機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)在石化廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

廖昌建, 余良永, 趙利民, 王海波, 馬和旭, 王晶晶

（1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001； 2.中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)在石化廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

廖昌建1, 余良永2, 趙利民1, 王海波1, 馬和旭1, 王晶晶1

（1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001； 2.中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

針對(duì)某石化廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，提出了采用板式蒸發(fā)強(qiáng)制循環(huán)機(jī)械蒸汽再壓縮工藝回收廢水資源。在考慮濃縮液沸點(diǎn)升高及強(qiáng)制循環(huán)對(duì)系統(tǒng)影響的條件下，建立了MVR系統(tǒng)工藝計(jì)算數(shù)學(xué)模型，分析了蒸發(fā)溫度、廢水溫度及壓縮比對(duì)MVR系統(tǒng)的影響。模型求解結(jié)果表明：該廢水采用常壓蒸發(fā)，可降低系統(tǒng)能耗，同時(shí)高溫進(jìn)料有利于降低系統(tǒng)的總比傳熱面積；隨著壓縮比的增加，壓縮機(jī)比電耗增加，而系統(tǒng)總比傳熱面積減小，且其減少的速率減緩，壓縮比是控制系統(tǒng)傳熱溫差、壓縮機(jī)比電耗和總比傳熱面積的主要因素，壓縮比對(duì)MVR系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本的控制起關(guān)鍵性作用，在廢水進(jìn)料溫度45 ℃、濃縮液循環(huán)10 m3/h的情況下，廢水常壓蒸發(fā)的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

石化廢水；板式蒸發(fā)器；機(jī)械蒸汽再壓縮；工藝優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型

隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的日趨嚴(yán)格，企業(yè)廢水零外排已成為一種趨勢(shì)。機(jī)械蒸汽壓縮(MVR)技術(shù)是目前廢水處理應(yīng)用領(lǐng)域的一種新的工藝技術(shù)。國外提出采用MVR技術(shù)蒸發(fā)濃縮回收含鹽廢水。國內(nèi)陳金增等對(duì)船舶用MVR技術(shù)淡化海水系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，分析了MVR蒸發(fā)系統(tǒng)工作性能隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律[1]；黃成等對(duì)機(jī)械壓縮式熱泵在制鹽工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)述，對(duì)其原理、組成、技術(shù)參數(shù)及主要投資運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了介紹[2]；鄒龍生等對(duì)MVR技術(shù)濃縮滲濾液熱力過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，闡述了滲濾液入口溫度與換熱器面積的關(guān)系、蒸發(fā)倍數(shù)與蒸發(fā)器面積、壓縮比的關(guān)系等[3]；龐衛(wèi)科等對(duì)采用離心風(fēng)機(jī)的機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，考察了可用于處理小流量的風(fēng)機(jī)型機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵的運(yùn)行參數(shù)[4]；石成君等對(duì)MVR技術(shù)處理高含鹽廢水的進(jìn)料預(yù)熱溫度、蒸發(fā)傳熱溫差、蒸發(fā)溫度以及進(jìn)出料濃度等因素進(jìn)行了分析[5]；李清方等對(duì)MVR技術(shù)處理油田污水脫鹽過程進(jìn)行了建模分析[6]。

1 廢水性質(zhì)分析

1.1 水質(zhì)分析

采用折光鹽度儀、電導(dǎo)儀、臺(tái)式pH計(jì)等，主要分析廢水的總硬度、懸浮物濃度、氮含量、COD、pH等項(xiàng)目，分析結(jié)果見表1。

表1 廢水水質(zhì)Table 1 Properties of waste water

1.2 廢水沸點(diǎn)測(cè)量

采用蒸發(fā)法測(cè)量廢水沸點(diǎn)，該石化廢水的初始沸點(diǎn)為103.4 ℃，當(dāng)廢水濃縮3.3倍時(shí)，蒸發(fā)釜中出現(xiàn)結(jié)垢、結(jié)焦現(xiàn)象，濃縮液沸點(diǎn)升高至104.1 ℃，當(dāng)廢水濃縮6.5倍時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢，此時(shí)濃縮液沸點(diǎn)為104.5 ℃。

2 MVR工藝流程

某石化廢水蒸發(fā)濃縮采用板式升膜蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝，工藝流程見圖1。原料廢水首先在凝結(jié)水預(yù)熱器和濃縮液預(yù)熱器中進(jìn)行預(yù)熱，回收系統(tǒng)排放的余熱，預(yù)熱器選用板式換熱器，預(yù)熱廢水與循環(huán)液一起進(jìn)入板式蒸發(fā)器中，在蒸發(fā)器內(nèi)被壓縮蒸汽加熱，實(shí)現(xiàn)部分廢水蒸發(fā)，被加熱的物料進(jìn)入分離器中進(jìn)行汽液分離。分離出的二次蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)增壓、提溫，壓縮蒸汽作為蒸發(fā)熱源，其在蒸發(fā)器中被凝結(jié)為飽和冷凝水。

