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1、工业企业的节水与减排,内蒙古科林碳化科技有限公司,膜式空冷器技术及应用,1,一、工厂中水的作用,若将工业生产比喻为一个代谢有序的生命体系，水就是维系这一生命体系的血液。体现在：1.1、水是工厂热能的载体 如蒸汽系统（做功或高位热能的传递与输送）；循环水系统（低位热能的输送、排放）。几乎所有的工业门类都需要这两套系统。典型应用：火电、化工。1.2、水是工艺物料的载体 如混合、分离、萃取、反应等诸多化工过程均以水为溶剂,2,实现工艺流程。典型的应用：天然无机盐产品的提纯与制备，如真空盐。1.3、水是工业原、辅物料 水参与化学反应，部分转化为产品的组成；更多的是水起到似催化剂一样的载体作用，进出工艺
2、装置的理论质量相等。,3,二、工厂中的废水特征,工业生产的属性决定了水的上述作用类型，从而决定了水的排放方式。2.1、水作为工厂热能的载体，通过相的变化传递动力与能量，其排放特性是：排放废水的化学成份与原水成份相似，与特定工厂的具体生产工艺关联度不大。产生废水的主要原因是水的纯化，称为纯化废水。纯化废水治理一般采用物理方法，适合集中处理。,4,2.2、水作为生产中工艺物料的载体，其排放特性是：水的循环使用是流程的基本特征，排放废水的化学成份复杂，与工厂的具体生产工艺高度关联。2.3、水作为原、辅物料使用的工厂，其排放特性是：废水成份不仅包含反应物和生成物的成份，而且还会体现过程信息，包括中间产
3、物和触媒成份。与生产工艺高度关联的废水称为工艺废水。产生工艺废水的主要原因是生产工艺指标的控制。废水治理技术针对性强，过程复杂，处理成本高。,5,2.4、工业废水分类及排放特征 工厂废水还包括：雨水、事故废水、检验废水等。工业废水分类及排放特征 轻度处理的废水采取厂内处理；重度处理的废水则采取厂内或园区集中处理。,6,三、工厂节水与减排,节水与减排是缓减水资源紧张、改善水环境治理的根本措施。3.1、节水、减排的途径与措施 工业企业作为水资源的消耗及水环境维护与治理的责任主体，应积极采取如下举措：提高思想认识：水资源危机意识、节水意识、可持续发展意识、生态、环保意识；强化生产管理：贯彻执行水污染
4、防治法，变被动监管为主动执行；注重水质分类管理与使用和生产的规范化操作；,7,技术措施：改进生产工艺，积极探索使用节能、节水新技术、新工艺，主动淘汰落后的生产工艺。3.2、节水、减排的机制与政策 水利、环保部门作为水污染防治法执法主体，应采取如下举措：实施排放权证制度设计与交易规则；技术创新的机制建设。包括财税、金融政策支持、风险投资、创新技术的市场交易与资本化；强化监管。,8,价格调节。综合水资源的稀缺性及环境治理成本;调整水资源费与治污收费标准，合理制定水价。上述多措并举，是改变我国一方面水资源匮乏，另一方面水资源浪费、污染严重现状的根本措施。涉及到节水与减排的技术创新，下文探讨一种膜式空
5、冷技术使用到工厂冷换系统的可行性。,9,四、膜式空冷器技术介绍,4.1、技术开发的背景 膜式空冷器技术的开发目的是解决两个问题：一、工业节水 工业生产的水消耗80%以上是动力消耗，动力水耗的本质是工厂废热的排放。工业节水的根本措施是工厂节能，二者高度关联。工业废水与废热的排放都通过空冷装置完成，废热的排放以水的蒸发损耗为载体。凉水塔是生产系统中最大的耗水装置。,10,二、工厂减排 高盐水是工业废水的主要组成部分，也是工厂废水处理的重点和难点，高盐水治理的问题是减量化、零排放和降处理成本。4.2、膜式空冷器技术原理 膜式空冷器仍是一种以空气不饱和状态下水的蒸发特性为原理的空冷装置，原理上该装置不
