機械蒸汽再壓縮處理高鹽有機廢水進展

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(1.徐州工程學院 化學化工學院，江蘇 徐州 221111；2江蘇藍豐生物化工股份有限公司 環保部，江蘇 徐州 221400)

1 概述

常見處理高鹽廢水的方法有化學法、生物法和物理法。化學法有離子交換、電解和微電解、高級氧化等。鄭常春[11]等報道各種高級氧化技術的投資成本低，但是運行成本普遍較高。生物法有好氧法和厭氧法。施帥帥[12]等的研究發現當鹽度增大時，生物法處理時會出現問題：處理時間加長，去除率明顯下降。物理法[13]有膜分離和蒸發，膜分離成本較高，目前應用廣泛的脫鹽技術是蒸發。機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)是最新節能型的技術，自世界能源危機以來越來越受重視。2007年MVR技術引入中國后，已被廣泛應用于乳品行業，食品加工和廢水處理等領域。

本文全面介紹了MVR的原理、設備功能及其在廢水處理中應用的優缺點，與其他綜述文獻不同的是，本文重點比較分析了運行中的技術難點和經濟成本。

2 MVR簡介

2.1 基本原理

MVR技術在1917年由瑞士的的Sulzer-Escher發明，第一臺MVR設備在奧地利被設計安裝。其原理是料液經蒸發器蒸發產生二次蒸汽，經分離器分離后再經壓縮機壓縮，從而提高壓力、升高溫度、增加熱焓，然后作為加熱蒸汽循環使用的技術[14-15]，充分利用了蒸發過程中產生二次蒸汽的冷凝潛熱，從而減少蒸發濃縮過程對外界能源需求[16]。工作原理[17]如圖1所示，蒸發器分離出來的二次蒸汽經壓縮機壓縮后，溫度壓力升高，熱焓增大，然后進入加熱室冷凝并釋放潛熱，受熱的料液得到熱量后汽化產生二次蒸汽經分離后進入壓縮機，重復上述操作，完成液通過結晶罐結晶，最后經離心機偶去除各類鹽。整個過程主要向壓縮機提供電能，省去了蒸汽和冷卻水的能源消耗。

1.蒸發原液；2.冷凝水(冷)；3.冷凝水(熱)；4.壓縮后的二次蒸汽；5.二次蒸汽；6.濃縮液；7.換熱器；8.蒸發加熱室；

9.分離器；10.壓縮機；11.冷凝水泵；12.循環水泵

圖1 MVR的工作原理

2.2 主要設備

MVR的主要設備包括預熱器、蒸汽壓縮機、汽液分離器和蒸汽換熱器等。(1)進入預熱器的待蒸發溶液一般為20～25℃，在預熱器中用列管式換熱器將原料液預加熱，管程內為物料、殼程內為蒸汽，殼程內配有多個折流板，增加擾動強化傳熱，采用強制循環軸流泵做動力，使物料循環蒸發，提高物料的流速以免換熱管結垢。(2)蒸汽壓縮機轉速通常為980rmp～1450rmp為了提高系統內二次蒸汽熱焓，由它壓縮二次蒸汽，持續向系統提供蒸汽。壓縮機有離心式壓縮機和羅茨式壓縮機兩種，離心式壓縮機屬于葉片式風機，適合蒸發量較大但物料沸點升高不大的情況。茨式壓縮機屬于容積式風機，適用于蒸發量較小但沸點升高較大的情況[18]。(3)汽液分離器主要用于將濃縮液體和蒸汽分離，在蒸發中還起到物料沉降和晶體生長的作用。(4)換熱后原液通過進料泵裝入蒸汽換熱器，溫差ΔT≥20℃并且與蒸汽壓縮機產生的蒸汽進行換熱，使其汽化蒸發，換熱器的形式可根據原液的特性選擇[19]。

