機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)在燃機機組中的選型探討

黃時今 劉 暢 黃 磊 張 偉

（上海閔行燃氣發(fā)電有限公司 上海 200245）

引言

隨著國家對環(huán)境保護的重視程度逐步提高，國家對火力發(fā)電廠的用水、節(jié)水和廢水治理也制定了一系列的法規(guī)。根據(jù)上海市環(huán)保部門相關意見，要求閔行燃機循環(huán)排污水不得直接排入黃浦江，同時由于循環(huán)排污水水量過大，廠址段的排污納管容量已經(jīng)達到飽和，且目前暫無擴容規(guī)劃，因此全廠產(chǎn)生的廢水必須廠內(nèi)消納或回用。根據(jù)實際情況，閔行燃機電廠循環(huán)水排污水經(jīng)處理后作為除鹽水的水源，同時水中的鹽量通過蒸發(fā)結晶形成雜鹽作為固廢進行處置，實現(xiàn)節(jié)水及工業(yè)廢水治理的目標。

機械蒸汽再壓縮又稱MVR(mechanical vapor recompression)是目前國際上先進的蒸發(fā)結晶技術，也同時是傳統(tǒng)蒸發(fā)器的升級替代產(chǎn)品。機械蒸汽再壓縮，是指將蒸發(fā)（蒸餾）過程的二次蒸汽（低溫、低壓而無法再利用）通過壓縮機消耗少部分電能進行壓縮做功，重新送回蒸發(fā)加熱室當一次蒸汽使用。目前國內(nèi)已將該蒸發(fā)技術成熟地應用在食品、飲料、鹽化工、生物工程等濃縮結晶與提純工藝以及造紙、醫(yī)藥、天然氣開采、煤化工等高鹽污水處理行業(yè)。

1 MVR系統(tǒng)介紹

1.1 MVR系統(tǒng)流程

MVR系統(tǒng)主要包括MVR蒸發(fā)結晶/濃縮系統(tǒng)及輔助設備。MVR蒸發(fā)結晶及濃縮系統(tǒng)主要設備為蒸發(fā)結晶器、蒸汽機械再壓縮機、換熱器以及冷凝水泵、強制循環(huán)泵、離心機等輔助設備。其他輔助設備包括干燥系統(tǒng)及自動包裝系統(tǒng)（包括固定流化床結晶鹽干燥系統(tǒng)、料倉、自動打包機等設備），系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 MVR蒸發(fā)結晶應用——無機鹽結晶工藝流程

初始新鮮蒸汽通過加熱器加熱蒸發(fā)結晶器內(nèi)的含鹽廢水，在不斷補充新鮮蒸汽后，含鹽廢水在蒸發(fā)結晶器內(nèi)被加熱沸騰產(chǎn)生二次蒸汽，二次蒸汽在機械蒸汽壓縮機作用下提高溫升，通過加熱器內(nèi)與不斷進入的預熱過的含鹽廢水進行換熱，形成冷凝水由加熱器下部流出，在預熱器內(nèi)預熱進入蒸發(fā)結晶器前的含鹽廢水，冷凝水在預熱器最終換熱成冷卻水回用。正常啟動后，無需再補充新鮮蒸汽，壓縮機將二次蒸汽吸入，經(jīng)增壓后變?yōu)榧訜嵴羝?，就這樣源源不斷進行循環(huán)蒸發(fā)。蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出。

含鹽廢水在不斷循環(huán)濃縮后通過在線控制閥自動排入脫水系統(tǒng)，脫水后的物料通過干燥系統(tǒng)、自動打包系統(tǒng)打包后外運。脫除的母液通過母液水泵再回至蒸發(fā)結晶器中繼續(xù)循環(huán)。

1.2 MVR技術特點

（1）MVR節(jié)能蒸發(fā)器技術是目前國際最為先進的蒸發(fā)器技術，僅需要極少量新鮮蒸汽，極大地降低企業(yè)運行成本，減少環(huán)境污染。

（2）由于采用壓縮機提供熱源，和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器相比，溫差小得多，能夠達到溫和蒸發(fā)，極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低結垢。

（3）該蒸發(fā)器是物料在低溫、且不產(chǎn)生泡沫的狀態(tài)下進行蒸發(fā)，料液均勻，不跑料，不易結焦。

（4）與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器相比無需冷凝器，結構與流程非常簡單，占地面積小，全自動操作，可連續(xù)運行，安全可靠。

