郭德豪，范圣紅，陳蔡喜，羅迎花，牛艷麗，蔡志華，張立茗

（廣州市達(dá)志化工科技有限公司，廣東 廣州 511356）

節(jié)能和資源回收型電鍍廢水處理設(shè)備

郭德豪，范圣紅*，陳蔡喜，羅迎花，牛艷麗，蔡志華，張立茗

（廣州市達(dá)志化工科技有限公司，廣東 廣州 511356）

介紹了一種以太陽能和水源熱泵為熱源，由水射泵產(chǎn)生真空，使電鍍廢液低溫蒸發(fā)濃縮，并將蒸發(fā)熱能全部循環(huán)回收，濃縮的鍍液重新回用于鍍槽，從而實現(xiàn)熱能和物料全循環(huán)的裝置。闡述了該裝置的原理，分析了其運行可靠性和節(jié)能效益。著重描述了太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)的組成、設(shè)計要點及工作模式。介紹了該設(shè)備在氰化滾鍍銀廢水處理及回收中的應(yīng)用。

電鍍廢水；處理；設(shè)備；真空蒸發(fā)；太陽能集熱系統(tǒng)；熱泵

1 前言

電鍍廢水、廢液處理技術(shù)的開發(fā)已有數(shù)十年歷史，從上世紀(jì)開始推進(jìn)和倡導(dǎo)電鍍清潔生產(chǎn)，注重研究推廣電鍍廢物料的資源化再生和利用，蒸發(fā)濃縮法至今仍是其重要方法之一。較常用的電鍍廢液再生設(shè)備有“大氣蒸發(fā)器”、“薄膜蒸發(fā)器”(用于回收鉻酸)和“真空蒸發(fā)器”(專用于濃縮含氰廢液)，它們都以水蒸氣為加熱介質(zhì)，采用煤炭、柴油、天然氣、電力等傳統(tǒng)能源，所以運行的能耗高、污染重，能源浪費嚴(yán)重。要解決這一問題，必然要向低碳、物資回收的循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。節(jié)能和資源回收型電鍍廢水處理設(shè)備的開發(fā)、研究正是在電鍍行業(yè)推行低碳、循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)模式的有益嘗試和實踐。

2 原理

節(jié)能與資源回收型電鍍廢水處理設(shè)備的工作原理如圖1所示。

圖1 節(jié)能與資源回收型電鍍廢水處理設(shè)備的原理Figure 1 Principle of the energy-saving and resource-recycling type electroplating wastewater treatment equipment

2. 1 真空/熱循環(huán)系統(tǒng)

由水射器5、熱循環(huán)水箱6組成。水射器依靠高揚程 PU5泵吐出的高速水流通過一個帶喇叭口的出水管，高速水流產(chǎn)生負(fù)壓，抽走氣體，產(chǎn)生真空，滿足蒸發(fā)器低溫沸騰所需的負(fù)壓，將蒸發(fā)器“物料室”低溫沸騰的物料蒸汽吸入，同時也將蒸發(fā)熱量吸收到熱循環(huán)水箱6，為熱泵“水源側(cè)”源源不斷地補充熱量，實現(xiàn)熱量的全循環(huán)。

如此一來，熱量幾乎全部回收，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)廢液水分不斷蒸發(fā)濃縮，達(dá)到電鍍液成分濃度時，經(jīng)去除雜質(zhì)處理后便可添加至電鍍槽內(nèi)回用。

2. 2 蒸發(fā)器

在真空條件下實現(xiàn)低溫(≤45 °C)蒸發(fā)。采用以石墨制作的導(dǎo)熱性優(yōu)良的耐腐蝕材料，將“熱水室”的水與“物料室”的溶液(電鍍廢液)完全隔離，并在兩者之間進(jìn)行良好的熱交換?！盁崴摇钡母邷厮?55 ～60 °C)將熱量傳導(dǎo)給“物料室”的溶液，使其沸騰蒸發(fā)。蒸發(fā)器中“熱水室”的回水(≥50 °C)由PU3泵回?zé)岜?3，通過熱泵產(chǎn)生高溫?zé)崴?≥60 °C)重新注入蒸發(fā)器的進(jìn)水口。這樣便構(gòu)成了一個“熱泵3(熱水側(cè))→蒸發(fā)器4的熱水室→PU3泵→熱泵3(熱水側(cè))”加熱循環(huán)回路。同時，“熱泵3(水源側(cè))→熱循環(huán)水箱6→PU4泵→熱泵3(水源側(cè))”也構(gòu)成一個提供熱泵所需低端熱源的水循環(huán)回路。

