MVR 晶种法蒸发技术在电解铝厂脱硫废水零排放中的应用

王银河，丁晓丽，毛 霖，秦福初，杨 洋

1.内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司，内蒙古 霍林郭勒 029200

2.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122

我国铝工业经过几十年的发展，在工艺技术、设备装备等方面取得很大进步，一跃成为世界第一产铝大国，2019 年年产电解铝约3570 万t[1]。但是，随之而来的是铝业生产带来的污染物排放总量的增加。电解铝生产过程中散发的烟气中含有大量的污染物，包括氟化物、粉尘、沥青烟（低浓度）和SO2等。烟气中的SO2主要来自电解槽生产原料预焙阳极，在电解槽内的高温环境下，阳极炭块中的硫氧化成SO2进入电解烟气[2]。目前，石灰石/石膏湿法烟气脱硫技术是控制烟气中污染物最有效的技术之一，能够有效降低电解铝烟气中的氟化物、粉尘和SO2等污染物的排放，该技术的市场占有率达85%以上，是目前世界上应用范围最广、工艺技术最成熟的脱硫技术[3]。为了维持石灰石/石膏湿法脱硫系统的正常运行，降低脱硫系统材料的腐蚀及维持硫酸钙的结晶速度和脱硫效率，脱硫系统的氯离子浓度一般维持在12000 ～20000mg/L。为控制循环浆液中氯离子浓度，需要排出一部分废水以带走系统中的部分氯离子，排出的废水即为脱硫废水。脱硫废水具有水质复杂、环境污染大、处理难度大和处理成本高的特点，为了保护环境，对其进行零排放处理已成为电解铝厂迫切需要解决的问题。

1 脱硫废水零排放技术

1.1 电解铝厂烟气条件

以内蒙古某铝电公司为例，采用560 台300kA 预焙阳极电解槽，生产规模480kt/a，该厂烟气系统参数包括温度：85℃；烟气量：2500000Nm3/h；O2：0.82%～1%；CO2：0.68% ～1.01%；O2：20% ～21%；H2O：0.8% ～1%；HF：3mg/Nm3；烟尘：20mg/Nm3

1.2 脱硫废水的水质特点

1.3 脱硫废水零排放

脱硫废水零排放技术在国内外已有众多应用案例，威立雅HPD、GE、阿奎特等国际废水零排放技术领先的公司已在国外开展多项废水零排放业务，在国外已有12 个以上的应用案例，分别位于意大利、美国、丹麦和日本等。国内脱硫废水零排放是近年来发展起来的新方向，各大发电集团都积极部署废水零排放项目，主要有长兴电厂、河源电厂、三水恒益电厂、汉川电厂、通辽总厂等燃煤电厂脱硫废水零排放示范项目。通过总结已有案例，脱硫废水零排放的处理方式可分为膜法浓缩，烟气余热浓缩，多效蒸发和MVR晶种法蒸发四大类。

电解铝厂具有烟气量小、烟气温度低的特点，不具备烟气余热浓缩蒸发的条件；与燃煤电厂不同，电解铝厂没有蒸汽，不适合采用多效蒸发方式；电解铝厂的脱硫废水硬度高，F-含量高，如采用膜法浓缩，需要增加软化和除氟工艺，工艺流程长，成本高；综上所述，采用MVR 晶种法蒸发是最适合电解铝厂脱硫废水零排放处理的工艺路线。

2 MVR 晶种法废水零排放技术

2.1 MVR 晶种法工艺简介

机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompression, MVR）热泵技术是目前国内外蒸发领域最先进、最节能的技术之一。MVR 系统在蒸发过程中产生的二次蒸汽经过蒸汽压缩机的压缩，提高其温度和压力后，返回到蒸发系统的加热器内，作为热源加热蒸发原溶液，全程除设备启动蒸汽，只消耗电能，不消耗蒸汽。

晶种法强制循环蒸发浓缩工艺采取“添加晶种+强制循环”的方式防止浓缩过程中硫酸钙结垢，对原水中钙镁硬度没有要求，不需要化学软化。同时，对原水中的有机物等也没有特殊要求，水质波动也不影响系统运行的稳定性。

MVR 晶种法蒸发技术采用两段式浓缩结晶工艺。在第一段，采用强制循环预浓缩，盐水在换热管中高速流动，吸收换热管外蒸汽冷凝所产生的热量加热升温。通过控制管内压力使其低于该温度下的饱和蒸汽压力，浓盐水在管内不会沸腾。强制循环预浓缩可以把废水浓缩到含盐量为20%以上（接近饱和）。浓缩后的浓缩液体积小，排入第二段结晶分离器中。进入分离室中，由于分离室压力骤然降低，高温浓盐水在此发生闪蒸，盐水浓缩，结晶析出。

采用MVR 晶种法工艺，产水为蒸馏水，水质好，TDS ＜ 50mg/L，可以作为系统回用水或者直接排放，水质满足地表四类水要求。

2.2 MVR 晶种法防止结垢原理

（1）强制循环结晶器。强制循环蒸发结晶器采用外加热式，废水在加热室加热，在分离室闪蒸，在加热的过程中废水无浓度变化，在分离室中闪蒸后浓度增大，因此，CaSO4等晶体会在分离室析出而避免了晶体在换热管壁面析出导致换热管结垢。

（2）硫酸钙晶种。在分离室中始终具有一定浓度的CaSO4晶种，析出的CaSO4晶体会优先在晶种表面而非换热管壁面依附生长，进一步避免了换热管壁面结垢的可能。

（3）冲刷。采用大流量的强制循环泵，循环液在换热管内的高速运行，减少结垢的发生。同时循环液中含有大量的硫酸钙和结晶盐晶体，该晶体会对换热管形成很大的冲刷，从而控制硫酸钙结垢。

（4）低温工况。在70℃低温情况下操作，新结晶的硫酸钙为二水硫酸钙，石膏为软垢，不易造成换热管结垢。

（5）共结晶。采用一步法结晶工艺，硫酸钙和结晶盐同时结晶析出。即使结垢，也是硫酸钙和结晶盐的混合垢，因此只要通入热水，将结晶盐溶解以后，硫酸钙垢很容易清洗去除，节省了硫酸钙清洗化学药剂费用。

3 结束语

对电解铝厂而言，烟气温度低，也没有足够的蒸气来源，MVR 晶种法蒸发技术成为废水零排放的最优选择。由于脱硫废水中Ca2+和Mg2+浓度较高，为防止蒸发器内部结垢，可采用MVR 晶种法蒸发技术。采用该技术能有效削减碳酸钠等价格较贵的软化药剂的投入量，并保证蒸发器不结垢，因此适用于电解铝厂的脱硫废水零排放技术。