田 雨，王漢治，李帥旗，何世輝?，宋文吉，馮自平

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（mechanical vapor recompression,MVR）在蒸發(fā)過程中可循環(huán)利用二次蒸汽潛熱，是一種高效的節(jié)能技術(shù)[1]。相比于反滲透和多效蒸發(fā)等廢水處理方式，MVR具有工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和無需冷熱源等優(yōu)點，很適合用于處理高鹽廢水的蒸發(fā)結(jié)晶問題[2-3]。但同時，蒸發(fā)結(jié)晶過程中含鹽廢水濃度接近飽和、沸點升顯著升高，從而導(dǎo)致MVR系統(tǒng)能耗增大、節(jié)能率降低[4]。

近年來，研究人員對 MVR處理高濃度、高沸點升的廢水進(jìn)行了大量研究。LIANG等[5]對處理高濃度含 (NH4)2SO4廢水的兩級 MVR系統(tǒng)進(jìn)行了分析，得出耗功最小的一級出口濃度；劉燕等[6]針對高沸點升的含NaOH的蒸發(fā)過程提出了分級壓縮的MVR系統(tǒng)，考察了沸點升高、壓縮比、一級排出濃度對能耗與設(shè)備成本的影響；ZHOU等[4]對MVR處理高濃度含Na2SO4廢水進(jìn)行了實驗研究，得出了蒸發(fā)速率和壓縮機(jī)比功耗隨蒸發(fā)器換熱溫差的變化規(guī)律；HAN等[7]對零排放的MVR海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對單級與多級 MVR系統(tǒng)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，MVR能高效處理高鹽廢水的蒸發(fā)濃縮，但用于蒸發(fā)結(jié)晶時能耗顯著上升。

利用太陽能蒸發(fā)結(jié)晶的方式處理高鹽廢水具有能耗低、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在實踐中得到了一定的應(yīng)用[8-10]。太陽能蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)流程主要包括預(yù)處理、太陽池和強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶[10]。一般而言，利用太陽能蒸發(fā)結(jié)晶的方式具有顯著的節(jié)能效果，但同時也存在占地面積大、對天氣因素依賴程度大等問題，且大面積的太陽池也不利于維護(hù)與管理。

針對以上問題，本文提出耦合太陽能集熱的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，通過有效結(jié)合太陽能蒸發(fā)結(jié)晶與 MVR技術(shù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，在占地面積較小的情況下高效實現(xiàn)廢水零排放。為獲得合理的優(yōu)化設(shè)計運(yùn)行參數(shù)，本文系統(tǒng)研究了濃縮倍率、換熱溫差、閃蒸壓力、太陽輻照強(qiáng)度等參數(shù)對壓縮機(jī)耗功、系統(tǒng)熱效率、集熱面積和物料處理量等參數(shù)的影響。

1 系統(tǒng)循環(huán)理論

如圖1所示，耦合太陽能集熱的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)由 MVR與太陽能集熱器兩個部分組成。系統(tǒng)的主要部件包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、閃蒸罐、物料循環(huán)泵和太陽能集熱器。該系統(tǒng)中，含鹽廢水的蒸發(fā)結(jié)晶分兩步進(jìn)行。廢液從入口端1進(jìn)入蒸發(fā)器中，然后在高溫蒸汽的加熱下濃縮（狀態(tài)點6）。系統(tǒng)中蒸發(fā)濃縮過程的熱量占主要部分，該過程通過MVR技術(shù)實現(xiàn)，以提高蒸發(fā)效率。濃縮后的廢液通過物料循環(huán)泵進(jìn)入太陽能集熱器中加熱，然后進(jìn)入閃蒸罐中閃蒸，廢液在過飽和狀態(tài)下析出晶體，最終實現(xiàn)廢液的零排放。在該系統(tǒng)中，蒸發(fā)器與閃蒸罐通過壓縮機(jī)保持負(fù)壓狀態(tài)，且二者所處壓力狀態(tài)相同。

圖1 耦合太陽能集熱的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a solar-assisted MVR evaporative crystallization system

2 數(shù)值模型

為簡化計算，對模型做如下假設(shè)[11-12]：①系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；②結(jié)晶循環(huán)采用槽式太陽能集熱器；③忽略蒸發(fā)器和連接管路的散熱損失和壓降；④閃蒸過程、物料混合過程絕熱；⑤壓縮機(jī)入口蒸汽處于飽和狀態(tài)；⑥忽略結(jié)晶熱；⑦壓縮機(jī)等熵效率為0.8；⑧物料循環(huán)泵等熵效率為0.75。

2.1 太陽能聚光集熱器模型

在耦合太陽能集熱的 MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中，槽式太陽能聚光集熱器用于廢液的結(jié)晶。集熱系統(tǒng)收集的有用能（Qcoll）由式（1）計算[13]：

式中：I—太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Acoll—集熱面積，m2；ηcoll—集熱效率，可由下式計算：

其中：a0—集熱器截斷效率，0.6128[13]；a1—第一修正系數(shù)，2.3025[13]；Tcoll,in—集熱器入口溫度，℃；Tamb—環(huán)境溫度，℃。