圖1 機(jī)械蒸汽壓縮工藝流程Fig.1 Process of mechanical vapor compression

3 建模及模型求解條件

根據(jù)MVR系統(tǒng)質(zhì)量平衡、能量平衡和熱量傳遞方程，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[7-9]。假設(shè)系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)過程，不考慮系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，不考慮廢水中溶解的不凝氣對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)的影響。忽略系統(tǒng)蒸汽泄漏、散熱損失及分離器中除霧器的壓降損失?？紤]系統(tǒng)蒸發(fā)濃縮過程中液體沸點(diǎn)升高及液體強(qiáng)制循環(huán)對(duì)系統(tǒng)的影響。

在常壓蒸發(fā)處理該廢水量為1.5 m3/h的條件下，重點(diǎn)分析廢水蒸發(fā)溫度、進(jìn)料溫度及壓縮比對(duì)MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的影響。模型求解工況條件見表2。

表2 模型工況條件Table 2 Conditions of model

4 結(jié)果與討論

4.1 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

圖2 蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)比電耗的影響Fig.2 Influences of evporation temperature on specific power comsuption

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)總比傳熱面積的影響Fig.3 Influences of evporation temperature on specific heat transfer area

模型求解所選用的蒸發(fā)溫度范圍為70～104.5℃，求解條件見表2的工況1，且不考慮蒸發(fā)溫度的變化對(duì)傳熱系數(shù)的影響，壓縮機(jī)壓縮比為1.5時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱溫差為8.7 ℃，計(jì)算不同蒸發(fā)溫度對(duì)MVR系統(tǒng)的影響。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的總比傳熱面積為蒸發(fā)器和預(yù)熱器的總面積與回收凝結(jié)水量的比值[6]。圖2、圖3分別給出了蒸發(fā)溫度對(duì)MVR系統(tǒng)壓縮機(jī)比電耗和總比傳熱面積的影響，由圖可知，蒸發(fā)溫度由70 ℃升高至104.5 ℃，壓縮機(jī)比電耗由35 kW?h/m3減少到18 kW?h/m3，總比傳熱面積由100.4 m2?(kg?s-1)-1增加至104.0 m2?(kg?s-1)-1，蒸發(fā)溫度提高對(duì)總比傳熱面積的影響較小，但可以降低系統(tǒng)能耗。因此，蒸發(fā)過程可采用常壓或微正壓操作，既可以降低系統(tǒng)能耗，也可避免空氣進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)傳熱的影響。

4.2 壓縮比對(duì)系統(tǒng)的影響

模型求解所選用的壓縮比為1.2～2.0，求解條件見表2的工況2。在蒸發(fā)溫度不變的情況下，壓縮比增加，壓縮過程中蒸汽過熱溫度增大，將使用于消除壓縮蒸汽過熱度的噴淋水量增加。圖4為壓縮比與蒸發(fā)器傳熱溫差的關(guān)系，傳熱溫差隨壓縮比的增加而加大，但溫差的增率依次減緩。壓縮比由1.2增至2.0時(shí)，傳熱溫差由1.8 ℃增加至17 ℃。

圖4 壓縮比對(duì)傳熱溫差的影響Fig.4 Influences of compression ratio on heat transfer temperature difference

隨著壓縮比的增加，壓縮機(jī)比電耗增加，而系統(tǒng)總比傳熱面積減小，且其減少的速率減緩。圖5給出了壓縮比對(duì)MVR系統(tǒng)壓縮機(jī)比電耗的影響，壓縮機(jī)比電耗隨壓縮比的增加幾乎成線性增大，壓縮比由1.2增大至2時(shí)，壓縮機(jī)比電耗由15 kW·h/m3變至22.7 kW?h/m3。圖6給出了壓縮比對(duì)MVR系統(tǒng)總比傳熱面積的影響，壓縮比對(duì)總比傳熱面積的影響較顯著，在低壓縮比時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱溫差較小，需要的總比傳熱面積比較大，隨著壓縮比增加，蒸發(fā)傳熱溫差提高，總比傳熱面積逐漸減少。壓縮比由1.2增加到1.4時(shí)，總比傳熱面積由410.8 m2?(kg?s-1)-1減少到119.4 m2?(kg?s-1)-1，而壓縮比由1.4增加到2.0時(shí)，總比傳熱面積由119.4 m2?(kg?s-1)-1減少到53.3 m2?(kg?s-1)-1。其中，總比傳熱面積減少的主要是蒸發(fā)器的傳熱面積?？偙葌鳠崦娣e和壓縮機(jī)比電耗分別反映了MVR系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本。壓縮比增加，可減少系統(tǒng)的總投資，但增加了系統(tǒng)的能耗，從而加大了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。李清方等通過分析傳熱溫差對(duì)總比傳熱面積和壓縮機(jī)比電耗的影響，提出了在設(shè)計(jì)MVR系統(tǒng)時(shí)應(yīng)優(yōu)化考慮系統(tǒng)投資與運(yùn)行成本之間的關(guān)系[6]。結(jié)合圖5、圖6可知，MVR系統(tǒng)中壓縮機(jī)的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

