耦合化工過程的廢熱回收廢水脫鹽系統(tǒng)的優(yōu)化

陳智超, 魯思達, 謝 星, 何 暢, 張冰劍, 潘 明, 陳清林

(1. 中山大學 化學工程與技術(shù)學院, 廣東 珠海 519082;2. 西安航天源動力工程有限公司, 陜西 西安 710000;3. 中山大學 材料科學與工程學院/廣東省石化過程節(jié)能工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510275)

1 前 言

廢熱與廢水是過程工業(yè)中不可避免的孿生副產(chǎn)物。以石化過程為例，在原油蒸餾裝置中，有超過20%的預加熱爐產(chǎn)生的熱量因難以找到合適接收用戶而成為廢熱[1]。與此同時，每加工1 m3原油產(chǎn)生的工業(yè)廢水量為3 500～5 000 m3。廢水中的無機鹽(Na+，Ca2+，Cl-，SO42-等)會在生化、沉淀和清洗等處理過程中不斷累積濃縮，導致最終的鹽質(zhì)量濃度[2]高達3～10 kg?m-3。因此，有必要通過過程設(shè)計和優(yōu)化研究利用廢熱的能量驅(qū)動廢水脫鹽過程，從而提高整體能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)可持續(xù)性。

對于低溫余熱資源，有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)可以有效提高低溫余熱品位，將低溫余熱直接轉(zhuǎn)化為電能或軸功[3]。同時，ORC 可以通過水將過程工業(yè)的多股熱物流進行有效整合。目前ORC 系統(tǒng)的研究主要從兩方面展開：1)有機工質(zhì)的篩選[4-6]；2)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[7-9]。

反滲透過濾(reverse osmosis, RO)是石化企業(yè)含鹽廢水處理的主要途徑之一[10]。如果將ORC 產(chǎn)生的電能直接驅(qū)動RO 脫鹽過程，可以提高整個過程的經(jīng)濟性和可持續(xù)性。但RO 的綜合性能不僅取決于半透膜的性質(zhì)參數(shù)和過膜壓差，還與膜過濾的操作溫度有關(guān)。實驗結(jié)果表明[11-13]，溫度每升高 1 K，平均過膜水通量會提高約1.2 %；當操作溫度從293 提高到313 K 時，總過膜水通量可提高至60 %。

針對ORC-RO 過程的耦合，已經(jīng)有研究人員從“能量——水”的關(guān)聯(lián)角度提出不同的ORC 回收廢熱驅(qū)動RO 脫鹽系統(tǒng)的集成設(shè)計方案[6]。……