技术地图 | 中型规模零排放市场深入解读

现在,规模为10-100 m3/d的零排放市场正在加速增长,然后适用于这一规模的零排放技术却较为匮乏。今天的技术地图,GWI带大家来看下这个市场目前的技术发展情况以及主要的技术公司。

不光是中国,全球范围内环保压力不断加剧,最小化液体排放(近零排放)越来越成为一种趋势。市场上针对零排放目前已经有许多成熟技术和应用案例,但是对于处理规模在10-100立方米/吨的工业客户来说,解决方案往往并不理想。服务于这部分市场的解决方案通常面临高成本,高能耗,同时故障率高的问题。展望未来,这部分市场是最小化液体排放(近零排放)(MLD)或零液体排放(ZLD)市场中市场份额最大的部分,尤其是在水资源压力巨大的中国和印度。

1. 什么是中型市场?

MLD或ZLD市场根据处理规模可以有效地分为三个主要领域。

首先,“大规模”市场,规模超过100立方米/天的流量。这部分市场最早起源于美国西部和西南部冷却塔排污处理中对蒸发器技术的应用。之后的市场比如还有中国煤化工废水零排放(大型蒸发器/结晶器)。为这一大型零排放市场提供技术解决方案的有三家领先的公司:苏伊士(其传统品牌RCC是ZLD技术的先驱之一),威立雅的HPD和Aquatech(通过2000年收购热法脱盐技术公司Aqua Chem)为大型ZLD市场提供服务。这些公司使用垂直管降膜蒸发器(也称为盐水浓缩器)和强制循环结晶器为市场服务。

其次是处理污水流量小于10立方米/天的“小规模”零排放市场,这一市场由开放式蒸发器(釜式或鼓式蒸发器)或浸没燃烧系统提供服务。由于不具有成本效益,蒸汽通常不能作为馏出物回收冷凝。这些通常是低成本、简单的系统,由清洁设备公司如Kaercher提供。

而“中型”市场则介于两者之间,比较尴尬。技术本身并不是问题,经济可行性是不能将用于大型和小型零排放系统的设备应用在这个市场的最大阻碍。换句话说,把用于大型零排放系统中的设备(如VTFF盐水浓缩器和技术)缩小到适用于中型的处理规模是不经济的,而用于小规模的技术扩大到这一规模,也是不经济的。

这一市场目前主要的竞争者是当地的环保公司,或者是其他一些从市政领域转来的水务公司,通常采用的技术是蒸发器,但是面临难以清洁的热交换器和不可靠组件的问题。

2. 市场驱动力

中型市场主要的驱动因素一方面是法律法规,另一方面也是业主面临的巨大的处置成本。这些污水通常由于高含盐量以及毒性等特征,不能排入市政管网,需要专门的处置。专门的处置成本非常高---独立收集和处置的成本可能超过每加仑1.00美元(260美元/立方米)。因此,对这些工业客户来说,减少污水的排放量是最为有利的途径,这也日益促进了最小化液体排放(近零排放)市场的增长。

区分最小化液体排放MLD和零排放ZLD的概念很重要,很多人谈论的零排放实际上都是减少排放的液体量(尽管大量减少),因此成为最小化液体排放MLD更为合适。

位于新罕布什尔州的Encon蒸发器公司是一家服务于中型零排放市场的蒸发器公司,估计其95%的项目是最小化液体排放MLD项目而不是零排放ZLD项目。 “对我们的客户而言,他们关心的是投资回报率,也就是说采用最小化液体排放方案、零排放的技术方案和传统的处置费用的高低,通常采用最小化液体排放方案的投资回报率最高。”Encon公司销售经理Mike Fregeau解释道。

尽管传统上北美和欧洲的市场最为强劲,但由于中国和印度市场对工业排放的监管日益严格,因此这两大市场的重要性日益提高。由于中国环境标准越来越严格,零排放的要求开始逐步在许多行业中推及。

与此同时,印度联邦政府在2015年提出了针对行业的准则草案,开始推行零排放,尤其是针对排放进入印度恒河的工厂。然而,该草案公布后,工业端反对声此起彼伏,工业企业表示他们既没有经济能力也没有技术能力来实施零排放系统,最后该指导方针在巨大压力下被撤销。虽然这一特定的草案被推翻,但是将工业废水处理到更高要求的压力依然存在,这通常需要反渗透(RO)系统。 RO处理后的浓盐水也需要适当的管理 - 如果与污水混合不可行,则需要安装蒸发器单元。

3. 技术地图

目前在中型规模零排放市场中主要使用的技术有:强制循环蒸发器、热水锅炉(kettle boiling)以及使用天然气的直接接触式蒸发器。强制循环蒸发器的特点在于,他是依靠外力使原料液在加热室的管内循环流动,之后进入分离室,分离室和热交换器是分离的。

虽然目前在中型规模零排放市场内并没有真正看到降膜技术的使用,但是也有些公司在做尝试,比如Slipstream Ecotech技术公司专门针对流量在380立方米/天的客户,最初的时候主要部署其移动蒸发器装置用于金属电镀车间,但现在也逐渐发展至上游石油和天然气市场。