（5）對于熱敏性物料可以配合使用真空泵，可以做到在接近絕壓的真空下進行，從而實現(xiàn)低溫蒸發(fā)。

（6）設備可配CIP清洗管路也可以安裝臨時清洗管路，可實現(xiàn)就地清洗，整套設備操作方便，無死角。

1.3 經(jīng)濟性比較

一臺蒸發(fā)量在6噸/小時的MVR蒸發(fā)器與同等蒸發(fā)量的傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器運行成本的比較如表1所示：

表1 MVR與多效蒸發(fā)器的經(jīng)濟性比較

工作時間按2500小時，電費按0.6元/小時計算，蒸汽按200元/噸。

機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器年運行費用=698250元

多效蒸汽加熱蒸發(fā)器年運行費用=982125元

可見，機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器比多效蒸汽加熱蒸發(fā)器年運行成本節(jié)約29萬元左右，并且由于燃機機組兩班制運行特點，無法連續(xù)不斷提供穩(wěn)定的鮮蒸汽而傳統(tǒng)4效蒸汽加熱蒸發(fā)器必須提供連續(xù)不斷的鮮蒸汽并且占地面積大，因此，機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器相對于多效蒸汽加熱蒸發(fā)器更高效節(jié)能[1]且占地面積小的優(yōu)點更適合應用于緊湊布置的燃機機組高鹽廢水處理。

2 影響MVR系統(tǒng)選型的因素

2.1 主要設備選型

MVR系統(tǒng)中核心部件是蒸汽壓縮機、蒸發(fā)結晶器及換熱器。

2.1.1 蒸汽壓縮機的設計選型

在國際上比較成熟的蒸汽壓縮機主要為離心式蒸汽壓縮機和羅茨式蒸汽壓縮機兩種。從機械的角度分析，轉(zhuǎn)速越低穩(wěn)定性越高。通常情況下，羅茨式的蒸汽壓縮機為980rmp-1450rmp之間，而離心壓縮機轉(zhuǎn)速通常在9000rmp以上。而體積流過小、單機效率低是羅茨式蒸汽壓縮機的先天缺陷。從技術角度分析羅茨式蒸汽壓縮機為將漏氣率降低到可接受的范圍之內(nèi)，其葉輪往往要求較高的加工精度，，而漏氣率與整體效率成反比；相同加工精度的離心式壓縮機漏氣率更小，效率更高。從材質(zhì)角度分析，羅茨壓縮機滾子之間間隙很小，不宜采用不銹鋼等剛度較低的材質(zhì)，否則容易發(fā)生黏齒，同時，為了提高壓縮機的耐腐蝕能力，在設計上提高二次蒸汽的純度，壓縮機一般采用碳鋼鍍鎳鉻的材質(zhì)。而離心式蒸汽壓縮機的過流部件采用超級雙相不銹鋼材質(zhì)(2507)，抗腐蝕能力強，在相同的腐蝕環(huán)境中壽命高。從工作原理上看，羅茨式蒸汽壓縮機為容積式風機，提供的壓差大，流量小，在高壓比、小流量的工況中具有極大的優(yōu)勢。對離心式蒸汽壓縮機為壓差式風機，提供的壓差小，流量大，排氣均勻，氣流無脈沖，在蒸發(fā)量較大的工況下通常被選用。綜合以上因素，本期工程采用離心式蒸汽壓縮機。

2.1.2 蒸發(fā)結晶器的設計選型

對于處理高鹽廢水的水量在10t/h及以下時，一般主流廠家都采用物料直接進入結晶器（閃蒸罐）的設計。結晶器（閃蒸罐）的前端設計考慮加裝脫氣塔，使進水在脫氣塔內(nèi)先脫除水中的不凝氣，如氧氣等，避免經(jīng)壓縮機壓縮后進入加熱器。該部分氣體無法冷凝，會阻礙加熱器內(nèi)蒸汽的冷凝進而影響加熱效果。同時，結晶器（閃蒸罐）的直徑在設計時應充分考慮蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽的合理流速，為結晶鹽的生長提供足夠的停留時間。結晶器（閃蒸罐）上方二次蒸汽出口前設置汽、液分離器，分離器的直徑是保證汽、液分離有足夠的分離面，分離器的高度是影響汽液相互夾帶的因素[2]。分離器高度越高，分離效率越高，但設備成本也會增加。

2.1.3 換熱器的設計選型

換熱器的設計要從以下方面進行考慮：

（1）設定較高的循環(huán)泵流量

結晶器加熱器采用列管式換熱器，加熱器內(nèi)選用直徑較大的換熱管可以避免堵塞的發(fā)生，且易于清洗；加熱器罐內(nèi)流速大于2m/s，以避免懸浮固體在罐內(nèi)沉積，堵塞管路；鹽漿加熱器低溫升，避免在閃蒸罐內(nèi)的劇烈閃蒸，導致大量細晶粒生成，影響脫水效果，以及結晶器內(nèi)細晶粒的富集。

