(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

蒸發(fā)濃縮是一種基本的化工單元操作，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、醫(yī)藥、冶金、食品加工、海水淡化、污水處理、原子能等領(lǐng)域中。蒸發(fā)濃縮操作主要通過使用源源不絕的生蒸汽作為熱源，關(guān)于低濃度、處理量大的物料，生蒸汽的消耗所帶來的能耗是相當(dāng)可觀的，節(jié)能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一[1]，合理使用能源,提高能源利用率是蒸發(fā)過程中必須重視的問題[2]。對(duì)于一些需要購買蒸汽的企業(yè)，隨著市場(chǎng)蒸汽價(jià)格的不斷上漲，蒸汽運(yùn)行的成本也越來越高，企業(yè)的負(fù)擔(dān)明顯增大。因此如何減少裝置蒸汽的運(yùn)行成本、使能耗降低，以此來達(dá)到節(jié)約能源的目的，是目前蒸發(fā)濃縮工藝亟待解決的問題。

目前，大多企業(yè)廣泛使用多效蒸發(fā)技術(shù)，利用前一效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效蒸發(fā)器的熱量來源。理論上多效蒸發(fā)的效數(shù)越多，所節(jié)省的生蒸汽越多，但隨著蒸發(fā)器效數(shù)的增多,設(shè)備投資費(fèi)和基建費(fèi)也相應(yīng)地增加。因此很多企業(yè)一般做到三效或者四效。但多效蒸發(fā)末效產(chǎn)生的蒸汽還存有很大的潛熱利用價(jià)值，直接進(jìn)入冷凝器無疑造成了巨大的能量浪費(fèi)，如果這些蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮后，使得二次蒸汽的溫度、壓力、熱焓值得到大幅度的提升，得到的高品位的二次蒸汽可以重新進(jìn)入第一效蒸發(fā)器內(nèi)替代新鮮蒸汽進(jìn)行換熱，于是除了啟動(dòng)該系統(tǒng)時(shí)，需要通入一點(diǎn)蒸汽外，只要產(chǎn)生二次蒸汽，就可關(guān)閉新鮮蒸汽的加入，這樣就充分利用了二次蒸汽的潛熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

1 傳統(tǒng)三效蒸發(fā)技術(shù)

多效蒸發(fā)是應(yīng)用最早的淡化方法，20世紀(jì)60年代末發(fā)展了低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)[3]。最大的低溫多效淡化裝置位于以色列的ASHDOD電廠，制水規(guī)模11.9萬m3/d，單機(jī)日產(chǎn)淡水1.7萬m3/d[4-5]。多效蒸發(fā)的多個(gè)蒸發(fā)器中只有第一效使用生蒸汽，因此生蒸汽的使用量大為減少。若忽略熱損失而沸點(diǎn)進(jìn)料，單效蒸發(fā)的單位蒸汽消耗量e約為1，n效蒸發(fā)的e約為1/n。多效蒸發(fā)由于其具有換熱性能好、動(dòng)力消耗少、操作彈性大等優(yōu)勢(shì)，在海水淡化技術(shù)中占重要地位[6-7]。

Kamali[8-9]等針對(duì)多效蒸發(fā)系統(tǒng)建立了質(zhì)量和能量平衡方程，編制了計(jì)算程序進(jìn)行求解。研究了系統(tǒng)效數(shù)、加熱蒸汽溫度、濃縮比等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)造水比的影響。研究結(jié)果表明：多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)造水比隨系統(tǒng)效數(shù)的增加而提高、隨加熱蒸汽溫度的提高而降低、隨系統(tǒng)濃縮比的增加而提高。

李清方[10-11]等針對(duì)油田污水成分復(fù)雜、不適合膜法脫鹽的特點(diǎn)，提出了用多效蒸發(fā)技術(shù)對(duì)油田污水進(jìn)行集中脫鹽的技術(shù)方案。建立了油田污水多效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程的計(jì)算模型，分析了蒸發(fā)溫度、效數(shù)等主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

傳統(tǒng)的三效并流降膜蒸發(fā)工藝如圖1所示其工作原理是，預(yù)熱后的原料液經(jīng)原料泵被輸送到第一效蒸發(fā)器的頂部進(jìn)料室，通過布液器進(jìn)入列管內(nèi)，與管外的生蒸汽進(jìn)行熱量交換，原料液以降膜形式蒸發(fā)。蒸發(fā)產(chǎn)生的濃縮液和二次蒸汽進(jìn)入分離器內(nèi)進(jìn)行分離，分離出來的二次蒸汽進(jìn)入第二效的加熱室作為加熱蒸汽，而分離后的濃縮液經(jīng)泵打入到第二效蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)一步濃縮。第二效分離出來的二次蒸汽進(jìn)入第三效的加熱室作為加熱蒸汽，產(chǎn)生的濃縮液經(jīng)泵打入到第三效蒸發(fā)器內(nèi)繼續(xù)濃縮到規(guī)定的濃度后通過出料泵排出，第三效產(chǎn)生的二次蒸汽則全部送進(jìn)冷凝器內(nèi)進(jìn)行冷凝。

