煤化工浓盐水处理设施蒸发塘的工艺设计

梁　斌

兰州石化职业技术学院应用化学工程系　兰州　730060和慧娟　中石化宁波工程有限公司兰州分公司　兰州　730060



煤化工浓盐水处理设施蒸发塘的工艺设计

梁斌*

兰州石化职业技术学院应用化学工程系兰州730060和慧娟中石化宁波工程有限公司兰州分公司兰州730060

摘要大型煤化工企业的生产会产生大量的含盐废水，蒸发塘是一种低能耗的处理高含盐废水的设施。本文从蒸发塘设计的自然条件出发，确定工艺流程和蒸发塘工艺尺寸，计算水量平衡，讨论现存问题。

关键词煤化工 浓盐水处理设施蒸发塘水平衡计算工艺设计

现代煤化工产生的浓盐水水量大，盐浓度高，成分复杂，是煤化工废水处理的难点。在水资源短缺，环保要求严格的情况下，寻求处理效果好，工艺稳定性强，运行费用低的浓盐水处理工艺已经成为煤化工自身发展的需要。目前国内应用的浓盐水处置工艺主要有反渗透、自然蒸发、蒸发器蒸发、化学沉淀、结晶、焚烧法、膜蒸馏等。相对其它处置工艺而言，自然蒸发具有处置成本低、运营维护简单、使用寿命长、充分利用太阳能、抗冲击负荷好、运营稳定等优点，因而在国内新建煤化工项目中得到广泛应用，但由于国家没有现行的蒸发塘处理浓盐水的设计规范，使得蒸发塘处理浓盐水的设计和工程运行存在较多问题。本文从蒸发塘建设地点的自然条件、工艺流程、工艺条件、水平衡计算等方面进行说明，以便对蒸发塘的工艺设计提供参考。

1现场自然条件

现场自然条件主要包括气象条件、地形地貌、地震烈度等。在蒸发塘的工艺设计中主要需要的是当地的气象条件数据。

拟建蒸发塘所在地的气象条件主要包括气候情况、霜冻期、太阳辐射情况、蒸发量、降水量、风速、年平均日照时间、极端最高气温、极端最低气温、最高气温集中的月份、最低气温出现的月份、年均降水量、降水集中的月份、年均蒸发量、空气中水汽含量、年平均相对湿度、年平均风速、全年春季风速、冬季风速、秋季风速、最大冻土深度等。年降雨量、月平均降雨量、年蒸发量、月平均蒸发量可查阅企业所在地的气象数据。

2蒸发塘系统组成及工艺流程

2.1系统组成

根据不同的工况，蒸发塘可以由调节系统、多组蒸发系统、防渗系统、防沙防浪系统、监测系统、结晶盐安全填埋场及其它附属配套系统构成。每组蒸发系统包括多级蒸发池，过饱和结晶池，干盐池等。企业可根据实际情况来确定蒸发塘的系统组成。

一般情况下，为应对厂区排放浓盐水水量变化及污水前处理设施调整或事故状态下污水量急剧增加的状况，当全厂事故水池满池时，蒸发塘可兼做事故水池临时存放事故消防废水，待事故结束后再根据水质情况回污水处理装置或做它用。缓存池蓄水量应满足容纳至少半年浓盐水排放总量的要求，或根据其它要求设计。缓存池兼有蒸发能力，为满足容量要求，可以将水深适当加大以节约用地。缓存池溢出水位应高于首级蒸发池标高，中间设管道连接，采用人工闸阀控制溢出流量，避免浓盐水从蒸发池溢出污染周边环境。

