蒸发浓缩工艺在糖蜜酒精废水和造纸黑液处理中的应用

蒸发浓缩工艺在糖蜜酒精废水和造纸黑液处理中的应用由于垃圾焚烧在国是一项新兴产业，而沥滤液又是具有中国特色的污染问题，目前国还未见垃圾焚烧发电厂沥滤液蒸发浓缩处理的相关研究。

但是对于传统的制糖、造纸等产业的高浓度有机废水，国有不少研究机构和产业单位采用了蒸发浓缩的处理工艺。

一、蒸发浓缩工艺在糖蜜酒精废水处理中的应用糖蜜酒精废水是指糖厂制糖副产品--糖蜜，经发酵后废液在初馏塔蒸馏出酒精后排放出的废水。

每生产1t酒精排放出13-15t废水。

糖蜜酒精废水有以下几个特点：1）C OD很高，一般在8-12万mg/L；BOD5在4-6万mg/L，固形物含量高，属于高浓度有机废水。

这一点与垃圾沥滤液相似，但是通过预处理可以将垃圾沥滤液中的SS浓度降到很低。

2）p H值为3.5-4.5，含有硫酸根、氯根和有机酸，对废水处理装置腐蚀严重。

而垃圾沥滤液的pH值显弱酸性，但是对其蒸发浓缩过程中浓缩液pH值的变化研究不多，所以对其腐蚀性需要进一步研究确定。

糖蜜酒精废水蒸发浓缩处理是立足于回收废水中固形物，综合利用的治理方法。

废水在蒸发器中浓缩，得浓浆液，然后制成干粉，干粉用作饲料、肥料、水泥减水剂。

废水在蒸发器中以蒸汽冷凝水的形式排放，而冷凝水回用于酒精生产，从而实践酒精生产闭路用水系统，无废弃物排放的清洁生产工艺，其工艺路线如图1所示。

而垃圾沥滤液蒸发浓缩处理工艺中，冷凝水需要根据其水质制定相应的处理对策，而浓缩液回喷至垃圾焚烧炉进行高温燃烧分解。

图1 糖蜜酒精废液蒸发浓缩工艺蒸发器是糖蜜酒精废水浓缩处理关键设备。

蒸发器的选型及设计参数的确定是关系到浓缩处理成败的大事。

废液中常含有易结垢、易发泡的物质，如钙、镁离子及胶体，结垢造成能耗增加。

应选用物料在蒸发器有较高流速的蒸发器，这样不易结垢和有较高的传热系数。

强制循环蒸发器，虽有较大的循环速度，但循环泵的电耗是相当大的，我们选用外加热式管外沸腾自然循环式蒸发器。

这种类型的蒸发器，物料循环速度接近强制循环，在加热管不沸腾从而不产生气泡，这样不易结垢。

同时适合蒸发粘度较大的物料，能将物料浓缩至比重1.4。

糖蜜酒精废液中钙镁离子处于饱和状态，因此易结垢，而结垢影响传热，降低蒸发强度和能耗增大。

外加热式蒸发器由加热区(列管换热器)、沸腾区、汽液分离区(蒸发室)和循环管组成。

在列管上部的沸腾区由于静压作用，使换热管液体不沸腾汽化，不产生气泡、局部过热而结垢。

这种蒸发器的设计使得循环有较大的推动力，因而溶液循环有较高的流速(2-3m)/s，接近于强制循环蒸发器的流速，而比标准式蒸发器(0.5m/s)大得多，因此有较高的传热系数、较大的蒸发强度，对粘附的物质冲刷，使不易结垢。

综上因素，此类型蒸发器适用于易结晶、结垢的物料和粘稠的物料。

二、蒸发浓缩工艺在造纸黑液处理中的应用造纸黑液包括蒸煮过程中纤维原料与蒸煮药剂化学反应生成的全部溶解物，未起反应的部分游离碱和水，因呈黑色而称为黑液。

换言之，黑液是由固形物和大量的水组成的。

黑液固形物组成比较复杂，大体上可分为有机物和无机物两部分。

有机物是黑液固形物在碱炉中可以燃烧的部分，它是燃烧时发热量的主要来源。

无机物是碱回收的物质基础，是黑液中可回收碱和硫的部分。

黑液是一种特殊的溶液，具有胶体性、腐蚀性和易氧化性。

黑液中胶体物质主要有木浆黑液所含的树脂酸和脂肪酸盐的缔合胶体以及苇浆黑液所含的水玻璃胶体，这种胶体进人蒸发器后会加速管垢的形成，降低传热系数。

黑液的腐蚀性主要是因为它的二次蒸汽及其冷凝水含有挥发性有机酸或各种酸性硫化物，因而对接触二次蒸汽及其冷凝水的设备例如后几效汽室加热管外壁、污冷凝水排出系统及冷凝器等有严重的腐蚀性，硫化度越高，腐蚀性越大。