2. 3 太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)

采用太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵機組相結(jié)合，太陽能和熱泵互為輔助熱源，最大限度地利用太陽能，保證了因陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低而導(dǎo)致太陽能資源不足時的熱水供應(yīng)，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。

2. 3. 1 加熱過程

太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽能集熱器和水源熱泵機組，包括太陽能集熱器1、儲熱水箱2、太陽能循環(huán)泵PU1、熱泵熱水側(cè)循環(huán)泵PU3、回水泵PU2及控制器。如圖2所示。

圖2 太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)Figure 2 Solar power–heat pump hot water supply system

太陽能熱水循環(huán)泵PU1根據(jù)S1和S2溫度控制器自動運行。當(dāng)S2溫度≥65 °C時，系統(tǒng)切換為“太陽能加熱模式”，三通閥○1、○2打開，○3關(guān)閉，同時 PU2啟動，儲熱水箱2中的太陽能熱水注入蒸發(fā)器4的熱水室進(jìn)行加熱蒸發(fā)；當(dāng)S2溫度≤65 °C時，系統(tǒng)切換為“熱泵加熱模式”，三通閥○1、○2、○3全部打開，熱泵3和PU3啟動，蒸發(fā)器靠熱泵加熱沸騰、蒸發(fā)，此時儲熱水箱2起到熱泵水循環(huán)加熱回路膨脹水箱的作用。

2. 3. 2 設(shè)計要點

2. 3. 2. 1 太陽能集熱器

對于全年使用的太陽能熱水系統(tǒng)，要求太陽能集熱器具有較高的集熱效率、較小的管道阻力，抗凍能力強，易于維護。目前在太陽能熱水工程中通常采用的太陽能集熱器主要有平板型集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器、直流式真空管集熱器、全玻璃真空管集熱器等。平板集熱器一直是太陽能市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種低溫(40 ～ 50 °C)熱水加熱領(lǐng)域，由于在集熱效率上不具備優(yōu)勢，因此不適用于需要較高溫度的蒸發(fā)濃縮應(yīng)用的熱水工程。全玻璃真空管集熱器在經(jīng)常性高水溫(65 ～ 80 °C)的運行條件下集熱效率較高，適合于需要60 °C以上熱水、規(guī)模不太大的生產(chǎn)過程。U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，都以金屬作為吸熱體，可以承壓運行，適用于大型太陽能熱水工程，但在蒸發(fā)濃縮應(yīng)用的熱水工程中，從高溫下的集熱效率、投資費用、經(jīng)久耐用等方面進(jìn)行綜合評價，其實用性稍遜于普通真空玻璃管太陽能集熱器。此外，雖然金屬吸熱體的太陽能集熱器(如超導(dǎo)熱管)與全真空玻璃管太陽能集熱管相比，其優(yōu)點在于防止“凍裂”和“炸管”現(xiàn)象，但南方地區(qū)不存在凍裂問題，采用可靠性好的電控制設(shè)計和電器元件，足以彌補普通真空玻璃管的不足。

太陽能集熱器的面積應(yīng)以熱水系統(tǒng)的設(shè)計熱負(fù)荷或根據(jù)實際情況確定的太陽能供熱量作為基本依據(jù)，并分析計算所在地單位面積的太陽能集熱器平均每日有效得熱量，從而確定太陽能集熱器的安裝面積。

熱水工程中，太陽能集熱器一般是固定角度安裝的，其單位面積日有效得熱量隨季節(jié)和每日內(nèi)太陽輻照強度而變化，并不是一個固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運行工況、所在地氣象參數(shù)和太陽輻照量等。不同的集熱器類型具有不同的集熱效率，其有效得熱量也不同，所以在實際應(yīng)用中，一般根據(jù)集熱器生產(chǎn)廠家提供的集熱效率等性能參數(shù)和太陽輻照資料進(jìn)行分析計算，取全年平均值。

