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煤化工废水零排放技术的问题与展望论文
1 煤化工废水来源及特点
1.1 煤化工废水来源
煤化工废水可分为两类：有机废水和含盐废水[1].有机废水主要来源于煤气化工艺废水及装置的生活污水等，其特点是含盐量 TDS 较低，但有机物含量较高，污染物以 COD和氨氮为主。有机废水的水质差异主要取决于项目采用的煤气化工艺。含盐废水主要来源于循环水排污、除盐水站排污、锅炉排污和化学清洗排污等，其特点是含盐量 TDS 较高，而 COD 和氨氮浓度较低。
因此要按照分质处理的原则，针对各类废水的不同性质采用适当的处理工艺，将生产过程中产生的废水进行分类处理，使处理后的再生水能够达到回用的水质指标。典型处理流程见下图：
1.2 高含盐废水特点
回用水处理站产生的引高含盐废水含盐量高，TDS 总量约20000 ppm,甚至高达 60000 ppm;有机物含量高，难以生化降解，有机物可能起溶液起泡，甚至影响盐结晶；同时钙、镁、硅等离子含量较高，导致溶液污垢系数增加，结垢倾向增大。
2 煤化工废水零排放技术现状
煤化工产生的高含盐废水实现零排放的方式主要有两种：
蒸发 + 蒸发塘工艺、蒸发结晶工艺。
2.1 蒸发 + 蒸发塘工艺
通过蒸发先将含盐废水浓缩到 TDS 约 150000~200000ppm,再送至蒸发塘进行自然蒸发。该工艺的运行实例有神华鄂尔多斯煤直接液化项目的零排放装置。
该工艺的缺点为：
蒸发塘具有一定的地域局限性，只适合建设于年平均蒸发量为降雨量 3~5 倍以上的区域[1].受气候条件限制，西北地区冬季气温低，废水自然蒸发量极小，无法满足蒸发处理量要求；蒸发塘工艺没有真正实现零排放，不能完全满足环保要求；蒸发塘建设投资高，占地面积大，吨水占地约 1 万平方米；送至蒸发塘的水靠自然蒸发到大气中，无法回收，造成水资源浪费；蒸发塘内析出的固体盐需要定期清理，只能全部作为固废处理，增加了废水处理成本。
2.2 蒸发结晶工艺
蒸发结晶法处理含盐废水是通过蒸发浓缩，使废水中具有结晶倾向的溶质浓度达到过饱和状态，形成许多微小的晶核，晶核长大形成晶体析出，再进行固液分离获得固态结晶体；含盐废水中的水份吸热后汽化形成二次蒸汽，二次蒸汽经冷凝获得产品水，从而实现含盐废水中盐与水的分离。该工艺的运行实例有中煤鄂尔多斯能源图克化肥项目的零排放装置。
蒸发结晶工艺与传统脱盐工艺如反渗透、电渗析、离子交换相比，处理成本较高，但脱盐率最高，且对进水盐分含量无限制。蒸发结晶工艺通常用于全厂水系统的末端，使无法采用传统工艺进行处理的浓盐水达到零排放的要求。
3 蒸发结晶技术
由于结晶系统的设备造价和运行费用都比蒸发系统高，通常将蒸发系统作为结晶系统的预浓缩手段，以降低装置的整体建设投资和运行费用。
3.1 蒸发
3.1.1 蒸发系统的驱动方式
根据蒸发热源的不同，可以将蒸发系统分为两类，包括蒸汽直接驱动的单效或多效蒸发和电能驱动的机械蒸汽压缩再循环（MVC）蒸发。
（1）多效蒸发
蒸发系统的第一效采用新鲜蒸汽直接驱动，第一效蒸发器中盐水蒸发产生的蒸汽用作第二效蒸发器的热源，末效蒸发器产生的二次蒸汽需要采用循环水冷却或空冷后作为产品水回用。
多 效 蒸 发操作较繁琐，虽然建设投资较MVC 蒸发稍低，但由于蒸汽价格远高于电费，系统运行费用高。 对 于 工 厂有富裕蒸汽或其 他 废 热， 可以采用此工艺。
（2）机械蒸汽压缩再循环（MVC）蒸发
蒸发器换热管内盐水蒸发产生的二次蒸汽经过压缩机升温升压后，送回蒸发器的加热室，作为盐水蒸发的热源。蒸发系统通过电能驱动，正常操作时无需外供蒸汽。与外供蒸汽直接驱动的蒸发系统相比，MVC 系统能够获得更高的热效率。相比于多效蒸发系统，MVC 技术的应用可以简化工艺流程和操作，并大幅降低运行费用。蒸发系统盐水的沸点升高值（BPR）不大，蒸汽压缩机通常可以选用离心风机，相比离心压缩机投资较低。
