改良MVR蒸發器在煤礦超高礦化度濃水處理中的應用

賀江海，馬寶祥，符紅軍，楊曉中，張文藝

（1.常州大學環境科學與工程學院，江蘇常州 213164； 2.江蘇遠方動力科技有限公司，江蘇常州 213100）

目前處理高礦化度礦井水常用的方法是反滲透膜工藝〔1-4〕，通過反滲透膜工藝，可以有效過濾大部分離子，但同時也會余留下超高礦化度的濃縮鹽水，這類廢水含鹽量極高，造成土壤鹽堿化并污染地下水〔5〕。煤礦超高礦化度的濃縮鹽水主要成分是氯化鈉和硫酸鈉，蒸發結晶回收其中的鹽分是最為理想的工藝。蒸發結晶工藝有單效蒸發工藝、多效蒸發工藝、蒸汽熱力再壓縮工藝（Thermal Vapor Recompression，簡稱TVR工藝）、蒸汽機械再壓縮工藝（Mechanical Vapor Recompression，簡稱MVR工藝等）〔6-8〕。其中單效蒸發工藝和多效蒸發工藝需要用煤燃燒生成蒸汽〔9〕，通過蒸汽管網將高溫蒸汽輸送到蒸發器中，蒸發產品的停留時間長，這就導致處理效率不高，能耗高且浪費嚴重。TVR工藝雖然也利用了蒸發時產生的二次蒸汽，但蒸發時消耗的仍然是高溫蒸汽，且蒸汽利用率仍在二效蒸發和三效蒸發之間，因此并不能做到節能。MVR工藝與TVR工藝一樣，都是充分利用蒸發結晶時產生的二次蒸汽，提高經濟性，但與之不同的是，MVR工藝蒸發消耗的是電能，經過優化后的MVR工藝能源利用率高于八效蒸發〔10〕。

利用MVR技術處理含鹽廢水，國內外已有許多學者對此工藝展開了研究。方健才等〔11〕在MVR技術處理氯化銨廢水方面進行了研究，在處理印刷線路板蝕刻過程中產生的廢水時，會產生高濃度的氯化銨廢水。試驗結果表明，當蒸發量為3 t/h時，與三效蒸發工藝相比，使用MVR技術處理這類高濃度的氯化銨廢水可節約運行成本近70%。馬振榮等〔12〕在硝酸鉀溶液的濃縮與脫硝實驗中，對比單效蒸發和MVR技術兩者的能耗后得出，MVR技術比傳統單效蒸發技術節約能耗約87%左右。汪超勤等〔13〕在MVR處理濃縮硫酸銅溶液方面進行了研究，結果表明，雖然傳統的蒸發工藝技術成熟，但蒸汽消耗巨大，使用MVR技術不僅可以減少蒸汽的使用，還可以充分利用冷凝水潛熱，在節能方面有 著 顯 著 的 優 勢。Deming YANG等〔14〕對MVR、TVR、多效蒸發3種工藝處理鹵水進行了研究，研究結果表明，在傳統工藝中，蒸發1 t水能耗約為445.2 kW·h，而使用MVR熱泵耦合單效蒸發和雙效蒸發之后，能耗分別降低了73.91%和80.82%〔15-17〕。MVR作為一種新型蒸發結晶工藝，應用于不同類型的高礦化度濃縮鹽水處理，其高效、節能潛力仍有待進一步深入研究。

本研究在深入分析MVR工藝原理與不足的基礎上，針對煤礦超高礦化度的濃縮鹽水水質特點及鹽分分離特點，改良設計并制備了一種MVR蒸發結晶裝置（150 kg/h），應用于煤礦超高礦化度濃縮鹽水（氯化鈉和硫酸鈉）的處理，并利用熱力學計算模型〔18-20〕，對其能耗進行了對比分析。