太陽能集熱器功率應(yīng)按照蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計每小時熱負(fù)荷、熱水箱容積、加熱時間等參數(shù)進(jìn)行確定。在冬季比較寒冷的地區(qū)，可適當(dāng)加大太陽能集熱器的面積，使其盡量在一天中氣溫比較高的時段內(nèi)運行，在較短的時間內(nèi)滿足系統(tǒng)的用熱需求。

2. 3. 2. 2 水源熱泵

選用水源熱泵的原因有二；一、回收被蒸發(fā)物料水蒸氣的熱量；二、水源熱泵的能效系數(shù)(COP)比空氣源熱泵高得多，即使在高溫下運行，水源熱泵的COP也能達(dá)到3左右。

為使熱泵適用于工業(yè)應(yīng)用對高溫水源的需求，眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)。提高熱泵的出水溫度主要有3種方式：一是依靠外界輔助熱源來提高熱泵低溫制熱性能，比如通過電加熱來提高熱泵制熱出水溫度，采用燃燒器輔助加熱室外換熱器，在壓縮機周圍敷設(shè)相變蓄熱材料以增加制熱運行輸出功率等等；二是通過改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來提高熱泵的低溫制熱性能，設(shè)中間補氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統(tǒng)，讓壓縮機高速工作以增加工質(zhì)循環(huán)量，同時向壓縮機工作腔噴液以防止其過熱，從而使熱泵機組能夠正常運行。熱泵機組的額定制熱功率應(yīng)不小于蒸發(fā)器的最大設(shè)計負(fù)荷。

其實，真正適合蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的熱泵，并非看熱泵生產(chǎn)廠商標(biāo)榜其產(chǎn)品的輸出水溫有多高。很多廠家往往聲稱其熱泵輸出水溫可達(dá)到65 °C以上，甚至有的達(dá)到90 °C，但對其水源側(cè)及熱水側(cè)回水的極限溫度值避而不談。目前，多數(shù)國產(chǎn)熱泵的熱水側(cè)回水溫度較低(一般在20 ～ 25 °C)，不適用于工業(yè)生產(chǎn)過程。筆者采用的是熱水側(cè)回水溫度≥55 °C的水源熱泵，熱能幾乎100%循環(huán)利用，實際熱效率可達(dá)90%，節(jié)能近80%，與傳統(tǒng)能源相比具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

各種能源的實際熱值計算列于表1。以將1 t水溫為20 °C的自來水加熱至60 °C需要40 000 kcal的熱量為例，根據(jù)實際熱值計算各種能源所需數(shù)量后按單價計算的燃料成本列于表2。幾種能源方案的對比見表3。

表1 各種熱源的熱效率和實際熱值Table 1 Thermal efficiencies and effective calorific values for various heat sources

2. 3. 2. 3 真空蒸發(fā)系統(tǒng)

采用真空蒸發(fā)工藝有2個目的；(1)減壓以降低被蒸發(fā)濃縮溶液的沸點，較好地保護了對溫度敏感的物料，避免其分解破壞；(2)低溫蒸發(fā)以配合低溫?zé)嵩吹某浞掷?。所研制的蒸發(fā)器全部采用純聚丙烯材料制作，能耐受酸性、堿性和大部分腐蝕性電鍍廢液，耐受90 °C以下溫度，可在2 000 Pa真空條件下長期運行。

表2 采用不同熱源產(chǎn)生40 000 kcal熱量所需的成本Table 2 Costs for producing 40 000 kcal heat with different heat sources

表3 幾種能源方案的經(jīng)濟效益Table 3 Economic benefits of several schemes using different energy sources

2. 3. 3 工作模式

2. 3. 3. 1 太陽能加熱

在大部分日照良好的晴天，系統(tǒng)按此工況工作，此時太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，源源不斷地利用集熱器采集的熱量通過儲熱水箱輸送到蒸發(fā)器。

