機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)在燃機(jī)機(jī)組中的選型探討

黃時(shí)今 劉 暢 黃 磊 張 偉

（上海閔行燃?xì)獍l(fā)電有限公司 上海 200245）

引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度逐步提高，國(guó)家對(duì)火力發(fā)電廠的用水、節(jié)水和廢水治理也制定了一系列的法規(guī)。根據(jù)上海市環(huán)保部門相關(guān)意見，要求閔行燃機(jī)循環(huán)排污水不得直接排入黃浦江，同時(shí)由于循環(huán)排污水水量過(guò)大，廠址段的排污納管容量已經(jīng)達(dá)到飽和，且目前暫無(wú)擴(kuò)容規(guī)劃，因此全廠產(chǎn)生的廢水必須廠內(nèi)消納或回用。根據(jù)實(shí)際情況，閔行燃機(jī)電廠循環(huán)水排污水經(jīng)處理后作為除鹽水的水源，同時(shí)水中的鹽量通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶形成雜鹽作為固廢進(jìn)行處置，實(shí)現(xiàn)節(jié)水及工業(yè)廢水治理的目標(biāo)。

機(jī)械蒸汽再壓縮又稱MVR(mechanical vapor recompression)是目前國(guó)際上先進(jìn)的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，也同時(shí)是傳統(tǒng)蒸發(fā)器的升級(jí)替代產(chǎn)品。機(jī)械蒸汽再壓縮，是指將蒸發(fā)（蒸餾）過(guò)程的二次蒸汽（低溫、低壓而無(wú)法再利用）通過(guò)壓縮機(jī)消耗少部分電能進(jìn)行壓縮做功，重新送回蒸發(fā)加熱室當(dāng)一次蒸汽使用。目前國(guó)內(nèi)已將該蒸發(fā)技術(shù)成熟地應(yīng)用在食品、飲料、鹽化工、生物工程等濃縮結(jié)晶與提純工藝以及造紙、醫(yī)藥、天然氣開采、煤化工等高鹽污水處理行業(yè)。

1 MVR系統(tǒng)介紹

1.1 MVR系統(tǒng)流程

MVR系統(tǒng)主要包括MVR蒸發(fā)結(jié)晶/濃縮系統(tǒng)及輔助設(shè)備。MVR蒸發(fā)結(jié)晶及濃縮系統(tǒng)主要設(shè)備為蒸發(fā)結(jié)晶器、蒸汽機(jī)械再壓縮機(jī)、換熱器以及冷凝水泵、強(qiáng)制循環(huán)泵、離心機(jī)等輔助設(shè)備。其他輔助設(shè)備包括干燥系統(tǒng)及自動(dòng)包裝系統(tǒng)（包括固定流化床結(jié)晶鹽干燥系統(tǒng)、料倉(cāng)、自動(dòng)打包機(jī)等設(shè)備），系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 MVR蒸發(fā)結(jié)晶應(yīng)用——無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶工藝流程

初始新鮮蒸汽通過(guò)加熱器加熱蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)的含鹽廢水，在不斷補(bǔ)充新鮮蒸汽后，含鹽廢水在蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)被加熱沸騰產(chǎn)生二次蒸汽，二次蒸汽在機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)作用下提高溫升，通過(guò)加熱器內(nèi)與不斷進(jìn)入的預(yù)熱過(guò)的含鹽廢水進(jìn)行換熱，形成冷凝水由加熱器下部流出，在預(yù)熱器內(nèi)預(yù)熱進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶器前的含鹽廢水，冷凝水在預(yù)熱器最終換熱成冷卻水回用。正常啟動(dòng)后，無(wú)需再補(bǔ)充新鮮蒸汽，壓縮機(jī)將二次蒸汽吸入，經(jīng)增壓后變?yōu)榧訜嵴羝瓦@樣源源不斷進(jìn)行循環(huán)蒸發(fā)。蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出。

