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廖城城1，郭德豪2，賴梅東1，單麗麗1
(1.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，廣東深圳518057;2.上海西門高技術(shù)有限公司，上海201700)
摘要：介紹了一種新型的電鍍化工廢液蒸發(fā)濃縮回用系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用專利技術(shù)的聚丙烯減壓蒸發(fā)器，以高溫水源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)作為加熱能源，實(shí)現(xiàn)能源和物料的全循環(huán)回收。比較了該系統(tǒng)與燃油、燃煤鍋爐以及電加熱系統(tǒng)的能耗，分析了某電鍍廠采用該系統(tǒng)處理氰化鍍銅、氰化鍍銀、氰化鍍金及鍍鎳廢液一個(gè)月所取得的效益。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行成本低、無污染，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯。
關(guān)鍵詞：電鍍廢液;處理;回收;熱泵;太陽能
中圖分類號(hào)：X781.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1004–227X(2012)02–0040–04
1·前言
隨著《清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》、《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》的實(shí)施以及地方政府對(duì)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)與扶持，以低能耗、低污染、物資循環(huán)利用為基礎(chǔ)的綠色經(jīng)濟(jì)模式得到了全社會(huì)的響應(yīng)和支持。太陽能和工業(yè)廢棄余熱技術(shù)的研發(fā)正是在電鍍行業(yè)推行低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式和清潔生產(chǎn)的背景下進(jìn)行的。
2·蒸發(fā)濃縮法在電鍍廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀
我國的電鍍行業(yè)從20世紀(jì)80年代起開始推進(jìn)和倡導(dǎo)電鍍清潔生產(chǎn)，注重研究和推廣電鍍廢物料的資源化再生及回用。目前針對(duì)電鍍廢水較為成熟的處理工藝有化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法、膜分離法和蒸發(fā)濃縮法等[1-2]。蒸發(fā)濃縮法主要利用熱源和蒸發(fā)器在常壓或負(fù)壓下直接濃縮廢水，目前在臺(tái)灣和日本等地應(yīng)用較廣。
這種方法常與三級(jí)逆流漂洗、氣–水噴淋，或與離子交換法聯(lián)合使用。目前，生產(chǎn)中廣泛采用不銹鋼或鈦管薄膜蒸發(fā)器來濃縮含鉻廢水、含氰廢水等，也是電鍍廢水閉路循環(huán)的主要處理流程之一。現(xiàn)有技術(shù)一般都采用電加熱常壓蒸發(fā)法或蒸汽常壓蒸發(fā)法，雖然處理結(jié)果比較理想，但能耗高。以電加熱法將每噸廢水從20°C加熱到100°C，耗電量為47~55 kW·h。蒸汽常壓蒸發(fā)法采用燃煤或燃?xì)庾鳛槿剂希杀疽苍?0元/t以上，加上其他環(huán)節(jié)的資源消耗，處理成本高，以致一般企業(yè)無法接受[3]。太陽能和熱泵技術(shù)的應(yīng)用可大幅降低蒸發(fā)濃縮法處理電鍍廢水的成本。
3·太陽能和熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀
長期以來，人們就一直在努力研究如何利用太陽能。地球所接受到的太陽能，相當(dāng)于當(dāng)年全球所需總能量的3~4萬倍，可謂取之不盡、用之不竭。太陽能與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和全球性氣候變化，也不會(huì)造成環(huán)境污染。因此，太陽能的利用受到許多國家的重視。集熱器(含太陽能熱水器)已成為太陽能應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化最迅速的產(chǎn)業(yè)之一，但主要集中在生活用熱水[4-5]，鮮見在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的報(bào)道，在電鍍生產(chǎn)及電鍍化工廢液處理方面的應(yīng)用更未見報(bào)道。
