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摘要：神华煤直接液化项目污水处理以实现“零”排放为标准，蒸发技术在“零”排放工艺中发挥着重要的作用，本文介绍了污水处理引进的GE蒸发器的技术特点以及在含盐污水处理工艺中的成功应用。
关键词：蒸发技术特点工艺成本核算
中图分类号：TL941+.12文献标识码： A 文章编号：
1前言
近年来我国水资源短缺情况显得日益严重，大量工业污水的排放造成了一定的环境污染，同时也是对有限水资源的浪费，媒体上也时有报道某企业为国家创造了大量财富但同时也造成了很严重的环境污染不得不关停整改的事件，尽可能多的回收水资源并且保护生态环境是每个企业的责任和义务。目前我国大部分企业一般都能实现污水处理后绝大部分污水达标排放或循环利用，但对于部分高含盐污水，特别是常规反渗透浓水没有有效的方法进行进一步处理，导致这部分高含盐浓水不得不被迫稀释排放，从而造成一定的污染和浪费。有些企业为了提高污水系统回收率，或增加多段反渗透或采用浓水反渗透技术，但无论采取何种形式，均为常规反渗透技术，如果反渗透的回收率提高到85%，则在最后一段的浓水侧，含盐水将被浓缩6-7倍，在此种情况下有机物污染、生物污堵和结垢性污染风险将会显著增大，反渗透膜发生污堵的问题难以避免，系统很难稳定运行，从而无法实现污水回收率的提高。
神华煤直接液化项目是我国同时也是世界上第一个煤炭直接液化商业性建设项目，神华煤直接液化项目作为国家示范工程在污水处理和环境保护方面也起到了表率作用，该项目产水的污水成分复杂、污染物种类多、浓度高、国内外没有类似的污水处理经验可借鉴。根据国家环境保护总局关于神华煤直接液化项目环境影响报告书审查意见的批复要求，贯彻清污分流、污污分治、一水多用、节约用水的原则，对不同水质的废水分别进行处理，最大限度地提高水的重复利用率及废水资源化利用率，装置产生的含油污水、高浓度有机废水、含盐废水等经处理后均要返回系统回用，高含盐废水处理后要求达到零排放。对于反渗透浓液以及高含盐的催化剂废水（TDS为50000ppm）采用常规方法无法进行有效处理，经过反复考证，该项目选用了美国通用公司（GE）的双效蒸发技术，对含盐浓水进行深度蒸发处理，从而实现污水回用，实现了真正意义上的零排放。
2 GE蒸发技术特点
使含有不挥发溶质的溶液沸腾气化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。蒸发器技术广泛应用于化工、食品、制药、原子能、污水处理以及海水淡化等领域。
2.1蒸发工艺过程原理
在蒸发系统启动前，通过向料液中添加硫酸钙晶体(做为盐种),使浓盐水在循环过程产生的硫酸钙等沉淀在盐种上结晶增长。由于循环泵的机械搅动打碎了这些固体颗粒，在蒸发器循环浓缩过种中产生了新的盐种,而且新的盐种连续产生，因此在蒸发器正常运行时不需要另外添加盐种。
蒸发器底槽浓盐水经过底部循环泵连续循环到蒸发器顶部，在顶部经过RCC专利分配器流入换热器的各管束，并在管束内下降到底槽。在水膜下降过程中，一部分水被加热蒸发，专利分配器将浓盐水在管束内形成均匀薄膜从而防止管壁结垢。蒸气进入加热器的壳程把热量传递到管束内的浓盐水，蒸汽释放热量后在壳程形成蒸馏水。蒸镏水用来加热进料回收余热，冷却后蒸馏水进行回用。
