螺杆水蒸气压缩机的MVR系统在碱回收中的应用

高磊，张凯，董冰，邢子文

（西安交通大学能源动力工程学院，陕西 西安 710049）

应用技术

螺杆水蒸气压缩机的MVR系统在碱回收中的应用

高磊，张凯，董冰，邢子文

（西安交通大学能源动力工程学院，陕西 西安 710049）

印染企业采用热泵系统回收碱液能有效降低环境污染，节省能耗。本文针对碱回收热泵系统中水蒸汽压缩机温升小而造成效数不够的问题，提出采用螺杆水蒸汽压缩机替代罗茨式、离心式压缩机构成机械压缩式（MVR）系统。建立了系统各部件的数学模型，首先对系统工况的可行性进行核算，随后在合适的工况条件下计算了不同效数的MVR系统和蒸汽动力压缩式（TVR）系统的热力性能，并比较了各系统回收碱液的经济性。结果表明，在压缩机入口为一个大气压的条件下将质量分数4%的废碱液浓缩到30%不宜采用TVR系统；同时MVR系统的理论COP均高于20，且理论COP及换热器面积随处理效数增加而增加。采用螺杆水蒸汽压缩机构成的三效系统的经济性较其他系统要高，与罗茨机构成的双效系统相比，企业一年即可收回增加的固定成本。在综合考虑压缩机耗功以及设备成本的情况下，印染企业采用螺杆压缩机进行三效处理即可达到较好的节能效果。关键词：机械压缩式系统；碱液回收；螺杆水蒸汽压缩机；数学模拟

在环境污染问题日趋严重以及节约能源的迫切需求下，目前许多印染企业采取浓缩丝光淡碱液加以回用的方式来达到节能减排的目的。采用高温高压蒸汽直接加热废液进行单效浓缩的方式，消耗蒸汽量大，换热过程剧烈，且浓缩过程产生的二次蒸汽得不到利用，整体能耗较大。

多效处理能有效利用前效二次蒸汽的能量作为下一效的加热蒸汽，但是末效产生的废汽直接冷凝排放，消耗生蒸汽的同时又损失大量低温潜热；热泵蒸发技术是将大量无法直接利用的低品位二次蒸汽通过压缩过程提升为高品位的热源来加热工质的一种蒸发方式。蒸发过程中既回收了潜热又利用了压缩功，所以具有较显著的节能效果。热泵蒸发按照原理的不同分为两类[1]：机械压缩式（MVR）和蒸汽动力压缩式（TVR）。蒸汽动力压缩式利用蒸汽喷射泵，以少量高压蒸汽为动力，将部分二次蒸汽引射并混合后进入加热室作加热蒸汽用。顾兆林等[2]探讨了蒸喷热泵应用于多效蒸发工艺的技术，并进行了节能分析和计算。潘万贵[3]分析了蒸汽喷射热泵在碱液多效蒸发系统中的节能效果。但是TVR系统在蒸发操作中需要一定数量的新蒸汽，对二次蒸汽潜热的利用程度也不及MVR系统。李清方等[4]建立了基于TVC的油田污水脱盐系统的工艺流程设计计算模型，结果表明TVC系统的热力学完善度相对较低，与多效蒸发系统联合使用是改善系统性能的基本途径之一。

近年来伴随着对MVR系统及水蒸气压缩机的研究，利用MVR热泵蒸发系统进行蒸发处理、能量回收得到一定发展。韩东等[5]利用Aspen模拟得到MVR在硫酸铵溶液蒸发结晶系统中分别比三效、四效蒸发器节省 61.13%、53.48%的标准煤。区藏器等[6]针对垃圾填埋渗滤液提出合理的MVR工艺组合和适用设备方案。李清方等[7]提出用机械蒸汽压缩蒸发技术对油田污水进行脱盐处理的热力完善度高，在其他条件允许的情况下，提高系统的运行温度有利于改善系统的性能。赵庆霞等[8]采用双效逆流机械压缩式热泵对纺织印染厂的废碱液进行蒸发浓缩回收再利用，实验结果表明，可以把质量分数6%的稀碱液浓缩到25.5%，系统能效比为12.26。顾承真等[9]利用Aspen Plus模拟软件得到以离心压缩机驱动MVR时，蒸汽压缩比控制在1.8～2.2比较合理。何志龙等[10]设计了一套螺杆水蒸汽压缩机系统，并得出MVR系统中传热温差是影响压缩机性能的主要参数的结论。

