張雷澤雨，鄧先濤，王淑娟

（武漢凱迪水務(wù)有限公司，湖北武漢 430074）

MVR 是機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（Mechanical vapor recompression）的簡(jiǎn)稱，是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮做功，提升二次蒸汽的熱能，如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)供熱，從而減少對(duì)外界能源需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)〔1〕。從蒸發(fā)器中出來(lái)的二次蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮，溫度和壓力升高，焓值增加，作為加熱蒸汽使用，使物料維持其蒸發(fā)溫度，而加熱蒸汽本身則冷凝為水。

蒸發(fā)器通常分為升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器和強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，針對(duì)不同物料的物性不同，選擇的蒸發(fā)器類型也不同。例如沸點(diǎn)較低的溶液以及揮發(fā)性有機(jī)物的蒸發(fā)通常采用升膜蒸發(fā)器；水溶液等不易結(jié)晶物料的蒸發(fā)通常采用降膜蒸發(fā)器；高濃度易產(chǎn)生結(jié)晶的鹽溶液則采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。含鹽廢水蒸發(fā)若使用列管換熱器易在管壁內(nèi)側(cè)結(jié)晶造成堵塞，且需要定期清洗，清洗難度較大，清洗周期較短，而選擇外置式板式換熱器可以有效避免此類問題〔2〕。

本研究以某光纖制品廠洗氣含鹽廢水處理工程為例介紹“外置式板式換熱+閃蒸+MVR”技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行情況，以期為高鹽廢水處理工程提供參考。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

該光纖制品廠的高含鹽廢水主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的含少量SiO2與HCl 的廢氣，廢氣經(jīng)H2SO4、NaOH 的洗氣塔后，會(huì)產(chǎn)生含有Na2SiO3、NaCl、Na2SO4的含鹽廢水，水中離子以Na+、SiO32-、Cl-、SO42-為主，原水水質(zhì)如表1 所示。

表1 原水水質(zhì)Table 1 Quality of raw water

該工程以去除TDS、冷凝水回用和廢鹽回收為目標(biāo)。工程設(shè)計(jì)處理水量為72 m3/d，設(shè)計(jì)出水＞65 m3/d，回收率＞90%；設(shè)計(jì)原水TDS 為70 000 mg/L，冷凝水TDS＜1 000 mg/L，設(shè)計(jì)脫鹽率＞98%，廢鹽達(dá)到《工業(yè)鹽》（GB/T 5462—2015）回用指標(biāo)。MVR 系統(tǒng)接納并處理廢水處理單元排出的高含鹽水，冷凝水回用作廠內(nèi)循環(huán)水，結(jié)晶鹽外運(yùn)。

該光纖制品廠對(duì)廠區(qū)內(nèi)安全、環(huán)境要求較高，每日產(chǎn)生廢水量穩(wěn)定，要求廢水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性好、故障率低、維護(hù)方便。傳統(tǒng)MVR 通常由預(yù)處理、蒸發(fā)、結(jié)晶等多過(guò)程系統(tǒng)組成〔3〕，具有只能在結(jié)晶析出點(diǎn)以下濃縮、對(duì)懸浮物要求苛刻、內(nèi)置式換熱器難以維護(hù)、易結(jié)垢、清洗周期短等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足該工程需要。因此，本工程選擇了蒸發(fā)和結(jié)晶在同一系統(tǒng)內(nèi)，濃縮倍率高、不易結(jié)垢、清洗周期長(zhǎng)、易于維護(hù)、占地面積小和運(yùn)行穩(wěn)定的處理技術(shù)。

1.2 高含鹽廢水的沸點(diǎn)升

根據(jù)原水水質(zhì)情況可以得知廢水中的TDS 主要為NaCl 與極少量的Na2SO4，因此計(jì)算沸點(diǎn)升高僅考慮NaCl 濃度。范特霍夫沸點(diǎn)升高公式：

式中： ΔTb——沸點(diǎn)升，℃；

Kb——水沸點(diǎn)升高常數(shù)，0.512；

i——范特霍夫因子，2；

m——質(zhì)量摩爾濃度，mol/kg；

C——質(zhì)量濃度，g/L；

M——分子質(zhì)量，58.5 g/mol；

ρ——100 ℃時(shí)水的密度，g/cm3。

不同進(jìn)液濃度高鹽廢水的沸點(diǎn)升計(jì)算如表2所示。

表2 沸點(diǎn)升計(jì)算Table 2 Boiling point calculation

高鹽廢水經(jīng)蒸發(fā)后溶液沸點(diǎn)將達(dá)到109.13 ℃。廢水濃縮終點(diǎn)鹽質(zhì)量濃度按3.92×105～4.25×105mg/L計(jì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為113 ℃，設(shè)計(jì)出鹽的壓力為20.68 kPa。

