耦合過熱蒸汽干燥的MVR蒸發結晶系統熱力性能分析

李帥旗，王漢治，馮自平，何世輝，宋文吉

（1中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州510640；2中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州510640；3廣東省新能源與可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東廣州510640）

隨著生產發展和工業化進程的加快，能源資源不足以及生態環境惡化的問題日益顯著，數據顯示，2017年中國廢水排放量約889億噸，占全球比重的24.2%[1]，若處理不當將會造成水環境污染和嚴重的資源浪費。蒸發結晶是處理含鹽廢水的一種有效方式[2-4]，其中，機械蒸汽再壓縮（MVR）技術以其節能、節水、無污染、可回收結晶鹽等優勢，被認為是目前國際上先進的蒸發結晶技術，已納入我國國家戰略性新興產業。

MVR 技術在化工、輕工、食品、制藥、海水淡化以及污水處理等[5-10]領域已有規模化應用，國內外的學者在研究工作中，根據應用行業及物料種類，設計了不同形式的MVR 系統，并進行研究分析。王力威等[11]提出一種基于單螺桿水蒸氣壓縮的MVR 系統，研究了不同蒸發溫度下，采用閉式和開式循環的MVR 系統的熱力性能，表明了螺桿式MVR 系統具有高效節能性；林文舉等[12]設計板式蒸發器式蒸汽再壓縮系統，研究表明板式蒸發器MVR系統在低壓比條件下能產生更高的能效系數；Liang 等[13]設計了一種雙級雙效MVR 蒸發系統，研究了換熱溫差及第一效狀態參數對系統熱力性能的影響，表明雙級雙效MVR 系統在處理高濃度無機鹽廢水領域具備更高的節能優勢；Shen等[14]進行了噴水式雙螺桿蒸汽壓縮技術在海水淡化上的應用研究，表明噴水工藝使壓縮過程接近飽和狀態，有效降低了蒸汽的過熱度，提高了壓縮機的等熵效率；Wang 等[15]提出了噴氣增焓型單級MVR 蒸發結晶系統，并研究了補氣壓比和補氣率等對熱力性能和結構設計的影響；Gao 等[16]采用MVR 技術分離苯-甲苯的混合物，通過Aspen Plus穩態分析及經濟性計算，表明MVR 熱泵技術與有機朗肯循環（ORC）工藝相結合，在熱泵蒸餾領域具有較強的競爭力；Han等[17]研究了多效MVR蒸發系統用于處理沸點升高（BPE）的溶液，發現其節能性與進出口參數有關，當溶液濃度超過某一界限，多效MVR 系統與傳統三效蒸發系統（MEE）相比并沒有節能優勢。

蒸汽的過熱不利于蒸發器內高效相變換熱的進行，目前，常見的MVR 系統大多采用級前噴水、級間噴水來消除蒸汽過熱度。本文針對MVR 技術的熱力循環特性，優化能量梯級利用，提出一種以過熱蒸汽干燥結晶鹽的方式消除蒸汽過熱度，一方面保證了蒸發器內高效相變換熱的進行，另一方面用來干燥溶液結晶得到的無機鹽顆粒，提高了結晶鹽的品質，相比常規MVR 系統，具備更高的能效系數。本文根據提出的耦合過熱蒸汽干燥的MVR蒸發結晶系統的特性，建立熱力學模型，通過系統仿真的方法分析不同物料濃度、循環倍率、閃蒸溫度、換熱溫差與壓縮機功耗、系統能效比的變化關系以及對系統用蒸發器、結晶罐和干燥器的參數設計的影響，為新型MVR 蒸發結晶系統的設計與應用提供參考。

