焦化废水浓盐水减量蒸发技术的研究

徐 升

（首钢京唐钢铁联合有限公司，河北唐山 063200）

1 焦化废水的来源

焦化废水主要是在炼焦煤的高温干馏中产生的，主要由装炉煤表面的湿存水和装炉煤干馏产生的化合水组成，焦化废水产生流程见图1。

图1 焦化废水产生流程示意图

装炉煤在炭化室高温干馏产生的煤气、焦油氨水混合液经气液分离器分离后，煤气经初冷器进入到后续煤气净化系统。焦油氨水混合液经预分离器进入到焦油氨水分离槽，分离出焦油后，部分循环氨水送往焦炉喷洒荒煤气进行冷却。多余的循环氨水进入蒸氨系统进行蒸氨。蒸氨后的废液首先进入到生化系统进行处理。生化出水进入到深度处理系统，经过电催化氧化和超滤、反渗透的双膜处理，产水回用至循环水系统作为补水，浓水送往炼钢焖渣和烧结混料。

2 焦化废水处理工艺

目前国内处理焦化废水的技术主要采用生化、高级氧化、物化、低压反渗透或者电渗析等方式，较大型的焦化厂已做到回收利用至循环冷却水系统，做到了水资源的深度处理和回用。

某焦化厂废水深度处理回用系统主要工艺为：原水--均质过滤（原有）--初级氧化--中和--强化沉淀--二级催化氧化--超滤--反渗透（见图2）。通过电催化、电气浮、超滤、反渗透等主要设施，对原水中有机污染物进行降解和分解，降低了COD、氨氮等浓度，纯水回用于生产系统，浓盐水用于烧结混料或炼钢焖渣，减少了废水排放，提高了水资源利用率。

图2 焦化废水处理流程示意图

3 焦化浓盐水的蒸发减量试验

试验主要集中在膜分离和蒸发结晶两个方面，对比传统的卷式反渗透膜和高压平板碟片反渗透膜在高浓度含盐废水中应用的效果，利用蒸发工艺将废水结晶制盐，实现资源化利用。

3.1 反渗透膜组件的选择

（1）传统卷式反渗透在高盐水处理中存在局限性

卷式膜反渗透的膜与膜之间只有进水格网支撑，其厚度仅有0.2～0.86 mm，进水流道仅有0.2～0.8 mm 的宽度，流速极小的废水流过格网时易形成静态区域，水中盐分和污染物极易堵塞和结垢。卷式膜的流道长度达到100 cm，这么长程的平流液体，增加了膜的污堵机会。即使是针对污水的卷式反渗透膜，最高运行压力为4.2 MPa，对于电导率高于10 000 μS/cm 的焦化浓盐水，不能创造足够的渗透压，使得更多的盐分从水中分离。

（2）高压平板碟片膜

高压平板碟片反渗透膜片是一片一片平展包裹在耐高压的导流盘中，导流盘与膜片间设计有均布凸起，除了起到支撑膜片的作用，同时也对高压原水流经该通道时，自动形成紊流和涡流，更好地冲刷膜片表面，使得膜片表面不易被堵塞和结垢。在高压环境下，原水具有足够的渗透压，透过更多淡水，从而实现大幅度的浓缩减量。

卷式反渗透膜与平板碟片反渗透膜主要对比见表1。

表1 卷式反渗透膜与平板碟片反渗透膜主要对比表

平板碟片反渗透膜的优点：

1）耐受高盐水质。

2）耐受高污染水质。前处理流程极度缩短，甚至仅仅简单砂滤即可，相对于卷式反渗透系统需要过滤、除硬、除COD、超滤、保安等一系列预处理流程而言，几乎相当于没有预处理。

3）脱盐率高。虽然原水进水的电导率可以耐受几万甚至十几万，脱盐率同样能够有所保证。

3.2 高压平板碟片膜用于焦化高盐废水的性能试验

电导率、流量、进水压力这些主要参数会直接影响到膜的回收率、产水流量、产水电导率，试验参数见表2。

表2 电导率与压力的变化

当其他参数不变，进水电导率升高，产水的电导率也会升高，流量变小，回收率下降。当其他参数不变，进水压力提高，高压泵频率提高，产水的电导率、流量、回收率都会升高。通常情况下，进水条件会多个参数同时变化，因此膜的性能也是一个动态的过程。高压平板碟片膜三段运行数据见表3。

