耦合太阳能集热的MVR蒸发结晶系统性能分析*

田 雨，王汉治，李帅旗，何世辉†，宋文吉，冯自平

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

机械式蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression,MVR）在蒸发过程中可循环利用二次蒸汽潜热，是一种高效的节能技术[1]。相比于反渗透和多效蒸发等废水处理方式，MVR具有工艺简单、结构紧凑和无需冷热源等优点，很适合用于处理高盐废水的蒸发结晶问题[2-3]。但同时，蒸发结晶过程中含盐废水浓度接近饱和、沸点升显著升高，从而导致MVR系统能耗增大、节能率降低[4]。

近年来，研究人员对 MVR处理高浓度、高沸点升的废水进行了大量研究。LIANG等[5]对处理高浓度含 (NH4)2SO4废水的两级 MVR系统进行了分析，得出耗功最小的一级出口浓度；刘燕等[6]针对高沸点升的含NaOH的蒸发过程提出了分级压缩的MVR系统，考察了沸点升高、压缩比、一级排出浓度对能耗与设备成本的影响；ZHOU等[4]对MVR处理高浓度含Na2SO4废水进行了实验研究，得出了蒸发速率和压缩机比功耗随蒸发器换热温差的变化规律；HAN等[7]对零排放的MVR海水淡化系统进行了研究，并对单级与多级 MVR系统进行了对比。结果表明，MVR能高效处理高盐废水的蒸发浓缩，但用于蒸发结晶时能耗显著上升。

利用太阳能蒸发结晶的方式处理高盐废水具有能耗低、设备结构简单等优点，在实践中得到了一定的应用[8-10]。太阳能蒸发结晶系统流程主要包括预处理、太阳池和强制循环结晶[10]。一般而言，利用太阳能蒸发结晶的方式具有显著的节能效果，但同时也存在占地面积大、对天气因素依赖程度大等问题，且大面积的太阳池也不利于维护与管理。

针对以上问题，本文提出耦合太阳能集热的MVR蒸发结晶系统，通过有效结合太阳能蒸发结晶与 MVR技术，实现优势互补，在占地面积较小的情况下高效实现废水零排放。为获得合理的优化设计运行参数，本文系统研究了浓缩倍率、换热温差、闪蒸压力、太阳辐照强度等参数对压缩机耗功、系统热效率、集热面积和物料处理量等参数的影响。

1 系统循环理论

如图1所示，耦合太阳能集热的MVR蒸发结晶系统由 MVR与太阳能集热器两个部分组成。系统的主要部件包括蒸发器、压缩机、闪蒸罐、物料循环泵和太阳能集热器。该系统中，含盐废水的蒸发结晶分两步进行。废液从入口端1进入蒸发器中，然后在高温蒸汽的加热下浓缩（状态点6）。系统中蒸发浓缩过程的热量占主要部分，该过程通过MVR技术实现，以提高蒸发效率。浓缩后的废液通过物料循环泵进入太阳能集热器中加热，然后进入闪蒸罐中闪蒸，废液在过饱和状态下析出晶体，最终实现废液的零排放。在该系统中，蒸发器与闪蒸罐通过压缩机保持负压状态，且二者所处压力状态相同。

图1 耦合太阳能集热的MVR蒸发结晶系统循环示意图Fig.1 Schematic diagram of a solar-assisted MVR evaporative crystallization system

2 数值模型

为简化计算，对模型做如下假设[11-12]：①系统处于稳定运行状态；②结晶循环采用槽式太阳能集热器；③忽略蒸发器和连接管路的散热损失和压降；④闪蒸过程、物料混合过程绝热；⑤压缩机入口蒸汽处于饱和状态；⑥忽略结晶热；⑦压缩机等熵效率为0.8；⑧物料循环泵等熵效率为0.75。

