一种新型节能机械蒸汽再压缩装置

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国内外目前主要采取反渗透膜工艺及蒸发工艺处理高浓度含盐、含重属污水，以达到国家排放标准和中水回用。但由于反渗透膜的特性对进水水质的要求较高、处理量出水低于70%，浓缩液量大，且随着运营时间的延续处理量逐渐减少，反渗透膜就需及时更换，在一定程度上制约了膜的使用及处理污水的能力。传统的单效及多效蒸发技术及目前在推广使用的机械蒸汽再压缩技术（MVR）由于采用金属材料，其结垢、腐蚀等原因也限制了其使用范围。重庆市三耕储节能环保科技有限公司通过对国内外相关资料的分析，通过实验，自主开发出了一种用于热交换的高分子换热膜，应用于MVR设备的制造并取得了成功，获得国家多项新型实用专利证书。MVR是蒸汽机械再压缩技术（mechanical vapor recompression）的简称。mvr是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。早在60年代，德国和法国已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理等领域。蒸发器其工作过程是将低温位的蒸汽经压缩机压缩，温度、压力提高，热焓增加，然后进入换热器冷凝，以充分利用蒸汽的潜热。除开车启动外，整个蒸发过程中无需生蒸汽。采用新型材料制造的机械蒸汽再压缩蒸发装置，并能较好的应用于高浓度含盐、含重金属的污水处理工艺中，以往水处理工艺中采用进行蒸馏分离是非不得已的最终选择，原因是它的能耗太高单效蒸发或三效蒸除需锅炉装置外、还需电力及冷却水，折合能耗100（kWh/t）左右，而传统的MVR装置能耗也在（30～60kWh/t）。但是应用新型材料制造的机械再机械再压缩蒸汽压缩装置，可大大降低蒸发装置的能耗。新型MVR装置是通过单步回收循环使用蒸发及凝结时释放的热能来降低能耗，它使蒸发技术的能耗大大降低，一般能耗低于16度，使用可省去蒸汽锅炉，冷凝装置等设施。MVR的能源可用电或低温蒸汽，或完全采用电能运行。蒸馏技术是一种物理的处理工艺，它是一种从水中排除可溶性固体的分离技术，当其他污水处理技术，包括过滤、生物反应、物理/化学处理或其他膜技术无法排除可溶性固体时，蒸馏是唯一可行技术。如果用户的目标是达到工厂的“零”排放，它必须采用蒸发持续术。

图1 节能机械蒸汽再压缩装置工艺图

新材料制造技术的创新点在于这是一种新型的热交换概念，热交换表面由高科技的聚合物膜构成。这种热交换“单元”涉及了几项高新技术包括膜本身的表面处理、表面/边缘焊接、装配方式，布膜器的设计和冷凝水收集系统。布膜器，冷凝水收集器和热交换表面同样是由聚合材质构成，通常主材为高密度聚乙烯。

这种聚合材质的热交换表面元件有一个“袋状”结构。浓缩的溶液循环到元件顶端，然后分布在“袋状物”的外表面。随着溶液逐步达到饱和状态，在加热的同时就开始产生蒸发。产生的蒸汽进入风机，风机通过给蒸汽增加压力和温度来增加一定的能量。通过风机后，压缩后的蒸汽进入到热交换元件（袋状物）的里面。蒸汽在此产生冷凝，释放出的潜热透过这种聚合物表面，促使外部表面的溶液释放出更多的水蒸气。冷凝后的水蒸汽，即整个工艺的产物，再从元件的内部以纯净的冷凝水的形式排出。浓缩液从罐体底部排出以便得到进一步处理。

图2 压差与沸点的函数关系

聚合材质作为单元式结构中的基本元件，是因为系统设计的运行温度很低。另外，设计的运行温度需热交换表面产生较小的压差，系统才能运行。一般控制温差为2.5℃时，压差与沸点的函数关系如图2所示。在设计的操作压力下，热交换表面差生的压差大约相当于水位表在180毫米的压力。因此需要使用薄的，有弹性的膜作为热交换表面。

图3 热交换系数和壁厚的关系图

由于聚合材质的传热性相对较低，越薄的壁厚就成为了必不可少的条件了。举例来说，一般的金属材质的热交换表面的壁厚为0.5-1.5毫米，那么新型换热材料的热交换表面的壁厚仅为0.02-0.04毫米。设计出的这种厚度的传热性就等同于传统蒸发器中金属材质的换热表面的传热性。不同的聚合材质及不锈钢的壁厚对整个热交换系数（U或K值）的影响，如图3所示，

K-K值，

壁厚，毫米为单位

PE=聚乙烯

PA=聚酰胺（尼龙）

PP=聚丙烯

PVC=聚氯乙烯

SS316=316不锈钢

聚合材质的热交换单元适用于各种水质。即便环境再恶劣，这种优势也可以利用大量的换热表面。利用大量的换热表面的直接好处就是在降低了能耗的同时，也减少了资本成本。另外，增大的换热表面和减少的压力比，就可以使用一台相对简单的低速风机来替代复杂的压缩机，进一步减少了投资、运行和维修费用。

表1为蒸发器设计的三个基本公式。如公式1中，增大换热面积的同时，就可以相应减少有效的温差。如此一来，在公（下转封三）（上接第298页）式2中就可以看出，这就相应的减少了压缩机的能耗。请注意，能耗的降低和有效温差成正比。

