1、工程背景概述

煙氣洗滌是危險廢物焚燒系統煙氣凈化的重要工藝環(huán)節，亦是確保煙氣達標排放的必備環(huán)節，由于危險廢物的種類(lèi)繁多、成分復雜，煙氣洗滌產(chǎn)生的高鹽廢水具有雜鹽含量較高的特點(diǎn)，且含有較高的有機污染物，pH偏堿性。該高鹽廢水不適合采用物化或生物處理技術(shù)，反滲透技術(shù)雖可以解決高鹽廢水的減量，但反滲透產(chǎn)生的高含鹽濃縮液的出路更為棘手。

近年來(lái)，隨著(zhù)環(huán)評對污染物排放總量控制日益嚴格，絕大多數危險廢物綜合處理廠(chǎng)執行廢水處理達標后“零”排放，為此，實(shí)現高鹽廢水的高效減量與達標處理迫在眉睫。本研究結合某危廢處理廠(chǎng)的高鹽廢水處理工程，探索多效蒸發(fā)工藝在高鹽廢水處理工藝設計中相關(guān)重要工藝流程的選取與關(guān)鍵參數的取值，以期為類(lèi)似工程提供參考與借鑒。

多效蒸發(fā)是一個(gè)多級串聯(lián)濃縮過(guò)程，其中各效操作參數與單效蒸發(fā)相同，但各效過(guò)程參數相互制約。一般而言，增加效數可以提高蒸發(fā)處理的經(jīng)濟性，但由于存在溫度差損失，效數不可能無(wú)限制地增加。針對無(wú)機鹽溶液的蒸發(fā)，目前一般選擇二~四效蒸發(fā)。

根據多效蒸發(fā)中物料與二次蒸汽的流向不同，多效蒸發(fā)細分為平流、順流和逆流等多種蒸發(fā)工藝。

危廢焚燒系統產(chǎn)生的高鹽廢水總溶解固體（Total Dissolved Solids，TDS）含量較高，且含有一定的雜質(zhì)、懸浮物（Suspended Solids，SS）和CODCr，黏度較大，適合選用逆流式三效蒸發(fā)工藝。

2、工藝流程與設計參數

多效蒸發(fā)工藝計算遵循物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計算內容包括加熱蒸汽（生蒸汽）的消耗量、各效蒸發(fā)量以及各效傳熱面積。多效蒸發(fā)的計算一般采用試算法。

2.1 模型假設

1）各效換熱面積相等。

2）各效蒸發(fā)水量的初始值相等。

3）各效溫差是均等的，用以計算各效的初始蒸發(fā)溫度。

2.2 主要計算公式

1）估算各效初始蒸發(fā)量。由總蒸發(fā)量計算出各效蒸發(fā)量初始值，其公式如下：

式中：F為總處理量，kg/h；W1為一效蒸發(fā)量，kg/h；W2為二效蒸發(fā)量，kg/h；W3為三效蒸發(fā)量，kg/h；ω0為初始進(jìn)料濃度，%；ω1為第一效的濃度，%。

2）計算各效濃度。

根據各效的蒸發(fā)量進(jìn)行物料衡算，由式（3）計算各效的濃度。

式中：ωj為j效的濃度，%；Ｗj為j效的蒸發(fā)量，kg/h。

3）計算有效總溫度差。多效蒸發(fā)中的有效傳熱總溫度差可用下式計算：

式中：∑Δt為有效總溫度差，為各效有效溫度差之和，℃；T1為第一效加熱蒸汽的溫度，℃；T/K為冷凝器操作壓強下二次蒸汽的飽和溫度，℃；∑Δ為總溫度差損失，為各效溫度差損失之和，包括各效的沸點(diǎn)升高之和、靜壓頭差之和及管道阻力引起的溫度損失，℃。

4）估算各效溫度。

估計各效的溫度，這部分是試差計算，首先計算該系統的總溫差。

根據傳熱方程：

結合各效傳熱面積相等的假設，相鄰兩效的溫差比可寫(xiě)為：

式中：Δti為各效傳熱溫差，℃；ki為各效傳熱系數，W/(m2?K)；Qi為各效換熱量，W；Ai為各效換熱面積，m2。

首先假定各效溫差是均等的，求出各效蒸發(fā)溫度，然后根據各效的溫度和黏度計算出各效總傳熱系數，再根據式（6）按比例調整每效的平均溫差，反復計算直至式（6）的值不變。

5）計算各效壓力。

根據上面得到的各效溫度求出該物料的飽和蒸汽壓。

2.3 高鹽廢水設計水量與進(jìn)水水質(zhì)

某危廢處置中心高鹽廢水處理系統設計處理量為100t/d，折合4.2t/h，整個(gè)工藝過(guò)程中預計可產(chǎn)雜鹽（干基）約210kg/h，該高鹽廢水設計進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