6、具备明显的节水性能。膜式空冷器的节水特性是通过对空冷设备的结构创新，使工厂回用的二次水或条件适宜的废水成为空冷器的蒸发用水，从而实现节水的目的。,11,4.3、膜式空冷器的功能与创新特征 膜式空冷器具备双重功能：功能一：工艺系统的循环凉水功能。其结构上的变化使得工厂循环水系统工艺发生巨大改变；功能二：工厂废水处理系统的蒸发浓缩功能。利用工厂中的循环水废热作为高盐水等废水蒸发的热源，在不新增能耗条件下实现废水的减量化处理。下文就膜式空冷器的上述两项功能，结合现行工厂凉水技术和高盐水处理技术进行对比分析，以阐明其创新特征。,12,五、膜式空冷器的循环凉水功能,5.1、工厂动力系统 以水为工质的工厂
7、动力系统包括：以锅炉、工业废锅为典型的热换系统和以循环凉水、制冷机组为典型的冷换系统。5.2、循环凉水装置 循环凉水是工业装置最常用且必不可少的冷换系统。5.3、循环凉水装置的分类 依据传质传热方式：分为直接交换和间接交换两种方式；依据空气驱动方式：分为强制通风型和自然通风型；依据空气流动方向：分为逆流型和横流型；,13,依据循环水的工艺流程可划分为开式流程和闭式流程。现行循环凉水的典型装置有：凉水塔、空冷器、表面蒸发空 冷器等。从设备结构及运行方式，膜式空冷器应归类为：强制横流型闭式冷却塔。传热特性：采取的是间接热交换的降膜传热。热交换的主流体是循环水与蒸发废水或二次水。传质特性：质量传递的
8、主流体是蒸发废水或二次水与空气，循环水封闭无蒸发损失。5.4、循环凉水装置的结构特征（例图）,14,1、强制通风凉水塔,15,2、自然通风凉水塔,16,3、空冷器,17,4、表面蒸发空冷器,18,5.5、循环凉水装置的工作原理 上述循环凉水装置除空冷器之外，均基于共同的工作原理。即：利用环境温度下空气的不饱和性形成的水汽分压，使水蒸发扩散到空气中，蒸发过程的蒸发潜热来自循环水携带的热能，从而达到循环水降温的目的。数据表明：循环凉水的冷换总量，基本来自水蒸发的潜热，空气焓变的贡献度极小。实际运行数据受环境空气温、湿度变化的影响较大。蒸发式空冷器与膜式空冷器看似引入第三方介质，其作用只是将传热与传
9、质过程分由两项流体执行，没有本质的原理改变，而空冷器是完全依靠空气的温差变化移热，机理改变。,19,5.6、循环凉水工艺的流程及特点 循环水的工艺流程有开式流程和闭式流程两种。两种流程的不同之处是：工作机理：开式流程是循环水的直接蒸发散热过程；而闭式流程引入第三方介质进行传质传热，循环水只传热、不传质，成为一种严格意义上的热工工质，过程无循环水损耗。流程：闭式流程增加第三方介质流程（视不同空冷装置的流程不同），取消了开式流程中循环水旁滤、加药等辅助流程。典型的开、闭式流程示意图（附图）。闭式流程的技术优势代表着循环凉水技术未来的发展方向，具体体现在如下方面：,20,水质控制：闭式流程因不存在循
10、环水的蒸发效应，循环水水质采取一次性处理即可维持系统内的水质稳定，水质可以达到脱盐水等级，这是开式流程无法实现的，其制约因素是循环凉水的成本；传热效率：闭式流程虽然降低了空冷装置的传热效率，但水质等级的提高，循环水的污垢热阻减小，工艺装置侧的传热效率得到提高，工厂的整体换热效率会提高。腐蚀控制：闭式流程采用脱盐水作为循环水，避免了开式流程水中盐对设备的腐蚀，特别是有效抑制氯离子腐蚀；闭式流程循环水的封闭循环，还可以将循环水进行脱氧以消除工艺设备的氧腐蚀问题。,21,废水排放：闭式流程避开了开式流程为维持循环水水质而采取的加药、过滤与排盐过程，从而有效抑制了循环水系统的废水排放。废水治理：开式流