多效蒸發(fā)是運(yùn)用前一效產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的熱量來源，雖然在一定程度上節(jié)省了生蒸汽，但是第一效依然需要提供源源不絕地生蒸汽，并且從末效出來的二次蒸汽還需要用冷凝水進(jìn)行冷凝。這樣不僅需要擔(dān)負(fù)冷凝水的費(fèi)用還浪費(fèi)了大量的蒸汽潛熱。

2 三效MVR蒸發(fā)技術(shù)

目前對(duì)MVR系統(tǒng)工業(yè)運(yùn)行的報(bào)道比較少，大多數(shù)還是僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行階段。

Narmine H A等[12]對(duì)埃及原子能管理局傳熱實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)能為5t/d的單級(jí)MVR脫鹽系統(tǒng)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明為保證水平管外較好的形成薄膜，濃海水的循環(huán)量為進(jìn)料量的15～20倍；蒸汽過熱度在15～20℃范圍內(nèi)；生產(chǎn)率隨著操作溫度的升高而增大。

周桂英[13]等對(duì)單級(jí)MVR處理麻黃素廢液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果指出采用該技術(shù)獲得的出水滿足生產(chǎn)回用要求；系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

武江津[14]等采用單級(jí)MVR系統(tǒng)對(duì)高濃度洗毛廢水處理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 結(jié)果表明該技術(shù)處理洗毛廢水效果良好。

綜上可知，已有一些對(duì)MVR實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道，這些研究大多是針對(duì)單效 MVR系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下的研究。 然而對(duì)于多效MVR蒸發(fā)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究還少有報(bào)道。而以實(shí)際工業(yè)運(yùn)行為背景的研究無論是處理何種物料更是鮮有報(bào)道。因此，對(duì)多效MVR技術(shù)開展具有工業(yè)運(yùn)行背景的研究，從實(shí)際運(yùn)行上分析和把握系統(tǒng)的運(yùn)行特征及規(guī)律，積累實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是促使該技術(shù)工程化發(fā)展亟須進(jìn)行的工作。

三效MVR蒸發(fā)技術(shù)的工藝流程如圖2所示。將末效蒸發(fā)器分離出來的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，其溫度、壓力升高，熱焓增大，然后進(jìn)入一效蒸發(fā)器加熱室冷凝并釋放出潛熱，受熱側(cè)的料液得到熱量后沸騰汽化產(chǎn)生二次蒸汽依次進(jìn)入后一效蒸發(fā)器作為熱源，第三效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)分離后再進(jìn)入壓縮機(jī)，周而復(fù)始重復(fù)上述過程，蒸發(fā)器蒸發(fā)的二次蒸汽源源不斷地經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮，提高熱焓，返回到一效蒸發(fā)器作為蒸發(fā)的熱源，這樣既省去了二次蒸汽冷卻水系統(tǒng)，節(jié)約了大量的冷卻水，還可以充分回收利用二次蒸汽的熱能，省掉生蒸汽，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 能耗對(duì)比分析

用1 t/h氯化鈉溶液的蒸發(fā)濃縮作為研究對(duì)象，對(duì)使用三效MVR蒸發(fā)和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)的工藝流程進(jìn)行能耗對(duì)比分析。

工藝條件：進(jìn)料量F=1 t/h，料液初始濃度x0=3.8%，完成液濃度為x3=18%，蒸發(fā)溫度為T1=99.6℃，加熱蒸汽溫度為T2=104.5℃，末效蒸汽出口溫度為T3=85.6℃。因此壓縮機(jī)溫升應(yīng)該達(dá)到△t=T1-T3=104.5-85.6=18.9℃，目前壓縮機(jī)能達(dá)到的最大溫升范圍為15～25℃。因此三效MVR工藝完全可行。

3.1 加熱蒸汽消耗量

多效蒸發(fā)主要是第一效耗費(fèi)加熱蒸汽，依據(jù)物料衡算

各效的熱量衡算式為

考慮到各種溫度差損失和蒸發(fā)器的熱損失等，查閱資料書及文獻(xiàn)[15]取上述數(shù)值后，代入熱量衡算式計(jì)算可得多效蒸發(fā)加熱蒸汽的消耗量為284.289 kg/h。一般工業(yè)蒸汽的價(jià)格為240元/t，全年工作時(shí)間按照7 200 h來計(jì)算，因此多效蒸發(fā)每年的蒸汽費(fèi)用為

284.289×7 200×0.24=491 251.4元

對(duì)于三效MVR蒸發(fā)，理論上，設(shè)備啟動(dòng)后正常運(yùn)行時(shí)，不再需要外來蒸汽的供給，只需要壓縮機(jī)耗費(fèi)一定的電能即可。

