MVR技术处理高盐废水工艺的模拟与分析

摘要：建立了 MVR 高盐废水蒸发结晶系统的模型并对其过程进行模拟，模拟结果与现场数据吻合较好｡同时分析了工艺参数压缩比､系统操作压力对能效比 COP 和强制循环加热器传热温差的影响，获得了优化工艺参数，压缩比为1. 7 ~ 2，蒸发结晶器操作压力为 45 ~ 60 k Pa｡该研究结果对优化 MVR 蒸发结晶系统过程参数以实现高盐废水节能零排放处理有重要的指导意义｡

关键词：MVR 技术；高盐废水；模型；模拟

0 引言

近年来随着我国工业规模的不断扩大，工业用水量逐年递增，同时废水产量也迅速增加｡化工､冶金､电力等行业产生的工业废水经处理后为达标排放水，再采用反渗透技术回收“淡水”后产生总溶解固体 （ TDS） 大于 8% 的高盐废水[1 - 2]｡高盐废水主要含有大量的无机盐，如 Na+､Cl-､Ca2 +､SO2 -4等离子，难于简单的采用生化法处理，被污水处理行业认为高难度处理废水｡高盐废水若未经处理直接排放势必会对环境产生极大危害｡通常采用热法技术处理高盐废水，包括焚烧工艺[3-4]､冷却结晶工艺[5-7]和蒸发结晶技术[2，8-9]｡焚烧技术主要用于有机高盐废水的处理中；冷却结晶技术主要用于无机盐溶解度随温度变化显著的高盐废水处理中，如含 Na2SO4的浓水；但若高盐废水中主要含 NaCl，因溶质溶解度随温度变化不明显的，则只能通过蒸发结晶技术实现淡水和盐分的分离｡蒸发结晶技术中多涉及机械式蒸汽再压缩蒸发技术（ MVR）[2，10-11]和多效蒸发技术[2，12-13]以适应降低能源消耗的需求｡

本文基于某化工集团 MVR 技术处理高盐废水现场试验，对该工艺进行模拟，模拟结果与现场试验数据吻合较好；同时分析了蒸发结晶过程中操作压力､压缩比的影响，其研究结果对优化 MVR 蒸发结晶系统过程参数以实现高盐废水节能零排放处理有重要的指导意义｡

1 工艺流程及现场试验

高盐废水 MVR 处理技术的工艺流程如图 1 所示｡高盐废水经预热器 E01 预热至饱和液体后进入结晶器减压蒸发，结晶器上部分离出的二次蒸汽经压缩机压缩后变成过热蒸汽，通过引入一定量的补充水使之变成饱和蒸汽后进入换热器 E02 作为热源加热结晶器中的循环母液，排放的冷凝液进入换热器 E01预热高盐废水，冷却水回用｡晶浆经稠厚器､离心机分离，结晶产品（ 盐分） 引出，母液经换热器 E02 加热循环至结晶器中｡

图 2 是采用 MVR 中试系统装置处理内蒙古某化工集团高盐废水（ 盐分为 NaCl，质量分数为 10% ） 的现场试验，其运行参数如表 1 所示，该试验使得盐､水完全分离，盐分回收，冷凝水回用，实现高盐废水的“零排放”｡

2 模型建立

2. 1 模型流程

本文对 MVR 高盐废水蒸发结晶过程进行建模｡忽略整个系统的热损失和结晶器中的母液内循环，简化模型以提高计算收敛性｡基于此，建立如图 3 所示的高盐废水 MVR 处理流程模型｡

如图 3 所示：FLASH 模块和 CRYSTALL 模块分别模拟蒸发结晶器中的汽液分离和蒸发结晶器中的结晶过程｡CFUGE 模块模拟稠厚器与离心机对晶浆的分离过程｡COMPR 模块模拟二次蒸汽的压缩过程｡E02 换热模块模拟压缩后的二次蒸汽与蒸发结晶系统的换热过程｡E01 换热模块模拟高盐水的预热过程｡系统中，物流的混合过程通过 MIX 模块进行模拟｡

2. 2 模型参数的设定

由于实际工况中高盐废水主要包含 Na+､Cl-､水以及微量的 SO2 -4､Ca2 +､Mg2 +离子，忽略微量离子的影响，采用 Elecrolyte Wizard 定义该体系中 Na+､Cl-以及 NaCl 固体；采用 ELECNRTL 物性方法模拟整个系统的热力学性质｡将表 1 中所示的试验运行参数作为模型设置参数对 MVR 蒸发结晶过程进行模拟｡

2. 3 模型验证

表 2 为模拟计算结果与现场中试试验数据对比｡模拟所得冷凝液流量､结晶量､二次蒸汽温度和压缩机出口温度与实际工况吻合较好｡二次蒸汽温度模拟值略高于实际值是因为实际蒸发结晶器存在热损失，蒸发后的过热蒸汽的温度迅速下降所致｡模拟结果表明，该模型适用于模拟 MVR 技术处理高盐废水的过程｡

3 模型的分析与讨论

能效比 COP 反映了蒸发结晶系统中能量的回收利用率｡其计算公式如式（ 1） 所示｡

式中：Q1和 Q2分别为预热器和强制循环加热器所回收的热量；W 为压缩机功耗｡

图 4 为在结晶器操作压力为 52kPa 条件下压缩比对系统 COP 的影响｡可见，COP 随压缩比的增大先迅速减小，而后缓慢减小｡如此可看出，减小压缩比可增大系统能量利用率｡

图 5 为在 52 k Pa 的操作压力条件下压缩比对强制循环加热器 E02 传热温差的影响｡可见，传热温差随压缩比的增大而增大｡这是由于压缩比增加背压增大，被压缩后的二次蒸汽温度升高所致｡在相同的换热任务条件下，增大传热温差可减小换热器面积，降低设备费用｡因此，综合考虑能量利用率与蒸发结晶系统设备费用，可以选择实际压缩比在 1. 7 ~2. 0｡

图 6 为蒸发结晶器操作压力对系统 COP 的影响｡可见，在压缩比为 1. 7 ~ 2. 0 条件下，随着操作压力的增加，COP 呈现降低趋势｡结果表明，减小系统操作压力可增大系统能量利用率｡

图 7 为蒸发结晶器操作压力对强制循环加热器E02 传热温差的影响｡可见，随着操作压力的增加，传热温差逐渐增加｡这是由于相同的压缩比条件下，操作压力越高，压缩机背压越高，对应的压缩蒸汽温度亦高｡但是在一定的压缩比条件下，高操作压力会使得压缩机背压过高而增大其负荷｡因此综合图 6 和图 7结果，可选择蒸发结晶器操作压力为 45 ~60 k Pa｡

4 结论

1） 建立了 MVR 高盐废水蒸发结晶系统的模型并对其过程进行模拟，模拟结果与现场数据吻合较好｡

2） 分析了压缩比和系统操作压力对能效比和强制循环加热器传热温差的影响，综合考虑系统能量利用率和系统设备费用因素，得到了优化的工艺参数：压缩比为 1. 7 ~2，蒸发结晶器操作压力为 45 ~60 k Pa｡