MVR 蒸发结晶技术在光纤制品洗气高盐废水处理中的应用

张雷泽雨，邓先涛，王淑娟

（武汉凯迪水务有限公司，湖北武汉 430074）

MVR 是机械式蒸汽再压缩技术（Mechanical vapor recompression）的简称，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，经蒸汽压缩机压缩做功，提升二次蒸汽的热能，如此循环向蒸发系统供热，从而减少对外界能源需求的一项节能技术〔1〕。从蒸发器中出来的二次蒸汽经过压缩机压缩，温度和压力升高，焓值增加，作为加热蒸汽使用，使物料维持其蒸发温度，而加热蒸汽本身则冷凝为水。

蒸发器通常分为升膜蒸发器、降膜蒸发器和强制循环蒸发器，针对不同物料的物性不同，选择的蒸发器类型也不同。例如沸点较低的溶液以及挥发性有机物的蒸发通常采用升膜蒸发器；水溶液等不易结晶物料的蒸发通常采用降膜蒸发器；高浓度易产生结晶的盐溶液则采用强制循环蒸发器。含盐废水蒸发若使用列管换热器易在管壁内侧结晶造成堵塞，且需要定期清洗，清洗难度较大，清洗周期较短，而选择外置式板式换热器可以有效避免此类问题〔2〕。

本研究以某光纤制品厂洗气含盐废水处理工程为例介绍“外置式板式换热+闪蒸+MVR”技术的实际运行情况，以期为高盐废水处理工程提供参考。

1 工程设计

1.1 工程概况

该光纤制品厂的高含盐废水主要来源于生产过程中所产生的含少量SiO2与HCl 的废气，废气经H2SO4、NaOH 的洗气塔后，会产生含有Na2SiO3、NaCl、Na2SO4的含盐废水，水中离子以Na+、SiO32-、Cl-、SO42-为主，原水水质如表1 所示。

表1 原水水质Table 1 Quality of raw water

该工程以去除TDS、冷凝水回用和废盐回收为目标。工程设计处理水量为72 m3/d，设计出水＞65 m3/d，回收率＞90%；设计原水TDS 为70 000 mg/L，冷凝水TDS＜1 000 mg/L，设计脱盐率＞98%，废盐达到《工业盐》（GB/T 5462—2015）回用指标。MVR 系统接纳并处理废水处理单元排出的高含盐水，冷凝水回用作厂内循环水，结晶盐外运。

该光纤制品厂对厂区内安全、环境要求较高，每日产生废水量稳定，要求废水处理系统稳定性好、故障率低、维护方便。传统MVR 通常由预处理、蒸发、结晶等多过程系统组成〔3〕，具有只能在结晶析出点以下浓缩、对悬浮物要求苛刻、内置式换热器难以维护、易结垢、清洗周期短等缺点，无法满足该工程需要。因此，本工程选择了蒸发和结晶在同一系统内，浓缩倍率高、不易结垢、清洗周期长、易于维护、占地面积小和运行稳定的处理技术。

1.2 高含盐废水的沸点升

根据原水水质情况可以得知废水中的TDS 主要为NaCl 与极少量的Na2SO4，因此计算沸点升高仅考虑NaCl 浓度。范特霍夫沸点升高公式：

式中： ΔTb——沸点升，℃；

Kb——水沸点升高常数，0.512；

i——范特霍夫因子，2；

m——质量摩尔浓度，mol/kg；

C——质量浓度，g/L；

M——分子质量，58.5 g/mol；

ρ——100 ℃时水的密度，g/cm3。

不同进液浓度高盐废水的沸点升计算如表2所示。

表2 沸点升计算Table 2 Boiling point calculation

高盐废水经蒸发后溶液沸点将达到109.13 ℃。废水浓缩终点盐质量浓度按3.92×105～4.25×105mg/L计，系统的设计运行温度为113 ℃，设计出盐的压力为20.68 kPa。

1.3 工艺流程说明

高含盐废水MVR 工艺流程如图1 所示。

图1 MVR 工艺流程Fig.1 Flow chart of MVR process

原水在原水箱内储存，通过进料泵在预换热器预升温后进入由蒸发器、循环泵、换热器组成的循环单元。生蒸汽用于启动时系统升温与系统热量补充，原水在循环单元内循环浓缩，当到达一定浓度后通过气动阀门的控制将浓缩液排入稠厚器结晶，再进入离心机脱水。稠厚器产生的母液流入母液箱，由母液泵输送至蒸发器。蒸发器为强制循环蒸发器，利用闪蒸原理，废水进入蒸发器后由于压力降而发生闪蒸，产生二次蒸汽和饱和液，二次蒸汽进入蒸汽压缩机压缩做功后与换热器进行热量回收。

