蒸发浓缩技术是化工、海水淡化、废水处理、食品加工等领域常用的操作工艺技术,特别在高盐度废水处理过程中,能够有效回收废水中的有用资源,实现废水资源化利用。但由于常规的蒸发浓缩技术如单效、多效蒸发存在系统复杂、能耗高、运行费用昂贵等缺陷,严重影响了其广泛推广和使用。本文引入了机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发技术,是一项新兴的高效节能蒸发浓缩技术,其在高盐度废水处理领域将具有广泛的应用前景。首先,本文提出了采用MVR蒸发技术处理含Na2S04高盐度废水的工艺流程,可以实现将经过预处理后的高盐度废水蒸发浓缩,并回收其中的可用无机盐资源,蒸馏水实现达标排放。该蒸发系统引入了蒸汽压缩机,将系统的二次蒸汽有效回收进行再压缩后作为加热蒸汽循环使用,有效利用了二次蒸汽剩余潜热并节省了大量二次蒸汽用冷却水。其次,为了深入对MVR蒸发系统进行性能分析研究,根据MVR废水处理工艺流程,建立系统的物理模型和数学模型,进行系统的理论分析研究,并着重对MVR蒸发高盐度废水系统的设计中重要的工艺参数进行影响因素分析。基于蒸发量为20kg/h的含Na2S04废水处理系统,较高的进料温差和传热温差值将显著减小系统的换热面积,但对应的压缩机耗功量较大,因此从节能和经济性的角度,应选取系统进料温差在2—4℃,传热温差在3—10℃范围内。蒸发温度对系统换热面积及压缩机能耗的影响较小,其主要影响压缩机的抽气量大小和压缩机的选型,因此,系统的蒸发温度在70—90℃范围内比较合适。此外,在MVR蒸发系统性能分析的基础上,本课题组搭建了“东华大学蒸发浓缩实验平台”,本实验系统设计蒸发量为20kg/h,包含常规单效蒸发和MVR蒸发两套系统。同时,分别就实验系统的浓度控制、蒸汽压缩机运行以及MVR蒸发和单效蒸发基本工况等几方面做了相关的实验研究。由实验结果可知,在蒸发温度为80.1℃,传热温差为5.2℃,进出料浓度分别为2%和10%的运行工况下,系统的蒸发量为18.6kg/h,压缩机运行能耗在lkW,换算成单位蒸发量的比耗功为53.7kWh/m3,并且系统蒸发量和压缩机能耗都随着传热温差的增加而增大;此外,由常规单效蒸发系统的实验结果可知,其单位蒸发量对应的耗功量为652.7kWh/m3,且需消耗二次蒸汽用冷却水流量达300kg/h,与此相比,MVR蒸发系统能耗仅为其8.2%,且不需消耗额外的冷却水,节能节水效果明显。因此,MVR蒸发系统在高盐度废水处理领域具有较好的应用前景。最后,针对蒸发温度和传热温差两个主要影响因素,深入分析了MVR蒸发系统的运行性能,结果显示:进出料浓度分别为2%和10%的工况条件下,随着传热温差的增加,系统的蒸发量和压缩机的比耗功都呈显著增加的趋势,而蒸发温度的增大可以使系统在增大蒸发量的同时降低比功耗。因此,在满足系统蒸发量和防腐防垢的条件下,选取较小的传热温差值和较大的蒸发温度较为经济。