1 循環系統

耦合過熱蒸汽干燥的MVR 蒸發結晶系統循環示意圖如圖1 所示，主要包括預熱器、主換熱器、減壓閥、閃蒸罐、蒸汽壓縮機、干燥器、進料泵及循環泵等。含鹽廢水從物料入口點（狀態點1）進入系統，經預熱器加熱與循環料液混合后（狀態點3）進入主換熱器內繼續加熱升溫，升溫后的物料經減壓閥進入閃蒸罐，轉變成飽和蒸汽、飽和料液和結晶鹽。其中閃蒸出的蒸汽（狀態點6）進入蒸汽壓縮機完成升溫升壓過程，壓縮后的過熱蒸汽進入干燥器內消除過熱，轉化成飽和蒸汽（狀態點8）與主換熱器的循環料液換熱冷凝，再與預熱器內低溫物料換熱后排出系統（狀態點10）。閃蒸罐內留下的飽和料液經循環物料泵注入主換熱器繼續循環。閃蒸過程析出的含水結晶鹽（狀態點13）通過下降管進入干燥器，其表面攜帶的水分受熱蒸發，最終以干燥的結晶鹽顆粒（狀態點14）排出系統。

圖1 基于MVR的含鹽廢水深度綜合處理系統示意圖

2 數值模型

為簡化模型，對模型做出以下假設。

（1）系統循環處于穩定狀態；

（2）忽略管路熱損失和壓力損失；

（3）忽略閃蒸罐分離出蒸汽中攜帶的微量鹽，分離出的蒸汽處于飽和狀態；

（4）不考慮過程中不凝氣體對換熱過程的影響；

（5）不計進料泵的功耗。

2.1 NaCl溶液物性參數

建模過程以NaCl 的水溶液為研究對象，其物性特征參數查詢《化學化工物性數據手冊》[18]。飽和NaCl 溶液沸點tb與閃蒸罐內閃蒸壓力pflash的擬合關系如式(1)。NaCl 溶液的比熱容按照水與NaCl 的混合特性進行計算，其定壓比熱容cp的計算公式如式(2)。

2.2 質量守衡及能量守衡

系統穩定運行狀態下，質量守衡包括系統及各個單元的料液守衡及鹽分守衡，如式(3)～式(5)。

2.2.1 預熱器

預熱器用于預熱較低溫度的入口物料，加熱后的進口物料與循環物料進行混合，為優化計算，假設預熱器出口溫度等于循環物料的溫度，如式(6)。預熱器的換熱量由式(7)和式(8)計算得到。

2.2.2 主換熱器

主換熱器作為MVR 系統中蒸發換熱的主要設備，其換熱量最大，對系統的熱力性能及經濟性的影響也最大，為避免主換熱器析晶堵塞及氣膜覆蓋換熱表面，主換熱器內物料不蒸發。主換熱器的換熱量計算如式(9)和式(10)，平均對數換熱溫差的計算如式(11)。

其 中 ， ΔTmax= max[(T9-T3),(T8-T4)]，ΔTmin= min[(T9-T3),(T8-T4)]。

本文為方便優化設計，定義主換熱器的有效溫差為換熱器的熱側換熱溫差，計算公式為式(12)。UA值是衡量換熱器的換熱能力和初始投資的重要參數，其數值等于換熱系數U與換熱面積A的乘積，具體計算公式如式(13)。

2.2.3 閃蒸罐

依據模型假設(3)和假設(4)，閃蒸罐內的過程為絕熱閃蒸，不考慮閃蒸蒸汽的機械攜帶液滴。

閃蒸罐內處于壓力平衡狀態，閃蒸罐內的絕熱閃蒸過程質量守恒、組分守恒以及能量守恒方程如式(14)～式(17)。

2.2.4 壓縮機

蒸汽壓縮機是MVR 系統的重要零部件，用來提升系統二次蒸汽的壓力和溫度，從而回收大量的蒸汽潛熱熱量，替代新鮮蒸汽循環使用。壓縮機壓比值的設計與主換熱器的有效換熱溫差及閃蒸溶液的沸點升有關。