（2）設定較低的加熱器傳熱系數(shù)充分考慮加熱器的污垢系數(shù)，確保在系統(tǒng)長期運行的工況下也能滿足設計處理能力，降低清洗頻率。且在MVR系統(tǒng)中，由于壓縮機的壓縮比調(diào)整幅度有限，設置較低的傳熱系數(shù)可使換熱面積余量充分，可以適應更寬泛的水質(zhì)條件，使系統(tǒng)有更大的操作彈性。

2.1.4 泵的選擇

有晶體生成的系統(tǒng)，循環(huán)泵優(yōu)先選擇軸流泵。其特點是大流量，低揚程，同時其泵頭的設計使其在工作過程中對溶液析出的晶體破壞最小，有利于結晶過程的完成。

冷凝水泵應能及時將冷凝水抽出，否則會使冷凝水在蒸發(fā)器中聚集，并使蒸發(fā)器的傳熱發(fā)生嚴重的抑制作用[3]，使蒸汽加熱變?yōu)闊崴訜?，導致效率大大降低，導致堵塞的發(fā)生。

2.2 輔助設備的設計選型

在配套輔助設施中，主要包括以下系統(tǒng)：

2.2.1 阻垢劑投加系統(tǒng)

根據(jù)本項目的設計水質(zhì)，二氧化硅和硫酸鈣在進水中均為過飽和狀態(tài)，因此應設置阻垢劑自動投加系統(tǒng)，以加熱器和脫氣塔內(nèi)發(fā)生結垢。

2.2.2 燒堿投加系統(tǒng)

本項目設置燒堿投加系統(tǒng)，用于將結晶器內(nèi)鹽漿的pH值控制在偏堿性范圍內(nèi)。偏堿性的操作環(huán)境可以進一步降低設備發(fā)生腐蝕的風險；并使SiO2保持溶解態(tài)，降低換熱管結垢的風險。根據(jù)實踐經(jīng)驗，考慮到混鹽廢水進水水質(zhì)具有某種不可控性，某些未知雜質(zhì)（如氨氮或某些COD/TOC）在濃縮過程可能導致結晶器內(nèi)pH值降低，從而加劇設備的腐蝕風險，添加燒堿投加裝置，可以在發(fā)生這種狀況時提高系統(tǒng)的pH，避免上述腐蝕情況發(fā)生。

2.2.3 消泡劑投加系統(tǒng)

本項目設置了消泡劑自動投加系統(tǒng)，包括連續(xù)投加和沖擊投加兩種模式。正常工況下，向結晶器連續(xù)小劑量投加消泡劑。在結晶器閃蒸罐上設置泡沫監(jiān)控，當探測到泡沫發(fā)生時，自動聯(lián)鎖沖擊投加計量泵，向閃蒸罐投加適量消泡劑來抑制泡沫，提高蒸汽的品質(zhì)。

其他輔助系統(tǒng)包括離心脫水機、干燥設施、自動打包設備，主要考慮材料防腐及自動化儀控設備選擇。

2.3 材料選擇

高含鹽廢水中氯離子含量很高，導致物料在高溫下具有較強的腐蝕性，這是影響選材的重要因素。

我們對Ti2和Ti12兩種材質(zhì)進行了對比，其中Ti2屬于商品級純鈦材，而Ti12屬于鈦合金,兩種材質(zhì)的機械和物理性能相當，但由表1可見，Ti12比Ti2多了0.3%的鉬和0.8%的鎳，由于鎳和鉬的加入，Ti12的耐整體腐蝕和局部縫隙腐蝕的性能都得以提高。

表1 Ti2和Ti12成分表

本項目的設計水質(zhì)中結晶器內(nèi)氯離子含量為150,000mg/L,溫度為110℃。在這種高腐蝕性工況下，結晶器換熱器的換熱管我們選用Ti12材質(zhì),對結晶器閃蒸罐和換熱器封頭等設備或部件，我們選用了超級雙相不銹鋼2507，以滿足系統(tǒng)工藝要求。

結語

機械蒸汽再壓縮（MVR）技術作為新型高效節(jié)能環(huán)保技術正在廣泛應用于電力行業(yè)的污水處理中，在系統(tǒng)設備選型時不僅要考慮不同的水質(zhì)，也要根據(jù)處理量、腐蝕性和運行實際工況確定設備的規(guī)模、型號及材質(zhì)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。