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三效MVR蒸發(fā)技術(shù)與傳統(tǒng)三效蒸發(fā)技術(shù)的能效對比
日期: 2020-06-26
作者: 環(huán)諾
蒸發(fā)濃縮是一種基本的化工單元操作, 廣泛應(yīng)用于化工、輕工、醫(yī)藥、冶金、食品加工、海水淡化、污水處理、原子能等領(lǐng)域中。蒸發(fā)濃縮操作主要通過使用源源不絕的生蒸汽作為熱源, 關(guān)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(dāng)可觀的, 節(jié)能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一, 合理使用能源, 提高能源利用率是蒸發(fā)過程中必須重視的問題。對于一些需要購買蒸汽的企業(yè), 隨著市場蒸汽價格的不斷上漲, 蒸汽運(yùn)行的成本也越來越高, 企業(yè)的負(fù)擔(dān)明顯增大。因此如何減少裝置蒸汽的運(yùn)行成本、使能耗降低, 以此來達(dá)到節(jié)約能源的目的, 是目前蒸發(fā)濃縮工藝亟待解決的問題。
一、傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)技術(shù)
多效蒸發(fā)是應(yīng)用最早的淡化方法，由于其具有換熱性能好、動力消耗少、操作彈性大等優(yōu)勢, 傳統(tǒng)的三效并流降膜蒸發(fā)工藝如圖1所示，其工作原理是：預(yù)熱后的原料液經(jīng)原料泵被輸送到第一效蒸發(fā)器的頂部進(jìn)料室, 通過布液器進(jìn)入列管內(nèi), 與管外的生蒸汽進(jìn)行熱量交換, 原料液以降膜形式蒸發(fā)。蒸發(fā)產(chǎn)生的濃縮液和二次蒸汽進(jìn)入分離器內(nèi)進(jìn)行分離, 分離出來的二次蒸汽進(jìn)入第二效的加熱室作為加熱蒸汽, 而分離后的濃縮液經(jīng)泵打入到第二效蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)一步濃縮。第二效分離出來的二次蒸汽進(jìn)入第三效的加熱室作為加熱蒸汽, 產(chǎn)生的濃縮液經(jīng)泵打入到第三效蒸發(fā)器內(nèi)繼續(xù)濃縮到規(guī)定的濃度后通過出料泵排出, 第三效產(chǎn)生的二次蒸汽則全部送進(jìn)冷凝器內(nèi)進(jìn)行冷凝。多效蒸發(fā)是運(yùn)用前一效產(chǎn)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(jié)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(jìn)行冷凝。這樣不僅需要擔(dān)負(fù)冷凝水的費(fèi)用還浪費(fèi)了大量的蒸汽潛熱。
二、三效MVR蒸發(fā)技術(shù)
目前市場上對MVR實(shí)驗(yàn)研究的報道, 這些研究大多是針對單效 MVR系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下的研究。然而對于多效MVR蒸發(fā)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究還少有報道。而以實(shí)際工業(yè)運(yùn)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(shù)開展具有工業(yè)運(yùn)行背景的研究, 從實(shí)際運(yùn)行上分析和把握系統(tǒng)的運(yùn)行特征及規(guī)律, 積累實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn), 是促使該技術(shù)工程化發(fā)展亟須進(jìn)行的工作。三效MVR蒸發(fā)技術(shù)的工藝流程如圖2所示。將末效蒸發(fā)器分離出來的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮, 其溫度、壓力升高, 熱焓增大, 然后進(jìn)入一效蒸發(fā)器加熱室冷凝并釋放出潛熱, 受熱側(cè)的料液得到熱量后沸騰汽化產(chǎn)生二次蒸汽依次進(jìn)入后一效蒸發(fā)器作為熱源, 第三效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)分離后再進(jìn)入壓縮機(jī), 周而復(fù)始重復(fù)上述過程, 蒸發(fā)器蒸發(fā)的二次蒸汽源源不斷地經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮, 提高熱焓, 返回到一效蒸發(fā)器作為蒸發(fā)的熱源, 這樣既省去了二次蒸汽冷卻水系統(tǒng), 節(jié)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(dá)到節(jié)能的目的。
三、能效對比分析
用1 t/h氯化鈉溶液的蒸發(fā)濃縮作為研究對象, 對使用三效MVR蒸發(fā)和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)的工藝流程進(jìn)行能耗對比分析。工藝條件：進(jìn)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(fā)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(jī)溫升應(yīng)該達(dá)到△t=T1-T3=104.5-85.6=18.9℃, 目前壓縮機(jī)能達(dá)到的最大溫升范圍為15～25℃。因此三效MVR工藝完全可行。
1、加熱蒸汽消耗量
