煤化工高鹽廢水處理多效蒸發裝置的優化運行研究

劉奇杰(內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350)

0 引言

中國能源結構呈現“富煤貧油少氣”的特點。長期以來，中國充分利用煤炭資源作為中國主體能源的優勢，適度發展煤化工，尤其是煤制天然氣、煤制油、煤制烯烴、等新型煤化工。這對保障國家能源安全和實現煤炭資源高效清潔利用具有重要意義。但在加快生態文明建設背景下，如何節約水資源、降低污染排放，實現煤化工廢水“零排放”的意義也越顯重要。煤化工實現廢水“零排放”關鍵在于濃鹽水末端高鹽濃縮廢水的處理。蒸發結晶技術是處理高鹽濃縮廢水比較成熟的技術對多效蒸發裝置的工藝穩定性和節能運行提出了嚴峻考驗。

1 煤化工高鹽廢水的特點

煤化工高鹽廢水呈現水中含鹽量高，鹽種類較多，懸浮固體(SS)和總溶解固體(TDS)高，硬度、 堿度高，污染物濃度高(污染物以無機鹽類和有機污染物為主，其中COD等有機污染物含量通常可達2 000～10 000 mg/L)，成分復雜，處理難度大的特點。

2 多效蒸發工藝技術的應用

大唐克旗公司廢水處理項目濃鹽水處理末端高鹽廢水采用的是三效真空強制循環蒸發結晶工藝技術。高鹽廢水經過預處理除碳除氧后采用逆向進料方式進入各效蒸發罐。蒸發分離器采用斜向進料，濃鹽水依靠密度差和循環泵加壓的作用在蒸發罐內循環，利用氣壓式冷凝器和蒸汽噴射器產生微負壓真空，從而使后一效蒸發器的操作壓力和料液的沸點均低于前一效蒸發器。蒸汽從Ⅰ效進入，利用熱泵技術回抽部分二次蒸汽并減少蒸汽用量，前一效蒸發罐產生的二次蒸汽作為下一效蒸發罐的加熱源。每一效蒸發罐的濃鹽水不斷在罐內吸熱、蒸發、濃縮、結晶，濃縮結晶后的漿液依次通過轉料管排入下一效，最終在Ⅲ效蒸發室內結晶。蒸發裝置產水進入生產水系統回收利用，濃縮漿液經離心機固液分離，鹽泥作固廢處理[1]。

3 影響多效蒸發裝置穩定運行的主要因素及解決措施

3.1 真空度不穩定

真空度是確保多效蒸發裝置穩定運行的關鍵，真空度不僅影響蒸發溫度，也對蒸發強度、能耗比產生影響。影響真空度的主要因素有：不凝氣過多或不能及時排出；氣壓式冷凝器冷卻水量不足，不能及時冷凝二次汽；蒸發系統密封不嚴，存在泄漏。具體解決措施和原因如下：(1)通過調整各效不凝氣和蒸汽噴射器可解決不凝氣過多或不能及時排出的問題。不凝氣多因為料液堿度和含氮氧化物過高，料液進入蒸發罐加熱后釋放大量CO2等氣體，蒸汽噴射器無法將其全部帶出，可以在預處理進水增加脫碳塔裝置，加鹽酸降低料液堿度，再通過除氧器去除料液里的O2等氣體，減少料液加熱后產生的不凝氣。蒸汽夾帶冷凝液或不凝氣也會影響真空度，通過在進蒸發裝置前加強蒸汽排凝和放空，減少蒸汽夾帶冷凝液和不凝氣；(2)通過提高冷卻水量確保二次汽能及時冷凝可解決冷凝器冷卻水量不足的問題。一般上下水溫差控制在6～8 ℃；(3)蒸發氣路系統出現漏點的問題可能因在負壓作用下吸入空氣造成真空度不穩引起，需檢查蒸發氣路系統相關的密封點和設備本體是否出現泄漏現象。

