基于MVR技術(shù)的單級雙效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能分析*

李帥旗，王漢治，黃 沖?，何世輝，宋文吉，馮自平

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源與可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

0 引 言

近年來，我國工業(yè)廢水行業(yè)市場規(guī)模與平均處理成本呈現(xiàn)逐年上升趨勢，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計[1]，2016年全球工業(yè)廢水處理行業(yè)市場規(guī)模約為 3500億元左右，中國占843億，位居全球第二位。預(yù)計2020年我國工業(yè)廢水處理行業(yè)市場容量將達(dá)到3800億元?？梢?，我國廢水處理市場潛力巨大，廢水資源化利用的技術(shù)將會得到廣泛關(guān)注，先進處理技術(shù)的研究分析也會帶來重要的經(jīng)濟效應(yīng)和社會效應(yīng)[2]。

機械蒸汽再壓縮（mechanical vapor recompression,MVR）技術(shù)以電力為能源，利用蒸汽壓縮機提升二次蒸汽壓力和溫度返回到蒸發(fā)器中重新利用，從而替代新鮮蒸汽，最大限度地利用了二次蒸汽中的熱能，是目前最先進的蒸發(fā)濃縮技術(shù)之一，對于降低能源消耗、減小工業(yè)廢水的排放具有重要意義[3-5]。目前，我國的 MVR技術(shù)研究大多集中在系統(tǒng)經(jīng)濟性分析以及過程傳熱特性的研究等方面，如高麗麗等[6]進行了 MVR技術(shù)與常規(guī)多效蒸發(fā)技術(shù)的能效對比分析；鄒龍生等[7-8]研究了水平管降膜蒸發(fā)器傳熱特性及垢阻影響；梁林等[9-10]研究了兩級MVR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行綜合性能分析。

MVR技術(shù)因其顯著的節(jié)能、節(jié)水優(yōu)勢和友好的環(huán)保性能被納入到國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程中。近幾年機械蒸汽壓縮機的升壓能力（可達(dá)50 ～ 70 kPa）不斷提高，強化換熱技術(shù)、高效氣液分離技術(shù)及熱量梯級利用不斷發(fā)展，本文結(jié)合多效蒸發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢和 MVR技術(shù)的先進性[11-14]，提出一種 MVR單級雙效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，并對系統(tǒng)熱力學(xué)特性和綜合性能進行分析，為新型蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的設(shè)計以及進一步降低廢水處理成本提供參考。

1 MVR單級雙效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)

本文建立MVR單級雙效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，如圖1，包括原料罐、高頻電磁波發(fā)射器、一級物料預(yù)熱器、二級物料預(yù)熱器、一效降膜蒸發(fā)器、氣液分離器I、儲水罐、羅茨蒸汽壓縮機、二效降膜蒸發(fā)器、氣液分離器 II、物料再熱器、蒸汽發(fā)生器以及物料泵和冷凝水泵若干。

從圖1可以看出，常溫物料經(jīng)兩級預(yù)熱后進入第一效蒸發(fā)器，被第一蒸汽源加熱完成相變蒸發(fā)過程，分離出的低壓蒸汽進入壓縮機壓縮成高溫高壓蒸汽作為第二效蒸發(fā)過程的熱源，加熱進入二效蒸發(fā)器的料液，其相變蒸發(fā)出的蒸汽經(jīng)分離器分離后繼續(xù)作為第一效蒸發(fā)過程的熱源，加熱進入一效蒸發(fā)器的物料，完成蒸汽回路的循環(huán)過程；兩效蒸發(fā)過程的冷凝水分別作為一級、二級預(yù)熱器的熱源加熱物料至設(shè)計溫度，以冷卻后的冷凝水排出系統(tǒng)，而進口物料經(jīng)過兩級濃縮后以濃溶液排出系統(tǒng)。其中蒸汽發(fā)生器為系統(tǒng)啟動過程使用，穩(wěn)定運行后處于關(guān)閉狀態(tài)。

2 模型建立

對所建立的單級雙效 MVR系統(tǒng)熱力性能進行數(shù)值建模分析，做出以下簡化和假設(shè)：①蒸汽壓縮機壓縮過程為絕熱壓縮過程；②忽略分離罐分離出蒸汽中攜帶的微量鹽；③忽略系統(tǒng)熱量損失和泵功；④理論過程不考慮不凝氣體對換熱過程的影響[15-17]。

（1）系統(tǒng)質(zhì)量守衡

其中，下標(biāo)f、d1、d2、b分別代表物料進口、一級預(yù)熱器冷凝水出口、二級預(yù)熱器冷凝水出口和出口濃料液。

其中，Xf、Xb分別代表物料進口濃度和物料出口濃度。

（2）系統(tǒng)能量守衡

其中，W為壓縮機耗功，Hi為各階段物料的熱焓值。

（3）壓縮機模型[18]