多效蒸發(fā)主要是第一效耗費(fèi)加熱蒸汽, 依據(jù)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(fā)器的熱損失等, 查閱資料書及文獻(xiàn)[15]取上述數(shù)值后, 代入熱量衡算式計算可得多效蒸發(fā)加熱蒸汽的消耗量為284.289 kg/h。一般工業(yè)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(fā)每年的蒸汽費(fèi)用為284.289×7 200×0.24=491 251.4元
對于三效MVR蒸發(fā), 理論上, 設(shè)備啟動后正常運(yùn)行時, 不再需要外來蒸汽的供給, 只需要壓縮機(jī)耗費(fèi)一定的電能即可。
在本例中, 根據(jù)已知條件, 通過設(shè)計計算, 壓縮機(jī)的理論功率為
式中 Wth——壓縮機(jī)理論功率/kW;
T1——進(jìn)氣溫度/℃;
P1——壓縮機(jī)進(jìn)氣壓強(qiáng)/kPa;
P2——壓縮機(jī)出口氣體壓強(qiáng)/kPa;
Rg——水蒸氣氣體常數(shù)/J· (kg·℃) -1, 取值461 J/ (kg·℃) ;
n——多變系數(shù), 通常n=1.2～1.3。
由于壓縮機(jī)壓縮二次蒸汽屬于多變過程, 壓縮機(jī)多變效率和機(jī)械效率均取90%, 因此在實(shí)際運(yùn)行過程中, 壓縮機(jī)所消耗的總功率按下式計算
式中 WT——壓縮機(jī)實(shí)際功率/kW;
ηe——機(jī)械效率/[%];
ηm——多變效率/[%]。
壓縮機(jī)實(shí)際功率為
工業(yè)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(fā)系統(tǒng)每年所消耗的電費(fèi)為36.221×7 200×0.7=182 553.8元，因此根據(jù)上述數(shù)據(jù), 三效MVR較傳統(tǒng)多效蒸發(fā), 每年可以節(jié)省308 697.6元。
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(jìn)入冷凝器二次蒸汽的焓/J·kg-1;
W——進(jìn)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
因此三效蒸發(fā)的冷凝水流量為29.71 t/h。冷凝水的處理費(fèi)用為0.4元/t, 因此三效蒸發(fā)每年所使用的冷凝水費(fèi)用為29.71×0.4×7 200=85564.8元。對于三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)來說, 不僅末效產(chǎn)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(yù)熱原料的熱源, 整個系統(tǒng)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(tǒng)。所以三效MVR比起傳統(tǒng)的多效蒸發(fā), 每年還可以節(jié)省85564.8元的冷凝水費(fèi)用。
3、綜合節(jié)能對比
為了便于相互對比和在總量上進(jìn)行研究, 將三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)和多效蒸發(fā)系統(tǒng)各自耗費(fèi)的能量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量來進(jìn)行比對, 可以將三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能效果直觀地體現(xiàn)出來。按照1 kWh電的等價熱量為0.4 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤, 1 kg飽和蒸汽的等價熱量為0.14 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行計算, 使用三效MVR每年所耗費(fèi)電的等價熱量為104.316 t標(biāo)準(zhǔn)煤。采用三效蒸發(fā)每年所消耗蒸汽的等價熱量為286.563 t標(biāo)準(zhǔn)煤。對比以上數(shù)據(jù)可以得出, 相比于多效蒸發(fā)來說, 使用三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)每年可以節(jié)省63.6%的標(biāo)準(zhǔn)煤。
總 結(jié)
三效MVR蒸發(fā)系統(tǒng)既節(jié)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(jié)省了冷卻水的費(fèi)用, 可以說是節(jié)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(fā)濃縮作為研究對象, 分析了三效MVR蒸發(fā)技術(shù)和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)的能耗問題, 對比結(jié)果顯示, 使用三效MVR蒸發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)技術(shù)每年可節(jié)省308 697.6元的加熱蒸汽費(fèi)用及85 564.8元的蒸汽冷凝水費(fèi)用, 相當(dāng)于節(jié)省了63.6%的標(biāo)準(zhǔn)煤。說明三效MVR蒸發(fā)節(jié)能效果明顯, 運(yùn)行成本低, 充分利用了二次蒸汽的潛熱, 設(shè)備一經(jīng)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(fā)技術(shù)的推行使用提供了基礎(chǔ)。
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