水源熱泵是利用地球水體所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其可利用的水體包括地下水或河流、湖泊和海洋[6]。因此，水源熱泵的利用是一種清潔的可再生能源技術(shù)。電鍍工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨大量工業(yè)廢棄余熱排放，如冷凍機(jī)的散熱廢水、加溫電鍍槽所散發(fā)的熱量、被蒸發(fā)物料的蒸發(fā)熱等。這些熱量通常都采用冷卻塔、排氣扇等向周邊環(huán)境排放，既污染了環(huán)境又浪費(fèi)能量。雖然我國開展熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但近年來發(fā)展迅猛，目前在空調(diào)的制暖/冷技術(shù)方面已有較廣的應(yīng)用[7]。
4·基于太陽能和熱泵技術(shù)的智能新能源電鍍廢液蒸發(fā)回收系統(tǒng)
某電鍍廠擁有10條滾鍍生產(chǎn)線，24條連續(xù)鍍覆生產(chǎn)線，鍍種包括金、銀、光亮錫、亞光錫、鎳、半光鎳、銅等。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、降耗、減污、增效”的清潔生產(chǎn)目標(biāo)，該企業(yè)在2010年引進(jìn)了“全循環(huán)智能新能源電鍍廢液蒸發(fā)回收系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用減壓蒸發(fā)濃縮技術(shù)，以熱泵和太陽能作為蒸發(fā)能源，應(yīng)用于鍍銀、鍍鎳和鍍銅廢液的再生回用。該系統(tǒng)的工藝流程見圖1。
4.1熱泵+太陽能輔助機(jī)組的工作原理[3,8]
按目前的技術(shù)條件，常規(guī)熱泵的最高輸出熱水溫度為55°C。雖然有些熱泵產(chǎn)品能將水加熱到60~65°C，但也只能短時(shí)間運(yùn)行，長時(shí)間較高溫度下運(yùn)行會(huì)對(duì)熱泵造成永久性損壞。為了使水源熱泵能在低溫環(huán)境下高效、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，該系統(tǒng)采取以下3項(xiàng)措施：
(1)依靠太陽能輔助熱源來提高低溫環(huán)境下熱泵的制熱性能，用PU1泵將太陽能集熱器生產(chǎn)的熱水由儲(chǔ)熱水箱2泵入換熱水箱6，提高水源熱泵3用戶側(cè)(蒸發(fā)器)的進(jìn)水溫度，從而提高熱泵的制熱效率。
(2)當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中的水溫被太陽能集熱器加熱到65~80°C時(shí)，可直接用太陽能生產(chǎn)的高溫?zé)崴斎氲綔p壓蒸發(fā)器，從而替代熱泵，使得熱泵以間歇運(yùn)行方式工作，這將有利于保護(hù)熱泵，延長其使用壽命。
(3)當(dāng)較長時(shí)間停機(jī)的蒸發(fā)系統(tǒng)重新開機(jī)時(shí)，將低溫的水加熱到70°C左右需要花費(fèi)較多的熱能和時(shí)間。利用太陽能集熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱中的高溫水啟動(dòng)蒸發(fā)器，就能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，而且節(jié)省能源。
4.2系統(tǒng)主要設(shè)備的說明
4.2.1減壓蒸發(fā)器
選用的減壓蒸發(fā)器采用純聚丙烯(PP)和石墨改性聚丙烯材料制造，與傳統(tǒng)的不銹鋼材質(zhì)蒸發(fā)器相比，不僅成本低廉(不到304不銹鋼材質(zhì)減壓蒸發(fā)器造價(jià)的1/5)，同時(shí)能耐受幾乎所有強(qiáng)腐蝕性無機(jī)酸和鹽的腐蝕。由于氰化物會(huì)破壞不銹鋼的晶格，故不銹鋼蒸發(fā)器若用于氰化物溶液的蒸發(fā)濃縮，則使用壽命短，因此本系統(tǒng)使用的蒸發(fā)器最適合含氰電鍍?nèi)芤旱恼舭l(fā)濃縮。系統(tǒng)所使用的聚丙烯蒸發(fā)器與傳統(tǒng)的減壓蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。
4.2.2水源熱泵的選型和應(yīng)用
本系統(tǒng)采用清華同方最新開發(fā)的小型高溫?zé)岜茫缮a(chǎn)65~70°C的高溫水。該熱泵的能效系數(shù)(COP)可達(dá)到3~4。