其他盐水浓缩和结晶技术也开始逐渐出现在这个领域。加湿除湿已经由Gradiant和Saltworks等公司商业化,可以在这个领域找到应用。膜蒸馏也正在针对这些流速进行广泛试验,但由于目前热效率问题作为可靠的替代方案则还需要一定时间的发展。超高压RO或巧妙组合的RO系统也逐渐发展成为非热法盐水浓缩的技术,越来越多的情况下浓缩部分的TDS浓度可以达到100,000mg / L以上。这里的想法是,如果RO被驱动到更高的回收率,则它进一步减少了浓缩物流的体积,并且可以减少对蒸发器容量的需求。然而,使用常规RO将需要非常有效的预处理过程以保护膜免受有毒废水的影响。

热法技术经常与更传统的物理/化学处理方法竞争,热法的运营成本相对更高。许多客户已经使用RO或离子交换来处理他们的废水,但是之后也必须面对浓盐水的处理。

服务于中型市场的许多蒸发器系统使用机械蒸汽压缩/再压缩(MVC / MVR),由电能提供动力并仅使用蒸汽来启动系统。蒸发器的其他可用能源如:天然气、蒸汽或直接电力(例如用于加热浸没元件)。许多供应商,特别是那些希望提供比传统热能源蒸发器更低运营成本的供应商,兜售他们的系统可以在“废热”下运行的概念,据称可以减少高热能需求。然而,在某些情况下,“废热”转换成有益使用的形式可能是昂贵的。

这些技术的能耗范围相对较大,取决于它们是使用热能还是电能(见图表)。对于客户而言,在蒸汽压缩系统和热动力系统之间存在折衷。 MVC系统通常具有更高的固定成本投资但运行成本低,而热系统则相反。不同的地区能源价格的不同也会导致不同的技术使用情况,比如说美国的天然气比欧洲或中国便宜得多。Type image caption here (optional
技术供应商们也夸耀其技术的回收率,但它严重依赖于给水的TDS。除了极度缺水地区,水的再回收利用通常不是客户的主要目标,特别是这种中等以下规模的流量范围。然而,像德国H2o GmbH这样的公司表示,他们的大多数客户也在开始回收利用这部分水。

4. 技术难题

用于较小规模的零排放的蒸发器通常采用较为廉价的板式热交换器,板式热交换器的清洁是个很大的难题。在化学清洗不能去除水垢的情况下,管式热交换器可以进行水力喷射,但是板式热交换器则一定需要停机拆开清洗,这就会导致系统在线率低的问题。除了清洁困难以外,板式热交换器也更容易积垢。根据苏伊士水技术公司的热法技术负责人Bill Heins的说法,RCC在20世纪70年代尝试过板式和框架型热交换器,但立即发现了结垢问题。这才促进了壳管式换热器(VTFF)和强制循环蒸发器(或结晶器)的技术开发。

继续使用板式热交换器的公司则尽量采取一些技术来降低清洗的频率,例如Encon和西班牙的Condorchem Envitech,试图通过不将固体从废物流中沉淀出来以降低清洗频率。他们还尝试在热交换器上避免发生闪蒸或沸腾来避免大量结垢的产生。

这个市场另一个主要的问题是缺乏可靠、廉价的中型规模的压缩机。目前许多技术公司使用罗茨式鼓风机,虽然在成本上与同样用于流量小于100立方米/天的离心式压缩机低很多,但在可靠性方面却不是很稳定。

“目前市场上有三到四家压缩机供应商,大多数压缩机并非真正设计用于压缩蒸汽,而是用于压缩气体。”德国H2O公司销售负责人Jochen Freund告诉GWI。 “我们和其他蒸发器供应商一样必须进行一些调整才可以将这些压缩机用来压缩蒸汽,比如密封系统方面。”提供MVC蒸发器系统的公司正在密切研究解决方案以解决问题。

位于犹他州的技术公司Vacom Systems则通过将能量使用从鲁氏型旋转凸轮压缩机转移到具有比蒸发速率快许多倍的循环回路的泵来解决不可靠性的问题。Vacom的工程技术专家Lance Edling向GWI解释说,这减少了在一次通过热交换器中传递如此多热量以获得所需蒸发速率的需求。 “当传热必须减少时,我们不必将蒸汽压缩得很硬,因此鼓风机更可靠,”他说。同时,Saltworks的Saltmaker多效加湿除湿技术就是和一位客户共同开发完成的,该客户在蒸发器后遇到了结晶器和干燥器系统的问题。根据首席执行官本·斯帕罗(Ben Sparrow)的说法,该公司遇到压缩机故障导致客户转向非MVC系统。

另一个被广泛探索的替代方案是使用塑料建造蒸发器以帮助减少腐蚀(热盐水的腐蚀性非常高)。荷兰公司Cirtec最近发布了一种由“高质量可回收塑料”制成的蒸发器,据称其可适用于pH值范围1-14和30至100°C的温度范围。 另外两家技术公司Gradiant和Saltworks也使用非金属部件。这些技术通常基于加湿,但仍使用金属热交换器。除了热交换器的潜在结垢或结垢之外,缺点是能量消耗大,因此这些公司都普遍采用回收“废热”的说法。

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