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2022-11-28
从减排到限排再到零排，废水排放标准逐步攀升。而要想达到“零排放”，重点是要实现高含盐废水的全回收，本质是要实现废水中水和盐类的分离。目前，浓缩技术、结晶技术，以及2种技术耦合协同后的技术较多地用于实现高盐废水回收零排放。当然，有时根据高盐废水的实际情况，还需要在技术之前增加预处理技术，以便为后续工艺提供更好的处理条件。浓缩作为高盐废水资源化处理的核心工艺，根据不同的处理对象和适用范围分为热浓缩和膜浓缩。其中，热浓缩技术适于处理高TDS和COD高达数百克每升的废水，通过加热使高盐废水中的离子高倍浓缩，主要包括多级闪蒸MSF、多效蒸发MED以及机械蒸汽再压缩蒸发MVR。多级闪蒸技术起步于上世纪50年代，通过加热至一定温度的高含盐废水依次在一系列压力逐渐降低的容器中实现闪蒸气化，然后再将蒸汽冷凝后得到淡水的过程。多级闪蒸MSF作为最早得到应用的蒸馏技术，工艺成熟，运行可靠，适用于大型化，但热力学效率相对较低，能耗较高，并且存在设备结垢和腐蚀的现象限制MSF首效蒸汽温度，影响运行成本。此技术在本文中不做过多叙述，咱们重点来聊一聊多效蒸发MED和机械蒸汽再压缩蒸发MVR多效蒸发（以下简称MED）的原理是将多个蒸发器串联起来，前一个蒸发器的二次蒸汽作为下一个蒸发器的加热蒸汽，下一个蒸发器的加热室便是前一个蒸发器的冷凝器。在多效蒸发系统中，只需要在第一效处加入新鲜蒸汽，在之后的前面一效蒸发塔顶产生的二次蒸汽，直接用作后续一效蒸发塔再沸器的加热介质，一效之后的蒸发塔就无需再引入新鲜的蒸汽，最后一效塔顶蒸汽可以用作低压力等级热源。因此，其最大的优点是多次利用二次蒸汽的汽化和冷凝，可以显著减少新鲜蒸汽消耗量。MED蒸发器类型很多、按照蒸发压力、蒸发器类型、蒸发效数和物料流动方向分类，共四大类十五种：
- 按蒸发器类型分为：管式蒸发、板式蒸发和管板结合蒸发；
1、逆流和混流效果均优于并流系统。逆流多效蒸发能耗最小，并流多效蒸发能耗最大；混流多效蒸发系统的特性相对并流多效蒸发系统较好。 2、蒸发效数不是越多越好。当效数增多时，热量利用的效率也随之有所降低，考虑到效数增加则设备的投资增大，故实际采用效数应该有一个最佳点。比如对于一些些高沸点物系，只能采用二效或三效蒸发器。3、考虑物料特性、热量衡算和不凝气截留程度等因素选择蒸发压力。有研究表明，各效的压强除了与蒸发器的物料与热量衡算有关，还与物料的特性以及各效上下不凝气的节流程度的大小有关。
- 受热时间短，多采用管内冷凝和管外沸腾的双侧向变传热方法，传热面积小，传热系数高。
- 操作弹性大，系统可以提供设计值40%~110%的产品水，而多级闪蒸和反渗透都不具备这么大的操作弹性。
- 处理效果好，处理过程中盐分析出彻底，并且冷却后冷却液的盐分能被去除90%以上，使微生物很难再受盐分的抑制。
- 操作可靠性高，整过程使用全自动化运行，且在运行过程中管内压力大于管外压力，即使出现腐蚀换热管现象，冷却水也不会污染产品水。
- 管内易结垢，10d左右就要清理一次，需要及时除垢处理。
- 效数增加，蒸汽利用率低。当效数增加后，每一效的传热温差损失就增加，如每蒸发1t水所消耗的蒸汽量比率为一效1.1、两效0.57、三效0.4、四效0.3、五效0.27，设备生产能力下降。
一般来说，多效蒸发MED常出现装置中起泡、蒸发器的结垢、含盐离子末效蒸汽腐蚀设物理消泡主要有高温和低温消泡法、声波消泡法、液体喷散消泡法以及机械振动法等。虽然物理消泡在处理量特别大的情况下效果明显，但其装置及其运行成本较高；化学消泡法主要是指使用消泡剂，但使用受消泡剂价格昂贵、生产成本高、生产工艺复杂影响；机械消泡法主要利用旋转来改变作用在气泡处的压力和剪切力来达到除泡，因其成本低、消泡效果好，目前更受欢迎。有研究者有对蒸发器外壁垢样（硫酸钠和碳酸钙）进行酸洗加中性清洗，对末效换热器内壁垢样（碳酸钙）酸洗，挂片分析发现各效挂片平均腐蚀速率都小于1g/m2·h，总腐蚀量都小于10g/m2。值得一提的是，该方法要优于《工业设备化学清洗质量标准》（HG/T2387-2007）及《腐蚀试样的制备、清洗和评定标准》。3、针对含盐离子末效蒸汽腐蚀设备的问题，解决方法——可以用低氯离子含量冷凝水进行低温、定时、定量的置换和补充，并在循环水中加入高效缓蚀剂。