氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水試驗研究與能耗分析

王艷輝　黃仕元　李青青　黃筱

摘? ?要：開發(fā)設(shè)計氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水實驗裝置進行現(xiàn)場試驗，研究不同的影響因素對系統(tǒng)水量蒸發(fā)的影響，并對該技術(shù)進行能耗分析。實驗結(jié)果表明：初始水溫和循環(huán)流量能促進系統(tǒng)水量蒸發(fā)，水溫越高蒸發(fā)效率增速越大，循環(huán)流量過大時蒸發(fā)速率反而逐漸下降;系統(tǒng)電能耗量隨溫度的升高而降低，當初始水溫為45? ℃時，系統(tǒng)能節(jié)約2/3的電能耗量。

關(guān)鍵詞：高鹽廢水;污水濃縮;氣液接觸;能耗分析

由于生產(chǎn)工藝、加工對象、生產(chǎn)管理水平的差異，造成含鹽廢水水質(zhì)及水量具有多變性，且易造成設(shè)備結(jié)垢、腐蝕等問題，使得含鹽廢水的處理難度遠高于常規(guī)廢水[1]。胡朋飛等[2]將直接接觸傳熱蒸發(fā)過程引入蒸餾領(lǐng)域，研發(fā)了用于熱敏物料蒸餾的直接接觸傳熱蒸發(fā)釜;王少雄[3]設(shè)計不同開孔形式的雙相俱孔板作為氣液傳質(zhì)傳熱的場所，探究了氣液接觸系統(tǒng)的影響因素和蒸發(fā)效率。本論文通過設(shè)計新的氣液接觸濃縮技術(shù)裝置，在較低的溫度條件下，綜合利用低品質(zhì)熱能，降低能耗和成本，通過蒸發(fā)器內(nèi)氣液直接接觸，廢水與空氣在介質(zhì)表面進行劇烈的傳質(zhì)和傳熱的過程，從而防止填料表面結(jié)垢，最終實現(xiàn)鹽水分離。該研究將極大提高含鹽廢水處理能效，具有重要的現(xiàn)實意義和應用推廣前景。

1? ? 實驗材料與裝置

1.1? 實驗材料

實驗用分析純NaCl溶液配制質(zhì)量濃度為30 g/L的Nacl溶液作為原水水樣。

1.2? 實驗裝置

該裝置包括加熱系統(tǒng)、氣液接觸蒸發(fā)系統(tǒng)及水循環(huán)系統(tǒng)，試驗設(shè)備有：氣液接觸蒸發(fā)器，風機，循環(huán)泵，電加熱裝置，循環(huán)水箱。實驗裝置原理如圖1所示。

1.3? 實驗方法

1.3.1? 氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)的影響因素分析

分析天平秤取分析純NaCl晶體，配置質(zhì)量濃度為30 g/L的NaCl溶液，將配置好的一定體積的NaCl溶液注入帶有刻度的水箱，讀取初始水位讀數(shù)，由電加熱裝置預熱至較低的恒定溫度，調(diào)節(jié)進水閥門設(shè)置循環(huán)流量，通過循環(huán)水泵抽取原水至氣液接觸蒸發(fā)裝置底部進水管，通過水的反沖壓力旋轉(zhuǎn)布水器，將原水均勻地噴灑在填料上進行充分的傳質(zhì)傳熱，濃縮后的濃溶液再流入水箱繼續(xù)經(jīng)過加熱器加熱，運行系統(tǒng)一個小時后，測量此時水箱水位，得出每一組實驗的水分蒸發(fā)濃縮量，通過控制變量來探究氣液蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中循環(huán)流量、初始溫度對含鹽廢水蒸發(fā)濃縮的影響。

1.3.2? 氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)能耗分析

該系統(tǒng)運行過程中的能耗量由循環(huán)水泵和風機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生。本實驗將循環(huán)水泵接線至單相導軌式電能表，通過電能表記錄系統(tǒng)運行過程中的功率，風機電機額定功率為0.12 kW，系統(tǒng)運行一小時后測量高含鹽原水的蒸發(fā)量，根據(jù)電能電耗量計算公式計算單位體積水分蒸發(fā)的能耗量。

其中單位體積水分蒸發(fā)電能能耗量計算公式可用式（1）表示：

式中：W0—在Δt時間內(nèi)蒸發(fā)單位蒸餾水所消耗的外界電能（J/g）;P—功率（W）;ΔV—在單位時間內(nèi)高鹽水蒸發(fā)體積（L）。

2? ? 實驗結(jié)果與分析

2.1? 循環(huán)流量對系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響

實驗在平均室溫33.5 ℃，平均環(huán)境濕度為64.2%的條件下進行，配置質(zhì)量濃度為30 g/L的NaCl溶液預熱至40 ℃，設(shè)置不同的循環(huán)流量，測定NaCl溶液的蒸發(fā)量，探究循環(huán)流量對系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響。