为避免在蒸发器中形成结垢，含盐种的浓液在换热器管束内连续循环。通过控制RCC专利设计参数诸如浓液的密度、盐种特性和系统几何学，使蒸发器能够在结垢环境中运行。由于管束内浓盐水膜的水蒸发，剩余的成为超饱和盐水薄膜，硫酸钙、磷酸钙、硅土和其它结垢化合物开始沉淀。沉淀的物质促进了浓液中结晶的形成，沉淀物质粘附在盐种表面上，从而防止沉淀结垢物质在管壁表面结垢。通过控制蒸发器底槽中浓液的排放量以保持浓液中合适TDS的含量。
2.2 蒸发器的经济性
根据污水场来水水质和水量的特点，神华煤直接液化项目采用了GE双效降膜蒸发工艺，双效蒸发提高了加热蒸气的利用率，提高了经济性。对于蒸发等量的水分而言，采用双效蒸发时所需的加热蒸气较单效蒸发少。不同效数的单位蒸气消耗量见表1。此外，GE蒸发器浓缩效果较高，污水场蒸发器来水共计232 m3/h，产生的浓缩液共计为20 m3/h，污水回收率达到90%以上。
表1不同效数时的单位蒸气消耗量[1]
3 蒸发技术在污水处理工艺中的应用
3.1来水状况
污水場的蒸发器来水包括两部分：E-1蒸发器来水是由电厂脱盐水站废水与RO浓液混合沉淀之后产生的含盐浓水，水量为129 m3/h；E-2蒸发器来水是催化剂废水，水量为103 m3/h。具体水质见表2和表3。
表2 E1进料水质
3.2处理工艺
含盐浓水蒸发工艺流程见下图：
处理工艺简介：
双膜法处理后的浓液同电厂高含盐废水混合后共129m3/h，经泵输送到含盐废水缓冲罐，经含盐废水缓冲输送泵送到E-1蒸发器进料罐，在进料罐中加氯化钙、硫酸、阻垢剂并用搅拌器进行搅拌均化。在罐内用酸把PH值调整到大约5.5，调整了PH值的进料用泵输送到板框换热器对进料进行加热。加热热源来自E-2蒸馏水罐中的蒸馏水。进料在换热器加热到接近沸点后进入除气器。含盐废水在除气器中去除二氧化碳、氧气和其它不凝气体。去除二氧化碳防止碳酸盐结垢，去除氧防腐蚀，除氧器内压力要稍高于蒸发器底槽内压力。
经过加热、除氧的进料进入到蒸发器底槽与循环浓盐液进行混合，混合后浓盐液经循环泵循环到蒸发器顶部换热器的配水箱,然后经专利分水器将盐水均匀分布到换热器每个管束内并呈液膜的形态从管束下降到底槽。在换热器管束外面通入由减温减压器来的蒸气，蒸气将其潜热传到管束内的浓盐水中。蒸汽释放潜热后变成冷凝水靠重力流到E-1主冷凝液罐中，然后由主冷凝液泵输送到燃气锅炉回用。管束内浓盐液一部分蒸发产生蒸气，一部分下降到蒸发器底槽与进料混合后再循环。在蒸发器底槽上部的蒸气经除雾器去除蒸汽中固体颗粒，产生高质量蒸气大部分去E-2蒸发器换热器作为热源；一小部分去辅空冷。去E-2蒸发器换热壳程的蒸气和去辅空冷的蒸气冷凝后进入E-2蒸馏水罐，然后用泵输送到E-1板式换热器给E-1进料加热。冷却后蒸馏水去E-1蒸馏水罐，再用蒸馏水输送泵输送到蒸发器产品水罐。产品水用产品水泵输送电站回用。E-1含盐蒸发器产生118m3/h高质量蒸馏水。同时为维持蒸发器底槽内TDS，需要排放浓盐液为11m3/h。
催化剂废水共103m3/h，由备煤输送泵直接输送到催化剂废水调节罐，经催化剂废水输送泵送到E-2蒸发器进料罐，在进料罐中加硫酸、阻垢剂并用搅拌器进行搅拌均化。在罐内用酸把PH值调整到大约5.5，调整了PH值的进料用泵输送到板框换热器对进料进行加热。加热热源来自E-2冷凝水罐中的冷凝水。进料在换热器加热到接近沸点后进入除气器。催化剂废水在除气器中去除二氧化碳、氧气和其它不凝气体。去除二氧化碳防止碳酸盐结垢，去除氧防腐蚀，除氧器内压力要稍高于蒸发器底槽内压力。
