智能純電驅動低溫蒸發濃縮技術及裝備應用

彭德連,張承虎,項敬來,姜沈陽

(1.溫兄控股集團股份有限公司,浙江 溫州 325000;2.哈爾濱工業大學,黑龍江 哈爾濱 150000)

隨著我國2030年實現碳達峰,2060年實現碳中和的“雙碳”目標的提出,未來我國的能源結構轉型的路線越來越清晰,清潔電力將成為未來的主要能源。隨之而來的是能源消費端各行各業的電氣化轉型,工業電氣化所面臨的技術難度尤為顯著,同時大量的工業熱能消耗使電-熱直接轉換利用受到限制。在提取中藥與天然產物的相關工藝中,較為典型的單元操作當屬蒸發濃縮技術。蒸發濃縮系統運行效率的提升有利于降低系統能耗。傳統多效蒸發(Multiple Effect Evaporator,MEE)和機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Re-compression,MVR)都屬于蒸發濃縮領域的典型工藝技術,前者是將原料液通過鍋爐產生的蒸汽進行加熱并濃縮,再將末效蒸發罐內生產的二次蒸汽由冷卻塔等裝置進行冷卻,與此同時造成了大量的能源浪費。后者因其節能、高效、環保等特點,被廣泛應用于歐美等西方國家的蒸發技術領域。

但是由于絕大多數天然產物與中藥提取液都屬于熱敏性物質,蒸發濃縮不能在較高溫度下進行。在低溫濃縮前提的限制下,雙效蒸發、MVR和TVR(蒸汽熱力再壓縮技術)都無法實現。基于此,本文深入分析低溫濃縮的技術要求和特點,提出了一種新型智能純電驅動低溫蒸發濃縮技術,并對該裝備工程應用的技術經濟性進行評價。

1 蒸發濃縮系統能流對比分析

常規雙效蒸發濃縮系統的原理如圖1所示,為保證系統正常運行,需要連續不斷為其提供高溫生蒸氣,并且通過冷卻塔等設備來冷卻二次蒸汽,進而造成能源的浪費。根據雙效蒸發濃縮工藝參數,一效蒸發罐的蒸發溫度與高溫生蒸汽、一效二次蒸汽與二效蒸發罐的蒸發溫度應維持將近10℃的溫差才能保證系統間正常的傳熱。同時借鑒熱泵系統的工作原理,通過高位電能的驅動將能量由低溫熱源向高溫熱源傳遞,可以將二效蒸發罐內產生的二次蒸汽的冷凝熱進行回收。綜上所述,本文結合雙效蒸發系統與真空相變熱泵系統的特點,提出了純電驅動低溫蒸發濃縮系統,原理如圖2所示。

圖1 常規雙效蒸發濃縮系統原理圖

圖2 純電驅動低溫蒸發濃縮系統原理圖

純電驅動低溫蒸發濃縮系統由雙效蒸發子系統、真空相變熱泵子系統、載熱子系統、預熱子系統和真空保障子系統構成。為了深入分析純電驅動低溫蒸發濃縮技術的能耗水平和技術優勢,本文對常規雙效系統和純電驅動系統進行了能流對比分析,它們的能流圖如圖3和圖4所示。

圖3 常規雙效蒸發系統設備能流圖

圖4 純電驅動低溫蒸發濃縮系統能流圖

對比分析結果表明:

(1)就常規雙效蒸發系統而言,存在兩方面的缺點導致其能源利用率較低。一是需要額外提供生蒸汽來加熱原料液使其蒸發濃縮,二是在系統運行中未對生蒸汽、一效二次蒸汽及二效二次蒸汽所產生的冷凝液進行回收利用。與之不同的是,純電驅動低溫蒸發濃縮系統無需額外提供生蒸汽,而是利用熱泵所產生的中介水蒸汽對原料液加熱;同時回收利用了一效二次蒸汽冷凝液中的顯熱以及二效二次蒸汽冷凝熱。

