電鍍廢水零排放工藝的蒸發(fā)器設計與應用

區(qū)瑞錕

（廣東益諾歐環(huán)保股份有限公司，廣東 廣州 510000）

電鍍廢水指電鍍生產(chǎn)過程中排放的各種廢水，一般根據(jù)廢水所含污染物或重金屬的種類分為酸堿廢水、含氰廢水、含鉻廢水、含鎳廢水、含鎘廢水、含銅廢水、含鋅廢水、混合廢水等[1]。為解決電鍍廢水排放帶來的環(huán)保問題，越來越多的電鍍園區(qū)和企業(yè)采用電鍍廢水零排放工藝，實現(xiàn)廢水的循環(huán)回用[2-5]。在電鍍廢水零排放工藝中，蒸發(fā)器是必不可少的，也是決定電鍍廢水能否實現(xiàn)零排放的重要因素。

1 電鍍廢水零排放工藝概述

電鍍廢水零排放系統(tǒng)一般包括預處理系統(tǒng)、綜合處理系統(tǒng)、膜系統(tǒng)和蒸發(fā)系統(tǒng)四大部分。預處理系統(tǒng)應遵循分類收集、分質(zhì)處理的原則，如酸堿廢水一般采用中和法，含氰廢水采用堿性氯化法，含鉻廢水采用亞硫酸鹽還原法，含鎳廢水、含鎘廢水、含銅廢水、含鋅廢水、混合廢水等則采用化學沉淀法或者離子交換法進行預處理[6]。經(jīng)分類預處理后，使各類廢水中的一類污染物達到GB 21900-2008《電鍍污染物排放標準》中“表3”的限值要求，一并進入綜合處理系統(tǒng)，采用深度物化處理、生化處理等技術(shù)進一步去除有機物、氨氮、總氮等污染物，使出水達到膜系統(tǒng)的進水要求，再采用多級、多段組合膜工藝對廢水進行濃縮減量處理。高鹽度的膜系統(tǒng)濃水送至蒸發(fā)系統(tǒng)進行蒸發(fā)結(jié)晶處理，一方面產(chǎn)出結(jié)晶鹽，另一方面得到達到回用水質(zhì)要求的膜系統(tǒng)產(chǎn)水和蒸發(fā)冷凝水，全部循環(huán)回用于生產(chǎn)，從而最終實現(xiàn)電鍍廢水零排放。

2 蒸發(fā)器的組成及設計要點

2.1 蒸發(fā)系統(tǒng)的組成

目前電鍍廢水零排放工藝的蒸發(fā)器一般采用多效蒸發(fā)或者機械蒸汽再壓縮(MVR)蒸發(fā)器，其中MVR 蒸發(fā)器因為相對節(jié)能、運行費用低、自動化程度高等優(yōu)點而在廢水零排放中得到更為廣泛的應用。

MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)一般由預熱器、強制循環(huán)加熱器、結(jié)晶分離器、蒸汽壓縮機、離心機、泵組、儲罐、自動控制系統(tǒng)等組成，其應用在電鍍廢水零排放工程中的典型工藝流程如圖1 所示。濃水經(jīng)進料泵提升、預熱器預熱后進入強制循環(huán)加熱器，在其中被蒸汽加熱后進入結(jié)晶分離器沸騰汽化，并氣液分離。分離后的濃水在強制循環(huán)泵的作用下再次進入強制循環(huán)加熱器中循環(huán)濃縮，直至達到過飽和狀態(tài)而析出結(jié)晶鹽。含有結(jié)晶鹽的濃水經(jīng)出料泵出料，送至稠厚器進一步增濃。然后進入離心機離心分離得到結(jié)晶鹽，離心母液則經(jīng)母液罐、母液泵重新回到結(jié)晶分離器繼續(xù)濃縮結(jié)晶。結(jié)晶分離器產(chǎn)生的二次蒸汽進入蒸汽壓縮機，經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮后其溫度和焓值提高，然后重新回到強制循環(huán)加熱器用作加熱蒸汽，以達到重復利用和節(jié)能的目的。加熱蒸汽在強制循環(huán)加熱器中釋放潛熱加熱濃水的同時，本身被冷凝，并自流進入冷凝水罐。蒸發(fā)冷凝水經(jīng)冷凝水泵提升，送至預熱器回收熱量后作為回用水回用到生產(chǎn)中。

圖1 電鍍廢水零排放的典型蒸發(fā)工藝流程Figure 1 Typical process flow of evaporation for zero discharge of electroplating wastewater

在工程實踐中，若膜系統(tǒng)濃水的鹽濃度較低，則在進入強制循環(huán)加熱器和結(jié)晶分離器前，采用蒸發(fā)效率更高的降膜蒸發(fā)器、升膜蒸發(fā)器、板式蒸發(fā)器等進行預濃縮，可以進一步降低蒸發(fā)系統(tǒng)的整體投資和運行能耗。