2.1 太阳能聚光集热器模型

在耦合太阳能集热的 MVR蒸发结晶系统中，槽式太阳能聚光集热器用于废液的结晶。集热系统收集的有用能（Qcoll）由式（1）计算[13]：

式中：I—太阳辐射强度，W/m2；Acoll—集热面积，m2；ηcoll—集热效率，可由下式计算：

其中：a0—集热器截断效率，0.6128[13]；a1—第一修正系数，2.3025[13]；Tcoll,in—集热器入口温度，℃；Tamb—环境温度，℃。

2.2 蒸发器模型

蒸发器为 MVR系统的核心部件之一。循环过程中，废液在蒸发器中浓缩至接近饱和状态，该过程有大量的热量交换。蒸发器的主要数值模型如下。

蒸发器内浓溶液的沸点升可表示为[14]：

式中：T2—蒸发器出口蒸汽温度，℃；γ—对应于T2的蒸发潜热，kJ/kg；c—质量浓度。

蒸发器换热温差定义为：

式中：Tsat—饱和温度函数；P4—压缩机出口蒸汽的饱和压力，kPa。

浓缩倍率N：

蒸发器热负荷[14]：

式中：m—质量流量，kg/s；h—工质焓，kJ/kg；cp—比热容，kJ/(kg·℃)。

2.3 闪蒸罐模型

依据式（4）～ 式（6），闪蒸过程绝热，且出口处蒸汽处于饱和状态。闪蒸罐内的绝热闪蒸过程质量守恒、组分守恒以及能量守恒方程如下[1]：

2.4 压缩机模型

压缩机用于提升二次蒸汽温度，以实现蒸发过程中蒸汽潜热的二次利用。压缩机的增压比和耗功可由以下公式计算[15]：

式中：h4s—等熵压缩过程状态点4的焓值，kJ/kg；ηcomp—压缩机等熵效率。

2.5 物料循环泵模型

闪蒸过程中物料的大量显热转化为水蒸汽潜热，体现为闪蒸过程中物料温度的降低。因此，实际运行过程中需要较大的物料循环倍率。物料循环倍率CR的定义如下：

物料循环泵的功耗模型为[15]：

式中：v—循环物料的比体积，m3/kg；ηpump—循环泵等熵效率。

2.6 性能评价参数

系统热效率COP是评价性能的一个重要指标，由于本文系统中存在电能与热能两种输入能源，其计算公式可表达如下[16]：

式中：Tamb—环境温度，℃；T9—集热器出口温度，℃；ηex—太阳能热发电的㶲效率，此处ηex=0.7。

3 结果与分析

耦合太阳能集热的 MVR蒸发结晶系统的典型运行工况参数在表1中给出。典型工况下，压缩机耗功以及COP分别为67.46 kW和24.96，太阳能集热器的集热面积、集热效率以及温升分别为894.1 m2、0.419和28.23℃。以下研究过程中，除特殊说明外，运行参数皆为表1中的典型工况参数。

表1 典型运行工况参数Table 1 Typical operating conditions

图2和图3给出了不同浓缩倍率对压缩机耗功、COP、集热面积以及集热器和蒸发器热负荷的影响。由图2可知，压缩机耗功随浓缩倍率的增大逐渐增大，但集热面积逐渐减小，其中，当浓缩倍率从 4增大到12时，压缩机耗功增大了71.5%，而所需集热面积减小 72.9%。随浓缩倍率的增大，蒸发器出口料液的浓度逐渐升高、沸点升增大，从而导致压缩机压比升高、压缩机耗功增大，但此时集热器热负荷降低、集热面积降低。系统COP随浓缩倍率升高时呈先增后减趋势，在特定浓缩倍率下存在最大值。低浓缩倍率下，系统效率主要受太阳能集热发电效率换算系数的影响，整体效率较低；而高浓缩倍率下，受蒸发器沸点升的影响，压缩机耗功快速上升，整体效率在达到最大值后也逐渐降低。由图 2可知，在高浓缩倍率下，随着浓缩倍率的升高，压缩机耗功快速增大，而所需集热面积的减小速度却降低，因此，浓缩倍率以COP最大点选取可以同时兼顾初始投资成本与运行成本。图2中，COP在浓缩倍率为8.5左右达到最优值，为24.96。

图3给出了不同浓缩倍率下集热器与蒸发器热负荷的变化规律。从图中可知，集热器热负荷随浓缩倍率增大而逐渐降低，而蒸发器热负荷的变化趋势相反。浓缩倍率的变化会影响热负荷在集热器与蒸发器中的分配比例，但二者的热负荷之和基本不变，总热负荷在2 469 kW左右。

