新型低溫常壓蒸發結晶工藝模擬研究

陳 飛，江 郡，劉 豐

（江蘇中圣高科技產業有限公司，江蘇南京 210009）

近年來，隨著國家環保政策逐漸趨嚴收緊，各級地方政府環保部門加強了對企業外排工業廢水的管控，體現在不斷提高廢水污染物排放濃度限值，除此之外還設立了諸如廢水鹽分含量等新增控制指標。如上海市執行的《污水綜合排放標準》中，明確指出外排廢水溶解性總固體限值為2 000mg/L。相關研究也顯示鹽分對于生態環境及水生動植物生存均有潛在威脅。因此，對含鹽廢水實施近零排放處置具有重要意義且勢在必行，常規處理工藝包含預處理、膜濃縮和蒸發結晶。其中實現末端液固分離的蒸發結晶工藝段是關鍵點，涉及的技術有多效和MVR蒸發結晶等，已廣泛應用于煤化工、電廠、多晶硅等行業。

1 新型低溫常壓蒸發結晶技術

為解決傳統蒸發結晶工藝易造成的設備管路結垢、堵鹽等問題，開發出一種新型低溫常壓蒸發結晶技術。它基于的工作原理是空氣攜濕能力隨溫度變化而變化，其傳質動力來源于不同溫度下飽和蒸氣壓差異。其較低操作溫度條件可避免廢水中低沸點物質在蒸發濃縮過程中逸出，從而影響二次蒸汽品質。同時可利用富余的低壓蒸汽和高溫熱水等廢熱作為熱源，能耗可進一步降低。它無需配備真空設備以及維持系統高密封性要求，降低了系統制造和操作難度。

具體工藝路線為含鹽廢水經過預處理除去懸浮物后，由預熱器加熱至40~80℃，經由噴淋系統在蒸發設備中從上往下均勻噴灑，冷空氣由蒸發設備側底部鼓入，與下行廢水霧化液滴進行直接接觸傳熱，廢水以水蒸氣形式由熱空氣帶出，熱濕空氣在冷凝設備中釋放出凝結水，再經過后處理達到生活或工業再生回用水要求，濕冷空氣由冷凝設備頂部排出。蒸發設備內的廢水不斷濃縮至工藝要求后排出系統，運行過程有一股濃液打循環操作。該技術工藝現已在垃圾滲濾液、電鍍廢水近零排放處理領域有小規模示范性 應用。

2 工藝流程模擬

2.1 模型簡化與建立

利用Aspen軟件對新型低溫常壓蒸發結晶工藝過程進行基于物料衡算和熱量衡算的模擬研究工作。首先根據工藝流程及特點，進行必要簡化并優化后，確定整體工藝的模擬流程如圖1所示。

圖1 新型低溫常壓蒸發結晶工藝Aspen流程模擬簡化圖

在此基礎上，確定模擬流程中涉及的單元設備所采用的模塊類型。即廢水預熱和熱濕空氣冷凝使用換熱器模塊（HEATER），循環廢水與進料液混合使用混合器模塊（MIXER），蒸發塔和冷凝塔使用閃蒸模塊（FLASH2），蒸發塔底部濃液打循環與排濃分股使用物流分割模塊（FSPLIT）。

2.2 參數設置與計算

首先對整體模擬流程進行全局參數設定，之后再進行組分的正確輸入。使用軟件自帶電解質向導輔助生成可能發生的各種電離反應以及電離反應生成的各種電解質組分。再對物性模型進行選擇，物性模型選擇正確與否對平衡計算和性質計算結果的準確程度起著至關重要的作用。根據該工藝特點，確定采用ELECNRTL物性模型，再對研究范圍內的基礎物流參數和模塊參數進行初始賦值和迭代收斂計算。

2.3 結果輸出

在完成模擬數據的輸入基礎上，對此工藝模擬過程進行嚴格的物料衡算和能量衡算。確定模擬的基準條件為廢水進料量2 000kg/h，進料溫度25℃，NaCl質量分數2%，空氣溫度25℃，濕度30%，輸出結果中物料平衡數據如表1所示。

表1 物料衡算結果

由表1可知，在基準條件下系統攜濕水量為1771kg/h，其中一部分作為濕冷空氣攜濕外排（AIROUT），另一部分作為冷凝回收水（WATEROUT），其占攜濕總水量的79%。排濃（SALTOUT）流量為229kg/h，料液濃度為17.6%，料液濃縮8.8倍。再分別以進料流量，鹽分種類，鹽水濃度，空氣濕度為考察對象，改變初始輸入值，模擬計算得到相應結果。

