MVR 晶種法蒸發技術在電解鋁廠脫硫廢水零排放中的應用

王銀河，丁曉麗，毛 霖，秦福初，楊 洋

1.內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 霍林郭勒 029200

2.國家電投集團遠達環保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122

我國鋁工業經過幾十年的發展，在工藝技術、設備裝備等方面取得很大進步，一躍成為世界第一產鋁大國，2019 年年產電解鋁約3570 萬t[1]。但是，隨之而來的是鋁業生產帶來的污染物排放總量的增加。電解鋁生產過程中散發的煙氣中含有大量的污染物，包括氟化物、粉塵、瀝青煙（低濃度）和SO2等。煙氣中的SO2主要來自電解槽生產原料預焙陽極，在電解槽內的高溫環境下，陽極炭塊中的硫氧化成SO2進入電解煙氣[2]。目前，石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術是控制煙氣中污染物最有效的技術之一，能夠有效降低電解鋁煙氣中的氟化物、粉塵和SO2等污染物的排放，該技術的市場占有率達85%以上，是目前世界上應用范圍最廣、工藝技術最成熟的脫硫技術[3]。為了維持石灰石/石膏濕法脫硫系統的正常運行，降低脫硫系統材料的腐蝕及維持硫酸鈣的結晶速度和脫硫效率，脫硫系統的氯離子濃度一般維持在12000 ～20000mg/L。為控制循環漿液中氯離子濃度，需要排出一部分廢水以帶走系統中的部分氯離子，排出的廢水即為脫硫廢水。脫硫廢水具有水質復雜、環境污染大、處理難度大和處理成本高的特點，為了保護環境，對其進行零排放處理已成為電解鋁廠迫切需要解決的問題。

1 脫硫廢水零排放技術

1.1 電解鋁廠煙氣條件

以內蒙古某鋁電公司為例，采用560 臺300kA 預焙陽極電解槽，生產規模480kt/a，該廠煙氣系統參數包括溫度：85℃；煙氣量：2500000Nm3/h；O2：0.82%～1%；CO2：0.68% ～1.01%；O2：20% ～21%；H2O：0.8% ～1%；HF：3mg/Nm3；煙塵：20mg/Nm3

1.2 脫硫廢水的水質特點

1.3 脫硫廢水零排放

脫硫廢水零排放技術在國內外已有眾多應用案例，威立雅HPD、GE、阿奎特等國際廢水零排放技術領先的公司已在國外開展多項廢水零排放業務，在國外已有12 個以上的應用案例，分別位于意大利、美國、丹麥和日本等。國內脫硫廢水零排放是近年來發展起來的新方向，各大發電集團都積極部署廢水零排放項目，主要有長興電廠、河源電廠、三水恒益電廠、漢川電廠、通遼總廠等燃煤電廠脫硫廢水零排放示范項目。通過總結已有案例，脫硫廢水零排放的處理方式可分為膜法濃縮，煙氣余熱濃縮，多效蒸發和MVR晶種法蒸發四大類。

電解鋁廠具有煙氣量小、煙氣溫度低的特點，不具備煙氣余熱濃縮蒸發的條件；與燃煤電廠不同，電解鋁廠沒有蒸汽，不適合采用多效蒸發方式；電解鋁廠的脫硫廢水硬度高，F-含量高，如采用膜法濃縮，需要增加軟化和除氟工藝，工藝流程長，成本高；綜上所述，采用MVR 晶種法蒸發是最適合電解鋁廠脫硫廢水零排放處理的工藝路線。

2 MVR 晶種法廢水零排放技術

2.1 MVR 晶種法工藝簡介

機械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression, MVR）熱泵技術是目前國內外蒸發領域最先進、最節能的技術之一。MVR 系統在蒸發過程中產生的二次蒸汽經過蒸汽壓縮機的壓縮，提高其溫度和壓力后，返回到蒸發系統的加熱器內，作為熱源加熱蒸發原溶液，全程除設備啟動蒸汽，只消耗電能，不消耗蒸汽。

晶種法強制循環蒸發濃縮工藝采取“添加晶種+強制循環”的方式防止濃縮過程中硫酸鈣結垢，對原水中鈣鎂硬度沒有要求，不需要化學軟化。同時，對原水中的有機物等也沒有特殊要求，水質波動也不影響系統運行的穩定性。

MVR 晶種法蒸發技術采用兩段式濃縮結晶工藝。在第一段，采用強制循環預濃縮，鹽水在換熱管中高速流動，吸收換熱管外蒸汽冷凝所產生的熱量加熱升溫。通過控制管內壓力使其低于該溫度下的飽和蒸汽壓力，濃鹽水在管內不會沸騰。強制循環預濃縮可以把廢水濃縮到含鹽量為20%以上（接近飽和）。濃縮后的濃縮液體積小，排入第二段結晶分離器中。進入分離室中，由于分離室壓力驟然降低，高溫濃鹽水在此發生閃蒸，鹽水濃縮，結晶析出。

采用MVR 晶種法工藝，產水為蒸餾水，水質好，TDS ＜ 50mg/L，可以作為系統回用水或者直接排放，水質滿足地表四類水要求。

2.2 MVR 晶種法防止結垢原理

（1）強制循環結晶器。強制循環蒸發結晶器采用外加熱式，廢水在加熱室加熱，在分離室閃蒸，在加熱的過程中廢水無濃度變化，在分離室中閃蒸后濃度增大，因此，CaSO4等晶體會在分離室析出而避免了晶體在換熱管壁面析出導致換熱管結垢。

（2）硫酸鈣晶種。在分離室中始終具有一定濃度的CaSO4晶種，析出的CaSO4晶體會優先在晶種表面而非換熱管壁面依附生長，進一步避免了換熱管壁面結垢的可能。

（3）沖刷。采用大流量的強制循環泵，循環液在換熱管內的高速運行，減少結垢的發生。同時循環液中含有大量的硫酸鈣和結晶鹽晶體，該晶體會對換熱管形成很大的沖刷，從而控制硫酸鈣結垢。

（4）低溫工況。在70℃低溫情況下操作，新結晶的硫酸鈣為二水硫酸鈣，石膏為軟垢，不易造成換熱管結垢。

（5）共結晶。采用一步法結晶工藝，硫酸鈣和結晶鹽同時結晶析出。即使結垢，也是硫酸鈣和結晶鹽的混合垢，因此只要通入熱水，將結晶鹽溶解以后，硫酸鈣垢很容易清洗去除，節省了硫酸鈣清洗化學藥劑費用。

3 結束語

對電解鋁廠而言，煙氣溫度低，也沒有足夠的蒸氣來源，MVR 晶種法蒸發技術成為廢水零排放的最優選擇。由于脫硫廢水中Ca2+和Mg2+濃度較高，為防止蒸發器內部結垢，可采用MVR 晶種法蒸發技術。采用該技術能有效削減碳酸鈉等價格較貴的軟化藥劑的投入量，并保證蒸發器不結垢，因此適用于電解鋁廠的脫硫廢水零排放技術。