机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化蒸发性能实验研究

东华大学环境科学与工程学院

国家环境保护纺织污染防治工程技术中心 王晔琪 周亚素 鞠婉兰

机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化蒸发性能实验研究

东华大学环境科学与工程学院

国家环境保护纺织污染防治工程技术中心 王晔琪 周亚素 鞠婉兰

建立了一套机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化系统，以人工配制的盐水为对象，对机械蒸汽再压缩低温蒸发海水淡化系统进行实验研究，主要研究压缩机压缩比和蒸发温度对系统蒸发性能的影响。实验结果表明：产水率和压缩机比功耗随蒸发温度和压缩比的升高而升高，且压缩比对蒸发性能的影响较大。从节能及经济性角度上看，在满足产水要求和防结垢、防腐蚀需求下，选取较小的压缩比，和较大的蒸发温度有助于提高产水率，节约能耗。

机械蒸汽再压缩系统；低温蒸发；压缩比；蒸发温度；产水率

引言

21世纪以来，随着人口增加，工农业生产加速发展，水资源问题也日益紧张。由于海洋中蕴藏着丰富的水资源，人们把目光投向了海水淡化[1,2]。

海水淡化技术就是将海水中盐分和水分分离的技术，目前有十多种方式，最主要的包括蒸馏法、膜法等。蒸馏法主要有多级闪蒸(Multi-stage Flash-MSF)、多效蒸发(Multi-Effect Distillation-MED)、压 汽 蒸 馏 (VaporCompression-VC)；膜法主要是反渗透(Reverse Osmosis-RO)[3]。多级闪蒸、多效蒸发和反渗透法已大规模应用于海水淡化中[4-6]，但是多效蒸发和多级闪蒸设备复杂庞大，需要消耗大量蒸汽，热效率低，在实际生产中并不节能；反渗透法虽然节能，但是对海水预处理要求较高，淡水出水纯度较低，后期保养维护成本高。而机械蒸汽再压缩海水淡化法由于其结构紧凑，对海水的预处理要求低，只需消耗一点生蒸汽使海水蒸发，有效回收二次蒸汽中的潜热进行循环，无需冷却水，同时可以在较低的温度下进行操作，降低热损失，减少海水的结垢和腐蚀危害，后期保养维护成本较低，节能效果显著，在近几年得到了广泛的关注和大力的发展[7-9]。

本文针对所建立的小型机械蒸汽再压缩法海水淡化系统平台，设计产水率为20kg/h，采用水平管降膜蒸发-冷凝器，罗茨式压缩机，主要研究蒸发温度、压缩机压缩比对蒸发性能的影响。

1 实验系统介绍

机械蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression，简称MVR）是利用蒸发器自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源需求的一项节能技术。料液在蒸发器内产生二次蒸汽，经过压缩机的压缩，压力和温度得以升高，被送到蒸发器的加热室当作加热蒸汽使用，使料液维持蒸发状态，而加热蒸汽本身将热量传递给物料后冷凝成水。这样，充分回收了蒸汽的潜热，提高了热效率。

图1为MVR低温蒸发海水淡化系统的流程，为了充分利用冷凝水和浓海水的余热，进料海水由水泵分成两股，经过两个预热器预热，然后汇合成状态5，由循环泵送入蒸发器内由喷嘴喷淋到换热管上，形成水平管降膜蒸发。在蒸发器中，为了控制换热管外的海水结垢，蒸发是在真空负压的情况下操作的，海水在低温状态下实现蒸发，当蒸发出来的蒸汽状态6，再由压缩机将蒸汽抽走，并加压到状态7，输送到蒸发器中的冷凝管道内，冷凝放热成液态水（状态8），高压蒸汽冷凝放出的显热和潜热用于加热蒸发管道外的海水。冷凝下来的淡水经过预热器换热，回收部分显热后作为产品淡水（状态10）。而蒸发器内未被蒸发的浓海水在达到排放要求后经过预热器后排出（状态11），否则作为循环液与进料海水混合继续循环蒸发（状态5）。

图1 机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化系统图

2 实验研究

2.1 产水率与比功耗

评价MVR低温蒸发海水淡化系统的主要性能指标为产水率Mdw和比功耗wb：

（1）产水率Mdw，每小时产生的淡水量，它是衡量MVR低温蒸发海水淡化系统性能的指标。

（2）比功耗，生产单位体积淡水所消耗的能量，它是影响海水淡化系统成本的重要因素，是衡量MVR低温蒸发海水淡化系统经济性和节能性的指标，由于在机械蒸汽再压缩技术中压缩机是蒸汽蒸发循环换热的驱动设备，对蒸发性能起着决定性作用，比功率的具体定义为：

式中，wb为比功耗，其单位为kWh/m3；Mdw为产水率，其单位为kg/h；Ws,n为压缩机消耗的功率，其单位为W。

在MVR运行过程中，低温蒸发有利于防止海水高温结垢腐蚀而影响蒸发器的传热效率，通常MVR在低于80℃的温度下运行，而产水率的大小主要取决于换热量大小，主要是由压缩比控制[10]。因此，有必要研究蒸发温度和压缩比对蒸发性能的影响。

本文以人工配置的盐水为原料，实验平台设计产水率为20kg/h，来模拟机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化研究，分析压缩机压缩比ε和蒸发温度Tb对产水率Mdw和比功耗wb两个性能指标的影响。

2.2 压缩机压缩比ε

压缩机压缩比是蒸发冷凝实验中的重要参数，压缩比直接影响到压缩机的功耗，同时决定了蒸发冷凝器内的传热温差，从而影响到换热量和系统产水率。在保持海水喷淋量和压缩机抽气量不变的情况下，分别控制不同的三个蒸发温度（Tb=65℃，Tb=70℃，Tb=75℃），观察产水率和比功耗随压缩比的变化，测试数据如图2～图4所示。