其中，Md為進入壓縮機的蒸汽質(zhì)量流量，由于單級雙效系統(tǒng)下只有第一效蒸發(fā)分離出蒸汽進入壓縮機，取Md=Md1；Pe、Pd分別為壓縮機入口壓力和壓縮機出口壓力；ε為壓縮機壓比，取ε =Pd/Pe；其中γ、ηn分別為絕熱指數(shù)和壓縮效率。

（4）蒸發(fā)換熱器模型[19-20]

其中，Mfi、Mν分別為進入換熱器的冷側(cè)流體質(zhì)量和相變蒸發(fā)質(zhì)量，Cp為定壓熱容，r為相變潛熱。

（5）循環(huán)泵模型

其中，F(xiàn)p、ρ、ηp分別為物料泵輸送的流體流量、密度和循環(huán)泵的效率。

（6）系統(tǒng)能效比模型

參照熱泵系統(tǒng)能效比的定義，MVR系統(tǒng)能效比（coefficient of performance, COP）定義為相變蒸發(fā)所需熱量與系統(tǒng)功耗的比值：

其中，M1、M2、r1、r2分別為第一效、第二效的蒸發(fā)量和相變潛熱。

3 模擬結(jié)果分析

單級雙效MVR系統(tǒng)包括兩個物料預(yù)熱換熱器和兩個物料蒸發(fā)分離過程，以質(zhì)量濃度w= 2%的常溫硫酸鈉溶液為研究對象，其中系統(tǒng)進料量為Mf= 1 024 kg/h，建立以上數(shù)值模型，通過Aspen plus進行模擬分析物料濃度、蒸發(fā)溫度、換熱溫差、壓縮機壓比對蒸發(fā)量、系統(tǒng)耗功和能效比COP的變化關(guān)系，并與單效蒸發(fā)系統(tǒng)進行對比分析。

3.1 物料濃度、壓比的影響分析

如圖2所示，在進料量不變的情況下，第一效蒸發(fā)量隨進口物料濃度的增加而升高，第二效蒸發(fā)量隨進口物料濃度的增加而下降，系統(tǒng)總體的蒸發(fā)量平緩下降。原因是隨著物料濃度的升高，其比熱容值相應(yīng)降低，第一效蒸發(fā)器換熱量不變的情況下蒸發(fā)器冷側(cè)出口氣相分率升高，第一效相變蒸發(fā)量升高；而第二效蒸發(fā)過程中物料濃度較高，相應(yīng)溶液的沸點比純水要高，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)換熱溫差下降，第二效蒸發(fā)器冷側(cè)出口氣相分?jǐn)?shù)下降，第二效蒸發(fā)量下降；而從整體來說，進口物料濃度的增加，會導(dǎo)致物料中水分相變分離過程阻力增大，在壓縮比不變的情況下，系統(tǒng)總的蒸發(fā)量會呈現(xiàn)一個平緩下降趨勢。

圖2 蒸發(fā)量隨物料濃度的變化關(guān)系Fig. 2 Evaporation capacity versus material concentration

如圖3所示，壓縮機的功耗隨物料濃度增加先升高后逐漸趨近平穩(wěn)，原因是壓比不變的情況下，壓縮機功耗與入口進氣量和入口壓力有關(guān)，第一效蒸汽量呈現(xiàn)上升趨勢，會導(dǎo)致壓縮機功率上升，同時隨著進口物料溶度的增加，物料的沸點升現(xiàn)象逐漸顯著，會導(dǎo)致一效蒸發(fā)器相變分離出的氣體分壓力下降，壓縮機進口蒸氣壓下降，會導(dǎo)致其耗功下降，因此，總體上呈現(xiàn)出如圖3所示的變化關(guān)系；而在不同壓比條件下，壓比越大，壓縮機耗功越大，壓縮機的壓比從 1.9提升至 2.2，壓縮機耗功提高約20%。

圖3 不同壓比下壓縮機耗功隨物料濃度的變化關(guān)系Fig. 3 Compressor power consumption versus material concentration at different compression ratios

如圖4所示，在壓縮機壓比不變的情況下，系統(tǒng)COP隨著物料濃度的增加而緩慢下降。因為系統(tǒng)吸收的熱量與相變蒸發(fā)量和相變潛熱值有關(guān)，蒸發(fā)溫度保持不變時，相變潛熱不變，而隨著物料濃度增加，系統(tǒng)蒸發(fā)量和壓縮機功耗呈現(xiàn)以上趨勢，根據(jù)能效系數(shù)COP的計算模型，得出如圖所示的變化曲線。

圖4 不同壓比條件下COP隨物料濃度的變化關(guān)系Fig. 4 COP versus material concentration at different compression ratios

