MVR 晶種法蒸發(fā)技術(shù)在電解鋁廠脫硫廢水零排放中的應(yīng)用

王銀河，丁曉麗，毛 霖，秦福初，楊 洋

1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200

2.國(guó)家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122

我國(guó)鋁工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在工藝技術(shù)、設(shè)備裝備等方面取得很大進(jìn)步，一躍成為世界第一產(chǎn)鋁大國(guó)，2019 年年產(chǎn)電解鋁約3570 萬t[1]。但是，隨之而來的是鋁業(yè)生產(chǎn)帶來的污染物排放總量的增加。電解鋁生產(chǎn)過程中散發(fā)的煙氣中含有大量的污染物，包括氟化物、粉塵、瀝青煙（低濃度）和SO2等。煙氣中的SO2主要來自電解槽生產(chǎn)原料預(yù)焙陽極，在電解槽內(nèi)的高溫環(huán)境下，陽極炭塊中的硫氧化成SO2進(jìn)入電解煙氣[2]。目前，石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)是控制煙氣中污染物最有效的技術(shù)之一，能夠有效降低電解鋁煙氣中的氟化物、粉塵和SO2等污染物的排放，該技術(shù)的市場(chǎng)占有率達(dá)85%以上，是目前世界上應(yīng)用范圍最廣、工藝技術(shù)最成熟的脫硫技術(shù)[3]。為了維持石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低脫硫系統(tǒng)材料的腐蝕及維持硫酸鈣的結(jié)晶速度和脫硫效率，脫硫系統(tǒng)的氯離子濃度一般維持在12000 ～20000mg/L。為控制循環(huán)漿液中氯離子濃度，需要排出一部分廢水以帶走系統(tǒng)中的部分氯離子，排出的廢水即為脫硫廢水。脫硫廢水具有水質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境污染大、處理難度大和處理成本高的特點(diǎn)，為了保護(hù)環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行零排放處理已成為電解鋁廠迫切需要解決的問題。

1 脫硫廢水零排放技術(shù)

1.1 電解鋁廠煙氣條件

以內(nèi)蒙古某鋁電公司為例，采用560 臺(tái)300kA 預(yù)焙陽極電解槽，生產(chǎn)規(guī)模480kt/a，該廠煙氣系統(tǒng)參數(shù)包括溫度：85℃；煙氣量：2500000Nm3/h；O2：0.82%～1%；CO2：0.68% ～1.01%；O2：20% ～21%；H2O：0.8% ～1%；HF：3mg/Nm3；煙塵：20mg/Nm3

1.2 脫硫廢水的水質(zhì)特點(diǎn)

1.3 脫硫廢水零排放

脫硫廢水零排放技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有眾多應(yīng)用案例，威立雅HPD、GE、阿奎特等國(guó)際廢水零排放技術(shù)領(lǐng)先的公司已在國(guó)外開展多項(xiàng)廢水零排放業(yè)務(wù)，在國(guó)外已有12 個(gè)以上的應(yīng)用案例，分別位于意大利、美國(guó)、丹麥和日本等。國(guó)內(nèi)脫硫廢水零排放是近年來發(fā)展起來的新方向，各大發(fā)電集團(tuán)都積極部署廢水零排放項(xiàng)目，主要有長(zhǎng)興電廠、河源電廠、三水恒益電廠、漢川電廠、通遼總廠等燃煤電廠脫硫廢水零排放示范項(xiàng)目。通過總結(jié)已有案例，脫硫廢水零排放的處理方式可分為膜法濃縮，煙氣余熱濃縮，多效蒸發(fā)和MVR晶種法蒸發(fā)四大類。

電解鋁廠具有煙氣量小、煙氣溫度低的特點(diǎn)，不具備煙氣余熱濃縮蒸發(fā)的條件；與燃煤電廠不同，電解鋁廠沒有蒸汽，不適合采用多效蒸發(fā)方式；電解鋁廠的脫硫廢水硬度高，F(xiàn)-含量高，如采用膜法濃縮，需要增加軟化和除氟工藝，工藝流程長(zhǎng)，成本高；綜上所述，采用MVR 晶種法蒸發(fā)是最適合電解鋁廠脫硫廢水零排放處理的工藝路線。

