離子膜燒堿淡鹽水回收利用技術(shù)
中國污水處理工程網(wǎng) 時間:2014-11-17 14:20:59
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本
氯堿工業(yè)作為生產(chǎn)燒堿、氯氣和氫氣的基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè),發(fā)展至今已有100 多年的歷史,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于棉紡、化纖、醫(yī)藥、造紙、印染、冶煉和食品等工業(yè),在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。燒堿制造的生產(chǎn)技術(shù)大致經(jīng)歷了苛化法、水銀電解法、隔膜電解法和離子膜電解法等四種技術(shù)歷程。其中,苛化法的生產(chǎn)所需原材料為純堿,價格昂貴,供應(yīng)緊張,目前國內(nèi)已基本淘汰。水銀法由于環(huán)保問題國內(nèi)也完全淘汰,歐洲等國尚有部分裝置在運行。目前,國內(nèi)燒堿企業(yè)大多采用隔膜法和離子膜法。隔膜法亦存在能耗高,燒堿質(zhì)量差,石棉絨環(huán)保處理難等缺點,此類方法的應(yīng)用大幅度萎縮。離子膜電解制堿是20 世紀(jì)70 年代中期出現(xiàn)的具有劃時代意義的電解制堿技術(shù),已被世界公認(rèn)為技術(shù)最先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)上最合理的氫氧化鈉生產(chǎn)方法。與傳統(tǒng)的隔膜法制堿法相比,離子膜電解制堿具有能耗低、出槽液堿純度高、氯氣純度高、氫氣純度高、安全系數(shù)高、生產(chǎn)工藝環(huán)保等優(yōu)點,同時,離子膜具有較穩(wěn)定的化學(xué)性能,幾乎無污染和毒害。
離子膜制堿法在生產(chǎn)過程中會副產(chǎn)大量的淡鹽水,其中NaCl 的質(zhì)量濃度達(dá)到200 g /L 左右。由于氯堿行業(yè)是資源和資本密集型的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè),隨著市場競爭力度的加大,原材料價格上升,因此提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本是提高氯堿企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵措施。顯而易見,對淡鹽水進(jìn)行回收利用,具有重大的意義。
1 淡鹽水的產(chǎn)生及特征
淡鹽水是鹽水電解后的產(chǎn)物,由于淡鹽水中NaCl 濃度較低,電解效率低,電耗升高,而且電解出的產(chǎn)品濃度低,嚴(yán)重?fù)p害離子膜。因此,在離子膜法制堿工藝中,淡鹽水必須定期外排。如果對于氯堿行業(yè)淡鹽水不進(jìn)行回收處理,將造成資源的浪費和環(huán)境的污染。
離子膜淡鹽水具有以下幾個特征:
(1) 溫度較高,脫氯淡鹽水約75 ℃,經(jīng)膜法除硝處理的部分淡鹽水與未處理的淡鹽水混合后約60 ℃;
(2) 氯化鈉濃度在180 ~ 200 g /L 范圍內(nèi),常壓條件下沸點約為103. 5 ℃;
(3) 較為純凈,Ca2 +、Mg2 + 等雜質(zhì)含量小于4×10-5 mg /L;
(4) 腐蝕性強(qiáng)。
2 淡鹽水的回收利用技術(shù)
對于離子膜制堿工藝,淡鹽水回收利用是技術(shù)關(guān)鍵。對淡鹽水的回收利用,就是進(jìn)行濃縮處理,使淡鹽水接近飽和。處理淡鹽水接近飽和主要有兩種方法,一種是去掉水分,另外一種是加鹽。去掉水分的方式有膜過濾技術(shù)、多效蒸發(fā)技術(shù)以及機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR) 技術(shù)。
(1) 膜過濾。膜過濾的原理是利用一種只允許水分子通過的膜,過濾去掉一部分水,從而得到飽和的氯化鈉溶液。這種方法雖然能耗低,但廣泛應(yīng)用在氯堿行業(yè)之前還有許多技術(shù)難題需要突破,其研究進(jìn)展值得關(guān)注。
(2) 多效蒸發(fā)。這種方法需要以蒸汽為能源,通過消耗蒸汽來達(dá)到濃縮的目的,最后一效的二次汽需要用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。多效蒸發(fā)已經(jīng)是制鹽行業(yè)普遍采用的一種方法。