11、程排放的废水因含盐高、含药剂种类多且排放量大而造成废水治理技术难度大、成本高。成本控制：闭式流程凉水系统的投资较开式流程大，但是闭式流程的运行费用相对较低。近年来被企业广泛使用的空冷器和表冷器均采用闭式流程。膜式空冷器技术充分吸收和借鉴闭式流程的优点，并通过对第三方介质及流程的优化，赋予该型设备处理废水的职能。,22,凉水塔流程示意图（开式流程）,23,空冷器流程示意图（闭式流程）,24,5.7、采用闭式流程的循环凉水装置 空冷器：空冷器是为解决水资源短缺地区的循环凉水而开发的新型冷却装置，其采用闭式流程的节水效果极好，但综合的技术经济评价并不理想，表现在以下方面：空冷器完全依靠干空气的焓变移
12、热，由于干空气的比热小，空气流量大，空气动力消耗成倍提高；干气的热阻大、传热系数小，造成空气器的设备投资极大。空冷器的运行受环境气温变化的影响非常显著，特别是高温环境下会造成工艺装置的生产负荷显著下降。设备布置方面，考虑巨量空气的流通，设备占地亦很霸道。,25,表面蒸发空冷器（简称：表冷器）：表冷器本质是干式空冷器的改良版，其采取两种工况操作，低温环境使用空冷模式，高温环境使用喷淋空冷模式；表冷器沿袭了空冷器的闭式流程，只是为强化传热而引入了第三方介质喷淋水；表冷器寻求的是节能与节水的取舍与优化，增强设备对环境变化的适应性。在喷淋空冷模式下，表冷器与开式塔从效果上无本质差异。表冷器的换热面积取
13、决于空冷模式，需要的换热面积很大，但局限于制造及运输条件，单台设备的负荷较小，不适应与大化工的配套。,26,表面蒸发空冷器流程示意图,27,膜式空冷器 膜式空冷器的传热采取板式降膜的结构设计，其膜蒸发特性要优于表冷器的水平光管降膜蒸发。图示：膜式空冷器降膜板结构 板式降膜的成膜机理与水平光 管的淋撒成膜不同，其采取布液板 强制成膜，膜层更薄、更稳定。板式降膜需要的液体量极小，接近于实际蒸发量。降膜板表面的相变传热强度极高。,28,5.8、膜式空冷器的流程特征 膜式空冷器采用的是循环水闭式流程，具备闭式流程凉水装置的所有优良特性，不同之处是其第三方介质降膜蒸发用水使用的是工厂纯化废水或经处理回用
14、的二次水。将使用价值不高的废水或二次水作为蒸发用水，可节约化工生产装置80%的一次水的使用量，但前提是可供使用的废水或二次水量足够凉水装置的蒸发需求。通过蒸发的方式维持工厂水平衡，特别是采用凉水这种低强度的蒸发装置，蒸发过程中水中的有机物质、可溶性盐类以及重金属几乎不会进入大气环境，是最为安全、环保的可行方法。,29,膜式空冷器流程示意图,30,5.9、膜式空冷器的结构特征 模块化设计是膜式空冷器显著的结构特征。模块化设计的特点是：设备由若干模块组成，装置能力的大小只取决于模块的数量组合，设备没有细分的规格与型号；模块化设计非常适合设备的流水线生产，这在化工装备制造领域是很少见到的制造模式；模
15、块化设计使得膜式空冷器非常便于现场组装与运输；模块化设计可显著降低设备的制造成本。膜式空冷器的核心模块是降膜板，降膜板是该技术的难点和创新点。,31,膜式空冷器设备结构图,32,六、膜式空冷器的蒸发功能,6.1、膜式空冷器的蒸发特性 前已述及，膜式空冷器使用废水或二次水作为蒸发用水，从废水处理的角度，膜式空冷器就是水处理系统的蒸发装置。作为一种工业凉水装置，膜式空冷器的蒸发能力是毋容置疑的，与传统的多效蒸发，机械压缩蒸发（MVR)相比，更适宜作为废水的蒸发装置使用，体现在如下方面：能量使用的合理性：废水蒸发所需要的蒸发潜热取自循环凉水，这部分热能对工艺装置而言是需要排放的废热；,33,多效蒸发