表1 蒸发器基本公式

Q=U×A×Teff 公式1

P=C×MF×T 公式2

Teff=T-TBPE 公式3

其中：

Q=热量流量

U=热交换系数

A=换热面积

Teff=有效温差

P=压缩机能耗

C=压缩机系数

MF=蒸汽质量流量=蒸发工作量

T=热交换表面差生的温差

TBPE=沸点上升

图4 几种常用蒸发装置能耗比较

1.组合式热交换器

数拾个独立的热交换表面元件组合起来，构成一个单一的，组合式的热交换表面单元。同样的热交换单元持续加入每一个系统中，直到达到设计的工作量。由于每一个系统中使用的是相同的热交换单元，所以安装、维护方便，尽可能减少库存。不像传统蒸发器中的金属用品，单元式的热交换表面相对来说更容易处理和更换。

图5 节能蒸发器工作原理

图6 减水率

2.MVR 蒸发器系统设计参数说明

除了组合式的热交换单元，完整的蒸汽器系统也是组合式的。标准的组合式的尺寸是由每天的处理量而定的，从12吨/天到900吨/天。如果需要安装的系统处理量超过了上述列举的数字，可以通过串联的方式增加额外的系统。这种组合式的概念还允许逐步的扩大安装，根据用户的需求而有所增加。整个设备设计的是室外运行的结构，因此不需要额外的土建工程。聚合材质的热交换表面具有优秀的防结垢，防污垢和沉淀的作用。这样的好处是能够增加它的使用寿命，延长清洗的时间间隔，和减少维修造成的停机时间。

低能耗下的最大减容：

由于设计的热交换表面产生的温差很小，该技术最适合用在含有相对较小的溶解性总固体（总含盐量）浓度，和相对较低沸点上升值的水。如图6所示，本产品可从稀释水中可以得到较高的净水回收率。举例来说，从TDS为0.5%的这条曲线开始来看，当TDS（溶解性总固体/总含盐量）达到10%的时候，液体总量的95%都被移除了。也就是说，蒸发的主要部分与相应的工作曲线，主要发生在TDS水平较低的情况下。因此，在稀释水源中的应用，概念中设计的低能耗才能得到最佳的利用。所以，本产品主要是用于电镀厂、垃圾渗透液、石油钻井污水、海水淡化、榨菜厂污水处理，在一定程度上取代反渗透工艺，且比反渗透工艺对进水水质的要求低，产水率高。

初始流量百分比

溶解性总固体/总含盐量

进水溶解性总固体0.5%

进水溶解性总固体1%

进水溶解性总固体2%

3.工程实例数据

A.某化工长钛铂粉废水10T/d中试处理前后数据

硫酸钙废水进水水样 硫酸钙废水产水水样* 硫酸钙废水浓水水样*

检测项目 检测结果 单位 检测项目 检测结果 单位 检测项目 检测结果 单位

pH 7.62 无量纲 pH 8.96 无量纲 pH 8.72 无量纲

电导率 4.23 ms/cm 电导率 18.3 us/cm 电导率 16.7 ms/cm

Ca2+ 456.31 mg/L Ca2+ 9.22 mg/L Ca2+ 654.29 mg/L

SO42- 1334.0 mg/L SO42- 30.80 mg/L SO42- 5360.0 mg/L

氯离子 537.3 mg/L 氯离子 0.5 mg/L 氯离子 3961.27 mg/L

*其中，产水为蒸发冷凝后所得废水，浓水为蒸发浓缩后的高浓度废液或回收液。

B.某榨菜厂高含盐榨菜废水10T/d中试处理前后电导率比较

处理前 MVR处理后

原水水样（1）电导（ms/cm）大于20，超出量程。将原水1稀释10倍

电导为5.56（ms/cm） 0.58（ms/cm）

原水水样（2）电导（ms/cm）大于20，超出量程。将原水1稀释10倍

电导为4.43（ms/cm）

备注：原水（1）（2）混和后进入MVR装置处理

C.能耗比较

（1）MVR蒸发器与多效蒸发器煤消耗对比

表2 MVR蒸发器与多效蒸发器能源消耗对比

MVR蒸发器蒸发1吨水的能耗 多效蒸发器的效数 多效蒸发器蒸发耗煤量kg标煤/t 使用MVR节煤效果

<40度

（折算成标煤5.53千克） 1 157 96%

2 74 93%

3 57 80%

4 43 87%

5 39 86%

6 36 85%

（2）使用MVR蒸发器与多效蒸发器生产能耗成本对比

表3 MVR蒸发器与多效蒸发器生产能耗成本对比

MVR蒸发器蒸发吨水电耗

（电价0.8元/kWh） 多效蒸发器的效数 多效蒸发器蒸发吨水蒸汽成本（元/t）

（蒸汽价格：120元/吨） 使用MVR节约生产成本

传统MVR：

20.0元/t 1 132 >84.8%

2 68 >70.8%

3 48 >58.3%

4 36 >44.4%

5 32 >38.3%

6 30 >33.3%

新型MVR：

12.0元/t 1 132 >90.9%

2 68 >82.5%

3 48 >75.0%

4 36 >66.7%

5 32 >63.0%

6 30 >60.0%

（运行费用仅作参考，根据实际电价进行计算）

4.高效换热膜制造成MVR降膜蒸发器的应用

采用膜蒸发装置。可将污水浓缩成10%～12%的浓液，根据用户需要，后续采用MVR结晶装置进一步将原液浓缩成饱合溶液通过自然降温结晶析出或离心机分离结晶析出。MVR装置完全是物理的污水处理方式，不存在二次污染。减少污泥量及为污泥资源化提供条件。与反渗透相比，降低浓液排放量，对进水水质要求不高，减少预处理环节和药剂投入，与多效蒸发和传统MVR蒸发相比能耗大大降低，且不需要大量的不锈钢、钛材等贵重金属，节约设备制造成本，降低投资。由于高分子材料自身优势，不易腐蚀，结垢周期长，设备使用寿命得以延长等诸多优点，因而随着国家节能环保力度的加强，该技术工艺必定有着广泛的应用空间及市场前景。

通讯作者：邓湘军。