冷冻结晶技术+膜过滤组合工艺处理硫酸钠废水的优越性

    在化工企业中，有许多废水是含较高浓度的硫酸钠废水，因含盐量较高无法直接进行生化处理，因此一般采用多效蒸发结晶技术，得到无水硫酸钠固废，冷凝水回用或进一步处理；近些年随着MVR热泵蒸发器的兴起，因其较低的处理能耗得到较多推崇，但是由于压缩风机均为进口设备，投资较高。那么，究竟有没有一个投资相对更小、处理能耗更低的工艺路线呢。

    针对硫酸钠的物料特性，其既可以通过蒸发得到无水硫酸钠结晶，又可以通过冷冻得到含十个结晶水的芒硝（即十水硫酸钠）；同时，随着膜浓缩技术的进步，通过膜浓缩可以将原料液及结晶母液浓度提升至15%左右，因此我们独辟蹊径，采用膜浓缩及冷冻结晶脱硝组合工艺，得到芒硝晶体及膜过滤得到的洁净水。

    那么，这种组合结晶的工艺和多效蒸发结晶技术、MVR蒸发结晶技术相比，在投资及能耗上究竟有多大优势及合理性呢，就此，我们以日处理200吨含量为18%的硫酸钠废水为例，进行具体比较。

一、设计条件：

每天处理200m³其中含硫酸钠18%，比重为1131kg/m3,按每天运行20小时计。

来料温度20⁰C

二、设备选型

根据硫酸钠的特性及本系统废水中硫酸钠的含量，可选用下列几种处理方式

1）            通过冷冻结晶+膜浓缩组合处理工艺得到十水硫酸钠与纯水。

2）            通过多效强制循环蒸发工艺得到硫酸钠。

3）            通过热泵+多效强制循环蒸发组合处理工艺得到硫酸钠。

三、各处理工艺介绍

1、冷冻结晶+膜浓缩组合处理工艺

（1）工艺流程

20⁰C的物料溶液通过连续冷冻结晶器通过不断冷却产生过饱和度从而得到十水硫酸钠警惕，出料泵取出的晶浆经稠厚器进一步消除饱和度后进入离心机固液分离后，固体进入下工序，母液进入膜过滤工序进行再浓缩，可将母液浓度提升至15%左右，浓缩后的纯水进入生产工序回用，浓缩液进入结晶器继续参与结晶。

通过结晶得到十水硫酸钠作为固体产品与纯水，母液则通过膜浓缩在体系内循环继续参与结晶。

（2）工艺特点：

1)为了使晶体有更好的生长环境和更高的收率、更低的能耗，采用本方案采用母液预冷+冷冻水冷却结晶。采用预冷换热，可以有效利用能量，运行费用低，操作稳定性好。

2)配大流量、低扬程、低转速的轴流泵作为循环动力，可以使物料均匀冷却，避免产生大量细晶核。并防止了循环晶浆中的晶粒与循环泵的叶轮高速碰撞而出现大量二次成核现象。

3)根据结晶数据曲线及结晶要求，结晶器采用了外冷式的Krystal分级结晶器。

4)本装置可采用人工控制或自动控制，操作简单、稳定。

5）可充分利用冷量，能量消耗低。

（3）工艺能耗

冷冻机组功率消耗：440Kw/h

其他设备功率消耗（不含离心机功率）：80Kw/h。

电费按0.6元/kw,则每小时的总能量消耗为：312元/小时，约合处理每立方水的成本为：31.2元。

（4）结晶器设备投资

结晶器主体设备投资318万元（不含安装、离心机及膜处理部分）

2、多效强制循环蒸发工艺

（1）工艺流程

采用四效强制循环蒸发结晶工艺，顺流操作，即溶液流向为：原料液→一效→二效→三效→四效→浓缩液排出。生蒸汽则首先进入一效蒸发器加热室的壳程，冷凝水回锅炉，一效蒸发器蒸发出的二次蒸汽则进入二效蒸发器的壳程作为二效加热室的加热蒸汽，冷凝后冷凝水进入三效加热室闪蒸；二效蒸发器蒸发出的二次蒸汽作为三效蒸发器的加热蒸汽，冷凝水进入三效加热室闪蒸；三效蒸发器蒸发出的二次蒸汽作为四效蒸发器的加热蒸汽，冷凝水进入四效加热室闪蒸；四效的乏汽由间接冷凝器冷凝，不凝气体由真空泵排出。

