基于“以废热治废水”理念的高盐废水减排降碳处理技术的工业化应用

陈宋璇 于 淼 黄 龙 孙文亮 郭红兵 冯卫华

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

随着国家“2030碳达峰”行动方案的公布，寻找更加节能降碳增效的废水深度处理工艺凸显重要，本文提出的低温热法浓缩技术(ENFI-LTE),是中国恩菲工程技术有限公司(以下简称“恩菲”)经过多年自主研发的高盐废水脱盐技术，利用乏汽或者低压蒸汽等低品位热作为热源，最高蒸发温度不超过 95 ℃，通过串联一系列的水平管降膜蒸发器或垂直降膜蒸发器进行多次蒸发和冷凝，得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。由于利用乏汽等低品位热作为主要能源，相对于以电力和蒸汽作为能源的传统热浓缩法废水处理工艺，ENFI-LTE法可减少能源消耗，节能降碳效果显著。

本文梳理我国有色金属冶炼企业普遍存在的废热乏汽资源和高盐废水处理需求现状，介绍基于废热治废水理念开发的ENFI-LTE低温热法浓缩工艺技术的优势，并以两项工程化应用项目为例，对其运行成本、碳减排效果进行分析。

1 有色冶炼废热乏汽来源分析

乏汽通常泛指在热力系统锅炉产生的经过做功后的低品位余汽，具有压力和温度较低的特点[3]，故在工业生产中多将其作为废热排放至外部环境中，造成大量能量损失及环境污染。乏汽的饱和焓值为2 683 kJ/kg，具有一定的利用价值[4]。目前在有色冶炼厂中，能够利用的乏汽资源主要来自以下三个部分：

1)余热发电后乏汽。这部分乏汽资源具有量大、温度低、压力低等特点。如我国某有色金属冶炼厂余热电站产生的乏汽量为60 t/h，其饱和温度在55～60 ℃，压力为0.025～0.035 MPa，汽化潜热为560 kcal/kg，目前尚未得到有效利用，直接冷凝后排放。

2)熔渣水碎乏汽[5-6]。云南某公司采用烟化炉处理顶吹熔炼炉排放的熔渣，回收渣中的锡金属。烟化炉熔渣采用水碎方式，水碎瞬间部分循环水汽化为乏汽，乏汽和空气混合后经引风机排至烟囱，剩余循环水返回沉淀池沉渣及冷却。目前冲渣循环水无任何强制冷却设施，仅靠自然冷却，长期运行中循环水温度不断升高，持续保持在75～85 ℃。经过计算，该厂烟化炉渣水碎余热可产生的蒸汽量为105.6 t/d，相当可观。

3)压力釜闪蒸乏汽[7]。湿法冶炼工艺中，矿浆进入加压釜在高温、高压条件下浸出，浸出后矿浆须经过闪蒸槽减压降温才可进入后续工段。在闪蒸槽内，矿浆经喷嘴闪蒸减压降温形成乏汽，乏汽通过顶部管道经酸雾冷凝器后外排至室外。由于浸出反应在高温高压条件下进行，反应过程中放出大量的热并转化为乏汽。

2 有色冶炼高盐废水来源

目前，有色冶炼高盐废水主要来自以下三个部分：

1) 膜处理后浓水。冶炼工艺用化学水主要通过“预处理- 两级反渗透- 混床处理”工艺制备，同时产生20%～30%体积的浓水，其含盐量增加4倍以上[8]。该浓水与给水净化站排污水、循环冷却排污水和污水处理后液混合后排放至厂区废水深度处理站。废水深度处理站多采用“多介质过滤+超滤+活性炭过滤+反渗透”工艺进行处理，产生高盐浓水，其电导率为15 000～20 000 μs/cm。

2) 含重金属废水处理后液。工厂中污酸中和后液、脱硫和电解废液等含重金属废水的处理通常采用“碳酸钠除钙+石灰铁盐”工艺[9]，处理后污水电导率为8 000～15 000 μs/cm，钠盐含量超过10 g/L。

