 滾筒干燥工藝主要設(shè)備

表3 噴霧干燥工藝主要設(shè)備

3.3 技術(shù)參數(shù)比較

3 種芒硝干化工藝主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。由表4可知，蒸發(fā)結(jié)晶工藝成熟，能耗低，但產(chǎn)品水分高（5%），設(shè)備安裝占據(jù)空間較大，工藝流程復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)工作量大；滾筒干燥工藝流程簡(jiǎn)單，占地面積較小，能耗較低，干燥效果好，但對(duì)設(shè)備制造和運(yùn)行維護(hù)要求較高；噴霧干燥工藝流程較簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，干燥效果好，但能耗高、占地面積大。

表4 3 種芒硝干化工藝主要技術(shù)參數(shù)

3.4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3 種芒硝干化工藝投資及運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表5。從表5 可以看出，投資費(fèi)用方面，滾筒干燥方案最低，蒸發(fā)結(jié)晶方案次之，噴霧干燥方案最高；運(yùn)行費(fèi)用方面，蒸發(fā)結(jié)晶方案干化每噸芒硝所需成本最低，滾筒干燥方案運(yùn)行成本略高于蒸發(fā)結(jié)晶方案，噴霧干燥方案運(yùn)行成本最高。

表5 3 種芒硝干化工藝投資及運(yùn)行費(fèi)用

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)芒硝物料特性分析、干燥技術(shù)篩選以及干化工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，滾筒干燥和噴霧干燥工藝在技術(shù)上可滿(mǎn)足芒硝干化的要求。綜合比較傳統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶、滾筒干燥、噴霧干燥3 種芒硝干化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，滾筒干燥工藝流程簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用最低、占地面積最小，運(yùn)行費(fèi)用較低，適合場(chǎng)地布置較緊張的項(xiàng)目；蒸發(fā)結(jié)晶工藝成熟、運(yùn)行費(fèi)用最低、投資費(fèi)用較低，適合對(duì)產(chǎn)品水分要求不高、場(chǎng)地布置較寬敞的項(xiàng)目；噴霧干燥工藝雖然流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、產(chǎn)品粉狀均勻，但是投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，占地面積大，適合對(duì)產(chǎn)品有粒徑要求的項(xiàng)目。