1 MVR工藝的改良

1.1 MVR技術存在的問題及演變

傳統的MVR工藝的蒸發器采用的是單效蒸發器，若僅使用單效蒸發器，在傳熱方面不能發揮出MVR工藝的優勢，因此，隨著工藝的發展，劉立等〔21〕對MVR熱泵技術與MVR技術、三效蒸發進行了分析，研究結果表明，MVR熱泵技術熱量損失最少。龐衛科等〔22〕對MVR系統多效蒸發方式進行了研究，研究結果表明，效數的增加能提升MVR系統的經濟性，但不能超過七效；且該工藝適用于處理溶液熱敏性較好、蒸發量較大的場合。楊錦波〔23〕在分析MVR技術處理濃縮硫酸銅溶液的優勢時指出，MVR技術蒸發濃縮硫酸銅溶液在能耗方面相比傳統的蒸發設備有著明顯的改善，但工藝還有待進一步優化。王晶晶等〔24〕對MVR工藝處理丙烯腈廢水進行了研究，研究表明，丙烯腈廢水經過MVR工藝處理與四效蒸發相比，運行成本降低了50%以上。任占勝等〔25〕在分析MVR蒸發氯化鈉和硫酸鈉溶液時指出，MVR技術一次性投入成本約為三效蒸發的2～3倍，但其單位能耗小，處理成本低。

MVR技術隨著時間的發展，已經演變成不同形式的工藝〔26〕，在處理不同鹽分的高鹽廢水、有機廢水方面，都有一定的應用領域。在節能效果上與傳統的MVR工藝相比也有了明顯的提升，因此MVR技術在能耗方面仍有很大的挖掘空間。

1.2 改良原理及思路

煤礦超高礦化度的濃縮鹽水主要成分是氯化鈉和硫酸鈉，成分較單一，蒸發結晶回收其中的鹽分是最為理想的工藝，氯化鈉的溶解度隨溫度變化較平緩，常溫下氯化鈉的溶解度為35.9 g，100 ℃時溶解度為39.8 g；硫酸鈉在20 ℃以下溶解度隨溫度變化明顯，20 ℃時溶解度為19.5 g，100 ℃時溶解度為42.5 g，因此可以控制蒸發溫度，實現高溫分離硫酸鈉，低溫分離氯化鈉。本裝置在MVR工藝的基礎上進行改良，蒸發器采用降膜蒸發器，并將蒸發結晶時產生的二次蒸汽回用至原液罐（即原液預熱器）對原液進行預熱，提高原液蒸發結晶時的初始溫度，從而減少蒸發結晶時的能耗，達到節能的目的。此外，還對MVR工藝原有的裝置用料進行改進，使用大量高溫超導材料，以增加整套裝置的傳熱效率。整個工藝流程可分為3部分：原液的蒸發過程、蒸汽的循環過程、原液預熱器的節能過程。整套裝置由原液預熱器、降膜蒸發器、氣液分離器、蒸汽再熱器、電磁加熱爐、結晶攪拌系統、真空緩沖罐等部分組成。圖1為本工藝的裝置結構圖。

圖1 改良MVR工藝流程Fig.1 Improved MVR process flow

1.3 原液的蒸發過程

未經加熱的原液從原液預熱器的原液進口流入，超過原液液位控制線后從原液出口處經原液管道流入蒸發器頂部，經高溫蒸汽蒸發至飽和或過飽和狀態，然后從底部的過飽和結晶水管道流入攪拌結晶器，在離心脫水機的作用下，將結晶固體回收，未蒸發完的原液從離心機出口處繼續回到原液預熱器，從而形成循環。在此過程中，將蒸發溫度控制在90～100 ℃，以便分離硫酸鈉，隨后將溫度降至55 ℃左右，用于分離氯化鈉。

在此過程中，起關鍵作用的是降膜蒸發器，降膜蒸發器由換熱管、加熱夾套、料液分布器組件，一次氣液分離室、二次氣液分離罐等組成。原液從上面流入蒸發器，料液分布器會把原液均勻地分配到換熱管中，并呈膜狀向下流，蒸汽在換熱管外面加熱原液，使得原液受熱蒸發。料液分布器在此過程中起到很關鍵的作用，通過控制流量，即控制液膜厚度的變化，從而滿足各種原液的結晶特點。若原液沒有均勻分布在換熱管管壁，可能會將原液蒸干，從而引起換熱管堵塞，阻礙液膜的流動。