圖5 壓縮比對(duì)壓縮機(jī)比電耗的影響Fig.5 Influences of compression ratio on specific power comsuption

圖6 壓縮比對(duì)總比傳熱面積的影響Fig.6 Influences of compression ratio on specific heat transfer area

4.3 原料廢水進(jìn)料溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

圖7 廢水溫度對(duì)總比傳熱面積的影響Fig.7 Influences of waste water temperature on specific heat transfer area

模型求解所選用的廢水進(jìn)料溫度范圍為25～80℃，求解條件見表2的工況3。壓縮機(jī)壓縮比1.4時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱溫差為7 ℃。原料廢水溫度的變化主要對(duì)廢水預(yù)熱的熱負(fù)荷和換熱面積有影響，對(duì)壓縮機(jī)的比電耗沒有影響。原料廢水溫度升高，廢水預(yù)熱的熱負(fù)荷和預(yù)熱面積減少。圖7給出了廢水進(jìn)料溫度對(duì)總比傳熱面積的影響。由圖可知，廢水進(jìn)料溫度升高，總比傳熱面積的減小趨勢(shì)與溫度變化基本成線性關(guān)系，在廢水進(jìn)料溫度由25 ℃增至80 ℃時(shí)，總比傳熱面積由128 m2?(kg?s-1)-1減少至103 m2?(kg?s-1)-1。

5 結(jié) 論

（1）通過水質(zhì)分析和蒸發(fā)濃縮測(cè)量廢水的沸點(diǎn)，得到某石化廢水的TDS、COD濃度均為上萬毫克每升，當(dāng)廢水濃縮6.5倍時(shí)其沸點(diǎn)為104.5 ℃，其為MVR系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

（2）結(jié)合廢水的性質(zhì)，提出了廢水用板式升膜蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝回收廢水資源。濃縮液進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)可減緩廢水在蒸發(fā)器中結(jié)垢、結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生，但增加了系統(tǒng)電耗。

（3）廢水蒸發(fā)濃縮過程中，在考慮濃縮液沸點(diǎn)升高及強(qiáng)制循環(huán)對(duì)系統(tǒng)影響的條件下，建立了系統(tǒng)工藝計(jì)算數(shù)學(xué)模型，分析了廢水蒸發(fā)溫度、進(jìn)料溫度和壓縮比對(duì)MVR系統(tǒng)的影響。模型求解結(jié)果表明：蒸發(fā)器常壓或微正壓蒸發(fā)操作，可降低系統(tǒng)能耗，也可避免空氣進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)傳熱的影響；高溫進(jìn)料有利于降低系統(tǒng)的總比傳熱面積；壓縮比是控制系統(tǒng)傳熱溫差、壓縮機(jī)比電耗和總比傳熱面積的主要因素，在廢水進(jìn)料溫度45 ℃、濃縮液循環(huán)10 m3/h的情況下，廢水常壓蒸發(fā)的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

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浙江力普納米鈣粉碎成套生產(chǎn)線上榜嵊州市首屆十佳創(chuàng)新項(xiàng)目

第一屆嵊州市創(chuàng)客、創(chuàng)新項(xiàng)目大賽日前圓滿結(jié)束。國家高新技術(shù)企業(yè)，中國粉碎技術(shù)領(lǐng)航者——浙江力普粉碎設(shè)備有限公司參賽的“納米鈣粉碎成套生產(chǎn)線”，脫穎而出，榮獲十佳創(chuàng)新項(xiàng)目。

本次大賽由嵊州市委宣傳部、市人才辦、市科技局、市科協(xié)和市新聞傳媒中心聯(lián)合舉辦。該大賽自2015年6月8日啟動(dòng),歷時(shí)4個(gè)多月，在廣泛發(fā)動(dòng)的基礎(chǔ)上，篩選確定了17名創(chuàng)客候選人和21個(gè)候選創(chuàng)新項(xiàng)目，并在新聞媒體上進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道，最后結(jié)合讀者網(wǎng)民投票和專家評(píng)審，確定十佳創(chuàng)客和十佳創(chuàng)新項(xiàng)目。來自省市的5位專家高度評(píng)價(jià)這次大賽參賽項(xiàng)目類型多,質(zhì)量高,大賽既有行業(yè)代表性又有嵊州特色。作為嵊州拳頭產(chǎn)品之一的浙江力普納米鈣粉碎成套生產(chǎn)線尤其得到了專家的舉例肯定。