经过加热、除氧的进料进入到蒸发器底槽与循环浓盐液进行混合，为了防止蒸发器中氨的挥发，在浓液中加硫酸将pH调节到大约3-4。混合后浓盐液经循环泵循环到蒸发器顶部换热器的配水箱,然后经专利分水器将盐水均匀分布到换热器每个管束内并呈液膜的形态从管束下降到底槽。在换热器管束外面通入由E-1蒸发器产生的蒸气，蒸气将其潜热传到管束内的浓盐水中。蒸汽释放潜热后变成冷凝水靠重力流到E-2蒸馏水罐中，然后由蒸馏水泵输送到E-1蒸发器换热器加热E-1进料。管束内浓盐液一部分蒸发产生蒸气，一部分下降到蒸发器底槽与进料混合后再循环。在蒸发器底槽上部的蒸气经除雾器去除蒸汽中固体颗粒，产生高质量蒸气去主空冷器进行冷却。冷凝水进入E-2冷凝水罐，然后用泵输送到E-2板式换热器给E-2进料加热，冷却后蒸馏水去E-2冷凝水罐，再用冷凝水输送泵输送到蒸发器产品水罐，产品水用泵输送电站回用。
含盐蒸发器产生92m3/h高质量蒸馏水，同时为维持蒸发器底槽内TDS，需要排放浓盐液为9m3/h。浓盐液排放到催化剂废水浓盐液罐中，然后用泵输送到结晶系统进行处理，经过结晶处理，产生固体硫酸铵直接作为化肥外卖，产生的二次蒸汽冷凝液作为高品质回用水回用。 [2]
3.3处理效果
含盐污水经过上述工艺处理之后，产品水水质指标见表4、表5。
表4 E1产品水水质
通过分析数据可以看出，高含鹽废水经蒸发后，E1、E2产品水水质完全能达到优级再生水的标准，完全满足回用水水质要求，全部回收利用，E1浓液去蒸发塘自然蒸发，E2浓液去结晶装置进一步处理实现了污水零排放，达到了安全环保、节约用水的目的。
4 运行成本
蒸发技术常常以投资费用高尤其是运行成本高而让众多企业望而却步，现将神华煤直接液化污水蒸发器长周期平稳运行后的运行成本进行分析,以供参考,详见表6。
表6 蒸发工艺公用工程消耗表
从上表计算可以得知，处理每吨含盐废水成本大约为53.607元，虽然运行能耗较高，但在运行费用中，蒸汽占主导，本项目用于做蒸发装置的蒸汽来源于工厂PSA尾气回收产生的蒸汽，属于是废气综合利用产生热能用于蒸发，只要企业能综合优化自己的物料平衡，把工厂余热充分利用，蒸发工艺的运行成本可以有效进行降低。如果能进一步优化工艺、优化操作、特别是使用药剂的国产化将使得蒸发器的运行成本达到为企业所接受范围。
5 其他污水高效回收工艺
蒸发技术是高含盐污水的有效处理方法之一，其中分为多效蒸发和单效蒸发，采用电驱动机械蒸汽再压缩（MVR）降膜单效蒸发技术能耗较低、运行费用较低，比多效蒸发在运行成本上更具有优势，像阿奎特、威立雅、麦王、通用等国外大公司都成功开发了该技术，这一技术在国外众多污水处理工艺上都有非常成功的应用。另外还有很多其他技术也有很好的处理效果，近年来相继出现了高效反渗透技术、倒级电渗析（EDR）技术、纳滤技术、电吸附等技术都可以有效的提高污水处理回收率。采用何种工艺要结合企业自身的水质特点、经济实力和当地环保要求进行综合考虑，如果盲目进行效仿，结果往往会得不偿失。
6 结束语
采用蒸发工艺处理浓盐水最大限度地提高水的重复利用率及废水资源化利用率，特别是对于水资源匮乏、用水紧张的中国西部地区，要求零排放显得尤为重要。该工艺以实现零排放的目标，最大限度的减少了对环境的污染，符合国家环保政策，引领着污水深度高效处理的发展方向。
参考文献
[1] 姚玉英.化工原理. 天津科技出版社，2002.