2. 3. 3. 2 太陽能輔助熱泵機組加熱

在秋冬季節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟運行溫度時，熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜。此時，熱泵輔助加熱循環(huán)泵啟動，高于環(huán)境溫度的低溫太陽能熱水進(jìn)入熱泵水源側(cè)的“熱循環(huán)水箱”內(nèi)，使熱泵效率提高，并具有防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用，可以提高COP值，節(jié)約熱泵機組的耗電量。

2. 3. 3. 3 熱泵機組直接加熱

在連續(xù)的雨雪天氣、陰天或多云天氣期間，當(dāng)太陽能集熱溫度不足以直接加熱蒸發(fā)器熱水室時，熱水管系自動切換到“熱泵工作模式”，熱泵機組啟動。此時，太陽能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，熱泵機組單獨對蒸發(fā)器加熱，同時利用熱循環(huán)水箱回收的蒸發(fā)熱作為熱泵水源側(cè)的熱源。

3 實用意義

3. 1 運行可靠性分析

作為太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)的主要組成部分，太陽能和水源熱泵都是技術(shù)成熟的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用已有20余年的歷史，水源熱泵的大量應(yīng)用也有10數(shù)年的歷史。太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)將太陽能與水源熱泵技術(shù)有機結(jié)合，在不影響二者原有運行功能的條件下，使其運行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)的能源消耗。

3. 2 節(jié)能效益分析

根據(jù)我國北方大部分地區(qū)的太陽輻照資料，按照衛(wèi)生熱水系統(tǒng)平均耗熱量和太陽能集熱器日平均得熱量確定太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器面積，太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)中，太陽能直接加熱可滿足熱水系統(tǒng)全年60% ～80%的熱量需求，其余20% ～ 40%的熱量由水源熱泵機組供應(yīng)，熱泵平均COP可達(dá)3.0，即其所供應(yīng)的熱量有65%以上來自從蒸發(fā)的蒸汽中回收的熱能。在整個系統(tǒng)運行中，蒸發(fā)器熱能的回收利用率接近100%，輔助加熱的電力消耗只占系統(tǒng)總能耗的7% ～ 14%，至少可節(jié)能85%。從上述分析可見，太陽能–熱泵熱水系統(tǒng)是一種性能可靠、環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽能及少量的電能，對環(huán)境沒有任何的污染。

所研制的節(jié)能和資源回收型電鍍廢水處理設(shè)備的能耗可分為 2個部分：蒸發(fā)加熱能耗和真空泵能耗。綜合兩部分能耗，與傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)系統(tǒng)相比，至少可節(jié)能 40%以上。此外，從電鍍化工資源回收，避免化工廢料污染環(huán)境，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展的意義上考量，該設(shè)備非常值得推廣應(yīng)用。

4 應(yīng)用及改進(jìn)

4. 1 應(yīng)用現(xiàn)狀

作為科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目，在實施過程中首先瞄準(zhǔn)了氰化鍍金、鍍銀等電鍍工藝，一則回收高價的貴金屬，二則免去劇毒氰化物的處理排放，節(jié)省處理氰化物的化工藥品，以基本實現(xiàn)零排放。

2008年，浙東南一家較大的電子電鍍工廠決定安裝兩套這種設(shè)備(每套濃縮蒸發(fā)量為 33 L/h)，專門針對其大量的氰化鍍銀廢水的處理與銀資源的回用。該公司采用滾鍍工藝，帶出損失較大，第一級回收槽含Ag+高達(dá)1 ～ 2 g/L。一次投料約700 L，經(jīng)7 d連續(xù)濃縮蒸發(fā)后用AA機分析Ag+含量可達(dá)25 ～ 30 g/L，NaCN 220 ～ 250 g/L，可以回用到鍍槽中。目前僅開一班制，每月回收銀40 kg，總價值16 ～ 18萬元。

除了銀回收之外，另一個示范點正在進(jìn)行鎳資源回用。目前，許多企業(yè)對真空/熱循環(huán)系統(tǒng)，特別是低溫濃縮蒸發(fā)器十分感興趣，它們可以通過不同形式的單元組合，因地制宜地應(yīng)用于金屬廢液的回收和提純，達(dá)到金屬資源的回收利用。如果應(yīng)用于化工產(chǎn)品的濃縮，不僅可以節(jié)約能源，而且可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。筆者深信，隨著生產(chǎn)實踐的應(yīng)用和經(jīng)驗的積累，加上設(shè)備制造廠商的配合，這一創(chuàng)新技術(shù)會進(jìn)入越來越多的工業(yè)領(lǐng)域。

