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環(huán)諾動(dòng)態(tài)
電鍍廢水零排放工藝中蒸發(fā)器的選型與設(shè)計(jì)
日期: 2022-07-07
作者: 環(huán)諾
前言：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。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(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)回用。在電鍍廢水零排放工藝中，蒸發(fā)器是必不可少的部分，也是決定電鍍廢水能否實(shí)現(xiàn)零排放的重要環(huán)節(jié)。
一、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(yù)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(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)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(xué)沉淀法或者離子交換法進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)分類預(yù)處理后，使各類廢水中的一類污染物達(dá)到GB 21900–2008《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中“表3”的限值要求，一并進(jìn)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(jìn)一步去除有機(jī)物、氨氮、總氮等污染物，使出水達(dá)到膜系統(tǒng)的進(jìn)水要求，再采用多級(jí)、多段組合膜工藝對廢水進(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)現(xiàn)電鍍廢水零排放。
二、蒸發(fā)器的選型和組成
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(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)蒸發(fā)器，MVR蒸發(fā)器因?yàn)楦咝Ч?jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)而在廢水零排放中得到更為廣泛的應(yīng)用。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、強(qiáng)制循環(huán)加熱器、結(jié)晶分離器、蒸汽壓縮機(jī)、離心機(jī)、泵組、儲(chǔ)罐、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，其應(yīng)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(jìn)料泵提升、預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)加熱器，在其中被蒸汽加熱后進(jìn)入結(jié)晶分離器沸騰汽化，并氣液分離。分離后的濃水在強(qiáng)制循環(huán)泵的作用下再次進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)加熱器中循環(huán)濃縮，直至達(dá)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(jìn)一步增濃。然后進(jìn)入離心機(jī)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(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮后其溫度和焓值提高，然后重新回到強(qiáng)制循環(huán)加熱器用作加熱蒸汽，以達(dá)到重復(fù)利用和節(jié)能的目的。
加熱蒸汽在強(qiáng)制循環(huán)加熱器中釋放潛熱加熱濃水的同時(shí)，本身被冷凝，并自流進(jìn)入冷凝水罐。蒸發(fā)冷凝水經(jīng)冷凝水泵提升，送至預(yù)熱器回收熱量后作為回用水回用到生產(chǎn)中。在工程實(shí)踐中，若膜系統(tǒng)濃水的鹽濃度較低，則在進(jìn)入強(qiáng)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(jìn)行預(yù)濃縮，可以進(jìn)一步降低蒸發(fā)系統(tǒng)的整體投資和運(yùn)行能耗。
三、強(qiáng)制循環(huán)加熱器的設(shè)計(jì)
電鍍廢水零排放工藝中，強(qiáng)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[計(jì)算：A=Q/(K·Δtm)。該式中的Q為熱負(fù)荷，可通過對加熱器作熱量衡算求得。當(dāng)忽略加熱器熱損失時(shí)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)的差值。在蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中，物料的沸點(diǎn)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，物料的沸點(diǎn)升高一般與溶質(zhì)的類別、組成、操作壓強(qiáng)、靜壓強(qiáng)、管路流動(dòng)阻力等有關(guān)，當(dāng)電鍍廢水主要含硫酸鈉和氯化鈉時(shí)，沸點(diǎn)一般升高4～10°C。在確定強(qiáng)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(jì)算加熱管的數(shù)量n，即：n=A/(πdol)。
根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，do通常為0.025～0.032 m;l通常為6～8 m，最長達(dá)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(yàn)公式計(jì)算并圓整：D=1.6don0.5。在強(qiáng)制循環(huán)加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要特別注意殼程兩個(gè)管口的設(shè)置。一是加熱蒸汽進(jìn)口，需要設(shè)置防沖板或者蒸汽導(dǎo)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(yīng)設(shè)置在蒸汽流動(dòng)方向的末端，遠(yuǎn)離加熱蒸汽進(jìn)口的位置，以便更能有效排放不凝氣。強(qiáng)制循環(huán)加熱器還可以采用雙加熱室的設(shè)計(jì)，降低蒸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。
四、蒸發(fā)器結(jié)晶分離器的設(shè)計(jì)
結(jié)晶分離器的設(shè)計(jì)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(jì)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(guān)，在電鍍廢水零排放工藝中可按以下經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度[建議取值1.1～1.5 m3/(m3·s)]進(jìn)行計(jì)算，通常為1.5～3.0 m。結(jié)晶分離器頂部設(shè)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(jìn)料方式主要有切向進(jìn)料、徑向進(jìn)料和軸向進(jìn)料3種，在電鍍廢水零排放工藝中推薦使用軸向進(jìn)料方式。
五、強(qiáng)制循環(huán)泵的選型設(shè)計(jì)
蒸發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)制循環(huán)泵采用大流量、低揚(yáng)程的軸流泵。循環(huán)泵的流量V根據(jù)強(qiáng)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(jì)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(yáng)程H根據(jù)伯努利方程計(jì)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(yáng)程、物料密度以及泵效率η有關(guān)，可以通過以下公式核算：N=V·H·ρl/(102η)。
在強(qiáng)制循環(huán)泵的實(shí)際應(yīng)用過程中，必須避免產(chǎn)生汽蝕。當(dāng)強(qiáng)制循環(huán)泵發(fā)生汽蝕時(shí)，電流會(huì)突然升高，并伴隨強(qiáng)烈的噪音和振動(dòng)，對葉輪和泵體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)降低循環(huán)泵的汽蝕余量，同時(shí)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。
六、蒸汽壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)
蒸汽壓縮機(jī)是MVR蒸發(fā)器的核心設(shè)備之一，目前在零排放工藝中廣泛應(yīng)用的主要有：羅茨壓縮機(jī)、普通離心蒸汽壓縮機(jī)和單級(jí)高速離心壓縮機(jī)。羅茨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低，通常在750～1 650 r/min，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，溫升可達(dá)22～25°C，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，但絕熱效率較低，且單臺(tái)設(shè)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(jī)一般轉(zhuǎn)速為6 000～9 500 r/min，運(yùn)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(tái)串聯(lián)使用。
單級(jí)高速離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可高達(dá)33 000 r/min，溫升可達(dá)到20～24°C，但機(jī)組控制相對復(fù)雜。普通離心蒸汽壓縮機(jī)和單級(jí)高速離心壓縮機(jī)均屬于恒壓式壓縮機(jī)，效率高，設(shè)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(shí)需做好流量、溫度、壓力、振動(dòng)等的監(jiān)測和控制，同時(shí)應(yīng)充分考慮發(fā)生喘振工況的預(yù)防和保護(hù)措施。蒸汽壓縮機(jī)選型時(shí)需要提供的基本設(shè)計(jì)參數(shù)包括處理量、進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、壓縮機(jī)溫升、材質(zhì)等。在電鍍廢水零排放蒸發(fā)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)溫升一般為16～20°C，進(jìn)口溫度取決于蒸發(fā)器設(shè)計(jì)溫度，80～95°C之間為宜。采用羅茨壓縮機(jī)或普通離心蒸汽壓縮機(jī)時(shí)，過流材質(zhì)優(yōu)先選用雙相不銹鋼；采用單級(jí)高速離心壓縮機(jī)時(shí)，葉輪材質(zhì)建議采用鈦合金。
研發(fā)中心：廣州市番禺區(qū)番禺大道北555號(hào)天安總部中心31號(hào)樓
佛山生產(chǎn)基地：廣東省佛山市南海區(qū)招大創(chuàng)業(yè)中路5號(hào)
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