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(江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

基于蒸汽再壓縮技術的低溫干燥系統設計與節(jié)能分析

周雷,韓東，何緯峰，岳晨，蒲文灝

(江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

為了解決干燥行業(yè)熱效率低下的問題，本文將機械蒸汽再壓縮技術引入熱敏性物料的低溫干燥領域，設計了一種新型低能耗低溫干燥系統，并采用夾點分析技術對新型低溫干燥系統的熱力性能進行了優(yōu)化。計算結果表明，所設計的新型低溫干燥系統能耗為19.57 kW，與相同條件下的常規(guī)低溫干燥系統相比，新型干燥系統的能耗僅為常規(guī)低溫回熱干燥系統的7.7%。同時，系統能耗隨著蒸發(fā)溫度與壓縮機壓比的降低而不斷下降。所做工作為低溫干燥系統的性能分析及優(yōu)化提供了參考。

低溫干燥；機械蒸汽再壓縮；夾點分析；節(jié)能

0 引言

干燥是一種傳統的傳熱傳質技術，幾乎存在于所有工業(yè)領域。同時，干燥也屬于高能耗行業(yè)[1]，全球10%～20%的能源用于干燥過程，在我國干燥所用能源占國民經濟總能耗12%左右，但干燥行業(yè)的熱效率普遍低下，通常僅為30%～40%[2]。另外干燥時所產生的有害氣體，如：煙塵、CO2和SO2，都對環(huán)境造成了污染。干燥分為高溫干燥和低溫干燥，低溫干燥主要針對熱敏性物料，這些物料在高溫下會發(fā)生熱解、變質，甚至會發(fā)生燃燒爆炸等危險現象，所以熱敏性物料、生物質以及污泥等不適宜在高溫下進行干燥。而低溫干燥通常采用熱風干燥以及真空干燥，兩者都存在熱效率低、干燥速率慢的情況[3]。

為了提高干燥效率，越來越多的節(jié)能技術被運用到干燥系統中，如：A.Iguaz[4]設計了一種旋轉干燥機干燥蔬菜的熱空氣循環(huán)系統，并進行模擬分析，發(fā)現熱空氣循環(huán)系統能節(jié)省28%～63%的能量。國際干燥協會主席Arun S.Mujumdar[5]通過研究指出過熱蒸汽干燥技術是一種具有巨大潛力的干燥技術，利用蒸汽替代空氣干燥與濕物料進行接觸換熱，可提高干燥速度，縮短干燥時間，因為蒸汽潛熱值高。而且不用考慮空氣濕度等因素。此外，過熱蒸汽干燥具有對環(huán)境友好、更加節(jié)能以及與物料直接無氧化反應可帶走酸性氣體等優(yōu)點。Ian C.Kemp[6]利用夾點分析技術分析不同空氣干燥技術的干燥效率，指出空氣干燥的熱力學因素與經濟性嚴重制約了夾點技術在干燥中的應用，需要改變干燥介質。Chihiro Fushimi[7]在流化床干燥的基礎上研發(fā)了自回熱干燥技術，可同時利用干燥介質的顯熱與潛熱，大幅降低干燥能耗。曹黎[8]采用自行設計的污泥熱泵干燥裝置對不同含水率的污泥進行了實驗研究，證明污泥熱泵干燥的可行性。

近些年，機械蒸汽再壓縮技術(MVR)被逐漸應用于干燥領域，Martin Fehlau[9]計算了蒸汽再壓縮干燥過程的經濟成本，找到影響蒸汽再壓縮過程的參數，確定最佳壓比等。戴群特[10]分別計算了不同蒸發(fā)溫度下機械蒸汽再壓縮系統的COP值，并設計了機械蒸汽再壓縮固體干燥系統。陳彬[11]研究開發(fā)新型盤式污泥干燥設備，并采用機械蒸汽再壓縮技術降低設備能耗。Carlos Peregrina[12]計算了三種不同污泥浸油干燥過程的能耗，證明基于機械蒸汽再壓縮技術的干燥流程能耗最小且生產成本低于傳統干燥過程。但對于低溫干燥領域的節(jié)能減耗缺乏相應設計研究與應用。故本文以機械蒸汽再壓縮技術為基礎，設計一種低能耗的低溫干燥系統。并運用Aspen Plus系統仿真軟件以及夾點技術模擬優(yōu)化干燥系統。

1 基于機械蒸汽再壓縮與夾點分析技術的系統模型

1.1 機械蒸汽再壓縮

圖1 MVR系統簡圖

如圖1MVR系統所示,機械蒸汽再壓縮技術(Mechanical Vapor Recompression)能有效回收蒸發(fā)濃縮和干燥時產生的大量水蒸氣，而水蒸氣攜帶的能量絕大部分為潛熱。其工作原理是蒸發(fā)器產生的廢熱蒸汽經機械式蒸汽壓縮機作用后，溫度、焓值均得到有效提升，再返回蒸發(fā)器作為加熱熱源，使液體進一步蒸發(fā)。系統本身能基本達到熱平衡，新鮮蒸汽僅用于補充系統熱損失和進出料熱焓，從而大幅度減少蒸發(fā)器對外來新鮮蒸汽的消耗，達到了降低能耗的目的。