圖1中水源熱泵4的水源端進(jìn)水取自換熱水箱6，該水箱中水的熱量則來自水射真空泵5從真空蒸發(fā)器4物料端吸取的熱蒸汽，水源熱泵將低溫(35~40°C)蒸汽的熱量轉(zhuǎn)換成65~70°C的高溫水后供給真空蒸發(fā)器4。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)過程中熱量的循環(huán)利用。蒸發(fā)過程中，熱泵所提供的熱量有80%以上來自于從真空蒸發(fā)器回收的熱蒸汽，其余來自于太陽能集熱器或工廠排放的廢水余熱。
4.2.3太陽能集熱器
選用玻璃真空超導(dǎo)熱管，因?yàn)檎婵展芩纬傻母哒婵湛勺畲笙薅鹊販p少熱損，其選擇性涂層能有效地將太陽光的直射輻射和漫射輻射都傳遞給超導(dǎo)熱管，同時(shí)它還擔(dān)負(fù)著有效地吸收太陽能和保溫絕熱的作用，即使在環(huán)境不利的條件下也能阻止熱量流失。另外，超導(dǎo)熱管也擔(dān)負(fù)著迅速傳遞太陽熱能的作用。這二者的優(yōu)化組合，大大提高了集熱性能。其單向熱傳導(dǎo)功能使得熱管型太陽能集熱器較適合在較高溫度熱水的工業(yè)應(yīng)用[7]。
4.3系統(tǒng)運(yùn)行分析
以供65°C熱水2 t/h計(jì)算，對(duì)燃油鍋爐、電加熱、燃煤鍋爐等熱水生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗與運(yùn)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，與本系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表2。
由表2可以看出，對(duì)比傳統(tǒng)的加熱方式，采用熱泵+太陽能集熱系統(tǒng)在操作安全、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益方面都有明顯的優(yōu)勢。
該技術(shù)的應(yīng)用能使電鍍廢液濃縮到電鍍生產(chǎn)需要的濃度，實(shí)現(xiàn)電鍍廢液全回收。目前，電鍍行業(yè)內(nèi)可利用本系統(tǒng)回收的貴重金屬原材料有KAu(CN)2、CuCN、KCN、AgCN、NiSO4、NiCl2等。以該電鍍廠為例，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行后某一個(gè)月的效益進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表3。
由表3可以看出，系統(tǒng)投產(chǎn)后，每月可回收的有價(jià)金屬和材料價(jià)值超過5萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
4.4應(yīng)用前景分析
目前，我國電子元器件、汽車部件、摩托車、自行車、手機(jī)、電視機(jī)、燈飾、鎖具、家具、水暖器材、皮具等制造業(yè)十分發(fā)達(dá)。這些產(chǎn)業(yè)都離不開材料保護(hù)和裝飾電鍍，而電鍍廢水排放對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重。該系統(tǒng)從源頭處理廢水、廢液，回用清洗水和濃縮液，采用綠色能源、低溫蒸發(fā)，在電鍍廢水的處理方法中屬前沿領(lǐng)域和先進(jìn)技術(shù)。
太陽能作為一種可再生的新能源，越來越引起人們的關(guān)注。越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。中國蘊(yùn)藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。《可再生能源法》和一系列政策法規(guī)的頒布和實(shí)施，為太陽能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策的保障。該系統(tǒng)采用太陽能作為蒸發(fā)濃縮的主要能源，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，易于推廣應(yīng)用。
5·結(jié)論
(1)“新型智能全循環(huán)新能源的電鍍廢液再生回收系統(tǒng)”采用專利技術(shù)低溫?zé)嵩醇訜岬臏p壓蒸發(fā)器，可以在較低溫度下對(duì)電鍍漂洗水和廢液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。
(2)采用可再生能源(太陽能)作為加熱能源，替代傳統(tǒng)的電、煤、油或天然氣，屬低能耗、低污染、以物資循環(huán)利用為基礎(chǔ)的綠色經(jīng)濟(jì)模式。
(3)適用于中小型電鍍廠加熱。特別適用于從事高附加值電子電鍍工廠和印刷電路板(PCB)工廠中鍍液的加熱，系統(tǒng)運(yùn)行安全且產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯。
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