3 以废热治废水——高盐废水低碳处理工艺技术的构建

通过对我国有色冶炼企业乏汽资源和高盐废水现状的梳理，发现利用冶炼产生的乏汽资源作为热源，通过某种低温热浓缩法处理高盐废水是可行的。利用乏汽等废热可以显著地节省传统工艺如MED和MVR的一次蒸汽消耗，达到节能减少碳排放的效果。利用冶炼废热处理高盐废水的技术路线如图1所示。

4 ENFI-LTE低温热法工艺介绍

ENFI-LTE低温热法技术是恩菲研发的利用乏汽热源处理高盐废水的脱盐技术，可以实现盐和水的分离[11]。该技术将一系列的水平管降膜蒸发器或垂直降膜蒸发器串联起来并分成若干效组，输入一定量的乏汽，通过多次蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。目前ENFI-LTE技术经过了小试、中试和工业化的试验及应用，工艺研发基础扎实，在应用中得到了不断完善，其技术特点如下：

1) 传热系数高，换热管内侧为蒸汽侧，外侧为废水侧，双侧相变传热；蒸发器效数可达6～10效，效间温差5～6 ℃，造水比可达6～10，蒸汽用量低。

2) 处理高盐高钙废水无需钠盐软化；产水纯度高，处理原水时，产水电导率<5 μs/cm； 处理含盐废水时，高倍率浓缩产水的电导率<100 μs/cm；操作温度低，叠加特制吸附阻垢剂技术，可有效避免设备结垢，减缓腐蚀，提高浓缩比达10～20倍。

3) 工艺流程短，动力设备少，操作简单，主体设备寿命可达20年；设备操作弹性很大，负荷范围 40%～110%，动力消耗低，为2～4 kW·h/m3。

4) 热源价格低廉，优先采用余热发电后乏汽(温度70 ℃)作为热源。

5 ENFI-LTE低温热法处理高盐废水工程案例分析

5.1 内蒙古某冶炼厂高盐高钙废水处理

5.1.1 含盐废水水质分析

内蒙古某冶炼厂废水深度处理站的废水来源为厂区的循环水排污、化学水处理站反渗透浓水以及部分污酸中和后液，水量为2 000 m3/d。废水中硫酸钙为饱和浓度，氯离子约1 500 mg/L，电导率约15 000 μs/cm，TDS约10 g/L。该废水为典型的高盐高钙废水。

5.1.2 高盐高钙废水处理工艺

厂区含盐废水均化后泵送至浆化槽，调节废水pH至微酸性后与吸附阻垢剂混合浆化，然后泵送至低温热法单效蒸发器吸收管内，由喷淋泵将废水均匀喷淋至蒸发管上，废水在蒸发管外与管内的电站乏汽(温度50～55 ℃)进行热交换。部分废水蒸发，产生的二次蒸汽经冷凝后送至循环水系统或化水站作为补水；剩余部分蒸发后产生的浓水排至浓密机进行固液分离，溢流水回用于系统冲渣，沉淀池底流部分弃流产石膏，部分回流至浆化槽。ENFI-LTE低温热法工艺流程如图2所示。

本工程处理后产水1 800 t/d，电导率≤100 μs/cm，浓水TDS约82 g/L，浓缩倍率10倍，渣量约4.5 t/d。

5.1.3 运行成本分析

本工程运行成本见表1。年运行天数330 d，辅材、动力、产品按市场价格计，该工程运行成本为1.48元/m3，年运行费用为97.68万元，年设备维护费用为30万元。

表1 ENFI-LTE法工艺处理含盐废水运行费用分析

5.2 新疆某冶炼厂超高盐废水处理

5.2.1 超高盐废水水质分析

新疆某冶炼厂的含盐废水为生产过程中产生的集中洗钠废水和黑镍洗钠废水。其中集中洗钠废水TDS约200 g/L，黑镍废水TDS约30 g/L，均含有少量镍离子，废水量为390 m3/d，属于超高盐废水。具体水质见表2。

