含氯化铵工业废水蒸发回收工艺的研究

含氯化铵工业废水蒸发回收工艺的研究

采用离子交换法生产碳酸钾的工艺，每生产1吨碳酸钾时要通过8.9吨含氯化铵的废水排放，质量比例不到10%。该排放不仅使碳酸钾生产成本提高,最主要是造成对环境的氨氮污染。采用传统的蒸发工艺,蒸汽消耗量很大,难过经济关;且氯化铵对一般材质的腐蚀十分严重,设备材质选择有很大困难。张及瑞等曾对碳酸钾工业废水治理进行了研究并提出设计方案。张立强等对三效蒸发系统有效传热温差进行了火用优化。这些方法取得了较好的经济效益和社会效益。纯碱工业中技术难点也集中在氯化铵母液的处理上。含氯化铵废液的处理是无机化工中历史性的技术难题之一。因此,开发技术先进、经济合理的蒸发工艺,不仅对环保至关重要,而且也能解决无机化工原料生产的瓶颈问题,促进绿色无机化工生产体系的早日实现。1低浓度废水蒸发蒸发废水nh4cl1)含NH4Cl的溶液蒸发时,对设备的腐蚀相当严重。文献表明,含NH+4和Cl-离子的溶液对金属设备的腐蚀是十分典型的,不仅一般碳钢和不锈钢材料不耐腐蚀,就是昂贵的钛材在高浓度、温度较高时也不耐腐蚀。2)低浓度废水蒸发至结晶浓度的能耗过高。生产中排放的废水NH4Cl含量低于10%(质量分数),一般为4%～8%(质量分数)。将如此稀的氯化铵废水蒸发,若采用常规工艺能耗过高,经济上难以承受。3)高浓度溶液在高温下蒸发,NH4Cl会显著反向升华。2蒸发过程和特点2.1蒸发效率的计算赵景利等对不同的蒸发流程进行了火用计算,并进而赋予火用以价值化,得到了三效和单效蒸发流程的经济适用范围,如图1所示。由图1不难看出:1)氯化铵溶液对设备有强腐蚀性,若设备使用寿命小于1.5a,不管年利率如何,三效流程的成本均大于单效,采用单效流程是最为经济的选择。2)设备使用寿命与年利率之间存在一条等成本曲线,在曲线上,三效流程与单效流程成本相同。3)等成本曲线上方为三效适用区,设备使用寿命越大,年利率成本越小,三效流程成本比单效越低。曲线下方为单效适用区,且设备使用寿命越小,年利率越大,单效流程的成本优势越大。针对含氯化铵工业废水的蒸发特点,按照化学工程手册可以计算出最佳蒸发效数为三效。再考虑到材质耐腐蚀情况,选用三效是合适的。2.2蒸发结晶工艺流程在多效蒸发中,常见的操作流程有顺流、逆流、平流和错流。顺流流程由于后效溶液的浓度较前效高,且温度又较低,所以随溶液浓度的提高导致粘度逐渐增加,致使传热系数下降。逆流流程中,第一效蒸发器中溶液的温度和浓度都很高,设备腐蚀相当严重。上述两种流程虽各有特点,但都不适合低浓度氯化铵废水的蒸发。鉴于此种情况,笔者针对低浓度氯化铵废水的蒸发过程的特点,引用了一种专利技术,即三效错流蒸发工艺流程,如图2所示。含氯化铵的废水经原液泵加压后,经预热器预热至70～85℃,进入第一效蒸发器加热室内加热蒸发,溶液沸点控制在85～96℃,质量分数达到20%～25%。在第一效气液分离室内进行气、液分离,分离出来的液体用泵打入闪蒸器。经闪蒸后的液体再进入三效蒸发器加热室内继续被加热蒸发,溶液沸点控制在65～75℃,质量分数达到30%～35%。在该效蒸发器气液分离室内进行气、液分离,分离出来的蒸汽进入乏汽预热器对原料液和母液进行加热。