2.4 設計工藝流程

高鹽廢水經(jīng)預熱、三效蒸發(fā)濃縮、二效蒸發(fā)濃縮、一效蒸發(fā)濃縮后，進(jìn)入離心機出鹽，總體工藝流程見(jiàn)圖1。一效加熱器為強制循環(huán)式，二效、三效加熱器均為降膜循環(huán)式。蒸發(fā)得到的冷凝液經(jīng)后續生化系統處理后回用。

2.5 設計參數取值

根據進(jìn)水水質(zhì)，本項目三效蒸發(fā)工藝設計參數見(jiàn)表2。

本項目3個(gè)加熱器均為管殼式換熱器，其結構示意如圖2所示。

2.6 設計冷凝水排放指標

三效蒸發(fā)冷凝液進(jìn)后續污水處理站，采用生化處理+膜深度處理的工藝技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行深度處理。經(jīng)污水處理站處理后的廢水達到GB/T18920―2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標準中規定的標準。系統調試期間，冷凝水指標均達標。

3、測試指標與分析方法

3.1 原料組分指標

經(jīng)取樣分析，高鹽廢水原料實(shí)際組分較設計值差異較大，主要體現在原料TDS、CODCr和氯離子含量均遠高于設計值，具體見(jiàn)表3。一方面由于前端焚燒來(lái)料種類(lèi)繁雜，組分差別較大；另一方面為減少高鹽廢水的產(chǎn)生，實(shí)際增大了焚燒系統洗滌循環(huán)水的循環(huán)次數，各組分逐漸累積至較高值。

由表3可知，焚燒系統洗滌高鹽廢水實(shí)際水質(zhì)中TDS和CODCr都超過(guò)設計進(jìn)水指標，特別是CODCr分別超過(guò)設計值15.5倍和11.6倍，因此需要對高鹽廢水進(jìn)行調質(zhì)，調質(zhì)后的進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表4。

調質(zhì)后的高鹽廢水作為三效蒸發(fā)裝置的進(jìn)料。

3.2 其他指標

本項目調試期間其他測試指標還包括：①進(jìn)料流量；②生蒸汽冷凝水、二次蒸汽冷凝水、機封水、真空系統循環(huán)水中TDS指標；③二次蒸汽冷凝水溫度。

3.3 分析方法

1）CODCr分析測定方法：HJ828―2017水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法。

2）TDS分析測定方法：高精度筆型鹽度測定儀AZ8373（自動(dòng)溫度補償）。

3）電導率分析測定方法：電導儀法（GB/T6908―2008鍋爐用水和冷卻水分析方法電導率的測定）。

4）鹽含量分析測定方法：蒸發(fā)干燥稱(chēng)量法。

5）二次蒸汽冷凝水溫度：溫度計。

4、運行效果分析

4.1 二效物料循環(huán)及轉料

二效循環(huán)泵兼具物料循環(huán)和轉料的功能，出口壓力控制在0.15~0.18MPa，可以穩定實(shí)現向一效分離器轉料。

但二效循環(huán)泵出口壓力低于0.15MPa或高于0.18MPa時(shí)，一效進(jìn)料量均會(huì )有不同程度地下降，一效分離器液位會(huì )逐步降低，直至低液位報警，需要人工干預調節。這主要是因為在二效循環(huán)泵出口壓力太低時(shí)，二效無(wú)法正常向一效迅速補料；出口壓力太高時(shí)，二效加熱器循環(huán)量變小，一效進(jìn)料量也相應減小。

因此，調節并控制二效循環(huán)泵出口壓力在0.15~0.18MPa，既能穩定向一效分離器轉料，又不影響二效物料的循環(huán)。

4.2 三效分離器壓力

二次蒸汽冷凝水溫度一般不超過(guò)40℃，其隨時(shí)間變化趨勢見(jiàn)圖3。

由圖3可知，在實(shí)際調試過(guò)程中，二次蒸汽冷凝水溫度集中在31~39℃，此時(shí)三效分離器壓力為12.3kPa（絕對壓力）。

4.3 分離器操作液位

調試過(guò)程中，分離器液位隨時(shí)間變化趨勢見(jiàn)圖4~圖6。由于3個(gè)分離器液位量程有差異，因此均以實(shí)際液位所占分離器液位計總高度的比例來(lái)表示實(shí)際操作液位。

可以看出，調試期間正常運行工況下，3個(gè)分離器液位均穩定在45%~55%（出鹽工況除外，此時(shí)一效分離器液位會(huì )明顯下降）。此時(shí)二次蒸汽冷凝水水質(zhì)能穩定達標。

分離器液位達到65%~70%左右時(shí)，二次蒸汽冷凝水中TDS就可能會(huì )超標，主要是因為此時(shí)分離器液面上部氣相空間相對縮短，蒸發(fā)出的二次蒸汽在分離器內停留時(shí)間縮短，二次蒸汽與鹽分未能完全分離，導致從分離器頂部出去的氣相物料夾帶部分鹽分。

