危廢焚燒高鹽廢水三效蒸發(fā)技術(shù)
1、工程背景概述
煙氣洗滌是危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)煙氣凈化的重要工藝環(huán)節(jié),亦是確保煙氣達(dá)標(biāo)排放的必備環(huán)節(jié),由于危險(xiǎn)廢物的種類繁多、成分復(fù)雜,煙氣洗滌產(chǎn)生的高鹽廢水具有雜鹽含量較高的特點(diǎn),且含有較高的有機(jī)污染物,pH偏堿性。該高鹽廢水不適合采用物化或生物處理技術(shù),反滲透技術(shù)雖可以解決高鹽廢水的減量,但反滲透產(chǎn)生的高含鹽濃縮液的出路更為棘手。
近年來,隨著環(huán)評(píng)對(duì)污染物排放總量控制日益嚴(yán)格,絕大多數(shù)危險(xiǎn)廢物綜合處理廠執(zhí)行廢水處理達(dá)標(biāo)后“零”排放,為此,實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的高效減量與達(dá)標(biāo)處理迫在眉睫。本研究結(jié)合某危廢處理廠的高鹽廢水處理工程,探索多效蒸發(fā)工藝在高鹽廢水處理工藝設(shè)計(jì)中相關(guān)重要工藝流程的選取與關(guān)鍵參數(shù)的取值,以期為類似工程提供參考與借鑒。
多效蒸發(fā)是一個(gè)多級(jí)串聯(lián)濃縮過程,其中各效操作參數(shù)與單效蒸發(fā)相同,但各效過程參數(shù)相互制約。一般而言,增加效數(shù)可以提高蒸發(fā)處理的經(jīng)濟(jì)性,但由于存在溫度差損失,效數(shù)不可能無限制地增加。針對(duì)無機(jī)鹽溶液的蒸發(fā),目前一般選擇二~四效蒸發(fā)。
根據(jù)多效蒸發(fā)中物料與二次蒸汽的流向不同,多效蒸發(fā)細(xì)分為平流、順流和逆流等多種蒸發(fā)工藝。
危廢焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高鹽廢水總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids,TDS)含量較高,且含有一定的雜質(zhì)、懸浮物(Suspended Solids,SS)和CODCr,黏度較大,適合選用逆流式三效蒸發(fā)工藝。
2、工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)
多效蒸發(fā)工藝計(jì)算遵循物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算內(nèi)容包括加熱蒸汽(生蒸汽)的消耗量、各效蒸發(fā)量以及各效傳熱面積。多效蒸發(fā)的計(jì)算一般采用試算法。
2.1 模型假設(shè)
1)各效換熱面積相等。
2)各效蒸發(fā)水量的初始值相等。
3)各效溫差是均等的,用以計(jì)算各效的初始蒸發(fā)溫度。
2.2 主要計(jì)算公式
1)估算各效初始蒸發(fā)量。由總蒸發(fā)量計(jì)算出各效蒸發(fā)量初始值,其公式如下:
式中:F為總處理量,kg/h;W1為一效蒸發(fā)量,kg/h;W2為二效蒸發(fā)量,kg/h;W3為三效蒸發(fā)量,kg/h;ω0為初始進(jìn)料濃度,%;ω1為第一效的濃度,%。
2)計(jì)算各效濃度。
根據(jù)各效的蒸發(fā)量進(jìn)行物料衡算,由式(3)計(jì)算各效的濃度。
式中:ωj為j效的濃度,%;Wj為j效的蒸發(fā)量,kg/h。
3)計(jì)算有效總溫度差。多效蒸發(fā)中的有效傳熱總溫度差可用下式計(jì)算:
式中:∑Δt為有效總溫度差,為各效有效溫度差之和,℃;T1為第一效加熱蒸汽的溫度,℃;T/K為冷凝器操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的飽和溫度,℃;∑Δ為總溫度差損失,為各效溫度差損失之和,包括各效的沸點(diǎn)升高之和、靜壓頭差之和及管道阻力引起的溫度損失,℃。
4)估算各效溫度。
估計(jì)各效的溫度,這部分是試差計(jì)算,首先計(jì)算該系統(tǒng)的總溫差。
根據(jù)傳熱方程:
結(jié)合各效傳熱面積相等的假設(shè),相鄰兩效的溫差比可寫為:
式中:Δti為各效傳熱溫差,℃;ki為各效傳熱系數(shù),W/(m2?K);Qi為各效換熱量,W;Ai為各效換熱面積,m2。
