高鹽礦井水處理系統的節能優化設計研究

王 偉 張 斌 楊田田

（山東新巨龍能源有限責任公司, 山東 菏澤 274918）

近年來，隨著國家環保政策的陸續出臺，排入自然水體的礦井水標準要求越來越嚴，生態環境部要求礦井水經處理后擬外排的含鹽量不得超過1000 mg/L[1]。目前，成熟的高鹽廢水處理工藝一般采用預處理、濃縮、結晶相結合工藝，工藝流程長、環節多，配備設備多，裝機功率高，從而導致運行成本特別是運行電耗很高，增加了煤炭企業生產經營成本，系統研究高鹽礦井水節能技術就有了新的需求空間。

本文以龍固煤礦高鹽廢水治理項目為研究對象，系統研究節能技術，根據工藝合理設計，回收利用系統余熱余壓資源，充分挖潛節能空間，降低系統電耗，降低高鹽廢水治理系統運行成本。

1 龍固煤礦高鹽礦井水處理概況

龍固煤礦是魯西南地區的省屬國有大型煤礦企業，礦井設計能力為600 萬t/a。由于所在地區地質環境影響，升井礦井水經傳統處理后全鹽量、硫酸鹽分別為4540 mg/L、2510 mg/L。2020 年，該煤礦開展了高鹽礦井水處理系統建設。系統采用以“超濾+2 級反滲透+電滲析+MVR 熱法鹽硝聯產”為主的處理工藝[2]，設計處理水量為740 m3/h，系統耗電量為7.91 kW·h/噸水，按照電價0.78 元/kW·h計算，系統滿負荷運行年電費高達3600 余萬元。

2 節能工藝流程研究

由于各煤礦礦井水的水量、水質各不相同，工藝路線以及結晶鹽或濃縮液去向也有區別，所以在對比不同的膜法濃縮減量工藝在節能方面的優勢時，不能單純對比某個環節設備的耗能情況，而應該在相同的設計基礎條件下，對比工程的整體能耗情況。

2.1 分步協同預處理

根據原水及各級濃縮水中鈣鎂硅等硬度離子的濃度，結合BWRO 反滲透、SWRO 反滲透、電滲析的耐腐蝕、結垢性能，充分考慮前后預處理技術、投資、運行成本，引進煤科集團杭州環保研究院具有專利技術的分步預處理工藝。一級反滲透采用超濾預處理，二級反滲透采用管式微濾預處理，電滲析采用管式微濾、離子交換樹脂、脫碳等預處理，蒸發結晶前端不需預處理。相對于前端一次性徹底預處理投資、運行能耗及成本均降低20%～30%。

2.2 電滲析處理工藝

三級濃縮技術選用了電滲析膜濃縮，對二級RO 處理產生的濃縮液進一步極致濃縮，回收率設計為75%，最終濃鹽水TDS 達到22.5 萬mg/L 以上，進入后續的蒸發結晶單元制鹽，將投資和運行能耗最高的蒸發結晶單元處理水量減至最小。電滲析膜濃縮單元的淡水TDS 不需要做到很低，與一級RO濃水接近即可，回流至二級濃縮單元SWRO 膜前，這樣可以提高電滲析膜濃縮單元的工作電流密度，減少膜用量，降低電力消耗。

2.3 MVR 蒸發結晶工藝

由于該煤礦沒有蒸汽源，而電鍋爐耗電量大，因此蒸發結晶系統采用MVR 工藝。該工藝使用機械壓縮機提高二次蒸汽壓力、溫度，使二次蒸汽的潛熱在蒸發器內連續循環并產生熱交換。在正常運轉時，機械壓縮蒸發裝置蒸發所需的能量基本上從壓縮功獲得，只需少量補充蒸汽，可以循環回收蒸汽余熱，設備本體熱能利用效率高。

3 系統余熱余壓利用研究

高鹽廢水治理系統流程長，各工藝處理過程伴隨壓力變化、熱量傳遞利用，分析壓力和熱量變化情況，合理優化利用余熱余壓資源，可以降低系統能耗。

3.1 高壓反滲透余壓回收

反滲透膜系統的輸入功率為給水壓力與給水流量的乘積，系統的有功能耗為沿系統流程的給濃水壓力與產水流量的積分，系統中最大的能量損失為濃水壓力與濃水流量的乘積。研究回收系統多余壓力，提高反滲透系統運行經濟性。該項目一級反滲透壓力低，不具備能量回收條件。二級海水淡化反滲透膜SWRO 濃縮液壓力較高，直接釋放掉會損失高壓水泵做功效率，可以進行能量回收。

