雙效蒸發(fā)系統(tǒng)深度節(jié)能工藝的探索

（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江 杭州 310030）

多效蒸發(fā)工藝是工業(yè)含鹽廢水零排放處理的常見工藝[1-2]。在多效蒸發(fā)工藝中，僅第一效使用新鮮蒸汽，后一效使用前一效的二次蒸汽作為加熱介質(zhì)，整個流程中，前一效的操作壓力和溶液沸點都比后一效高，可提高新鮮蒸汽的利用率，降低新鮮蒸汽消耗量[3]。

然而，多效蒸發(fā)末效產(chǎn)生的二次蒸汽通常用循環(huán)冷卻水直接冷凝，由于蒸汽有較高的冷凝潛熱，該潛熱被轉(zhuǎn)移至循環(huán)冷卻水中便造成了能量的浪費。鑒于此，將末效二次蒸汽回用到蒸發(fā)系統(tǒng)，可以達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的。但與此同時，末效二次蒸汽品位低，直接利用到蒸發(fā)系統(tǒng)的難度較大。目前，針對多效蒸發(fā)系統(tǒng)的深度節(jié)能工藝尚未見到報道。本研究旨在基于北方某企業(yè)的雙效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行深度節(jié)能優(yōu)化探索，具體為將末效二次蒸汽用于加熱空氣及廢水，加熱后的空氣和廢水進(jìn)行充分接觸，水分自發(fā)從廢水進(jìn)入空氣中使空氣增濕，從而使廢水得到一定程度的預(yù)濃縮。預(yù)濃縮廢水再進(jìn)入雙效蒸發(fā)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的蒸汽消耗減少，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 深度節(jié)能工藝原理

多效蒸發(fā)工藝的第一效使用新鮮蒸汽作為熱源，加熱廢水使其沸騰產(chǎn)生二次蒸汽，一效的二次蒸汽作為熱源進(jìn)入二效，繼續(xù)加熱廢水使其沸騰，二效的二次蒸汽作為熱源再進(jìn)入三效，依次往后逐效加熱廢水直到結(jié)晶。由此可見，蒸汽的用量是影響多效蒸發(fā)工藝的關(guān)鍵因素，而廢水中的水分含量則直接關(guān)系著蒸汽的用量。如果能在蒸發(fā)前對廢水進(jìn)行一定程度的預(yù)濃縮，降低廢水中水分含量，則可進(jìn)一步減少多效蒸發(fā)系統(tǒng)新鮮蒸汽的用量，達(dá)到深度節(jié)能的目的。

空氣吹脫是廢水預(yù)濃縮的一種常用方法，其原理是利用濕度不飽和的空氣與水充分接觸，空氣的實際濕度與飽和濕度之間存在差異，因該濕度差異產(chǎn)生的傳質(zhì)推動力，可有效促使水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，從而使空氣增濕、廢水預(yù)濃縮。

圖1 為在一定溫度、相對濕度下空氣的含水量?？梢钥闯觯?dāng)濕度一定時，溫度越高，空氣的含水量越大，且含水量與溫度之間呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢。換言之，溫度越高，空氣的含水能力越強(qiáng)，容納的水分越多。

因此，利用加熱后的空氣和廢水發(fā)生接觸傳質(zhì)，廢水中的一部分水分自發(fā)進(jìn)入空氣中而得到一定程度的預(yù)濃縮，與此同時，多效蒸發(fā)系統(tǒng)中的新鮮蒸汽用量相應(yīng)減少，可有效節(jié)省能耗。

圖1 一定溫度、相對濕度下空氣的含水量

2 深度節(jié)能工藝介紹

2.1 深度節(jié)能工藝要點

該企業(yè)的雙效蒸發(fā)系統(tǒng)對20% Na2SO4廢水進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。具體的節(jié)能要點有：

(1)在一效加熱器前增加一臺廢水預(yù)熱器，用末效產(chǎn)生的二次蒸汽作為加熱熱源，對濃縮廢水預(yù)熱，以提高廢水的溫度，降低水分蒸發(fā)的阻力。

(2)增加一臺離心風(fēng)機(jī)和一臺空氣預(yù)熱器，干燥的空氣經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器中，用末效的二次蒸汽作為加熱熱源，加熱后的空氣相對濕度進(jìn)一步降低，水分的容納能力增強(qiáng)。

(3)增加一臺廢水預(yù)濃縮器，經(jīng)過加熱的廢水和空氣進(jìn)入該預(yù)濃縮器中進(jìn)行氣液接觸強(qiáng)化傳質(zhì)，廢水水分快速蒸發(fā)到空氣中，空氣增濕到接近飽和濕度，實現(xiàn)廢水預(yù)濃縮的目的。