首先假定各效溫差是均等的,求出各效蒸發(fā)溫度,然后根據(jù)各效的溫度和黏度計(jì)算出各效總傳熱系數(shù),再根據(jù)式(6)按比例調(diào)整每效的平均溫差,反復(fù)計(jì)算直至式(6)的值不變。
5)計(jì)算各效壓力。
根據(jù)上面得到的各效溫度求出該物料的飽和蒸汽壓。
2.3 高鹽廢水設(shè)計(jì)水量與進(jìn)水水質(zhì)
某危廢處置中心高鹽廢水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理量為100t/d,折合4.2t/h,整個(gè)工藝過程中預(yù)計(jì)可產(chǎn)雜鹽(干基)約210kg/h,該高鹽廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表1。
2.4 設(shè)計(jì)工藝流程
高鹽廢水經(jīng)預(yù)熱、三效蒸發(fā)濃縮、二效蒸發(fā)濃縮、一效蒸發(fā)濃縮后,進(jìn)入離心機(jī)出鹽,總體工藝流程見圖1。一效加熱器為強(qiáng)制循環(huán)式,二效、三效加熱器均為降膜循環(huán)式。蒸發(fā)得到的冷凝液經(jīng)后續(xù)生化系統(tǒng)處理后回用。
2.5 設(shè)計(jì)參數(shù)取值
根據(jù)進(jìn)水水質(zhì),本項(xiàng)目三效蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。
本項(xiàng)目3個(gè)加熱器均為管殼式換熱器,其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。
2.6 設(shè)計(jì)冷凝水排放指標(biāo)
三效蒸發(fā)冷凝液進(jìn)后續(xù)污水處理站,采用生化處理+膜深度處理的工藝技術(shù)路線進(jìn)行深度處理。經(jīng)污水處理站處理后的廢水達(dá)到GB/T18920―2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)調(diào)試期間,冷凝水指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。
3、測(cè)試指標(biāo)與分析方法
3.1 原料組分指標(biāo)
經(jīng)取樣分析,高鹽廢水原料實(shí)際組分較設(shè)計(jì)值差異較大,主要體現(xiàn)在原料TDS、CODCr和氯離子含量均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值,具體見表3。一方面由于前端焚燒來料種類繁雜,組分差別較大;另一方面為減少高鹽廢水的產(chǎn)生,實(shí)際增大了焚燒系統(tǒng)洗滌循環(huán)水的循環(huán)次數(shù),各組分逐漸累積至較高值。
由表3可知,焚燒系統(tǒng)洗滌高鹽廢水實(shí)際水質(zhì)中TDS和CODCr都超過設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo),特別是CODCr分別超過設(shè)計(jì)值15.5倍和11.6倍,因此需要對(duì)高鹽廢水進(jìn)行調(diào)質(zhì),調(diào)質(zhì)后的進(jìn)水水質(zhì)見表4。
調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水作為三效蒸發(fā)裝置的進(jìn)料。
3.2 其他指標(biāo)
本項(xiàng)目調(diào)試期間其他測(cè)試指標(biāo)還包括:①進(jìn)料流量;②生蒸汽冷凝水、二次蒸汽冷凝水、機(jī)封水、真空系統(tǒng)循環(huán)水中TDS指標(biāo);③二次蒸汽冷凝水溫度。
3.3 分析方法
1)CODCr分析測(cè)定方法:HJ828―2017水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法。
2)TDS分析測(cè)定方法:高精度筆型鹽度測(cè)定儀AZ8373(自動(dòng)溫度補(bǔ)償)。
3)電導(dǎo)率分析測(cè)定方法:電導(dǎo)儀法(GB/T6908―2008鍋爐用水和冷卻水分析方法電導(dǎo)率的測(cè)定)。
4)鹽含量分析測(cè)定方法:蒸發(fā)干燥稱量法。
5)二次蒸汽冷凝水溫度:溫度計(jì)。
4、運(yùn)行效果分析
4.1 二效物料循環(huán)及轉(zhuǎn)料
