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气液接触蒸发高盐废水试验研究与能耗分析

发布时间:2019-8-13 17:56:16  中国污水处理工程网

  由于生产工艺、加工对象、生产管理水平的差异,造成含盐废水水质及水量具有多变性,且易造成设备结垢、腐蚀等问题,使得含盐废水的处理难度远高于常规废水。胡朋飞等将直接接触传热蒸发过程引入蒸馏领域,研发了用于热敏物料蒸馏的直接接触传热蒸发釜;王少雄设计不同开孔形式的双相俱孔板作为气液传质传热的场所,探究了气液接触系统的影响因素和蒸发效率。本论文通过设计新的气液接触浓缩技术装置,在较低的温度条件下,综合利用低品质热能,降低能耗和成本,通过蒸发器内气液直接接触,废水与空气在介质表面进行剧烈的传质和传热的过程,从而防止填料表面结垢,最终实现盐水分离。该研究将极大提高含盐废水处理能效,具有重要的现实意义和应用推广前景。

  1实验材料与装置

  1.1实验材料

  实验用分析纯NaCl溶液配制质量浓度为30 g/L的Nacl

  溶液作为原水水样。

  1.2实验装置

  该装置包括加热系统、气液接触蒸发系统及水循环系统,试验设备有:气液接触蒸发器,风机,循环泵,电加热装置,循环水箱。实验装置原理如图1所示。

  1.1实验方法

  1.1.1气液接触蒸发高盐废水浓缩技术的影响因素分析

  分析天平秤取分析纯NaCl晶体,配置质量浓度为30 g/L 的NaCl溶液,将配置好的一定体积的NaCl溶液注入带有刻度的水箱,读取初始水位读数,由电加热装置预热至较低的恒定温度,调节进水阀门设置循环流量,通过循环水泵抽取原水至气液接触蒸发装置底部进水管,通过水的反冲压力旋转布水器,将原水均匀地喷洒在填料上进行充分的传质传热,浓缩后的浓溶液再流入水箱继续经过加热器加热,运行系统一个小时后,测量此时水箱水位,得出每一组实验的水分蒸发浓缩量,通过控制变量来探究气液蒸发浓缩系统中循环流量、初始温度对含盐废水蒸发浓缩的影响。

  1.1.2气液接触蒸发高盐废水浓缩技术能耗分析

  该系统运行过程中的能耗量由循环水泵和风机运转产生。本实验将循环水泵接线至单相导轨式电能表,通过电能表记录系统运行过程中的功率,风机电机额定功率为0.12 kW,系统运行一小时后测量高含盐原水的蒸发量,根据电能电耗量计算公式计算单位体积水分蒸发的能耗量。

  其中单位体积水分蒸发电能能耗量计算公式可用式(1) 表示:

  式中:W0—在Δt时间内蒸发单位蒸馏水所消耗的外界电能(J/g);P—功率(W);ΔV—在单位时间内高盐水蒸发体积(L)。

  1实验结果与分析

  1.1循环流量对系统蒸发效率的影响

  实验在平均室温33.5 ℃,平均环境湿度为64.2%的条件下进行,配置质量浓度为30 g/L的NaCl溶液预热至40 ℃,设置不同的循环流量,测定NaCl溶液的蒸发量,探究循环流量对系统蒸发量的影响。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  实验结果如图2所示,随着流量的增大,蒸发量逐渐增大,实验范围内最大蒸发量是在循环流量为2 500 L/h时,蒸发量为17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范围增速最大,当流量超过2 000 L/h时,增速放缓且趋向于零增速,当增大到一定值时开始下降。在系统运行过程中,水会在气液接触填料间形成水膜,增大热量和质交换面积,在回流空气的作用下, 快速穿过水膜,在水膜破裂与形成的循环过程中,促进蒸发。当流量较小时,形成的水膜厚度较薄,容易被回流空气吹散,随着流量的增大,形成的水膜越成熟,传热传质更充分,但当流量过大时,水膜厚度过厚,传热热阻增加,无法进行充分的热量和质的交换,因此,蒸发量逐渐减少。

  2.2高盐水初始温度对系统蒸发效率的影响

  实验在平均室温33.5 ℃,平均环境湿度为64.2%的条件下进行,配置浓度为30 g/L的NaCl溶液预热至不同的初始水温,调节进水阀设置循环流量为1 400 L/h,测定不同的初始水温条件下NaCl溶液的蒸发量,探究初始水温对系统蒸发效率的影响。

  实验结果如图3所示,可以得出:蒸发量随着温度的升高而不断增加,本组实验最大值是当温度为45 ℃时,蒸发量为

  18.2 L/h。水分蒸发的过程是水分子发生相变和进行热交换的过程,热量的传递交换需要不断地消耗和补充热量,本系统利用的是低品质热能,热消耗速度快,因此,热量补充越充分就越能够促进蒸发,所以当温度不断升高时,蒸发量也随之不断增加。

  2.3 气液接触蒸发高盐废水浓缩技术能耗分析

  从表1实测数据可知,该气液接触蒸发高盐废水浓缩技术中初始水温越高,蒸发速率越快;随着温度的升高,对应的单位体积蒸发水量电能耗量降低。当NaCl溶液质量浓度为30 g/L,水温为45 ℃时,单位体积蒸发水量电能耗量为123 230.77 J,吨能电耗量约为34.23 kW·h.该技术应用到低温多效蒸发技术中进行大试,吨水电能耗量低至15 kW·h, 相较于常用的蒸汽机械压缩技术(MVR)(吨水电能耗量

  46.84 kW·h),气液接触蒸发技术的蒸发效率提高了约 3倍,且低温多效蒸发技术多是利用70~50 ℃的低品热蒸汽, 而本实验最高利用蒸汽温度是45 ℃,蒸汽温度越高其能耗越低,因此,将该技术应用到实际工程中,能耗将更低。

  3结语

  实验表明气液接触蒸发浓缩实验过程中:随着流量的增大,蒸发量逐渐增大,实验范围内最大蒸发量是在循环流量为2 500 L/h时,蒸发量为17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范围增速最大,当流量超过2 000 L/h,增速放缓且趋向于零增速,当增大到一定值时开始下降;蒸发量随着温度的升高而不断地增加,本组实验最大值是当温度为45 ℃时, 值为18.2 L/h。

  实验表明当初始水温为45 ℃时,气液接触蒸发浓缩高盐废水技术是其他蒸发技术效率的3倍,应用到现场大试中其吨能电耗量低至15 kW·h,并且蒸汽温度越高其能耗越低,若将初始水温提高到50~70 ℃,应用到实际工程中,能耗将更低。

  气液接触传质传热技术,在暖通空调领域应用广泛,常用于开式循环冷却塔,气液接触传热降低了热损耗,极大地降低了能耗成本。在工业企业或者其他外来热源不足或供能较低的情况下,利用气液直接接触传质和传热,对废水循环浓缩,可以联合采用多级多效的方式,也是尽量利用蒸汽余热,可对废水中盐分进行回收,实现零排放,降低能量损耗的措施。对设备进行市场推广应用,对设备进行全面的电气自动化和机械加工实体设计,研发适用于不同气候地区(例如太阳能技术的联用)或不同工业企业的工艺设备。(来源:现代盐化工)

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