1.3 工藝流程說(shuō)明

高含鹽廢水MVR 工藝流程如圖1 所示。

圖1 MVR 工藝流程Fig.1 Flow chart of MVR process

原水在原水箱內(nèi)儲(chǔ)存，通過(guò)進(jìn)料泵在預(yù)換熱器預(yù)升溫后進(jìn)入由蒸發(fā)器、循環(huán)泵、換熱器組成的循環(huán)單元。生蒸汽用于啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)升溫與系統(tǒng)熱量補(bǔ)充，原水在循環(huán)單元內(nèi)循環(huán)濃縮，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定濃度后通過(guò)氣動(dòng)閥門的控制將濃縮液排入稠厚器結(jié)晶，再進(jìn)入離心機(jī)脫水。稠厚器產(chǎn)生的母液流入母液箱，由母液泵輸送至蒸發(fā)器。蒸發(fā)器為強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，利用閃蒸原理，廢水進(jìn)入蒸發(fā)器后由于壓力降而發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生二次蒸汽和飽和液，二次蒸汽進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)壓縮做功后與換熱器進(jìn)行熱量回收。

1.4 主要設(shè)備參數(shù)

1）循環(huán)泵1 臺(tái)，采用的是強(qiáng)制循環(huán)離心泵，Q=1 000 m3/h。

2）蒸汽壓縮機(jī)1 臺(tái)，蒸汽壓縮機(jī)采用的是羅茨式蒸汽壓縮機(jī)，單臺(tái)流量3.0 t/h。

3）換熱器采用的是板式換熱器，包含：換熱器1 臺(tái)，設(shè)計(jì)溫度135 ℃，換熱面積185.37 m2；預(yù)換熱器1 臺(tái)，雙通道，設(shè)計(jì)溫度135 ℃，換熱面積2.30 m2。

4）蒸發(fā)器1 臺(tái)，直徑 2 100 mm，高度6 100 mm，容積20 m3。

5）稠厚器1 臺(tái)，有效容積6.0 m3。

6）離心機(jī)1 臺(tái)，刮刀離心機(jī)，處理量1.5 m3/h。

7）除霧器1 臺(tái)，折流板除霧器，處理量3.0 t/h。

8）噴霧水泵2 臺(tái)，噴霧水泵采用耐高溫氣動(dòng)隔膜泵，Q為0～2.95 m3/h。

9）各種規(guī)格管道，耐壓等級(jí)PN1.0 MPa，管道材質(zhì)：廢水管2205/316L 材質(zhì)，蒸汽管2205 材質(zhì)，壓縮空氣管304 材質(zhì)。

1.5 工藝對(duì)比分析

本工程與傳統(tǒng)MVR 工藝技術(shù)對(duì)比如表3 所示。

表3 本工程與傳統(tǒng)MVR 工藝技術(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between this project and traditional MVR process technology

本工程采用“外置式板式換熱+閃蒸+MVR”工藝，閃蒸過(guò)程發(fā)生在蒸發(fā)器內(nèi)部，結(jié)晶鹽沉在蒸發(fā)器內(nèi)，不需單獨(dú)設(shè)蒸發(fā)罐和結(jié)晶罐〔4〕。而板式換熱器的傳熱系數(shù)是列管式換熱器的3～5 倍，板式換熱器不僅傳熱系數(shù)高，還可通過(guò)增加板片數(shù)量來(lái)提高換熱面積，且板式換熱器流道較大，可利用湍流的自凈效應(yīng)防止形成污垢〔5〕。換熱器外置后清洗和更換更方便。

2 運(yùn)行情況

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行情況

本研究以大修停機(jī)前190 h 的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，此前系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行35 d，根據(jù)運(yùn)行情況，系統(tǒng)清洗周期為45 d。此次總處理原水量為375.3 t，平均每小時(shí)處理水量為2 t，共消耗生蒸汽30.38 t，系統(tǒng)脫鹽率為99.23%，共產(chǎn)生冷凝水350.8 t，系統(tǒng)回收率為93.47%。具體情況如表4 所示。

表4 運(yùn)行結(jié)果Table 4 Running result

系統(tǒng)蒸汽冷凝水和結(jié)晶鹽檢測(cè)結(jié)果如表5 所示。

表5 蒸汽冷凝水和結(jié)晶鹽檢測(cè)結(jié)果Table 5 Results of steam condensate and crystal salt detection