3.2 加熱器結垢和堵管

加熱器管結垢和堵管，嚴重影響蒸發量和運行周期。主要因素及解決措施：(1)進水硬度和堿度過高，通過在預處理加酸降低進料堿度和硬度；(2)轉料或脫鹽不及時，料液濃度過高，使鹽結晶附著在加熱器管束上造成結垢和堵管，通過合理控制轉料和及時脫鹽降低料液濃度，排一部分料液通過加快進料或頂冷凝液的方式稀釋蒸發罐內鹽濃度。

3.3 料液沸騰不正常

料液沸騰不正常的主要因素及解決措施：(1)真空度與料液沸騰點的氣壓不匹配，真空度過高會抑制料液沸騰，影響正常蒸發；真空度過低料液沸騰劇烈，造成霧沫夾帶或飛料，影響產水質量，污染冷卻水。通過視鏡觀察沸騰狀況，合理調整真空度或通過加大補冷料降低料溫使罐內料溫與真空度對應的沸騰點相匹配。(2)料液內含有提高或降低料液沸點的物質，通過不斷累積干擾料液的正常沸騰，通過排料稀釋方式降低該物質濃度使料液沸騰正常。

3.4 加熱室溫差高

蒸發加熱室蒸汽側和料液溫差高，嚴重影響蒸發量。主要因素有：(1)加熱器結垢和堵管比較嚴重，可以用處理結垢堵管的方法解決，或通過在線酸洗消除加熱器結垢和堵管；(2)加熱器殼程(蒸汽側)串入不凝氣較多影響蒸汽換熱，通過開大不凝氣閥門，調節蒸汽噴射器來抽出加熱室殼程的不凝氣[2]。

4 影響多效蒸發鹽結晶和脫鹽量的主要因素及解決措施

4.1 料液溫度的影響及控制

煤化工高鹽廢水中85%以上為氯化鈉。根據氯化鈉晶體生長速率與溶液的過飽和度關系，氯化鈉的結晶過程中，溫度越高，晶體的生長速率越快。因此提高蒸發罐各效(特別是Ⅲ效)料溫對提高晶體的成長速率有著明顯的效果，因而蒸發Ⅲ效料溫控制在50 ℃以上最佳。

4.2 料液過飽和度的影響及控制

蒸發罐內料液的過飽和度是影響鹽結晶的重要因素。根據工業結晶過程基本理論，溶液的過飽和度與結晶的關系為過飽和度越大結晶的生長速率越大，越有利于結晶生長。但過飽和度過大，超越介穩區極限會導致過多的晶核生成，鹽晶粒過小，不利于離心機的固液分離。有效控制料液的過飽和度是實現結晶粒度控制的關鍵。控制過飽和度的方法：(1)合理控制蒸發強度，使料液過飽和度控制在介穩區內，得到較大的鹽晶粒，但控制蒸發強度會對蒸發速率，蒸發處理能力造成影響；(2)向蒸發Ⅲ效和鹽角頂入一部分低濃度料液或冷凝液以溶解鹽漿中的細小鹽粒和部分晶核，降低料液過飽和度。再適當加大上一效轉料量使剩余晶核更好的成長，增大鹽粒度；(3)持續增加蒸發強度和加大上一效轉料量，使料液過飽和度進一步提高到下一個介穩區，使新增的過飽和度能滿足過剩晶核和細鹽粒同時長大，產出大顆粒鹽晶粒，缺點是在由于晶核過多料液粘稠造成加熱器換熱溫差升高，如果脫鹽不及時會加快加熱器結垢和堵管；(4)調整離心機篩骨間隙，盡可能在脫鹽時夾帶小晶粒鹽和部分晶核一并脫出，達到降低過飽和度的目的[3]。