2 MVR 晶種法廢水零排放技術(shù)

2.1 MVR 晶種法工藝簡(jiǎn)介

機(jī)械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression, MVR）熱泵技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)領(lǐng)域最先進(jìn)、最節(jié)能的技術(shù)之一。MVR 系統(tǒng)在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)的壓縮，提高其溫度和壓力后，返回到蒸發(fā)系統(tǒng)的加熱器內(nèi)，作為熱源加熱蒸發(fā)原溶液，全程除設(shè)備啟動(dòng)蒸汽，只消耗電能，不消耗蒸汽。

晶種法強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝采取“添加晶種+強(qiáng)制循環(huán)”的方式防止?jié)饪s過程中硫酸鈣結(jié)垢，對(duì)原水中鈣鎂硬度沒有要求，不需要化學(xué)軟化。同時(shí)，對(duì)原水中的有機(jī)物等也沒有特殊要求，水質(zhì)波動(dòng)也不影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

MVR 晶種法蒸發(fā)技術(shù)采用兩段式濃縮結(jié)晶工藝。在第一段，采用強(qiáng)制循環(huán)預(yù)濃縮，鹽水在換熱管中高速流動(dòng)，吸收換熱管外蒸汽冷凝所產(chǎn)生的熱量加熱升溫。通過控制管內(nèi)壓力使其低于該溫度下的飽和蒸汽壓力，濃鹽水在管內(nèi)不會(huì)沸騰。強(qiáng)制循環(huán)預(yù)濃縮可以把廢水濃縮到含鹽量為20%以上（接近飽和）。濃縮后的濃縮液體積小，排入第二段結(jié)晶分離器中。進(jìn)入分離室中，由于分離室壓力驟然降低，高溫濃鹽水在此發(fā)生閃蒸，鹽水濃縮，結(jié)晶析出。

采用MVR 晶種法工藝，產(chǎn)水為蒸餾水，水質(zhì)好，TDS ＜ 50mg/L，可以作為系統(tǒng)回用水或者直接排放，水質(zhì)滿足地表四類水要求。

2.2 MVR 晶種法防止結(jié)垢原理

（1）強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器采用外加熱式，廢水在加熱室加熱，在分離室閃蒸，在加熱的過程中廢水無濃度變化，在分離室中閃蒸后濃度增大，因此，CaSO4等晶體會(huì)在分離室析出而避免了晶體在換熱管壁面析出導(dǎo)致?lián)Q熱管結(jié)垢。

（2）硫酸鈣晶種。在分離室中始終具有一定濃度的CaSO4晶種，析出的CaSO4晶體會(huì)優(yōu)先在晶種表面而非換熱管壁面依附生長(zhǎng)，進(jìn)一步避免了換熱管壁面結(jié)垢的可能。

（3）沖刷。采用大流量的強(qiáng)制循環(huán)泵，循環(huán)液在換熱管內(nèi)的高速運(yùn)行，減少結(jié)垢的發(fā)生。同時(shí)循環(huán)液中含有大量的硫酸鈣和結(jié)晶鹽晶體，該晶體會(huì)對(duì)換熱管形成很大的沖刷，從而控制硫酸鈣結(jié)垢。

（4）低溫工況。在70℃低溫情況下操作，新結(jié)晶的硫酸鈣為二水硫酸鈣，石膏為軟垢，不易造成換熱管結(jié)垢。

（5）共結(jié)晶。采用一步法結(jié)晶工藝，硫酸鈣和結(jié)晶鹽同時(shí)結(jié)晶析出。即使結(jié)垢，也是硫酸鈣和結(jié)晶鹽的混合垢，因此只要通入熱水，將結(jié)晶鹽溶解以后，硫酸鈣垢很容易清洗去除，節(jié)省了硫酸鈣清洗化學(xué)藥劑費(fèi)用。

3 結(jié)束語

對(duì)電解鋁廠而言，煙氣溫度低，也沒有足夠的蒸氣來源，MVR 晶種法蒸發(fā)技術(shù)成為廢水零排放的最優(yōu)選擇。由于脫硫廢水中Ca2+和Mg2+濃度較高，為防止蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)垢，可采用MVR 晶種法蒸發(fā)技術(shù)。采用該技術(shù)能有效削減碳酸鈉等價(jià)格較貴的軟化藥劑的投入量，并保證蒸發(fā)器不結(jié)垢，因此適用于電解鋁廠的脫硫廢水零排放技術(shù)。