热泵和太阳能在电镀废液处理与回用中的应用
廖城城1，郭德豪2，赖梅东1，单丽丽1 (1.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东深圳518057;2.上海西门高技术有限公司，上海201700) 摘要：介绍了一种新型的电镀化工废液蒸发浓缩回用系统。该系统采用专利技术的聚丙烯减压蒸发器，以高温水源热泵和太阳能集热系统作为加热能源，实现能源和物料的全循环回收。比较了该系统与燃油、燃煤锅炉以及电加热系统的能耗，分析了某电镀厂采用该系统处理氰化镀铜、氰化镀银、氰化镀金及镀镍废液一个月所取得的效益。实践证明，该系统运行成本低、无污染，产生的经济效益明显。 关键词：电镀废液;处理;回收;热泵;太阳能 中图分类号：X781.1文献标志码：A 文章编号：1004–227X(2012)02–0040–04 1·前言 随着《清洁生产促进法》、《循环经济促进法》的实施以及地方政府对清洁生产和循环经济的倡导与扶持，以低能耗、低污染、物资循环利用为基础的绿色经济模式得到了全社会的响应和支持。太阳能和工业废弃余热技术的研发正是在电镀行业推行低碳、循环经济生产模式和清洁生产的背景下进行的。 2·蒸发浓缩法在电镀废水处理中的应用现状 我国的电镀行业从20世纪80年代起开始推进和倡导电镀清洁生产，注重研究和推广电镀废物料的资源化再生及回用。目前针对电镀废水较为成熟的处理工艺有化学沉淀法、电解法、离子交换法、膜分离法和蒸发浓缩法等[1-2]。蒸发浓缩法主要利用热源和蒸发器在常压或负压下直接浓缩废水，目前在台湾和日本等地应用较广。 这种方法常与三级逆流漂洗、气–水喷淋，或与离子交换法联合使用。目前，生产中广泛采用不锈钢或钛管薄膜蒸发器来浓缩含铬废水、含氰废水等，也是电镀废水闭路循环的主要处理流程之一。现有技术一般都采用电加热常压蒸发法或蒸汽常压蒸发法，虽然处理结果比较理想，但能耗高。以电加热法将每吨废水从20°C加热到100°C，耗电量为47~55 kW·h。蒸汽常压蒸发法采用燃煤或燃气作为燃料，成本也在20元/t以上，加上其他环节的资源消耗，处理成本高，以致一般企业无法接受[3]。太阳能和热泵技术的应用可大幅降低蒸发浓缩法处理电镀废水的成本。 3·太阳能和热泵的应用现状 长期以来，人们就一直在努力研究如何利用太阳能。地球所接受到的太阳能，相当于当年全球所需总能量的3~4万倍，可谓取之不尽、用之不竭。太阳能与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致温室效应和全球性气候变化，也不会造成环境污染。因此，太阳能的利用受到许多国家的重视。集热器(含太阳能热水器)已成为太阳能应用最广泛、产业化最迅速的产业之一，但主要集中在生活用热水[4-5]，鲜见在工业生产中应用的报道，在电镀生产及电镀化工废液处理方面的应用更未见报道。 水源热泵是利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源而进行能量转换的系统，其可利用的水体包括地下水或河流、湖泊和海洋[6]。因此，水源热泵的利用是一种清洁的可再生能源技术。电镀工业生产往往伴随大量工业废弃余热排放，如冷冻机的散热废水、加温电镀槽所散发的热量、被蒸发物料的蒸发热等。这些热量通常都采用冷却塔、排气扇等向周边环境排放，既污染了环境又浪费能量。虽然我国开展热泵技术的研究和应用起步较晚，但近年来发展迅猛，目前在空调的制暖/冷技术方面已有较广的应用[7]。 4·基于太阳能和热泵技术的智能新能源电镀废液蒸发回收系统 某电镀厂拥有10条滚镀生产线，24条连续镀覆生产线，镀种包括金、银、光亮锡、亚光锡、镍、半光镍、铜等。为进一步实现“节能、降耗、减污、增效”的清洁生产目标，该企业在2010年引进了“全循环智能新能源电镀废液蒸发回收系统”。该系统采用减压蒸发浓缩技术，以热泵和太阳能作为蒸发能源，应用于镀银、镀镍和镀铜废液的再生回用。该系统的工艺流程见图1。
4.1热泵+太阳能辅助机组的工作原理[3,8] 按目前的技术条件，常规热泵的最高输出热水温度为55°C。虽然有些热泵产品能将水加热到60~65°C，但也只能短时间运行，长时间较高温度下运行会对热泵造成永久性损坏。为了使水源热泵能在低温环境下高效、稳定、可靠地运行，该系统采取以下3项措施： (1)依靠太阳能辅助热源来提高低温环境下热泵的制热性能，用PU1泵将太阳能集热器生产的热水由储热水箱2泵入换热水箱6，提高水源热泵3用户侧(蒸发器)的进水温度，从而提高热泵的制热效率。 (2)当储热水箱中的水温被太阳能集热器加热到65~80°C时，可直接用太阳能生产的高温热水输入到减压蒸发器，从而替代热泵，使得热泵以间歇运行方式工作，这将有利于保护热泵，延长其使用寿命。 (3)当较长时间停机的蒸发系统重新开机时，将低温的水加热到70°C左右需要花费较多的热能和时间。利用太阳能集热系统的储热水箱中的高温水启动蒸发器，就能实现快速启动，而且节省能源。 4.2系统主要设备的说明 4.2.1减压蒸发器 选用的减压蒸发器采用纯聚丙烯(PP)和石墨改性聚丙烯材料制造，与传统的不锈钢材质蒸发器相比，不仅成本低廉(不到304不锈钢材质减压蒸发器造价的1/5)，同时能耐受几乎所有强腐蚀性无机酸和盐的腐蚀。由于氰化物会破坏不锈钢的晶格，故不锈钢蒸发器若用于氰化物溶液的蒸发浓缩，则使用寿命短，因此本系统使用的蒸发器最适合含氰电镀溶液的蒸发浓缩。系统所使用的聚丙烯蒸发器与传统的减压蒸发浓缩系统对比如表1所示。
