三效MVR與三效蒸發技術的能耗對比分析

(內蒙古科技大學 化學與化工學院，內蒙古 包頭 014000)

蒸發濃縮是一種基本的化工單元操作，廣泛應用于化工、輕工、醫藥、冶金、食品加工、海水淡化、污水處理、原子能等領域中。蒸發濃縮操作主要通過使用源源不絕的生蒸汽作為熱源，關于低濃度、處理量大的物料，生蒸汽的消耗所帶來的能耗是相當可觀的，節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過程中必須重視的問題[2]。對于一些需要購買蒸汽的企業，隨著市場蒸汽價格的不斷上漲，蒸汽運行的成本也越來越高，企業的負擔明顯增大。因此如何減少裝置蒸汽的運行成本、使能耗降低，以此來達到節約能源的目的，是目前蒸發濃縮工藝亟待解決的問題。

目前，大多企業廣泛使用多效蒸發技術，利用前一效蒸發產生的二次蒸汽作為后一效蒸發器的熱量來源。理論上多效蒸發的效數越多，所節省的生蒸汽越多，但隨著蒸發器效數的增多,設備投資費和基建費也相應地增加。因此很多企業一般做到三效或者四效。但多效蒸發末效產生的蒸汽還存有很大的潛熱利用價值，直接進入冷凝器無疑造成了巨大的能量浪費，如果這些蒸汽進入壓縮機進行壓縮后，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入第一效蒸發器內替代新鮮蒸汽進行換熱，于是除了啟動該系統時，需要通入一點蒸汽外，只要產生二次蒸汽，就可關閉新鮮蒸汽的加入，這樣就充分利用了二次蒸汽的潛熱，從而達到節能的目的。

1 傳統三效蒸發技術

多效蒸發是應用最早的淡化方法，20世紀60年代末發展了低溫多效蒸發海水淡化技術[3]。最大的低溫多效淡化裝置位于以色列的ASHDOD電廠，制水規模11.9萬m3/d，單機日產淡水1.7萬m3/d[4-5]。多效蒸發的多個蒸發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進料，單效蒸發的單位蒸汽消耗量e約為1，n效蒸發的e約為1/n。多效蒸發由于其具有換熱性能好、動力消耗少、操作彈性大等優勢，在海水淡化技術中占重要地位[6-7]。

Kamali[8-9]等針對多效蒸發系統建立了質量和能量平衡方程，編制了計算程序進行求解。研究了系統效數、加熱蒸汽溫度、濃縮比等參數對系統造水比的影響。研究結果表明：多效蒸發海水淡化系統造水比隨系統效數的增加而提高、隨加熱蒸汽溫度的提高而降低、隨系統濃縮比的增加而提高。

李清方[10-11]等針對油田污水成分復雜、不適合膜法脫鹽的特點，提出了用多效蒸發技術對油田污水進行集中脫鹽的技術方案。建立了油田污水多效蒸發系統工藝流程的計算模型，分析了蒸發溫度、效數等主要運行參數對系統性能的影響。

傳統的三效并流降膜蒸發工藝如圖1所示其工作原理是，預熱后的原料液經原料泵被輸送到第一效蒸發器的頂部進料室，通過布液器進入列管內，與管外的生蒸汽進行熱量交換，原料液以降膜形式蒸發。蒸發產生的濃縮液和二次蒸汽進入分離器內進行分離，分離出來的二次蒸汽進入第二效的加熱室作為加熱蒸汽，而分離后的濃縮液經泵打入到第二效蒸發器內進一步濃縮。第二效分離出來的二次蒸汽進入第三效的加熱室作為加熱蒸汽，產生的濃縮液經泵打入到第三效蒸發器內繼續濃縮到規定的濃度后通過出料泵排出，第三效產生的二次蒸汽則全部送進冷凝器內進行冷凝。

多效蒸發是運用前一效產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行冷凝。這樣不僅需要擔負冷凝水的費用還浪費了大量的蒸汽潛熱。

2 三效MVR蒸發技術

目前對MVR系統工業運行的報道比較少，大多數還是僅僅停留在實驗室運行階段。

Narmine H A等[12]對埃及原子能管理局傳熱實驗室產能為5t/d的單級MVR脫鹽系統進行了研究。實驗結果表明為保證水平管外較好的形成薄膜，濃海水的循環量為進料量的15～20倍；蒸汽過熱度在15～20℃范圍內；生產率隨著操作溫度的升高而增大。