1.2 夾點分析技術

70年代末曼徹斯特大學Bodo Linnhoff教授及其同事在前人研究成果的基礎上提出了換熱網絡優(yōu)化設計方法，并逐步發(fā)展成為化工過程能量綜合技術的方法論,即夾點技術[13](Pinch technology)?；すに囘^程中存在多股冷、熱物流,冷、熱物流間的換熱量與公用工程耗量的關系可用溫-焓(T-H) 圖2表示。多股冷、熱物流T-H圖上可分別合并為冷、熱物流復合曲線,兩曲線H軸上投影的重疊即為冷、熱物流間的換熱量,不重疊的即為冷熱公用工程耗量。當兩曲線在水平方向上相互移近時,熱回收Qx增大，而公用工程耗量Qc和QH減小,各部位的傳熱溫差也減小。當曲線互相接近至某一點達到最小允許傳熱功當量溫差△Tmin時，熱回收量達到最大Qx,max,當冷、熱公用工程耗量達到最小(Qc,min，QH,min)，兩曲線運動縱坐標最接近的位置叫做夾點。

圖2 夾點技術原理

1.3 新型低溫干燥系統模型

如圖3所示，在機械蒸汽再壓縮技術基礎上的設計低溫干燥系統，并運用夾點分析技術對系統進行節(jié)能改造。此系統不僅回收了干燥器中物料蒸發(fā)的二次飽和蒸汽，而且回收過熱蒸汽冷凝后飽和水的一部分顯熱。物料經過預熱器1吸收飽和冷凝水的顯熱，再經過加熱器2加熱到沸點溫度Tb(沸點進料能減少一部分損失)，進入經真空泵6抽真空后的干燥器3，在干燥器3中物料吸收過熱蒸汽顯熱，然后產生相變傳熱，即等溫蒸發(fā)冷凝；蒸發(fā)后的飽和蒸汽與物料由分離器4分離，飽和蒸汽經壓縮機5壓縮做過Wk升溫升壓后變?yōu)檫^熱蒸汽，返回干燥器熱端干燥物料。由于壓縮機進出口壓差導致干燥器熱端壓力高于濕物料冷端壓力，所以過熱蒸汽的冷凝溫度高于冷端蒸發(fā)溫度Tb。

圖3 新型低溫干燥系統

2 系統模擬及結果分析

為了計算干燥過程中的能量與物流平衡，本文運用Aspen Plus對傳統低溫回熱干燥[14]與新型干燥系統進行模擬研究。并選取以下條件：

(1)選取玉米秸稈N[15]作為干燥樣品進行研究；

(2)濕物料的質量流量為1 000 kg/h(濕基含濕率50%)；

(3)最后干燥樣品含20%的水分，即蒸發(fā)75%的水分；

(4)換熱器以及干燥器最低傳熱溫差10 K；

(5)干燥器與換熱器都為逆流換熱器；

(6)壓縮機的絕熱效率假設為90%；

(7)忽略傳熱過程中的熱損失。

圖4 常規(guī)回熱干燥系統流程

如圖4所示的帶回熱的低溫干燥模擬結果示意圖，當加熱器中絕對壓力為19 kPa時，水分的沸騰溫度為333.15 K。在加熱器加熱過程中，為達到在分離器中能分離出375 kg/h飽和水蒸氣的目的，加熱器所需能耗為254.24 kW，分離器中分離出的水蒸氣可用于預熱濕物料，回收27.3 kW的潛熱。

圖5 基于機械蒸汽再壓縮干燥的模擬過程

如圖5所示的是設計的基于機械蒸汽再壓縮技術的低溫干燥工藝流程，玉米秸稈N(500 kg/h)與水(500 kg/h)的混合物經過換熱器后，回收冷凝水的一部分顯熱值達到314.25 K。此時，根據夾點技術原理將換熱器的進口溫差△Tmin設定為最小溫差，即夾點溫差10 K。加熱器將玉米秸稈與水的混合物加熱到327.75 K。此時，抽真空的干燥器中壓力為20 kPa,水的沸騰溫度為333.15 K。物料進入干燥器時迅速升溫至沸點，并與過熱蒸汽交換大量潛熱，物料中的水分蒸發(fā)成為溫度333.15 K的飽和蒸汽后經分離器分離物料與蒸汽，分離后的飽和蒸汽經過壓縮機增溫增壓后，成為溫度376.55 K的過熱蒸汽，壓縮后干燥器熱端的壓力為30 kPa，水的冷凝溫度為343.15 K，保持冷熱溫差大于等于夾點溫差△Tmin。根據質量與能量平衡計算整個干燥過程的凈能耗，關系式為

