高盐废水蒸发结晶过程采用机械蒸汽再压缩（MVR）技术特性研究

在国民日常生活与生产过程中会产生大量的废水，其中相当大的一部分含盐量超过1%,属于典型的高盐废水。该类废水通常还含有大量的有机物，由于组成成分复杂且水量较大，导致治理成本高、难度大，其处理问题已成为制约相关行业可持续发展的瓶颈。目前，各类高盐废水的处理通常采用“预处理+蒸发结晶”的主体工艺路线；预处理阶段，根据所含有机物组分的差异选取不同的预处理技术，如萃取、吸附、高级氧化等，以达到有机物资源回收或无害化去除的目的；进一步，对预处理后的高盐废水进行蒸发结晶[5],实现结晶盐的资源回收与蒸发冷凝液的回用。多效蒸发是目前高盐废水蒸发结晶过程常用的一种工艺，但由于末效蒸发产生的二次蒸汽需要被冷凝，造成大量低品位热能的浪费，同时还需要消耗循环冷却水，导致蒸发过程热能利用率偏低、能耗较高。

机械蒸汽再压缩热泵技术是目前较为先进的节能技术，可以实现蒸发过程中低品位余热的高效回收再利用，从而减少对外界能源的需求。该技术有助于提高蒸发过程能源利用效率、降低CO2排放，是实现过程减排降碳、节能环保的重要技术保障，对早日达到碳达峰和碳中和的战略目标具有重要意义。

MVR热泵技术凭借能耗低、结构紧凑、热能利用率高等特点受到越来越多的关注。梁林等开发了用于维C溶液浓缩的MVR热泵蒸发系统，该设备在低温下进行蒸发，与传统的三效、四效蒸发相比，可分别节约41.2%、21.6%的标煤；Ye等[8]针对垃圾渗滤液采用MVR热泵蒸发处理的可行性进行了实验研究，通过MVR热泵处理，废液中有害成分得到显著降低，并且处理成本与传统技术相比下降27%;姜华等[9]提出了降膜蒸发与强制循环蒸发并联的蒸发结晶系统，通过综合能量分析发现该系统效率比传统三效蒸发结晶系统高51.5%,热力学完善程度更高。

为解决高盐废水蒸发结晶过程能耗高的问题，本文中提出将MVR热泵技术应用于高含盐废水处理领域的思路，设计开发一套高效、节能的MVR热泵蒸发结晶装置，并以实际生产工艺废水为被处理物料，通过理论计算和实验研究相结合的方法进行系统性能分析，为MVR热泵技术工程应用提供参考。

MVR热泵蒸发结晶系统

1.1 系统工艺流程及热力学原理

MVR热泵蒸发结晶系统工艺流程及热力状态变化如图1、图2所示，原料储罐内的物料在进料泵的驱动下经预热器预热后由循环管路进入系统(热力状态变化0-1);物料在循环泵的驱动下进入蒸发器管程，经过与壳程的加热蒸汽换热后进入结晶器沸腾蒸发，得到的二次蒸汽经气液分离后进入蒸汽压缩机(热力状态变化1-2),析出的晶体颗粒沉降至结晶器底部，剩余的饱和液进入循环管继续参与蒸发；二次蒸汽压缩后为过热状态，消除过热度后成为饱和蒸汽，重新返回蒸发器壳程作为热源加热物料(热力状态变化2-3′-3);蒸汽释放潜热后冷凝成水进入冷凝液罐(热力状态变化3-4);高温的冷凝液作为热源预热进料后达标排放或回用于生产工艺(热力状态变化4-5);结晶器下部晶浆进入稠厚器沉淀增稠，上清液溢流进入母液罐后打回系统继续参与循环，下部晶粒排入离心机，脱水后得到结晶盐；该系统通过远程自动控制，使操作更为简便。

图1 MVR热泵蒸发结晶系统流程 

图2 热力状态变化h-lg p图

1.2 系统关键设备数学模型

1.2.1 预热器

预热器用于低温进料预热，通过与蒸发冷凝液进行热交换，达到系统余热回收的目的。系统采用板式换热器作为预热器，热交换过程能量平衡如式(1)所式：

式中，m为质量流量，kg/s; cp为比热容，J/(kg·K);T为温度，K;K为传热系数，W/(m2·K);A为换热面积，m2;ΔTlm为对数换热温差，K。下标f与d分别表示物料与蒸发冷凝液；h与l分别表示高温与低温物料；in与out分别表示流入与流出。