黑液的易氧化性是指黑液与空气接触后其中的无机硫化物和有机糖类容易被氧化，从而使黑液pH值降低，粘度增大，蒸发过程中容易结垢。

蒸发器选型关系到蒸发强度、蒸发效率、黑液浓度的提高、投资、节能和碱回收率等一系列问题。

目前，我国碱回收车间的蒸发站存在下列四种形式的蒸发器：1）分离室和加热室分开的长管蒸发器；2）分离室和加热室在同一中心位置直接相连的长管蒸发器，一、二效为双程，各效加热面积不同；3）板式降膜蒸发器（见图二）；4）短管蒸发器。

图2 板式换热器第一种使用的厂家件已经很少了，新设计的工厂不再采用；第二种目前使用的厂家仍居多数；三种国家已作为节能产品推广使用。

由于各效均用不锈钢制造，和用碳钢制造的长管蒸发器相比，价格较贵，目前只有一些大型造纸企业全部采用外，中小企业一般用作增浓器。

近几年，一些厂采取两板三管相结合的形式；短管蒸发器用于草浆和蔗渣浆的黑液蒸发，蒸发强度和蒸发效率均低于长管蒸发器，更低于板式蒸发器，能耗高，目前只有少数小型非木浆厂采用。

自由降膜板式蒸发器作为增浓效、蒸发草浆黑液时蒸发强度在10～11kg水/ m2·h 之间，而长管蒸发器一般只能达到6～7kg水/m2h。

由于板式蒸发器中，黑液蒸发是在加热元件表面自由空间进行，无需象管式蒸发器中，草浆黑液必须到达分离室才能自由蒸发，同时它的黑液和二次蒸汽的流向与重力方向一致，因此无液柱引起的静压温度差损失。

板式蒸发器在运行中能定期洗涤，使加热面经常保持清洁，即便草浆黑液蒸发时结垢，在加热面上形成平板状的垢片，也比较容易在生产过程中因温度变化和稀黑液的冲刷自由剥落，使加热片随时保持良好的热传导性能，从而具有蒸发效率高、节约蒸汽的优点。

根据某一测试，板式蒸发器蒸发草浆黑液，终浓可比管式蒸发器提高10%～15%，蒸发强度可提高20%～50%，传热系数平均可达1500kcal/m2·h·℃，因而热效率提高15%～30%。

蒸发浓缩工艺中的结垢问题需要引起足够的重视。

为了除去黑液在蒸发过程中蒸发器产生的垢层，在设计上除考虑定期水洗以外，还应设置酸洗系统，供半浓黑液预热器和蒸发器的定期酸洗。

黑液蒸发浓缩处理实例：稀黑液浓度固形物9.75%蒸发后浓黑液浓度固形物50%每小时稀黑液量48171kg/h每小时蒸发水量38778kg/h1）第一方案选用五效板式蒸发器蒸发强度按12kg水/m2h计算，所需蒸发器面积共计3232m2。

初步按第一效1010m2，第二、三、四效均为502m2，第五效717m2，实际共计3233m2。

板式蒸发器价格为0.16万元/ m2，5台共计：3233×0.16=517万元蒸发效率按3.7kg水/kg蒸汽计算（纸厂3.3 ～4.06kg水/kg蒸汽）每小时耗汽38778÷3.7 =10.48t/h2）第二方案选用两板三管组成的蒸发器蒸发强度按10kg水/m2h计算（一般9～11kg水/m2h），所需蒸发面积共计3878m2，初步按一、二效为板式，蒸发面积分别为1030m2和750m2，三、四、五效均定为700m2（黑液流程按目前习惯采用的3-4-5-2-1），合计3880m2。