壓縮機的增壓比定義為壓縮機出口壓力與進口壓力之比，可由式(18)計算。壓縮機的耗功和出口蒸汽過熱度Δtsuph分別由式(19)和式(20)計算。

2.2.5 干燥器

采用干燥器來消除蒸汽的過熱度，一方面，符合高品位熱源先利用的原則，提高了能源利用率，另一方面，干化結晶鹽表面水分，提高結晶鹽品質。干燥器內質量守衡和能量守衡方程如式(21)～式(23)。

2.2.6 物料循環泵

由于水的蒸發潛熱很大，采用循環閃蒸分離飽和蒸汽的情況下，系統的循環倍率CR 較大，物料循環泵的功耗不可忽略，計算模型[19]為式(24)。物料循環倍率CR 定義為物料內部循環質量流量與入口物料質量流量之比，如式(25)。

2.3 系統模型評價參數

本文提出的耦合過熱蒸汽干燥的MVR 蒸發結晶系統的評價指標為系統能效系數COP、蒸汽壓縮機的能耗Wcomp、下降管結晶鹽含水率的上限值ω、換熱器的UA值以及物料循環倍率CR等。

MVR 系統的系統熱效率COP 和單位蒸發量的壓縮機耗功Wcomp主要與運行過程相關，體現著系統熱力性能與運行成本，其計算式如式(26)和式(27)。

3 結果與分析

3.1 模型計算與典型工況性能

上文建立的數值模型通過EES軟件進行編程計算，收斂容差設定為10-3。計算過程中設定的已知參數如表1所示。

3.2 加裝過熱蒸汽干燥裝置的影響

圖2 給出了加裝過熱蒸汽干燥器前后的MVR系統蒸發1000kg 水分，每小時壓縮機功耗隨閃蒸壓力和增壓比的變化趨勢。從圖中可以看出，本文提出的耦合過熱蒸汽干燥的MVR 系統相比常規單效MVR 系統的單位功耗明顯降低，并且隨著增壓比π和pflash的升高，單位功耗Wcomp降低的幅度略有增大。增壓比π為1.8 時，系統單位功耗Wcomp降低2.6%，而增壓比π升高到2.8 時，單位功耗Wcomp降低4.9%；同時增壓比為定值，閃蒸壓力pflash為19.92kPa 時，系統單位功耗Wcomp降低4.2%，當閃蒸壓力pflash升高到101.3kPa 時，單位功耗Wcomp降低4.44%。由此可見，安裝過熱蒸汽干燥器后的MVR系統相比常規系統，單位耗功有明顯降低，系統COP值升高。

表1 模型典型工況輸入參數

圖2 耦合過熱干燥器前后系統單位耗功隨閃蒸壓力和增壓比的變化

3.3 循環倍率與換熱溫差的影響分析

圖3 不同換熱溫差下，COP與Wcomp隨物料循環倍率的變化

物料的循環倍率CR 與主換熱器的結構設計尺寸及系統的溫升需求有關，對壓縮機的功耗和系統COP有重要影響。圖3給出了主換熱器的不同有效換熱溫差ΔTmhex下系統COP 和Wcomp隨物料循環倍率CR 的變化規律。從圖3 可以看出，隨著CR 的增加，壓縮機耗功Wcomp逐漸降低，系統COP 逐漸升高，在同一換熱溫差ΔTmhex下，物料循環比CR 從100增加到250時，COP提高了24.4%，Wcomp降低了19.1%。由于物料循環過程中的閃蒸壓力和閃蒸量保持不變，隨著CR 的增大，主換熱器物料側流量增大、溫升減小，熱側的蒸汽進口溫升需求也對應減小，因此，壓縮機前后的壓比值不斷降低，耗功減小，系統效率提高。從圖3中還可以看出，隨著ΔTmhex的增大，增加了壓縮機的需求壓比，其耗功Wcomp增大，COP 降低，ΔTmhex每升高1℃，Wcomp增大5.8%，COP降低5.6%。

