蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)的理論研究

權(quán)標(biāo)

摘 要：基于自回?zé)嵩淼恼羝麢C(jī)械再壓縮是一種高效的蒸發(fā)技術(shù)，通過(guò)絕熱壓縮循環(huán)利用工藝中的蒸汽冷凝熱和冷卻熱，與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在污水處理、海水淡化、化工、食品工業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，于節(jié)能環(huán)保方面更是有著顯著的成效。本文主要在現(xiàn)有的蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)基礎(chǔ)上，以城市生物質(zhì)廢物為研究對(duì)象，并以傳熱學(xué)理論作指導(dǎo)，進(jìn)一步研究過(guò)熱蒸汽干燥過(guò)程的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上利用仿真軟件ASPEN建立三維模型，研究模擬蒸汽狀態(tài)下羅茨式壓縮機(jī)的工作過(guò)程。

關(guān)鍵詞：蒸汽機(jī)械再壓縮；節(jié)能；能效；流程模擬；水處理

1 研究背景

我國(guó)作為一個(gè)資源匱乏的國(guó)家，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展和對(duì)能源的不斷消耗，節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成為中國(guó)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。其中，蒸發(fā)濃縮干燥作為在污水處理、海水淡化、化工、食品工業(yè)等多個(gè)行業(yè)普遍采用的高耗能熱分離過(guò)程，如何減少其能耗和采用新技術(shù)是發(fā)展節(jié)能產(chǎn)業(yè)的重要部分。目前，國(guó)內(nèi)普遍采用的蒸發(fā)工藝為多效蒸發(fā)和多級(jí)閃蒸蒸發(fā)。這兩種蒸發(fā)工藝由于逐效或逐級(jí)利用了二次蒸汽的熱量，因而一定程度上提高了能量的利用率，具有一定的節(jié)能效果。但是這兩種形式結(jié)構(gòu)龐大，投資費(fèi)用高。對(duì)于多效蒸發(fā)由于要在末效設(shè)置冷凝器，這就使得系統(tǒng)的操作溫度受限于冷凝水溫度，不適于進(jìn)行低溫蒸發(fā)。而對(duì)于多級(jí)閃蒸如要實(shí)現(xiàn)低溫蒸發(fā)則需要較大的抽真空系統(tǒng)，這樣費(fèi)用大大增加，難以實(shí)現(xiàn)。因而為了能進(jìn)行低溫下生產(chǎn)，目前最常用的是單效蒸發(fā)技術(shù)。但這種技術(shù)耗能較大。因此蒸發(fā)工藝的改造和升級(jí)已為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（Mechanical vapor recompression，簡(jiǎn)稱MVR）作為重新利用它自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對(duì)外界能源需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，因其在節(jié)能上的優(yōu)勢(shì)及其工業(yè)上的適用性已引起業(yè)界的極大重視。

2 蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)的原理

蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（MVR）的原理是充分利用蒸汽的潛熱，用壓縮機(jī)將低品位蒸汽再次壓縮，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使蒸汽熱品位得以提高，然后作為熱源重新使用。蒸汽機(jī)械再壓縮只要在蒸發(fā)啟動(dòng)時(shí)提供一定的能量使系統(tǒng)產(chǎn)生二次蒸汽，然后即可不再用外加蒸汽而使蒸發(fā)連續(xù)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)潛熱的持續(xù)循環(huán)使用。MVR技術(shù)使原來(lái)需要廢棄的低品位蒸汽得到了充分的利用，在回收了潛熱的同時(shí)提高了熱效率，是現(xiàn)有蒸發(fā)工藝中能耗效率最高的工藝，成本是傳統(tǒng)三效蒸發(fā)技術(shù)的20%左右。并且省去了二次蒸汽處理，可以節(jié)約大量的冷卻水和動(dòng)力消耗。

3 蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

城市生活廢水無(wú)法簡(jiǎn)單使用生化方法處理，而且由于廢水中常含有大量的生物質(zhì)廢物，限制了膜法的應(yīng)用，因此蒸發(fā)成為高鹽、高毒廢水處理的首選方法。與現(xiàn)行的其他蒸發(fā)方法相比，MVR技術(shù)不僅在能耗上占有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且MVR得工藝簡(jiǎn)單，靈活性高，可以有效的避免廢水處理過(guò)程中常見(jiàn)的起沫、結(jié)垢、腐蝕等現(xiàn)象。在20世紀(jì)末期國(guó)外關(guān)于采用MVR技術(shù)處理廢水的技術(shù)便已經(jīng)非常成熟，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了量的關(guān)于垃圾滲濾液的研究和工程案例。對(duì)于多效MVR蒸發(fā)方法處理含鹽廢水的工藝流程、參數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益等，很多學(xué)者都做出了深入的研究，隨著MVR技術(shù)以及壓縮機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，壓縮后蒸汽溫升得到大幅度提高，在處理譬如氯化銨、氯化鈣等的溶液沸點(diǎn)溫升較高鹽類技術(shù)也日漸成熟，使得MVR技術(shù)可以應(yīng)用在成分更復(fù)雜的廢水當(dāng)中。

