機械蒸汽再壓縮技術在石化廢水處理系統中的應用研究

廖昌建 余良永 趙利民 等

摘 要：針對某石化廢水的水質特點，提出了采用板式蒸發強制循環機械蒸汽再壓縮工藝回收廢水資源。在考慮濃縮液沸點升高及強制循環對系統影響的條件下，建立了MVR系統工藝計算數學模型，分析了蒸發溫度、廢水溫度及壓縮比對MVR系統的影響。模型求解結果表明：該廢水采用常壓蒸發，可降低系統能耗，同時高溫進料有利于降低系統的總比傳熱面積；隨著壓縮比的增加，壓縮機比電耗增加，而系統總比傳熱面積減小，且其減少的速率減緩，壓縮比是控制系統傳熱溫差、壓縮機比電耗和總比傳熱面積的主要因素，壓縮比對MVR系統的投資和運行成本的控制起關鍵性作用，在廢水進料溫度45 ℃、濃縮液循環10 m3/h的情況下，廢水常壓蒸發的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

關 鍵 詞：石化廢水；板式蒸發器；機械蒸汽再壓縮；工藝優化；數學模型

中圖分類號：X 703 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2443-04

Application of the Mechanical Vapor Recompression Technology

in Treatment of Petrochemical Wastewater

LIAO Chang-jian1，YU Liang-yong2，ZHAO Li-min1，WANG Hai-bo1，

MA He-xu1，WANG Jing-jing1

（1.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ， SINOPEC，Liaoning Fushun 113001， China；

2.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co.， Ltd. Ordos Coal Liquefaction Branch， Nei Monggol Ordos 017209， China）

Abstract： According to properties of petrochemical wastewater， the mechanical vapor recompression （MVR） process using plate evaporator with forced circulation was proposed to recycle wastewater resources. Considering the influence of the boiling point elevation and forced circulation， the complete mathematical model of MVR process was developed for process optimization and analysis， and the influence of evporation temperature， wastewater temperature and compression ratio on the MVR system performance was analyzed. The results show that， the method of atmospheric evaporation can be used to reduce the energy consumption； higher waste water temperature can result in a slight decrease in specific heat transfer area； and when compression ratio increases， specific power consuption increases， but specific heat transfer area decreases. So the compression ratio is the controlling factor that determines the heat transfer temperature difference， specific power consumption and specific heat transfer area of the MVR system， and the compression ratio plays a key role in controlling investment and operation cost of the MVR system. When waste water temperature is 45 ℃， concentrated liquid recirculated flow rate is 10 m3/h， the economical compression ratio is 1.4 to 1.6.

Key words： Petrochemical wastewater；Plate evaporator；Mechanical vapor compression；Process optimization；Mathematical model

隨著國家環保法律法規的日趨嚴格，企業廢水零外排已成為一種趨勢。機械蒸汽壓縮（MVR）技術是目前廢水處理應用領域的一種新的工藝技術。國外提出采用MVR技術蒸發濃縮回收含鹽廢水。國內陳金增等對船舶用MVR技術淡化海水系統建立了數學模型，分析了MVR蒸發系統工作性能隨蒸發溫度的變化規律[1]；黃成等對機械壓縮式熱泵在制鹽工藝中的應用進行了簡述，對其原理、組成、技術參數及主要投資運行費用進行了介紹[2]；鄒龍生等對MVR技術濃縮滲濾液熱力過程進行了數值模擬，闡述了滲濾液入口溫度與換熱器面積的關系、蒸發倍數與蒸發器面積、壓縮比的關系等[3]；龐衛科等對采用離心風機的機械蒸汽再壓縮熱泵系統進行了性能分析，考察了可用于處理小流量的風機型機械蒸汽再壓縮熱泵的運行參數[4]；石成君等對MVR技術處理高含鹽廢水的進料預熱溫度、蒸發傳熱溫差、蒸發溫度以及進出料濃度等因素進行了分析[5]；李清方等對MVR技術處理油田污水脫鹽過程進行了建模分析[6]。

1 廢水性質分析

1.1 水質分析

采用折光鹽度儀、電導儀、臺式pH計等，主要分析廢水的總硬度、懸浮物濃度、氮含量、COD、pH等項目，分析結果見表1。

表1 廢水水質

Table 1 Properties of waste water

項 目 廢 水 項 目 廢 水

總硬度/（mg?L-1） 0.792 pH值 6.1

凱氏氮含量/（mg?L-1） 4050 TDS /（mg?L-1） 10 600

氨氮含量/（mg?L-1） 52.7 電導率/（uS?cm-1） 4 820

硝酸鹽氮含量/（mg?L-1） 18.7 BOD5 /（mg?L-1） 8 150

亞硝酸氮含量/（mg?L-1） 0.33 COD /（mg?L-1） 30 000

1.2 廢水沸點測量

采用蒸發法測量廢水沸點，該石化廢水的初始沸點為103.4 ℃，當廢水濃縮3.3倍時，蒸發釜中出現結垢、結焦現象，濃縮液沸點升高至104.1 ℃，當廢水濃縮6.5倍時，出現嚴重結垢，此時濃縮液沸點為104.5 ℃。

