气液接触蒸发高盐废水试验研究与能耗分析
摘 要：开发设计气液接触蒸发高盐废水实验装置进行现场试验，研究不同的影响因素对系统水量蒸发的影响，并对该技术进行能耗分析。实验结果表明：初始水温和循环流量能促进系统水量蒸发，水温越高蒸发效率增速越大，循环流量过大时蒸发速率反而逐渐下降；系统电能耗量随温度的升高而降低，当初始水温为45 ℃时，系统能节约2/3的电能耗量。
关键词：高盐废水；污水浓缩；气液接触；能耗分析
由于生产工艺、加工对象、生产管理水平的差异，造成含盐废水水质及水量具有多变性，且易造成设备结垢、腐蚀等问题，使得含盐废水的处理难度远高于常规废水[1]。胡朋飞等[2]将直接接触传热蒸发过程引入蒸馏领域，研发了用于热敏物料蒸馏的直接接触传热蒸发釜；王少雄[3]设计不同开孔形式的双相俱孔板作为气液传质传热的场所，探究了气液接触系统的影响因素和蒸发效率。本论文通过设计新的气液接触浓缩技术装置，在较低的温度条件下，综合利用低品质热能，降低能耗和成本，通过蒸发器内气液直接接触，废水与空气在介质表面进行剧烈的传质和传热的过程，从而防止填料表面结垢，最终实现盐水分离。该研究将极大提高含盐废水处理能效，具有重要的现实意义和应用推广前景。
1实验材料与装置
1.1实验材料
实验用分析纯NaCl溶液配制质量浓度为30 g/L的Nacl
溶液作为原水水样。
1.2实验装置
该装置包括加热系统、气液接触蒸发系统及水循环系统，试验设备有：气液接触蒸发器，风机，循环泵，电加热装置，循环水箱。实验装置原理如图1所示。
1.1实验方法
1.1.1气液接触蒸发高盐废水浓缩技术的影响因素分析
分析天平秤取分析纯NaCl晶体，配置质量浓度为30 g/L 的NaCl溶液，将配置好的一定体积的NaCl溶液注入带有刻度的水箱，读取初始水位读数，由电加热装置预热至较低的恒定温度，调节进水阀门设置循环流量，通过循环水泵抽取原水至气液接触蒸发装置底部进水管，通过水的反冲压力旋转布水器，将原水均匀地喷洒在填料上进行充分的传质传热，浓缩后的浓溶液再流入水箱继续经过加热器加热，运行系统一个小时后，测量此时水箱水位，得出每一组实验的水分蒸发浓缩量，通过控制变量来探究气液蒸发浓缩系统中循环流量、初始温度对含盐废水蒸发浓缩的影响。
1.1.2气液接触蒸发高盐废水浓缩技术能耗分析
该系统运行过程中的能耗量由循环水泵和风机运转产生。本实验将循环水泵接线至单相导轨式电能表，通过电能表记录系统运行过程中的功率，风机电机额定功率为0.12 kW，系统运行一小时后测量高含盐原水的蒸发量，根据电能电耗量计算公式计算单位体积水分蒸发的能耗量。
其中单位体积水分蒸发电能能耗量计算公式可用式（1） 表示：
式中：W0—在Δt时间内蒸发单位蒸馏水所消耗的外界电能（J/g）；P—功率（W）；ΔV—在单位时间内高盐水蒸发体积（L）。
1实验结果与分析
1.1循环流量对系统蒸发效率的影响
实验在平均室温33.5 ℃，平均环境湿度为64.2%的条件下进行，配置质量浓度为30 g/L的NaCl溶液预热至40 ℃，设置不同的循环流量，测定NaCl溶液的蒸发量，探究循环流量对系统蒸发量的影响。
