空氣循環蒸發分離電鍍廢水處理系統噴霧分離塔試驗研究

陳 聰，金蘇敏，陳 亮

（南京工業大學 制冷與空調實驗室，南京 211816）

符號說明：

ηt——熱效率；

t——溫度，℃；

DS——干燥強度，kg/（m3·h）；

DW——水分蒸發量，kg/h；

V——有效干燥區域體積，m3；

L——體積流量，L/h；

m——質量流量，kg/h；

w——含濕量，g/kg；

x——濃度；

0——下標，環境；

a——下標，濕空氣；

da——下標，干空氣；

in——下標，入口；

out——下標，出口；

s——下標，溶液；

sp——下標，噴霧分離塔。

0 引言

隨著經濟的高速發展，工業廢水尤其是電鍍廢水的排放量持續增長。電鍍廢水中除了存在Cr，Cu，Ni等重金屬物質外，還存在堿性和酸性物質，以及劇毒物質氰化合物，對環境和人體健康具有極大威脅［1］。常見的電鍍廢水處理方法可分為化學法、物理法、生物法等［2］。其中化學法需要投入大量藥劑，容易造成二次污染［3］。生物法會存在反應效率低、成本高等問題［4-6］。而物理法中的濃縮結晶法在理論上最容易實現“零排放”，其主要原理是廢水吸收所提供的熱量而在蒸發器中蒸發濃縮，最終以固態結晶的形態從溶液中分離出來。

空氣循環蒸發分離電鍍廢水處理系統原理如圖1所示，該系統結合了空氣循環蒸發分離技術以及熱泵技術，以空氣作為載體，利用熱泵回收空氣中部分水蒸汽的冷凝潛熱，為電鍍廢水蒸發分離提供熱量。

圖1 空氣循環蒸發分離電鍍廢水處理系統原理Fig.1 Schematic diagram of spray separation tower in air circulation evaporation separation system

系統主要分為空氣循環、廢水循環、熱泵循環以及冷卻水循環4個部分?？諝庋h中，空氣先后經過回熱器和冷凝器升溫，再經加熱器加熱后成為高溫干燥空氣，隨后依次進入填料濃縮塔和噴霧分離塔中與電鍍廢水進行傳熱傳質變為低溫高濕空氣，接著依次通過冷卻器、回熱器、蒸發器降溫至露點溫度后析出冷凝水，最后再進入回熱器升溫；廢水循環中，電鍍廢水經填料濃縮塔濃縮后，再進入噴霧分離塔霧化成小液滴，與干燥的熱空氣進行熱質交換后迅速升溫，水分蒸發后干燥成為金屬鹽顆粒，并從塔底部排出，少量被濕空氣夾帶的顆粒通過袋式除塵器收集；熱泵循環主要用來吸收空氣中部分水蒸氣的冷凝潛熱，提升品位后再進入冷凝器對空氣加熱，為電鍍廢水蒸發分離提供熱量，同時，冷卻器、回熱器及蒸發器中的冷凝水也會被回收利用，實現零排放；冷卻水主要用于吸收系統中多余的熱量，以保證系統的穩定運行。

可以看出，噴霧分離塔是整個系統中最主要的傳熱傳質部件，其性能直接影響了整體系統的性能，因此需要對噴霧分離塔的性能進行深入研究。已有不少學者對噴霧干燥的干燥過程、產品以及影響因素等方面進行了研究。鄧益平等［7］利用Aspen Plus軟件對碳酸氫鈉漿料的噴霧過程進行了模擬計算，得到空氣溫度的變化對噴霧干燥系統具有較大影響。BORJA等［8］提出了新的方法，對逆流噴霧干燥塔旋流流動進行CFD模擬。尚良超等［9］描述了蒸發誘導下溶質的自組裝行為，預測顆粒不同干燥條件下表面形貌的演變過程?，F有研究的常壓噴霧干燥技術的入口風溫幾乎都是在 150 ℃以上，甚至達到 600 ℃［10］，而入口風溫150 ℃以下且操作壓力為常壓下的噴霧干燥特性的研究很少，因此本文針對空氣循環蒸發分離電鍍廢水處理系統中的噴霧分離塔，搭建噴霧分離塔性能測試試驗臺，探究其在中低溫入口空氣的條件下傳熱傳質特性變化的情況。

1 試驗研究

1.1 試驗系統

圖2示出空氣循環蒸發分離電鍍廢水處理系統噴霧分離塔傳熱傳質試驗系統，主要包括噴霧管路、空氣管路、噴霧分離塔以及測量儀表4個部分。其中噴霧管路包括溶液罐、流量標定柱、隔膜泵、脈沖阻尼器、安全閥、Y型過濾器和噴嘴，空氣管路包括電加熱器、風機和除塵器。溶液罐中的溶液經隔膜泵加壓后，利用壓力噴嘴霧化為無數個小液滴，在塔內與加熱后的空氣進行熱質交換，干燥后的固體鹽顆粒從塔底排出，部分被空氣攜帶的顆粒通過袋式除塵器收集排出。壓力噴嘴孔徑0.2 mm，在額定壓力0.05 MPa下，半張角25°，流量1.07 L/h。由于塔頂入口溫度較高，因此塔頂采用不銹鋼材料，塔體其余部分采用有機玻璃材料。塔內徑500 mm，有效傳質高度1 773 mm。塔體外覆蓋30 mm厚帶有鋁箔的保溫棉以創造絕熱條件。系統其他部件型號見表1。