2 MVR工藝流程

某石化廢水蒸發濃縮采用板式升膜蒸發器、強制循環蒸發濃縮工藝，工藝流程見圖1。原料廢水首先在凝結水預熱器和濃縮液預熱器中進行預熱，回收系統排放的余熱，預熱器選用板式換熱器，預熱廢水與循環液一起進入板式蒸發器中，在蒸發器內被壓縮蒸汽加熱，實現部分廢水蒸發，被加熱的物料進入分離器中進行汽液分離。分離出的二次蒸汽進入壓縮機增壓、提溫，壓縮蒸汽作為蒸發熱源，其在蒸發器中被凝結為飽和冷凝水。

圖1 機械蒸汽壓縮工藝流程

Fig.1 Process of mechanical vapor compression

3 建模及模型求解條件

根據MVR系統質量平衡、能量平衡和熱量傳遞方程，建立系統數學模型[7-9]。假設系統為穩態過程，不考慮系統參數的動態變化，不考慮廢水中溶解的不凝氣對蒸發系統的影響。忽略系統蒸汽泄漏、散熱損失及分離器中除霧器的壓降損失。考慮系統蒸發濃縮過程中液體沸點升高及液體強制循環對系統的影響。

在常壓蒸發處理該廢水量為1.5 m3/h的條件下，重點分析廢水蒸發溫度、進料溫度及壓縮比對MVR蒸發系統的影響。模型求解工況條件見表2。

表2 模型工況條件

Table 2 Conditions of model

工 況 1 2 3

原料廢水進料溫度/℃ 45 45 25～80

壓縮比/（kPa?kPa-1） 1.5 1.2～2 1.4

蒸發溫度/℃ 70～104.5 104.5 104.5

液體循環量/ （m3?h -1） 10 10 10

冷凝水回收量/ （m3?h -1） 1 1 1

4 結果與討論

4.1 蒸發溫度對系統的影響

圖2 蒸發溫度對壓縮機比電耗的影響

Fig.2 Influences of evporation temperature on specific power comsuption

圖3 蒸發溫度對總比傳熱面積的影響

Fig.3 Influences of evporation temperature on specific heat transfer area

模型求解所選用的蒸發溫度范圍為70～104.5℃，求解條件見表2的工況1，且不考慮蒸發溫度的變化對傳熱系數的影響，壓縮機壓縮比為1.5時，蒸發器的傳熱溫差為8.7 ℃，計算不同蒸發溫度對MVR系統的影響。MVR蒸發系統的總比傳熱面積為蒸發器和預熱器的總面積與回收凝結水量的比值[6]。圖2、圖3分別給出了蒸發溫度對MVR系統壓縮機比電耗和總比傳熱面積的影響，由圖可知，蒸發溫度由70 ℃升高至104.5 ℃，壓縮機比電耗由35 kW?h/m3減少到18 kW?h/m3，總比傳熱面積由100.4 m2?（kg?s-1）-1增加至104.0 m2?（kg?s-1）-1，蒸發溫度提高對總比傳熱面積的影響較小，但可以降低系統能耗。因此，蒸發過程可采用常壓或微正壓操作，既可以降低系統能耗，也可避免空氣進入蒸發系統對蒸發傳熱的影響。

4.2 壓縮比對系統的影響

模型求解所選用的壓縮比為1.2～2.0，求解條件見表2的工況2。在蒸發溫度不變的情況下，壓縮比增加，壓縮過程中蒸汽過熱溫度增大，將使用于消除壓縮蒸汽過熱度的噴淋水量增加。圖4為壓縮比與蒸發器傳熱溫差的關系，傳熱溫差隨壓縮比的增加而加大，但溫差的增率依次減緩。壓縮比由1.2增至2.0時，傳熱溫差由1.8 ℃增加至17 ℃。

圖4 壓縮比對傳熱溫差的影響

Fig.4 Influences of compression ratio on heat transfer temperature difference

隨著壓縮比的增加，壓縮機比電耗增加，而系統總比傳熱面積減小，且其減少的速率減緩。圖5給出了壓縮比對MVR系統壓縮機比電耗的影響，壓縮機比電耗隨壓縮比的增加幾乎成線性增大，壓縮比由1.2增大至2時，壓縮機比電耗由15 kW·h/m3變至22.7 kW?h/m3。圖6給出了壓縮比對MVR系統總比傳熱面積的影響，壓縮比對總比傳熱面積的影響較顯著，在低壓縮比時，蒸發器的傳熱溫差較小，需要的總比傳熱面積比較大，隨著壓縮比增加，蒸發傳熱溫差提高，總比傳熱面積逐漸減少。壓縮比由1.2增加到1.4時，總比傳熱面積由410.8 m2?（kg?s-1）-1減少到119.4 m2?（kg?s-1）-1，而壓縮比由1.4增加到2.0時，總比傳熱面積由119.4 m2?（kg?s-1）-1減少到53.3 m2?（kg?s-1）-1。其中，總比傳熱面積減少的主要是蒸發器的傳熱面積。總比傳熱面積和壓縮機比電耗分別反映了MVR系統的投資成本和運行成本。壓縮比增加，可減少系統的總投資，但增加了系統的能耗，從而加大了系統的運行成本。李清方等通過分析傳熱溫差對總比傳熱面積和壓縮機比電耗的影響，提出了在設計MVR系統時應優化考慮系統投資與運行成本之間的關系[6]。結合圖5、圖6可知，MVR系統中壓縮機的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

