CN104276707A - 水溶液的蒸发处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高效地进行含有二氧化硅的水溶液的蒸发处理的水溶液的蒸发处理方法。该水溶液的蒸发处理方法包括：在含有二氧化硅的水溶液中添加硅酸盐作为晶种，进行混合的晶种混合工序；和将上述水溶液与上述晶种一起进行蒸发浓缩的蒸发浓缩工序。上述硅酸盐优选为硅酸镁和/或硅酸钙。

Description

水溶液的蒸发处理方法
技术领域
本发明涉及水溶液的蒸发处理方法，更详细而言，涉及通过间接加热使含有二氧化硅的水溶液蒸发的水溶液的蒸发处理方法。
背景技术
在通过间接加热使含有二氧化硅等杂质的水溶液蒸发时，热交换器的传热面容易附着结垢，导致传热系数降低，因此一直以来研究着应对方案。例如，专利文献1公开了一种废水的处理方法，通过在含有钙和硫酸的废水中添加碳酸钠，废水所含的钙作为碳酸钙的结晶析出，之后利用间接加热的沸腾蒸发进行浓缩。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006－305541号公报
上述废水处理方法在废水中所含的杂质为钙时有效，但在含有大量二氧化硅的水溶液的情况下，仍然存在着向传热面附着结垢的问题。作为现有的二氧化硅除去方法，已知在二氧化硅水溶液中添加氧化镁或碳酸镁，之后升温至90℃左右使二氧化硅沉淀，由此降低二氧化硅浓度的所谓的热石灰法。然而，热石灰法中不仅用于使二氧化硅沉淀的药品和加热能量等的消耗量大，而且需要另外处理产生的沉淀废渣，导致处理成本增加。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够高效地进行含有二氧化硅的水溶液的蒸发处理的水溶液的蒸发处理方法。
本发明的上述目的通过水溶液的蒸发处理方法实现，该水溶液的蒸发处理包括在含有二氧化硅的水溶液中添加硅酸盐作为晶种并进行混合的晶种混合工序；和将上述水溶液与上述晶种一起进行蒸发浓缩的蒸发浓缩工序。
在该水溶液的蒸发处理方法中，优选上述硅酸盐为硅酸镁和/或硅酸钙。
另外，在上述晶种混合工序中，优选添加晶种之前的水溶液的二氧化硅浓度为50ppm以上，镁和钙的浓度均为10ppm以下。
另外，优选利用在上述蒸发浓缩工序中生成的浓缩液所含的上述晶种，进行下一次的上述晶种混合工序。
发明效果
根据本发明，提供一种能够高效地进行含有二氧化硅的水溶液的蒸发处理的水溶液的蒸发处理方法。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的水溶液的蒸发处理方法所使用的蒸发处理装置的结构示意图。
符号说明
1：蒸发处理装置；10：储存罐；14：晶种罐；20：蒸发浓缩装置；21：热交换器；21a：传热管；30：固液分离器。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。图1是本发明的一个实施方式的水溶液的蒸发处理方法所使用的蒸发处理装置的结构示意图。如图1所示，蒸发处理装置1具备：储存作为处理对象的水溶液的储存罐10、和从储存罐10供给水溶液的蒸发浓缩装置20。
储存罐10具备搅拌机12，从水溶液供给管线13供给的水溶液、和通过注入泵15的工作从晶种罐14供给的晶种，在储存罐10的内部被均匀混合。
