低温闪蒸技术在脱硫废水中的应用

一、研究背景

脱硫废水中的杂质主要来自烟气、脱硫剂和脱硫工艺水。其中，由于煤中含有包括重金属在内的多种元素，如F、Cl、Cd、Hg、Pb、Ni、Ag、Cu、Cr等，这些元素在炉膛内高温条件下会生成多种不同的无机化合物，其中一部分会随烟气进入脱硫系统，溶解于吸收浆液中。

随着吸收浆液的循环使用，杂质不断浓缩，从而使排出的脱硫废水中杂质含量偏高。脱硫废水中含有的杂质主要包括悬浮物、过饱和亚硫酸盐、硫酸盐、氟离子、氯离子以及各类重金属等。其水质成分和浓度随煤种、脱硫剂纯度和工艺水质的不同，变化范围很大。现以某厂脱硫废水为例进行分析： 

 

二、水质参数

检测项目	单位	水量	回收水池（石膏旋流器+脱水机下方围堰水+脱水机滤液）
pH		6.7	6.6
电导率	μS/cm	1.54×104	1.41×104
溶解性固体	mg/L	34265	29440
悬浮物	mg/L	59046	59957
CODCr	mg/L	1180	1040
SO42-	mg/L	6.6×103	6.51×103
Ca2+	mg/L	1020	972
硬度	mmol/L	131	109
碱度	mmol/L	2.91	3.37
氯化物	mg/L	11178.16	9058.54
氟化物	mg/L	22.33	17.47

三、闪蒸浓缩系统介绍

设置一套三效闪蒸浓缩系统，在真空泵作用下，系统形成一定的真空度，降低沸点，使其中的废水蒸发。

经过三效蒸发器（加热器），废水不断浓缩，直到达到一定的密度后进入浓液箱。一效换热器内的换热后的生蒸汽冷凝水，在清水池内收集。二、三效被加热废水产生的蒸汽经冷凝后进入凝结水箱，补入脱硫工艺水系统或其他用途。

在负压工况下废水在换热管内蒸发，不断浓缩。浓缩后的脱硫废水通过输送泵进入后续的高温旁路烟气蒸发系统。

蒸发系统采用三效蒸发结晶，废水在一效分离器中经一效加热器均匀地在加热管内壁流动，并利用一效强制循泵进行强制循环蒸发浓缩。在加热器上端设有专门的汽液两相共存的沸腾区，物料在沸腾区内汽液混合物的静压使下层液体的沸点升高，并使溶液在加热管中螺旋流动时只受热而不产生汽化，沸腾物料进入一效分离室完成汽、液分离，物料在一效系统内经多次自然式循环后，完成初步浓缩的料液在压差的作用下进入二效分离器。

进入二效的物料运用与一效内相同的原理，利用一效分离器产生的二次蒸汽作为后部的加热器的热源，并利用循环泵进行强制循环蒸发浓缩。当二效内浓缩物料达到设计浓度时，在压差的作用下料液被送至进入三效分离器。

与一效、二效原理相同，利用二效分离器产生的二次蒸汽作为三效加热器的热源，并利用循环泵进行强制循环蒸发浓缩。三效强制循环泵出口管道上设置密度计连续监测，当密度计显示达到设计浓度时，开启出料泵的出料阀门进行出料，物料被输送至浓液箱。各效因出料而产生液位降低，这时物料在进料泵的作用下和相连通的物料管自行补充各效分离室、加热器内的物料，各效物料的补充速度由进料阀控制，从而达到自动控制加热器各效液位的目的。

三、系统选型计算

溶液进料量为20m³/h，折合进料浓度氯化钠占1.824%,硫酸钠占0.967%，杂质占0.252%。则氯化钠含量6200.0kg/h，密度大约为1040kg/m³。即一效进液总量为20200.0kg/h，设定稀溶液的温度为30℃，以下进行热量及物料平衡计算：

