基于余热利用实现低费用废水零排放的研究

马皓生，李文绪，韩秀台，陈丽，袁明军，张小勇

（河南北方星光机电有限责任公司，河南 邓州 474150）

党的十八大首次把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业总体布局，十九大报告作出了“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”的重要部署，吹响了生态文明建设的号角。

电镀作为制造业的主要技术之一，由于其高污染性，势必要面对环保新形势的严峻挑战。作为电镀工作者，必须树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，走科技创新之路，为企业的生存和发展，为打赢蓝天保卫战贡献力量。

笔者所在的公司新建了100万m2/a能力的电镀锌/锌镍合金生产线，一类重金属(特别是铬和镍)零排放是关键技术之一。本文是相关的工作总结，现分享出来供同行参考。

1 废水的减量化措施

1.1 电镀生产线废水的减量化措施

对于年产量100万m2的镀锌/锌镍生产线，如果不采取特殊的废水减量措施，按照《电镀污染物排放标准》(GB 21900-2008)的要求，废水允许排放总量为20万t/a，含铬废水和含镍废水总排出量应为5 ~ 7万t/a,要实现废水零排放的处理费用较高。为了减少废水处理费用，在电镀生产线上必须采用多种减排措施，如多级逆流清洗技术、喷淋清洗技术、行车吹气减少带出装置、给水自动控制技术、用水计量管控等。将电镀废水总排放量降低至2 ~ 3万t/a，含铬、镍等一类重金属的废水总排出量控制在2 000 ~ 5 000 t/a。

1.2 废水处理过程的中水回用

为减少废水蒸发量，对含铬废水和含镍废水分别预处理并沉淀重金属废泥，分离出的上清液收集到中间池，然后应用超滤和二次反渗透技术对70% ~ 80%的废水进行回用，剩余20% ~ 30%的浓缩废水进行蒸发。当然也可以采用“预处理+离子交换”的方式来实现回用和浓水减量目标后再浓缩蒸发。预处理产生的含铬、含镍电镀废泥以及废水蒸发产生的结晶盐统统交给有资质的处理厂商进行处理。

通过以上两项废水减量化措施，需要蒸发的废水量大幅减少到400 ~ 1 000 t/a。

2 余热利用蒸发废水工艺流程

废水蒸发的常见方法是使用三效蒸发器和MVR(机械蒸汽再压缩)蒸发器，但是它们只有在用于大量废水蒸发时才有性价比优势，原因主要是设备复杂、造价较高。据资料介绍，三效蒸发器一般的运行费用是60 ~70元/t，MVR蒸发器能降到30 ~ 40元/t。但如果蒸发量太小(如小于0.5 t/h)，三效蒸发器的运行费用能达到120元/t左右，MVR蒸发器也高达80元/t。上述方案对于年废水蒸发量较小的情况更不适用。如果直接电加热蒸发废水，运行费用高达500元/t，更是无法承受。

为此，对空压机的工作原理进行深入研究。空压机的工作原理是：电机驱动螺杆压缩机运转，空气经过滤器过滤后被吸入螺杆压缩机中，制成了高压空气，并与循环油混合成高压高温油气混合体，然后进入油气分离器，被分离成油和气。压缩空气经降温、干燥处理后供给用户；循环油被分离并降温而凝结成液态油，经散热降温并过滤后返回到压缩机。这样便完成一个循环过程。空压机的输入功率除了约 15%变成了压缩空气的势能以外，其他近 85%的能量以废热的形式被排放到空气中而浪费掉，可利用的能量(余热)约为空压机输入功率的 80%。考虑到空压机余热量较大，可利用价值高，再加上开式横流冷却装置技术成熟度高、水蒸发效果好，把这两者融合成一套利用余热对废水进行蒸发的系统是一个很好的方案，于是对利用空压机余热进行废水蒸发的工艺流程进行研究并开发实施。如图1所示，整个过程包含3个循环——热水循环、热汽循环和油循环。热水循环和热汽循环交汇于蒸发器，并以蒸发器为核心。

图1 余热利用废水蒸发的工艺流程Figure 1 Process flow of wastewater evaporation using waste heat

2.1 热水循环

常温水自蒸发水池由循环泵加压泵入空压机的油冷器，在冷却空压机油温的同时，通过交换能量加热成高温热水，然后进入蒸发器。在蒸发器内，一部分热水被蒸发为热汽，进入热汽循环；另一部分热水在蒸发过程中交换能量，降温为低温热水后流入蒸发水池，进入下一循环。热水循环过程有2个分岔，蒸发水池水位控制自动补水和废水蒸发到预定浓度后泵入结晶池。结晶池的设置主要是为了避免废水浓度过高，因为废水在系统内析盐会导致堵塞，特别是油冷器内细管的堵塞。