換熱器UA值體現了換熱器的換熱能力，也是換熱器設計過程中評估初始投資以及空間占用量的重要參數。含水率ω13是進干燥器前的結晶鹽中水分的質量分數，是衡量結晶鹽流動性及下料管設計的重要參數。圖4給出了主換熱器的不同換熱溫差ΔTmhex下換熱器UAmhex和ω13隨物料循環倍率CR 的變化規律。從圖4 可以看出，隨物料循環倍率CR 的升高，UAmhex不斷增大，ω13不斷降低，在同一換熱溫差ΔTmhex下，物料循環比CR從100增加到250時，UAmhex提高了27.3%，ω13降低了6.7%。在系統閃蒸量不變的情況下，由于CR 的增大，主換熱器物料側溫差降低，換熱器平均對數溫差相應降低，換熱器的UAmhex對應增大，同時CR的增大，壓縮機需求壓比降低，壓縮機出口蒸汽過熱度下降，干燥器內換熱量Qdry降低，進入干燥器的下降管結晶鹽含水率的上限值ω13下降。從圖4 還可以看出隨著ΔTmhex的增大，換熱器的UAmhex值降低，進入干燥器的下降管結晶鹽含水率的上限值ω13升高，ΔTmhex每升高1℃，UAmhex減小14.4%，ω13升高1.7%。

圖4 不同換熱溫差下，主換熱器UA值和下降管的結晶鹽含水率ω13隨物料循環倍率的變化

3.4 閃蒸壓力與物料濃度的影響分析

系統的蒸發溫度與物料本身的熱敏性、沸點等有關，不同的蒸發溫度對應系統不同的壓力情況，對蒸發器的換熱溫差及系統壓力的設計有重要的影響。圖5給出了不同循環倍率CR下閃蒸壓力pflash對壓縮機功耗Wcomp、系統COP的影響。從圖5可以看出，不同循環倍率下壓縮機功耗Wcomp和系統COP隨pflash的變化規律有所不同，在CR為150時，Wcomp隨pflash的增大而減小，系統COP 逐漸增大；當CR為250 時，Wcomp隨pflash的增大而增大，系統COP 先增大后減小，在pflash為40～50kPa 存在最大值。根據NaCl 溶液和水蒸氣的物性參數看出，閃蒸罐內飽和物料的沸點tb隨pflash的增大而增大，壓縮機的需求溫升升高，導致壓縮機功耗升高，但是水蒸氣相同溫升下的π隨閃蒸壓力的增大而減小，導致壓縮機的功耗相應降低，并且，在較小的循環倍率下，物料相同溫升下π的變化更為明顯。系統吸熱量Q隨pflash的增大而不斷增大，根據能效系統的定義式與壓縮機耗功的變化規律，導致系統COP 在不同CR下，呈現不同的變化規律。

圖5 不同循環倍率下，系統COP和Wcomp隨閃蒸壓力的變化

圖6 和圖7 給出了不同進料濃度c0下閃蒸壓力pflash對壓縮機功耗Wcomp、系統COP、下降管結晶鹽最大含水率ω13以及換熱器UAmhex值的影響。從圖6中可以看出，隨著進料濃度c0的增大，壓縮機的單位功耗Wcomp降低，系統COP 升高，在系統蒸發量及循環倍率不變的情況下，進料濃度c0的增大，進入主換熱器的物料流量增大，滿足閃蒸熱量需求的換熱溫差降低，壓縮機需求的溫升也相應降低，功耗Wcomp下降，系統COP 升高，由于物料采用循環閃蒸的方式，進料濃度對系統的影響并不大，進料濃度c0每提高4%，功耗Wcomp下降0.7%，系統COP升高0.9%。