通过本多效蒸发结晶工艺，可分别得到硫酸钠与蒸发出的冷凝水。

（2）工艺特点

1）传热效率高、操作弹性大、运转可靠。

2）采用真空操作，蒸发温度低并有效降低设备腐蚀。

3）小温差循环操作，换热管不易结垢，操作周期长。

4）采用强制循环蒸发，通过增大循环量进而提升换热器内的管内流速，可有效克服硫酸钠结晶容易结壁的特点。

（3）工艺能耗

    蒸汽消耗3.9吨/小时，用电功率200KW/h

    蒸汽按200元/吨，电费按0.6元/kw

    则每小时能耗消耗费用共计900元/h

    约合每立方水消耗的费用为90元。（不含离心机）

（4）设备投资

    主体设备投资350万元（不含安装及离心机部分）

3、MVR热泵蒸发器+多效蒸发器组合工艺

（1）工艺流程及原理

作为一种节能高效的蒸发器，MVR热泵蒸发器一般采用的换热器形式为降膜式蒸发工艺，适用于浓度低、无结晶、不容易结壁的物料，所以对于本物料系统，在无结晶浓缩阶段采用MVR蒸发器，在溶液结晶饱和的时候采用多效强制循环蒸发器组合工艺。

硫酸钠的饱和浓度约为30%，因此采用MVR蒸发器需要控制出料浓度小于30%，即在浓度接近30%时须转入多效蒸发结晶器继续蒸发结晶。通过计算，在MVR蒸发器内蒸发出的水量要控制在2.2吨/小时左右，则在多效强制循环蒸发器内蒸发的水量约为2.5吨/小时左右。

（2）工艺特点

1）采用组合工艺可有效解决MVR蒸发器不能处理结晶物料的问题。

2）设备能耗较低，但设备投资相对较大。

（3）工艺能耗

1）第一级MVR浓缩4.4t/hr（蒸汽温升8℃）蒸发器
设备成本：450万元/套 
运行成本：蒸汽消耗0.02吨/小时（机组密封补汽），蒸汽价格200元/吨，电耗220千瓦/时（主电机、循环泵、真空泵、凝水泵），平均电价0.6元/千瓦时；
每小时运行成本：0.04吨*200元/吨+220千瓦*0.6元/千瓦时=8+132=136元/小时；

约合处理每吨水的成本为32元。

2）第二级四效强制循环蒸发结晶器

运行成本：蒸汽消耗1.8吨/小时，电耗140KW/h

则每小时运行成本为1.8吨*200元/吨+140千瓦*0.6元/千瓦时=360+84=444元/小时；

约合处理每吨水的成本91元。

则每小时综合成本为136+444=580元/小时，约合每立方水消耗的费用为58元（不含离心机能耗）。

（4）设备投资

MVR设备投资约450万元，四效蒸发结晶器设备投资约240万元，总计约690万元（不含安装、离心机设备价格）。

四、综合评价

由以上分析可以得出，设备能耗方面来考虑，采用冷冻结晶与膜处理组合工艺，运行能耗*低，设备投资中等；采用四效蒸发结晶工艺，投资*低，但运行费用*高；采用MVR与四效蒸发结晶组合工艺，运行能耗中等，但投资*高。

因此，才用冷冻结晶与膜处理组合工艺处理硫酸钠废水具有较高的推广价值。