蒸汽機械再壓縮技術的理論研究

權標

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技術，通過絕熱壓縮循環利用工藝中的蒸汽冷凝熱和冷卻熱，與傳統多效蒸發技術相比具有顯著的優勢。在污水處理、海水淡化、化工、食品工業等領域有著廣闊的應用前景，于節能環保方面更是有著顯著的成效。本文主要在現有的蒸汽機械再壓縮技術基礎上，以城市生物質廢物為研究對象，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，并在此基礎上利用仿真軟件ASPEN建立三維模型，研究模擬蒸汽狀態下羅茨式壓縮機的工作過程。

關鍵詞：蒸汽機械再壓縮；節能；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，隨著現代化建設的飛速發展和對能源的不斷消耗，節能技術已經成為中國工業發展的重要趨勢。其中，蒸發濃縮干燥作為在污水處理、海水淡化、化工、食品工業等多個行業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是發展節能產業的重要部分。目前，國內普遍采用的蒸發工藝為多效蒸發和多級閃蒸蒸發。這兩種蒸發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，具有一定的節能效果。但是這兩種形式結構龐大，投資費用高。對于多效蒸發由于要在末效設置冷凝器，這就使得系統的操作溫度受限于冷凝水溫度，不適于進行低溫蒸發。而對于多級閃蒸如要實現低溫蒸發則需要較大的抽真空系統，這樣費用大大增加，難以實現。因而為了能進行低溫下生產，目前最常用的是單效蒸發技術。但這種技術耗能較大。因此蒸發工藝的改造和升級已為國內外廣泛關注。蒸汽機械再壓縮技術（Mechanical vapor recompression，簡稱MVR）作為重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源需求的一項節能技術，因其在節能上的優勢及其工業上的適用性已引起業界的極大重視。

2 蒸汽機械再壓縮技術的原理

蒸汽機械再壓縮技術（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，機械能轉變為熱能，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啟動時提供一定的能量使系統產生二次蒸汽，然后即可不再用外加蒸汽而使蒸發連續進行，從而實現潛熱的持續循環使用。MVR技術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，是現有蒸發工藝中能耗效率最高的工藝，成本是傳統三效蒸發技術的20%左右。并且省去了二次蒸汽處理，可以節約大量的冷卻水和動力消耗。

3 蒸汽機械再壓縮技術在廢水處理領域的應用

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廢物，限制了膜法的應用，因此蒸發成為高鹽、高毒廢水處理的首選方法。與現行的其他蒸發方法相比，MVR技術不僅在能耗上占有顯著的優勢，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、結垢、腐蝕等現象。在20世紀末期國外關于采用MVR技術處理廢水的技術便已經非常成熟，國內也出現了量的關于垃圾滲濾液的研究和工程案例。對于多效MVR蒸發方法處理含鹽廢水的工藝流程、參數和經濟效益等，很多學者都做出了深入的研究，隨著MVR技術以及壓縮機制造技術的進步，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也日漸成熟，使得MVR技術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是一款基于穩態的化工流程模擬軟件，它幾乎內建了所有化工過程所涉及的原理公式和完善的化工數據庫，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能效比（COP）進行對比值。

在整個模擬過程中，我們設定室溫為20攝氏度，物料SAMPLE樣品平均粒徑為65um，堆積密度293.3kg/m3，高位發熱量17.85MJ/kg。根據實際情況，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置換熱器參數時，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。壓力變送設備的單元操作模塊選擇Compr模型作為壓縮機，通過設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，經過換熱后的廢水WATER4排出系統。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，經過加熱器補充后達到蒸發條件。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物質SAMPLE4排出。飽和蒸汽WATER1經過壓縮機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。經過換熱后的WATER3進入換熱器YUHEATER繼續回收顯熱，最后為WATER4排出系統。

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溫度差值。

圖4對比了蒸汽機械再壓縮技術（MVR）和常規的真空干燥技術之間COP系數，系統中的潛熱得到了充分的利用，是傳統的加熱干燥過程中的COP值的10-15倍，節能效果明顯。

近年來，MVR技術作為化工業、水處理等各類行業蒸發濃縮環節的新興技術得到了國家大力推廣，其低能耗、高效率的特點明顯優于傳統的蒸發干燥技術，在未來有著巨大的發展潛力。