QNET=QHEATER+QCOM

整個系統的凈能耗QNET等于加熱器能耗QHEATER(11.05 kW)加壓縮機能耗QCOM(8.52 kW)。計算得19.57 kW。

圖6 系統冷熱物流組合曲線

與傳統低溫回熱干燥相比，經過設計優(yōu)化的機械蒸汽再壓縮低溫干燥系統的凈能耗能減少至7.7%。證明了經過夾點分析優(yōu)化的機械蒸汽再壓縮干燥系統能顯著利用干燥過程中的潛熱與顯熱，提高干燥效率。整個系統的關鍵在于物料中的水分能否與過熱蒸汽或冷凝水實現有效的傳熱過程，圖6顯示了系統中每一個換熱單元的溫度與熱流(T-Q)的示意圖。換熱器中物料吸收冷凝水的顯熱，冷凝水的熱流曲線與濕物料的熱流曲線的溫差保持在10 K以上，直到濕物料進口與冷凝水出口溫差達到夾點溫差△Tmin=10 K，證明此過程可行。隨后，濕物料進入加熱器被恒溫加熱至接近干燥器中水份蒸發(fā)溫度333.15 K，加熱器中熱端溫度保持不變。在干燥器中，物料在吸收過熱蒸汽顯熱過后，等溫蒸發(fā)成為飽和蒸汽；熱端蒸汽釋放潛熱后成為飽和冷凝水。這樣可有效減少系統損。冷熱物流曲線的溫差保持在10 K以上。飽和蒸汽與物料經分離器分離后被送入壓縮機，輸入功率Wk升溫升壓至過熱蒸汽。

在以上的模擬研究中，常規(guī)回熱干燥與新型低溫干燥均是在壓力19 kPa，即水分的蒸發(fā)溫度為333.15 K的情況下進行仿真計算。為了比較不同蒸發(fā)溫度下，兩種系統的能量消耗情況，故計算了系統蒸發(fā)溫度313.15 K到353.15 K，即干燥器中絕對壓力為：7 kPa到47 kPa下系統能耗及新型低溫干燥系統與常規(guī)干燥系統能耗比，新型低溫干燥系統壓縮機壓比均為1.5。如表1所示。

由比較結果看出，因為新型基于機械蒸汽再壓縮技術的低溫干燥系統利用了蒸汽大量潛熱與顯熱，故其能耗在不同溫度下都在常規(guī)干燥系統能耗11%以下，節(jié)能效果良好。其中，蒸發(fā)溫度越低，系統能耗越小。

表1 不同蒸發(fā)溫度下兩種干燥系統的能耗

為了比較不同壓差下新型低溫干燥系統能耗，本文選取干燥器沸騰溫度333.15℃時，壓縮機壓比為1.5到3時的狀態(tài)參數，在利用Aspen Plus分別計算系統能耗及與常規(guī)低溫干燥系統能耗比，計算結果如表2所示。結果表明，在壓縮機壓比越高的情況下，系統能耗也隨之升高。故系統壓比的選取不宜過高，在保證干燥器中換熱能有效進行的情況下，壓比應選取最小值。

表2 不同壓縮機壓比下新型低溫干燥系統的能耗

3 結論

本文基于機械蒸汽再壓縮系統，開發(fā)了一種不僅能回收蒸汽潛熱，還能回收顯熱的低溫干燥系統。并利用夾點分析技術，對低溫系統進行了節(jié)能改造，進一步降低了系統能耗。利用Aspen Plus進行質量與能量衡算，模擬結果顯示傳統真空干燥過程耗能245.3 kW，而新的低溫干燥系統在相同條件下耗能僅為19.57 kW，表明新型低溫干燥系統能大幅減少能耗，提高干燥效率。此外，對不同蒸發(fā)溫度和壓縮機壓比條件下的系統性能進行分析，發(fā)現隨著系統干燥器蒸發(fā)溫度以及壓縮機壓比的降低，系統能耗也不同程度下降。目前，基于機械蒸汽再壓縮的干燥技術還有待深入研究，今后應加強相關技術的實驗研究，為這項擁有巨大潛力的干燥技術提供更有力的技術支持。

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ANovelDesignandEnergy-savingAnalysisofLow-temperatureDryingSystemsBasedonMechanicalVaporRecompression

ZHOU Lei,HAN Dong,HE Wei-feng,YUE Chen,PU Wen-hao

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems，College of Energy & Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210036,China)

In order to solve the problem of low thermal efficiency in drying industry, mechanical vapor recompression technology is applied to the field of low-temperature drying for heat-sensitive materials. A new low-power and low-temperature drying system is developed. Pinch analysis technique is used to optimize the novel low-temperature drying system thermal performance. The results show that the new low-temperature drying system energy consumption is 19.57 kW.Compared with conventional low-temperature drying system in the same condition, the new conventional drying system energy consumption is only 7.7% of conventional low-temperature drying system. Meanwhile, with evaporating temperature and the compressor pressure ratio decreasing, the system energy consumption is declining. The work provides a reference to low-temperature drying system performance analysis and optimization.

low-temperature drying; vapor recompression; pinch technology; energy-saving

2013-06-18修訂稿日期2013-10-15

江蘇省科技支撐計劃重點項目(BE2011160);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

周雷(1989～)，男，碩士研究生；主要從事節(jié)能、機械蒸汽再壓縮以及干燥技術的研究。

TQ051.5

A

1002-6339 (2014) 01-0060-05