含鹽廢水在不斷循環(huán)濃縮后通過(guò)在線控制閥自動(dòng)排入脫水系統(tǒng)，脫水后的物料通過(guò)干燥系統(tǒng)、自動(dòng)打包系統(tǒng)打包后外運(yùn)。脫除的母液通過(guò)母液水泵再回至蒸發(fā)結(jié)晶器中繼續(xù)循環(huán)。

1.2 MVR技術(shù)特點(diǎn)

（1）MVR節(jié)能蒸發(fā)器技術(shù)是目前國(guó)際最為先進(jìn)的蒸發(fā)器技術(shù)，僅需要極少量新鮮蒸汽，極大地降低企業(yè)運(yùn)行成本，減少環(huán)境污染。

（2）由于采用壓縮機(jī)提供熱源，和傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器相比，溫差小得多，能夠達(dá)到溫和蒸發(fā)，極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低結(jié)垢。

（3）該蒸發(fā)器是物料在低溫、且不產(chǎn)生泡沫的狀態(tài)下進(jìn)行蒸發(fā)，料液均勻，不跑料，不易結(jié)焦。

（4）與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器相比無(wú)需冷凝器，結(jié)構(gòu)與流程非常簡(jiǎn)單，占地面積小，全自動(dòng)操作，可連續(xù)運(yùn)行，安全可靠。

（5）對(duì)于熱敏性物料可以配合使用真空泵，可以做到在接近絕壓的真空下進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)低溫蒸發(fā)。

（6）設(shè)備可配CIP清洗管路也可以安裝臨時(shí)清洗管路，可實(shí)現(xiàn)就地清洗，整套設(shè)備操作方便，無(wú)死角。

1.3 經(jīng)濟(jì)性比較

一臺(tái)蒸發(fā)量在6噸/小時(shí)的MVR蒸發(fā)器與同等蒸發(fā)量的傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器運(yùn)行成本的比較如表1所示：

表1 MVR與多效蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)性比較

工作時(shí)間按2500小時(shí)，電費(fèi)按0.6元/小時(shí)計(jì)算，蒸汽按200元/噸。

機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器年運(yùn)行費(fèi)用=698250元

多效蒸汽加熱蒸發(fā)器年運(yùn)行費(fèi)用=982125元

可見，機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器比多效蒸汽加熱蒸發(fā)器年運(yùn)行成本節(jié)約29萬(wàn)元左右，并且由于燃機(jī)機(jī)組兩班制運(yùn)行特點(diǎn)，無(wú)法連續(xù)不斷提供穩(wěn)定的鮮蒸汽而傳統(tǒng)4效蒸汽加熱蒸發(fā)器必須提供連續(xù)不斷的鮮蒸汽并且占地面積大，因此，機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)器相對(duì)于多效蒸汽加熱蒸發(fā)器更高效節(jié)能[1]且占地面積小的優(yōu)點(diǎn)更適合應(yīng)用于緊湊布置的燃機(jī)機(jī)組高鹽廢水處理。

