權(quán)標

摘 要：基于自回熱原理的蒸汽機械再壓縮是一種高效的蒸發(fā)技術(shù)，通過絕熱壓縮循環(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。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)有的蒸汽機械再壓縮技術(shù)基礎(chǔ)上，以城市生物質(zhì)廢物為研究對象，并以傳熱學理論作指導，進一步研究過熱蒸汽干燥過程的機理，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)下羅茨式壓縮機的工作過程。

關(guān)鍵詞：蒸汽機械再壓縮；節(jié)能；能效；流程模擬；水處理

1 研究背景

我國作為一個資源匱乏的國家，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展和對能源的不斷消耗，節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成為中國工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。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)等多個行業(yè)普遍采用的高耗能熱分離過程，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，國內(nèi)普遍采用的蒸發(fā)工藝為多效蒸發(fā)和多級閃蒸蒸發(fā)。這兩種蒸發(fā)工藝由于逐效或逐級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，投資費用高。對于多效蒸發(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，不適于進行低溫蒸發(fā)。而對于多級閃蒸如要實現(xiàn)低溫蒸發(fā)則需要較大的抽真空系統(tǒng)，這樣費用大大增加，難以實現(xiàn)。因而為了能進行低溫下生產(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)工藝的改造和升級已為國內(nèi)外廣泛關(guān)注。蒸汽機械再壓縮技術(shù)（Mechanical vapor recompression，簡稱MVR）作為重新利用它自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源需求的一項節(jié)能技術(shù)，因其在節(jié)能上的優(yōu)勢及其工業(yè)上的適用性已引起業(yè)界的極大重視。

2 蒸汽機械再壓縮技術(shù)的原理

蒸汽機械再壓縮技術(shù)（MVR）的原理是充分利用蒸汽的潛熱，用壓縮機將低品位蒸汽再次壓縮，機械能轉(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。蒸汽機械再壓縮只要在蒸發(fā)啟動時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)進行，從而實現(xiàn)潛熱的持續(xù)循環(huán)使用。MVR技術(shù)使原來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力消耗。

3 蒸汽機械再壓縮技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應用

城市生活廢水無法簡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，而且MVR得工藝簡單，靈活性高，可以有效的避免廢水處理過程中常見的起沫、結(jié)垢、腐蝕等現(xiàn)象。在20世紀末期國外關(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)濟效益等，很多學者都做出了深入的研究，隨著MVR技術(shù)以及壓縮機制造技術(shù)的進步，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溫升較高鹽類技術(shù)也日漸成熟，使得MVR技術(shù)可以應用在成分更復雜的廢水當中。

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)建了所有化工過程所涉及的原理公式和完善的化工數(shù)據(jù)庫，并且自帶強大的分析工具。正因為如此，ASPEN PLUS可以很方便的計算出復雜的流程，我們使用ASPEN PLUS對蒸汽機械干燥流程進行簡單的模擬，并和常見的真空干燥系統(tǒng)能效比（COP）進行對比值。

在整個模擬過程中，我們設(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，選擇簡單計算，同時輸入換熱面積。每只圓盤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，通過設(shè)定功率或者出口壓力可以改變物流的壓力。在模擬過程中需要1只壓縮機模塊。圖中物料從最左端進入換熱器 YUHEATER，輸入物流名稱為SAMPLE。同時有廢水與廢棄WATER3進入換熱器YUHEATER，經(jīng)過換熱后的廢水WATER4排出系統(tǒng)。而后物料SAMPLE0進入加熱器HEATER，然后以SAMPLE2出來，流入換熱器MOHEATER，此時有過熱蒸汽WATER2進入換熱器MOHEATER，經(jīng)過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)過加熱器補充后達到蒸發(fā)條件。物料SAMPLE3進入分離器FENLI，分離器FENLI將飽和水蒸汽從SAMPLE3中分離開，送入壓縮機YASUO，同時將其他的非氣態(tài)物質(zhì)SAMPLE4排出。飽和蒸汽WATER1經(jīng)過壓縮機YASUO的加壓升溫后成為過熱蒸汽WATER2，被送入換熱器MOHEATER回收火用。經(jīng)過換熱后的WATER3進入換熱器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，故傳熱過程中溫度不變，換熱器的傳熱溫差可認為熱端冷凝溫度與冷端蒸發(fā)溫度差值。

圖4對比了蒸汽機械再壓縮技術(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)的加熱干燥過程中的COP值的10-15倍，節(jié)能效果明顯。

近年來，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)得到了國家大力推廣，其低能耗、高效率的特點明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸發(fā)干燥技術(shù)，在未來有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>