4.3 固液比的影響及控制

增加料液的固液比，會增大結晶面積而增加過飽和度的消耗速率，使料液過飽和度變低，有效的抑制部分初級成核的形成，減少細晶量，增大產品粒度。但固液比太高，將加劇鹽晶體與循環泵、加熱管、循環管壁等的摩擦，晶體間的碰撞機會增多，從而產生更多二次晶核，影響鹽粒度。由于固液比過高或過低都不能得到較好的鹽粒度，建議I效II效固液比不要控制過高，根據換熱溫差合理控制各效的轉料量，Ⅲ效固液比控制在20%左右最佳。

4.4 停留時間的影響及控制

晶體在介穩區的停留時間越長，晶體生長的時間越長，晶體粒度越大。大顆粒鹽的生成必須有足夠的生長時間。但停留時間過長，也會增加結晶鹽的二次成核的數量，因而達不到生產大顆粒鹽的目的。操作過程中要合理控制各效轉料及時觀察鹽角視鏡，視鏡出現較大顆粒鹽時及時啟動離心機進行脫鹽，根據蒸發強度和進料濃度合理控制停留時間，既不能操之過急，也不能延誤脫鹽最佳時機，需要加強蒸發脫鹽管控。

4.5 強制循環速度的影響及控制

在蒸發操作中，選擇適宜的循環速度對結晶鹽的粒度控制是關鍵，如果流速較低，會增大循環料液的過熱度，從而增大料液的過飽和度，導致晶核數增多，不利于晶粒的長大。但如果循環速度過快而增大了晶體相互碰撞以及與器壁和葉輪撞擊的力度和幾率，容易造成晶粒破碎，產生大量二次晶核，使得鹽顆粒過細，影響產品質量。循環速度的大小對鹽結晶粒度影響很大，通過增加變頻電機可以調節循環速度，以便找出適宜的循環速度[4]。

4.6 雜鹽和有機污染物濃度的影響及控制

難析出雜鹽和COD等有機污染物經過長時間濃縮積累干擾無機鹽結晶，同時將造成各效料液粘稠，加快加熱器結垢和堵管。通過定期排母液或倒料頂稀料降低雜鹽和COD的濃度，或調整脫鹽的含水率，從而盡可能通過脫鹽將雜鹽和COD帶出系統。

4.7 離心機的選型和操作控制

離心機的選型很重要，要選擇固液分離效果較好的臥式雙級過濾式離心機，而且離心機的篩骨間隙調整要合理，一般控制1～2 mm左右，確保結晶鹽正常脫出，在操作過程中要注意旋液分離器的使用，含鹽漿液進入離心機前先進行分離，更能保證脫鹽效果。

5 影響運行周期的主要因素及解決措施

影響運行周期的主要因素是加熱室結垢和堵管，通過在線清洗和超聲波除垢技術可以延長運行周期。在線清洗是在蒸發正常運行過程中通過向各效加酸的方法除去加熱器堵管和結構，具有較好的清洗效果。超聲波除垢技術是利用超聲波使料液和傳熱面之間產生振蕩，防止鹽晶體附著在管壁上，同時使沉積在換熱面上的垢層經多次振動后出現微小裂痕而脫離，這種除垢技術是利用鹽垢剛而脆的機械特性進行的，對硬垢的作用極為顯著。

6 多效蒸發節能運行的研究

6.1 降低蒸汽用量

降低蒸汽用量的操作手段：(1)各效產生的冷凝液通過冷凝液預熱器給進蒸發罐的料液預先加熱，達到降低蒸汽用量的目的；(2)利用熱泵把I效產生的部分二次蒸汽回抽至I效加熱室減少蒸汽用量；(3)盡可能降低各效真空度，使各效料液沸騰溫度降低，增大效與效之間的溫度差，使其不小于12 ℃，以保證各效的蒸發強度，達到節約蒸汽使用量的目的[5]。

6.2 減少晶種和消泡劑用量

合理控制結晶過程，可以減少或不投加晶種。合理調節水質，減少消泡劑使用量。

6.3 冷凝液低位熱能利用

各效冷凝液除了給料液預先加熱外，剩余的殘余熱量可以通過換熱器加熱采暖水，充分回收低位熱能，達到進一步節能降耗的目的。