圖6 不同進料濃度下，系統COP和Wcomp隨閃蒸壓力的變化

圖7 給出了不同進料濃度c0下pflash對換熱器UAmhex和下降管結晶鹽含水率的上限值ω13的影響。從圖7 可以看出，隨著閃蒸壓力pflash的增大，換熱器UAmhex減小，進入干燥器前的下降管結晶鹽含水率的上限值ω13增大。當系統進料量和閃蒸量不變時，隨著pflash的增大，閃蒸罐內物料的沸點tb升高，主換熱器的換熱溫差變大，導致UAmhex值減小，同時，壓縮機的需求溫升升高，壓縮機出口蒸汽過熱度Δtsuph升高，下降管結晶鹽含水率的上限值ω13也升高。圖中還可以看出，進料濃度c0從2%上升到6%時，ω13下降了44.9%，可見，進料濃度c0對進入干燥器的下降管結晶鹽含水率的上限值ω13的變化起決定性作用。

圖7 不同進料濃度下，主換熱器UAmhex值和下降管結晶鹽含水率的上限值ω13隨閃蒸壓力的變化

4 結論

MVR 蒸發結晶系統以其良好的節能性，在含鹽廢水處理方面有著廣泛的應用前景，本文針對水蒸氣壓縮過程熱力特性，提出一種耦合過熱蒸汽干燥的MVR 蒸發結晶系統，利用蒸汽的過熱度干燥結晶鹽表面的水分，消除過熱度的同時提高了結晶鹽的品質。本文研究了閃蒸壓力pflash、物料入口濃度c0、物料循環倍率CR、有效換熱溫差ΔTmhex對單級MVR 系統熱效率COP、單位閃蒸量的壓縮機功耗Wcomp、下降管結晶鹽含水率的上限值ω13和換熱器UAmhex值的影響，結論如下。

（1）耦合過熱蒸汽干燥的MVR 系統相比常規系統具有更高的COP、更低的Wcomp，并且能夠獲得干燥的結晶鹽。

（2）循環倍率CR 的增大，有利于提高COP 和降低Wcomp，但同時換熱器UAmhex值也會增大，設備成本相應增加。

（3）系統COP 隨pflash的變化關系與循環倍率CR 有關，CR 較低時，隨pflash的增大，系統COP 增大；CR 超過某一界限，隨pflash的增大，系統COP呈先升后降趨勢，其最大值pflash為40～50kPa。

（4）進入干燥器的下降管結晶鹽含水率的上限值ω13與進料濃度c0有關，隨進料濃度c0的升高而增大。

（5）換熱系統中，ΔTmhex對MVR 系統性能有著顯著的影響，ΔTmhex每增大1K，COP 平均降低5.6%、Wcomp平均升高5.8%、UAmhex平均減少14.4%，ω13升高1.7%。

符號說明

ci—— 各狀態點的質量分數，%

cp,water，cp,NaCl，cp—— 分別為同溫度下水的比熱容、等溫度下NaCl 的比熱容和等溫度下NaCl 溶液的比熱容，J/(kg·℃)

hi—— 各狀態點熱焓值，kJ/kg

mi—— 各狀態點的質量流量，kg/s

pout，pplash—— 分別為壓縮機出口壓力和閃蒸罐的壓力，kPa

pi—— 各狀態點的壓力，kPa

Qi—— 各單元的換熱量，kW

Ti—— 各狀態點溫度，℃

tsat,7—— 蒸汽壓縮機排氣壓力對應的飽和溫度，℃

tb-- NaCl溶液沸點，℃

Wcomp，Wpump—— 分別為壓縮機的功耗和循環泵的功耗，kW

Win,i—— 各單元輸入功率，kW

Δp—— 物料循環泵的壓力提升值，kPa

ηn，ηp—— 分別為壓縮機的機械效率和循環泵的效率

νi—— 各狀態點的比體積，m3/kg

ρi—— 各狀態點的密度，kg/m3

ωi—— 各狀態點含水的質量分數，%

下角標

0 —— 系統入口

dry —— 干燥器單元

in —— 各單元進口

main —— 主換熱器單元

out —— 各單元出口

prep —— 預熱器單元