节能和资源回收型电镀废水处理设备

郭德豪，范圣红，陈蔡喜，罗迎花，牛艳丽，蔡志华，张立茗

（广州市达志化工科技有限公司，广东 广州 511356）

节能和资源回收型电镀废水处理设备

郭德豪，范圣红*，陈蔡喜，罗迎花，牛艳丽，蔡志华，张立茗

（广州市达志化工科技有限公司，广东 广州 511356）

介绍了一种以太阳能和水源热泵为热源，由水射泵产生真空，使电镀废液低温蒸发浓缩，并将蒸发热能全部循环回收，浓缩的镀液重新回用于镀槽，从而实现热能和物料全循环的装置。阐述了该装置的原理，分析了其运行可靠性和节能效益。着重描述了太阳能–热泵热水系统的组成、设计要点及工作模式。介绍了该设备在氰化滚镀银废水处理及回收中的应用。

电镀废水；处理；设备；真空蒸发；太阳能集热系统；热泵

1 前言

电镀废水、废液处理技术的开发已有数十年历史，从上世纪开始推进和倡导电镀清洁生产，注重研究推广电镀废物料的资源化再生和利用，蒸发浓缩法至今仍是其重要方法之一。较常用的电镀废液再生设备有“大气蒸发器”、“薄膜蒸发器”(用于回收铬酸)和“真空蒸发器”(专用于浓缩含氰废液)，它们都以水蒸气为加热介质，采用煤炭、柴油、天然气、电力等传统能源，所以运行的能耗高、污染重，能源浪费严重。要解决这一问题，必然要向低碳、物资回收的循环经济转型。节能和资源回收型电镀废水处理设备的开发、研究正是在电镀行业推行低碳、循环经济生产模式的有益尝试和实践。

2 原理

节能与资源回收型电镀废水处理设备的工作原理如图1所示。

图1 节能与资源回收型电镀废水处理设备的原理Figure 1 Principle of the energy-saving and resource-recycling type electroplating wastewater treatment equipment

2. 1 真空/热循环系统

由水射器5、热循环水箱6组成。水射器依靠高扬程 PU5泵吐出的高速水流通过一个带喇叭口的出水管，高速水流产生负压，抽走气体，产生真空，满足蒸发器低温沸腾所需的负压，将蒸发器“物料室”低温沸腾的物料蒸汽吸入，同时也将蒸发热量吸收到热循环水箱6，为热泵“水源侧”源源不断地补充热量，实现热量的全循环。

如此一来，热量几乎全部回收，达到节能的目的。当蒸发器内废液水分不断蒸发浓缩，达到电镀液成分浓度时，经去除杂质处理后便可添加至电镀槽内回用。

2. 2 蒸发器

在真空条件下实现低温(≤45 °C)蒸发。采用以石墨制作的导热性优良的耐腐蚀材料，将“热水室”的水与“物料室”的溶液(电镀废液)完全隔离，并在两者之间进行良好的热交换。“热水室”的高温水(55 ～60 °C)将热量传导给“物料室”的溶液，使其沸腾蒸发。蒸发器中“热水室”的回水(≥50 °C)由PU3泵回热泵 3，通过热泵产生高温热水(≥60 °C)重新注入蒸发器的进水口。这样便构成了一个“热泵3(热水侧)→蒸发器4的热水室→PU3泵→热泵3(热水侧)”加热循环回路。同时，“热泵3(水源侧)→热循环水箱6→PU4泵→热泵3(水源侧)”也构成一个提供热泵所需低端热源的水循环回路。

2. 3 太阳能–热泵热水系统

采用太阳能集热系统与热泵机组相结合，太阳能和热泵互为辅助热源，最大限度地利用太阳能，保证了因阴雨天气及冬季环境温度较低而导致太阳能资源不足时的热水供应，做到全年、全天候供应热水。

2. 3. 1 加热过程

太阳能–热泵热水系统的主要组成部分为太阳能集热器和水源热泵机组，包括太阳能集热器1、储热水箱2、太阳能循环泵PU1、热泵热水侧循环泵PU3、回水泵PU2及控制器。如图2所示。