位于MVR热泵蒸发系统核心部位的水蒸气压缩机类型包括活塞式、离心式、螺杆式以及罗茨式。早期，高压型压缩机应用较广，但运行压力高，结构复杂，节能的收益几乎全被高昂的机器价格和维修费用所抵消，后来逐渐退出市场[11]。离心式和罗茨式具有生产能力大、动平衡特性好、振动小的优点，被广泛用在热泵制盐、海水淡化工艺中，但受压比小、对工质中的雾粒敏感以及易于腐蚀等机械制约，应用范围窄，不适于碱液的浓缩。

螺杆机型能克服上述缺点。由于螺杆压缩机属于容积旋转式压缩机，兼具活塞压缩机、透平压缩机的优势[12]。在压缩比为2～5、温升20～50℃的条件下仍可扩大其经济运行范围[13]。随着螺杆水蒸气压缩机的深入研究，可以预见采用螺杆水蒸气压缩机的MVR系统回收印染企业的废碱液具有较好的前景。本文将模拟计算带螺杆水蒸气压缩机的三效和四效MVR系统的热力性能，并将其与采用离心式、罗茨式压缩机的MVR系统以及带喷射器的TVR系统进行对比，进而分析螺杆水蒸汽压缩机在碱回收中的优势。

1 多效蒸发热泵系统介绍

1.1 蒸发方式的选择

蒸发系统中换热器采用防结垢性能好的降膜蒸发器。由于碱液的黏性随其浓度的升高而显著增大，并且若采用顺流方式进行加热，则浓度高的蒸发器内加热蒸汽的温度低，会导致各效传热系数逐渐降低，蒸发到最后一效传热系数很小；若采用逆流多效方式，每效传热系数可基本相同。同时逆流流程中，料液由温度最低的末效加入，加热升温小，所需热量少，而且所需能量由前一效的二次蒸汽提供，此蒸汽在前面的效多次利用，能量利用率较高，所以对以下系统均采用逆流换热的方式。宋继田等[14]对多效蒸发中的最佳效数进行了研究，确定生蒸汽的经济性如表1所示，表明从经济性考虑多效处理并不宜超过五效。同时，离心机、罗茨机相对于螺杆机型压比小，二次蒸汽压缩后的温升相对低，在单效温差一定的前提下，效数少于螺杆机型，据此分别对单效系统采用离心机，对双效系统采用罗茨机，对三效及四效系统采用螺杆机和喷射器。根据水蒸气的物性可以发现，汽化潜值随压力升高而降低，逆流流程中，如不做任何改进，各效产生二次蒸汽随各效压力降低而减少，这对蒸发过程来说是不利的。蒸发流程的设计过程中通过高压冷凝液闪蒸补气的方法使得各效均能增发出等量的二次蒸汽。

1.2 热泵蒸发系统的流程

以三效系统的流程为例，将蒸发流程绘制如图1所示。废碱液预热后通过进料泵由第三效进入，在第三效蒸发器中被上一效的二次蒸汽和闪蒸汽加热浓缩，完成液被输送到下一效蒸发器中进行蒸发，直到进入第一效浓缩到所需浓度；第三效产生的二次蒸汽进入压缩机压缩成高温高压气体，进入首效加热来自第二效的碱液。引出少部分第一效冷凝水喷入压缩机内以消除其出口过热的问题。余下冷凝水闪蒸后与蒸发器产生的二次蒸汽混合作为加热蒸汽进入第二效蒸发器加热来自第三效的碱液，直到循环进入第三效，其产生的二次蒸汽达到压缩机入口完成一个循环。

表1 效数与生蒸汽经济性(D/E)min的关系

图1 三效逆流蒸发热泵系统的流程

2 多效蒸发热泵系统的数学模型

根据三效热泵系统流程，本文对蒸发部分建立了物料守恒、热量守恒模型，对气体压缩部分分别建立压缩机模型和喷射器模型。首先对系统作如下假定：①蒸发过程中溶质不挥发；②不计热损失以及浓缩热。

2.1 系统物料衡算

溶质质量守恒[式（1）]

各效蒸发水量iw[式（2）]

总蒸发水量[式（3）]