至此納米鈣粉碎成套生產(chǎn)線已獲得國家發(fā)明專利、浙江省新產(chǎn)品和省科技創(chuàng)新項(xiàng)目, 中國無機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)碳酸鈣行業(yè)分會(huì)、中國碳酸鈣協(xié)會(huì)行業(yè)專家組聯(lián)合頒發(fā)的碳酸鈣生產(chǎn)節(jié)能降耗技術(shù)和設(shè)備等多項(xiàng)殊榮。

納米碳酸鈣是一種新型超細(xì)固體粉末材料，在磁性、催化性、熔點(diǎn)以及光熱阻等方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于日用化工、密封材料、塑料、橡膠、油墨、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域，有著“工業(yè)味精”的美譽(yù)。近年來，我國碳酸鈣產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩問題突出，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不太合理，其中重鈣產(chǎn)能過剩，而納米鈣、專用鈣國內(nèi)比較缺乏，仍需進(jìn)口。且因國外設(shè)備太貴，而國內(nèi)的技術(shù)又無法滿足行業(yè)的需求，從而出現(xiàn)納米鈣生產(chǎn)空白市場(chǎng)。浙江力普抓住這一機(jī)遇，順勢(shì)進(jìn)行了納米碳酸鈣粉碎成套生產(chǎn)線的研發(fā)并獲成功。

納米鈣粉碎成套生產(chǎn)線集粉碎、分級(jí)、集料、除塵于一體，高效節(jié)能，環(huán)保，是國內(nèi)頂尖的粉碎設(shè)備，擁有8項(xiàng)國家專利。其創(chuàng)新之處在于自主研發(fā)了旋風(fēng)粉碎機(jī)、分級(jí)機(jī)、集料裝置、除塵裝置、回料回風(fēng)裝置等設(shè)備，優(yōu)化布置組成用于納米碳酸鈣粉碎的成套生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了粉料超細(xì)粉碎的連續(xù)、高效和清潔生產(chǎn)。該生產(chǎn)線能耗低、噪聲小，其解聚后的納米碳酸鈣的粒徑分布均勻。整條生產(chǎn)線處于封閉狀態(tài)下完成，實(shí)現(xiàn)納米鈣的規(guī)模化生產(chǎn)。

該生產(chǎn)線在業(yè)界廣泛使用多年，暢銷山西、安徽、山東、四川、廣東、江西等省市；遠(yuǎn)銷俄羅斯、日本、中東等國家和地區(qū)，深受客商的青睞。特別受到國內(nèi)納米碳酸鈣著名生產(chǎn)企業(yè)，上市公司山西蘭花集團(tuán)的充分肯定，評(píng)價(jià)這條線產(chǎn)線能耗低、產(chǎn)量大、細(xì)度集中、振實(shí)密度好，是進(jìn)行納米碳酸鈣的活化、分散、粉碎處理的理想設(shè)備。 (丁文)

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Application of the Mechanical Vapor Recompression Technology in Treatment of Petrochemical Wastewater

LIAO Chang-jian1，YU Liang-yong2，ZHAO Li-min1，WANG Hai-bo1，MA He-xu1，WANG Jing-jing1
（1.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals , SINOPEC,Liaoning Fushun 113001, China；2.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd. Ordos Coal Liquefaction Branch, Nei Monggol Ordos 017209, China)

According to properties of petrochemical wastewater, the mechanical vapor recompression (MVR) process using plate evaporator with forced circulation was proposed to recycle wastewater resources. Considering the influence of the boiling point elevation and forced circulation, the complete mathematical model of MVR process was developed for process optimization and analysis, and the influence of evporation temperature, wastewater temperature and compression ratio on the MVR system performance was analyzed. The results show that, the method of atmospheric evaporation can be used to reduce the energy consumption; higher waste water temperature can result in a slight decrease in specific heat transfer area; and when compression ratio increases, specific power consuption increases, but specific heat transfer area decreases. So the compression ratio is the controlling factor that determines the heat transfer temperature difference, specific power consumption and specific heat transfer area of the MVR system, and the compression ratio plays a key role in controlling investment and operation cost of the MVR system. When waste water temperature is 45 ℃, concentrated liquid recirculated flow rate is 10 m3/h, the economical compression ratio is 1.4 to 1.6.

Petrochemical wastewater；Plate evaporator；Mechanical vapor compression；Process optimization；Mathematical model

X 703

： A

： 1671-0460（2015）10-2443-04

中國石油化工股份有限公司項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：106002000729。

2015-09-02

廖昌建（1984-），男，四川達(dá)州人，工程師，從事環(huán)保技術(shù)開發(fā)與設(shè)計(jì)。電話：024-56389355，電郵：liaochangjian.fshy@sinopec.com。