3.2 蒸發(fā)溫度、物料濃度的影響分析

從圖5和圖6可以看出，壓縮機耗功隨一效蒸發(fā)溫度（Te1）線性增加，因為壓縮機功耗與入口進氣量和入口壓力有關(guān)，相同壓比條件下，蒸汽壓縮機進口壓力越低，壓縮機耗功越小，系統(tǒng)COP值越高；并且從圖中變化曲線可以看出，相對蒸發(fā)溫度的影響來說，進口物料濃度對壓縮機耗功的影響不大，對系統(tǒng)COP的影響可以忽略。

圖5 不同物料濃度下壓縮機耗功隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系Fig. 5 Compressor power consumption versus evaporation temperature at different material concentrations

圖6 不同物料濃度下COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系Fig. 6 COP versus evaporation temperature at different material concentrations

3.3 壓比、蒸發(fā)溫度的影響分析

從圖7和圖8可以看出，隨著壓縮機壓比的增加，壓縮機功耗逐漸上升，COP逐漸下降，在滿足蒸汽溫升所需要的壓比條件下，壓比升高0.1，系統(tǒng)COP下降約4.4%，是因為隨著壓縮機壓比值升高，壓縮機出口壓力和溫度過熱度都會變大，同時壓縮機的功耗也相應(yīng)增加，但 MVR系統(tǒng)的熱量利用主要是蒸汽的潛熱，所以壓比的升高不會導(dǎo)致系統(tǒng)吸收熱量增加，系統(tǒng) COP反而下降， 并且蒸發(fā)溫度較低時，壓縮機功耗和COP變化速率較大，隨著壓比的上升，兩者的變化速率也逐漸下降，可見在滿足蒸汽溫升所需壓比的條件下，蒸發(fā)溫度越低，壓比越小，系統(tǒng)能效系統(tǒng)越大，系統(tǒng)節(jié)能效果越好，可見，選擇合適的壓比值和蒸發(fā)溫度是 MVR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

圖7 不同蒸發(fā)溫度下壓縮機耗功隨壓比的變化關(guān)系Fig. 7 Compressor power consumption versus compression ratio at different evaporation temperatures

圖8 不同蒸發(fā)溫度下COP隨壓比的變化關(guān)系Fig. 8 COP versus compression ratio at different evaporation temperatures

3.4 換熱溫差、壓比的影響分析

所研究的換熱溫差是指第一效蒸發(fā)器熱流進口和冷流出口溫度差值（ΔT），從圖9和圖10可以看出，隨著換熱溫差的增加，壓縮機功耗緩慢下降，系統(tǒng)COP緩慢上升，但相對壓比對壓縮機能耗和系統(tǒng)COP的影響，換熱溫差的影響相對較小。

圖9 不同壓比下壓縮機耗功隨換熱溫差的變化關(guān)系Fig. 9 Compressor power consumption performance versus temperature difference and different compression ratio

圖10 不同壓比下COP隨換熱溫差的變化關(guān)系Fig. 10 COP versus temperature difference at different compression ratios

3.5 換熱溫差、物理濃度的影響分析

從圖11和圖12可以看出，換熱溫差越大，物料濃度越低，壓縮機耗功越小，COP值越大，而在不同物料濃度下，壓縮機耗功隨濃度增加而增加，但系統(tǒng)COP幾乎不變影響，因此，相對換熱溫差的影響來說，物料濃度對系統(tǒng)熱力性能的影響不大，對系統(tǒng)COP的影響可以忽略。

圖11 不同物料濃度下壓縮機耗功隨換熱溫差的變化關(guān)系Fig. 11 Compressor power consumption versus temperature difference at different material concentrations

圖12 不同物料濃度下COP隨換熱溫差的變化關(guān)系Fig. 12 COP versus temperature difference at different material concentrations

4 結(jié) 論

本文結(jié)合了多效蒸發(fā)系統(tǒng)和機械壓縮技術(shù)，建立了單級雙效 MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，研究了物料濃度、蒸發(fā)溫度、壓縮機壓比、換熱溫差等對系統(tǒng)蒸發(fā)量Md、耗功W、能效系數(shù)COP的影響，結(jié)論如下：

（1）單級雙效系統(tǒng)對壓縮機壓比要求較高，理論計算蒸汽壓縮機壓比值需大于1.9，在滿足壓比的情況下，系統(tǒng)能效系數(shù)COP可達(dá)25以上。

（2）系統(tǒng)COP隨壓縮機壓比值上升而降低，在滿足蒸汽溫升所需要的壓比條件下，壓比升高0.1，系統(tǒng)COP下降4.4%，選擇合適的壓比值，對系統(tǒng)的節(jié)能效果至關(guān)重要。

（3）蒸發(fā)溫度越低，系統(tǒng)能效系數(shù)COP越高。第一效蒸發(fā)溫度在50 ～ 80℃范圍內(nèi)，每降低10℃，COP可提高3.1%，因此，對于低溫蒸發(fā)系統(tǒng)，MVR技術(shù)具有一定優(yōu)勢。

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