反滲透淡化工藝的經濟性主要決定于對濃水徑流中的能量回收，目前代表性的技術是有自帶能量回收功能的濃縮高壓泵、正位移式轉輪能量回收裝置等。經對比不同品牌產品的性能參數，選用正位移式轉輪能量回收裝置中的透平式能量回收裝置。透平式能量回收裝置型號有6 種，其中AT-875 處理流量范圍為136～204 m3/h，滿足該項目二級反滲透單臺設備流量需求。二級反滲透三段濃水采用透平能量回收裝置，為二段濃水升壓800 kPa，裝置計算結果如圖1，最大能夠提供1970 kPa 升壓能力。

圖1 能量回收計算示意圖

3.2 電滲析余熱回收

電滲析是采用電遷移離子，在對水中離子遷移過程中發生電化學反應，部分電能轉為熱能，導致溶液溫度升高。為保障電滲析正常運行，需增加板換對溶液降溫，維持液溫通常在40 ℃以下使用。將板換另一端與蒸發結晶系統連接，將提取熱量用于補充蒸發用熱。

3.3 蒸發工藝余熱回收

蒸發結晶配套兩臺電鍋爐，每臺功率為740 kW；2 套蒸汽壓縮機，每套功率389 kW；1 臺強制循環泵110 kW。系統耗電量高。研究余熱利用技術，提高系統能耗利用水平，有效降低系統用電量。

分析蒸發結晶系統工作過程，可以回收利用熱量有MVR 蒸發器母液、冷凝水、機封水、冷凍機組散熱等。冬季供暖時，水源熱泵系統回收電滲析余熱、機封水余熱、冷凍機組散熱、蒸汽壓縮機熱量等，在為建筑物供暖同時可以對電鍋爐用水進行預熱。

3.4 梯級冷凍技術

蒸發結晶段采用MVR 蒸發器將濃縮溶液升溫至95～105 ℃，蒸發硫酸鈉晶體，然后將高溫溶液冷卻至-5 ℃，冷凍析出十水硫酸鈉。兩種工藝之間溫差高，熱量傳遞量大，可以采用逐級降溫與熱量回收相結合。項目設計冷凍機組冷凍量275 kW，合理考慮系統整體能耗，將蒸發結晶與冷凍能量利用相結合，減少冷凍機組耗電量。

經調研，內蒙古紅慶河煤礦高鹽廢水項目采用三級冷凍模式，逐級降低漿液溫度從而實現節能。一級使用清水冷凍，二級使用離心機低溫的離心母液冷凍，三級使用制冷機組進行冷凍。為合理降低蒸發結晶母液溫度，從而降低冷凍機組功率提供了解決思路。

經多次研究論證，在該項目設計中采用梯級冷凍技術。首先將MVR 蒸發器母液與濃鹽水池出水對流換熱，降低蒸發母液溫度，同時提高即將進入MVR 蒸發器濃鹽水溫度，然后采用清水、離心母液冷凍，最后再使用制冷機組進行冷凍。系統冷凍需求量為275 kW 條件下，在充分利用梯級冷凍技術后，冷凍壓縮機功率僅為121 kW，大大降低了能耗。

4 輸送水節能技術研究

在水處理系統管網走向設計中，充分利用流體力學特點，降低水流阻力，合理利用地勢高差，降低輸送水能耗。該項目從礦井水處理廠溢流口至高鹽廢水系統調節池敷設一根管道，利用水位高差輸送水，無需安裝水泵減少電耗。在系統管網高程布置中，減少總水頭損失及躍水高度，管道拐角采用45°連接彎頭，降低提升泵的提升高度，達到節約水泵揚程、降低電耗的目的。根據水位實現提升泵組啟停數量和順序的控制，根據實時在線流量實現變頻控制，減少水泵啟停次數，降低能耗。

5 結論及展望

5.1 結論

本文結合龍固煤礦項目實際情況開展自主研究，從項目設計、運行統籌考慮，充分運用余壓余熱利用、能量梯級利用技術，各項節能措施符合項目實際情況，為項目經濟運行奠定了基礎。項目設計優化后，預計系統運行電耗降低1.5 kW·h/噸水，按照處理量740 m3/h、每天平均運行22 h 計算，年可實現節約電量594.22 萬kW·h，節約電費416 萬元。

5.2 展望

降低能耗成為控制煤炭企業高鹽礦井水治理項目運行成本的重要手段，也是煤炭企業持續關注并不斷研究的領域。近年來，部分單位結合項目及周邊環境實際情況進行探索研究，取得了顯著節能效果。趙澤盟[3]等人對鹽硝聯產工藝和納濾分鹽工藝進行了研究，靳德武[4]等人研究了納濾膜選擇性截留技術、膜蒸餾和太陽能高效蒸發技術、微生物脫鹽燃料電池、雙極膜工藝等內容，為高鹽廢水治理實現節能降本提供了新思路。段威[5]等人對熱法濃縮結晶、直接熱法干燥等脫硫廢水零排放工藝路線進行了經濟對比分析，降低系統能耗，噸水運營成本降低。隨著研究深入，技術不斷進步，高鹽廢水治理系統能耗將不斷降低，實現經濟穩定運行。