3.1 换热器面积计算

生蒸汽压力０.069MPa(G)，温度为115℃，一效分离器蒸汽温度定为96℃，一效蒸发温度97℃。

设定一效蒸发器蒸发量为4383.48kg/h：                                        

1)、一效蒸发器：

原料液预热需蒸汽：2130.0kg/h

蒸发水量需蒸汽：4484kg/h

考虑３％的热损失共需蒸汽：

（2130.0＋4484）×1.03＝6812.38kg/h

2)、二效蒸发器：

二效分离器蒸汽温度定为81℃，二效蒸发温度83℃。

一效提供二次蒸汽蒸汽量：4310.28kg/h

一效来物料闪蒸汽量：384.1615kg/h

则二效蒸发量为：

4270.12＋385.15＝4694.45kg/h

3)、三效蒸发器：

三效分离器蒸汽温度定为60℃，三效蒸发温度65℃。

二效提供二次蒸汽蒸汽量：4590.9kg/h

二效来物料闪蒸汽量：331.2kg/h

则三效蒸发量为：

（4590.9+331.2）=4922.07kg/h

总蒸水量：

（4383.48+4694.45+4922.073）=14000kg/h

偏差为0

4）、各效加热面积的计算：

Ⅰ效：蒸发需面积：取传热系数为750W／㎡?K

Ａ１＝6812.38×2216／（850×16×3.6）＝308㎡　

Ⅱ效：蒸发所需面积：取传热系数为700W／㎡?K

Ａ２＝4310.28×2306／（800×11×3.6）＝314㎡

Ⅲ效：蒸发所需面积：取传热系数为700W／㎡?K

Ａ３＝（4694.45×2306／（750×14×3.6）＝368㎡　

考虑1.2倍的富裕系数并圆整，则各效面积为：380㎡。

5）、列管冷凝器的计算：

二次气的温度为60℃，冷却水的进口温度32℃，出口温度37℃，则算术平均温差为25.42℃。

列管冷凝器冷却水需要量：

Ｌ＝124m?／h

冷凝器面积：取传热系数为500W／㎡?K

Ａ=358.26ｍ2

考虑1.2的富裕系数并圆整，冷凝器面积为：450ｍ²。

2、换热器选型计算：

1）、各效加热器选型：

选热管外径选取φ=32mm，换热管长L=6000mm，换热管壁厚d=2mm。

换热管数量为：

n=380/0.032/3.14/6000=629.9

选取换热管数量630根。布管采用三角形排列，管间距=40mm

计算换热管直径为1200mm。

2）、末效冷凝器选型：

选热管外径选取φ=32mm，换热管长L=6000mm，换热管壁厚d=2mm。

换热管数量为：

n=450/0.032/3.14/6000=746

选取换热管数量746根。布管采用三角形排列，管间距=40mm

计算换热管直径为1300mm。

3、分离器选型：

一效分离器蒸汽温度为96℃；

一效分离器的汽速为0.8m/s；

一效分离器气体比容1.92m³/kg；

一效分离器直径选取：D=1800mm。

二效分离器蒸汽温度为81℃；

二效分离器的汽速为1.0m/s；

二效分离器气体比容3.282m³/kg；

二效分离器直径选取：D=2200mm。

二效分离器蒸汽温度为60℃；

二效分离器的汽速为1.7m/s；

二效分离器气体比容7.647m³/kg；

二效分离器直径选取：D=2800mm。

4、轴流泵选型计算：

设定换热管内流速 1.8m/s；

Q=(3.14/4)×(32-2×2)^2/10^6×630×3600×1.8=2514m3/h

选取轴流泵的循环量为2600m³/h，扬程4m;

计算轴功率为56.64kw;

选取计算轴功率为75kw.

四、材质选择

由于高含盐废水具有较强的腐蚀性，必须选用耐腐蚀性能优良的金属或非金属材料制作蒸发器及相关管道。常见的抗腐蚀材料有钛合金、镍基合金、氟塑料等，但价格昂贵，增加了整体建设费用。本项目综合考虑各项因素如下：

★一效分离器材质为2205合金，一效加热器换热管须采用无缝钢管，材质为2205合金，换热管壁厚≥2mm，壳体材质为304不锈钢。

★二效分离器材质为2507合金，二、三效加热器换热管须采用无缝钢管，材质为2507合金，换热管壁厚≥2mm，壳体材质为304不锈钢。

★三效分离器材质为2507合金，二、三效加热器换热管须采用无缝钢管，材质为2507合金，换热管壁厚≥2mm，壳体材质为304不锈钢。

 

五、结论

蒸发结晶工艺作为一种高效、环保的废水处理技术，在厂脱硫废水零排放中发挥了重要作用。通过对废水进行充分的预处理和蒸发浓缩，实现了废水的资源化利用和零排放目标，为企业的绿色转型提供了有力支持。未来，随着技术的不断进步，蒸发结晶工艺将在更多领域得到广泛应用，助力环境保护和可持续发展