沈九兵，譚牛高，肖艷萍，李志超

（江蘇科技大學能源與動力學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

近年來我國工業(yè)蓬勃發(fā)展，對水資源的消耗越來越大，且工業(yè)生產(chǎn)過程中會排放大量的高鹽廢水，其成分復雜，常含有Cu2+、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CO32-、NO3-、Cl-、SO42-等離子，如排至環(huán)境將會對水資源造成嚴重的污染〔1-3〕。零液排放（ZLD）是一種處理工業(yè)廢水的新興技術，其能最大限度地減少廢物排放，回收資源，還能減輕淡水消耗對生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力，是一種實現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的良好途徑〔4-5〕。ZLD 流程的實際配置可以包括4 個步驟〔6-7〕：物理/化學預處理、蒸發(fā)器濃縮、結晶器形成晶體、固液分離裝置分離晶體。雖然ZLD 技術能夠最大限度地減少對水源的污染并擴大供水，但由于極高的成本和巨大的能源消耗，其工業(yè)規(guī)模的應用受到限制。Runyao HUANG 等〔3〕以“碳達峰”為背景，對我國長三角地區(qū)污水處理廠的能源效率和處理技術差異進行了系統(tǒng)評價，結果表明我國很多污水處理廠在能源利用效率上仍然有很大的提升空間。

基于自熱回收技術（SHRT）的機械蒸汽再壓縮（MVR）系統(tǒng)具有較高的節(jié)能效率，能夠將排放的余熱完全回收再利用，在針對不同工業(yè)廢水的實驗過程中取得較好的效果〔8-10〕。由于溶液濃度增加，溶液的沸點升高（BPE）也會隨之增加〔11〕，為保障一定的傳熱溫差，單效/級MVR 系統(tǒng)運行成本也會增加，受此影響，單效/級MVR 系統(tǒng)僅在濃縮溶液中溶質最終質量分數(shù)小于6%的領域得到了廣泛應用〔12〕。對于處理高濃度工業(yè)廢水的蒸發(fā)系統(tǒng)，目前大多數(shù)都含有多個水蒸氣壓縮機〔12-16〕，構建的系統(tǒng)是由單級MVR 系統(tǒng)串聯(lián)而成，以三級MVR 系統(tǒng)為例，其工藝流程見圖1。雖然這些系統(tǒng)處理工業(yè)廢水能耗都比單級MVR 系統(tǒng)低，但由于系統(tǒng)中水蒸氣壓縮機數(shù)量增多，系統(tǒng)的造價比較昂貴。

圖1 三級MVR 系統(tǒng)Fig.1 Three level MVR system

以SHRT 作為設計思路，結合多效蒸發(fā)（MEE）系統(tǒng)多次循環(huán)利用自身熱量的優(yōu)勢和單級MVR 系統(tǒng)余熱再回收的技術，在僅使用1 臺水蒸氣壓縮機的前提下設計了單效至五效多個MVR 系統(tǒng)，以高BPE 氯化鈣溶液作為處理液，基于當下熱力系統(tǒng)理論研究常用的Aspen Plus 系統(tǒng)仿真軟件〔17-20〕，對各系統(tǒng)進行了變工況研究與分析，旨在為研發(fā)處理高濃度工業(yè)廢水的多效MVR 系統(tǒng)提供理論參考，同時給出設計優(yōu)化方向。

1 多效MVR 系統(tǒng)及其仿真模型

1.1 多效MVR 系統(tǒng)原理

圖2 為一效MVR 系統(tǒng)的運行原理，溶液由離心泵泵入預熱器，被冷凝水預熱后進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內的溶液吸熱后產(chǎn)生二次蒸汽，二次蒸汽經(jīng)過熱消除器消除過熱后進入壓縮機，升溫升壓后進入蒸發(fā)器內冷凝釋放熱量，形成的冷凝水經(jīng)預熱器排出系統(tǒng)。

1—離心泵；2—預熱器；3—蒸發(fā)器；4—過熱消除器；5—水蒸氣壓縮機

圖3 為三效MVR 系統(tǒng)，其示意了多效MVR 系統(tǒng)流程。與圖1 所示的多級MVR 系統(tǒng)不同，多效MVR蒸發(fā)器的運行壓力逐級遞減，且多效MVR 系統(tǒng)只在末級設置水蒸氣壓縮機，將末級蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次水蒸氣升溫升壓后送入第一效蒸發(fā)器。一效至五效MVR 系統(tǒng)的區(qū)別僅在于蒸發(fā)器的數(shù)量不一樣。圖3中a、b、b'、c 等示意了各流股的焓，相應的三效MVR系統(tǒng)內水蒸氣的壓焓見圖4。