1.4 蒸汽的循環過程

導熱油經電磁爐加熱后由泵抽至蒸汽再熱器加熱生蒸汽，并從底端流回電磁爐，而生蒸汽受熱后從頂部的飽和蒸汽管道流入降膜蒸發器加熱原液，加熱完原液后的蒸汽以及在加熱過程中液化的高溫冷凝水一部分進入底部的氣液分離器，經過蒸汽增壓器回到蒸汽再熱器繼續被熱導油加熱；另一部分蒸汽和高溫冷凝水由蒸汽疏水器進入冷凝汽水管道，回到原液預熱器預熱原液。

本裝置中，蒸汽加熱原液后溫度降至90 ℃，進入底部氣液分離器，氣液分離器分為一次氣液分離室、二次氣液分離罐，一次氣液分離室用來分離水蒸氣和蒸發完的過飽和結晶水，二次氣液分離罐用來分離蒸發完的二次蒸汽和已經冷卻的二次蒸汽冷凝水，二次氣液分離罐頂部的蒸汽增壓器則將二次蒸汽抽至蒸汽再熱器重新加熱至130 ℃。

1.5 原液預熱器的節能過程

上述過程中，加熱完原液的蒸汽和部分蒸汽液化的高溫冷凝水從冷凝汽水管道進入原液預熱器中的盤管，而原液被循環離心泵抽至頂部噴淋頭處以噴淋的形式噴灑在盤管上，因此可以對原液進行預加熱，以減少原液在薄膜蒸發器中加熱的能耗。蒸汽和高溫的冷凝水經過盤管后，從盤管尾部的出口流入真空緩沖罐，冷凝水從真空緩沖罐底部收集，蒸汽通過真空泵抽至大氣。

原液預熱器在整個過程中不僅起到存放原液作用，還要利用蒸發后的二次蒸汽對存放的原液進行預熱，因此原液預熱器材料的選擇會對能耗有一定的影響。原液預熱器內部的蒸發盤管中間采用聚四氟乙烯泡沫材料，其中微孔、多孔材料是由金屬材料或四氟材料經燒結或化學法制備。多孔材料內部有很多規則或不規則的空隙通道組成，并相互之間串聯，比表面積極大，孔隙率也極大。由于原液經噴淋頭噴淋在蒸發盤管上，會有部分原液受熱結晶并吸附在盤管上，而四氟乙烯材料良好的疏水性和較強的潤滑性，可以減少鹽分在材料表面的結垢現象。且聚四氟乙烯泡沫材料間有很多微小的空隙，這些微小的空隙一方面可以提高布水效果，另一方面可以利用空隙蒸發的原理，實現空隙蒸發，極大地提高蒸發效率。多孔泡沫結構的換熱面積比肋片式的提高3～5倍，更強化了傳熱效率。

1.6 小紀汗煤礦濃水處理前后冷凝液鹽分對比分析

由于處理前的小紀汗煤礦礦井水已經經過了反滲透工藝處理，有機污染物極少，主要為鈉鹽及其他重金屬離子，因此僅對SO42-、NO3-、Pb2+、Cr6+、As3+、Ca2+、K+、Na+等指標進行檢測分析。表1所示為本研究的改良MVR蒸發器處理前的濃水和蒸發結晶后得到的冷凝液鹽分對比分析。

表1 煤礦超高礦化度濃縮鹽水（處理前）與冷凝液鹽分對比Table 1 Comparison of salt content of concentrated brine（before treatment） and condensate with ultra-high salinity in coal mine

由表1可以看出，本裝置對于煤礦超高礦化度濃縮鹽水中的全鹽量去除率可達91.24%，其中對NO3-、Pb2+的去除率達99%以上，對Na+、As3+、Cr6+的去除率達90%以上，對SO42-的去除率達80%以上。冷凝液中的Pb2+、Cr6+、As3+均滿足《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》中的Ⅲ類水質要求，NO3-滿足Ⅳ類水質要求。