周桂英[13]等對單級MVR處理麻黃素廢液進行了實驗研究，結果指出采用該技術獲得的出水滿足生產回用要求；系統節能效果顯著。

武江津[14]等采用單級MVR系統對高濃度洗毛廢水處理進行了實驗研究， 結果表明該技術處理洗毛廢水效果良好。

綜上可知，已有一些對MVR實驗研究的報道，這些研究大多是針對單效 MVR系統在實驗室條件下的研究。 然而對于多效MVR蒸發技術實驗研究還少有報道。而以實際工業運行為背景的研究無論是處理何種物料更是鮮有報道。因此，對多效MVR技術開展具有工業運行背景的研究，從實際運行上分析和把握系統的運行特征及規律，積累實際應用經驗，是促使該技術工程化發展亟須進行的工作。

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

3 能耗對比分析

用1 t/h氯化鈉溶液的蒸發濃縮作為研究對象，對使用三效MVR蒸發和傳統多效蒸發技術的工藝流程進行能耗對比分析。

工藝條件：進料量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℃。因此壓縮機溫升應該達到△t=T1-T3=104.5-85.6=18.9℃，目前壓縮機能達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

多效蒸發主要是第一效耗費加熱蒸汽，依據物料衡算

各效的熱量衡算式為

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

284.289×7 200×0.24=491 251.4元

對于三效MVR蒸發，理論上，設備啟動后正常運行時，不再需要外來蒸汽的供給，只需要壓縮機耗費一定的電能即可。

在本例中，根據已知條件，通過設計計算，壓縮機的理論功率為

式中Wth——壓縮機理論功率/kW；

T1——進氣溫度/℃；

P1——壓縮機進氣壓強/kPa；

P2——壓縮機出口氣體壓強/kPa；

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

n——多變系數，通常n=1.2～1.3。

由于壓縮機壓縮二次蒸汽屬于多變過程，壓縮機多變效率和機械效率均取90%，因此在實際運行過程中，壓縮機所消耗的總功率按下式計算

式中WT——壓縮機實際功率/kW；

ηe——機械效率/[%]；

ηm——多變效率/[%]。

壓縮機實際功率為

工業電價為0.7元/kW·h，全年工作時間按照7 200 h來計算，則三效MVR蒸發系統每年所消耗的電費為

36.221×7 200×0.7=182 553.8元

因此根據上述數據，三效MVR較傳統多效蒸發，每年可以節省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——進入冷凝器二次蒸汽的焓/J·kg-1；

W——進入冷凝器的流量/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

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

29.71×0.4×7 200=85 564.8元

對于三效MVR蒸發系統來說，不僅末效產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熱原料的熱源，整個系統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。所以三效MVR 比起傳統的多效蒸發，每年還可以節省85 564.8元的冷凝水費用。

3.3 綜合節能對比

為了便于相互對比和在總量上進行研究，將三效MVR蒸發系統和多效蒸發系統各自耗費的能量轉化為標準煤消耗量來進行比對，可以將三效MVR蒸發系統的節能效果直觀地體現出來。按照1 kWh電的等價熱量為0.4 kg的標準煤，1 kg飽和蒸汽的等價熱量為0.14 kg的標準煤進行計算，使用三效MVR每年所耗費電的等價熱量為104.316 t標準煤。采用三效蒸發每年所消耗蒸汽的等價熱量為286.563 t標準煤。對比以上數據可以得出，相比于多效蒸發來說，使用三效MVR蒸發系統每年可以節省63.6%的標準煤。

4 結論

三效MVR蒸發系統既節省了加熱蒸汽的用量，同時又不需要用冷卻水冷凝末效的蒸汽，從而節省了冷卻水的費用，可以說是節能顯著的一種工藝流程。本文通過1 t/h氯化鈉溶液的蒸發濃縮作為研究對象，分析了三效MVR蒸發技術和傳統多效蒸發技術的能耗問題，對比結果顯示，使用三效MVR蒸發技術比傳統的多效蒸發技術每年可節省308 697.6元的加熱蒸汽費用及85 564.8元的蒸汽冷凝水費用，相當于節省了63.6%的標準煤。說明三效MVR蒸發節能效果明顯，運行成本低，充分利用了二次蒸汽的潛熱，設備一經啟動，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蒸發技術的推行使用提供了基礎。