圖2 噴霧分離塔試驗系統Fig.2 Diagram of spray separation tower test system

表1 主要部件型號Tab.1 Model list of main components

1.2 測量裝置及試驗材料

表2為試驗中所需要測量的參數及使用儀表的型號和精度。由于電鍍廢水成分復雜，物性難以確定，因此采用電鍍廢水進行試驗研究不具有可行性。電鍍廢水中的鹽分對噴霧分離塔中的干燥過程產生影響主要是隨著干燥過程的進行，溶液濃度增加、表面水蒸氣分壓力降低、比熱容降低以及黏度增加，因此單一鹽溶液的干燥機理與電鍍廢水相同，所以本試驗中采用物性參數更易獲得的氯化鈣溶液作為處理液來研究噴霧分離塔的傳熱傳質特性。氯化鈣藥劑采用無水氯化鈣，純度≥95%。

表2 測量參數及儀器Tab.2 Measuring parameters and instruments

1.3 試驗方法

本次試驗目標為測量不同噴霧流量、入口溶液濃度、空氣流量以及入口空氣溫度下噴霧分離塔溶液和空氣的進、出口參數。

試驗中通過閥門1、閥門2控制溶液流動，通過閥門3控制空氣流動。采用DEBIMO翼型風量測片對空氣管道內空氣動靜壓差進行測量，并通過LXL868微壓差變送器將壓差信號轉變為電流信號，從而獲得空氣體積流量。由于本試驗中噴霧流量太小，無法直接測量，因此本系統中主要采用流量標定柱內溶液量以及抽完溶液所需時間對噴霧流量進行計算。試驗中，每隔2 min記錄一次該工況下進出口各儀表參數，每工況記錄3次。

1.4 性能參數

噴霧分離塔主要是將霧化后的液滴蒸發干燥成為固體顆粒，定義如下性能參數以描述不同運行參數下的噴霧分離塔的干燥特性。

熱效率ηt表征噴霧分離塔蒸發水分所消耗的能量占總輸入能量的比值。

干燥強度DS［11表征噴霧分離塔單位干燥區域體積每小時蒸發的水分量。

2 試驗結果及分析

2.1 入口空氣溫度

圖3，4分別示出在表3所示工況下，入口空氣溫度從60 ℃上升至120 ℃時，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發分離塔熱效率和干燥強度的變化情況。

表3 試驗工況1Tab.3 Test condition 1

圖3 入口空氣溫度對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.3 Effect of inlet air temperature on outlet air temperature and moisture content

從圖3可以看出，隨著入口空氣溫度的升高，出口空氣溫度和含濕量幾乎都呈直線增長，分別增加了41.3 ℃和6.4 g/kg。這是因為入口空氣溫度提高，塔內整體空氣溫度都提高，相應的出口空氣溫度也會增大。而塔內傳熱溫差也會隨著塔內溫度的升高而增大，液滴溫度提高，表面水蒸汽分壓力增加，傳質驅動勢增加，導致出口空氣含濕量的增加。如圖4所示，噴霧分離塔熱效率隨著入口空氣溫度的增加而下降，并且下降速度逐漸變慢。這是由于入口空氣溫度增加，出口空氣溫度增加，空氣進出口溫差增加速度小于空氣進口溫度與環境溫度差值的增加速度，并且隨著空氣進口溫度與環境溫度差值的增大熱效率變化逐漸變慢。而由圖3已知出口空氣含濕量是逐漸增加的，因此噴霧分離塔干燥強度也隨之增加，增加了約1.7 kg/（m3·h）。

圖4 入口空氣溫度對熱效率和干燥強度的影響Fig.4 Effect of inlet air temperature on thermal efficiency and drying strength

2.2 空氣流量

圖5，6分別為在表4所示工況下，空氣流量從43.5 m3/h上升至81.3 m3/h，出口空氣溫度和含濕量以及噴霧分離塔熱效率和干燥強度的變化情況。

表4 試驗工況2Tab.4 Test condition 2

圖5 空氣流量對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.5 Effect of air flow rate on outlet air temperature and moisture content

由圖5可以看出，隨著空氣流量的增加，噴霧分離塔出口空氣溫度增加了14 ℃，而出口空氣含濕量降低了5.5 g/kg。這是由于入口空氣流量增大，帶入塔內的熱量增多，但塔內液滴蒸發所需要的熱量有限，因此塔內整體空氣溫度都會升高，出口空氣溫度也會升高。此外，入口空氣流量增加，而塔內液滴水分蒸發量有限，導致空氣出口含濕量降低。