1.4 主要设备参数

1）循环泵1 台，采用的是强制循环离心泵，Q=1 000 m3/h。

2）蒸汽压缩机1 台，蒸汽压缩机采用的是罗茨式蒸汽压缩机，单台流量3.0 t/h。

3）换热器采用的是板式换热器，包含：换热器1 台，设计温度135 ℃，换热面积185.37 m2；预换热器1 台，双通道，设计温度135 ℃，换热面积2.30 m2。

4）蒸发器1 台，直径 2 100 mm，高度6 100 mm，容积20 m3。

5）稠厚器1 台，有效容积6.0 m3。

6）离心机1 台，刮刀离心机，处理量1.5 m3/h。

7）除雾器1 台，折流板除雾器，处理量3.0 t/h。

8）喷雾水泵2 台，喷雾水泵采用耐高温气动隔膜泵，Q为0～2.95 m3/h。

9）各种规格管道，耐压等级PN1.0 MPa，管道材质：废水管2205/316L 材质，蒸汽管2205 材质，压缩空气管304 材质。

1.5 工艺对比分析

本工程与传统MVR 工艺技术对比如表3 所示。

表3 本工程与传统MVR 工艺技术对比Table 3 Comparison between this project and traditional MVR process technology

本工程采用“外置式板式换热+闪蒸+MVR”工艺，闪蒸过程发生在蒸发器内部，结晶盐沉在蒸发器内，不需单独设蒸发罐和结晶罐〔4〕。而板式换热器的传热系数是列管式换热器的3～5 倍，板式换热器不仅传热系数高，还可通过增加板片数量来提高换热面积，且板式换热器流道较大，可利用湍流的自净效应防止形成污垢〔5〕。换热器外置后清洗和更换更方便。

2 运行情况

2.1 系统运行情况

本研究以大修停机前190 h 的运行数据作为分析依据，此前系统已连续运行35 d，根据运行情况，系统清洗周期为45 d。此次总处理原水量为375.3 t，平均每小时处理水量为2 t，共消耗生蒸汽30.38 t，系统脱盐率为99.23%，共产生冷凝水350.8 t，系统回收率为93.47%。具体情况如表4 所示。

表4 运行结果Table 4 Running result

系统蒸汽冷凝水和结晶盐检测结果如表5 所示。

表5 蒸汽冷凝水和结晶盐检测结果Table 5 Results of steam condensate and crystal salt detection

由表5 可知，冷凝水各指标低于《工业用水水质》（GB/T 19923—2005）中表1 敞开式循环冷却水系统补充水指标，并达到厂循环水回用标准。系统高浓度浓缩液经离心脱水共产生精制工业盐（工业湿盐）约为24.64 t，经检测结晶盐的指标达到《工业盐》（GB/T 5462—2015）中表1 精制工业盐（工业湿盐）一级标准。离心脱水后的工业湿盐由吨包装置（2 t）打包后存放于车间内，在厂内不进行提纯处理，定期外运至附近散装工业盐用户，经解包、溶解、再加工后重复利用。

2.2 蒸发器的运行

蒸发器为闪蒸强制循环蒸发器，蒸发器内的布水方式采用节流孔板与管道开孔，节流孔板可起到限流稳压的作用，管道开孔保证浓缩液的布水均匀，增大了蒸发器内液体接触面，增强了热量传递效率。设计进液流速为1.5 m/s，节流孔板安装位置与开孔如图2 所示。

图2 节流孔板安装位置与开孔Fig.2 Installation position of orifice plate and pipe opening

运行的同时需防止蒸汽夹带盐进入压缩机。由于同一温度下蒸汽密度随着压力的升高而增大，蒸汽与水的密度差减小，导致水与蒸汽重力分离的效果变差，蒸汽带水能力增强，溶盐能力也随着压力的升高而增强，蒸汽中盐的分配系数也增大，盐的溶解度增大。因此在蒸发器内部设置了旋流板除沫器进行除沫，促进蒸汽中水与汽的分离而达到降低盐浓度的目的，可充分保证气液的分离效果，蒸发器与旋流板除沫器如图3 所示。

图3 蒸发器与旋流板除沫器Fig.3 Evaporator and cyclone defroster

蒸发器上安装带远传功能的温度计、压力表、液位计，数值变化如图4 所示。

图4 蒸发器运行参数曲线Fig.4 Parameter curve of evaporator operation

由图4 可知，蒸发器内液体温度保持在116.7 ℃，蒸发器内设计温度为113 ℃，运行时蒸发器内温度较设计温度〔6〕高出3～4 ℃。蒸发器运行液位控制在1 250 mm，液位低于1 250 mm 时通过进料母管三通阀补充原水，顶部压力为20.68 kPa（表压），饱和蒸汽温度为105 ℃。由蒸发器规格尺寸与液位变化可计算实际蒸发量为2 t/h。