二效循環(huán)泵兼具物料循環(huán)和轉(zhuǎn)料的功能,出口壓力控制在0.15~0.18MPa,可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)向一效分離器轉(zhuǎn)料。
但二效循環(huán)泵出口壓力低于0.15MPa或高于0.18MPa時(shí),一效進(jìn)料量均會(huì)有不同程度地下降,一效分離器液位會(huì)逐步降低,直至低液位報(bào)警,需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)。這主要是因?yàn)樵诙аh(huán)泵出口壓力太低時(shí),二效無法正常向一效迅速補(bǔ)料;出口壓力太高時(shí),二效加熱器循環(huán)量變小,一效進(jìn)料量也相應(yīng)減小。
因此,調(diào)節(jié)并控制二效循環(huán)泵出口壓力在0.15~0.18MPa,既能穩(wěn)定向一效分離器轉(zhuǎn)料,又不影響二效物料的循環(huán)。
4.2 三效分離器壓力
二次蒸汽冷凝水溫度一般不超過40℃,其隨時(shí)間變化趨勢(shì)見圖3。
由圖3可知,在實(shí)際調(diào)試過程中,二次蒸汽冷凝水溫度集中在31~39℃,此時(shí)三效分離器壓力為12.3kPa(絕對(duì)壓力)。
4.3 分離器操作液位
調(diào)試過程中,分離器液位隨時(shí)間變化趨勢(shì)見圖4~圖6。由于3個(gè)分離器液位量程有差異,因此均以實(shí)際液位所占分離器液位計(jì)總高度的比例來表示實(shí)際操作液位。
可以看出,調(diào)試期間正常運(yùn)行工況下,3個(gè)分離器液位均穩(wěn)定在45%~55%(出鹽工況除外,此時(shí)一效分離器液位會(huì)明顯下降)。此時(shí)二次蒸汽冷凝水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
分離器液位達(dá)到65%~70%左右時(shí),二次蒸汽冷凝水中TDS就可能會(huì)超標(biāo),主要是因?yàn)榇藭r(shí)分離器液面上部氣相空間相對(duì)縮短,蒸發(fā)出的二次蒸汽在分離器內(nèi)停留時(shí)間縮短,二次蒸汽與鹽分未能完全分離,導(dǎo)致從分離器頂部出去的氣相物料夾帶部分鹽分。
綜合考慮分離器與加熱器的豎向布置,3個(gè)分離器液位控制值為50%時(shí)系統(tǒng)可正常運(yùn)行。
4.4 出鹽時(shí)間與出鹽量
系統(tǒng)設(shè)計(jì)出鹽量約為210kg/h,實(shí)際調(diào)試期間為間歇出鹽,即先根據(jù)一效分離器底部視鏡觀察分離器內(nèi)物料濃度,如果視鏡中鹽分低于1/3視鏡位置,則說明暫時(shí)還未濃縮到出料濃度;若視鏡中鹽分達(dá)到1/3位置,則說明可能達(dá)到出料濃度,需要再進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)確定,具體實(shí)驗(yàn)方法為:取1只500mL燒杯,至出料泵出口取樣管取樣,冷卻約10min后觀察鹽分含量,若鹽分含量超過40%,即具備出鹽條件。調(diào)試期間,每隔約4~6h出鹽1次,每次出鹽約1.0~1.2t。
5、討論
基于上述調(diào)試運(yùn)行結(jié)果分析,考慮危廢焚燒系統(tǒng)洗滌高鹽廢水水質(zhì)組分復(fù)雜且波動(dòng)較大,此條件下針對(duì)三效蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝設(shè)備選型、關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)提出優(yōu)化意見。
5.1 選擇加熱器循環(huán)型式
本項(xiàng)目中二效和三效加熱器均選用了降膜式加熱器。當(dāng)含鹽量高于8%時(shí),三效加熱器和二效加熱器頂部的布液盤和換熱管極易堵塞,系統(tǒng)僅能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3~4d,這也就對(duì)高鹽廢水水質(zhì)提出了更嚴(yán)格的要求。
降膜式加熱器:液體物料從加熱器頂部進(jìn)入,經(jīng)過液體分布器的分布,在換熱管內(nèi)呈膜狀向下流動(dòng),管外加熱使其汽化,被汽化的氣體隨液體一起通過加熱管流出,將液體與氣體分離即得到濃縮液,這是降膜式蒸發(fā)器的工作原理。