圖5 壓縮比對壓縮機比電耗的影響

Fig.5 Influences of compression ratio on specific power comsuption

圖6 壓縮比對總比傳熱面積的影響

Fig.6 Influences of compression ratio on specific heat transfer area

4.3 原料廢水進料溫度對系統的影響

圖7 廢水溫度對總比傳熱面積的影響

Fig.7 Influences of waste water temperature on specific heat transfer area

模型求解所選用的廢水進料溫度范圍為25～80℃，求解條件見表2的工況3。壓縮機壓縮比1.4時，蒸發器的傳熱溫差為7 ℃。原料廢水溫度的變化主要對廢水預熱的熱負荷和換熱面積有影響，對壓縮機的比電耗沒有影響。原料廢水溫度升高，廢水預熱的熱負荷和預熱面積減少。圖7給出了廢水進料溫度對總比傳熱面積的影響。由圖可知，廢水進料溫度升高，總比傳熱面積的減小趨勢與溫度變化基本成線性關系，在廢水進料溫度由25 ℃增至80 ℃時，總比傳熱面積由128 m2?（kg?s-1）-1減少至103 m2?（kg?s-1）-1。

5 結 論

（1）通過水質分析和蒸發濃縮測量廢水的沸點，得到某石化廢水的TDS、COD濃度均為上萬毫克每升，當廢水濃縮6.5倍時其沸點為104.5 ℃，其為MVR系統設計提供了理論依據。

（2）結合廢水的性質，提出了廢水用板式升膜蒸發器、強制循環蒸發濃縮工藝回收廢水資源。濃縮液進行強制循環可減緩廢水在蒸發器中結垢、結焦現象的發生，但增加了系統電耗。

（3）廢水蒸發濃縮過程中，在考慮濃縮液沸點升高及強制循環對系統影響的條件下，建立了系統工藝計算數學模型，分析了廢水蒸發溫度、進料溫度和壓縮比對MVR系統的影響。模型求解結果表明：蒸發器常壓或微正壓蒸發操作，可降低系統能耗，也可避免空氣進入蒸發系統對蒸發傳熱的影響；高溫進料有利于降低系統的總比傳熱面積；壓縮比是控制系統傳熱溫差、壓縮機比電耗和總比傳熱面積的主要因素，在廢水進料溫度45 ℃、濃縮液循環10 m3/h的情況下，廢水常壓蒸發的適宜操作壓縮比為1.4～1.6。

參考文獻：

[1]陳金增，李光華，李雁飛. 船舶機械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析[J].艦船科學技術，2011，33（12）：66-68.

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[3]鄒龍生，安恩科，唐婧. 機械蒸汽壓縮濃縮滲濾液熱力過程數值模擬[J].化學工程，2011，39（2）：22-25.

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浙江力普納米鈣粉碎成套生產線上榜嵊州市首屆十佳創新項目

第一屆嵊州市創客、創新項目大賽日前圓滿結束。國家高新技術企業，中國粉碎技術領航者——浙江力普粉碎設備有限公司參賽的“納米鈣粉碎成套生產線”，脫穎而出，榮獲十佳創新項目。

本次大賽由嵊州市委宣傳部、市人才辦、市科技局、市科協和市新聞傳媒中心聯合舉辦。該大賽自2015年6月8日啟動，歷時4個多月，在廣泛發動的基礎上，篩選確定了17名創客候選人和21個候選創新項目，并在新聞媒體上進行了詳細報道，最后結合讀者網民投票和專家評審，確定十佳創客和十佳創新項目。來自省市的5位專家高度評價這次大賽參賽項目類型多，質量高，大賽既有行業代表性又有嵊州特色。作為嵊州拳頭產品之一的浙江力普納米鈣粉碎成套生產線尤其得到了專家的舉例肯定。

至此納米鈣粉碎成套生產線已獲得國家發明專利、浙江省新產品和省科技創新項目， 中國無機鹽工業協會碳酸鈣行業分會、中國碳酸鈣協會行業專家組聯合頒發的碳酸鈣生產節能降耗技術和設備等多項殊榮。

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該生產線在業界廣泛使用多年，暢銷山西、安徽、山東、四川、廣東、江西等省市；遠銷俄羅斯、日本、中東等國家和地區，深受客商的青睞。特別受到國內納米碳酸鈣著名生產企業，上市公司山西蘭花集團的充分肯定，評價這條線產線能耗低、產量大、細度集中、振實密度好，是進行納米碳酸鈣的活化、分散、粉碎處理的理想設備。 （丁文）

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