2.3 優缺點

(1)優點

①系統只有在開車時需要少量蒸汽，當系統穩定運行后可以不需要蒸汽或僅需極少量的蒸汽用以補充熱平衡。整個系統能耗主要是壓縮機的電耗，運行費用大幅下降。

②整個系統只有一個加熱室，不需要冷凝器， 無需冷卻水，節省了設備投資和動力消耗。

③結構簡單，操作容易，占地面積小[20]。

④用電代替蒸汽，節約能源折標煤40%～60%左右[17]。

⑤可用于熱敏物料的蒸發，蒸發產品的結構不易被破壞。

(2)缺點

①機械蒸汽再壓縮整體設備較為昂貴，前期投資比較高，造價約為四效降膜蒸發器的1.8倍[21]。

②整個系統運行受海拔高度影響，在高海拔地區耗電較為嚴重，增加了能耗。

③生產能力不足，蒸發不穩定，出料濃度的干物質含量不穩定[22]。

3 MVR在高鹽有機廢水處理中的應用

3.1 應用目的

3.2 技術問題和解決策略

盡管MVR已經發揮了很好的效果，但是運行中仍有許多技術問題對運行效果有所影響[22]，比如物料物性對MVR的選擇、沸點升高對蒸發的影響、結垢結焦問題等。目前的解決策略報道有：王帥[25]等研究了物料的物性對MVR性能的影響，并根據不同物料的物性對MVR進行選擇，對沸點溫度升高較大的物料，一般采用MVR單效蒸發；高濃度物料需要使用強制循環或刮板蒸發器以防止物料流速太慢而結焦；熱敏性物料要求停留在蒸發器內的時間短，若是蒸發的物料對溫度的高低有相應需求則需考慮蒸發溫度的高低、蒸發器的型式與流程。仲濤[26]等報道，提高蒸發溫度會使物料的沸點升高，從而影響蒸發器設計參數。物料中的少量有機物及鹽導致料液的整體沸點升高，使得在MVR設計中要增加換熱器的換熱面積，而在設計蒸發量不變的情況下，還要增加壓縮機的壓縮比和減少系統總傳熱面積。馬文杰[27]等研究了處理MVR結垢的方法，分類分析垢樣后，選擇了化學除垢法。對碳酸鈣垢用5%～10%的鹽酸加緩蝕劑進行溶解去除；對硫酸鈣垢先用堿處理，再用鹽酸常溫浸泡，除垢率可達100%；對于碳酸鈣和硫酸鈣混合垢，用酸和堿交替處理效果較好；CaSiO3和SiO2等硅酸鹽垢先用火堿溶液煮，1～2天后硅垢變較松軟，再用鹽酸加氟化鈉進行清洗。

3.3 能耗和成本分析

MVR蒸發器以消耗電能為主，主要的運行成本來源于壓縮機耗電，廢水的單位處理量和不同的單位電價對成本也有相應的影響。MVR處理高鹽有機廢水電費和成本如圖2顯示：蒸發一噸水平均耗電范圍為24～50kW·h。方健才[28]報道處理氯化銨廢水，單位處理量為3t/h，年處理時間7200h，結果單位廢水耗電46kW·h/t，折18.45kgce/t水(每kW·h電折0.404kgce)；按照電價為0.6元/kW·h計，每噸廢水成本為29.6元。

葉正茂[29]等報道硫酸銨廢水(氯離子濃度100 000mg/L)處理，單位處理量為50t/h，年處理7920h，結果顯示單位廢水耗電24kW·h/t，折9.70kgce/t水，電價為0.6元/kW·h，每噸水成本為14.4元。

在張向陽[30]報道含硫酸鈉廢水處理，蒸發量為20t/h，單位廢水電量消耗36kW·h/t，折14.38kgce/t水，單位電價為0.75元/kW·h，處理噸水成本為34.72元。

圖中處理氯化銨和硫酸銨廢水單位電價為0.6元/kW·h，處理硫酸鈉廢水的單位電價為0.75元/kW·h

圖2 MVR處理不同廢水單位電耗和成本比較

4 結語

今后的蒸發包括MVR技術和生物處理組合處理將是高鹽度有機廢水的應用方向，著名學者Olivier Lefebvre[31]也提出高鹽有機廢水處理的主要方向將是將物化和生物技術結合。筆者更想指出的是在技術穩定的基礎上進一步降低成本，也是今后機械蒸汽再壓縮處理高鹽有機廢水的發展方向。