蒸发浓缩装置20是管外薄膜流下式，具备：具有在蒸发罐20a内水平地配置的传热管21a的热交换器21、和向传热管21a的表面散布水溶液的散布喷嘴23。在蒸发罐20a内生成的蒸气被压缩机24压缩达到高温高压，被导入传热管21a，用于水溶液的加热，然后，从冷凝液排出管25作为冷凝水被排出。储存在蒸发罐20a的底部的水溶液通过循环泵22的工作从散布喷嘴23被反复散布。在蒸发罐20a内浓缩的浓缩液通过切换阀26的操作被导入固液分离器30，晶种被分离并排出到外部。所分离的晶种返回到晶种罐14被再利用。固液分离器30可以为离心分离方式、过滤器式、沉降式等，也可以将这些方式适当组合。
蒸发浓缩装置20的构成没有特别限定，例如传热管21a也可以为立式以代替水平式。另外，在传热管21a的内部流通的热介质，可以代替如本实施方式那样使用将自身蒸气压缩而得到的热介质，而是从外部导入其他的热介质。另外，也可以根据需要将蒸发罐20a作为多重效用罐，以多段式构成蒸发浓缩装置20。
下面，对于使用上述的蒸发处理装置1进行水溶液的蒸发处理的方法进行说明。从水溶液供给管线13供给到储存罐10的水溶液例如可以列举在工厂等产生的废液，此外还可以列举在开采煤层气(Coalseam gas)、页岩气(shale gas)等天然气时产生的污染水、或地热发电中利用的地下热水等。水溶液中的二氧化硅的含量优选由于蒸发浓缩装置20中的蒸发浓缩、二氧化硅垢的附着造成问题的程度，例如，水溶液中的二氧化硅浓度为50ppm以上的情况下较为有效。这是因为，在蒸发浓缩中，水溶液通常被浓缩到4～10倍左右，因此，在二氧化硅浓度为50ppm的情况下，蒸发浓缩装置20中也会达到200～500ppm的浓度，可能会出现二氧化硅结垢的问题。
收容在晶种罐14中的晶种是包含水溶液中的成分二氧化硅的难溶性的硅酸盐(xM2O·ySiO2)的结晶，可以列举例如：硅酸镁、硅酸钙、硅酸钙镁、硅酸铝和硅酸钙铝等中的一种或两种以上。特别是硅酸镁((MgO)n·(SiO2)m)或硅酸钙((CaO)n·(SiO2)m)的晶种，如后述的实施例所示，能够适用于对开采煤层气或页岩气等时产生的水溶液进行处理的用途。晶种可以直接使用颗粒状的晶种，或者也可以使用使结晶分散在水等中得到的浆料状的晶种。
在储存罐10中，通过在水溶液中添加硅酸盐的晶种并均匀地搅拌，硅酸盐的晶种成为核，水溶液所含的二氧化硅的结晶生长。从晶种罐14向储存罐10的晶种的供给量优选为在不损害水溶液的流动性的范围内足够促进晶种生长的量。在储存罐10中可以适当添加pH调节剂，进行pH调节。
在水溶液中，除了二氧化硅以外还含有大量镁或钙等其他结垢成分的情况下，优选适当选择晶种，以使得晶种也使这些成分与二氧化硅一起生长。即，在水溶液中大量含有的结垢成分为二氧化硅和镁的情况下，优选选择硅酸镁作为晶种；在水溶液中大量含有的结垢成分为二氧化硅和钙的情况下，优选选择硅酸钙作为晶种。关于水溶液中所含的二氧化硅以外的钙和镁等结垢成分，可以在添加晶种之前，通过进行使用弱酸性阳离子交换树脂等的离子交换处理、或使用RO膜(反渗透膜)的脱盐处理等，降低到产生这些结垢不造成问题的程度。
本发明的发明人通过各种试验确认：在硅酸镁或硅酸钙等硅酸盐的晶种中，二氧化硅以单体进行结晶生长。即，即使在水溶液中几乎不存在镁或钙等的情况下(例如10ppm以下)，通过在水溶液中添加硅酸盐的晶种，也能够有效地防止在蒸发浓缩装置20中产生二氧化硅结垢。
然后，通过打开供给阀17，水溶液从储存罐10被供给到蒸发浓缩装置20，进行含有晶种的水溶液的蒸发浓缩。供给到蒸发浓缩装置20的水溶液中，作为结垢成分的二氧化硅在储存罐10中以晶种为核进行结晶生长。因此，即使由于蒸发浓缩装置20中的水溶液的蒸发浓缩，结垢成分的浓度升高超过生成结垢的范围，也能够以已经存在的晶种作为核析出结垢成分，因此，能够抑制生成新的核而向热交换器21附着结垢。