2.2 深度節(jié)能工藝流程

如圖2 所示，廢水和空氣分別在廢水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器中被雙效蒸發(fā)系統(tǒng)的末效二次蒸汽預(yù)熱，預(yù)熱后的廢水和空氣進(jìn)入廢水預(yù)濃縮器發(fā)生強(qiáng)化接觸，使廢水得到一定程度的預(yù)濃縮。預(yù)濃縮廢水再進(jìn)入預(yù)濃廢水預(yù)熱器中加熱，回收部分末效二次蒸汽的潛熱，后進(jìn)入雙效蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶。末效剩余的二次蒸汽在原蒸汽冷凝器中冷凝。經(jīng)過增濕的空氣進(jìn)入廢氣總管，系統(tǒng)冷凝水送至鍋爐。

圖2 雙效蒸發(fā)深度節(jié)能工藝流程圖

3 深度節(jié)能工藝計算

3.1 計算基準(zhǔn)

（1）氣候條件

年平均氣溫：25 ℃，空氣相對濕度：40%。

（2）廢水條件

高鹽廢水：20% Na2SO4廢水，廢水量：4 t/h。

（3）工藝條件

年運(yùn)行時間：330 d，每天運(yùn)行時長：24 h；新鮮蒸汽壓力：250 kPa，新鮮蒸汽用量：1824 kg/h；一效分離器溫度：105 ℃，一效分離器壓力：110 kPa；二效分離器溫度：71 ℃，二效分離器壓力：30 kPa；二效二次蒸汽產(chǎn)生量：1600 kg/h。

3.2 工藝節(jié)能計算

雙效蒸發(fā)末效二次蒸汽用于加熱廢水預(yù)熱器、空氣預(yù)熱器和預(yù)濃廢水預(yù)熱器。二次蒸汽壓力為30 kPa，溫度為69.12 ℃。廢水和空氣加熱后在廢水預(yù)濃縮器中接觸傳質(zhì)，使廢水得到一定程度的預(yù)濃縮。

3.2.1 廢水預(yù)熱器換熱計算

20%Na2SO4廢水的溫度為25 ℃，水量為4 t/h。采用管殼式換熱器換熱，經(jīng)過熱量衡算可得，廢水出口溫度為59 ℃，換熱負(fù)荷為130.17 kW，二次蒸汽消耗量為200.62 kg/h。

3.2.2 空氣預(yù)熱器換熱計算

空氣溫度為25 ℃，相對濕度為40%，空氣量為10000 m3/h。采用管殼式換熱器換熱，經(jīng)過熱量衡算可得，空氣出口溫度為59 ℃，換熱負(fù)荷為114.50 kW，二次蒸汽消耗量為176.47 kg/h。

3.2.3 廢水預(yù)濃縮器提濃計算

空氣和廢水經(jīng)過加熱后在廢水預(yù)濃縮器中充分接觸，強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過程。此過程遵循熱量守恒和質(zhì)量守恒，水分蒸發(fā)吸收的熱量應(yīng)等于空氣和廢水降溫釋放的熱量。經(jīng)過計算得知，水分蒸發(fā)量為274.58 kg/h，空氣和廢水接觸后溫度降低到33.38 ℃。廢水預(yù)濃縮后，濃度變?yōu)椋?/p>

3.2.4 預(yù)濃廢水預(yù)熱器換熱計算

預(yù)濃縮后的廢水溫度降低到33.38 ℃，在進(jìn)入雙效蒸發(fā)系統(tǒng)前可再次被二效二次蒸汽加熱。同樣采用管殼式換熱器換熱，經(jīng)過熱量衡算得知，廢水出口溫度為59 ℃，換熱負(fù)荷為90.22 kW，二次蒸汽消耗量為139.05 kg/h。

3.2.5 雙效蒸發(fā)系統(tǒng)節(jié)省蒸汽用量計算

在廢水預(yù)濃縮器中，空氣從廢水中帶走水分274.58 kg/h。

原廢水中Na2SO4的含量Q1、水的含量Q2分別為：

大美新疆（柳京） .........................................................................................................................................11-56

經(jīng)過預(yù)濃縮后，廢水中的水分含量為：

雙效蒸發(fā)系統(tǒng)每蒸發(fā)1 kg 水分約需要0.57 kg 蒸汽。經(jīng)過預(yù)濃縮后，廢水在雙效蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸發(fā)結(jié)晶可節(jié)省的蒸汽消耗量為：