2.2 強制循環(huán)加熱器的設計

電鍍廢水零排放工藝中，強制循環(huán)加熱器一般采用管殼式換熱器，其傳熱面積A根據(jù)傳熱速率方程[7]計算：A=Q/(K·Δtm)。該式中的Q為熱負荷，可通過對加熱器作熱量衡算求得。當忽略加熱器熱損失時，Q為加熱蒸汽冷凝放出的熱量。而K為總傳熱系數(shù)，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗一般可在800 ～ 1 200 W/(m2·°C)范圍內(nèi)選取；Δtm為傳熱的有效溫差，是加熱蒸汽溫度與操作條件下物料沸點的差值。在蒸發(fā)器設計中，物料的沸點是基礎數(shù)據(jù)，物料的沸點升高一般與溶質(zhì)的類別、組成、操作壓強、靜壓強、管路流動阻力等有關，當電鍍廢水主要含硫酸鈉和氯化鈉時，沸點一般升高4 ～ 10 °C。在確定強制循環(huán)加熱器傳熱面積之后，選定加熱管的外徑do和管長l即可計算加熱管的數(shù)量n，即：n=A/(πdol)。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，do通常為0.025 ～ 0.032 m；l通常為6 ～ 8 m，最長達12 m 以上。電鍍廢水零排放工藝中的加熱器大多采用正三角形方式排列，其筒體直徑D可以根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算并圓整：D= 1.6don0.5。

在強制循環(huán)加熱器的結(jié)構(gòu)設計中，要特別注意殼程兩個管口的設置。一是加熱蒸汽進口，需要設置防沖板或者蒸汽導流筒，以減少加熱蒸汽對加熱管的沖擊；二是不凝氣排放口，應設置在蒸汽流動方向的末端，遠離加熱蒸汽進口的位置，以便更能有效排放不凝氣。強制循環(huán)加熱器還可以采用雙加熱室的設計[8]，降低蒸發(fā)系統(tǒng)的運行能耗。

2.3 結(jié)晶分離器的設計

結(jié)晶分離器的設計主要是確定分離器筒體直徑和氣相空間的高度。分離器的筒體直徑D"可根據(jù)分離器內(nèi)二次蒸汽體積流量Vg以及二次蒸汽流速ug來計算并圓整，即：D"= 1.128(Vg/ug)0.5。ug與分離器內(nèi)物料密度ρl及二次蒸汽密度ρg有關，在電鍍廢水零排放工藝中可按以下經(jīng)驗公式估算：ug= 0.03(ρl-ρg)0.5/ρg0.5。分離器的氣相空間高度是指分離器物料液面上方氣液分離的有效高度，可以根據(jù)允許蒸發(fā)體積強度[建議取值1.1 ～ 1.5 m3/(m3·s)]進行計算，通常為1.5 ～ 3.0 m。

結(jié)晶分離器頂部設置除沫器，可以提高蒸發(fā)冷凝水的水質(zhì)，常用的除沫器有折流板除沫器、絲網(wǎng)除沫器等。結(jié)晶分離器的進料方式主要有切向進料、徑向進料和軸向進料3 種，在電鍍廢水零排放工藝中推薦使用軸向進料方式。

2.4 強制循環(huán)泵的選型設計

蒸發(fā)系統(tǒng)的強制循環(huán)泵采用大流量、低揚程的軸流泵。循環(huán)泵的流量V根據(jù)強制循環(huán)加熱器加熱管的截面積及加熱管內(nèi)物料流速u來計算，即：V= 0.25πdi2nu。式中，di為加熱管的內(nèi)徑；u一般為1.5 ～2.5 m/s。循環(huán)泵的揚程H根據(jù)伯努利方程計算，一般介于3 ～ 5 m 之間。循環(huán)泵的功率N與循環(huán)泵的流量、揚程、物料密度以及泵效率η有關，可以通過以下公式核算：N=V·H·ρl/(102η)[7]。在強制循環(huán)泵的實際應用過程中，必須避免產(chǎn)生汽蝕。當強制循環(huán)泵發(fā)生汽蝕時，電流會突然升高，并伴隨強烈的噪音和振動，對葉輪和泵體產(chǎn)生嚴重破壞。在選型設計時，應降低循環(huán)泵的汽蝕余量，同時提高蒸發(fā)裝置的汽蝕余量，保證兩者有0.5 m 以上差值的安全裕量。