表2 集中洗钠废水和黑镍废水水质分析结果 g/L

5.2.2 超高盐废水处理工艺

本工程利用闪蒸乏汽处理超高盐废水，同时生产高品质元明粉，并回收水资源。在ENFI-LTE低温蒸发浓缩工段，经过预处理的黑镍废水与集中洗钠废水混合均匀，输送至三效蒸发器废水罐内，由喷淋泵将废水均匀喷淋至蒸发管上，从上逐层向下流，在蒸发管外与管内的闪蒸乏汽进行热交换，部分废水蒸发，剩余部分由效间阀门送至前一效继续喷淋蒸发，浓水送至蒸发结晶工段。在蒸发结晶工段，蒸发浓缩后浓液泵至蒸发结晶系统，采用“强制循环蒸发+稠厚结晶+离心分离工艺”，热源采用闪蒸乏汽，乏汽温度97 ℃，产生的二次蒸汽作为蒸发浓缩工段的热源。浓水通过蒸发结晶，晶浆在稠厚器中通过离心机分离产出元明粉。本工程的工艺流程图如图3所示。

本工程设计乏汽用量为105 t/d，产水量为390 t/d(TDS<100 mg/L)，元明粉产量为45 t/d(达到国标GB/T 6009—2014中Ⅱ类一等品标准)。

5.2.3 运行成本及经济分析

本工程超高盐废水经过处理后可达到废水零排放，吨废水直接运行成本9.41元，年运行成本121.13万元。废水经过处理后可产新水和元明粉，每年产新水量为16.33万m3，新水价格按3元/m3计，每年新水的营收约为49万元；每年元明粉产量为14 850 t，合格元明粉价格按300元/t计，每年营收约为445.5万元，营收合计为494.5万元，可冲减污水处理的成本，污水处理的总成本为-373.37万元(产生综合盈利收益)，折合每立方米的污水处理成本约为-29元。

6 ENFI-LTE法节能和碳减排分析

以5.2节中新疆某冶炼厂超高盐废水处理工程为例计算ENFI-LTE法的节能及碳减排量。其中乏汽作为废气再利用不计入碳排放量，电力和低压蒸汽的碳排放系数参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。对于处理废水量390 m3/d、年运行330 d的高盐废水项目，在蒸发器为三效条件下，分别计算采用ENFI-LTE法、MVR法和MED法的工艺电耗及能源消耗，结果见表3，碳减排量分析结果见表4。

表3 ENFI-LTE法、MVR法和MED法能耗分析

由表3可知，ENFI-LTE处理法相比MVR法和MED法，综合能耗水平最低，且使用废热乏汽，回收乏汽资源34 650 t/a，乏汽热值2.668 GJ/t，回收热能9.25×104GJ/a。在表4碳减排分析中，其中一次蒸汽为低压蒸汽，电量和热力均为从其他企业购买。采用ENFI-LTE法处理高盐废水，相较于采用MED法和MVR法，碳减排量分别为16 692.49 t/a、17 638.29 t/a。

表4 ENFI-LTE法、MVR法和MED法碳减排分析

7 结束语

1)ENFI-LTE低温热法浓缩技术可以有效利用有色冶炼企业的乏汽等低品位废热资源耦合处理高盐废水，达到以废热治废水的目的。

2)ENFI-LTE低温热法浓缩技术与传统热浓缩技术相比，碳减排量十分显著，回收废热资源，循环回用产水，节能和减排效果显著，是一种节能、减排、降碳、高效的废水处理和脱盐技术。

3)ENFI-LTE低温热法浓缩技术已实现工程化应用，浓缩倍率可达到10倍及以上，直接运行成本低，且产生副产品经济效益，可广泛应用于有色冶炼的高盐废水处理。