图2 太阳能–热泵热水系统Figure 2 Solar power–heat pump hot water supply system

太阳能热水循环泵PU1根据S1和S2温度控制器自动运行。当S2温度≥65 °C时，系统切换为“太阳能加热模式”，三通阀○1、○2打开，○3关闭，同时 PU2启动，储热水箱2中的太阳能热水注入蒸发器4的热水室进行加热蒸发；当S2温度≤65 °C时，系统切换为“热泵加热模式”，三通阀○1、○2、○3全部打开，热泵3和PU3启动，蒸发器靠热泵加热沸腾、蒸发，此时储热水箱2起到热泵水循环加热回路膨胀水箱的作用。

2. 3. 2 设计要点

2. 3. 2. 1 太阳能集热器

对于全年使用的太阳能热水系统，要求太阳能集热器具有较高的集热效率、较小的管道阻力，抗冻能力强，易于维护。目前在太阳能热水工程中通常采用的太阳能集热器主要有平板型集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器、直流式真空管集热器、全玻璃真空管集热器等。平板集热器一直是太阳能市场的主导产品，广泛应用于各种低温(40 ～ 50 °C)热水加热领域，由于在集热效率上不具备优势，因此不适用于需要较高温度的蒸发浓缩应用的热水工程。全玻璃真空管集热器在经常性高水温(65 ～ 80 °C)的运行条件下集热效率较高，适合于需要60 °C以上热水、规模不太大的生产过程。U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器是在全玻璃真空管集热器的基础上发展起来的，都以金属作为吸热体，可以承压运行，适用于大型太阳能热水工程，但在蒸发浓缩应用的热水工程中，从高温下的集热效率、投资费用、经久耐用等方面进行综合评价，其实用性稍逊于普通真空玻璃管太阳能集热器。此外，虽然金属吸热体的太阳能集热器(如超导热管)与全真空玻璃管太阳能集热管相比，其优点在于防止“冻裂”和“炸管”现象，但南方地区不存在冻裂问题，采用可靠性好的电控制设计和电器元件，足以弥补普通真空玻璃管的不足。

太阳能集热器的面积应以热水系统的设计热负荷或根据实际情况确定的太阳能供热量作为基本依据，并分析计算所在地单位面积的太阳能集热器平均每日有效得热量，从而确定太阳能集热器的安装面积。

热水工程中，太阳能集热器一般是固定角度安装的，其单位面积日有效得热量随季节和每日内太阳辐照强度而变化，并不是一个固定值。其影响因素主要有集热器的安装角度、系统运行工况、所在地气象参数和太阳辐照量等。不同的集热器类型具有不同的集热效率，其有效得热量也不同，所以在实际应用中，一般根据集热器生产厂家提供的集热效率等性能参数和太阳辐照资料进行分析计算，取全年平均值。

太阳能集热器功率应按照蒸发设备设计每小时热负荷、热水箱容积、加热时间等参数进行确定。在冬季比较寒冷的地区，可适当加大太阳能集热器的面积，使其尽量在一天中气温比较高的时段内运行，在较短的时间内满足系统的用热需求。

2. 3. 2. 2 水源热泵

选用水源热泵的原因有二；一、回收被蒸发物料水蒸气的热量；二、水源热泵的能效系数(COP)比空气源热泵高得多，即使在高温下运行，水源热泵的COP也能达到3左右。

为使热泵适用于工业应用对高温水源的需求，众多科研单位和生产企业进行了研发和改进。提高热泵的出水温度主要有3种方式：一是依靠外界辅助热源来提高热泵低温制热性能，比如通过电加热来提高热泵制热出水温度，采用燃烧器辅助加热室外换热器，在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加制热运行输出功率等等；二是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能，设中间补气回路的空气源热泵等；三是采用变频系统，让压缩机高速工作以增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以防止其过热，从而使热泵机组能够正常运行。热泵机组的额定制热功率应不小于蒸发器的最大设计负荷。

其实，真正适合蒸发浓缩系统的热泵，并非看热泵生产厂商标榜其产品的输出水温有多高。很多厂家往往声称其热泵输出水温可达到65 °C以上，甚至有的达到90 °C，但对其水源侧及热水侧回水的极限温度值避而不谈。目前，多数国产热泵的热水侧回水温度较低(一般在20 ～ 25 °C)，不适用于工业生产过程。笔者采用的是热水侧回水温度≥55 °C的水源热泵，热能几乎100%循环利用，实际热效率可达90%，节能近80%，与传统能源相比具有明显的经济优势。

