氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水試驗(yàn)研究與能耗分析
摘 要：開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究不同的影響因素對(duì)系統(tǒng)水量蒸發(fā)的影響，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行能耗分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：初始水溫和循環(huán)流量能促進(jìn)系統(tǒng)水量蒸發(fā)，水溫越高蒸發(fā)效率增速越大，循環(huán)流量過(guò)大時(shí)蒸發(fā)速率反而逐漸下降；系統(tǒng)電能耗量隨溫度的升高而降低，當(dāng)初始水溫為45 ℃時(shí)，系統(tǒng)能節(jié)約2/3的電能耗量。
關(guān)鍵詞：高鹽廢水；污水濃縮；氣液接觸；能耗分析
由于生產(chǎn)工藝、加工對(duì)象、生產(chǎn)管理水平的差異，造成含鹽廢水水質(zhì)及水量具有多變性，且易造成設(shè)備結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題，使得含鹽廢水的處理難度遠(yuǎn)高于常規(guī)廢水[1]。胡朋飛等[2]將直接接觸傳熱蒸發(fā)過(guò)程引入蒸餾領(lǐng)域，研發(fā)了用于熱敏物料蒸餾的直接接觸傳熱蒸發(fā)釜；王少雄[3]設(shè)計(jì)不同開(kāi)孔形式的雙相俱孔板作為氣液傳質(zhì)傳熱的場(chǎng)所，探究了氣液接觸系統(tǒng)的影響因素和蒸發(fā)效率。本論文通過(guò)設(shè)計(jì)新的氣液接觸濃縮技術(shù)裝置，在較低的溫度條件下，綜合利用低品質(zhì)熱能，降低能耗和成本，通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)氣液直接接觸，廢水與空氣在介質(zhì)表面進(jìn)行劇烈的傳質(zhì)和傳熱的過(guò)程，從而防止填料表面結(jié)垢，最終實(shí)現(xiàn)鹽水分離。該研究將極大提高含鹽廢水處理能效，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用推廣前景。
1實(shí)驗(yàn)材料與裝置
1.1實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)用分析純NaCl溶液配制質(zhì)量濃度為30 g/L的Nacl
溶液作為原水水樣。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
該裝置包括加熱系統(tǒng)、氣液接觸蒸發(fā)系統(tǒng)及水循環(huán)系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)備有：氣液接觸蒸發(fā)器，風(fēng)機(jī)，循環(huán)泵，電加熱裝置，循環(huán)水箱。實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。
1.1實(shí)驗(yàn)方法
1.1.1氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)的影響因素分析
分析天平秤取分析純NaCl晶體，配置質(zhì)量濃度為30 g/L 的NaCl溶液，將配置好的一定體積的NaCl溶液注入帶有刻度的水箱，讀取初始水位讀數(shù)，由電加熱裝置預(yù)熱至較低的恒定溫度，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)設(shè)置循環(huán)流量，通過(guò)循環(huán)水泵抽取原水至氣液接觸蒸發(fā)裝置底部進(jìn)水管，通過(guò)水的反沖壓力旋轉(zhuǎn)布水器，將原水均勻地噴灑在填料上進(jìn)行充分的傳質(zhì)傳熱，濃縮后的濃溶液再流入水箱繼續(xù)經(jīng)過(guò)加熱器加熱，運(yùn)行系統(tǒng)一個(gè)小時(shí)后，測(cè)量此時(shí)水箱水位，得出每一組實(shí)驗(yàn)的水分蒸發(fā)濃縮量，通過(guò)控制變量來(lái)探究氣液蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中循環(huán)流量、初始溫度對(duì)含鹽廢水蒸發(fā)濃縮的影響。
1.1.2氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)能耗分析
該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗量由循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)將循環(huán)水泵接線至單相導(dǎo)軌式電能表，通過(guò)電能表記錄系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的功率，風(fēng)機(jī)電機(jī)額定功率為0.12 kW，系統(tǒng)運(yùn)行一小時(shí)后測(cè)量高含鹽原水的蒸發(fā)量，根據(jù)電能電耗量計(jì)算公式計(jì)算單位體積水分蒸發(fā)的能耗量。
其中單位體積水分蒸發(fā)電能能耗量計(jì)算公式可用式（1） 表示：
式中：W0—在Δt時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)單位蒸餾水所消耗的外界電能（J/g）；P—功率（W）；ΔV—在單位時(shí)間內(nèi)高鹽水蒸發(fā)體積（L）。
1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
1.1循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響