蒸发区域根据浓盐水浓度等级进行分级，一般为5～9级；过少的分级不利于充分利用较低浓度盐水蒸发速度快的优点，而降低蒸发塘总体蒸发速率；过多的分级不仅增加筑堤工程量，也不能明显提高蒸发速率。目前还没有相关的标准规范，各企业根据实际情况确定蒸发单元数。各级蒸发池之间用分隔堤相隔，中间设溢流堰口或管道，堰口处设人工闸门以控制流量。只有在上一级蒸发池盐水的浓度达到设计值时，才向下一级蒸发池放水；蒸发池水位逐级下降，便于快速蒸发。盐分主要在次级和末级蒸发池蒸发并沉积，沉积在池底的盐分需定期清理，便于加快蒸发，所有清理出的盐分送至干盐池暂时储存。为防止面积较大的蒸发池在风力作用下产生大浪，可对各级蒸发池进行分格，一般单个蒸发池面积控制在20000m2以内。

最后一级蒸发池后面设置晒盐池和储盐池。可以选用轻型扒盐机对晒盐池结晶层进行收集，收集的结晶物可临时在储盐池储存，最终这些盐可以作为资源想办法综合利用。

2.2工艺流程

蒸发塘的进水主要从前处理工序蒸发器来的高浓盐水，根据其它的煤化工企业相关装置的运行经验，从蒸发器出来的高浓盐水中TDS量已很高，过多的分级对蒸发效率影响很小。所以在具体确定蒸发单元数时主要从三方面来考虑：① 充分考虑进水水质；② 蒸发在自然条件下完成；③ 考虑水量平衡。所以最终确定该企业的蒸发单元数为三级，具体的工艺流程见图1。

图1　蒸发塘工艺流程简图

从上游高含盐水处理装置来的废水进入一级缓存池，一级缓存池兼做蒸发池。废水在一级缓冲池通过两根重力流管道进入二级蒸发池，管道上设人工手动控制闸阀，二级蒸发池液位可通过阀门的启闭人工调整。二级蒸发池和三级蒸发池之间设堤坝隔离，由两根管道连接，管道上设人工手动闸阀控制三级蒸发池的液位。在自然蒸发的作用下，高浓盐水逐级经过二、三级蒸发池时，浓度逐渐增加，大部分结晶盐沉积于三级蒸发池。为便于收集结晶盐，在三级蒸发池西侧设晒盐场。

蒸发塘设计依地势而建，每一级缓冲池池底逐级加深。事故情况下受污染的废水经管道先进入一级缓冲池，到达最高设计液位后人工打开一级缓冲池和二级蒸发池之间的连通阀，污水自流进入二级蒸发池；二级蒸发池的污水达到最高设计液位后打开连通阀，污水自流进入三级蒸发池。

事故情况下当全场事故水池容积不够时，蒸发塘可兼做全厂事故水池的污水暂存池。事故结束后对储水做监测，当无污染(满足《污水综合排放标准》)时排厂外；当监测污染物超标时，由污水泵提升送污水处理装置处理达标后排放。

3工艺条件的确定

煤化工企业废水处理及回用装置产生的反渗透浓盐水(高含盐废水)正常情况下送高含盐水蒸发及结晶单元进行处理，结晶固体外运填埋或综合利用。为保证高含盐废水处理单元(蒸发及结晶)故障时废水不外排，配套建设蒸发塘，用于接收事故或检修情况下的高含盐废水。蒸发塘在自然条件下蒸发。蒸发塘的进水水质分两种工况，第一种工况从反渗透装置出来的高含盐水，进水水质见表1。第二种工况是从蒸发器出来的经过浓缩的高含盐水，各项水质指标是第一种工况指标的3.4倍左右。根据企业开停车的实际情况，蒸发塘设计进水水质以第二种工况为主。

4水量平衡计算与蒸发塘结构尺寸的确定

作为浓盐水机械蒸发结晶的备用措施，当高含盐水处理的蒸发与结晶装置正常运行时蒸发塘空置；高含盐水处理装置发生故障或检修期间，蒸发塘方可投入使用。所以蒸发塘的设计分两种工况进行计算：一是蒸发与结晶装置检修停运(最长时间一年有30d，而且一般选在蒸发量大的6、7和8月进行)；二是结晶设备出现故障无法运行(最长时间一年有180d)。

4.1高含盐水处理装置检修停运(第一种工况)

