廢水MVR蒸發結晶中分鹽的工藝分析

劉金勇，李 林

(山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250100)

高鹽廢水直接蒸發結晶，得到是雜鹽結晶產品。如果廢水中含有的鹽主要有兩種，比如氯化鈉和硫酸鈉，可考慮通過分鹽工藝，得到兩種結晶鹽產品。目前主要存在兩種分鹽工藝：膜法(納濾)分鹽和熱法分鹽[1]。

熱法分鹽是根據氯化鈉和硫酸鈉在不同溫度下溶解度的差異，結合相圖，直接通過蒸發結晶方式，使大部分氯化鈉和硫酸鈉分別結晶出來。熱法分鹽優勢是工藝簡單，運行可靠性強，投資和運行成本低，不足之處是結晶鹽品質略低，最終產品鹽純度受來料影響明顯[3]。

高鹽廢水進入蒸發前，大都經過預處理，進入蒸發的水雜質較少，故熱法分鹽得到廣泛采用。在蒸發設備選擇上，當沸點升較低(小于10℃)時，MVR壓縮機功率比四效蒸發蒸汽火用具有明顯的優勢，固在蒸發沸點升較低的溶液時，機械蒸汽再壓縮工藝有優勢[4]。

本文主要是通過某一含鹽廢水實例，進行MVR蒸發結晶分鹽的工藝設計。

1 氯化鈉和硫酸鈉的三相共飽和點

利用硫酸鈉和氯化鈉具有不同的溶解度特性，設計成一封閉式循環系統，氯化鈉和硫酸鈉分別在該系統的兩個蒸發工序中結晶析出。在硫酸鈉蒸發結晶工序中析出硫酸鈉晶體，并使氯化鈉不斷濃縮。在氯化鈉蒸發結晶工序中，使來自硫酸鈉蒸發工序的接近飽和的富含氯化鈉的制硝母液蒸發結晶析出氯化鈉晶體，與此同時制鹽母液中硫酸鈉含量上升但不結晶析出。

從相關設計手冊，得到硫酸鈉、氯化鈉在不同溫度下溶解度，并根據文獻[5]中相圖數據，換算成三相共飽和時的溶解度，匯總在表1中。

表1 硫酸鈉、氯化鈉以及三相共飽和時不同溫度下的溶解度(g/100g水)

根據MVR的蒸發原理，溫度設計上既要保證氯化鈉和硫酸鈉溶解度有一定的差異，而且溫度不要太低，以避免壓縮機進口氣體體積較大，增大投資費用。故本文中在硫酸鈉蒸發時選取90℃，在氯化鈉蒸發時選取60℃。

2 分鹽的物料平衡

當為了提高回收率，會有一部分母液循環量，并可根據進料含量的變化，可通過系統參數的驗算來確定母液循環量的調節范圍[6]。

選取一種典型的含兩種鹽的廢水，以5000kg/h的進料，按含氯化鈉8%，硫酸鈉4%設計。

當設計為直接蒸發分離出雜鹽時，需要設計蒸發的水量為4400kg/h。

當設計為分鹽時，先在90℃分離出硫酸鈉鹽，再60℃分離出氯化鈉鹽，兩套蒸發裝置蒸發水量分別為3540kg/h和860kg/h。具體如圖1所示。

圖1 分鹽工藝的物料平衡圖

其中各管段的物料組成如表2所示。

地源熱泵空調系統(也習慣稱為地源熱泵或地源熱泵系統)是一種通過利用地下巖土層中存在的淺層地熱能，為商業、公共和住宅建筑夏季制冷、冬季供暖的環保能源利用系統。它是一個總稱，包括了土壤耦合熱泵系統、地下埋管換熱器地源熱泵系統、地下水熱泵系統、地表水熱泵系統等[1]。該項研究針對的是地下水熱泵系統進行的研究。地下水源熱泵系統本身是一個復雜的系統，其能效比等級的預測屬于神經網絡非線性擬合應用的領域[2]。由于傳統的建模方法很難有效地解決系統非線性這個特點而產生的問題，所以利用神經網絡的非線性特點對現實生活中因非線性而造成的問題很好地進行模擬。

循環量的增加在提高回收率的同時，也增加了運行的能耗。同時在高含鹽量條件下，鹽的溶解度受到其他離子的影響，溶解度會改變，甚至形成較難析出的共混鹽，從而降低硫酸鈉和氯化鈉的純度。這時可以通過外排一部分母液或者產生雜鹽的方式，來降低循環量，并來提高產品品質。

表2 各管段的物料組成數據

3 MVR工藝對比分析

在三相共飽和時氯化鈉的含量比較高，根據文獻[7]，本文取沸點升8℃，壓縮機溫升設計取15℃，據此經過工藝計算，將熱法分鹽的工藝與雜鹽工藝的MVR進行對比，分析結果如表3所示。

表3 熱法分鹽的工藝與雜鹽工藝的MVR對比

實際上分鹽工藝中，當過料量從90℃進入60℃的環境中，會閃蒸出一部分蒸汽，氯化鈉的MVR的進氣量實際上并沒有以上設計的體積流量大。

在氯化鈉蒸發中，雖然進口壓力比較低，氣體密度比較低，但由于需要蒸發的水量畢竟較少，故在選型上還是比硫酸鈉的壓縮機要小一些。

同時在消耗功率上雖然壓比比較高，但升壓還是較低，故氯化鈉選型功率還是比較小的。分鹽的兩臺壓縮機選型上功率之和為275 kW，僅比單臺產雜鹽的壓縮機功率250kW，僅多10%，能耗增大得不是很多。

4 結論與展望

(1)完全可以根據氯化鈉和硫酸鈉三相共飽和點的在不同溫度下差異，進行分鹽結晶，這對其它的分鹽過程同樣適用。

(2)在分鹽設計上，存在循環物料以提高鹽的回收率，在實際生產中可能會通過外排一部分雜鹽的方式，減少循環量，并提高產品品質。

(3)分鹽的兩臺的蒸汽壓縮機總功率與單臺蒸汽壓縮機的總功率相近，在壓縮機能耗上比產雜鹽的能耗增加不大。

(4)MVR蒸發結晶分鹽完全是可行的，主要增大的能耗還是在循環量上。具體做經濟分析，還有從投資和產品出路上進行分析。