實驗結(jié)果如圖2所示，隨著流量的增大，蒸發(fā)量逐漸增大，實驗范圍內(nèi)最大蒸發(fā)量是在循環(huán)流量為2 500 L/h時，蒸發(fā)量為17 L/h。1 800～2 000 L/h流量范圍增速最大，當流量超過2 000 L/h時，增速放緩且趨向于零增速，當增大到一定值時開始下降。在系統(tǒng)運行過程中，水會在氣液接觸填料間形成水膜，增大熱量和質(zhì)交換面積，在回流空氣的作用下，快速穿過水膜，在水膜破裂與形成的循環(huán)過程中，促進蒸發(fā)。當流量較小時，形成的水膜厚度較薄，容易被回流空氣吹散，隨著流量的增大，形成的水膜越成熟，傳熱傳質(zhì)更充分，但當流量過大時，水膜厚度過厚，傳熱熱阻增加，無法進行充分的熱量和質(zhì)的交換，因此，蒸發(fā)量逐漸減少。

2.2? 高鹽水初始溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響

實驗在平均室溫33.5 ℃，平均環(huán)境濕度為64.2%的條件下進行，配置濃度為30 g/L的NaCl溶液預熱至不同的初始水溫，調(diào)節(jié)進水閥設(shè)置循環(huán)流量為1 400 L/h，測定不同的初始水溫條件下NaCl溶液的蒸發(fā)量，探究初始水溫對系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響。

實驗結(jié)果如圖3所示，可以得出：蒸發(fā)量隨著溫度的升高而不斷增加，本組實驗最大值是當溫度為45 ℃時，蒸發(fā)量為18.2 L/h。水分蒸發(fā)的過程是水分子發(fā)生相變和進行熱交換的過程，熱量的傳遞交換需要不斷地消耗和補充熱量，本系統(tǒng)利用的是低品質(zhì)熱能，熱消耗速度快，因此，熱量補充越充分就越能夠促進蒸發(fā)，所以當溫度不斷升高時，蒸發(fā)量也隨之不斷增加。

2.3? 氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)能耗分析

從表1實測數(shù)據(jù)可知，該氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)中初始水溫越高，蒸發(fā)速率越快;隨著溫度的升高，對應的單位體積蒸發(fā)水量電能耗量降低。當NaCl溶液質(zhì)量濃度為30 g/L，水溫為45 ℃時，單位體積蒸發(fā)水量電能耗量為123 230.77 J，噸能電耗量約為34.23 kW·h.該技術(shù)應用到低溫多效蒸發(fā)技術(shù)中進行大試，噸水電能耗量低至15 kW·h，相較于常用的蒸汽機械壓縮技術(shù)（MVR）（噸水電能耗量46.84 kW·h）[4]，氣液接觸蒸發(fā)技術(shù)的蒸發(fā)效率提高了約3倍，且低溫多效蒸發(fā)技術(shù)多是利用70～50 ℃的低品熱蒸汽，而本實驗最高利用蒸汽溫度是45 ℃，蒸汽溫度越高其能耗越低，因此，將該技術(shù)應用到實際工程中，能耗將更低。

3? ? 結(jié)語

實驗表明氣液接觸蒸發(fā)濃縮實驗過程中：隨著流量的增大，蒸發(fā)量逐漸增大，實驗范圍內(nèi)最大蒸發(fā)量是在循環(huán)流量為2 500 L/h時，蒸發(fā)量為17 L/h。1 800～2 000 L/h流量范圍增速最大，當流量超過2 000 L/h，增速放緩且趨向于零增速，當增大到一定值時開始下降;蒸發(fā)量隨著溫度的升高而不斷地增加，本組實驗最大值是當溫度為45 ℃時，值為18.2 L/h。

實驗表明當初始水溫為45 ℃時，氣液接觸蒸發(fā)濃縮高鹽廢水技術(shù)是其他蒸發(fā)技術(shù)效率的3倍，應用到現(xiàn)場大試中其噸能電耗量低至15 kW·h，并且蒸汽溫度越高其能耗越低，若將初始水溫提高到50～70 ℃，應用到實際工程中，能耗將更低。

4? ? 結(jié)語

氣液接觸傳質(zhì)傳熱技術(shù)，在暖通空調(diào)領(lǐng)域應用廣泛，常用于開式循環(huán)冷卻塔，氣液接觸傳熱降低了熱損耗，極大地降低了能耗成本。在工業(yè)企業(yè)或者其他外來熱源不足或供能較低的情況下，利用氣液直接接觸傳質(zhì)和傳熱，對廢水循環(huán)濃縮，可以聯(lián)合采用多級多效的方式，也是盡量利用蒸汽余熱，可對廢水中鹽分進行回收，實現(xiàn)零排放，降低能量損耗的措施。對設(shè)備進行市場推廣應用，對設(shè)備進行全面的電氣自動化和機械加工實體設(shè)計，研發(fā)適用于不同氣候地區(qū)（例如太陽能技術(shù)的聯(lián)用）或不同工業(yè)企業(yè)的工藝設(shè)備。

[參考文獻]

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[2]HU P F，CUI X B，YANG Z C.Study on a direct contact heat transfer reboiler in the distillation of heat-sensitive materials[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2002（21）：158-161.

[3]王少雄.氣液接觸蒸發(fā)處理高鹽廢水的研究[D].邯鄲：河北工程大學，2015.

[4]俞性佑，章世鑫.多效蒸發(fā)制鹽與熱泵法（蒸汽機械壓縮）制鹽中蒸發(fā)能耗的分析與比較[J].中國井礦鹽，1993（6）：18-21.