1.2.2 蒸汽压缩机

蒸汽压缩机用于二次蒸汽潜热的回收与蒸汽的再压缩，是MVR系统的核心部件和主要耗能部件，本系统选用离心蒸汽压缩机。蒸汽的压缩过程可视为多变压缩，压缩机轴功率计算如下:

式中，n为多变指数；z为压缩性系数，z≈1;Rg为气体常数，J/(kg·K);p为压力，Pa; ηpol、ηme、ηmotor分别代表多变效率、机械效率、电机效率。

1.2.3 蒸发器

蒸发器是系统的主要换热设备，换热过程中能量平衡关系如式(3)所示：

式中，Qeva为蒸发器内换热量，通过式(4)进行计算：

式中，rv, h,out为蒸发器壳程加热蒸汽冷凝潜热，J/kg; Keva、Aeva、ΔTav, eva分别为蒸发器传热系数、换热面积、换热温差。

1.2.4 结晶器

结晶器是实现晶体颗粒生长及气液分离的关键设备，主要参数为直径与高度，分别由式(5)、式(6)计算求得:

式中，V为体积流量，m3/s; u为流速，m/s; t为停留时间，min; 下标v与cry分别代表蒸汽与结晶器。

1.3 实验系统搭建

根据计算结果完成MVR热泵蒸发结晶系统的设计及搭建。该系统主要包括离心蒸汽压缩机、结晶器、蒸发器、预热器、强制循环泵、各类阀件、数据采集装置等，工艺设计参数及关键设备参数见表1。

为了实时监控系统运行状态，需要对系统工艺参数进行监测，主要包括蒸发温度及压力、压缩机吸排汽温度及压力、进料流量、蒸发冷凝液流量、结晶器及冷凝液罐液位、系统运行功率等参数，表2给出了系统参数测量时采用的仪器仪表技术参数。

实验物料及系统性能评价指标

2.1 实验物料分析

实验过程以羟丙基甲基纤维素(HPMC)生产废水为被处理物料开展研究，水质如表3所示。HPMC是以天然纤维素为原料，经过一系列反应得到的一种纤维素混合醚，被广泛应用于建筑、造纸、医药等行业。在HPMC的生产过程中，伴有大量高盐有机废水产生，主要成分为氯化钠、水、有机物质，通过蒸发结晶可实现盐、水分离及蒸发冷凝液回用。

2.2 系统性能评价指标

为了便于系统性能分析，提出以下性能评价指标，包括蒸发量、运行功率、制热性能系数(COP)、单位能耗蒸发量(SMER)、去除率等。

蒸发量是指系统稳定运行时，单位时间内从原料液中蒸出冷凝液的流量，是评价系统处理能力大小的重要参数。

制热性能系数(COP)是衡量MVR系统性能的重要指标，是指在额定的工况下，获得的热量与消耗功率之比，系数越大，系统经济性越好，计算公式如式(7):

式中，mv为系统蒸发量，kg/h; rv, h,out为蒸发器壳程加热蒸汽冷凝潜热，J/kg; Wsys为系统运行功率，W。

单位能耗蒸发量(SMER)是指消耗单位能量从物料中蒸发水分的质量，通过式(8)进行计算:

去除率用于反应蒸发过程对原液中盐分及有机物的去除效果，通过式(9)进行计算：

式中，xf, TDSorCOD与xd, TDSorCOD分别为废水原液及蒸发冷凝液中TDS或COD的浓度，mg/L。

实验数据分析与讨论

3.1 系统运行稳定性分析

图3、图4所示分别为系统在设计蒸发温度85℃时，运行过程中温度参数与流量参数随运行时间的变化曲线。如图所示，在长达72 h的连续运行过程中，各参数在某一均值附近波动变化，波动范围较小。系统平均进料流量为2 541 kg/h, 平均蒸发量为2 137 kg/h, 均达到设计要求。系统蒸发温度平均值为85.2℃,波动范围±1.1%;压缩机排汽温度平均值为101.1℃,波动范围0.8%;整体看来系统运行较为稳定，可靠性较高。