2 影響MVR系統(tǒng)選型的因素

2.1 主要設(shè)備選型

MVR系統(tǒng)中核心部件是蒸汽壓縮機(jī)、蒸發(fā)結(jié)晶器及換熱器。

2.1.1 蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型

在國(guó)際上比較成熟的蒸汽壓縮機(jī)主要為離心式蒸汽壓縮機(jī)和羅茨式蒸汽壓縮機(jī)兩種。從機(jī)械的角度分析，轉(zhuǎn)速越低穩(wěn)定性越高。通常情況下，羅茨式的蒸汽壓縮機(jī)為980rmp-1450rmp之間，而離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速通常在9000rmp以上。而體積流過(guò)小、單機(jī)效率低是羅茨式蒸汽壓縮機(jī)的先天缺陷。從技術(shù)角度分析羅茨式蒸汽壓縮機(jī)為將漏氣率降低到可接受的范圍之內(nèi)，其葉輪往往要求較高的加工精度，，而漏氣率與整體效率成反比；相同加工精度的離心式壓縮機(jī)漏氣率更小，效率更高。從材質(zhì)角度分析，羅茨壓縮機(jī)滾子之間間隙很小，不宜采用不銹鋼等剛度較低的材質(zhì)，否則容易發(fā)生黏齒，同時(shí)，為了提高壓縮機(jī)的耐腐蝕能力，在設(shè)計(jì)上提高二次蒸汽的純度，壓縮機(jī)一般采用碳鋼鍍鎳鉻的材質(zhì)。而離心式蒸汽壓縮機(jī)的過(guò)流部件采用超級(jí)雙相不銹鋼材質(zhì)(2507)，抗腐蝕能力強(qiáng)，在相同的腐蝕環(huán)境中壽命高。從工作原理上看，羅茨式蒸汽壓縮機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，提供的壓差大，流量小，在高壓比、小流量的工況中具有極大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)為壓差式風(fēng)機(jī)，提供的壓差小，流量大，排氣均勻，氣流無(wú)脈沖，在蒸發(fā)量較大的工況下通常被選用。綜合以上因素，本期工程采用離心式蒸汽壓縮機(jī)。

2.1.2 蒸發(fā)結(jié)晶器的設(shè)計(jì)選型

對(duì)于處理高鹽廢水的水量在10t/h及以下時(shí)，一般主流廠家都采用物料直接進(jìn)入結(jié)晶器（閃蒸罐）的設(shè)計(jì)。結(jié)晶器（閃蒸罐）的前端設(shè)計(jì)考慮加裝脫氣塔，使進(jìn)水在脫氣塔內(nèi)先脫除水中的不凝氣，如氧氣等，避免經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入加熱器。該部分氣體無(wú)法冷凝，會(huì)阻礙加熱器內(nèi)蒸汽的冷凝進(jìn)而影響加熱效果。同時(shí)，結(jié)晶器（閃蒸罐）的直徑在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽的合理流速，為結(jié)晶鹽的生長(zhǎng)提供足夠的停留時(shí)間。結(jié)晶器（閃蒸罐）上方二次蒸汽出口前設(shè)置汽、液分離器，分離器的直徑是保證汽、液分離有足夠的分離面，分離器的高度是影響汽液相互夾帶的因素[2]。分離器高度越高，分離效率越高，但設(shè)備成本也會(huì)增加。

2.1.3 換熱器的設(shè)計(jì)選型

換熱器的設(shè)計(jì)要從以下方面進(jìn)行考慮：

（1）設(shè)定較高的循環(huán)泵流量

結(jié)晶器加熱器采用列管式換熱器，加熱器內(nèi)選用直徑較大的換熱管可以避免堵塞的發(fā)生，且易于清洗；加熱器罐內(nèi)流速大于2m/s，以避免懸浮固體在罐內(nèi)沉積，堵塞管路；鹽漿加熱器低溫升，避免在閃蒸罐內(nèi)的劇烈閃蒸，導(dǎo)致大量細(xì)晶粒生成，影響脫水效果，以及結(jié)晶器內(nèi)細(xì)晶粒的富集。

（2）設(shè)定較低的加熱器傳熱系數(shù)充分考慮加熱器的污垢系數(shù)，確保在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的工況下也能滿足設(shè)計(jì)處理能力，降低清洗頻率。且在MVR系統(tǒng)中，由于壓縮機(jī)的壓縮比調(diào)整幅度有限，設(shè)置較低的傳熱系數(shù)可使換熱面積余量充分，可以適應(yīng)更寬泛的水質(zhì)條件，使系統(tǒng)有更大的操作彈性。

2.1.4 泵的選擇

有晶體生成的系統(tǒng)，循環(huán)泵優(yōu)先選擇軸流泵。其特點(diǎn)是大流量，低揚(yáng)程，同時(shí)其泵頭的設(shè)計(jì)使其在工作過(guò)程中對(duì)溶液析出的晶體破壞最小，有利于結(jié)晶過(guò)程的完成。

