高盐废水分盐零排放中芒硝干化方案探讨

张 威，潘超群，葛春亮，胡达清，陈文华，郑俊杰，唐飞翔

（浙江天地环保科技有限公司，浙江 杭州 310000）

芒硝（Na2SO4·10H2O）是煤化工高盐废水主要结晶盐之一[1-2]。芒硝脱除10 个结晶水后，为元明粉（无水硫酸钠或无水芒硝）。芒硝和元明粉广泛应用于洗涤剂、造纸、医药和玻璃工业等行业[3]。但与元明粉相比，芒硝存在不易保存、售价低廉、运输费用高等缺点，有必要将芒硝干化为元明粉后再外售。

传统的芒硝制元明粉工艺主要为多效蒸发结晶工艺[4]，该工艺适用于大规模工业化生产元明粉，主要涉及溶硝罐、加热器、结晶分离器、稠厚器、母液罐、离心机、真空系统、蒸汽冷凝液罐、各类泵等设备，存在系统流程复杂，占地面积大，投资较高等问题。因此，为资源化利用结晶盐，完善工业废水分盐零排放技术路线中的最后一环，需要研发一种系统简单、占地面积小、经济性更优的芒硝干化工艺。

1 芒硝物性特点及干化难点

芒硝为无色透明单斜晶系棱状结晶，堆密度1 480 kg/m3，含结晶水 55.9%，硫酸钠 44.1%；其蒸汽压常大于空气中的平均饱和蒸汽压，在大气中易风化；当温度高于32.38 ℃时，芒硝开始失去结晶水并溶解，加热至100 ℃以上失去全部结晶水。

芒硝干化的难点在于：

（1）一般物料在干燥过程中形态不会发生变化，而芒硝加热后由固态变成液态[5]，所选择的芒硝干化工艺应能解决芒硝受热液化问题。

（2）芒硝受热后大量结晶水转变为自由水，所选择的芒硝干化工艺应具备较强的蒸发能力。

2 干化工艺的选择及试验

2.1 干化工艺的选择

常见的干燥工艺主要有气流干燥、喷雾干燥、振动流化床干燥、盘式干燥、桨叶干燥、滚筒干燥等[6-7]。针对各干燥工艺原理和进料特点，考虑到芒硝受热液化的性质，气流干燥、振动流化床干燥、盘式干燥、桨叶干燥等工艺不适用于芒硝干化，而喷雾干燥、滚筒干燥等进料为液态的干燥工艺较适用于芒硝干化。将芒硝制备成溶液后，可满足喷雾干燥和滚筒干燥工艺的进料要求。

2.2 干化工艺试验

根据芒硝干化工艺初选结果，分别采用滚筒干燥工艺和喷雾干燥工艺进行芒硝干化试验，验证其可行性。

2.2.1 滚筒干燥试验

2.2.1.1 试验材料

取适量芒硝，按 m（水）∶m（芒硝）=0.76∶1 的比例加40 ℃水，搅拌均匀，配成质量分数25%左右的硫酸钠溶液。

2.2.1.2 试验装置

滚筒干燥试验装置由滚筒、传动系统、导热油系统、刮刀、压缩空气系统、集液槽、出料槽和控制系统组成。热源介质为导热油，刮刀带气缸，通过气缸调节压紧程度，采用人工进料方式。

2.2.1.3 试验条件

滚筒有效加热面积3.3 m2，滚筒转速2 r/min，导热油温度150 ℃，刮刀压力0.3 MPa。

2.2.1.4 试验结果

溶液黏附筒壁效果良好；出料呈白色粉状、无热黏性，水分≤2%；干化10 kg 质量分数25%硫酸钠溶液所需时间约5 min。

2.2.2 喷雾干燥试验

2.2.2.1 试验材料

与滚筒干燥试验材料相同。

2.2.2.2 试验装置

喷雾干燥试验装置由干燥塔、雾化器、热风系统、进料系统、旋风除尘系统和控制系统组成。热源介质为热空气，采用料泵进料方式。

2.2.2.3 试验条件

干燥塔直径1 m，干燥塔直段高1 m，雾化器转速18 000 r/min，进风温度 220 ℃。

2.2.2.4 试验结果

出风温度95 ℃；料泵流量40 mL/min；干燥效果良好，出料呈白色粉状，水分≤2%。

3 干化工艺方案比选

根据以上试验结果，采用滚筒干燥和喷雾干燥工艺均能干化芒硝，且干燥效果良好。按溶液蒸发量1.8 t/h，分别对传统蒸发结晶、滚筒干燥和喷雾干燥工艺进行方案设计，并作技术经济比选，获得最佳的芒硝干化工艺。

3.1 工艺流程

3.1.1 蒸发结晶工艺

蒸发结晶工艺流程示意图见图1。

图1 蒸发结晶工艺流程示意图

硫酸钠流程：冷冻结晶制得的芒硝在溶硝罐中受热失去结晶水并溶解，加适量水配制成质量分数30%的硫酸钠溶液。溶液由溶硝泵送入进料罐缓冲后，由进料泵输送至循环液管道，与循环液一起由循环泵送入加热器进行换热，换热后的溶液进入结晶分离器进行气液分离，溶液通过循环泵在系统中强制循环。经浓缩后的浓盐水经过离心进料泵送入稠厚器增稠，稠厚器中的浓盐水自流进入离心机中进行固液分离，分离出的晶体作为硫酸钠产品，分离的母液进入结晶母液罐中，经母液泵送回进料罐重新结晶，母液定期外排[8]。