2.2 热汽循环

蒸发器内高温热汽被循环风机吸入冷凝器，在冷凝器内与冷却水(生产线清洗水先经过这里)完成能量交换，高温热汽被降温并冷凝为冷凝水，未彻底冷凝的湿气进入后续冷凝水罐中完成进一步冷凝。冷凝水罐后的循环风道连接风机，冷凝后的气体经循环风机加压后作为新鲜气体重新进入蒸发器，参与下一循环。这一循环有一个分叉，就是冷凝水收集后利用。

2.3 油循环

将余热利用设备的油冷器与空压机原散热滤器的油路串联起来，高温循环油引入蒸发设备的油冷器内与待蒸发废水进行热交换，用蒸发设备的油冷器替代散热滤器，油冷却后回压缩机完成循环。回收的热能将产生高温热水，并在蒸发器内完成废水蒸发，予以利用。余热利用设备使用与否、使用效果好坏都不影响空压机的正常工作，能实现在余热设备不启动或其油冷效果不好的情况下，空压机原散热设备及时启动降温，确保空压机的使用安全。

3 余热利用主要设备

根据图1可以确定，废水蒸发设备主要由蒸发器、油冷器、冷凝器、冷凝水箱、循环风机、管路系统和控制系统组成，见图2。

图2 主要蒸发设备的照片Figure 2 Photos of main equipment for evaporation

3.1 蒸发器

蒸发器的主体是与横流冷却塔类似的结构，布水盘、填料、接水盘从上到下布置在支撑框架内，上下两个面进行封闭，前后两个面为了方便检查维修而做成可拆卸结构，并设置观察窗。两个侧面做成喇叭口与主体对接，一个作为进风口，位置略低，另一个作为出风口，位置略高，符合冷空气在下、热空气在上的热力学原则，又保持进出风口线路一致，便于进出气体的导流。

3.1.1 布水盘

采用布水盘式配水，布水盘用不锈钢材料制造，盘底现场调水平。布水盘设计水深0.24 m。配水池保护高度宜大于0.1 m，总高度为0.34 m。确保在最大设计水量时不产生溢流。在入水口设有消能器，令进水管中流速较快的水流均匀、徐缓地分布到布水池中，避免飞溅，还有效降低了噪音。此外，布水池内全部加装“变流量变径花瓣式”喷嘴，使蒸发器流量在30% ~ 100%范围内变化时仍然能保持布水均匀，喷嘴首先将水柱散布成中空圆锥状，然后喷嘴下部的六叶形花瓣分水器将其溅散成细小的水滴，均匀布洒到填料上。这种布水方式与一般厂家采用的细孔式布水相比，具有布水更均匀，没有布水死角，水与空气接触时间较长，冷效更高等显著优点，极大地提高了蒸发器的效率，同时避免水雾逸出。

3.1.2 填料

选用悬挂式薄膜PP(聚丙烯)填料，其安装比传统填料更容易，在使用过程中清洗也更方便和彻底。选用改性PP材料，通风阻力小，表面粗糙，亲水性较光滑平面的填料好，吸水率小于0.015%，能使更多的水流形成薄膜而不溅落，水和空气有更充分的接触且在流动时表面扰动大。填料组装后，入风面是呈蜂窝状的导流器，有良好的均布风效果，提高并稳定了水气的热交换强度。

3.1.3 接水盘

接水盘用316不锈钢或PP材料制造，下层填料下边缘没入水面0.1 m，不致使空气被吸进系统，同时水流经填料表面后直接分散入下部水槽，噪音很低。下水管的管口高于接水盘底部0.25 m左右，下水管伸入下面的接水池中，下水管的管径需满足流量要求，确保在最大设计水量时不产生溢流。

3.2 油冷器

油冷器为管式换热器，使用电镀废水冷却空压机油，将螺杆空压机运行过程中产生的热量转移给电镀废水，使电镀废水加热升温。管程为电镀废水，壳程为空压机油。

3.3 冷凝器

冷凝器也是管式换热器，使用纯水冷却蒸发器产生的湿热空气使水蒸气冷凝成水滴，沉积成冷凝水后通过自动排水装置排至冷凝水储槽。管程为反渗透水，壳程为饱和空气。

3.4 除水罐

经过冷凝器初步降温冷凝后的湿热气体中的水汽凝结成小水滴进入除水罐后，气流先受隔板阻挡撞击折回向下，继而又回升向上，产生环形回转。流向和速度的急剧变化所产生的离心作用将密度较大的水滴分离出来并沉降在壳体底部。除水罐内部采用不锈钢丝网聚结填料，湿热气体通入冷凝水罐后，大液滴在重力作用下落到油水分离器底部，雾状小液滴被丝网捕获，凝结成大液滴后落到除水罐底部而被分离出来。通过自动排水装置将冷凝水排至冷凝水储槽。