多效蒸發(fā)技術(shù)是將幾個蒸發(fā)器串聯(lián)運行的蒸發(fā)操作,使蒸汽熱能得到多次利用,從而提高熱能的利用率,多用于水溶液的處理。在三效蒸發(fā)操作的流程中,第一個蒸發(fā)器(稱為第一效) 以生蒸汽作為加熱蒸汽,其余兩個(稱為第二效、第三效)均以其前一效的二次蒸汽作為加熱蒸汽,從而可大幅度減少生蒸汽的用量。每一效的二次蒸汽溫度總是低于其加熱蒸汽,故多效蒸發(fā)時各效的操作壓力及溶液沸騰溫度沿蒸汽流動方向依次降低。依據(jù)二次蒸汽和溶液的流向,多效蒸發(fā)的流程可分為:①并流流程。溶液和二次蒸汽同向依次通過各效。由于前效壓力高于后效,料液可借壓差流動。但末效溶液濃度高而溫度低,溶液粘度大,因此傳熱系數(shù)低。②逆流流程。溶液與二次蒸汽流動方向相反。需用泵將溶液送至壓力較高的前一效,各效溶液的濃度和溫度對粘度的影響大致抵消,各效傳熱條件基本相同。③錯流流程。二次蒸汽依次通過各效,但料液則每效單獨進(jìn)出,這種流程適用于有晶體析出的料液。
在生蒸汽溫度與末效冷凝器溫度相同(即總溫度差相同)條件下,將單效蒸發(fā)改為多效蒸發(fā)時,蒸發(fā)器效數(shù)增加,生蒸汽用量減少,但總蒸發(fā)量不僅不增加,反而因溫度差損失增加而有所下降。多效蒸發(fā)節(jié)省能耗,但降低設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度,因而增加設(shè)備投資。在實際生產(chǎn)中,應(yīng)綜合考慮能耗和設(shè)備投資,選定最佳的效數(shù)。燒堿等電解質(zhì)溶液的蒸發(fā),因其溫度差損失大,通常只采用2 ~ 3 效; 食糖等非電解質(zhì)溶液,溫度差損失小,可用到4 ~ 6 效; 海水淡化所蒸發(fā)的水量大,在采取了各種減少溫度差損失的措施后,可采用20 ~ 30 效。但是,對于氯堿行業(yè)淡鹽水的蒸發(fā)濃縮上,目前工業(yè)上普遍采用的是3 ~ 5 效,而且蒸發(fā)器效數(shù)越多,投資越大。
(3) MVR技術(shù)。MVR是國際上一種先進(jìn)的熱泵技術(shù),將淡鹽水濃縮至飽和,達(dá)到進(jìn)離子膜電解槽的要求。
MVR(mechanical Vapor recompression) 是重新利用蒸發(fā)濃縮過程產(chǎn)生的二次蒸汽的冷凝潛熱,從而減少蒸發(fā)濃縮過程對外界能源需求的一項先進(jìn)節(jié)能技術(shù)。早在20 世紀(jì)60 年代,德國和法國已成功的將該技術(shù)用于化工、食品、造紙、醫(yī)藥、海水淡化及污水處理等領(lǐng)域。MVR的工作原理是將低溫位的二次蒸汽經(jīng)蒸汽再壓縮機(jī)壓縮,以提高溫度、壓力和熱焓,然后再進(jìn)入蒸發(fā)器冷凝供熱,以充分利用蒸汽的潛熱。這樣,原來要排放的廢蒸汽就得到了充分利用,既回收了其潛熱,提高了熱效率,又可回收蒸汽冷凝液。MVR系統(tǒng)除開車啟動外,正常運行后整個蒸發(fā)過程無需生蒸汽。
由于膜過濾技術(shù)仍處于開發(fā)階段,還未見到相關(guān)的文獻(xiàn)報道,因此在后文的比較中暫不考慮。多效蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR) 蒸發(fā)工藝比較見表1 (按配套15 萬t /a 離子膜燒堿裝置) 。
3 生產(chǎn)成本比較
假定體積不變,按15 萬t /a(8000 h /a) 離子膜燒堿規(guī)模進(jìn)行計算比較。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
(1) 三效蒸發(fā)濃縮技術(shù)
15 萬t 氯堿生產(chǎn)線每小時約需從淡鹽水中蒸發(fā)60 t 水才能滿足工藝要求。
采用三效蒸發(fā)設(shè)備所需的綜合能耗為:按每蒸發(fā)1 t 水約消耗0. 4 t 蒸汽、1 t 煤產(chǎn)生約4 t 蒸汽,按照煤的折標(biāo)系數(shù)為0. 7143 計算,則年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為:
60×0. 1×0. 7143×8000 = 4. 29 t 標(biāo)煤/h
按照每t 標(biāo)煤的價格500 元來計算,合計成本為:
4. 29×500 = 2145 元/h
(2) MVR技術(shù)
采用MVR技術(shù)所需的綜合能耗為:按每蒸發(fā)1 t 水約消耗36 度電,按照1 t 煤產(chǎn)生3000 度計算,則需要能耗為:
60×36 ÷ 3000 = 0. 72 t 標(biāo)煤/h
按照每t 標(biāo)煤的價格500 元來計算,合計成本為:
0. 72×500 = 360 元/h
通過比較得出結(jié)論,采用MVR技術(shù)濃縮淡鹽水的成本低于三效蒸發(fā)濃縮技術(shù)。
4 結(jié)語
由于氯堿工業(yè)的發(fā)展仍然是依靠資源的高投入、高消耗來推動,使得我國資源瓶頸和環(huán)境問題日益突出,因此淡鹽水的回收利用是一項具有非常重大意義的舉措。MVR技術(shù)是目前最低成本的淡鹽水濃縮技術(shù),該技術(shù)的發(fā)展將會為國內(nèi)氯堿行業(yè)帶來一次技術(shù)突破,為各企業(yè)節(jié)約能源,降低成本,增加產(chǎn)品競爭力,具有良好的社會效益。