4.2.2水源热泵的选型和应用 本系统采用清华同方最新开发的小型高温热泵，可生产65~70°C的高温水。该热泵的能效系数(COP)可达到3~4。 图1中水源热泵4的水源端进水取自换热水箱6，该水箱中水的热量则来自水射真空泵5从真空蒸发器4物料端吸取的热蒸汽，水源热泵将低温(35~40°C)蒸汽的热量转换成65~70°C的高温水后供给真空蒸发器4。如此循环往复，实现蒸发过程中热量的循环利用。蒸发过程中，热泵所提供的热量有80%以上来自于从真空蒸发器回收的热蒸汽，其余来自于太阳能集热器或工厂排放的废水余热。 4.2.3太阳能集热器 选用玻璃真空超导热管，因为真空管所形成的高真空可最大限度地减少热损，其选择性涂层能有效地将太阳光的直射辐射和漫射辐射都传递给超导热管，同时它还担负着有效地吸收太阳能和保温绝热的作用，即使在环境不利的条件下也能阻止热量流失。另外，超导热管也担负着迅速传递太阳热能的作用。这二者的优化组合，大大提高了集热性能。其单向热传导功能使得热管型太阳能集热器较适合在较高温度热水的工业应用[7]。 4.3系统运行分析 以供65°C热水2 t/h计算，对燃油锅炉、电加热、燃煤锅炉等热水生产系统的能耗与运行情况进行了统计和计算，与本系统的运行情况进行对比，结果列于表2。
由表2可以看出，对比传统的加热方式，采用热泵+太阳能集热系统在操作安全、环境效益和经济效益方面都有明显的优势。 该技术的应用能使电镀废液浓缩到电镀生产需要的浓度，实现电镀废液全回收。目前，电镀行业内可利用本系统回收的贵重金属原材料有KAu(CN)2、CuCN、KCN、AgCN、NiSO4、NiCl2等。以该电镀厂为例，对系统运行后某一个月的效益进行了统计，见表3。
由表3可以看出，系统投产后，每月可回收的有价金属和材料价值超过5万元，经济效益明显。 4.4应用前景分析 目前，我国电子元器件、汽车部件、摩托车、自行车、手机、电视机、灯饰、锁具、家具、水暖器材、皮具等制造业十分发达。这些产业都离不开材料保护和装饰电镀，而电镀废水排放对环境的污染严重。该系统从源头处理废水、废液，回用清洗水和浓缩液，采用绿色能源、低温蒸发，在电镀废水的处理方法中属前沿领域和先进技术。 太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。《可再生能源法》和一系列政策法规的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障。该系统采用太阳能作为蒸发浓缩的主要能源，符合国家产业政策，易于推广应用。 5·结论 (1)“新型智能全循环新能源的电镀废液再生回收系统”采用专利技术低温热源加热的减压蒸发器，可以在较低温度下对电镀漂洗水和废液进行蒸发浓缩。 (2)采用可再生能源(太阳能)作为加热能源，替代传统的电、煤、油或天然气，属低能耗、低污染、以物资循环利用为基础的绿色经济模式。 (3)适用于中小型电镀厂加热。特别适用于从事高附加值电子电镀工厂和印刷电路板(PCB)工厂中镀液的加热，系统运行安全且产生的经济效益明显。 参考文献： [1]唐兆民,张景书.电镀废水的处理现状与发展趋势[J].国土与自然资源研究,2004(2):69-71. [2]邹森林.电镀废水处理的研究进展[J].广东化工,2010,37(8):142-144. [3]郭德豪,范圣红,陈蔡喜,等.节能和资源回收型电镀废水处理设备[J].电镀与涂饰,2011,30(1):44-47. [4]范海燕,迟炳章.太阳能集热器及其适用性浅析[J].青岛理工大学学报,2009,30(3):118-121. [5]胡洋,袁莹.我国太阳能集热器建筑构件化概念探讨──建筑师的声音[J].太阳能学报,2007,28(9):1039-1044. [6]王芳,范晓伟,周光辉,等.我国水源热泵研究现状[J].流体机械,2003,31(4):57-59. [7]马最良,姚杨,赵丽莹.污水源热泵系统的应用前景[J].中国给水排水,2003,19(7):41-43. [8]郭德豪.用低温热源加热的减压蒸发器,CN,2936372[P].2007–08–22.[编辑：温靖邦] |