通过表3 得出结论：对于低压9.0 MPa 的膜组件来讲，浓缩5～6 倍，浓水电导率60 000～80 000 μS/cm 是其稳定制水区间；其极限制水区间是浓缩6～10倍，浓水电导率110 000 μS/cm；对于高压段的膜组件来讲，浓缩6～15 倍是其稳定制水区间，浓水电导率100 000～150 000 μS/cm；左：稳定浓缩电导率690 000 μS/cm，右：原水电导率约20 000 μS/cm，极限浓缩至110 000 μS/cm，底部有部分盐分析出见图3。

图3 焦化废水膜浓缩液

实际工程需要根据浓缩后的电导率，也就是进水电导率的变化进行不同压力膜组件的配置，以达到最优的浓缩倍数和较高的浓水电导率。

3.3 蒸发结晶试验

此次试验选取了两种水源，一种是经过膜浓缩后的浓水电导率69 000 μS/cm ；另一种是原水电导率20 000 μS/cm。两种水的浓缩终点相同，都是电导率380 000 μS/cm 的饱和溶液。主要是掌握两种水不同的蒸发结果参数和试验运行参数，来选择工艺路线是热膜联产还是直接蒸发。

蒸发工艺（图4）采用MVR 蒸发器，MVR 蒸发器一体式设计浓缩结晶高度集成，将浓缩和结晶过程可进行一体化设计，改变了部分分体式工艺路线，使系统散热最小，提高效率成为最大化。将自身产生的二次蒸汽回收，通过压缩机进行压缩增能再进行蒸发，冷凝水的热量被两次回收用于对原水进行预热，所有能源充分利用。

图4 蒸发工艺示意图

从饱和溶液到结晶分盐，这部分后处理的能耗和技术路线相似，只是如果直接蒸发，将需要在结晶过程中分盐，分出两种盐的难度比较大，能耗也高。若在热膜联产的过程中进行膜预分盐，则相对较易实现。

经过膜浓缩后的浓水电导率69 000 μS/cm 蒸发到饱和盐水电导率380 000 μS/cm，溶液体积被浓缩9 倍；经过膜浓缩后的浓水电导率20 000 μS/cm 蒸发到饱和盐水电导率380 000 μS/cm，溶液体积被浓缩45倍，膜浓水与原水直接蒸发数据见表4。以处理量5 m³/h 为例，热膜联产工艺，透过水量96 m³，蒸发器仅蒸发产出21.33 m³淡水，工作负荷相对较小。热法（仅蒸发）工艺，对原水直接进行蒸发，达到同样的饱和浓浆，需要蒸发117.33 m³淡水，约为热膜联产的5倍，工作负荷相对高。

表4 DTRO膜浓水与原水直接蒸发数据表

由于蒸发负荷不同，热膜联产的蒸发段负荷仅有21.33 m³，而直接热法的蒸发负荷为117.33 m³，因而两种工艺的经济运行费用相差很多，具体见表5。

表5 用电量对比表

热膜联产工艺运行费用吨水电费11.165 元，吨水药剂费0.15 元，合计11.315 元；原水直接蒸发工艺运行费用吨水电费28.415 元，吨水药剂费0.05元，合计28.465元。热膜联产工艺运行成本更低。

考虑最终所产生的盐分需要被消纳，混盐的消纳途径比较困难，分盐是最终的措施。虽然所分选出的硫酸钠和氯化钠不具有太大的经济价值，但至少可以被作为工业原料，较易找到消纳途径。

4 结语

通过焦化废水浓盐水减量蒸发试验，验证了高压平板碟片膜在浓缩减量方法中的性能，热膜联产蒸发工艺的运行费用大大低于直接蒸发工艺。“膜浓缩---蒸发---结晶”技术路线为焦化废水实现工业化零排放奠定了一定的基础。