新型低温常压蒸发结晶工艺模拟研究

陈 飞，江 郡，刘 丰

（江苏中圣高科技产业有限公司，江苏南京 210009）

近年来，随着国家环保政策逐渐趋严收紧，各级地方政府环保部门加强了对企业外排工业废水的管控，体现在不断提高废水污染物排放浓度限值，除此之外还设立了诸如废水盐分含量等新增控制指标。如上海市执行的《污水综合排放标准》中，明确指出外排废水溶解性总固体限值为2 000mg/L。相关研究也显示盐分对于生态环境及水生动植物生存均有潜在威胁。因此，对含盐废水实施近零排放处置具有重要意义且势在必行，常规处理工艺包含预处理、膜浓缩和蒸发结晶。其中实现末端液固分离的蒸发结晶工艺段是关键点，涉及的技术有多效和MVR蒸发结晶等，已广泛应用于煤化工、电厂、多晶硅等行业。

为解决传统蒸发结晶工艺易造成的设备管路结垢、堵盐等问题，开发出一种新型低温常压蒸发结晶技术。它基于的工作原理是空气携湿能力随温度变化而变化，其传质动力来源于不同温度下饱和蒸气压差异。其较低操作温度条件可避免废水中低沸点物质在蒸发浓缩过程中逸出，从而影响二次蒸汽品质。同时可利用富余的低压蒸汽和高温热水等废热作为热源，能耗可进一步降低。它无需配备真空设备以及维持系统高密封性要求，降低了系统制造和操作难度。

具体工艺路线为含盐废水经过预处理除去悬浮物后，由预热器加热至40~80℃，经由喷淋系统在蒸发设备中从上往下均匀喷洒，冷空气由蒸发设备侧底部鼓入，与下行废水雾化液滴进行直接接触传热，废水以水蒸气形式由热空气带出，热湿空气在冷凝设备中释放出凝结水，再经过后处理达到生活或工业再生回用水要求，湿冷空气由冷凝设备顶部排出。蒸发设备内的废水不断浓缩至工艺要求后排出系统，运行过程有一股浓液打循环操作。该技术工艺现已在垃圾渗滤液、电镀废水近零排放处理领域有小规模示范性 应用。

2.1 模型简化与建立

利用Aspen软件对新型低温常压蒸发结晶工艺过程进行基于物料衡算和热量衡算的模拟研究工作。首先根据工艺流程及特点，进行必要简化并优化后，确定整体工艺的模拟流程如图1所示。

图1 新型低温常压蒸发结晶工艺Aspen流程模拟简化图

在此基础上，确定模拟流程中涉及的单元设备所采用的模块类型。即废水预热和热湿空气冷凝使用换热器模块（HEATER），循环废水与进料液混合使用混合器模块（MIXER），蒸发塔和冷凝塔使用闪蒸模块（FLASH2），蒸发塔底部浓液打循环与排浓分股使用物流分割模块（FSPLIT）。

2.2 参数设置与计算

首先对整体模拟流程进行全局参数设定，之后再进行组分的正确输入。使用软件自带电解质向导辅助生成可能发生的各种电离反应以及电离反应生成的各种电解质组分。再对物性模型进行选择，物性模型选择正确与否对平衡计算和性质计算结果的准确程度起着至关重要的作用。根据该工艺特点，确定采用ELECNRTL物性模型，再对研究范围内的基础物流参数和模块参数进行初始赋值和迭代收敛计算。

2.3 结果输出

在完成模拟数据的输入基础上，对此工艺模拟过程进行严格的物料衡算和能量衡算。确定模拟的基准条件为废水进料量2 000kg/h，进料温度25℃，NaCl质量分数2%，空气温度25℃，湿度30%，输出结果中物料平衡数据如表1所示。

表1 物料衡算结果

由表1可知，在基准条件下系统携湿水量为1771kg/h，其中一部分作为湿冷空气携湿外排（AIROUT），另一部分作为冷凝回收水（WATEROUT），其占携湿总水量的79%。排浓（SALTOUT）流量为229kg/h，料液浓度为17.6%，料液浓缩8.8倍。再分别以进料流量，盐分种类，盐水浓度，空气湿度为考察对象，改变初始输入值，模拟计算得到相应结果。