2.2 蒸發(fā)器模型

蒸發(fā)器為 MVR系統(tǒng)的核心部件之一。循環(huán)過程中，廢液在蒸發(fā)器中濃縮至接近飽和狀態(tài)，該過程有大量的熱量交換。蒸發(fā)器的主要數(shù)值模型如下。

蒸發(fā)器內(nèi)濃溶液的沸點升可表示為[14]：

式中：T2—蒸發(fā)器出口蒸汽溫度，℃；γ—對應(yīng)于T2的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；c—質(zhì)量濃度。

蒸發(fā)器換熱溫差定義為：

式中：Tsat—飽和溫度函數(shù)；P4—壓縮機(jī)出口蒸汽的飽和壓力，kPa。

濃縮倍率N：

蒸發(fā)器熱負(fù)荷[14]：

式中：m—質(zhì)量流量，kg/s；h—工質(zhì)焓，kJ/kg；cp—比熱容，kJ/(kg·℃)。

2.3 閃蒸罐模型

依據(jù)式（4）～ 式（6），閃蒸過程絕熱，且出口處蒸汽處于飽和狀態(tài)。閃蒸罐內(nèi)的絕熱閃蒸過程質(zhì)量守恒、組分守恒以及能量守恒方程如下[1]：

2.4 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)用于提升二次蒸汽溫度，以實現(xiàn)蒸發(fā)過程中蒸汽潛熱的二次利用。壓縮機(jī)的增壓比和耗功可由以下公式計算[15]：

式中：h4s—等熵壓縮過程狀態(tài)點4的焓值，kJ/kg；ηcomp—壓縮機(jī)等熵效率。

2.5 物料循環(huán)泵模型

閃蒸過程中物料的大量顯熱轉(zhuǎn)化為水蒸汽潛熱，體現(xiàn)為閃蒸過程中物料溫度的降低。因此，實際運(yùn)行過程中需要較大的物料循環(huán)倍率。物料循環(huán)倍率CR的定義如下：

物料循環(huán)泵的功耗模型為[15]：

式中：v—循環(huán)物料的比體積，m3/kg；ηpump—循環(huán)泵等熵效率。

2.6 性能評價參數(shù)

系統(tǒng)熱效率COP是評價性能的一個重要指標(biāo)，由于本文系統(tǒng)中存在電能與熱能兩種輸入能源，其計算公式可表達(dá)如下[16]：

式中：Tamb—環(huán)境溫度，℃；T9—集熱器出口溫度，℃；ηex—太陽能熱發(fā)電的?效率，此處ηex=0.7。

3 結(jié)果與分析

耦合太陽能集熱的 MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的典型運(yùn)行工況參數(shù)在表1中給出。典型工況下，壓縮機(jī)耗功以及COP分別為67.46 kW和24.96，太陽能集熱器的集熱面積、集熱效率以及溫升分別為894.1 m2、0.419和28.23℃。以下研究過程中，除特殊說明外，運(yùn)行參數(shù)皆為表1中的典型工況參數(shù)。

表1 典型運(yùn)行工況參數(shù)Table 1 Typical operating conditions

圖2和圖3給出了不同濃縮倍率對壓縮機(jī)耗功、COP、集熱面積以及集熱器和蒸發(fā)器熱負(fù)荷的影響。由圖2可知，壓縮機(jī)耗功隨濃縮倍率的增大逐漸增大，但集熱面積逐漸減小，其中，當(dāng)濃縮倍率從 4增大到12時，壓縮機(jī)耗功增大了71.5%，而所需集熱面積減小 72.9%。隨濃縮倍率的增大，蒸發(fā)器出口料液的濃度逐漸升高、沸點升增大，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)壓比升高、壓縮機(jī)耗功增大，但此時集熱器熱負(fù)荷降低、集熱面積降低。系統(tǒng)COP隨濃縮倍率升高時呈先增后減趨勢，在特定濃縮倍率下存在最大值。低濃縮倍率下，系統(tǒng)效率主要受太陽能集熱發(fā)電效率換算系數(shù)的影響，整體效率較低；而高濃縮倍率下，受蒸發(fā)器沸點升的影響，壓縮機(jī)耗功快速上升，整體效率在達(dá)到最大值后也逐漸降低。由圖 2可知，在高濃縮倍率下，隨著濃縮倍率的升高，壓縮機(jī)耗功快速增大，而所需集熱面積的減小速度卻降低，因此，濃縮倍率以COP最大點選取可以同時兼顧初始投資成本與運(yùn)行成本。圖2中，COP在濃縮倍率為8.5左右達(dá)到最優(yōu)值，為24.96。

圖3給出了不同濃縮倍率下集熱器與蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖中可知，集熱器熱負(fù)荷隨濃縮倍率增大而逐漸降低，而蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化趨勢相反。濃縮倍率的變化會影響熱負(fù)荷在集熱器與蒸發(fā)器中的分配比例，但二者的熱負(fù)荷之和基本不變，總熱負(fù)荷在2 469 kW左右。