圖6中，噴霧分離塔熱效率隨著空氣流量的增大而降低，這是由于隨著空氣流量的增大，出口空氣溫度升高，熱效率會隨之降低，約0.16。與此同時，干燥強度隨空氣流量的增加先增加后降低，存在最佳空氣流量。這是因為在空氣流量較低時，空氣流量提高，空氣所攜帶進塔的能量增多，塔內傳熱傳質得到強化，導致噴霧分離塔干燥強度增加。而當空氣流量大于76 m3/h時，液滴已基本達到干燥極限，并且隨著空氣流量的增加，塔內風速提高，液滴在塔內的干燥時間減少，導致塔內傳熱傳質過程惡化，所以此時再增加空氣流量，會使得噴霧分離塔干燥強度降低。

圖6 空氣流量對熱效率和干燥強度的影響Fig.6 Effect of air flow rate on thermal efficiency and drying strength

2.3 噴霧流量

圖7，8分別示出了在表5所示工況下，噴霧流量從1.57 L/h上升至2.72 L/h，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發分離塔熱效率和干燥強度的變化情況。

表5 試驗工況3Tab.5 Test condition 3

圖7 噴霧流量對出口空氣溫度和含濕量的影響Fig.7 Effect of spray flow rate on outlet air temperature and moisture content

如圖7所示，隨著噴霧流量的增加，塔內液滴數增加，與空氣的傳熱傳質面積增大，增強了塔內熱質傳遞效果，因此會發現，出口空氣溫度逐漸降低，而出口空氣含濕量逐漸增大。

然而，出口空氣溫度的降低會提高噴霧分離塔的熱效率，同時出口空氣含濕量的增大會導致干燥強度的提高，因此從圖8中可以看到，噴霧分離塔的熱效率和干燥強度都隨著噴霧流量的增大而增大，分別增加了0.13和1.08 kg/（m3·h）。此外，噴霧流量較小時，噴霧流量對熱效率及干燥強度的影響較為明顯，這是因為在小噴霧流量時，液滴在塔內會析出固體，會有部分干燥階段的蒸發速率非常低，此時提高噴霧流量會使得塔內液滴達不到該階段，從而使得塔內液滴始終保持高蒸發速率。

圖8 噴霧流量對熱效率和干燥強度的影響Fig.8 Effect of spray flow rate on air temperature and moisture content at outlet

2.4 入口濃度

圖9，10分別示出了在表6所示工況下，入口溶液濃度從0上升至0.4，出口空氣溫度和含濕量以及蒸發分離塔熱效率和干燥強度的變化情況。圖9中，入口溶液濃度增加，出口空氣溫度逐漸增加，而出口空氣含濕量逐漸降低。入口濃度增加，溶液表面水蒸汽分壓力降低，與空氣之間的傳質驅動力也會隨之降低，溶液的水分蒸發量減少，因此出口空氣含濕量降低。而蒸發量的減少也意味著空氣為蒸發所提供的熱量減少，因此出口空氣溫度會增加。另外，由于溶液表面水蒸氣分壓力會隨著入口溶液濃度的變化呈指數級降低，因此出口空氣溫度和濕度也會成指數級變化，入口濃度越大，變化速率越大。如圖10所示，由于出口空氣溫度增加，噴霧分離塔熱效率降低了0.22。而因為出口含濕量的增加，干燥強度也會降低，約降低2.01 kg/（m3·h）。同樣，熱效率和干燥強度增長速度也隨著入口濃度的增加而增大。

表6 試驗工況4Tab.6 Test condition 4

圖9 入口溶液濃度對出口空氣溫度和含水率的影響Fig.9 Effect of inlet solution concentration on outlet air temperature and moisture content

圖10 入口溶液濃度對熱效率和干燥強度的影響Fig.10 Effect of inlet solution concentration on thermal efficiency and drying intensity

3 結論

（1）提高入口空氣溫度不利于提高噴霧分離塔熱效率，但是干燥強度隨之增加了約1.7 kg/（m3·h），因此可以通過提高入口空氣溫度以減小噴霧分離塔體積。

（2）隨著空氣流量的提高，噴霧分離塔熱效率逐漸降低，降低了約0.16。但是由于傳熱傳質驅動勢和干燥時間的共同作用，干燥強度會隨之先增加后減小，當風量為76 m3/h時，干燥強度最大。

（3）噴霧濃縮塔熱效率和干燥強度都會隨著噴霧流量的增加而增大，分別增加了0.13和1.08 kg/（m3·h）。但提高噴霧流量不利于出口含水率的降低，需要進一步的研究。

（4）入口溶液濃度對噴霧分離塔性能的影響最大，熱效率和干燥強度分別降低了0.22和2.01 kg/（m3·h），且變化速率越來越大。