16、，无论效数多少，也必须使用高位热能，因为多效蒸发需要有足够的温差推动；机械压缩蒸发（MVR)依靠电能，能量的品质更高；采用强制蒸发法处理高盐废水意味着工厂热能动力系统的增加，将打破工艺装置原有的汽电平衡；膜式空冷技术利用循环凉水系统废热的蒸发方式对高盐水进行处理一定是最经济、运行成本最低的解决方案；蒸发特性：工况条件。多效蒸发为变温蒸发，机械压缩蒸发为恒温蒸发，工况温度均高于初始的高盐废水；膜蒸发为恒温蒸发，工况温度接近于高盐水的初始温度；,34,蒸发强度。由于膜蒸发依靠的是水分子在气液两相界面因微小的蒸汽压差的存在而形成的扩散效应进行蒸发，蒸发的强度极低，而多效蒸发、机械压缩蒸发的蒸发强度高
17、；高盐水硬度对蒸发的影响：因膜蒸发的工况温度低、水的硬度值变化不受温差效应的影响，浓缩效应对硬度的影响也因蒸发强度小而减弱，结巴对蒸发的影响可以通过调整高盐水的PH值抑制，而不必采取双碱法进行软化处理；溶液沸点升对蒸发的影响：溶液沸点随溶液TDS的变化而变化是溶液的固有属性，溶液沸点升遵循杜林规则。,35,溶液沸点升将减小蒸发换热的有效温差，特别是对机械压缩蒸发工艺的操作工况及蒸汽压缩机的参数选择是关键性的；而其对膜蒸发的负面影响非常有限。6.2、膜式空冷器的蒸发流程 膜式蒸发的高盐水浓缩过程是以TDS为基准分梯级控制的，膜蒸发的流程相对多级蒸发、机械压缩蒸发要简单的多。需要指出的是：膜式蒸发
18、只能用于高盐水的浓缩处理，为后续的强制蒸发减小负荷，降低高盐水的综合处理成本。由于多效蒸发与机械压缩蒸发的成本极高，单纯采取蒸发的方式处理高盐水成本上是不堪重负的，但是以固态排盐为终点，蒸发是绕不开的技术选择。,36,为降低水处理成本，现行推广的技术是首先通过高压渗透进行高盐水的减量化处理，待高盐水浓度进一步提升后进行强制蒸发以减少高成本环节的处理量。蒸发环节的处理成本约是高压渗透环节的十数倍，因此高盐水的预浓缩、减量化是非常必要的。同样以蒸发浓缩为特征的膜蒸发空冷技术只有在技术经济上优于高压渗透技术才具有生命力与竞争力。下文将对膜蒸发空冷技术（简称：膜蒸发技术）与高压渗透或反渗透技术（简称：
19、膜分离技术）进行技术经济对比分析以揭示这一新兴技术的应用前景。,37,七、高盐水浓缩的技术选择,7.1、高盐水处理的核心问题 高盐水处理的核心问题是处理成本而不是方法，方法很多，但企业迫切需要的是经济实用的方法。目前，从国内外的应用情况看，膜分离技术是较被业内认可和接受的高盐水浓缩技术，采用多效蒸发或机械压缩蒸发在浓缩环节是不占成本优势的。利用升级版的循环凉水装置膜式空冷器蒸发浓缩高盐水的技术设想为本文首次提出。膜蒸发技术在化工行业是一项被认为传热效率极高的热交换技术，应用广泛且成熟。,38,膜蒸发处理高盐水的核心价值是充分利用了工厂废热，使高盐水蒸发的运行成本几乎为零，蕴藏着巨大的节能潜力。
20、7.2、高盐水浓缩的流程及工艺指标 高盐水主要由脱盐水制备环节反渗透的再生水以及循环水系统的排水组成（包括但不仅限于此）。采用膜分离技术浓缩高盐水是反渗透过程的继续，但膜的性能更好，动力消耗更大，据称膜分离的收率可达95%；膜分离工艺的流程与RO脱盐水制备极其相似，其自身的流程非常简单，但预处理环节的工艺相对复杂；高盐水的预处理主要是水质软化，一般采用双碱法消除暂时硬度，然后通过沉淀或过滤等手段去除水不溶物。,39,膜蒸发的流程更短，就是一个凉水过程，其对高盐水的水质要求更为宽松，如有必要，可采取与膜分离相同的预处理流程。膜分离浓缩过程可将高盐水浓度提高到TDS=15x104 mg/l的水平，