机械式蒸汽再压缩技术（以下简称MVR）是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。在该系统中，预热阶段的热源由蒸汽发生器提供，直至物料开始蒸发产生蒸汽。物料经过加热产生的二次蒸汽，通过压缩机压缩成为高温高压的蒸汽，在此产生的高温高压蒸汽作为加热的热源，蒸发腔内的物料经加热不断蒸发，而经过压缩机的高温高压蒸汽通过不断的换热，冷却变成冷凝水，即处理后的水。压缩机作为整个系统的热源，实现了电能向热能的转换，避免了整个系统对外界生蒸汽的依赖与摄取。从MVR蒸发工艺流程不难看出，MVR蒸发系统是由各个设备串联在一起所组成，各设备之间要在热力学和传热学方面巧妙地匹配，以使整个系统达到最佳效果。系统中的主要设备有以下4个：1、压缩机。MVR压缩机的选型主要有罗茨压缩机和离心压缩机两种。罗茨鼓风机常被用来压缩小流量的蒸汽，属于是容积型压缩机，其提供风量小，温升大，适用于蒸发量小，沸点升高大的物料。离心式压缩机为压差式风机，提供的压差小，流量大，温升小，排气均匀，气流无脉冲，适合蒸发量较大，沸点升高较小的物料。综合来看，离心式压缩机的稳定性要优于罗茨压缩机，但离心式压缩机有时会发生喘振现象，会导致压缩机不稳定。2、蒸发器。蒸发处理装置的型式一般分为升膜蒸发和降膜蒸发两种。其主要根据处理物的特性、能耗进行选择。目前，国内主要采用降膜蒸发方式。3、热交换器。在MVR热泵蒸发工艺过程中，所使用的换热器多为间壁式换热器。在这类换热器内，冷热流体不直接接触，而是通过间壁进行换热。生产中常用的间壁式换热器类型有：列管式换热器、波纹式换热器和螺旋式换热器。4、气液分离器。气液分离器是提供物料和二次蒸汽分离的场所。其作用主要为将雾沫中的溶液聚集成液滴，把液滴与二次蒸汽分离。值得一提的是，分离器的设计要充分考虑蒸发量、蒸发温度、物料粘度、分离器液位等因素。1、对比传统的蒸发系统，MVR 系统只需要在启动时，通入生蒸汽作为热源，而当二次蒸汽产生，系统稳定运行，将不需要外部的热源，系统的能耗就压缩机和各类泵的能耗，所以节能效果相当显著。2、MVR 蒸发器系统能耗主要是压缩机的电耗，运行费用大幅下降，运维成本低，由于系统不需要工业蒸汽，其安全方面的隐患较低，操作简单。3、在同样的蒸发处理量下，MVR蒸发器所需的占地面积是远远小于传统多效的蒸发设备。尽管MVR技术在高盐废水处理中发挥了很好的效果，但是运行中仍有一些技术问题对运行效果有所影响。换热器器壁结垢是系统蒸发效率降低的主要原因之一，这主要是由于加热热源是利用二次蒸汽，结垢结焦会使传热效果下降，单位时间内的蒸发量降低,这使得可利用的压缩二次蒸汽量减少，对生产能力影响会更加明显。由于MVR蒸发器的特殊性，不能按时清洗设备比较常见，这是造成生产能力不稳定的原因之一。MVR系统中的温升问题是影响其在含盐废水处理应用中的一个重要因素。当采用MVR技术处理高浓度含盐废水时，由于其浓度高、沸点升较大，相应的蒸汽压缩机需要提高较高的温度来克服沸点升高的影响，对压缩机提出了较高的要求，且系统能耗显著增加。研究表明，使用MVR蒸发技术，合理的温升范围为8℃～20℃。如果沸点升高超过18℃，MVR技术将失去优势。由于工业废水来源不同，需根据不同物料的物性对MVR进行选择。物料特性分析主要包括：物料所含的成分；物料在蒸发过程中是否伴有结晶析出；物料的黏度、比热、密度和沸点升等。单一物料可通过查阅相关表格获取参数，但工业高盐废水多为混合型的料液，其相关数据只能通过模拟估算，因此，准确地对物料物性进行分析计算，是确保MVR装置正常运行的关键因素。一般来说，
- 对沸点温度升高较大的物料，一般采用MVR单效蒸发；
- 高浓度物料需要使用强制循环以防止物料流速太慢而结焦；
综上所述，当前蒸发技术使用普遍，但同时也存在着能耗大、运行成本高、易结垢堵塞等问题，所以必须重点考虑高效节能，而多效蒸发MED和机械蒸汽再压缩蒸发MVR是推荐的高效节能技术。其中，MVR蒸发装置的一次投资比较大，能耗较低，但随着国产蒸汽压缩机不断改进技术和生产工艺，价格也在不断地下降；多效蒸发装置的效数增多，那么多效蒸发装置投资也会增大，但能耗也能在一定程度内降低。因此，不论是MVR蒸发装置还是多效蒸发装置，都有一定的相对优势，要根据适用性、投资、运行、消耗、人工、占地进行多方位的比选。