蒸汽流程：来自管网的一次蒸汽进入加热器壳程进行换热，产生的冷凝水进入蒸汽冷凝液罐，经蒸汽冷凝液泵送入溶硝罐内加热，回收热量后送入蒸汽冷凝液管网；结晶分离器产生的二次蒸汽进入真空间冷器进行冷凝，产生的冷凝水进入真空冷凝液罐，经真空冷凝液泵排出系统。

硫酸钠溶液在40 ℃时溶解度最大，高于40 ℃时溶解度逐渐减小。传统四效真空蒸发法适用于低浓度硫酸钠溶液制硫酸钠，而冷冻结晶的芒硝溶硝后为饱和硫酸钠溶液，经加热蒸发后析出晶体，适合采用单效蒸发结晶。蒸发结晶工艺的特点是真空蒸发，吨水蒸汽耗量比干燥工艺低，但其工艺系统较复杂，占地面积大，运行操作要求较高。

3.1.2 滚筒干燥工艺

滚筒干燥工艺流程示意图见图2。

图2 滚筒干燥工艺流程示意图

离心机来料芒硝固体经过溶硝罐加热搅拌溶解在自身结晶水中，形成高浓度硫酸钠溶液；硫酸钠溶液经溶硝泵送至滚筒干燥机下方料槽，并浸没滚筒底部；通入蒸汽的滚筒在传动装置驱动下按规定的转速转动，滚筒壁面上形成硫酸钠液膜，筒壁传热使液膜的水分汽化，再通过刮刀将达到干燥要求的硫酸钠刮下，通过螺旋输送机出料，得到无水硫酸钠；蒸发形成的水蒸气可直接由罩顶排湿风机排放至大气。

滚筒干燥传热机理属热传导，传热方向在整个操作周期中保持一致，除盖散热和热辐射损失外，其余热量全都用于筒壁湿料膜的蒸发上，热效率可达70%～80%。滚筒干燥工艺特点是系统简单，运行操作方便，可以通过调整滚筒转动速度来控制出料的干燥程度。

3.1.3 喷雾干燥工艺

喷雾干燥工艺流程示意图见图3。

图3 喷雾干燥工艺流程示意图

经蒸汽加热器、电加热器加热后的热空气从喷雾干燥塔顶部进入，经热风分配器均布。料液经塔体顶部的高速离心雾化器形成极细微的雾状液珠，与热空气并流接触，物料被极速干燥。干燥合格的物料随热风通过干燥塔底部环状出风口离开，经旋风分离器捕集产品后，尾气通过引风机进入布袋除尘器除尘后排放[9]。干燥塔锥体和旋风分离器底部收料。

喷雾干燥是典型的对流型干燥工艺，其传热系数不仅低于传导传热型干燥工艺，在对流传热干燥工艺中也是比较低的。该工艺的特点是物料脱水时间很短，产品具有良好的均匀度，可连续运行，自动化水平高，操作控制方便，可通过改变操作条件控制产品质量和指标。其缺点是设备较庞大，动力消耗较大，气固分离装置要求较高。

3.2 主要设备选型

3 种芒硝干化工艺方案主要设备选型分别见表1、表 2、表 3。

表1 蒸发结晶工艺主要设备

表2 滚筒干燥工艺主要设备

表3 喷雾干燥工艺主要设备

3.3 技术参数比较

3 种芒硝干化工艺主要技术参数见表4。由表4可知，蒸发结晶工艺成熟，能耗低，但产品水分高（5%），设备安装占据空间较大，工艺流程复杂，运行维护工作量大；滚筒干燥工艺流程简单，占地面积较小，能耗较低，干燥效果好，但对设备制造和运行维护要求较高；喷雾干燥工艺流程较简单，运行维护方便，干燥效果好，但能耗高、占地面积大。

表4 3 种芒硝干化工艺主要技术参数

3.4 经济指标比较

3 种芒硝干化工艺投资及运行费用见表5。从表5 可以看出，投资费用方面，滚筒干燥方案最低，蒸发结晶方案次之，喷雾干燥方案最高；运行费用方面，蒸发结晶方案干化每吨芒硝所需成本最低，滚筒干燥方案运行成本略高于蒸发结晶方案，喷雾干燥方案运行成本最高。

表5 3 种芒硝干化工艺投资及运行费用

4 结 论

通过对芒硝物料特性分析、干燥技术筛选以及干化工艺试验验证，滚筒干燥和喷雾干燥工艺在技术上可满足芒硝干化的要求。综合比较传统蒸发结晶、滚筒干燥、喷雾干燥3 种芒硝干化工艺的技术经济性，滚筒干燥工艺流程简单、投资费用最低、占地面积最小，运行费用较低，适合场地布置较紧张的项目；蒸发结晶工艺成熟、运行费用最低、投资费用较低，适合对产品水分要求不高、场地布置较宽敞的项目；喷雾干燥工艺虽然流程简单、运行维护方便、产品粉状均匀，但是投资和运行费用较高，占地面积大，适合对产品有粒径要求的项目。