蒸發(fā)器節(jié)能改造的技術研究

陳文鋒

（廣州雙橋股份有限公司，廣東廣州 510280）

0 引言

蒸發(fā)廣泛應用于食品、化工、醫(yī)藥、生物和環(huán)保領域，如牛奶、果汁、鹽、糖、抗生素、氨基酸、廢水的濃縮[1]。由于該過程發(fā)生汽化和冷凝等相變化，蒸發(fā)過程需要消耗大量的蒸汽用于加熱，裝置設計、操作的優(yōu)劣在很大程度上取決于裝置的運行能耗。

傳統(tǒng)的節(jié)能措施為多效設計，如三效、四效或五效。理論上，單效每蒸發(fā)1 t水需要1 t蒸汽，二效需要0.5 t，三效需要0.33 t，以此類推。一效的蒸汽進入冷凝器，用冷卻水冷卻，即汽化潛熱通過冷卻水，最終再通過冷卻塔消耗于大氣中。蒸汽通常由鍋爐產(chǎn)生，由于燃煤造成嚴重的空氣污染，許多地區(qū)已要求企業(yè)將燃煤鍋爐改成燃氣鍋爐，提高了能源的成本。采用機械蒸汽再壓縮技術[2]（Mechanical Vapor Recompression），利用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮，壓力、溫度升高，熱焓增加，然后送到蒸發(fā)器的加熱室當作加熱蒸汽使用，使料液維持沸騰狀態(tài)，而加熱蒸汽本身則冷凝成水，不需要生蒸汽作為熱源。對于類似低沸點的產(chǎn)品，每蒸發(fā)1 t水，需要15～18 kW·h。鑒于目前的蒸汽價格（200元/t以上）和電價（0.7元/（kW·h）左右），越來越多的蒸發(fā)結(jié)晶過程采用機械蒸汽再壓縮技術[3]。

上述技術可以推廣至各個領域的傳統(tǒng)蒸發(fā)器改造，節(jié)約成本，降低能耗，保護環(huán)境。但對于目前正在運行的傳統(tǒng)蒸發(fā)器如何改造為機械蒸汽再壓縮加熱以節(jié)約能源，由于各種原因尚未受到廣泛關注。本文作者對現(xiàn)有的多臺多效蒸發(fā)器進行深入的分析和研究，結(jié)合產(chǎn)品特性和蒸發(fā)工藝，提出有針對性的系統(tǒng)改造方案，并且成功將一套四效降膜蒸發(fā)器改造成以機械蒸汽再壓縮加熱的方式，既節(jié)約設備投資，又降低能耗，取得巨大的經(jīng)濟效益[4]。

1 技術改造

某公司在1997年從美國某公司引進的用于廢水濃縮的四效蒸發(fā)器，根據(jù)該公司的產(chǎn)品結(jié)構調(diào)整，后用于葡萄糖的蒸發(fā)，但是能耗較高，不利于產(chǎn)品的成本減低。在對原蒸發(fā)系統(tǒng)的各項參數(shù)，如流程、設備換熱面積等參數(shù)研究分析后，將葡萄糖的濃縮條件、所需的蒸發(fā)濃度、蒸發(fā)量做了詳細的核算，提出將原熱力蒸汽再壓縮加熱（TVR）四效降膜蒸發(fā)器改為機械蒸汽再壓縮加熱（MVR）的方案[5]。

該系統(tǒng)由4臺降膜蒸發(fā)器、預熱器、冷凝器、真空系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)組成。工藝為順流，即產(chǎn)品與加熱蒸汽依次進入I、II、III和IV，各效產(chǎn)品為強制循環(huán)。通過數(shù)據(jù)分析，研究改造思路如下：

（1）根據(jù)糖漿的特點[6]，將產(chǎn)品流程由原來的循環(huán)流程改為單流程；

（2）調(diào)整蒸發(fā)器和分離器之間原來的蒸汽管道[7]；

（3）連接所有分離器的蒸汽管道，再與PILLER壓縮機的入口相連；

（4）將PILLER壓縮機出口的蒸汽管分配至原來蒸發(fā)器的加熱室[8]；

（5）設計新的控制系統(tǒng)。

1.1 改造前系統(tǒng)流程

（1）產(chǎn)品流程

產(chǎn)品首先進入一進料平衡罐，再由一臺泵送入兩臺板式換熱器預熱后進入一效降膜蒸發(fā)器。兩臺預熱器分別利用各效冷凝液的熱量和產(chǎn)品的熱量。產(chǎn)品進入降膜蒸發(fā)器的頂部，通過液體分配器進入降膜管，被殼程中的蒸汽加熱，一部分蒸發(fā)為蒸汽，液體獲得部分濃縮。被部分濃縮的液體產(chǎn)品通過泵被送入二效再次被濃縮，部分在蒸發(fā)器中循環(huán)。以此類推，達到最終要求的濃度后用泵送至成品罐。