各种能源的实际热值计算列于表1。以将1 t水温为20 °C的自来水加热至60 °C需要40 000 kcal的热量为例，根据实际热值计算各种能源所需数量后按单价计算的燃料成本列于表2。几种能源方案的对比见表3。

表1 各种热源的热效率和实际热值Table 1 Thermal efficiencies and effective calorific values for various heat sources

2. 3. 2. 3 真空蒸发系统

采用真空蒸发工艺有2个目的；(1)减压以降低被蒸发浓缩溶液的沸点，较好地保护了对温度敏感的物料，避免其分解破坏；(2)低温蒸发以配合低温热源的充分利用。所研制的蒸发器全部采用纯聚丙烯材料制作，能耐受酸性、碱性和大部分腐蚀性电镀废液，耐受90 °C以下温度，可在2 000 Pa真空条件下长期运行。

表2 采用不同热源产生40 000 kcal热量所需的成本Table 2 Costs for producing 40 000 kcal heat with different heat sources

表3 几种能源方案的经济效益Table 3 Economic benefits of several schemes using different energy sources

2. 3. 3 工作模式

2. 3. 3. 1 太阳能加热

在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，源源不断地利用集热器采集的热量通过储热水箱输送到蒸发器。

2. 3. 3. 2 太阳能辅助热泵机组加热

在秋冬季节，当环境温度低于热泵的经济运行温度时，热泵机组的制热效率下降并且蒸发器表面结霜。此时，热泵辅助加热循环泵启动，高于环境温度的低温太阳能热水进入热泵水源侧的“热循环水箱”内，使热泵效率提高，并具有防止蒸发器结霜的作用，可以提高COP值，节约热泵机组的耗电量。

2. 3. 3. 3 热泵机组直接加热

在连续的雨雪天气、阴天或多云天气期间，当太阳能集热温度不足以直接加热蒸发器热水室时，热水管系自动切换到“热泵工作模式”，热泵机组启动。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独对蒸发器加热，同时利用热循环水箱回收的蒸发热作为热泵水源侧的热源。

3 实用意义

3. 1 运行可靠性分析

作为太阳能–热泵热水系统的主要组成部分，太阳能和水源热泵都是技术成熟的节能环保产品。太阳能在生活热水系统中的规模化应用已有20余年的历史，水源热泵的大量应用也有10数年的历史。太阳能–热泵热水系统将太阳能与水源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功能的条件下，使其运行效率显著提高，从而能够保证系统稳定可靠地运行，节约热水系统常规的能源消耗。

3. 2 节能效益分析

根据我国北方大部分地区的太阳辐照资料，按照卫生热水系统平均耗热量和太阳能集热器日平均得热量确定太阳能热水系统的集热器面积，太阳能–热泵热水系统中，太阳能直接加热可满足热水系统全年60% ～80%的热量需求，其余20% ～ 40%的热量由水源热泵机组供应，热泵平均COP可达3.0，即其所供应的热量有65%以上来自从蒸发的蒸汽中回收的热能。在整个系统运行中，蒸发器热能的回收利用率接近100%，辅助加热的电力消耗只占系统总能耗的7% ～ 14%，至少可节能85%。从上述分析可见，太阳能–热泵热水系统是一种性能可靠、环保节能的热水系统形式，该系统只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。

所研制的节能和资源回收型电镀废水处理设备的能耗可分为 2个部分：蒸发加热能耗和真空泵能耗。综合两部分能耗，与传统的真空蒸发系统相比，至少可节能 40%以上。此外，从电镀化工资源回收，避免化工废料污染环境，实现清洁生产、可持续发展的意义上考量，该设备非常值得推广应用。

4 应用及改进

4. 1 应用现状

作为科技型中小企业技术创新基金项目，在实施过程中首先瞄准了氰化镀金、镀银等电镀工艺，一则回收高价的贵金属，二则免去剧毒氰化物的处理排放，节省处理氰化物的化工药品，以基本实现零排放。