2.2 系统热量衡算

蒸汽全部用于加热碱液，不计耗散，考虑到喷液量少，不计喷水量不影响可行性的核算，第一效的加热蒸汽量按进口计算。根据进出各效热量相同，得到如下各效的能量守恒等式[式（4）]。

整理式（4）得到对整个蒸发系统的能量守恒式[式（5）]。

各效冷凝液进入闪蒸罐闪蒸的能量平衡式由总体焓值不变得到[式（6）]

式中，w1m=w1+s0；w2m=w2+s1；w0=w3+win

2.3 蒸汽压缩部分

2.3.1 压缩机功率、吸气量

对于螺杆压缩机而言，水蒸气压缩过程等熵指数不断变化，其压缩功W可按进出口蒸汽焓差计算[式（7）]。

2.3.2 压缩机喷水量

因为等熵压缩时，水蒸气温升较快，为避免出口温度太高，现向罗茨和螺杆压缩机内喷水，根据进出压缩机能量守恒得到式（9）。

2.3.3 喷射器引射生蒸汽量

对于TVR类型热泵系统，蒸汽压缩部分的核心喷射器的引射系数根据文献[15]计算，则所需生蒸汽的量可以通过式（10）计算。

2.4 各效溶液沸点

各效溶液沸点ti高于各效相应压力下饱和二次蒸汽温度，其主要原因是溶液中溶质的存在使得溶液蒸汽压下降，从而导致溶液沸点高于纯水的沸点，其值记为；根据杜林法则可以认为，浓度x一定的某溶液沸点t和相同压力下标准液体（水）的沸点T呈直线关系[式（11）][16]。

式中，k=1+0.142x；m=150.75x2-2.71x。

2.5 有效传热温差

除了以上由于碱液沸点升高导致的各效有效传热温差的损失外，还应包括液面高度造成液体内部压强高于液面导致的沸点升高值，以及除第一效外二次蒸汽流动至下一效过程中流动阻力引起的压降而产生的传热温差损失。在降膜蒸发器中较小，的值一般取0.5～1℃，本文计算过程中取'+=1℃，所以蒸发过程的有效传热温差为式（12）。

对于第一效 Δt1=T0-t1

2.6 换热量、换热面积

使用碱液蒸发过程中的总传热系数Ui可按式（13）计算[17]。

各效蒸发冷凝器的换热量Qi由冷凝潜热释放[式（14）]。

3 多效蒸发热泵系统的理论计算

由于多效蒸发处理过程复杂，本文先假设各效蒸发器的工况，针对不同效数的热泵系统进行工况的可行性核算。在核算后的工况下，计算出采用不同压缩机构成的多效系统的热力性和经济性。

3.1 印染企业实际需求

根据文献[18]中印染企业用碱浓度要求以及印染企业废碱液情况，设定进料废碱为4%，出口浓度为30%，质量流量为2.1t/h，依次对单效、双效，三效、四效系统进行计算。

3.2 方案可行性核算

一般降膜蒸发器的最小传热温差不低于5℃[19]，假设第一效的有效传热温差（压缩机出口压力下饱和蒸汽与第一效碱液的温差）为7℃，同时假设3种压缩机等熵效率为η=0.75，生蒸汽的压力为0.8MPa，碱液预热后进入蒸发器时能达到沸点。

多效系统工况的合理性是在假定各效蒸发量以及操作压力的情况下，根据式（4）和式（5）计算各效产生二次蒸汽的焓值以及浓缩终了碱液的焓值是否符合该假定压力、浓度下的值来判断的。单效系统不用校核。对于双效至四效系统，首先按经验设定各效产生二次蒸汽量相同，即w1=w2=…=wi；末效操作压强为大气压，上、下效间压差0.02MPa。查表得到进料口溶液焓值Hi+1=400kJ/kg ，压缩机入口蒸汽焓值hin=2675.57kJ/kg 。

3.2.1 双效蒸发热泵系统

表2 二效系统中各效二次蒸汽、溶液的物性

根据假定工况计算得到r1c=2214.7kJ/kg ，小于表2中二次蒸汽汽化潜热，说明操作压力设置合理；根据压缩机出口压力计算得到h0=2843.6kJ/kg 。代入式（5）得到末效的溶液焓值计算值为：H1c=558kJ/kg ，大于表2中溶液热焓值，说明双效系统可以将4%废碱液浓缩至30%。