4. 2 可能存在的問題

(1) 太陽能在電鍍工業(yè)上的實際應(yīng)用只是一個初步實踐，本設(shè)備運行至今經(jīng)歷了不同天氣的考驗，尚未發(fā)現(xiàn)重大問題。為了維持不間斷的連續(xù)生產(chǎn)過程，水源熱泵作為輔助熱源能同步補上。這兩個新的硬件都還要在長期運行中考察其可靠性，特別是在不同光照條件下和冬天氣溫很低的情況下，“雙硬件”的熱能分配可否適應(yīng)連續(xù)不間斷的運行仍有待觀察。

(2) 現(xiàn)在的新能源切換已從手動切換發(fā)展到電子自動切換，可以做到整體設(shè)備無人看管，減少人力資源的投入。其長期運行的可靠性也有待觀察。

(3) 這套系統(tǒng)使用了不少溫度傳感器、液位傳感器等，其質(zhì)量及可靠性還有待觀察。

(4) 為了獲得高真空度的負(fù)壓，系統(tǒng)中有一個關(guān)鍵部件，即循環(huán)水的水射泵。無論使用太陽能還是使用水源熱泵，它都要不停地工作，否則無法在高真空下蒸發(fā)。它的電機軸承現(xiàn)已改用瑞典耐熱、耐磨、耐高溫的長壽軸承，其可靠性也有待長期運行觀察。

4. 3 改進(jìn)的方向

(1) 針對上述生產(chǎn)中可能存在的不足，進(jìn)一步完善目前正在運行的兩套設(shè)備，以消除隱患。

(2) 隨著鍍槽中的銀不斷循環(huán)蒸發(fā)應(yīng)用，“濃縮液”中一定會累積金屬銅雜質(zhì)，當(dāng)銅的含量達(dá)到一定數(shù)量時，可能會影響銀層的可焊性。若考慮應(yīng)用這種含銅雜質(zhì)的濃縮液，需開發(fā)或購進(jìn)Ag–Cu合金光亮劑。開發(fā)應(yīng)用目前電子電鍍行業(yè)熱門的可焊、導(dǎo)電性優(yōu)良的銀–銅合金層，可達(dá)到循環(huán)銀濃縮液的長久再利用。

(3) 大面積鋪設(shè)太陽能集熱器，爭取用它來加熱鍍槽，不用油或煤鍋爐，實現(xiàn)電鍍工廠清潔生產(chǎn)。

Energy-saving and resource-recycling type electroplating wastewater treatment equipment//

GUO De-hao, FAN Sheng-hong*, CHEN Cai-xi, LUO Ying-hua, NIU Yan-li, CAI Zhi-hua, ZHANG Li-ming

An equipment for complete recycling of all thermal energy and materials with solar energy and heat pump as heat sources was introduced. The electroplating wastewater is evaporated and concentrated at low temperature under vacuum condition produced by water-jet bump. All thermal energy during evaporation is totally recovered, and the concentrated electroplating solution reused. The principle of the equipment was expatiated, and its running reliability and energy-saving effectiveness were analyzed. The configuration, key design points and working modes of the solar power–heat pump hot water supply system were described. The application of the equipment to wastewater treatment and recovery for barrel silver plating was introduced.

electroplating wastewater; treatment; equipment; vacuum evaporation; solar thermal collection system; heat bump

Dazhi Chemical Technology Co., Ltd., Guangzhou 511356, China

X781.1

A

1004 – 227X (2011) 01 – 0044 – 04

2010–10–27

科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目（09C26214414141）。

郭德豪（1949–），男，“電鍍工藝”專業(yè)畢業(yè)，多項科研成果獲省市科技進(jìn)步獎，擁有電鍍廢水處理相關(guān)技術(shù)和裝備的實用新型專利6項，目前任環(huán)保項目技術(shù)負(fù)責(zé)人。

范圣紅，(E-mail) dazhi@dazhichem.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]