[2] 神华煤液化含盐污水处理工艺技术规程.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：蒸发技术特点工艺成本核算
中图分类号：TL941+.12文献标识码： A 文章编号：
1前言
近年来我国水资源短缺情况显得日益严重，大量工业污水的排放造成了一定的环境污染，同时也是对有限水资源的浪费，媒体上也时有报道某企业为国家创造了大量财富但同时也造成了很严重的环境污染不得不关停整改的事件，尽可能多的回收水资源并且保护生态环境是每个企业的责任和义务。目前我国大部分企业一般都能实现污水处理后绝大部分污水达标排放或循环利用，但对于部分高含盐污水，特别是常规反渗透浓水没有有效的方法进行进一步处理，导致这部分高含盐浓水不得不被迫稀释排放，从而造成一定的污染和浪费。有些企业为了提高污水系统回收率，或增加多段反渗透或采用浓水反渗透技术，但无论采取何种形式，均为常规反渗透技术，如果反渗透的回收率提高到85%，则在最后一段的浓水侧，含盐水将被浓缩6-7倍，在此种情况下有机物污染、生物污堵和结垢性污染风险将会显著增大，反渗透膜发生污堵的问题难以避免，系统很难稳定运行，从而无法实现污水回收率的提高。
神华煤直接液化项目是我国同时也是世界上第一个煤炭直接液化商业性建设项目，神华煤直接液化项目作为国家示范工程在污水处理和环境保护方面也起到了表率作用，该项目产水的污水成分复杂、污染物种类多、浓度高、国内外没有类似的污水处理经验可借鉴。根据国家环境保护总局关于神华煤直接液化项目环境影响报告书审查意见的批复要求，贯彻清污分流、污污分治、一水多用、节约用水的原则，对不同水质的废水分别进行处理，最大限度地提高水的重复利用率及废水资源化利用率，装置产生的含油污水、高浓度有机废水、含盐废水等经处理后均要返回系统回用，高含盐废水处理后要求达到零排放。对于反渗透浓液以及高含盐的催化剂废水（TDS为50000ppm）采用常规方法无法进行有效处理，经过反复考证，该项目选用了美国通用公司（GE）的双效蒸发技术，对含盐浓水进行深度蒸发处理，从而实现污水回用，实现了真正意义上的零排放。
2 GE蒸发技术特点
使含有不挥发溶质的溶液沸腾气化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。蒸发器技术广泛应用于化工、食品、制药、原子能、污水处理以及海水淡化等领域。
2.1蒸发工艺过程原理
在蒸发系统启动前，通过向料液中添加硫酸钙晶体(做为盐种),使浓盐水在循环过程产生的硫酸钙等沉淀在盐种上结晶增长。由于循环泵的机械搅动打碎了这些固体颗粒，在蒸发器循环浓缩过种中产生了新的盐种,而且新的盐种连续产生，因此在蒸发器正常运行时不需要另外添加盐种。
蒸发器底槽浓盐水经过底部循环泵连续循环到蒸发器顶部，在顶部经过RCC专利分配器流入换热器的各管束，并在管束内下降到底槽。在水膜下降过程中，一部分水被加热蒸发，专利分配器将浓盐水在管束内形成均匀薄膜从而防止管壁结垢。蒸气进入加热器的壳程把热量传递到管束内的浓盐水，蒸汽释放热量后在壳程形成蒸馏水。蒸镏水用来加热进料回收余热，冷却后蒸馏水进行回用。
为避免在蒸发器中形成结垢，含盐种的浓液在换热器管束内连续循环。通过控制RCC专利设计参数诸如浓液的密度、盐种特性和系统几何学，使蒸发器能够在结垢环境中运行。由于管束内浓盐水膜的水蒸发，剩余的成为超饱和盐水薄膜，硫酸钙、磷酸钙、硅土和其它结垢化合物开始沉淀。沉淀的物质促进了浓液中结晶的形成，沉淀物质粘附在盐种表面上，从而防止沉淀结垢物质在管壁表面结垢。通过控制蒸发器底槽中浓液的排放量以保持浓液中合适TDS的含量。
