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蒸發法處理工業廢水技術研究

    據統計,2017年全球工業廢水處理行業市場規模約為3680億元,龐大的工業廢水處理市場促使眾多處理技術得到發展,其中蒸發結晶技術在對工業廢水進行深度處理的同時能夠回收得到工業生產用的原材料,實現了廢水資源化利用。對高效且節能的廢水蒸發結晶處理技術進行分析研究,能夠帶來明顯的社會效益和經濟效益。

    利用蒸發法處理工業廢水,能夠實現廢水的資源化利用。針對不同類型蒸發器適用范圍受限問題,將降膜式蒸發器與強制循環蒸發器聯用,提出了機械蒸汽再壓縮(MVR)并聯雙效蒸發結晶系統。首先設計了系統的工藝循環流程并建立數學模型,對該系統及其設備進行質量和能量衡算,并對模型的可行性進行核算。

    隨后建立系統性能的?分析模型,對常壓下質量分數為5%的硫酸鈉溶液蒸發結晶進行實例計算,并將其與傳統三效蒸發結晶系統進行比較。通過綜合能量分析與?分析,MVR并聯雙效蒸發結晶系統的節能程度更大,其效能系數(COP)值為21.4,相同工況下高于傳統三效蒸發結晶系統82.2%,而單位能耗僅為傳統三效蒸發結晶系統的17.6%;其?效率高于傳統三效蒸發結晶系統51.5%,?損失則低于傳統三效蒸發結晶系統24.7%,這表明MVR并聯雙效蒸發結晶系統熱力學完善程度更高,在節能方面有較大的推廣應用潛力。

    機械蒸汽再壓縮(MVR)技術通過消耗少量電能,最大程度回收利用二次蒸汽的熱量,高效且節能,是目前最先進的蒸發濃縮技術之一。單效MVR系統是基于MVR技術的系統中形式最簡單的,其在海水淡化領域得到廣泛研究與應用,部分研究也針對其他含鹽溶液,以硫酸鈉溶液為工質對提出的單效MVR降膜蒸發濃縮系統進行了理論研究,在此基礎上加以實驗驗證,與常規單效蒸發系統相比節能節水效果明顯;針對高濃度氯化鈉溶液提出噴氣增焓型單級MVR蒸發結晶系統,研究了系統運行性能,有較高的效能系數(COP)值;Ai 等針對空調行業防凍液(氯化鈉溶液)再生處理,經理論與實驗分析證明MVR系統與傳統單效和三效蒸發系統相比的節能率大幅提高。

    為進一步提高節能效果,將MVR技術與傳統多效蒸發工藝相結合的處理系統被提出,將MVR技術與多效蒸發結合進行海水淡化處理,通過計算?和熱經濟學模型分析系統性能,對比得到兩效時系統性能最優;在此基礎上對降膜蒸發器進行了詳細設計并將泵的功耗考慮在內建立同一系統的數學模型,分析了效數對系統性能的影響;提出多效蒸發與MVR技術結合的廢堿液回收系統,計算了不同效數下系統的熱力性能并與蒸汽動力壓縮式(TVR)系統進行對比,MVR系統的理論COP值均高于20;設計了夾套式MVR蒸發濃縮系統,實驗表明兩臺蒸發器在少量補熱的情況下同時使用,節能效果十分顯著。

    對以MVR技術為支撐的蒸發濃縮系統已經有相當數量的研究,但將濃縮后的結晶過程與蒸發過程作為整體的研究較少,在結合傳統閃蒸結晶方面,針對硫酸氨溶液將MVR技術與多效閃蒸結合設計了兩效MVR蒸發結晶系統,通過系統模擬及工廠實際數據驗證證明其性能比單級MVR系統及三效蒸發系統更好。

    在結合多效蒸發方面,大多研究系統中只涉及一種類型蒸發器,以降膜蒸發器居多,其傳熱溫差較大、蒸汽耗量低,可用于蒸發高濃度溶液,但不適用于易結晶的物料,而強制循環蒸發器可以彌補降膜蒸發器的短板,在借助外力提供動力的條件下適用于鹽等其他結晶物質。除蒸發器類型外,蒸發器的連接方式多為串聯且目標系統規模較小,并聯方式和大規模生產系統鮮少研究;對于采用MVR技術處理工業廢水,系統復雜且生產處理規模較大,不同的系統組成和流程也是系統本身的特點。

    能量分析是評價系統性能的基本方法,而在熱力學第二定律的基礎上進一步發展起來的?分析法,能夠量化系統或設備不可逆損失的大小,是評價系統節能、熱力學完善程度的有力工具。現有對MVR技術進行?分析的研究,多集中在可以看作理想溶液的海水等低濃度物料上,對溶質含量較高的實際廢水溶液的研究相對較少。

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