2008年，浙东南一家较大的电子电镀工厂决定安装两套这种设备(每套浓缩蒸发量为 33 L/h)，专门针对其大量的氰化镀银废水的处理与银资源的回用。该公司采用滚镀工艺，带出损失较大，第一级回收槽含Ag+高达1 ～ 2 g/L。一次投料约700 L，经7 d连续浓缩蒸发后用AA机分析Ag+含量可达25 ～ 30 g/L，NaCN 220 ～ 250 g/L，可以回用到镀槽中。目前仅开一班制，每月回收银40 kg，总价值16 ～ 18万元。

除了银回收之外，另一个示范点正在进行镍资源回用。目前，许多企业对真空/热循环系统，特别是低温浓缩蒸发器十分感兴趣，它们可以通过不同形式的单元组合，因地制宜地应用于金属废液的回收和提纯，达到金属资源的回收利用。如果应用于化工产品的浓缩，不仅可以节约能源，而且可以提高产品的生产效率和品质。笔者深信，随着生产实践的应用和经验的积累，加上设备制造厂商的配合，这一创新技术会进入越来越多的工业领域。

4. 2 可能存在的问题

(1) 太阳能在电镀工业上的实际应用只是一个初步实践，本设备运行至今经历了不同天气的考验，尚未发现重大问题。为了维持不间断的连续生产过程，水源热泵作为辅助热源能同步补上。这两个新的硬件都还要在长期运行中考察其可靠性，特别是在不同光照条件下和冬天气温很低的情况下，“双硬件”的热能分配可否适应连续不间断的运行仍有待观察。

(2) 现在的新能源切换已从手动切换发展到电子自动切换，可以做到整体设备无人看管，减少人力资源的投入。其长期运行的可靠性也有待观察。

(3) 这套系统使用了不少温度传感器、液位传感器等，其质量及可靠性还有待观察。

(4) 为了获得高真空度的负压，系统中有一个关键部件，即循环水的水射泵。无论使用太阳能还是使用水源热泵，它都要不停地工作，否则无法在高真空下蒸发。它的电机轴承现已改用瑞典耐热、耐磨、耐高温的长寿轴承，其可靠性也有待长期运行观察。

4. 3 改进的方向

(1) 针对上述生产中可能存在的不足，进一步完善目前正在运行的两套设备，以消除隐患。

(2) 随着镀槽中的银不断循环蒸发应用，“浓缩液”中一定会累积金属铜杂质，当铜的含量达到一定数量时，可能会影响银层的可焊性。若考虑应用这种含铜杂质的浓缩液，需开发或购进Ag–Cu合金光亮剂。开发应用目前电子电镀行业热门的可焊、导电性优良的银–铜合金层，可达到循环银浓缩液的长久再利用。

(3) 大面积铺设太阳能集热器，争取用它来加热镀槽，不用油或煤锅炉，实现电镀工厂清洁生产。

Energy-saving and resource-recycling type electroplating wastewater treatment equipment//

GUO De-hao, FAN Sheng-hong*, CHEN Cai-xi, LUO Ying-hua, NIU Yan-li, CAI Zhi-hua, ZHANG Li-ming

An equipment for complete recycling of all thermal energy and materials with solar energy and heat pump as heat sources was introduced. The electroplating wastewater is evaporated and concentrated at low temperature under vacuum condition produced by water-jet bump. All thermal energy during evaporation is totally recovered, and the concentrated electroplating solution reused. The principle of the equipment was expatiated, and its running reliability and energy-saving effectiveness were analyzed. The configuration, key design points and working modes of the solar power–heat pump hot water supply system were described. The application of the equipment to wastewater treatment and recovery for barrel silver plating was introduced.

electroplating wastewater; treatment; equipment; vacuum evaporation; solar thermal collection system; heat bump

Dazhi Chemical Technology Co., Ltd., Guangzhou 511356, China

X781.1

A

1004 – 227X (2011) 01 – 0044 – 04

2010–10–27

科技型中小企业创新基金项目（09C26214414141）。

郭德豪（1949–），男，“电镀工艺”专业毕业，多项科研成果获省市科技进步奖，拥有电镀废水处理相关技术和装备的实用新型专利6项，目前任环保项目技术负责人。

范圣红，(E-mail) dazhi@dazhichem.com。

[ 编辑：温靖邦 ]