3.1.2 蒸发器的结构形式
蒸发器是一种特殊的传热设备，在结构上除设有用于热量交换的加热室、用于汽液分离的盐水槽，此外，为了使蒸汽和液沫能有效地分离，还设有除沫器。
根据溶液在蒸发器中流动的情况，常用的蒸发器形式有垂直降膜蒸发器和强制循环蒸发器。
（1）垂直降膜蒸发
原料液由加热室的顶部加入，溶液在重力的作用下沿管内壁呈膜状下流，并被蒸发浓缩。降膜蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液，也适用于黏度较大的物料，但对于易结晶的溶液不适用[2].降膜蒸发器的蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，传热效率较强制循环蒸发大，设备造价较强制循环蒸发器低。
2）强制循环蒸发强制循环蒸发器的溶液循环速度较高，适宜处理黏度大、易结垢及有大量结晶析出的溶液。它是利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动，其循环速度在 2.5 m/s 以上，动力消耗较大[3].
3. 2 结晶
由于结晶系统的浓盐水中有结垢和晶体析出，一般选用强制循环结晶工艺。结晶系统包括闪蒸罐、循环泵、加热器、离心脱水机或板框压滤机等基本设备。
结晶系统也可以选用蒸汽直接驱动或电能驱动方式。由于结晶系统的盐水浓度更高，溶液的沸点升高值（BPR）大，如选用 MVC 结晶，蒸汽压缩机必须选用离心式压缩机，设备投资较大。
4 零排放技术存在的问题及发展
4.1 零排放技术存在的问题
由于高含盐废水中钙、镁、硅、氯离子含量较高，零排放装置普遍存在蒸发器结垢及设备腐蚀等问题[3].同时由于有机物含量高，导致蒸发产水水质达不到设计指标。结晶系统中通过离心脱水机或板框压滤机分离出的固体盐为杂盐，成分复杂，只能作为固体废弃物进行填埋处理，杂盐的处理费用高于 2000 元 / 吨。高昂的结晶盐处理费用限制了零排放技术的推广应用。
纵观国内已建成运行的零排放装置，在经过不断的摸索和经验积累后，废水零排放完全可以实现，但在实践操作时，由于主工艺装置不稳定运行，会对零排放的可靠性产生影响。
4.2 零排放技术的发展
为降低煤化工含盐废水零排放的投资成本和运行费用，对前端膜处理技术提出更高的要求，高效反渗透、震动膜、正渗透、电渗析等技术将会被更多的企业所关注和应用。杂盐资源化利用技术的开发迫在眉睫。通过盐的分离提取，得到较纯的单盐，可以外销作为其他行业的原料，既减少了固体盐填埋对环境造成的二次污染风险，又降低了结晶系统的运行费用。
通过对现有零排放装置的运行实践进行总结，零排放工艺技术会逐渐得到优化，新型耐腐蚀材料、蒸发结晶设备也会被研发和应用。随着《水污染防治行动计划》的出台，国家将对污水处理、工业废水、全面控制污染物排放等多方面进行强力监管并启动严格问责制，这意味着铁腕治污将进入“新常态”,废水零排放也必然成为发展趋势。（图略）
参考文献：
[1] 曲风臣 . 煤化工废水零排放技术要点及存在问题 [J]. 化学工业 ,2013,31（2）：18-23.
[2] 柴诚敬 , 张国亮 . 化工流体流动与传热 [M]. 北京 : 化学工业出版社 ,2007.
[3]韩忠明，潘勇延。现代煤化工企业的废水处理技术及应用分析[J].化学工业与工程技术 ,2013,34（6）：28-32.
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