3.1 进料流量影响

如图2所示，随着进料流量增加，低温常压蒸发结晶系统携湿水量增加，相应的预热器负荷也增加。由于进料流量增加，进蒸发塔料液温度不变，预热负荷增加。进入蒸发塔内料液携带总热量增加，而进入蒸发塔内空气量、湿度和温度不变的情况下，被料液接触换热后，空气被加热升温得越高，即出蒸发塔携湿空气温度增加，故最终呈现出系统携湿水量增加。

图2 预热负荷和携湿水量随进料流量变化

3.2 盐分种类影响

如图3所示，改变进料含盐废水盐分种类，对低温常压蒸发结晶系统的携湿水量是有影响的。模拟计算中选取了常见的盐分种类，如NaCl、NH4Cl、Na2SO4和（NH4）2SO4。结果显示，系统携湿水量和预热负荷由大到小依次为：Na2SO4>（NH4）2SO4> NH4Cl>NaCl。针对不同盐分种类的含盐废水，水分子的逃逸能力与电解质离子之间的强度有关系。电解质离子强度越大，离子之间相互作用力越强，其对水分子的拉拽力越小，则水分子更容易被空气携带出。另外，水分子逃逸能力还受水中铵根离子水解作用的影响，最终表现为含硫酸钠盐水系统携湿水量最大。

图3 预热负荷和携湿水量随盐水成分变化

3.3 盐水浓度影响

如图4所示，随着进料含盐废水浓度增加，低温常压蒸发结晶系统携湿水量减小，相应的预热器所需负荷也减小。含盐废水会导致饱和蒸气压减小，且随着盐度增加其减小的幅度越大。即含盐废水从溶液体系因相平衡逃逸出的水蒸气量小于纯水逃逸出的水蒸气量，故随着含盐废水浓度增加，体系对水蒸气的拖拽力越大，从溶液逃逸出的水蒸气量越小，最终呈现出系统携湿水量越小。

图4 预热负荷和携湿水量随进料废水浓度变化

3.4 空气湿度影响

如图5所示，随着鼓入蒸发塔空气湿度的增加，低温常压蒸发结晶系统携湿水量减小，相应的预热器所需负荷也减小。空气湿度的增加，即单位质量空气自身携带水量增加。在蒸发塔进出空气温度保持不变的情况下，出蒸发塔空气携湿总水量是一定值。若空气自身携带水量多，则从进料废水中携走的水量就会减少，最终呈现出系统携湿能力下降。由于空气从废水中携走的水量需要经过预热器的加热升温，故预热负荷随携湿能力的下降而减小。

图5 预热负荷和携湿水量随空气湿度变化

3.5 能耗估算

低温常压蒸发结晶系统运行在不考虑低温废热源能耗前提下，主要来自系统装置中的风机和料液循环泵的电耗。以基准条件为参考，即进料量2 000kg/h， 进料温度25℃，NaCl质量分数2%，循环泵流量140t/h，风机风量20 000m3(标)/h，空气温度25℃，湿度30%，风机能耗12~18kWh，料液循环泵能耗8~12kWh，折合吨水能耗10~15kWh。较之MVR蒸发技术，其吨水能耗在25~35kWh，具有一定优势。但低品位热源是否不计入运行能耗成本，还需视项目所在地副产多余低品位热能实际情况而定。

1）新型低温常压蒸发结晶工艺决定系统蒸发能力的关键因素是空气量和预热温度，并受空气湿度、料液含盐种类、进料量和进料液浓度等因素影响。其他工艺条件保持不变，空气湿度越大，系统携湿水量越小；
总进料量越大，系统携湿水量越大；
进料浓度越大，系统携湿水量越小。废水含盐种类不同，系统携湿水量不同，由大到小依次为硫酸钠、硫酸铵、氯化铵、氯化钠。系统携湿水量越大，预热器的预热负荷越大。

2）不考虑工艺系统过程中所需低品位热能消耗，采用新型低温常压蒸发结晶技术，基准条件下吨水能耗10~15kWh，相较于其他节能蒸发技术，具有一定优势。但废热是否计入运行成本，还得具体依赖于项目自身特征。若项目副产废热且满足自身供暖或外售后还有富余，可不计入成本，此时运用该技术具有显著经济性。

3）该技术工艺的实现对于所处自然环境条件依赖性较大，基于空气的携湿能力，若项目所在地空气湿度常年较高，则蒸发处理能力降低，吨水能耗增加。若项目所在地空气湿度随季节变化较大，如江浙地区梅雨季节湿度可达70%~80%，不利于系统稳定运行，设备后期维护难度较大。

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