两台板式蒸发器价格：（1030+750）×0.16=285万元长管蒸发器价格为每吨0.95万元，每台重30吨，三台价格为3×30×0.95=86万元共计：285+86=37万元蒸发强度按3.2 kg水/kg蒸汽计算每小时用汽38778÷3.2=12.12t/h以上只是粗略的估算，从投资方面看，五效板式投资虽多146万元，但从能源消耗的角度分析，只需两年多一点的时间即可收回投资。

如果把增加用汽量影响到锅炉系统也随着增加的投资一同计算，投资回收期还低于两年。

板式蒸发器除了节能外，还具有传热效率高(实践证明在蒸发草浆黑液时为长管蒸发器的1.6倍)、不易结垢、易清洗等适合浓缩草浆黑液的要求。

因此，在蒸发器的选型上，值得我们进一步探讨，应根据工程的具体情况，进行全面的分析对比和计算，然后作出决定。

从理论上说，蒸发器的效数越多，节约的蒸汽也越多。

但随着效数的增加，蒸汽节约的程度降低，而投资却升高，特别是草类纤维制浆的黑液，由于灰分大、二氧化硅多、粘度大的特点，效数多了，黑液在进入最后浓缩阶段更容易结垢，使传热系数下降，耗汽量增多。

尤其是制浆能力小的蒸发站，甚至增加效数节约的蒸汽，还补偿不了增加效数的热损失，反而增加蒸汽消耗量，得不偿失。

在木浆黑液蒸发站的效数应根据生产规模决定，而草浆黑液蒸发站的效数除了生产规模外，还必须考虑黑液性质这个不容忽视的因素。

决定蒸发器的效数，应根据生产规模、黑液性质、并与投资、能耗、投资回收期限、经济效益等结合起来进行全面考虑，绝不能凭经验和习惯做法轻易决定，否则增加投资，不但没有效益，还要增加生产时的维护费用，甚至给生产管理带来麻烦。

在中、小规模的蒸发站，如通过方案对比，选用四效板式是合理的，那么两板三管蒸发站的设备投资基本接近，但节能效果尤为显著，维护费用减少，生产管理操作也较为简便，更能显示出板式蒸发器的优越性和先进性。

根据以上黑液蒸发浓缩的计算方法，对垃圾沥滤液采用5效蒸发浓缩的工艺进行试算：设垃圾处理能力为1000t/d，垃圾沥滤液产率15%，蒸发率80%，则进液量：6250kg/h蒸发量：5000kg/h1）第一方案选用五效板式蒸发器蒸发强度按12kg水/m2h计算，所需蒸发器面积共计417m2。

初步按第一效130m2，第二、三、四效均为60m2，第五效110m2，实际共计420m2。

板式蒸发器价格为0.16万元/ m2，5台共计：3233×0.16=67.2万元蒸发效率按3.7kg水/kg蒸汽计算（纸厂3.3 ～4.06kg水/kg蒸汽）每小时耗汽38778÷3.7 =1.4t/h2）第二方案选用两板三管组成的蒸发器蒸发强度按10kg水/m2h计算（一般9～11kg水/m2h），所需蒸发面积共计500m2，初步按一、二效为板式，蒸发面积分别为120m2和90m2，三、四、五效均定为100m2（黑液流程按目前习惯采用的3-4-5-2-1），合计510m2。

两台板式蒸发器价格（120+90）×0.16=33.6万元长管蒸发器价格为每吨0.95万元，每台重5吨，三台价格为3×5×0.95=14.25万元共计：33.6+14.25=48.75万元蒸发强度按3.2 kg水/kg蒸汽计算每小时用汽38778÷3.2=1.6t/h以上计算没有包括冷凝装置、附属设备、控制设备、基建等造价，而且仅仅是简单的对蒸发浓缩设备进行了比例上的缩小，实际中需要考虑的方面还很多，所以以上计算结果仅供参考。

常规的蒸发浓缩工艺蒸发1kg的水大约需要1kg的蒸汽，而以四效、五效板式蒸发器为代表的多效蒸发工艺，蒸发1kg的水大约需要0.3kg的蒸汽，减少了蒸汽用量，提高了蒸发效率，使得垃圾沥滤液的蒸发浓缩处理在技术上和经济上成为可行。