（2）加熱流程

來自鍋爐的生蒸汽進入一效降膜蒸發(fā)器殼程，作為液體產(chǎn)品的加熱熱源，將液體蒸發(fā)，蒸汽冷凝成冷凝水。被部分蒸發(fā)的蒸汽（二次蒸汽）用作為二效蒸發(fā)器的加熱熱源，以此類推。

（3）冷凝流程

最后一效的蒸汽進入冷凝器，用冷卻水冷凝成冷凝水。來自各效蒸發(fā)器和冷凝器的冷凝水收集至冷凝水罐，用泵輸送至預熱器作為進料的預熱熱源，充分利用能量。各效的不凝性氣體也進入冷凝器，最終由真空泵抽走，維持系統(tǒng)的真空。

（4）預熱流程

產(chǎn)品用來自冷凝水和成品的熱量預熱，回收熱量。

1.2 改造后系統(tǒng)流程

（1）產(chǎn)品流程

產(chǎn)品首先進入一進料平衡罐，再由一臺泵送入兩臺板式換熱器預熱后進入一效降膜蒸發(fā)器。兩臺預熱器分別利用各效冷凝液的熱量和產(chǎn)品的熱量。產(chǎn)品進入降膜蒸發(fā)器的頂部，通過液體分配器進入降膜管，被殼程中的蒸汽加熱，一部分蒸發(fā)為蒸汽（二次蒸汽），液體獲得部分濃縮。被部分濃縮的液體產(chǎn)品通過泵被送入二效再次被濃縮，部分在蒸發(fā)器中循環(huán)。以此類推，達到最終要求的濃度后用泵送至成品罐。

（2）加熱流程

各效的二次蒸汽合并，通過一個蒸汽管道與壓縮機的入口相連。經(jīng)過壓縮機壓縮的二次蒸汽，溫度和壓力提高。壓縮機出口的蒸汽被分配，與各效加熱殼程相連，作為蒸發(fā)器的熱源。這樣除了開車過程和很小一部分的密封盒補充，正常運行情況下基本不需要額外的鍋爐蒸汽。

圖1 改造前多效蒸發(fā)流程圖

圖2 改造后多效蒸發(fā)流程圖

（3）冷凝流程

來自各效蒸發(fā)器和冷凝器的冷凝水收集至冷凝水罐，用泵輸送至預熱器作為進料的預熱熱源，充分利用能量。各效的不凝性氣體也進入冷凝器，最終由真空泵抽走，維持系統(tǒng)的真空。

（4）預熱流程

產(chǎn)品用來自冷凝水和成品的熱量預熱，回收熱量。

1.3 TURBINE壓縮機軸功率選型

根據(jù)產(chǎn)品特性等，設備的生產(chǎn)能力為41 600 kg/h，蒸汽壓縮機進口溫度為82°C，壓力為51.3 kPa；出口溫度為90°C，出口壓力為70.5 kPa。由等熵壓縮過程得

根據(jù)飽和蒸汽表查得：82°C飽和蒸汽對應的焓值為2 647 kj/kg，119.78°C飽和蒸汽對應的焓值為2 706 kj/kg。

則等熵壓縮功為

根據(jù)計算結(jié)果，選定PILLER公司的TURBINE壓縮機，型號4577 KKXGAE 80800，裝機功率為920 kW。

2 結(jié)論

改造前后的工藝數(shù)據(jù)和成本核算分別如表1、表2所示。系統(tǒng)改造投入約1 000萬元，經(jīng)過改造系統(tǒng)達到設計的參數(shù)，系統(tǒng)操作為全自動操作，在能耗方面蒸發(fā)1 t水消耗電約17 kW·h，約為12元/t水，改造前為蒸發(fā)1 t水消耗蒸汽約300 kg，約為60元/t水，改造后的系統(tǒng)經(jīng)過一年多的運行，僅7個月就收回全部投資，為企業(yè)節(jié)約運行成本，也為節(jié)能減排貢獻一份力量。

表1 改造前后的工藝數(shù)據(jù)

表2 改造前后的成本核算