3 討論與分析

3.1 進料流量影響

如圖2所示，隨著進料流量增加，低溫常壓蒸發結晶系統攜濕水量增加，相應的預熱器負荷也增加。由于進料流量增加，進蒸發塔料液溫度不變，預熱負荷增加。進入蒸發塔內料液攜帶總熱量增加，而進入蒸發塔內空氣量、濕度和溫度不變的情況下，被料液接觸換熱后，空氣被加熱升溫得越高，即出蒸發塔攜濕空氣溫度增加，故最終呈現出系統攜濕水量增加。

圖2 預熱負荷和攜濕水量隨進料流量變化

3.2 鹽分種類影響

如圖3所示，改變進料含鹽廢水鹽分種類，對低溫常壓蒸發結晶系統的攜濕水量是有影響的。模擬計算中選取了常見的鹽分種類，如NaCl、NH4Cl、Na2SO4和（NH4）2SO4。結果顯示，系統攜濕水量和預熱負荷由大到小依次為：Na2SO4>（NH4）2SO4> NH4Cl>NaCl。針對不同鹽分種類的含鹽廢水，水分子的逃逸能力與電解質離子之間的強度有關系。電解質離子強度越大，離子之間相互作用力越強，其對水分子的拉拽力越小，則水分子更容易被空氣攜帶出。另外，水分子逃逸能力還受水中銨根離子水解作用的影響，最終表現為含硫酸鈉鹽水系統攜濕水量最大。

圖3 預熱負荷和攜濕水量隨鹽水成分變化

3.3 鹽水濃度影響

如圖4所示，隨著進料含鹽廢水濃度增加，低溫常壓蒸發結晶系統攜濕水量減小，相應的預熱器所需負荷也減小。含鹽廢水會導致飽和蒸氣壓減小，且隨著鹽度增加其減小的幅度越大。即含鹽廢水從溶液體系因相平衡逃逸出的水蒸氣量小于純水逃逸出的水蒸氣量，故隨著含鹽廢水濃度增加，體系對水蒸氣的拖拽力越大，從溶液逃逸出的水蒸氣量越小，最終呈現出系統攜濕水量越小。

圖4 預熱負荷和攜濕水量隨進料廢水濃度變化

3.4 空氣濕度影響

如圖5所示，隨著鼓入蒸發塔空氣濕度的增加，低溫常壓蒸發結晶系統攜濕水量減小，相應的預熱器所需負荷也減小。空氣濕度的增加，即單位質量空氣自身攜帶水量增加。在蒸發塔進出空氣溫度保持不變的情況下，出蒸發塔空氣攜濕總水量是一定值。若空氣自身攜帶水量多，則從進料廢水中攜走的水量就會減少，最終呈現出系統攜濕能力下降。由于空氣從廢水中攜走的水量需要經過預熱器的加熱升溫，故預熱負荷隨攜濕能力的下降而減小。

圖5 預熱負荷和攜濕水量隨空氣濕度變化

3.5 能耗估算

低溫常壓蒸發結晶系統運行在不考慮低溫廢熱源能耗前提下，主要來自系統裝置中的風機和料液循環泵的電耗。以基準條件為參考，即進料量2 000kg/h， 進料溫度25℃，NaCl質量分數2%，循環泵流量140t/h，風機風量20 000m3(標)/h，空氣溫度25℃，濕度30%，風機能耗12~18kWh，料液循環泵能耗8~12kWh，折合噸水能耗10~15kWh。較之MVR蒸發技術，其噸水能耗在25~35kWh，具有一定優勢。但低品位熱源是否不計入運行能耗成本，還需視項目所在地副產多余低品位熱能實際情況而定。

4 結論與展望

1）新型低溫常壓蒸發結晶工藝決定系統蒸發能力的關鍵因素是空氣量和預熱溫度，并受空氣濕度、料液含鹽種類、進料量和進料液濃度等因素影響。其他工藝條件保持不變，空氣濕度越大，系統攜濕水量越小；總進料量越大，系統攜濕水量越大；進料濃度越大，系統攜濕水量越小。廢水含鹽種類不同，系統攜濕水量不同，由大到小依次為硫酸鈉、硫酸銨、氯化銨、氯化鈉。系統攜濕水量越大，預熱器的預熱負荷越大。

2）不考慮工藝系統過程中所需低品位熱能消耗，采用新型低溫常壓蒸發結晶技術，基準條件下噸水能耗10~15kWh，相較于其他節能蒸發技術，具有一定優勢。但廢熱是否計入運行成本，還得具體依賴于項目自身特征。若項目副產廢熱且滿足自身供暖或外售后還有富余，可不計入成本，此時運用該技術具有顯著經濟性。

3）該技術工藝的實現對于所處自然環境條件依賴性較大，基于空氣的攜濕能力，若項目所在地空氣濕度常年較高，則蒸發處理能力降低，噸水能耗增加。若項目所在地空氣濕度隨季節變化較大，如江浙地區梅雨季節濕度可達70%~80%，不利于系統穩定運行，設備后期維護難度較大。