4 基于ASPEN的干燥處理流程模擬研究

ASPEN PLUS是一款基于穩(wěn)態(tài)的化工流程模擬軟件，它幾乎內(nèi)建了所有化工過(guò)程所涉及的原理公式和完善的化工數(shù)據(jù)庫(kù)，并且自帶強(qiáng)大的分析工具。正因?yàn)槿绱耍珹SPEN PLUS可以很方便的計(jì)算出復(fù)雜的流程，我們使用ASPEN PLUS對(duì)蒸汽機(jī)械干燥流程進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，并和常見(jiàn)的真空干燥系統(tǒng)能效比（COP）進(jìn)行對(duì)比值。

在整個(gè)模擬過(guò)程中，我們?cè)O(shè)定室溫為20攝氏度，物料SAMPLE樣品平均粒徑為65um，堆積密度293.3kg/m3，高位發(fā)熱量17.85MJ/kg。根據(jù)實(shí)際情況，我們選擇HeatX模型以及Heater模型作為換熱器的單元操作模塊，HeatX模型為兩股物流的換熱器在設(shè)置換熱器參數(shù)時(shí)，選擇簡(jiǎn)單計(jì)算，同時(shí)輸入換熱面積。每只圓盤(pán)都可以看成一只換熱器，Heater模型則作為一股物流的加熱器。而分離器的單元操作模塊則選擇有兩股出口流的Flash2模型作分離器，在模擬過(guò)程需要1只分離器。壓力變送設(shè)備的單元操作模塊選擇Compr模型作為壓縮機(jī)，通過(guò)設(shè)定功率或者出口壓力可以改變物流的壓力。在模擬過(guò)程中需要1只壓縮機(jī)模塊。圖中物料從最左端進(jìn)入換熱器 YUHEATER，輸入物流名稱為SAMPLE。同時(shí)有廢水與廢棄WATER3進(jìn)入換熱器YUHEATER，經(jīng)過(guò)換熱后的廢水WATER4排出系統(tǒng)。而后物料SAMPLE0進(jìn)入加熱器HEATER，然后以SAMPLE2出來(lái)，流入換熱器MOHEATER，此時(shí)有過(guò)熱蒸汽WATER2進(jìn)入換熱器MOHEATER，經(jīng)過(guò)換熱后的廢氣與廢水WATER3排出。

在換熱器YUHEATER和換熱器MOHEATER中，通過(guò)回收蒸發(fā)后的水分中的一部分顯熱，由室溫（293K）上升至333K，換熱器YUHEATER和換熱器MOHEATER的功率分別是16.6KW和249.44KW，經(jīng)過(guò)加熱器補(bǔ)充后達(dá)到蒸發(fā)條件。物料SAMPLE3進(jìn)入分離器FENLI，分離器FENLI將飽和水蒸汽從SAMPLE3中分離開(kāi)，送入壓縮機(jī)YASUO，同時(shí)將其他的非氣態(tài)物質(zhì)SAMPLE4排出。飽和蒸汽WATER1經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)YASUO的加壓升溫后成為過(guò)熱蒸汽WATER2，被送入換熱器MOHEATER回收火用。經(jīng)過(guò)換熱后的WATER3進(jìn)入換熱器YUHEATER繼續(xù)回收顯熱，最后為WATER4排出系統(tǒng)。

由于干燥器中的傳熱主要為熱端的冷凝相變和冷端的蒸發(fā)相變傳熱，故傳熱過(guò)程中溫度不變，換熱器的傳熱溫差可認(rèn)為熱端冷凝溫度與冷端蒸發(fā)溫度差值。

圖4對(duì)比了蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（MVR）和常規(guī)的真空干燥技術(shù)之間COP系數(shù)，系統(tǒng)中的潛熱得到了充分的利用，是傳統(tǒng)的加熱干燥過(guò)程中的COP值的10-15倍，節(jié)能效果明顯。

近年來(lái)，MVR技術(shù)作為化工業(yè)、水處理等各類行業(yè)蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)的新興技術(shù)得到了國(guó)家大力推廣，其低能耗、高效率的特點(diǎn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸發(fā)干燥技術(shù)，在未來(lái)有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>