在本例中，根據(jù)已知條件，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，壓縮機(jī)的理論功率為

式中Wth——壓縮機(jī)理論功率/kW；

T1——進(jìn)氣溫度/℃；

P1——壓縮機(jī)進(jìn)氣壓強(qiáng)/kPa；

P2——壓縮機(jī)出口氣體壓強(qiáng)/kPa；

Rg——水蒸氣氣體常數(shù)/J·(kg·℃)-1，取值461 J/(kg·℃)；

n——多變系數(shù)，通常n=1.2～1.3。

由于壓縮機(jī)壓縮二次蒸汽屬于多變過程，壓縮機(jī)多變效率和機(jī)械效率均取90%，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)所消耗的總功率按下式計(jì)算

式中WT——壓縮機(jī)實(shí)際功率/kW；

ηe——機(jī)械效率/[%]；

ηm——多變效率/[%]。

壓縮機(jī)實(shí)際功率為

工業(yè)電價(jià)為0.7元/kW·h，全年工作時(shí)間按照7 200 h來計(jì)算，則三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)每年所消耗的電費(fèi)為

36.221×7 200×0.7=182 553.8元

因此根據(jù)上述數(shù)據(jù)，三效MVR較傳統(tǒng)多效蒸發(fā)，每年可以節(jié)省308 697.6元。

3.2 冷凝水消耗量

冷凝水的溫度為tw=25℃，排出溫度tk=30℃，冷凝壓力p=60 kPa,冷凝蒸汽量W3=246.192 kg/h

式中G——冷凝水流量/kg·h-1；

h——進(jìn)入冷凝器二次蒸汽的焓/J·kg-1；

W——進(jìn)入冷凝器的流量/kg·h-1；

CPW——水的比熱容/J·(kg·℃)-1,取值4.187×103J/(kg·℃)；

tw——冷凝水的初始溫度/℃；

tk——水冷凝液混合物的排出溫度/℃。

冷凝水的流量

=29 711.088 kg/h

因此三效蒸發(fā)的冷凝水流量為29.71 t/h。冷凝水的處理費(fèi)用為0.4元/t，因此三效蒸發(fā)每年所使用的冷凝水費(fèi)用為

29.71×0.4×7 200=85 564.8元

對(duì)于三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)來說，不僅末效產(chǎn)生的二次蒸汽可以升溫升壓后重新回到第一效作為熱源，而且加熱蒸汽的冷凝水又作為預(yù)熱原料的熱源，整個(gè)系統(tǒng)充分的回收利用了二次蒸汽的潛熱，因此省掉了冷凝水系統(tǒng)。所以三效MVR 比起傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)，每年還可以節(jié)省85 564.8元的冷凝水費(fèi)用。

3.3 綜合節(jié)能對(duì)比

為了便于相互對(duì)比和在總量上進(jìn)行研究，將三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)和多效蒸發(fā)系統(tǒng)各自耗費(fèi)的能量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量來進(jìn)行比對(duì)，可以將三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能效果直觀地體現(xiàn)出來。按照1 kWh電的等價(jià)熱量為0.4 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤，1 kg飽和蒸汽的等價(jià)熱量為0.14 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行計(jì)算，使用三效MVR每年所耗費(fèi)電的等價(jià)熱量為104.316 t標(biāo)準(zhǔn)煤。采用三效蒸發(fā)每年所消耗蒸汽的等價(jià)熱量為286.563 t標(biāo)準(zhǔn)煤。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以得出，相比于多效蒸發(fā)來說，使用三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)每年可以節(jié)省63.6%的標(biāo)準(zhǔn)煤。

4 結(jié)論

三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)既節(jié)省了加熱蒸汽的用量，同時(shí)又不需要用冷卻水冷凝末效的蒸汽，從而節(jié)省了冷卻水的費(fèi)用，可以說是節(jié)能顯著的一種工藝流程。本文通過1 t/h氯化鈉溶液的蒸發(fā)濃縮作為研究對(duì)象，分析了三效MVR蒸發(fā)技術(shù)和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)的能耗問題，對(duì)比結(jié)果顯示，使用三效MVR蒸發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)技術(shù)每年可節(jié)省308 697.6元的加熱蒸汽費(fèi)用及85 564.8元的蒸汽冷凝水費(fèi)用，相當(dāng)于節(jié)省了63.6%的標(biāo)準(zhǔn)煤。說明三效MVR蒸發(fā)節(jié)能效果明顯，運(yùn)行成本低，充分利用了二次蒸汽的潛熱，設(shè)備一經(jīng)啟動(dòng)，則不再需要新鮮蒸汽，只是需要一部分電能，使能耗大大降低。為三效MVR蒸發(fā)技術(shù)的推行使用提供了基礎(chǔ)。