3.2.2 三效蒸发热泵系统

按照双效中压缩机出口压力的方法计算得到三效系统出口压力Pd=0.232MPa 。各效溶液沸点、蒸汽温度、汽化潜热值、溶液焓值归纳如表3。

根据假定工况计算得到：三效处理时r1c=2235kJ/kg,r2c=2228.1kJ/kg,H1c=483.3kJ/kg均小于表3中理论值，说明各效压力设置合理，出口浓度能达到预设要求。

表3 三效系统中各效二次蒸汽、溶液的物性

表4 四效系统中各效二次蒸汽、溶液的物性

3.2.3 四效蒸发热泵系统

按照双效中压缩机出口压力的方法计算得到四效系统出口压力Pd=0.274MPa,各效溶液沸点、蒸汽温度、汽化潜热值、溶液焓值归纳如表4。

首先，求得弹簧伸长量为0 mm时整个系统所需最小举升力FL min(方向为竖直向上)，当FL=FL min时，机械臂不会起到承受负载的作用。在ADAMS静力学仿真中通过逐步减小FL，可以得到机械臂保持静平衡的具体位置[18]。设FL为随时间变化的函数，通过ADAMS静力学仿真，得出举升高度随时间变化的曲线，经过相应的处理就可以得到举升力与举升高度的关系。本文所测量的弹簧伸长量为0 mm、外负载为10 kg时的最小举升力为118 N左右，为方便测量，将最小举升力设为120 N，则FL=120-20×t，仿真时间为6 s。

根据假定工况计算得到：四效处理时r3c=2235.9kJ/kg,r2c=2256.3kJ/kg,r1c=2223kJ/kg,H1c=501.8kJ/kg ；第二效的二次蒸汽汽化潜热不满足假定压力下汽化潜热值，此时可以适当降低第二效的蒸发压力、提高第一效的压力，以增大冷凝液闪蒸汽量，同时提高二次蒸汽的理论阈值；但二次蒸汽作为下一效加热汽，蒸汽压不可降低太多，当P1=0.165MPa,P2=0.135MPa,Pd=0.282MPa 时重新核算得到=2240kJ/kg,=2230kJ/kg,=488.8kJ/kg, 浓缩基本可以达到预期要求。

3.3 系统热力性能的计算结果

根据式（10）计算出采用带罗茨压缩机的双效系统所需的喷水量为0.016kg/s，带螺杆压缩机的三效、四效系统所需量分别为0.013kg/s、0.012kg/s，可以看出喷水量占吸气量的比例不到10%，对前面系统核算影响不大。

根据上述核算后的工况，按照多效热泵蒸发系统的数学模型计算出单效至四效MVR系统和三效、四效TVR热泵系统的热力性能，包括压缩机吸气量、功率、换热器换热量、换热面积、生蒸汽量等数据归纳如表5所示。

表5 多效蒸发热泵系统热力性能比较

3.4 经济性分析

采用热泵系统回收废碱液之前，印染企业的费用包括经由废液处理厂净化处理废碱液的费用、购买碱液的花费。现在，处理废碱液的固定成本主要包括蒸发系统的核心部件压缩机、换热器，喷射器相对于压缩机而言价格便宜可忽略。运营成本包括耗电、生蒸汽。

根据市场价格，每吨30%碱液价格按900元计算，每吨废水的处理价格按2元计算。则简单处理年费用为

电价为每千瓦小时1元，生蒸汽为每吨230元。换热器为每平方米500元，离心机、罗茨机、螺杆机价格分别为6万元、5万元、9万元（四效处理时7万元）。蒸发系统每天工作24h，一年365天，将配置不同压缩机的多效蒸发热泵系统的成本归纳如表6。

将表6中数据与简单处理的年运行费用进行对比，可以看出采用多效蒸发热泵系统处理技术均比简单净化处理节省年运行费用。并且，通过比较表6中双效、三效系统可以发现，螺杆水蒸气压缩机构成的三效热泵系统具有较高的经济性，与罗茨机型构成的双效系统相比虽然压缩机和换热器成本有所增加，但系统的年运行费用要少，系统运行一年即可收回增加的设备成本。当然，相关电价、设备费用等会随市场价格变化，企业的回收期也会随之变化。