2.2 蒸发器的经济性
根据污水场来水水质和水量的特点，神华煤直接液化项目采用了GE双效降膜蒸发工艺，双效蒸发提高了加热蒸气的利用率，提高了经济性。对于蒸发等量的水分而言，采用双效蒸发时所需的加热蒸气较单效蒸发少。不同效数的单位蒸气消耗量见表1。此外，GE蒸发器浓缩效果较高，污水场蒸发器来水共计232 m3/h，产生的浓缩液共计为20 m3/h，污水回收率达到90%以上。
表1不同效数时的单位蒸气消耗量[1]
3 蒸发技术在污水处理工艺中的应用
3.1来水状况
污水場的蒸发器来水包括两部分：E-1蒸发器来水是由电厂脱盐水站废水与RO浓液混合沉淀之后产生的含盐浓水，水量为129 m3/h；E-2蒸发器来水是催化剂废水，水量为103 m3/h。具体水质见表2和表3。
表2 E1进料水质
3.2处理工艺
含盐浓水蒸发工艺流程见下图：
处理工艺简介：
双膜法处理后的浓液同电厂高含盐废水混合后共129m3/h，经泵输送到含盐废水缓冲罐，经含盐废水缓冲输送泵送到E-1蒸发器进料罐，在进料罐中加氯化钙、硫酸、阻垢剂并用搅拌器进行搅拌均化。在罐内用酸把PH值调整到大约5.5，调整了PH值的进料用泵输送到板框换热器对进料进行加热。加热热源来自E-2蒸馏水罐中的蒸馏水。进料在换热器加热到接近沸点后进入除气器。含盐废水在除气器中去除二氧化碳、氧气和其它不凝气体。去除二氧化碳防止碳酸盐结垢，去除氧防腐蚀，除氧器内压力要稍高于蒸发器底槽内压力。
经过加热、除氧的进料进入到蒸发器底槽与循环浓盐液进行混合，混合后浓盐液经循环泵循环到蒸发器顶部换热器的配水箱,然后经专利分水器将盐水均匀分布到换热器每个管束内并呈液膜的形态从管束下降到底槽。在换热器管束外面通入由减温减压器来的蒸气，蒸气将其潜热传到管束内的浓盐水中。蒸汽释放潜热后变成冷凝水靠重力流到E-1主冷凝液罐中，然后由主冷凝液泵输送到燃气锅炉回用。管束内浓盐液一部分蒸发产生蒸气，一部分下降到蒸发器底槽与进料混合后再循环。在蒸发器底槽上部的蒸气经除雾器去除蒸汽中固体颗粒，产生高质量蒸气大部分去E-2蒸发器换热器作为热源；一小部分去辅空冷。去E-2蒸发器换热壳程的蒸气和去辅空冷的蒸气冷凝后进入E-2蒸馏水罐，然后用泵输送到E-1板式换热器给E-1进料加热。冷却后蒸馏水去E-1蒸馏水罐，再用蒸馏水输送泵输送到蒸发器产品水罐。产品水用产品水泵输送电站回用。E-1含盐蒸发器产生118m3/h高质量蒸馏水。同时为维持蒸发器底槽内TDS，需要排放浓盐液为11m3/h。
催化剂废水共103m3/h，由备煤输送泵直接输送到催化剂废水调节罐，经催化剂废水输送泵送到E-2蒸发器进料罐，在进料罐中加硫酸、阻垢剂并用搅拌器进行搅拌均化。在罐内用酸把PH值调整到大约5.5，调整了PH值的进料用泵输送到板框换热器对进料进行加热。加热热源来自E-2冷凝水罐中的冷凝水。进料在换热器加热到接近沸点后进入除气器。催化剂废水在除气器中去除二氧化碳、氧气和其它不凝气体。去除二氧化碳防止碳酸盐结垢，去除氧防腐蚀，除氧器内压力要稍高于蒸发器底槽内压力。