實(shí)驗(yàn)在平均室溫33.5 ℃，平均環(huán)境濕度為64.2%的條件下進(jìn)行，配置質(zhì)量濃度為30 g/L的NaCl溶液預(yù)熱至40 ℃，設(shè)置不同的循環(huán)流量，測(cè)定NaCl溶液的蒸發(fā)量，探究循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著流量的增大，蒸發(fā)量逐漸增大，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最大蒸發(fā)量是在循環(huán)流量為2 500 L/h時(shí)，蒸發(fā)量為17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范圍增速最大，當(dāng)流量超過(guò)2 000 L/h時(shí)，增速放緩且趨向于零增速，當(dāng)增大到一定值時(shí)開(kāi)始下降。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，水會(huì)在氣液接觸填料間形成水膜，增大熱量和質(zhì)交換面積，在回流空氣的作用下， 快速穿過(guò)水膜，在水膜破裂與形成的循環(huán)過(guò)程中，促進(jìn)蒸發(fā)。當(dāng)流量較小時(shí)，形成的水膜厚度較薄，容易被回流空氣吹散，隨著流量的增大，形成的水膜越成熟，傳熱傳質(zhì)更充分，但當(dāng)流量過(guò)大時(shí)，水膜厚度過(guò)厚，傳熱熱阻增加，無(wú)法進(jìn)行充分的熱量和質(zhì)的交換，因此，蒸發(fā)量逐漸減少。
2.2高鹽水初始溫度對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響
實(shí)驗(yàn)在平均室溫33.5 ℃，平均環(huán)境濕度為64.2%的條件下進(jìn)行，配置濃度為30 g/L的NaCl溶液預(yù)熱至不同的初始水溫，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥設(shè)置循環(huán)流量為1 400 L/h，測(cè)定不同的初始水溫條件下NaCl溶液的蒸發(fā)量，探究初始水溫對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以得出：蒸發(fā)量隨著溫度的升高而不斷增加，本組實(shí)驗(yàn)最大值是當(dāng)溫度為45 ℃時(shí)，蒸發(fā)量為
18.2 L/h。水分蒸發(fā)的過(guò)程是水分子發(fā)生相變和進(jìn)行熱交換的過(guò)程，熱量的傳遞交換需要不斷地消耗和補(bǔ)充熱量，本系統(tǒng)利用的是低品質(zhì)熱能，熱消耗速度快，因此，熱量補(bǔ)充越充分就越能夠促進(jìn)蒸發(fā)，所以當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，蒸發(fā)量也隨之不斷增加。
2.3 氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)能耗分析
從表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該氣液接觸蒸發(fā)高鹽廢水濃縮技術(shù)中初始水溫越高，蒸發(fā)速率越快；隨著溫度的升高，對(duì)應(yīng)的單位體積蒸發(fā)水量電能耗量降低。當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量濃度為30 g/L，水溫為45 ℃時(shí)，單位體積蒸發(fā)水量電能耗量為123 230.77 J，噸能電耗量約為34.23 kW·h.該技術(shù)應(yīng)用到低溫多效蒸發(fā)技術(shù)中進(jìn)行大試，噸水電能耗量低至15 kW·h， 相較于常用的蒸汽機(jī)械壓縮技術(shù)（MVR）（噸水電能耗量
46.84 kW·h）[4]，氣液接觸蒸發(fā)技術(shù)的蒸發(fā)效率提高了約 3倍，且低溫多效蒸發(fā)技術(shù)多是利用70~50 ℃的低品熱蒸汽， 而本實(shí)驗(yàn)最高利用蒸汽溫度是45 ℃，蒸汽溫度越高其能耗越低，因此，將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中，能耗將更低。
3結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)表明氣液接觸蒸發(fā)濃縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中：隨著流量的增大，蒸發(fā)量逐漸增大，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最大蒸發(fā)量是在循環(huán)流量為2 500 L/h時(shí)，蒸發(fā)量為17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范圍增速最大，當(dāng)流量超過(guò)2 000 L/h，增速放緩且趨向于零增速，當(dāng)增大到一定值時(shí)開(kāi)始下降；蒸發(fā)量隨著溫度的升高而不斷地增加，本組實(shí)驗(yàn)最大值是當(dāng)溫度為45 ℃時(shí)， 值為18.2 L/h。
實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)初始水溫為45 ℃時(shí)，氣液接觸蒸發(fā)濃縮高鹽廢水技術(shù)是其他蒸發(fā)技術(shù)效率的3倍，應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)大試中其噸能電耗量低至15 kW·h，并且蒸汽溫度越高其能耗越低，若將初始水溫提高到50~70 ℃，應(yīng)用到實(shí)際工程中，能耗將更低。
氣液接觸傳質(zhì)傳熱技術(shù)，在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常用于開(kāi)式循環(huán)冷卻塔，氣液接觸傳熱降低了熱損耗，極大地降低了能耗成本。在工業(yè)企業(yè)或者其他外來(lái)熱源不足或供能較低的情況下，利用氣液直接接觸傳質(zhì)和傳熱，對(duì)廢水循環(huán)濃縮，可以聯(lián)合采用多級(jí)多效的方式，也是盡量利用蒸汽余熱，可對(duì)廢水中鹽分進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)零排放，降低能量損耗的措施。對(duì)設(shè)備進(jìn)行市場(chǎng)推廣應(yīng)用，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的電氣自動(dòng)化和機(jī)械加工實(shí)體設(shè)計(jì)，研發(fā)適用于不同氣候地區(qū)
（例如太陽(yáng)能技術(shù)的聯(lián)用）或不同工業(yè)企業(yè)的工藝設(shè)備。
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