当高含盐水处理装置(蒸发器与结晶器)停运检修时，进高含盐水处理装置的废水全部排入蒸发塘，进入蒸发塘的水量为Vm3/a。

参考海卤、矿卤蒸发的技术，煤化工生产所产生的多种组分的浓盐水蒸发与海盐生产类似。气象站提供的蒸发量是站内标准蒸发皿的蒸发量，与实际水面蒸发观测值统计的蒸发量之间存在较大差异。参考海卤、矿卤的蒸发量的经验折减系数，则蒸发塘全年净蒸发总量可用下式计算：

表1　某企业第一种工况水质指标

(1)

由此可计算出蒸发塘的蒸发面积：

(2)

考虑季节变化，当自然蒸发量很小时蒸发塘需要储水，因此蒸发塘要留有一定的余量。一般设计满足从当年十月到来年三月的总的排入水量的蓄水要求，设计蓄水深度计算：

(3)

除了设计水深，蒸发塘设计池深还应考虑水位超高h′(m)及波浪爬高h″(m)情况，总体水深不超过3.0m，防止水过深发生“太阳池”现象，使池底部水温过高，威胁防渗系统安全。也不宜过浅，增加占地面积，蒸发塘设计池深为：

H=h+h′+h″

蒸发面积的计算也可以根据蒸发塘建设地的土地供应情况先定出蒸发面积，然后再根据处理的高含盐水的水量试差计算。

4.2结晶设备故障停运(第二种工况)

4.3蒸发塘设计参数

根据上面的计算方法和某企业所处的地理位置，企业一年开停车的实际情况，以第二种工况(浓盐水结晶器从当年十月到来年三月停运)排入的水量为计算的基准，则排入的水量：

26×24×180=112320 m3

计算蒸发面积：

蒸发面积的裕度按20%考虑，则需要的面积：

S需=108120×1.2=129744m2

考虑到事故排水情况，取实际蒸发面积为134200m2(S实>S需)。

蒸发池平均有效水深：

蒸发塘所处地势有一定坡度，北高南低。根据地形、地势，蒸发塘分三级设置。综合考虑各方面的因素，最终可定出某企业的蒸发塘的设计参数：一级缓存池：长×宽×深=300m×150m×1.50m，有效水深1.0m，超高0.5m，蒸发面积(液面面积)约44104m2，有效容积约43217.33m3；二级蒸发池：长×宽×深=350m×170m×1.54m，有效水深0.9m，超高0.64m，蒸发面积(液面面积)约58175m2，有效容积约51527.6m3；三级蒸发池：长×宽×深=206m×170m×2.05m，有效水深0.8m，超高1.25m，蒸发面积约33165m2，有效容积约25836m3。蒸发塘设计蒸发面积总共约135444m2。有效容积约120580.93m3。计算结果与前面设计数据基本一致，在误差范围之内，计算有效。三级蒸发池西侧的晒盐场：长×宽=170m×10m，面积为1700 m2。

5蒸发塘的防渗设计

蒸发塘的作用是将检修或事故情况下的厂区排放的高浓盐水全部蒸发，以达到废水污水“零”排放的目标。蒸发塘为重点污染防治区，其防渗需满足《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》(国家环保局2004.4.30颁布试行)和《危险废物填埋污染控制标准》GB 18598-2001的要求。

5.1防渗结构方案

蒸发塘存放的高浓盐水，具有污染性，对环境影响较大。该项目环评报告确定高浓盐水为一般工业废物，所以按一般防渗区设计。根据《危险废物填埋污染控制标准》GB 18598-2001，蒸发塘防渗采用双层HDPE膜加防水毯防渗设计。

防渗层的构造依次是：场地开挖及回填后压实整平，在压实整平后的沙土地基上铺GCL膨润土防水毯垫层，接着在其上铺一层1.5mm厚的HDPE土工膜，然后铺复合土工排水网和排水管，再在其上铺一层2.0mm厚的HDPE土工膜，HDPE土工膜上再设置保护层，保护层采用600g/m2的无纺土工布，保护层上浇筑100mm厚C25抗渗混凝土面层，抗渗等级为P8。