21、这只是一个技术上的极限指标，经济性比较合理的指标是控制溶解性总固体含量：TDS=7x104 mg/l；膜蒸发技术是一个深度提浓过程，在水的硬度值不影响蒸发过程的前提下，TDS控制以不造成盐分的析出为控制节点，这意味着高盐水进入后续的提盐工序的蒸发负荷已经很小；7.3、技术经济分析与评估 吨水处理成本指标是考核两项技术优劣的关键性经济指标，指标包含设备投资、动力消耗、操控与维检等诸多要素。,40,设备投资：从设备的一次性投资看，膜蒸发的装置投资较膜分离高很多，投资高的主要原因是设备的材质等级较高；动力消耗：膜蒸发使用工厂废热，没有热能消耗，成本核算可将其运行成本可全部摊到它的另一项职能循环凉水系
22、统；膜分离的动力消耗主要是电，由于膜的渗透压较高，电耗很高；操控费用：膜蒸发装置的操作归属循环凉水系统，不需新增操作岗位，更不必设行政车间；但膜分离的控制、检测、监测有组建独立团队运营的必要；设备维检：膜蒸发装置的维护重点是降膜板的清洗，属简单维检行为；而膜分离因膜组件的寿命较短，只有1-2年，需定期更换膜组件，膜组件的频繁更换构成膜分离的主要成本来源。,41,综合上述各项要素对成本的影响可概括为：膜蒸发的成本形成要素是设备固定资产折旧，膜分离的成本主要是膜组件的耗损和电功消耗。经调研和测算，高盐水的处理成本，膜分离：元/吨；膜蒸发：2.0元/吨；看似二者的成本相差不大，关键的是二者浓缩的TD
23、S终点相差极大，这将对后续强制蒸发的成本产生显著的影响。基于膜式空冷器的双重职能，设备投资折旧应部分分摊到循环凉水系统比较合理，分摊比例可参照空冷器的装备水平，如此，则膜蒸发的高盐水处理成本更低。,42,7.3、膜式空冷器初步设计 膜式空冷器的设计是以循环凉水的设计数据为依据来决定设备的凉水能力和蒸发能力。凉水塔设计以鄂尔多斯地区的气象条件为依据，一座1万立方/小时循环水负荷的膜式空冷器，其蒸水能力是150立方/小时；设计循环凉水温差10条件下，膜式空冷器最小模块单元的凉水能力是2.15立方/小时，造价3000-3600元/立方循环水量；为节省设备及基建投资、减小占地面积、简化工艺配管，循环水
24、泵、高盐水的预处理及输配系统被设置于膜式空冷器腹部；模块化设计可以使膜式空冷器更适宜布置于装置区内，就如同空冷器那样；,43,循环凉水系统集中布置容易使凉水装置所处的环境空气因流通不畅而形成相对湿度较高的小环境，从而影响到凉水装置的效率；凉水装置集中布置的另一个缺点是循环水系统远离装置区，造成输送距离远，泵头压力高，余压损失大，循环水的管网建设复杂且费用高。节水与节能成为膜式空冷器优越于其他凉水装置的创新亮点，工业化应用的前景值得期待。,44,八、膜式空冷器技术开发的必要性,8.1、污水治理的宗旨 新环保法的实施对工业污水治理的要求提到了史无前例的高度，污水处理技术及相关产业迎来了巨大的的发展
25、机遇。环保治理是企业的负债，环保技术及产业的发展，减排是核心，降低治污成本是根本宗旨。环保治理的可持续发展理念应包含企业的可持续发展和社会的可持续发展两个层面；8.2、污水治理的环保误区 污水集中治理的园区化管理模式，容易使排污企业忽视了对污水的分类排放管理，实施污水分类处理有利于降低污水处理的技术难度和成本；,45,污水的减排。排污企业应重视利用厂内现有工艺和动力条件，对特定排放特性的废水进行减量化处理，然后再向园区污水处理厂排放。防止以污治污。其核心旨意是不能以得不偿失的新增的三废排放治理现有的排放，环保治理的总体目标应是区域环境的总排放最小化；膜式空冷器技术就是典型的利用工厂的循环水系统废热对高盐水进行减量化处理的，显而易见，膜式空冷技术要比膜分离技术更符合企业的预期，社会的预期，是一项节能与减排兼得的技术创新典范。,46,