由表5 可知，冷凝水各指標(biāo)低于《工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923—2005）中表1 敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水指標(biāo)，并達(dá)到廠循環(huán)水回用標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)高濃度濃縮液經(jīng)離心脫水共產(chǎn)生精制工業(yè)鹽（工業(yè)濕鹽）約為24.64 t，經(jīng)檢測(cè)結(jié)晶鹽的指標(biāo)達(dá)到《工業(yè)鹽》（GB/T 5462—2015）中表1 精制工業(yè)鹽（工業(yè)濕鹽）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。離心脫水后的工業(yè)濕鹽由噸包裝置（2 t）打包后存放于車間內(nèi)，在廠內(nèi)不進(jìn)行提純處理，定期外運(yùn)至附近散裝工業(yè)鹽用戶，經(jīng)解包、溶解、再加工后重復(fù)利用。

2.2 蒸發(fā)器的運(yùn)行

蒸發(fā)器為閃蒸強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的布水方式采用節(jié)流孔板與管道開孔，節(jié)流孔板可起到限流穩(wěn)壓的作用，管道開孔保證濃縮液的布水均勻，增大了蒸發(fā)器內(nèi)液體接觸面，增強(qiáng)了熱量傳遞效率。設(shè)計(jì)進(jìn)液流速為1.5 m/s，節(jié)流孔板安裝位置與開孔如圖2 所示。

圖2 節(jié)流孔板安裝位置與開孔Fig.2 Installation position of orifice plate and pipe opening

運(yùn)行的同時(shí)需防止蒸汽夾帶鹽進(jìn)入壓縮機(jī)。由于同一溫度下蒸汽密度隨著壓力的升高而增大，蒸汽與水的密度差減小，導(dǎo)致水與蒸汽重力分離的效果變差，蒸汽帶水能力增強(qiáng)，溶鹽能力也隨著壓力的升高而增強(qiáng)，蒸汽中鹽的分配系數(shù)也增大，鹽的溶解度增大。因此在蒸發(fā)器內(nèi)部設(shè)置了旋流板除沫器進(jìn)行除沫，促進(jìn)蒸汽中水與汽的分離而達(dá)到降低鹽濃度的目的，可充分保證氣液的分離效果，蒸發(fā)器與旋流板除沫器如圖3 所示。

圖3 蒸發(fā)器與旋流板除沫器Fig.3 Evaporator and cyclone defroster

蒸發(fā)器上安裝帶遠(yuǎn)傳功能的溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)，數(shù)值變化如圖4 所示。

圖4 蒸發(fā)器運(yùn)行參數(shù)曲線Fig.4 Parameter curve of evaporator operation

由圖4 可知，蒸發(fā)器內(nèi)液體溫度保持在116.7 ℃，蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為113 ℃，運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)溫度較設(shè)計(jì)溫度〔6〕高出3～4 ℃。蒸發(fā)器運(yùn)行液位控制在1 250 mm，液位低于1 250 mm 時(shí)通過(guò)進(jìn)料母管三通閥補(bǔ)充原水，頂部壓力為20.68 kPa（表壓），飽和蒸汽溫度為105 ℃。由蒸發(fā)器規(guī)格尺寸與液位變化可計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)量為2 t/h。

2.3 循環(huán)泵的運(yùn)行

采用300 倍的循環(huán)倍率，使?jié)饪s液在換熱器與二次蒸汽換熱，實(shí)現(xiàn)低溫升循環(huán)紊流換熱。循環(huán)泵運(yùn)行參數(shù)曲線如圖5 所示。

圖5 循環(huán)泵的運(yùn)行參數(shù)曲線Fig.5 Circulating pump running parameter curve

由圖5 可知，循環(huán)泵出口溫度為116 ℃，壓力為0.4 MPa（表壓），根據(jù)循環(huán)泵特性曲線可知濃縮液循環(huán)量約為750 m3/h，實(shí)際處理原水量為2 m3/h。循環(huán)泵轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，運(yùn)行電流為181.8 A，平均運(yùn)行功率為102.35 kW，額定功率為132 kW，相較額定功率降低22.5%。