(2)通過對比分析可知,純電驅動低溫蒸發濃縮系統的內部設備由于散熱損失程度較小,基本不影響系統的正常工藝流程,可通過蒸發折損率來表征設備散熱損失。

(3)回收二效蒸汽的凝結熱主要由真空相變熱泵的輸入功實現,通過外置預熱器來對進口物料進行預熱,在一效罐的投入與產出熱量平衡的基礎上實現了余熱的利用。

2 水蒸氣直接壓縮存在的問題

基于水蒸氣直接壓縮的MVR技術,不適用于低溫(<60℃)濃縮。水蒸氣自身的熱物理性質決定了水蒸氣不適合“低吸氣溫度、大溫升幅度”工況的壓縮。因此MVR技術在低溫濃縮、雙效系統、有機溶劑濃縮的情況下都不適用。低溫下水蒸氣的密度和絕熱指數決定了水蒸氣直接壓縮的單位電耗、排氣溫度、壓縮體積等都不再具有技術可行性。下面以5t/h蒸發能力的水蒸氣直接壓縮機在不同蒸發溫度和升溫需求下的性能進行分析。

2.1 水蒸氣直接壓縮的功耗

水蒸氣的吸氣飽和溫度分別是50℃、70℃、90℃、110℃時,壓縮之后飽和溫度提升幅度分別從10～45℃條件下,水蒸氣直接壓縮的電功率如圖5和表1所示。

表1 不同條件下水蒸氣直接壓縮的實際電功率/KW

圖5 水蒸氣直接壓縮的實際電功率

不難得出以下結論。

(1)吸氣溫度越低,實際壓縮功耗越大:吸氣溫度低導致壓力降低,密度變小。

(2)飽和溫度提升幅度越大,實際壓縮功耗越大,近似正比例關系:溫升幅度增大N倍,壓縮功耗同倍增大。如果考慮內壓比隨溫度提升幅度增大而增大,壓縮機指示效率將進一步降低,實際壓縮功耗增加的倍數將更大。

(3)飽和溫度提升幅度越大,吸氣溫度降低導致的功耗增加將更為明顯。

(4)僅從實際壓縮功耗角度考慮,水蒸氣不適合“低吸氣溫度、大溫升幅度”工況的壓縮。

2.2 水蒸氣直接壓縮的排氣過熱度

水蒸氣壓縮與空氣壓縮類似(都是小分子量氣體),就是壓縮過程溫度升高極快、極大,如果冷卻效果不好(或不采取中間冷卻),將導致排氣溫度和過熱度過大,給壓縮機潤滑、避免熱脹摩擦、避免熱應力疲勞等帶來巨大困難。水蒸氣直接壓縮的排氣過熱度變化規律如圖6和表2所示。

表2 不同條件下水蒸氣絕熱壓縮的排氣過熱度/℃

圖6 水蒸氣絕熱壓縮的排氣過熱度

不難得出以下結論。

(1)無冷卻一級壓縮的排氣溫度均在120℃以上,且隨著飽和溫度提升幅度的增加而急劇增大。

(2)70℃水蒸氣,壓縮提升10℃的飽和溫度,排氣溫度高達137℃;壓縮提升15℃的飽和溫度,排氣溫度高達170℃。如此之高的排氣溫度,沒有良好的冷卻是不可能實現良好潤滑和機械運轉的,冷卻必然帶來電能的浪費。

(3)相同溫度提升條件下,吸氣溫度越低,排氣過熱度越大;相同吸氣溫度條件下,溫度提升幅度越大,排氣過熱度成倍增加。因此,僅從直接壓縮排氣溫度的角度考慮,水蒸氣不適合“低吸氣溫度、大溫升幅度”工況的壓縮。

2.3 水蒸氣直接壓縮的體積尺寸

水蒸汽與空氣同屬小分子量氣體,具有相似的壓縮特性。不同點在于:常溫下,飽和水蒸氣的密度較空氣來說要小,較制冷劑蒸汽密度來說數量級相差甚大。由此導致水蒸氣壓縮機比常規空氣壓縮機的尺寸大很多,所帶來的問題如下。