由圖4 可知，由于水蒸氣的液化潛熱隨壓力升高而降低，即一定量高壓飽和蒸汽冷凝釋放的潛熱在一定傳熱溫差下不能得到等量的低壓二次蒸汽，因此三效MVR 系統(tǒng)中3 個蒸發(fā)器蒸發(fā)水量隨壓力降低逐一遞減，經(jīng)末級蒸發(fā)器生產(chǎn)的二次蒸汽經(jīng)壓縮機升溫升壓后不能滿足第一蒸發(fā)器的熱量需求，故系統(tǒng)中設置了新鮮蒸汽的補償入口。

在蒸發(fā)濃縮過程中，溶液的BPE 隨溶液濃度增加而增加，產(chǎn)生的蒸汽也處于過熱狀態(tài)〔13〕，因此，多效MVR 系統(tǒng)入口都設置了過熱消除器，將壓縮機吸氣溫度降至飽和溫度，達到節(jié)約壓縮機能耗、提高壓縮機能效的目的。

圖3 三效MVR 系統(tǒng)Fig.3 Three-effect MVR system

圖4 三效MVR 系統(tǒng)水蒸氣壓焓Fig.4 Water vapor pressure-enthalpy diagram of three-effect MVR system

1.2 多效MVR 系統(tǒng)仿真模型

利用Aspen Plus 軟件可建立系統(tǒng)的多效MVR仿真模型，具體見圖5。

圖5 三效MVR 模擬圖Fig.5 Three-effect MVR simulation diagram

如圖5 所示，系統(tǒng)蒸發(fā)器的數(shù)量為3 個，對應三效MVR 系統(tǒng)，單效至五效的模型區(qū)別僅為對應的蒸發(fā)器數(shù)量不同。系統(tǒng)進行仿真模擬時，在軟件工藝流程選項中選擇設計規(guī)范選項，定義溶液出口溶質的質量分數(shù)為自變量，新鮮蒸汽入口流量為因變量，模擬系統(tǒng)會根據(jù)溶液出口溶質的質量分數(shù)自動調節(jié)新鮮蒸汽的入口流量，保證有足夠流量的水蒸氣提供熱量給蒸發(fā)器，并且合理分配每個蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量，使蒸發(fā)器蒸發(fā)的二次蒸汽能夠滿足下一蒸發(fā)器蒸發(fā)水量所需的熱量需求，保證最后一個蒸發(fā)器濃溶液出口溶質的質量分數(shù)滿足預設的參數(shù)。

2 多效MVR 系統(tǒng)仿真模型驗證

多效MVR 系統(tǒng)進行仿真模擬時，需假設：（1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運行；（2）預熱器、蒸發(fā)器以及管路的熱量損失忽略不計；（3）忽略管路的壓降和泵的功耗；（4）MVR 系統(tǒng)仿真中，壓縮機效率設定值范圍為0.7～0.8〔21-23〕，本系統(tǒng)仿真時壓縮機效率設為0.72。

為驗證系統(tǒng)仿真模型的可行性和準確性，將本研究一效MVR 系統(tǒng)模型的仿真結果與文獻〔9〕的實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，結果見表1。

表1 模擬結果和實驗結果與設計參數(shù)對比Table 1 Comparison between simulation results，experimental results and design parameters

從表1 可以看出，在相同設計參數(shù)的條件下，本模擬結果和實驗結果的誤差均在較小的范圍內，由此可見，建立的系統(tǒng)模型能夠在一定的誤差范圍內對系統(tǒng)的蒸發(fā)濃縮進行模擬。實驗過程中壓縮機功耗與設計值及仿真結果誤差均較大，原因在于實驗用的壓縮機額定功率為4 kW，與設計參數(shù)偏差較大，較大的壓縮機尺寸導致氣體泄漏量、摩擦、散熱等不可逆損失增大。

3 多效MVR 系統(tǒng)模擬參數(shù)設定

將多效MVR 系統(tǒng)處理的溶液設為氯化鈣溶液，不同壓力條件下氯化鈣溶液泡點溫度隨溶液中氯化鈣質量分數(shù)的變化見圖6。

由圖6 可知，當氯化鈣質量分數(shù)大于30%時，溶液的BPE 迅速升高，若進一步對溶液進行蒸發(fā)濃縮，蒸汽與溶液的傳熱溫差會明顯增大，MVR 系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢降低。因此，本MVR 系統(tǒng)進行氯化鈣溶液處理時，設定溶液中氯化鈣的目標質量分數(shù)為30%。筆者主要對熱基ZLD 技術中蒸發(fā)器濃縮過程進行分析，濃溶液結晶的過程和晶體分離步驟不進行討論。