強(qiáng)制循環(huán)式加熱器:物料通過大流量的循環(huán)泵被輸送至列管式加熱器內(nèi),經(jīng)加熱后進(jìn)入分離器蒸發(fā)分離,未蒸發(fā)的余料回流再次由循環(huán)泵輸送至加熱器加熱蒸發(fā),這樣形成了一個(gè)反復(fù)循環(huán)蒸發(fā)的系統(tǒng),強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器適用于有結(jié)垢性、結(jié)晶性、熱敏性(低溫)、高濃度、高黏度并且含帶顆粒的不溶性固形物等物料的處理。通常在處理黏度大、易結(jié)垢或易結(jié)晶的溶液時(shí),優(yōu)先采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。
危廢焚燒洗滌高鹽廢水雜質(zhì)組分多,且含鹽量較高,屬易結(jié)垢、易結(jié)晶物料,因此建議優(yōu)先選擇強(qiáng)制循環(huán)型加熱器。
5.2 優(yōu)化循環(huán)和轉(zhuǎn)料
本項(xiàng)目未設(shè)置單獨(dú)的二效進(jìn)料泵,而是由二效循環(huán)泵向一效進(jìn)料。
為方便轉(zhuǎn)料流量和循環(huán)量均可精確控制與調(diào)節(jié),二效循環(huán)泵不宜兼具物料循環(huán)和轉(zhuǎn)料的功能,建議單獨(dú)設(shè)置二效轉(zhuǎn)料泵與二效循環(huán)泵。
另外,進(jìn)料高鹽廢水中CODCr含量較高,平均值為1505mg/L,因此母液不能再循環(huán)回一效分離器;否則,離心結(jié)晶就會(huì)受到影響,系統(tǒng)運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)管路堵塞或蒸發(fā)量下降。此種情況下建議母液不宜回流至三效系統(tǒng)。
5.3 三效分離器壓力調(diào)節(jié)與控制設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目分離器壓力是依靠手動(dòng)操作系統(tǒng)抽真空管路上泄壓閥的開度來調(diào)節(jié)和控制的。
由于分離器壓力控制與調(diào)節(jié)與真空泵入口處泄壓閥的開度相關(guān)聯(lián),為確保系統(tǒng)蒸發(fā)量以及三效系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,建議增加1組壓力調(diào)節(jié)閥,設(shè)定一定值后,由調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)三效分離器壓力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與控制,進(jìn)而保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。
6、結(jié)論
1)由于高鹽廢水成分復(fù)雜,且含鹽量可能會(huì)有較大波動(dòng),尤其是含鹽量高于8%時(shí),二效加熱器即會(huì)有少量結(jié)晶鹽析出,降膜式加熱器由于循環(huán)量較小,存在結(jié)晶鹽堵塞的風(fēng)險(xiǎn),因此針對(duì)危廢焚燒系統(tǒng)高鹽廢水處理三效蒸發(fā)系統(tǒng),一效、二效和三效加熱器均選擇強(qiáng)制循環(huán)型。
2)本系統(tǒng)二效循環(huán)泵出口壓力需控制在0.15~0.18MPa;分別設(shè)置單獨(dú)的二效轉(zhuǎn)料泵與二效循環(huán)泵,確保進(jìn)料量穩(wěn)定,系統(tǒng)蒸發(fā)過程平穩(wěn)。
3)為確保在進(jìn)水CODCr較高(>1500mg/L)且水質(zhì)波動(dòng)較大的情況下,三效蒸發(fā)系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行,母液不宜回流至三效系統(tǒng)。
4)為控制三效分離器壓力穩(wěn)定在12.3kPa(絕對(duì)壓力),宜設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥,以保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。(來源:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司)
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