(1)造價和制造難度增加。

(2)潤滑油量增加。

(3)內漏損失增大,指示效率降低。

(4)摩擦損失增大,機械效率降低。

(5)裝配誤差增加,機械效率降低。

(6)散熱面積增加,散熱損失增大。

MVR中的吸氣過熱度都很小,按照水蒸氣設計規范取水蒸氣的參考流速為30m/s進行壓縮機尺寸分析的依據是可行的。將壓縮機的吸氣管直徑作為壓縮機尺寸的對比參考,具有現實的工程意義。5t/h的水蒸氣,吸氣溫度從50～120℃條件下的水蒸氣體積流量和吸氣尺寸如表3所示。

表3 不同吸氣溫度下的吸氣體積與直徑

不難得出以下結論。

(1)吸氣飽和溫度越低,密度越小:50℃與120℃飽和水蒸氣的密度相差14倍。

(2)吸氣飽和溫度越低,氣體體積越大:50℃與120℃飽和水蒸氣的體積流量相差14倍。

(3)只有120℃以上時,飽和水蒸氣的密度才與空氣相當,水蒸氣壓縮機的尺寸才與空壓機相當。

(4)吸氣飽和溫度越低,壓縮機的尺寸越大:50℃與120℃吸氣溫度壓縮機尺寸相差4倍,體積相差64倍。

(5)僅從壓縮機尺寸的角度考慮,水蒸氣不適合“低吸氣溫度、大溫升幅度”工況的壓縮。

2.4 采用制冷劑進行間接壓縮的可行性

如果采用制冷劑先吸收二次蒸汽的熱量,再壓縮制冷劑蒸汽的形式,將會發現相同一效蒸發溫度和相同二次蒸汽產量的條件下,制冷劑壓縮方式的吸氣體積要比直接壓縮水蒸氣小很多。不同制冷劑的吸氣體積與水蒸氣直接壓縮的吸氣體積比較如表4所示。

表4 壓縮不同制冷劑氣體時單位蒸發量的吸氣體積/(m3/kg)

以R245fa的吸氣體積為參考基礎,不同制冷劑的吸氣體積倍數如表5所示。

表5 壓縮不同制冷劑氣體時單位蒸發量的吸氣體積倍數

不難看出以下結論。

(1)直接壓縮水蒸氣的吸氣體積是間接壓縮R245fa的數倍,將導致水蒸氣壓縮機的尺寸是R245fa壓縮機尺寸的2～3倍,體積則是十幾倍。

(2)隨著一效蒸發溫度的提高,水蒸氣壓縮機的尺寸趨于合理,說明水蒸氣不適合“低吸氣溫度”工況的直接壓縮。

(3)一效蒸發溫度較低時,單純從壓縮機尺寸角度考慮,制冷劑的選擇優先次序是:R134a>R124>R245fa>R141b。

(4)一效蒸發溫度較高時,R134a等工質不再適合間接壓縮。

3 純電驅動系統數理模型與評價方法

3.1 系統的數學模型

從傳熱特性、熱力特性和評價指標三個方面對純電驅動低溫蒸發濃縮系統進行數學模型構建,其中前兩個數學模型包括雙效蒸發子系統和熱泵循環子系統。其數學模型計算求解流程如圖7所示。

圖7 系統數學模型的建立流程

3.2 節能環保性指標

作為一套全新的低溫蒸發濃縮技術和系統,本文構建完善的技術經濟性評價體系,主要包括:

(1)單位蒸發量生蒸氣耗量

驅動熱泵壓縮機的電能將作為系統的直接能源,認為中介水蒸汽溫度下的生蒸汽汽化潛熱等同于熱泵壓縮機功率,代入式(1)計算出單位蒸發量下所消耗的生蒸氣量。

(1)