双层HDPE膜防渗构造见图2。

5.2渗滤液导排系统

为防止首层膜上偶然出现的孔洞或接缝缺陷，减少泄漏量，在双层HPDE膜中间设置渗滤液导排系统。为防止渗滤液在蒸发塘底部积蓄，各个蒸发池独立为一个防渗单元，其底部设计有一定的坡度，向南北两侧倾斜，坡比为0.5%。各蒸发池内的渗滤液经过复合排水网格首先汇集于蒸发池周围的检查井，然后通过检查井汇集到蒸发池内部设置的排渗主管(塑料排水盲沟)，排渗主管以一定的坡度向南北两侧分别倾斜，坡比为1%。所有的渗滤液通过排渗主管汇集到蒸发池边界的收集井，收集井内的渗滤液采用移动泵抽送的方式再打回蒸发池进行自然蒸发。蒸发池底部的轮廓边界和构造必须有利于导排，能够使得水流始终流向最低点排水口，这是渗滤液收集系统设计的基本准则。

图2　双层HDPE膜防渗构造

6结语

现在蒸发塘的设计还没有相关的规范和标准，所以蒸发塘的设计相关的工程公司还在探讨中。从已有的蒸发塘的运行状况来看，效果并不理想。

笔者认为现在要考虑的问题：① 什么样的水能进蒸发塘？只有浓盐水才能进蒸发塘，其他污染物应尽量在前期工艺中采用现有环保技术去除掉。但是，除到什么程度合适呢？煤化工污水处理很困难，如果要把污染物全部去除，相当于再建设一个污水深度净化处理厂，投资大；② 蒸发塘的蒸发效率问题。蒸发效率多高才允许建设蒸发塘？因为进蒸发塘的水是高含盐废水，因此可采取一些有效措施来提高蒸发效率，如在蒸发池周围设水雾喷枪，增加蒸发量。但是当大风天气时应停止喷雾，否则可能由于风吹造成高含盐水飘向周围环境造成二次污染。蒸发塘的处理效果是个技术问题，需要技术人员和相关企业做出大量的实验和计算来解决这个问题；③ 蒸发池的防渗问题。蒸发塘处理的是高含盐废水，如果池体发生渗漏，高含盐水渗漏进入地下水，将会造成地下水的严重污染；④ 蒸发塘的抗浮问题。蒸发塘系统每个蒸发池容积较大，对于地下水位较浅的地区，当蒸发塘空置时，地下水对池体的浮力可能导致蒸发池池体破坏，因此蒸发塘的抗浮设计尤为重要。

在工艺设计上可借鉴海水晒盐的经验，将蒸发塘按照处理功能分成了调解区、蒸发区、结晶区和干盐区4个功能区。按照项目年进水量、进水盐浓度和盐组分分析结果、当地气象条件等参数进行蒸发塘设计，尤其是蒸发折减系数的确定需要认真分析，可以说蒸发折减系数在蒸发塘水量平衡计算的准确性上起着决定性的作用。蒸发塘既要满足蒸发量，保证蒸发效果，又要兼顾库容，还要考虑防浪、防沙、清盐等因素。

综上所述，根据以上设计方案设计的某企业的蒸发塘已通过专家评审，正处于建设之中。但蒸发塘的设计工作任重道远，还处于不断的探索过程。

参考文献

1曲风臣,吴晓峰,王敬贤等. 煤化工废水“近零排放”技术与应用[J].环境影响评价,2014.06.

2黄志亮，甄胜利等.蒸发塘处理煤化工浓盐水设计探讨[J].工业用水与废水，2015.02.

(收稿日期2016-01-15)

*梁斌:讲师。1997年毕业于哈尔滨建筑大学(2000年与哈尔滨工业大学合并)硅酸盐工程专业获硕士学位。主要从事无机化工的教学与科研工作。联系电话：18993189229，E-mail：liangbin1975@126.com。