2 改良MVR蒸發器的能耗對比分析

2.1 傳統MVR工藝的能耗計算

在處理濃原液流量150 kg/h，未蒸發前原液溫度20 ℃，蒸發溫度80 ℃，加熱后蒸汽溫度130 ℃，蒸發后蒸汽溫度60 ℃條件下，計算能耗。

2.1.1 預熱計算

1）物料預熱計算。根據式（1）計算物料預熱所需熱量。

式中：Q——原液預熱所需熱量，kJ/h；

G——原液流量，kg/h；

C——原液比熱，此處取2.85 kJ（/kg·℃）；

tn——原液預熱后的溫度，℃；

tn-1——原液預熱前的溫度，℃。

第一級預熱器采用蒸發后的冷凝水對原液進行預熱，蒸發后的冷凝水按100 ℃來計算，冷凝水預熱原液后冷卻至60 ℃，原液從原來的20 ℃上升至50 ℃。第二級預熱器采用加熱后的蒸汽對原液進行蒸發結晶，加熱后的蒸汽溫度為130 ℃，蒸發溫度為80 ℃，蒸發完二次蒸汽的溫度為60 ℃。因此將數據帶入物料預熱計算公式，可得第一級預熱器所需熱 量Q1=150×2.85×（60-20）=17 100 kJ/h，第 二 級 預熱器所需熱量Q2=150×2.85×（130-60）=29 925 kJ/h。

2）第一級預熱面積計算。由式（1）中所設定的溫度，蒸發后的冷凝水按100 ℃來計算，冷凝水預熱原液后冷卻至60 ℃，原液從原來的20 ℃上升至50 ℃。根據式（2）對第一級預熱對數平均溫差進行求解。

式中：Δt——對數平均溫差，℃；

Δt1——蒸發后冷凝水溫度與原液預熱后的溫度之差，℃；

Δt2——冷凝水放熱后的溫度與原液初始溫度之差，℃。

其中Δt1=100-50=50 ℃，Δt2=60-20=40 ℃，可得第一級預熱對數平均溫差Δt==43.8 ℃。

之后根據式（3）計算換熱面積。

式中：F——換熱面積，m2；

Q——預熱器所需熱量，kJ/h；

k——傳熱系數，kJ（/m2·℃）；

Δt——對數平均溫差，℃。

其中 第 一 級Q=17 100 kJ/h，k=800 kJ（/m2·℃），Δt=43.8 ℃，因 此 第 一 級 預 熱 面 積 為F==0.488 m2。

3）第二級預熱面積計算。根據式（1）中所設定的溫度，加熱后的蒸汽溫度為130 ℃，蒸發溫度為80 ℃，蒸發完二次蒸汽的溫度為60 ℃。依據式（2）得第二級預熱對數平均溫差Δt=第二級預熱換熱面積F=0.45 m2。

2.1.2 蒸發器蒸汽消耗量與換熱面積計算

蒸汽消耗量計算見式（4）。

式中：D——蒸汽消耗量，kg/h；

R——蒸汽潛熱，取2 239.6 kJ/kg；

W——二次蒸汽量，100 kg/h；

r——二次蒸汽潛熱，取2 271 kJ/kg；

Q——預熱熱量，kJ/h；

q0——熱損失，按6%計算。

將數據帶入上述公式，可得蒸汽消耗量：

式中Q為蒸汽潛熱，取2 239.6 kJ/h；k為傳熱系數，取800 kJ（/m2·℃）。

2.1.3 蒸汽費及電費

假設一般工業蒸汽價格為350 元/t，全年不間斷運行，工業電費1元（/kW·h），壓縮機的功率為50 kW，則蒸汽費=179.41×365×24×0.35=550 040.4 元/a，電費=50×365×24×1=438 000 元/a。