实验结果如图2所示，随着流量的增大，蒸发量逐渐增大，实验范围内最大蒸发量是在循环流量为2 500 L/h时，蒸发量为17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范围增速最大，当流量超过2 000 L/h时，增速放缓且趋向于零增速，当增大到一定值时开始下降。在系统运行过程中，水会在气液接触填料间形成水膜，增大热量和质交换面积，在回流空气的作用下， 快速穿过水膜，在水膜破裂与形成的循环过程中，促进蒸发。当流量较小时，形成的水膜厚度较薄，容易被回流空气吹散，随着流量的增大，形成的水膜越成熟，传热传质更充分，但当流量过大时，水膜厚度过厚，传热热阻增加，无法进行充分的热量和质的交换，因此，蒸发量逐渐减少。
2.2高盐水初始温度对系统蒸发效率的影响
实验在平均室温33.5 ℃，平均环境湿度为64.2%的条件下进行，配置浓度为30 g/L的NaCl溶液预热至不同的初始水温，调节进水阀设置循环流量为1 400 L/h，测定不同的初始水温条件下NaCl溶液的蒸发量，探究初始水温对系统蒸发效率的影响。
实验结果如图3所示，可以得出：蒸发量随着温度的升高而不断增加，本组实验最大值是当温度为45 ℃时，蒸发量为
18.2 L/h。水分蒸发的过程是水分子发生相变和进行热交换的过程，热量的传递交换需要不断地消耗和补充热量，本系统利用的是低品质热能，热消耗速度快，因此，热量补充越充分就越能够促进蒸发，所以当温度不断升高时，蒸发量也随之不断增加。
2.3 气液接触蒸发高盐废水浓缩技术能耗分析
从表1实测数据可知，该气液接触蒸发高盐废水浓缩技术中初始水温越高，蒸发速率越快；随着温度的升高，对应的单位体积蒸发水量电能耗量降低。当NaCl溶液质量浓度为30 g/L，水温为45 ℃时，单位体积蒸发水量电能耗量为123 230.77 J，吨能电耗量约为34.23 kW·h.该技术应用到低温多效蒸发技术中进行大试，吨水电能耗量低至15 kW·h， 相较于常用的蒸汽机械压缩技术（MVR）（吨水电能耗量
46.84 kW·h）[4]，气液接触蒸发技术的蒸发效率提高了约 3倍，且低温多效蒸发技术多是利用70~50 ℃的低品热蒸汽， 而本实验最高利用蒸汽温度是45 ℃，蒸汽温度越高其能耗越低，因此，将该技术应用到实际工程中，能耗将更低。
3结语
实验表明气液接触蒸发浓缩实验过程中：随着流量的增大，蒸发量逐渐增大，实验范围内最大蒸发量是在循环流量为2 500 L/h时，蒸发量为17 L/h。1 800~2 000 L/h流量范围增速最大，当流量超过2 000 L/h，增速放缓且趋向于零增速，当增大到一定值时开始下降；蒸发量随着温度的升高而不断地增加，本组实验最大值是当温度为45 ℃时， 值为18.2 L/h。
实验表明当初始水温为45 ℃时，气液接触蒸发浓缩高盐废水技术是其他蒸发技术效率的3倍，应用到现场大试中其吨能电耗量低至15 kW·h，并且蒸汽温度越高其能耗越低，若将初始水温提高到50~70 ℃，应用到实际工程中，能耗将更低。
气液接触传质传热技术，在暖通空调领域应用广泛，常用于开式循环冷却塔，气液接触传热降低了热损耗，极大地降低了能耗成本。在工业企业或者其他外来热源不足或供能较低的情况下，利用气液直接接触传质和传热，对废水循环浓缩，可以联合采用多级多效的方式，也是尽量利用蒸汽余热，可对废水中盐分进行回收，实现零排放，降低能量损耗的措施。对设备进行市场推广应用，对设备进行全面的电气自动化和机械加工实体设计，研发适用于不同气候地区
（例如太阳能技术的联用）或不同工业企业的工艺设备。
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