图2 压缩比对产水率的影响

图3 压缩比对压缩机功耗的影响

图4 压缩比对比功耗的影响

图2和图3反映在三个不同蒸发温度下，压缩机压缩比对产水率和功耗的影响。在保持蒸发温度不变的工况下，随着压缩机压缩比的增加，由于传热温差增大，换热量的增大引起产水率增大，但压缩机的功耗也增加，且基本呈线性增加。对于蒸发温度为75℃的工况下，压缩比从1.5增加到1.9，其产水率从17.0kg/h增加到22.6kg/h，增大了5.6kg/h，即增加了32.9%。但是，压缩比的升高使压缩机功耗也大幅增加，如图3所示，其对应的压缩机功耗从1170.8W上升到1779.9W，增加了609.1W，即52.0%。压缩机功耗的增加量大于产水率的增加量，即单位产水量的功耗增加，由此可见增大压缩比，从产水率角度看，虽然产水量增加，但是压缩机耗功增加更加明显，造成系统比功耗上升，由图4可见，其对应的比功耗由68.87kWh/m3上升到78.76kWh/m3，增加了9.89kWh/m3，上升了14.36%。因此，系统压缩比不能太大。但压缩比过小，由于换热管内外传热温差太小，换热量太低会导致产水量不足，压缩机吸气量过小，系统运行不稳定。在本实验中，当压缩比在1.5以下时，产水率骤减，系统运行不稳定。因此，对于一定容量的系统其压缩比有一定范围，对于本实验系统压缩比在1.5～1.9比较合理。

2.3 蒸发温度Tb

低温蒸发实验中，蒸发温度主要通过真空泵调节真空度来控制，蒸发温度也是影响蒸发性能的主要参数。较高的蒸发温度会引起结垢和腐蚀风险[11]，严重影响设备的使用寿命；较低蒸发温度使得系统真空度提高，蒸汽比容大，相同产水量下需要的压缩机较大，设备密封性要求更高。综合考虑，本实验蒸发温度范围为60-80℃（蒸发压力19.932-47.373kPa）。

图5 蒸发温度对产水率的影响

图6 蒸发温度对压缩机功耗的影响

图7 蒸发温度对比功耗的影响

图5、图6给出了不同蒸发温度下产水率和压缩机功耗的变化。在一定的压缩比下，产水率随着蒸发温度的升高而增大，压缩机功耗也随之上升。这是由于在一定的压缩比下，压缩机进口蒸汽温度和压力（蒸发温度和压力）增加，其定熵压缩功增加。如系统压缩比为1.7时，蒸发温度从62℃上升到79℃，系统产水率从18.85kg/h增加到20.15kg/ h，压缩机耗功从1366.8W上升到1485.9W，即蒸发温度上升17℃，产水率增加1.3kg/h，增加了6.9%，压缩机功耗增加119.1W，增加了8.7%。可见产水率增幅和压缩机耗功增幅相近，所以如图7所示，系统比功耗由 77.21kWh/m3增加到78.75kWh/m3，只增加1.54kWh/m3，即1.99%，蒸发温度的改变对比功耗的影响很小。因此，在满足防结垢、防腐蚀的前提下，提高蒸发温度有助于产水率的提高，同时蒸发温度的提高可以减低系统真空度，从而减少真空泵的能耗。但为了防止海水结垢影响传热性能，蒸发温度以小于80℃为宜。

3 结论

本文针对所建立的机械蒸汽再压缩低温蒸发海水淡化系统，以人工配置的盐水作为对象，实验研究了压缩机压缩比和蒸发温度对产水率和比功耗的影响。结果表明：

（1）增大压缩比，有利于增加产水量，但是压缩机耗功增加更加明显，造成系统比功耗上升，因此，系统压缩比不能太大。但压缩比过小，由于换热管内外传热温差太小，换热量太低会导致产水量不足，压缩机吸气量过小，系统运行不稳定。因此，对于一定容量的系统其压缩比有一定范围，对于本实验系统压缩比在1.5～1.9比较合理。

（2）蒸发温度升高，系统的产水率增加，但比功耗的影响较小。因此，在满足防腐、防结垢和系统控制真空度的要求的前提下，可适当升高蒸发温度。

[1]国家发展和改革委员会、国家海洋局、财政部.海水利用专项规划[R].2005

[2]冯厚军，谢春刚.中国海水淡化技术研究现状与展望[J].化学工业与工程，2010，27（2）：103-109.

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[10]刘鹏.单效蒸发机械压汽海水淡化系统热力性能研究[D].厦门：集美大学，2012.

[11]张海春，王海增，阮国岭.热法海水淡化阻垢及清洗技术研究现状[J].中国给水排水，2008，24（16）:12-16.

The Experimental Performance research of Mechanical Vapor
Recompression Low-Temperature Evaporation Desalination

Wang ye qi,Zhou yasu,Ju wan lan

A mechanicalvaporrecompressionlow-temperatureevaporation desalination system is built up in this passage,using artificial brine as an object and doing research which based on the system to find out the influence of compression ratio and evaporation temperature on the properties of evaporation system.Result shows the water production rate and the power consumption of compressor will rise when the evaporation temperature and compression ratio rise,and compression ratio has a greaterimpacton evaporation performance.Viewing from theperspective ofenergysaving and economic,underthe requirements of fouling and corrosion prevention,choosing a lower compression ratio and higherevaporation temperature can make contributions to increasing the rate ofwater production and saving energy consumption.

mechanical vapor recompression system; low-temperature evaporation; compression ratio;evaporation temperature;production rate

王晔琪（1990-），男，东华大学硕士研究生。周亚素（1964-），女，东华大学教授，研究生导师。