2.2 改良MVR能耗計算

已知改良MVR進料量F=0.15 t/h，料液初始濃度X0=0.04%，蒸發完成后溶液濃度為X3=40%，蒸發溫度T1=80 ℃，加熱蒸汽溫度T2=130 ℃，蒸汽出口溫度T3=100 ℃，計算其能耗。

2.2.1 蒸發量

根據物料衡算，理論所需蒸汽量為：

2.2.2 有效傳熱差

有效傳熱差=加熱蒸汽溫度-溶液的沸點，Δt2=T2-（T3+Δm）=130-110=20 ℃

2.2.3 降膜蒸發器熱負荷計算

已知ρl=952 kg/m3，ρv=1.495×103kg/m3，hlv=2 174 kJ/kg，導 熱 系 數λ=0.683 W/(m·℃)，流 體 黏 度μl=0.000 283 Pa·s，進行以下計算：

總熱量：

管內熱流密度：

管內傳熱系數：

管外蒸汽冷凝：

總傳熱系數：

傳熱面積：

現有面積：

式中：Q——總熱量，kW；

K——總傳熱系數，W（/m2·℃）；

Δm——沸點升高，℃；

d——換熱管管徑，m；

L——換熱管管長，m；

N——換熱管數量，個。

2.2.4 蒸汽再熱器傳熱計算

再生器輸出熱量（假設剩余10%的130 ℃飽和蒸 汽）Q=Q蒸發器×（1+10%）=110 kW，蒸 汽 需 求 量（130 ℃飽和蒸汽）M=Q/i130蒸汽=145.6 kg/h（其中i80蒸汽=2 643.55 kJ/kg），再 生 器 輸 入 熱 量Q’=M×i80蒸汽=106.9 kW（其中i130蒸汽=2 720.44 kJ/kg），廢汽水凝結量ΔM=150-145.6=4.4 kg/h，蒸汽再熱器導熱油補充功率Q導熱油=Q-Q’=3.1 kW。

2.2.5 蒸汽費及電費

電磁加熱導熱油需滿負荷預熱1 h，再以3.1 kW功 率 補 充 加 熱，蒸 汽 費=164.835×365×24×0.35=505 384.11元/a，電 費=50×1+3.1×365×24×1=27 260元/a。

2.3 傳統MVR與改良MVR能耗計算對比

表2為處理量為150 kg/h的傳統MVR與改良MVR能耗的對比結果。

表2 能耗對比Table 2 Comparison of energy consumption calculation

由表2可以看出，改良MVR工藝蒸汽消耗量比傳統MVR工藝少約30 kg/h，傳熱面積大了約2 m2；改良MVR工藝還設置了原液預熱裝置，其內部采用聚四氟乙烯涂層，進一步增加了原液預熱裝置的保溫性，使得改良MVR工藝的蒸汽加熱器只有剛開始工作的時候需要滿負荷加熱，其余時間只需要以3.1 kW對蒸汽補充加熱，因此電費比傳統MVR工藝少很多。若蒸汽費按350元/t來計算，經過改良后可以節約29.55 kg/h蒸汽，合計10.34元/h，每天可以節約蒸汽費122.346元，每年可以節約蒸汽費44 656.29元，處理1 t超高礦化度濃水可節約蒸汽消耗130 kg，若按1 kg飽和蒸汽折合0.14 kg標準煤來計算，處理1 t高礦化度礦井水可節約標準煤約18 kg。

3 結論

針對煤礦超高礦化度的氯化鈉、硫酸鈉濃縮鹽水，通過換用降膜蒸發器、增加原液預熱裝置并利用蒸發后二次蒸汽預熱原液等方法改進的MVR蒸發結晶裝置（150 kg/h），較傳統MVR工藝的傳熱面積為2.80 m2、蒸汽消耗量179.40 kg/h，提高至傳熱面積為4.89 m2、蒸汽消耗量減少到149.85 kg/h，每小時節約蒸汽消耗約30 kg，折合標準煤約2.8 kg，節能及碳減排效益顯著。