冷凝水泵應(yīng)能及時(shí)將冷凝水抽出，否則會(huì)使冷凝水在蒸發(fā)器中聚集，并使蒸發(fā)器的傳熱發(fā)生嚴(yán)重的抑制作用[3]，使蒸汽加熱變?yōu)闊崴訜幔瑢?dǎo)致效率大大降低，導(dǎo)致堵塞的發(fā)生。

2.2 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)選型

在配套輔助設(shè)施中，主要包括以下系統(tǒng)：

2.2.1 阻垢劑投加系統(tǒng)

根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)水質(zhì)，二氧化硅和硫酸鈣在進(jìn)水中均為過(guò)飽和狀態(tài)，因此應(yīng)設(shè)置阻垢劑自動(dòng)投加系統(tǒng)，以加熱器和脫氣塔內(nèi)發(fā)生結(jié)垢。

2.2.2 燒堿投加系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)置燒堿投加系統(tǒng)，用于將結(jié)晶器內(nèi)鹽漿的pH值控制在偏堿性范圍內(nèi)。偏堿性的操作環(huán)境可以進(jìn)一步降低設(shè)備發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；并使SiO2保持溶解態(tài)，降低換熱管結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到混鹽廢水進(jìn)水水質(zhì)具有某種不可控性，某些未知雜質(zhì)（如氨氮或某些COD/TOC）在濃縮過(guò)程可能導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)pH值降低，從而加劇設(shè)備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，添加燒堿投加裝置，可以在發(fā)生這種狀況時(shí)提高系統(tǒng)的pH，避免上述腐蝕情況發(fā)生。

2.2.3 消泡劑投加系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)置了消泡劑自動(dòng)投加系統(tǒng)，包括連續(xù)投加和沖擊投加兩種模式。正常工況下，向結(jié)晶器連續(xù)小劑量投加消泡劑。在結(jié)晶器閃蒸罐上設(shè)置泡沫監(jiān)控，當(dāng)探測(cè)到泡沫發(fā)生時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖沖擊投加計(jì)量泵，向閃蒸罐投加適量消泡劑來(lái)抑制泡沫，提高蒸汽的品質(zhì)。

其他輔助系統(tǒng)包括離心脫水機(jī)、干燥設(shè)施、自動(dòng)打包設(shè)備，主要考慮材料防腐及自動(dòng)化儀控設(shè)備選擇。

2.3 材料選擇

高含鹽廢水中氯離子含量很高，導(dǎo)致物料在高溫下具有較強(qiáng)的腐蝕性，這是影響選材的重要因素。

我們對(duì)Ti2和Ti12兩種材質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比，其中Ti2屬于商品級(jí)純鈦材，而Ti12屬于鈦合金,兩種材質(zhì)的機(jī)械和物理性能相當(dāng)，但由表1可見，Ti12比Ti2多了0.3%的鉬和0.8%的鎳，由于鎳和鉬的加入，Ti12的耐整體腐蝕和局部縫隙腐蝕的性能都得以提高。

表1 Ti2和Ti12成分表

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)水質(zhì)中結(jié)晶器內(nèi)氯離子含量為150,000mg/L,溫度為110℃。在這種高腐蝕性工況下，結(jié)晶器換熱器的換熱管我們選用Ti12材質(zhì),對(duì)結(jié)晶器閃蒸罐和換熱器封頭等設(shè)備或部件，我們選用了超級(jí)雙相不銹鋼2507，以滿足系統(tǒng)工藝要求。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)作為新型高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)正在廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的污水處理中，在系統(tǒng)設(shè)備選型時(shí)不僅要考慮不同的水質(zhì)，也要根據(jù)處理量、腐蝕性和運(yùn)行實(shí)際工況確定設(shè)備的規(guī)模、型號(hào)及材質(zhì)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。