图3 温度随系统运行时间变化

图4 流量随系统运行时间变化 

3.2 蒸发温度对系统蒸发量、运行能耗的影响

蒸发温度是MVR热泵系统的关键工艺参数，为了研究其对系统性能的影响，以蒸发温度为变量，通过理论计算与实验研究相结合的方法分析其对系统蒸发量、运行功率、处理效果、COP、SMER等性能参数的影响规律。

图5、图6所示分别为不同蒸发温度下系统蒸发量与运行功率随蒸发温度的变化趋势。随着蒸发温度的升高，系统蒸发量模拟值与实验值逐渐上升，且拟合较好。蒸发温度越高，二次蒸汽密度越小，单位时间内压缩机吸、排汽质量流量升高，用于热交换的热量增多，故蒸发量上升；由于单位时间内有更多的二次蒸汽被压缩，因此蒸汽压缩机的功率随蒸发温度的升高逐渐增大，导致系统运行功率上升。此外，蒸发温度的升高有助于提升蒸发器换热系数，对于提高系统蒸发量也具有一定积极作用。

图5 蒸发量随蒸发温度的变化

图6 系统运行功率随蒸发温度的变化

3.3 蒸发温度对COP、SMER的影响

基于蒸发量与运行功率的变化情况，对不同蒸发温度下COP与SMER进行计算，分别如图7、图8所示。由图可知，系统COP、SMER的模拟值与实验值均随蒸发温度的升高而逐渐增大。蒸发温度升高，系统蒸发量与运行功率也随之增大，但是蒸发量增加幅度要大于功率的增加，因此COP、SMER随蒸发温度的升高而增大。

图7 COP随蒸发温度的变化

图8 SMER随蒸发温度的变化

3.4 蒸发温度对去除率的影响

在不同蒸发温度下，对蒸发冷凝液进行水质分析，获得不同蒸发温度下TDS及COD去除率的变化规律，如图9所示。当蒸发温度由83℃上升至85℃时，COD去除率变化不大，约为92%;随着蒸发温度继续升高，较高的温度促使废水中部分有机物受热分解，随着二次蒸汽进入冷凝液，导致COD去除率明显降低，因此，85℃时去除率达到最大值。此外，TDS去除率随蒸发温度的升高几乎没有变化，大约为99%,主要由于二次蒸汽夹带微小液滴所造成。

图9 去除率随蒸发温度的变化 

3.5 系统运行经济性分析

在相同条件下，将MVR蒸发结晶系统与传统多效系统进行运行经济性对比分析。多效蒸发加热蒸汽消耗量计算方法如式(10)所示：

式中，mv为系统蒸发量，neffect为多效蒸发系统效数。

以蒸发温度为85℃时运行工况为例，开发的MVR蒸发结晶系统蒸发吨水电耗约为63 kWh。为了便于比较，进行标煤与运行费用折算，如表4所示。采用MVR热泵技术可比三效、四效蒸发分别节约标煤56.0%、41.4%,节约运行费用38.8%和18.3%,表明MVR热泵技术在提升能源利用率、降低企业运行成本方面有着巨大潜力。

结论

为研究MVR热泵技术在高盐废水蒸发结晶过程的适用性，以羟丙基甲基纤维素(HPMC)生产过程产生的高盐废水为实验工质，通过理论分析与实验研究结合的方式进行系统特性分析，得到以下结论。

(1)开发的MVR热泵蒸发结晶系统运行稳定，可靠性较高，各项工艺参数波动较小；当蒸发温度为85.2℃时，系统平均蒸发量为2 137 kg/h, 达到设计要求。

(2)蒸发温度对废水处理前后TDS的去除率几乎没有影响，但较高的蒸发温度会促使废水中有机物受热分解，导致COD去除率下降。

(3)系统蒸发量、运行功率、COP、SMER受蒸发温度影响较为明显，随着蒸发温度的升高呈现逐渐上升趋势，且理论值与实验值拟合较好。

(4)开发的MVR热泵蒸发结晶系统节能效果较为显著，相比传统三效或四效蒸发可分别节约标煤56.0%、41.4%,节约运行费用38.8%和18.3%。转自现代化功 作者：侯超 杨鲁伟 蔺雪军 陶磊 孙桂祥

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2022年11月4-6日

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