2.4 壓縮機(jī)的運(yùn)行

蒸汽壓縮機(jī)是MVR 系統(tǒng)的核心部件，安裝時(shí)壓縮機(jī)與電機(jī)的同心度必須調(diào)整一致，并定期檢查，一旦出現(xiàn)喘振、噪音應(yīng)立即停機(jī)檢查，設(shè)計(jì)時(shí)考慮30%的壓縮機(jī)喘振裕度，期間運(yùn)行穩(wěn)定〔7〕。系統(tǒng)內(nèi)不凝性氣體〔8〕（如O2、CO2、N2等）的積累會(huì)影響換熱效果。由于氣體的不凝結(jié)，稀釋了作為加熱介質(zhì)的蒸汽，會(huì)直接影響傳熱效率。因此在壓縮機(jī)出口管道上加裝了排氣閥，對(duì)MVR 系統(tǒng)內(nèi)不凝氣進(jìn)行排放。

蒸汽壓縮機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)如圖6 所示。

由圖6 可知，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)處理量為3 t/h，實(shí)際處理量為2 t/h，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度為105.5 ℃，蒸汽壓縮機(jī)出口溫度為120 ℃，壓縮機(jī)溫升為15 ℃，壓縮機(jī)的運(yùn)行電流為230 A，頻率為34 Hz。

2.5 換熱器的運(yùn)行

換熱器流道形式為三通道，熱媒分別為二次蒸汽與生蒸汽，冷媒介質(zhì)則為濃縮液。換熱器進(jìn)口、出口溫度的運(yùn)行曲線如圖7 所示。

圖7 換熱器進(jìn)口、出口溫度運(yùn)行曲線Fig.7 Temperature operation curve of inlet and outlet of heat exchanger

由圖7 可知，濃縮液的進(jìn)口平均溫度為115.9 ℃，出口平均溫度為117.9 ℃，濃縮液循環(huán)量為750 m3/h，循環(huán)倍率與設(shè)計(jì)相匹配，平均溫升2 ℃，升溫所需熱約為6 300 kJ/h；熱媒介質(zhì)為經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的二次蒸汽，二次蒸汽進(jìn)口平均溫度為120.8 ℃，出口平均溫度為118.8 ℃，蒸汽量為2 t/h。二次蒸汽所提供的熱為4 036 kJ/h，生蒸汽所提供的熱為2 560 kJ/h，換熱器熱效率為95%（管道均做保溫）。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

該工程按3 t/h 蒸發(fā)量設(shè)計(jì)，實(shí)際處理量為2 t/h，蒸發(fā)系統(tǒng)溫升為3 ℃，系統(tǒng)設(shè)備總成本為126 萬(wàn)元。設(shè)備按10 年折舊計(jì)，設(shè)備折舊費(fèi)用為12.6 萬(wàn)元/a。

該工程主要耗電設(shè)備為設(shè)備電機(jī)、循環(huán)泵、蒸汽壓縮機(jī)等，用電量為190 kW·h〔電費(fèi)0.5元/（kW·h）〕，電費(fèi)為95 元/h。

該工程設(shè)計(jì)生蒸汽消耗量為0.24 t/h，實(shí)際生蒸汽消耗量為0.16 t/h（蒸汽費(fèi)180 元/t），蒸汽費(fèi)為28.8元/h。

該工程每天將產(chǎn)生約3.2 t 一級(jí)工業(yè)濕鹽（氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%），處置費(fèi)用為管理費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)，處置成本約為6.25 元/h。

綜上所述，該工程全系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行成本為130.05元/h，每噸廢水處理成本為65.03 元，每日運(yùn)行按20 h計(jì)算，每年運(yùn)行按300 d計(jì)算，則運(yùn)行成本為78.03萬(wàn)元/a，年總成本為90.63 萬(wàn)元，投資和運(yùn)營(yíng)成本在國(guó)內(nèi)處于可接受的范圍〔9〕。

4 結(jié)語(yǔ)

1）采用MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)對(duì)光纖制品廠的高含鹽廢水進(jìn)行深度處理及回用，冷凝水水質(zhì)可以達(dá)到《工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923—2005）標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)晶鹽的指標(biāo)達(dá)到《工業(yè)鹽》（GB/T 5462—2015）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)其他污染物外排，最終實(shí)現(xiàn)廢水的近零排放。

2）該蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)日處理水量為48 t，系統(tǒng)溫升為3 ℃，產(chǎn)生的冷凝水全部回用，結(jié)晶鹽也可直接利用，系統(tǒng)的回收率可達(dá)93.47%，脫鹽率可達(dá)99.23%，清洗周期為45 d。

3）該蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況良好，故障率低，系統(tǒng)投資成本為126 萬(wàn)元，噸水運(yùn)行成本為65.03 元，同時(shí)污染物減排量可觀，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著。

4）該蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)不僅能使企業(yè)用水效率提高，還能將廢水中的鹽變成可利用資源。