分离出来的液体用泵打入二效蒸发器加热室继续蒸发,溶液沸点控制在65～85℃,当蒸发到质量分数为32%～37%后,在该效蒸发器气液分离室内进行气、液分离,分离出来的液体去结晶器冷却结晶,结晶出的固体氯化铵经过离心分离、干燥、包装成为氯化铵成品。结晶槽内的母液用泵打入乏汽预热器内预热到50～65℃后,进入二效蒸发器进行加热蒸发。由锅炉来的生蒸汽和经一效蒸发器气液分离室分离出来的部分二次蒸汽经蒸汽喷射热泵压缩后共同进入一效蒸发器加热室的壳程,加热室温度为100～105℃;由一效蒸发器气液分离室分离出来的另一部分二次蒸汽进入二效蒸发器加热室的壳程,作为热源对二效蒸发器进行加热,温度为80～90℃。由三效蒸发器气液分离室分离出来的二次蒸汽进入乏汽预热器冷凝,冷凝温度在60～70℃,并对原液、母液进行加热。由乏汽预热器出来的尾气进入大气冷凝器内,将其中的水蒸气直接冷凝下来,冷凝下来的水下降到水封槽内,再用泵将水打入凉水塔内,冷却后的水通过泵打回大气冷凝器内循环使用,不凝性气体用真空泵抽走排空。各效蒸发器加热室壳程中的冷凝水和乏汽预热器中的冷凝水经串联后用泵抽走。该三效错流真空蒸发流程具有以下突出特点:1)采用了混合式大气冷凝器和真空泵相结合的形式,以保证多效蒸发系统为真空蒸发。在多效蒸发系统中为负压操作,因此可以有效降低各效蒸发器内溶液的沸点,一般情况下,第一效蒸发器内溶液的沸点控制在85～96℃,第三效蒸发器内溶液的沸点控制在55～75℃之间。第一效蒸发器内温度高,但料液浓度低;二、三效蒸发器内浓度高,但温度低,因而可以减小氯化铵溶液对设备的腐蚀,纯钛材即可保证设备的使用寿命在10a以上。2)在蒸发系统中蒸发器采用降膜蒸发器。因为采用了低温蒸汽加热和真空蒸发,使得总有效传热温差变小。降膜蒸发器是在较小的总传热温差下实现多效蒸发的一种较好的加热蒸发方式。3)在二、三效降膜蒸发器的壳程设有盘管,用以预热原料液,提高原料液进入一效蒸发器的温度,减少蒸发管内的预热段,较好地提高蒸发强度。4)采用蒸汽喷射式热泵。生蒸汽将一效蒸发器蒸发出来的二次蒸汽压缩后一起对一效蒸发器进行加热,这就使低品位蒸汽(二次蒸汽)变为高品位蒸汽,可以进一步降低能耗,节能幅度可达45%。5)一效蒸发出的料液经过一次闪蒸后补充到三效加热室做加热之用,三效气液分离出来的二次蒸汽用于预热原料液和从结晶器中分离出来的母液,可大幅度提高热量利用率。综合特点3),4)的节能效果,在该工艺中单位蒸汽消耗量可达到0.25～0.30kg(汽)/kg(水)。6)大气冷凝器冷凝下来的水返回大气冷凝器循环使用,排放的废水是干净的冷凝水,可达到排放标准。生产中只需补充少量一次水即可满足生产要求,节约了水资源,对环境不产生二次污染。7)蒸发系统中的溶液没达到饱和,因而蒸发器中没有结晶析出,产生垢层机会少,使得清洗蒸发器周期延长,开工率较高。3经济效益和社会效益该技术不仅解决了碳酸钾厂含氯化铵工业废水对环境的污染,而且有较高的经济效益,在河北省眺山化工厂、山东鲁南化肥厂、浙江大洋化工厂、河南济原大洋化工有限公司、深圳市环保站、浙江常山富盛化工集团、内蒙古和发稀钍有限公司等厂家的含氯化铵工业废水处理的应用中,均取得了很好的经济效益和社会效益。4能耗及技术难点1)采用三效错流降膜加蒸汽喷射热泵的真空