(2)單位蒸發量的標煤耗量

假設熱泵壓縮機的電耗全部來源于燃煤發電機組,燃煤發電機組的平均供電能耗為0.31,計算公式如式(2)所示。

(2)

(3)溫室氣體減排量

以二氧化碳作為溫室氣體代表,減排量計算公式如式(3)所示。

MCO2=2.47Mbm

(3)

(4)有毒有害氣體減排量

以二氧化硫作為有毒有害氣體代表,減排量計算公式如式(4)所示。

MSO2=0.02Mbm

(4)

(5)粉塵減排量如式(5)所示。

MFC=0.01Mbm

(5)

3.3 經濟性評價指標

(1)系統年總費用

系統年總費用包括運行及維護費用,具體計算公式如式(6)所示。

J=J1+J2+J3+J4+J5

(6)

熱泵壓縮機的功率、當地電價和年運行時間這三類因素影響熱泵的年運行費用。

具體計算公式如式(7)所示。

J1=PyθY

(7)

熱泵循環子系統的年維護費用由機組維修、保養等組成,且受當地氣候因素影響、系統運行工況及時長等影響,具體費用當另外計算。以初投資的一定比例進行估算。

參考式(8)和式(9)對熱泵投資建設費用進行估算。

I=aQln×1000

(8)

J2=εl

(9)

參考式(10)對雙效蒸發子系統的年維護費用進行估算。

(10)

抽真空系統的費用年值主要用來不凝性氣體的排除以及維持蒸發罐的真空度。因此,若維持系統良好的氣密性以及抽真空系統不持續工作,則會大大降低其費用年值。

根據泵的軸功率按照式(11)對排水泵的運行費用進行估算。

(11)

(2)靜態回收年限模型

相較于常規雙效蒸發系統,純電驅動低溫蒸發濃縮系統冷卻塔的投資力度減少,但高溫熱泵的投資力度增大。在系統改造中常常用靜態投資回收年限作為重要經濟性評價指標,具體公式如式(12)所示。

(12)

用式(13)表示常規雙效蒸發系統的年總費用。

(13)

(14)

4 運行特性與技術經濟性

本文針對某中藥企業應用的智能純電驅動低溫蒸發濃縮技術與裝備的實測數據進行總結介紹,該項目的機組如圖8所示。

圖8 實際工程現場的智能純電驅動低溫蒸發濃縮機組

4.1 傳熱性能測試結果

由于換熱器的傳熱效果直接受其傳熱系數的影響,因此需通過分析傳熱系數變化的影響規律得出提高換熱器性能的實驗方法。根據系統傳熱計算模型,傳熱系數通過換熱器的傳熱量(公式計算)、傳熱面積(設計參數)和溫度(儀表測量)求得。

圖9 系統穩定運行時傳熱溫差的變化圖10 系統穩定運行時傳熱系數的變化

圖9和圖10分別表示系統穩定運行過程中的傳熱溫差和傳熱系數變化規律。圖9表示,在換熱結構和傳熱面積相同的情況下,一效蒸發罐的傳熱溫差比二效蒸發罐的傳熱溫差大,分別為16.09℃和12.7℃,這是由于一效蒸發罐內中介水蒸氣汽的傳熱溫差受系統不凝性氣體的影響而有所增大。由于蒸發器中的積液原因所導致的傳熱系數和面積減小,使得熱泵蒸發器的平均傳熱溫差為8.97℃,冷凝器的平均傳熱溫差為7℃。圖10表示,一效蒸發罐的平均傳熱系數最小,為860W/(m2·K),而熱泵冷凝器的平均傳熱系數最大,為1302W/(m2·K),驗證了不凝性氣體的存在會降低系統的傳熱性能。

4.2 熱泵的COP變化規律

熱泵COP和冷凝器與蒸發器的溫差(簡稱CE溫差)隨時間的變化規律,如圖11所示。CE溫差直接影響熱泵系統的COP,COP作為評價熱泵效率的關鍵指標。熱泵的COP和CE溫差隨時間呈相反變化規律,符合系統熱力工作原理。