圖6 氯化鈣溶液泡點溫度與溶液中氯化鈣質量分數(shù)的關系Fig.6 Relationship between bubble point temperature of calcium chloride solution and mass fraction of calcium chloride in solution

用Aspen Plus 模擬時選擇電解質向導，可以快速生成電解質體系的組分和反應。物性計算在Aspen Plus 中選擇ELECNRTL 物性方法。多效MVR 系統(tǒng)各蒸發(fā)器之間設置的壓差能夠滿足蒸發(fā)器內蒸發(fā)和冷凝的最小溫差大于5 ℃。溶液入口氯化鈣質量分數(shù)設為3%，溫度為25 ℃，流量為1 000 kg/h，壓力參數(shù)見表2。

表2 仿真過程主要的壓力參數(shù)設定值Table 2 Set values of main pressure parameters in the simulation process

4 多效MVR 系統(tǒng)模擬結果分析

4.1 多效MVR 系統(tǒng)能耗分析

壓縮機能耗和新鮮蒸汽消耗是決定多效MVR系統(tǒng)運行能耗的主要因素，根據(jù)上述參數(shù)設定，對一效至五效MVR 系統(tǒng)進行了仿真模擬，得到各效系統(tǒng)能耗情況，如圖7 所示。

由圖7 可知，壓縮機的運行功率隨著MVR 系統(tǒng)效數(shù)的增加逐漸降低，但是降低的幅度逐漸減小。這是由于隨著效數(shù)的增加，多效MVR 系統(tǒng)利用SHRT 優(yōu)勢通過蒸發(fā)器之間的壓差蒸發(fā)了一部分水，導致末級蒸發(fā)器出口的二次蒸汽量減小，雖然隨著效數(shù)的增加蒸汽壓縮的壓比會增加，但壓縮機功率還是在降低。

圖7 多效MVR 模擬運行結果Fig.7 Multi-effect MVR simulation operation results

此外，一效MVR 系統(tǒng)不需要額外消耗新鮮蒸汽，多效MVR 系統(tǒng)的新鮮蒸汽消耗量從二效開始隨著效數(shù)的增加逐漸增大，但是增加幅度不大。這是由于隨著效數(shù)的增加，進入壓縮機再壓縮的二次蒸汽流量不斷降低，壓縮機功率降低，提供給第一蒸發(fā)器的熱量逐漸降低，因此需提高新鮮蒸汽流量對系統(tǒng)進行熱量補充。

4.2 多效MVR 系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

定義多效MVR 系統(tǒng)運行費用如式（1）所示。

式中：p運行——系統(tǒng)運行費用，元/h；

c蒸汽——新鮮蒸汽的單價，元/kg；

qm——新鮮蒸汽流量，kg/h；

c電——電費單價，元/（kW·h）；

w壓——壓縮機功率，kW。

我國不同地區(qū)的工業(yè)電費和工業(yè)水蒸氣的價格有浮動，電費的浮動區(qū)間在0.7～1 元/（kW·h），工業(yè)水蒸氣的價格浮動區(qū)間在150～250 元/t。為了對多效MVR 系統(tǒng)運行費用進行準確預估，把電費和工業(yè)水蒸氣價格劃分成4 種組合，如表3 所示。

表3 電費和工業(yè)水蒸氣價格4 種方案組合Table 3 Combination of four schemes of electricity charge and industrial steam price

將多效MVR 系統(tǒng)在傳熱ΔT=5 ℃時的運行工況數(shù)據(jù)代入式（1），得到圖8 所示的結果。由圖8 可知，對于4 種不同的價格組合，二效至五效MVR 系統(tǒng)都比一效MVR 系統(tǒng)節(jié)省運行費用，且二效至五效MVR 系統(tǒng)的運行費用在4 種價格組合中都非常接近。雖然三效至五效MVR 系統(tǒng)多數(shù)組合情況下比二效MVR 系統(tǒng)的運行費有少許下降，綜合各效MVR 系統(tǒng)的復雜程度、操作控制難度、初期投資成本和運行成本，二效MVR 系統(tǒng)仍將是一個比較好的選擇。

4.3 多效MVR 系統(tǒng)能量增益性能分析

為評價多效MVR 系統(tǒng)的熱力學效率，筆者參考用于評價多效蒸發(fā)MEE 系統(tǒng)性能的能量增益效率GOR〔24〕定義，提出了新的GORMVR指標，用來衡量多效MVR 系統(tǒng)方案優(yōu)越程度，具體見式（2）。

圖8 多效MVR 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析Fig.8 Economic analysis of multi-effect MVR system