经过加热、除氧的进料进入到蒸发器底槽与循环浓盐液进行混合，为了防止蒸发器中氨的挥发，在浓液中加硫酸将pH调节到大约3-4。混合后浓盐液经循环泵循环到蒸发器顶部换热器的配水箱,然后经专利分水器将盐水均匀分布到换热器每个管束内并呈液膜的形态从管束下降到底槽。在换热器管束外面通入由E-1蒸发器产生的蒸气，蒸气将其潜热传到管束内的浓盐水中。蒸汽释放潜热后变成冷凝水靠重力流到E-2蒸馏水罐中，然后由蒸馏水泵输送到E-1蒸发器换热器加热E-1进料。管束内浓盐液一部分蒸发产生蒸气，一部分下降到蒸发器底槽与进料混合后再循环。在蒸发器底槽上部的蒸气经除雾器去除蒸汽中固体颗粒，产生高质量蒸气去主空冷器进行冷却。冷凝水进入E-2冷凝水罐，然后用泵输送到E-2板式换热器给E-2进料加热，冷却后蒸馏水去E-2冷凝水罐，再用冷凝水输送泵输送到蒸发器产品水罐，产品水用泵输送电站回用。
含盐蒸发器产生92m3/h高质量蒸馏水，同时为维持蒸发器底槽内TDS，需要排放浓盐液为9m3/h。浓盐液排放到催化剂废水浓盐液罐中，然后用泵输送到结晶系统进行处理，经过结晶处理，产生固体硫酸铵直接作为化肥外卖，产生的二次蒸汽冷凝液作为高品质回用水回用。 [2]
3.3处理效果
含盐污水经过上述工艺处理之后，产品水水质指标见表4、表5。
表4 E1产品水水质
通过分析数据可以看出，高含鹽废水经蒸发后，E1、E2产品水水质完全能达到优级再生水的标准，完全满足回用水水质要求，全部回收利用，E1浓液去蒸发塘自然蒸发，E2浓液去结晶装置进一步处理实现了污水零排放，达到了安全环保、节约用水的目的。
4 运行成本
蒸发技术常常以投资费用高尤其是运行成本高而让众多企业望而却步，现将神华煤直接液化污水蒸发器长周期平稳运行后的运行成本进行分析,以供参考,详见表6。
表6 蒸发工艺公用工程消耗表
从上表计算可以得知，处理每吨含盐废水成本大约为53.607元，虽然运行能耗较高，但在运行费用中，蒸汽占主导，本项目用于做蒸发装置的蒸汽来源于工厂PSA尾气回收产生的蒸汽，属于是废气综合利用产生热能用于蒸发，只要企业能综合优化自己的物料平衡，把工厂余热充分利用，蒸发工艺的运行成本可以有效进行降低。如果能进一步优化工艺、优化操作、特别是使用药剂的国产化将使得蒸发器的运行成本达到为企业所接受范围。
5 其他污水高效回收工艺
蒸发技术是高含盐污水的有效处理方法之一，其中分为多效蒸发和单效蒸发，采用电驱动机械蒸汽再压缩（MVR）降膜单效蒸发技术能耗较低、运行费用较低，比多效蒸发在运行成本上更具有优势，像阿奎特、威立雅、麦王、通用等国外大公司都成功开发了该技术，这一技术在国外众多污水处理工艺上都有非常成功的应用。另外还有很多其他技术也有很好的处理效果，近年来相继出现了高效反渗透技术、倒级电渗析（EDR）技术、纳滤技术、电吸附等技术都可以有效的提高污水处理回收率。采用何种工艺要结合企业自身的水质特点、经济实力和当地环保要求进行综合考虑，如果盲目进行效仿，结果往往会得不偿失。
6 结束语
采用蒸发工艺处理浓盐水最大限度地提高水的重复利用率及废水资源化利用率，特别是对于水资源匮乏、用水紧张的中国西部地区，要求零排放显得尤为重要。该工艺以实现零排放的目标，最大限度的减少了对环境的污染，符合国家环保政策，引领着污水深度高效处理的发展方向。
参考文献
[1] 姚玉英.化工原理. 天津科技出版社，2002.
[2] 神华煤液化含盐污水处理工艺技术规程.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。