3.5 循环风机

热汽循环风机的型号选用6-31-4.5A，配置变频调速电机，风机转速和风量由变频器控制，便于调整风量，要求风机流量在1 600 ~ 3 600 m3/h之间可调，风压应能够在2 500 ~ 3 500 Pa之间可调。在调试过程中，根据调节风机不同频率时对应的废水蒸发量记录来确定获得最大废水蒸发量的风机频率。

3.6 管路系统

热水循环是通过循环水泵来实现的。循环水泵是耐高温泵，配置变频电机，要求一用一备，由变频电机驱动，流量在2.0 ~ 5.0 t/h之间可调。根据系统对出口温度的要求，由控制系统控制变频器的输出频率，通过控制电机转速来实现对水泵流量的控制。通过控制循环水的流量来实现热交换器的可控制换热。通过闭环控制使空压机的温度维持在最佳的工作温度(75 ~ 95 °C)。通过自动补水来控制蒸发水池的水位。通过多次循环，废水经分析确认达到预定浓度后泵入浓缩水箱，经自然蒸发浓缩后交有资质的单位处置。设置浓缩水箱主要是为了避免废水浓度过高而析盐，导致系统(特别是油冷器内细管)堵塞。浓缩水箱要求316L不锈钢或PP材质，控制水位在200 ~ 500 mm之间。

3.7 控制系统

以PLC(可编程逻辑控制器)为核心，实现全自动控制，达到自动运行、自动补水的目的。通过HMI(人机交互界面)显示空压机油冷器进出口油温、冷水及热水温度、水位等状态。余热利用设备的运行和控制不能干涉空压机的运行，要求空压机的机油温度控制在75 ~ 95 °C，废水热交换后的温度控制在60 ~ 75 °C之间，控制精度为± 5 °C。

4 利用空压机余热蒸发废水的经济性分析

4.1 电镀废水蒸发所需总能量的核算

电镀废水正常电加热进行蒸发有两个方面需要消耗电能：一是废水升温到蒸发温度需要消耗的能量，二是废水克服蒸发潜能消耗的能量。1 t废水从20 °C升温到70 °C所需的能量为：1 000 kg ×[(70 - 20)°C]×4.2 kJ·kg-1·°C-1= 225 000 kJ。1 t废水在 70 °C 汽化为蒸汽需要的能量为：1 000 kg × 2 335 kJ·kg-1= 2 335 000 kJ。蒸发1 t废水共需能量225 000 kJ + 2 335 000 kJ = 3 560 000 kJ，折算成电能为706 kW·h。蒸发600 t废水共需要电能423 488 kW·h。

4.2 空压机余热总能量核算

将一台110 kW空压机用于废水蒸发，可利用功率按80%计算，每年(按250 d计，每天24 h工作)提供可利用的能量为110 × 0.8 × 24 × 250 = 528 000(kW·h)。空压机提供的余热能满足600 t废水蒸发的需要。

4.3 余热利用的经济性分析

空压机余热每小时蒸发废水量为110 × 0.8 ÷ 706 = 0.12(t)。蒸发1 t废水的时间约为8.5 h，蒸发600 t废水需要的时间是600/0.12 = 5 000(h)。废水蒸发设备运行能耗主要出自风机(功率4 kW)，循环泵的功率为0.75 kW，加上电控能耗，设备运行总功率约为5.0 kW。每吨废水蒸发能耗为5.0 kW × 8.5 h = 42.5 kW·h，按电价0.8元/(kW·h)计算，电费为0.8 × 42.5 = 34(元)。蒸发600 t废水的电费约为20 000元。

按照空压机余热利用研发的蒸发设备进行初步预估，设备制造费用预算为 50万元。目前三效蒸发器和MVR蒸发器没有小于0.5 t/h的规格，按照0.5 t/h的蒸发量进行询价，并咨询小规格蒸发器的耗能情况，统计出设备的能耗费用，见表1。

表1 几种废水蒸发设备的能耗费用Table 1 Energy cost of some different wastewater evaporation equipment

纯电热管加热废水蒸发设备本身造价低，但运行费用太高，企业无法承受。本空压机余热蒸发废水设备与三效蒸发器和MVR蒸发器蒸发设备相比，不管是设备造价还是运行费用，都有明显优势，成本回收快，在经济性上是可行的。

5 结语

通过小型余热利用蒸发器的研究，实现了年蒸发600 t电镀废水运行费只需2万元左右，每吨水蒸发运行费用约34元，达到大型MVR蒸发器的运行费用水平。藉此实现了小流量废水的零排放，解决了小流量废水蒸发费用居高不下的问题，因此该方案有较好的推广应用价值。