綜合考慮分離器與加熱器的豎向布置，3個(gè)分離器液位控制值為50%時(shí)系統可正常運行。

4.4 出鹽時(shí)間與出鹽量

系統設計出鹽量約為210kg/h，實(shí)際調試期間為間歇出鹽，即先根據一效分離器底部視鏡觀(guān)察分離器內物料濃度，如果視鏡中鹽分低于1/3視鏡位置，則說(shuō)明暫時(shí)還未濃縮到出料濃度；若視鏡中鹽分達到1/3位置，則說(shuō)明可能達到出料濃度，需要再進(jìn)一步做實(shí)驗確定，具體實(shí)驗方法為：取1只500mL燒杯，至出料泵出口取樣管取樣，冷卻約10min后觀(guān)察鹽分含量，若鹽分含量超過(guò)40%，即具備出鹽條件。調試期間，每隔約4~6h出鹽1次，每次出鹽約1.0~1.2t。

5、討論

基于上述調試運行結果分析，考慮危廢焚燒系統洗滌高鹽廢水水質(zhì)組分復雜且波動(dòng)較大，此條件下針對三效蒸發(fā)系統的工藝設備選型、關(guān)鍵工藝設計要點(diǎn)提出優(yōu)化意見(jiàn)。

5.1 選擇加熱器循環(huán)型式

本項目中二效和三效加熱器均選用了降膜式加熱器。當含鹽量高于8%時(shí)，三效加熱器和二效加熱器頂部的布液盤(pán)和換熱管極易堵塞，系統僅能連續穩定運行3~4d，這也就對高鹽廢水水質(zhì)提出了更嚴格的要求。

降膜式加熱器：液體物料從加熱器頂部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)液體分布器的分布，在換熱管內呈膜狀向下流動(dòng)，管外加熱使其汽化，被汽化的氣體隨液體一起通過(guò)加熱管流出，將液體與氣體分離即得到濃縮液，這是降膜式蒸發(fā)器的工作原理。

強制循環(huán)式加熱器：物料通過(guò)大流量的循環(huán)泵被輸送至列管式加熱器內，經(jīng)加熱后進(jìn)入分離器蒸發(fā)分離，未蒸發(fā)的余料回流再次由循環(huán)泵輸送至加熱器加熱蒸發(fā)，這樣形成了一個(gè)反復循環(huán)蒸發(fā)的系統，強制循環(huán)式蒸發(fā)器適用于有結垢性、結晶性、熱敏性（低溫）、高濃度、高黏度并且含帶顆粒的不溶性固形物等物料的處理。通常在處理黏度大、易結垢或易結晶的溶液時(shí)，優(yōu)先采用強制循環(huán)蒸發(fā)器。

危廢焚燒洗滌高鹽廢水雜質(zhì)組分多，且含鹽量較高，屬易結垢、易結晶物料，因此建議優(yōu)先選擇強制循環(huán)型加熱器。

5.2 優(yōu)化循環(huán)和轉料

本項目未設置單獨的二效進(jìn)料泵，而是由二效循環(huán)泵向一效進(jìn)料。

為方便轉料流量和循環(huán)量均可精確控制與調節，二效循環(huán)泵不宜兼具物料循環(huán)和轉料的功能，建議單獨設置二效轉料泵與二效循環(huán)泵。

另外，進(jìn)料高鹽廢水中CODCr含量較高，平均值為1505mg/L，因此母液不能再循環(huán)回一效分離器；否則，離心結晶就會(huì )受到影響，系統運行也會(huì )出現管路堵塞或蒸發(fā)量下降。此種情況下建議母液不宜回流至三效系統。

5.3 三效分離器壓力調節與控制設計

本項目分離器壓力是依靠手動(dòng)操作系統抽真空管路上泄壓閥的開(kāi)度來(lái)調節和控制的。

由于分離器壓力控制與調節與真空泵入口處泄壓閥的開(kāi)度相關(guān)聯(lián)，為確保系統蒸發(fā)量以及三效系統的運行穩定性，建議增加1組壓力調節閥，設定一定值后，由調節閥實(shí)現對三效分離器壓力的精準調節與控制，進(jìn)而保證系統壓力穩定。

6、結論

1）由于高鹽廢水成分復雜，且含鹽量可能會(huì )有較大波動(dòng)，尤其是含鹽量高于8%時(shí)，二效加熱器即會(huì )有少量結晶鹽析出，降膜式加熱器由于循環(huán)量較小，存在結晶鹽堵塞的風(fēng)險，因此針對危廢焚燒系統高鹽廢水處理三效蒸發(fā)系統，一效、二效和三效加熱器均選擇強制循環(huán)型。

2）本系統二效循環(huán)泵出口壓力需控制在0.15~0.18MPa；分別設置單獨的二效轉料泵與二效循環(huán)泵，確保進(jìn)料量穩定，系統蒸發(fā)過(guò)程平穩。

3）為確保在進(jìn)水CODCr較高（＞1500mg/L）且水質(zhì)波動(dòng)較大的情況下，三效蒸發(fā)系統仍能穩定運行，母液不宜回流至三效系統。

4）為控制三效分離器壓力穩定在12.3kPa（絕對壓力），宜設置壓力調節閥，以保證系統壓力穩定。（來(lái)源：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司）