蒸发浓缩装置20中被浓缩的浓缩液通过切换阀26的工作被导入固液分离器30。在固液分离器30中，经过结晶生长后的粒径大的晶种通过离心分离或在沉淀槽中的沉淀而被分离，通过清洗等除去杂质，之后被供给到晶种罐14。因此，即使在储存罐10中大量供给晶种的情况下，也能够回收晶种的大部分，用于储存罐10中的下一次的晶种生长，所以能够使经济性变得良好。
从储存罐10向蒸发浓缩装置20的水溶液的供给能够在蒸发浓缩装置20的工作中连续地进行，但优选将在蒸发浓缩装置20中生成的浓缩液全部排出到外部后进行的分批式。另外，优选在储存罐10中添加晶种之后，直到在储存罐10中晶种的生长实质上停止为止，对水溶液进行搅拌、放置，然后供给到蒸发浓缩装置20开始蒸发浓缩。由此，在蒸发浓缩装置20中能够促进以晶种为核的结晶生长，能够更可靠地防止向热交换器21等附着结垢。
作为实施例，使用具有与图1同样结构的蒸发处理装置1，进行由具有下述表1所示成分的煤层气模拟液构成的水溶液的处理。作为晶种，使用硅酸镁((MgO)·3(SiO2))2kg/m3。在储存罐10中在水溶液中投入晶种，通过连续搅拌制成均匀的浆料状，之后供给到蒸发浓缩装置20，进行蒸发浓缩。蒸发浓缩装置20的传热管21a使用外径为19mm、长度为460mm的传热管126根。将蒸发浓缩装置20的蒸发温度、蒸发量、浓缩倍率和运转期间分别设为72℃、10kg/h、11倍和28天，结果在传热管21a没有附着结垢，没有观察到传热系数的降低。
[表1]
         (mg/L)
作为其他的实施例，除了使用硅酸钙((CaO)x·(SiO2)x)2kg/m3作为晶种以外，在与上述实施例同样的条件下进行水溶液的蒸发浓缩，结果从运转开始经过28天后，在传热管21a也没有附着结垢，没有观察到传热系数的降低。
另一方面，作为比较例，除了使用碳酸钙(CaCO3)2kg/m3作为晶种以外，在与实施例相同的条件下进行水溶液的蒸发浓缩，结果运转开始14天后确认到了向传热管21a附着结垢，传热系数降低到运转刚开始时的值的80％。附着的结垢仅通过酸清洗不能除去，需要碱清洗，因此显示出二氧化硅结垢的可能性。
另外，作为其他比较例，关于作为晶种使用硫酸钙(CaSO4)2kg/m3的情况、以及使用二氧化硅(SiO2)2kg/m3的情况，在与实施例相同的条件下进行水溶液的蒸发浓缩，结果均在运转开始14天后，确认到了向传热管21a附着结垢，传热系数降低到运转刚开始时的值的80％。

Claims (4)

1.一种水溶液的蒸发处理方法，其特征在于，包括：
晶种混合工序，在含有二氧化硅的水溶液中添加硅酸盐作为晶种并进行混合；和
蒸发浓缩工序，将所述水溶液与所述晶种一起进行蒸发浓缩。
2.如权利要求1所述的水溶液的蒸发处理方法，其特征在于：
所述硅酸盐为硅酸镁和/或硅酸钙。
3.如权利要求1或2所述的水溶液的蒸发处理方法，其特征在于：
在所述晶种混合工序中，添加晶种之前的水溶液的二氧化硅浓度为50ppm以上，镁和钙的浓度均为10ppm以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的水溶液的蒸发处理方法，其特征在于：
利用在所述蒸发浓缩工序中生成的浓缩液所含的所述晶种，进行下一个所述晶种混合工序。
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