2.3 循环泵的运行

采用300 倍的循环倍率，使浓缩液在换热器与二次蒸汽换热，实现低温升循环紊流换热。循环泵运行参数曲线如图5 所示。

图5 循环泵的运行参数曲线Fig.5 Circulating pump running parameter curve

由图5 可知，循环泵出口温度为116 ℃，压力为0.4 MPa（表压），根据循环泵特性曲线可知浓缩液循环量约为750 m3/h，实际处理原水量为2 m3/h。循环泵转速为1 000 r/min，运行电流为181.8 A，平均运行功率为102.35 kW，额定功率为132 kW，相较额定功率降低22.5%。

2.4 压缩机的运行

蒸汽压缩机是MVR 系统的核心部件，安装时压缩机与电机的同心度必须调整一致，并定期检查，一旦出现喘振、噪音应立即停机检查，设计时考虑30%的压缩机喘振裕度，期间运行稳定〔7〕。系统内不凝性气体〔8〕（如O2、CO2、N2等）的积累会影响换热效果。由于气体的不凝结，稀释了作为加热介质的蒸汽，会直接影响传热效率。因此在压缩机出口管道上加装了排气阀，对MVR 系统内不凝气进行排放。

蒸汽压缩机主要运行参数如图6 所示。

由图6 可知，压缩机设计处理量为3 t/h，实际处理量为2 t/h，压缩机进口温度为105.5 ℃，蒸汽压缩机出口温度为120 ℃，压缩机温升为15 ℃，压缩机的运行电流为230 A，频率为34 Hz。

2.5 换热器的运行

换热器流道形式为三通道，热媒分别为二次蒸汽与生蒸汽，冷媒介质则为浓缩液。换热器进口、出口温度的运行曲线如图7 所示。

图7 换热器进口、出口温度运行曲线Fig.7 Temperature operation curve of inlet and outlet of heat exchanger

由图7 可知，浓缩液的进口平均温度为115.9 ℃，出口平均温度为117.9 ℃，浓缩液循环量为750 m3/h，循环倍率与设计相匹配，平均温升2 ℃，升温所需热约为6 300 kJ/h；热媒介质为经压缩机压缩后的二次蒸汽，二次蒸汽进口平均温度为120.8 ℃，出口平均温度为118.8 ℃，蒸汽量为2 t/h。二次蒸汽所提供的热为4 036 kJ/h，生蒸汽所提供的热为2 560 kJ/h，换热器热效率为95%（管道均做保温）。

3 经济性分析

该工程按3 t/h 蒸发量设计，实际处理量为2 t/h，蒸发系统温升为3 ℃，系统设备总成本为126 万元。设备按10 年折旧计，设备折旧费用为12.6 万元/a。

该工程主要耗电设备为设备电机、循环泵、蒸汽压缩机等，用电量为190 kW·h〔电费0.5元/（kW·h）〕，电费为95 元/h。

该工程设计生蒸汽消耗量为0.24 t/h，实际生蒸汽消耗量为0.16 t/h（蒸汽费180 元/t），蒸汽费为28.8元/h。

该工程每天将产生约3.2 t 一级工业湿盐（氯化钠质量分数为96%），处置费用为管理费和运输费，处置成本约为6.25 元/h。

综上所述，该工程全系统实际运行成本为130.05元/h，每吨废水处理成本为65.03 元，每日运行按20 h计算，每年运行按300 d计算，则运行成本为78.03万元/a，年总成本为90.63 万元，投资和运营成本在国内处于可接受的范围〔9〕。

4 结语

1）采用MVR 蒸发结晶系统对光纤制品厂的高含盐废水进行深度处理及回用，冷凝水水质可以达到《工业用水水质》（GB/T 19923—2005）标准，结晶盐的指标达到《工业盐》（GB/T 5462—2015）一级标准，无其他污染物外排，最终实现废水的近零排放。

2）该蒸发结晶系统日处理水量为48 t，系统温升为3 ℃，产生的冷凝水全部回用，结晶盐也可直接利用，系统的回收率可达93.47%，脱盐率可达99.23%，清洗周期为45 d。

3）该蒸发结晶系统设备运行情况良好，故障率低，系统投资成本为126 万元，吨水运行成本为65.03 元，同时污染物减排量可观，经济、环境效益显著。

4）该蒸发结晶技术不仅能使企业用水效率提高，还能将废水中的盐变成可利用资源。