圖11 系統熱泵COP的變化圖12 單位蒸發能耗的變化

4.3 壓縮機負荷對性能的影響

螺桿壓縮機的型號選擇影響整個系統的運行效果,而保證壓縮機功率與系統的匹配程度至關重要。實驗通過同時調節壓縮機負荷滑閥和輸入電流與負荷相匹配的方式來控制壓縮機功率。本文針對系統總蒸發量和單位耗電蒸發量(WPP)與熱泵壓縮機負荷之間的影響作出以下分析。

如圖12所示,隨著壓縮機負荷的增加,系統總蒸發量提高且WPP降低,因此可提高壓縮機負荷來提高總蒸發量,同時減小壓縮機負荷可使系統能耗有一定程度減少。當壓縮機在超負荷條件下運行時,總蒸發量的提高不再受負荷增加的影響,這是由于負荷與運行不匹配時,負荷的增加甚至對系統運行效果起到負面影響,因此選擇與系統相匹配的功率至關重要。

4.4 系統的技術經濟性評價

通過系統實際運行數據的統計分析,計算得到純電驅動低溫蒸發濃縮系統的單位蒸發量的耗電為65kWh/t,折合單位蒸發量生蒸氣耗量WEF1=0.135kg/kg(常規雙效系統為0.55～0.60kg/kg);單位蒸發量的標準煤耗量20.15kg/t(常規雙效系統為55.15kg/t);碳減排量為0.1t/t。以2t/h蒸發量的純電驅動低溫蒸發濃縮機組為例,在不同蒸汽價格和電價下的節能經濟性如表6至表8所示。

表6 不同能源價格下蒸發1噸水費用節省情況/(元/t)

表7 不同能源價格下蒸發一噸水的費用節省比例/%

表8 規格為2t/h純電驅動濃縮機組的增量回收期/小時

可以看出,當電價為0.7元/kWh,蒸汽價為240元/t時,每蒸發一噸水可節省運行費用103.5元/t,節省比例接近70%,設備的增量投資回收期為8700小時。隨著未來能源結構的調整,電價趨低,蒸汽價格趨高,純電驅動低溫蒸發濃縮機組的節能環保性和運行經濟性將會更加顯著。

5 結論

為了滿足未來工業電氣化對天然產物與中藥提取液濃縮分離工藝的節能低碳要求,本文提出了純電驅動低溫蒸發濃縮工藝和裝備,通過間接壓縮原理實現熱能的循環利用,通過理論分析和實際工程項目測試分析,得出如下結論。

(1)純電驅動低溫蒸發濃縮系統中真空相變熱泵側輸入的功量主要用于回收蒸發器內二效蒸汽的凝結熱。電力輸入的目的不是電熱轉換,而是驅動系統熱能的循環利用,這是本項技術實現節能的根本原因。

(2)從直接壓縮水蒸氣的實際壓縮功耗、排氣過熱度、壓縮體積等技術角度考慮,水蒸氣不適合“低吸氣溫度、大溫升幅度”工況的壓縮,因此MVR不適合熱敏性物料的低溫濃縮,無法實現雙效節能。

(3)采用制冷劑作為載熱循環工質,可以完美地避免低溫水蒸氣熱物理性質對壓縮性能的本質限制難題,實現純電驅動低溫蒸發濃縮工藝技術。

(4)建立了雙效系統與真空相變子系統的耦合數理模型,并從節能環保性和經濟性兩個方面給出了純電驅動低溫蒸發濃縮技術的評價指標。

(5)通過純電驅動低溫蒸發濃縮工程項目的運行實際測試,結果表明單位蒸發量的耗電為65kWh/t,單位蒸發量的標準煤耗量20.15kg/t(常規雙效系統為55.15kg/t);碳減排量為0.1t/t。在合理的電價和蒸汽價格下,每蒸發一噸水可節省運行費用約100元/t,節省比例接近60%～70%,設備的增量投資回收期為7000～10000小時。