式中：md——系統(tǒng)蒸發(fā)水量，kg/h；

ms——折算后的新鮮蒸汽流量，kg/h；

mq——壓縮機功率折算后的蒸汽流量，kg/h。

ms和mq的計算方法分別見式（3）、式（4）。

式中：Q1——新鮮蒸汽冷凝過程釋放的潛熱，kJ/h；

Q2——新鮮蒸汽冷凝后釋放的顯熱，kJ/h；

q3——單位質量溶液吸收的潛熱，J/g；

q4——單位質量溶液吸收的顯熱，J/g；

P——壓縮機功率，kW。

Q1、Q2、q3、q4對應的計算分別見式（5）～式（8）。

式中：m1——系統(tǒng)消耗新鮮蒸汽量，kg/h；

r1——新鮮蒸汽的汽化潛熱，J/g；

CP1——水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

ΔT1——飽和水冷卻到過冷水之間的溫差，K；

r2——單位質量溶液蒸發(fā)所需的潛熱，J/g；

CP2——溶液的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

ΔT2——溶液入口溫度到飽和溶液之間的溫差，K。

調整多效MVR 系統(tǒng)仿真模擬時的蒸發(fā)冷凝傳熱溫差，將仿真結果代入上述一系列公式，得到多效MVR 系統(tǒng)的GORMVR，結果見圖9。

圖9 多效MVR 系統(tǒng)GORMVR分析Fig.9 GORMVR analysis of multi-effect MVR system

由圖9 可知，相同溫差下，一效MVR 的GORMVR指標最高，說明一效MVR 的能量增益比最大，它能夠充分利用自身的熱量多次重復蒸發(fā)溶液的水分；相同溫差下，GORMVR指標隨著系統(tǒng)效數(shù)的增加而逐級減小，雖然多效MVR 系統(tǒng)消耗的壓縮機能耗隨著效數(shù)的增加逐漸減小，但是需要補充的新鮮蒸汽量卻逐漸增大，導致在用GORMVR來表征系統(tǒng)增益比的時候明顯多效MVR 不如一效MVR 系統(tǒng)；不同溫差下，各效系統(tǒng)隨著傳熱溫差的增大GORMVR指標迅速下降，這是由于各效MVR 消耗的電功和新鮮蒸汽量都隨著傳熱溫差增大而迅速增大。

GORMVR指標越低說明系統(tǒng)能量的增益效果越差。雖然用經(jīng)濟性對多效MVR 系統(tǒng)進行分析時多效MVR 系統(tǒng)能更好地降低運行成本，但是新鮮蒸汽也需要消耗大量的能源。單純用經(jīng)濟性對熱基ZLD系統(tǒng)分析不符合我們國家節(jié)能減排和“碳中和”的宏偉目標，但工業(yè)上追求低成本的運行目標也不應該被忽略。對此，可以通過利用太陽能、風能、波浪能、生物質能等能源來產(chǎn)生蒸汽，這樣既不消耗高品位的能量來產(chǎn)生蒸汽，又能夠利用這些蒸汽降低多效MVR 系統(tǒng)蒸發(fā)濃縮高鹽廢水熱基ZLD 系統(tǒng)的運行費用。國內外學者已經(jīng)在海水淡化和廢水蒸發(fā)處理系統(tǒng)中耦合新能源裝置進行了很多實驗，并取得了較好的實驗成果〔25-29〕。在多效MVR 系統(tǒng)中耦合新能源蒸汽發(fā)生裝置，將是多效MVR 系統(tǒng)接下來的設計方向。

5 結論

針對現(xiàn)有多級串聯(lián)的MVR 水處理系統(tǒng)蒸汽壓縮機數(shù)量多、系統(tǒng)造價昂貴的問題，同時為響應國家“雙碳”計劃，解決零液排放工藝過程中廢水濃縮高成本的問題，進行了設有過熱消除器和新鮮蒸汽補給的多效MVR 蒸發(fā)濃縮水處理系統(tǒng)設計與仿真研究，結果表明：

（1）所建立的仿真模型的仿真結果與文獻中的實驗數(shù)據(jù)誤差最高為3.4%，表明所建立的仿真模型能有效地用于多效MVR 系統(tǒng)研究；

（2）綜合各效MVR 系統(tǒng)的復雜程度和運行成本，二效MVR 系統(tǒng)將是工業(yè)廢水蒸發(fā)濃縮的一個優(yōu)選；

（3）提出新的GORMVR指標，用來衡量多效MVR系統(tǒng)方案優(yōu)越程度，結果表明一效MVR 系統(tǒng)的GORMVR最高，多效MVR 系統(tǒng)的GORMVR將隨著效數(shù)增加和傳熱溫差的增大而下降。綜合GORMVR和運行成本，在多效MVR 系統(tǒng)中耦合新能源蒸汽發(fā)生裝置將是多效MVR 系統(tǒng)接下來的設計方向。