4 结 论

采用多效蒸发热泵系统对印染企业的碱液回收进行了模拟计算，对比分析了利用离心机、罗茨机、螺杆机、喷射器构成的单效、多效系统的性能及其经济性，得出如下结论。

随多效蒸发热泵系统处理效数的增加总换热量逐渐减小，但变化不大；压缩机功耗逐渐减小，系统的性能系数COP逐渐升高。

系统的换热面积随处理效数的增加而增大，特别是四效处理时面积激增，其主要原因是溶液沸点的升高导致有效传热温差随蒸发过程减小较快。

与简单的废水净化处理方式相比，利用热泵系统蒸发处理废碱液具有较高的经济性；系统运行一年均能收回成本。在大气压下吸入二次蒸汽的喷射器的引射系数较低，导致TVR系统的经济性较MVR低，在碱回收项目中应该尽量使用MVR系统。

利用螺杆水蒸气压缩机构成的MVR系统的年运行费用比离心机、罗茨机构成的MVR系统要少，系统运行一年即可收回增加的设备成本，所以相较其他系统更有优势。

过多增加效数会带来包括中间泵、闪蒸罐、换热器等设备成本的增加。对印染企业而言压缩机耗功以及设备成本应该综合考虑，利用螺杆水蒸气压缩机采取三效处理即可达到较好的节能减排效果。

符 号 说 明

A—— 换热面积，m2

f—— 完成碱液质量流量，kg/s

f4—— 初始碱液质量流量，kg/s

H—— 碱溶液的焓值，kJ/kg

H4—— 初始溶液热焓值，kJ/kg

h—— 水或水蒸气焓值，kJ/kg

h0—— 等熵压缩出口处蒸汽的实际焓值，kJ/kg

h0'—— 出口压力下饱和水的焓值，kJ/kg

h0s—— 等熵压缩出口处蒸汽的理论焓值，kJ/kg

hin—— 压缩机进口焓值，kJ/kg

K—— 引射系数，量纲为1

Q—— 冷凝器的换热量，kW

qv—— 压缩机吸气量，m3/min

s0—— 第一效闪蒸量，kg/s

s1—— 第二效闪蒸量，kg/s

t—— 碱溶液的沸点，℃

U—— 蒸发器的传热系数，W/(m·℃)

W—— 压缩机功率，kW

w—— 蒸发器蒸发的水量，kg/s

w0—— 压缩机出口蒸汽质量流量，kg/s

w1m—— 闪蒸混合后第二效加热蒸汽质量流量，kg/s

w2m——闪蒸混合后第三效加热蒸汽质量流量，kg/s

wf——喷射器引射的生蒸汽量，kg/s

win——喷入压缩机的冷凝水质量流量，kg/s

x——完成液浓度，量纲为1

x4——初始碱液浓度，量纲为1

上角标

'——饱和水

''——饱和水蒸气

下角标

i——第i效，i取1～3

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Research of MVR system with twin-screw vapor compressor in lye recovery

GAO Lei，ZHANG Kai，DONG Bing，XING Ziwen
（School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shanxi，China）

:Lye recovery using heat pump is beneficial in pollution control and energy saving in the industry of printing and dyeing. This paper investigated mechanical vapor recompression (MVR) system with twin-screw vapor compressor instead of Roots or centrifugal compressor to solve the problem of insufficient number of effects caused by small temperature rise in the lye recovery heat pump system. The mathematical model of every component of the system was built，the feasibility of the system’s operation conditions were evaluated，and the thermal performances of different effects of MVR systems and thermal vapor recompression (TVR) systems were simulated and calculated under the suitable operation conditions，and the economic effects of the two systems were compared. The results showed that the TVR system was not favorable when the waste lye was concentrated from 4% to 30% at 1 atm. In addition，the theoreticalCOPof each MVR system was over 20， and the theoreticalCOPand the heat exchange area increased with the increase of number of effects. The economical efficiency of the heat pump system with twin-screw vapor compressor was better than other systems in the waste lye recovery process. Applying three-effect system with twin-screw vapor compressor to lye recovery can achieve better energy saving.

MVR system；lye recovery；twin-screw vapor compressor；mathematical modeling

TQ 09

A

1000-6613（2014）11-3112-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.046

2014-04-02；修改稿日期：2014-05-13。

国家自然科学基金项目（51276134）。

高磊（1990—），男，硕士研究生联系人：邢子文，教授。E-mail zwxing@mail.xjtu.edu.cn。