2.5 蒸汽壓縮機的選型設計

蒸汽壓縮機是MVR 蒸發(fā)器的核心設備之一，目前在零排放工藝中廣泛應用的主要有：羅茨壓縮機、普通離心蒸汽壓縮機和單級高速離心壓縮機。羅茨壓縮機轉(zhuǎn)速較低，通常在750 ～ 1 650 r/min，運行穩(wěn)定性較好，溫升可達22 ～ 25 °C，機組結(jié)構(gòu)簡單，但絕熱效率較低，且單臺設備處理量偏小，一般限制蒸發(fā)量在5 t/h 以內(nèi)。普通離心蒸汽壓縮機一般轉(zhuǎn)速為6 000 ～ 9 500 r/min，運行穩(wěn)定性好，溫升范圍6 ～ 9 °C，在電鍍廢水零排放工藝中常常2 臺串聯(lián)使用。單級高速離心壓縮機轉(zhuǎn)速可高達33 000 r/min，溫升可達到20 ～ 24 °C，但機組控制相對復雜。普通離心蒸汽壓縮機和單級高速離心壓縮機均屬于恒壓式壓縮機，效率高，設備處理量大，推薦在蒸發(fā)量3 t/h 以上的蒸發(fā)器中使用，使用時需做好流量、溫度、壓力、振動等的監(jiān)測和控制，同時應充分考慮發(fā)生喘振工況的預防和保護措施[9]。

蒸汽壓縮機選型時需要提供的基本設計參數(shù)包括處理量、進口壓力、進口溫度、壓縮機溫升、材質(zhì)等。在電鍍廢水零排放蒸發(fā)系統(tǒng)中，壓縮機溫升一般為16 ～ 20 °C，進口溫度取決于蒸發(fā)器設計溫度，80 ～95 °C 之間為宜。采用羅茨壓縮機或普通離心蒸汽壓縮機時，過流材質(zhì)優(yōu)先選用雙相不銹鋼；采用單級高速離心壓縮機時，葉輪材質(zhì)建議采用鈦合金。

3 電鍍廢水蒸發(fā)器的應用案例

3.1 案例概況

某衛(wèi)浴公司配套的電鍍車間產(chǎn)生前處理廢水、含氰廢水、含鉻廢水、含銅廢水、含鎳廢水、混合廢水、綜合廢水、高有機廢水、強酸性廢水等9 類廢水，總水量為800 m3/d，各類廢水經(jīng)分類預處理、A/OMBR(厭氧/好氧-膜生物反應器)生化處理、膜濃縮處理后進入零排放蒸發(fā)系統(tǒng)。本項目的蒸發(fā)器設計水量為43 m3/d，進水水質(zhì)為：pH 6 ～ 9，總?cè)芙庑怨腆w66 168 mg/L，氯離子28 090 mg/L，硫酸根13 400 mg/L，總硬度45 mg/L，化學需氧量638 mg/L。

3.2 技術(shù)參數(shù)

本項目采用MVR 蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器進水含鹽量較低，因此首先設計降膜蒸發(fā)器進行蒸發(fā)濃縮，然后采用強制循環(huán)蒸發(fā)器進行蒸發(fā)結(jié)晶。主要設備及技術(shù)參數(shù)設計見表1。

3.3 運行效果

本項目蒸發(fā)器設計合理、高效，已穩(wěn)定運行2 年。電鍍廢水經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)結(jié)晶處理后，產(chǎn)出結(jié)晶鹽約3 t/d 及蒸發(fā)冷凝水約41 m3/d。蒸發(fā)冷凝水的水質(zhì)穩(wěn)定(見表2)，且優(yōu)于業(yè)主的回用水水質(zhì)要求，作為工藝用水全部回用于生產(chǎn)。本項目蒸發(fā)器的運行成本攤分至整個電鍍廢水零排放工程中為3.0 ～ 3.5 元/t。

4 結(jié)語

蒸發(fā)器是電鍍廢水零排放工藝中的關鍵設備，通過蒸發(fā)器的合理配置和設計，可以穩(wěn)定實現(xiàn)廢水的蒸干處理，達到廢水零排放的目的。目前大多數(shù)電鍍廢水零排放工程都沒有對廢水里面的鹽進行分質(zhì)結(jié)晶，因此蒸發(fā)器產(chǎn)出的結(jié)晶鹽為硫酸鈉、氯化鈉等的混合雜鹽，通常還需要委外處理。在電鍍廢水零排放工藝的推廣過程中，應該在對傳統(tǒng)污染物分類收集、分質(zhì)處理的基礎上進一步關注廢水里的鹽組分，推廣分鹽蒸發(fā)結(jié)晶，以實現(xiàn)水和鹽的同步資源化。

表1 蒸發(fā)器的主要設備及技術(shù)參數(shù)Table 1 Units of the evaporator and their technical parameters

表2 蒸發(fā)器出水水質(zhì)Table 2 Water quality of the effluent from the evaporator