圖2 壓縮機(jī)耗功、COP與集熱面積隨濃縮倍率的變化Fig.2 Wcomp,COP and Acoll vs.concentration ratio

圖3 Qcoll與Qevap隨濃縮倍率的變化Fig.3 Qcoll and Qevap vs.concentration ratio

不同閃蒸壓力對壓縮機(jī)耗功、COP以及集熱面積的影響如圖4，此時濃縮倍率為8.5。對于MVR系統(tǒng)，閃蒸壓力升高有利于降低壓縮機(jī)壓比，從而降低壓縮機(jī)耗功，但對太陽能集熱系統(tǒng)而言，低溫條件下的集熱器效率較高。因此，隨閃蒸壓力升高，壓縮機(jī)耗功降低、集熱面積增大、系統(tǒng)COP降低。閃蒸壓力從30 kPa上升至60 kPa時，壓縮機(jī)耗功降低2.4%、集熱面積增大16.6%、COP降低1.8%。此外，MVR系統(tǒng)低壓閃蒸有利于降低系統(tǒng)溫度，從而可有效減少換熱器內(nèi)的結(jié)晶與腐蝕，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5給出了壓縮機(jī)耗功、COP與壓縮機(jī)壓比隨蒸發(fā)器換熱溫差的變化趨勢。蒸發(fā)器換熱溫差直接影響壓縮機(jī)壓比，隨換熱溫差增大，壓縮機(jī)壓比升高、壓縮機(jī)耗功增大，從而導(dǎo)致COP降低。當(dāng)蒸發(fā)器換熱溫差由3℃升高至8℃時，壓縮機(jī)壓比與耗功分別增加了22.8%和85.7%，而COP降低了34.4%。降低蒸發(fā)器換熱溫差將顯著提高系統(tǒng)效率，但同時也會增大換熱設(shè)備的換熱面積和初始投資成本。

圖4 壓縮機(jī)耗功、COP與集熱面積隨閃蒸壓力的變化Fig.4 Wcomp,COP and Acoll vs.flash pressure

圖5 壓縮機(jī)耗功、COP與壓縮機(jī)壓縮比隨蒸發(fā)器換熱溫差的變化Fig.5 Wcomp,COP and πcomp vs.ΔTevap

不同閃蒸壓力下，太陽輻照強(qiáng)度與環(huán)境溫度對物料處理量的影響如圖6所示，其中，太陽能集熱面積為894 m2、蒸發(fā)器換熱溫差ΔTevap為5℃。隨太陽輻照強(qiáng)度與環(huán)境溫度的升高，物料處理量皆呈線性增大，但相比太陽輻照強(qiáng)度而言，環(huán)境溫度的影響較小。太陽輻照強(qiáng)度增加可顯著提高集熱系統(tǒng)的熱量，從而提高物料處理量，而環(huán)境溫度對處理量的影響則主要通過改變集熱效率實現(xiàn)。由圖6可知，當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度從300 W/m2上升至1 000 W/m2時，相比典型工況（I= 600 W/m2、Pflash=30 kPa），太陽輻照強(qiáng)度每增大 100 W/m2，物料處理量相應(yīng)增加24.4%；而當(dāng)環(huán)境溫度從20℃升高至30℃時，總物料處理量增加不足0.1 kg/s。此外，對比不同閃蒸壓力可知，低閃蒸壓力下系統(tǒng)的物料處理量較大，尤其在太陽輻照強(qiáng)度較低的情況下，通過降低閃蒸壓力可以有效提升含鹽廢水處理量。由圖6可知，當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度分別為600 W/m2和25℃時，相比30 kPa閃蒸，閃蒸壓力上升至60 kPa時，系統(tǒng)物料處理量降低14.3%。

圖6 不同閃蒸壓力下，物料處理量隨（a）太陽輻照強(qiáng)度、（b）環(huán)境溫度的變化Fig.6 m0 vs.I (a) and m0 vs.Tamb (b) at different flash pressures

4 結(jié) 論

針對高濃度含鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶過程中沸點升高、壓縮機(jī)耗功大、能效降低等問題，提出耦合太陽能集熱的 MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的建模分析，研究了閃蒸壓力、濃縮倍率、蒸發(fā)器換熱溫差以及環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)熱效率、集熱面積以及物料處理量等參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：

（1）針對質(zhì)量濃度為2%的NaCl廢水，耦合太陽能集熱的MVR系統(tǒng)壓縮機(jī)比耗功為67.46 kJ/kg，COP達(dá)24.96；（2）隨蒸發(fā)器濃縮倍率的增大，壓縮機(jī)耗功顯著增加，但同時集熱面積明顯減小。當(dāng)濃縮倍率由4升高至12時，壓縮機(jī)耗功增加了71.5%，而所需集熱面積減小了 72.9%；（3）典型工況下，當(dāng)濃縮倍率為 8.5左右時系統(tǒng) COP達(dá)到最優(yōu)值24.96；（4）低壓閃蒸有利于降低系統(tǒng)溫度并提高物料處理量，但壓縮機(jī)耗功隨之增大。