4 設(shè)備設(shè)計選型

該深度節(jié)能工藝新增的設(shè)備包括廢水預(yù)熱器、空氣預(yù)熱器、離心風(fēng)機(jī)、廢水預(yù)濃縮器。蒸汽冷凝器和預(yù)濃廢水預(yù)熱器為系統(tǒng)原有設(shè)備。

4.1 廢水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器

廢水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器的操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 廢水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器的操作條件及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

4.2 離心風(fēng)機(jī)

該工藝中所需空氣風(fēng)量為10000 m3/h，選擇的離心風(fēng)機(jī)型號為4-72-6.3C，風(fēng)壓為1015～804 Pa，額定功率為7.5 kW，額定電壓為220 V。

4.3 廢水預(yù)濃縮器

廢水預(yù)濃縮器利用過程強(qiáng)化原理，在小尺寸的文丘里管中通入空氣，空氣經(jīng)過收縮段時流速逐漸增大，在喉管處達(dá)到最大，形成負(fù)壓。喉管處對稱開有若干個小孔，空氣從喉管處高速流過時可從小孔外吸入廢水，空氣與廢水在此發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，在擴(kuò)散段充分接觸的條件下強(qiáng)烈混合，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，從而使一部分水分快速進(jìn)入空氣中。多個小文丘里管平行布置，空氣和廢水均勻分布其中，在每個文丘里管的局部小空間內(nèi)強(qiáng)化接觸，使廢水得到一定程度的濃縮。

設(shè)備示意圖見圖3 和圖4，廢水預(yù)濃縮器包括順次連通的氣體進(jìn)氣室、氣液接觸室和氣液分離室。氣液接觸室內(nèi)設(shè)置有若干個水平放置的文丘里管，氣體進(jìn)氣室通過文丘里管與氣液分離室的氣路相通；文丘里管的喉部外側(cè)沿圓周方向均勻設(shè)置有若干個通氣小孔；氣液分離室頂部和底部分別設(shè)有氣體出口和廢水出口，氣液接觸室上連接有廢水進(jìn)水裝置。

圖3 廢水預(yù)濃縮器示意圖

圖4 廢水預(yù)濃縮器氣液接觸室文丘里管平面布置圖

為保證喉管處產(chǎn)生較大的負(fù)壓，喉管處流速通常設(shè)定為v1=50 m/s，則喉管截面積為：

喉管直徑：

喉管直徑圓整為0.06 m，即60 mm。

喉管長度：

收縮管進(jìn)口流速設(shè)定為v2=10 m/s，則收縮管入口截面積為：

收縮管入口直徑：

收縮管收縮角為θ1=25°，則收縮管長度為：

收縮管長度圓整為160 mm。

擴(kuò)散管出口流速通常設(shè)定為v3=15 m/s，則擴(kuò)散管出口截面積為：

擴(kuò)散管出口直徑：

擴(kuò)散管出口直徑圓整為0.11 m，即110 mm。

擴(kuò)散管張開角為θ2=8°，則擴(kuò)散管長度為：

擴(kuò)散管長度圓整為360 mm。

文丘里管總長度：

21 個文丘里管呈中心對稱布置，分別布置在三個同心圓上。各同心圓直徑相差為200 mm，文丘里管最外圈與氣液接觸室的邊緣間距為150 mm，則氣液接觸室的筒體直徑為：

氣液接觸室呈一個直徑為650 mm、長度為580 mm 的圓筒狀。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

廢水預(yù)濃縮后進(jìn)入雙效蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸發(fā)結(jié)晶，節(jié)省的新鮮蒸汽量為156.51 kg/h，原新鮮蒸汽用量為1824 kg/h，新鮮蒸汽節(jié)省比例為：

蒸汽價格為200 元/t，電價為0.9 元/kW·h。

新鮮蒸汽節(jié)省費用為：

離心風(fēng)機(jī)的電費為：

每小時節(jié)省運(yùn)行費用：

每年節(jié)省運(yùn)行費用：

采用本方法，每年可節(jié)省約20 萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

結(jié)合雙效蒸發(fā)系統(tǒng)及空氣增濕的原理，提出了一種雙效蒸發(fā)系統(tǒng)深度節(jié)能的工藝，對工藝進(jìn)行了節(jié)能計算和設(shè)備設(shè)計選型，并對深度節(jié)能工藝的經(jīng)濟(jì)效益作了計算分析。該工藝操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益好。