图2 压缩机耗功、COP与集热面积随浓缩倍率的变化Fig.2 Wcomp,COP and Acoll vs.concentration ratio

图3 Qcoll与Qevap随浓缩倍率的变化Fig.3 Qcoll and Qevap vs.concentration ratio

不同闪蒸压力对压缩机耗功、COP以及集热面积的影响如图4，此时浓缩倍率为8.5。对于MVR系统，闪蒸压力升高有利于降低压缩机压比，从而降低压缩机耗功，但对太阳能集热系统而言，低温条件下的集热器效率较高。因此，随闪蒸压力升高，压缩机耗功降低、集热面积增大、系统COP降低。闪蒸压力从30 kPa上升至60 kPa时，压缩机耗功降低2.4%、集热面积增大16.6%、COP降低1.8%。此外，MVR系统低压闪蒸有利于降低系统温度，从而可有效减少换热器内的结晶与腐蚀，有利于系统稳定运行。

图5给出了压缩机耗功、COP与压缩机压比随蒸发器换热温差的变化趋势。蒸发器换热温差直接影响压缩机压比，随换热温差增大，压缩机压比升高、压缩机耗功增大，从而导致COP降低。当蒸发器换热温差由3℃升高至8℃时，压缩机压比与耗功分别增加了22.8%和85.7%，而COP降低了34.4%。降低蒸发器换热温差将显著提高系统效率，但同时也会增大换热设备的换热面积和初始投资成本。

图4 压缩机耗功、COP与集热面积随闪蒸压力的变化Fig.4 Wcomp,COP and Acoll vs.flash pressure

图5 压缩机耗功、COP与压缩机压缩比随蒸发器换热温差的变化Fig.5 Wcomp,COP and πcomp vs.ΔTevap

不同闪蒸压力下，太阳辐照强度与环境温度对物料处理量的影响如图6所示，其中，太阳能集热面积为894 m2、蒸发器换热温差ΔTevap为5℃。随太阳辐照强度与环境温度的升高，物料处理量皆呈线性增大，但相比太阳辐照强度而言，环境温度的影响较小。太阳辐照强度增加可显著提高集热系统的热量，从而提高物料处理量，而环境温度对处理量的影响则主要通过改变集热效率实现。由图6可知，当太阳辐照强度从300 W/m2上升至1 000 W/m2时，相比典型工况（I= 600 W/m2、Pflash=30 kPa），太阳辐照强度每增大 100 W/m2，物料处理量相应增加24.4%；而当环境温度从20℃升高至30℃时，总物料处理量增加不足0.1 kg/s。此外，对比不同闪蒸压力可知，低闪蒸压力下系统的物料处理量较大，尤其在太阳辐照强度较低的情况下，通过降低闪蒸压力可以有效提升含盐废水处理量。由图6可知，当太阳辐照强度和环境温度分别为600 W/m2和25℃时，相比30 kPa闪蒸，闪蒸压力上升至60 kPa时，系统物料处理量降低14.3%。

图6 不同闪蒸压力下，物料处理量随（a）太阳辐照强度、（b）环境温度的变化Fig.6 m0 vs.I (a) and m0 vs.Tamb (b) at different flash pressures

4 结 论

针对高浓度含盐废水蒸发结晶过程中沸点升高、压缩机耗功大、能效降低等问题，提出耦合太阳能集热的 MVR蒸发结晶系统。通过对系统的建模分析，研究了闪蒸压力、浓缩倍率、蒸发器换热温差以及环境参数对系统热效率、集热面积以及物料处理量等参数的影响。研究结果表明：

（1）针对质量浓度为2%的NaCl废水，耦合太阳能集热的MVR系统压缩机比耗功为67.46 kJ/kg，COP达24.96；（2）随蒸发器浓缩倍率的增大，压缩机耗功显著增加，但同时集热面积明显减小。当浓缩倍率由4升高至12时，压缩机耗功增加了71.5%，而所需集热面积减小了 72.9%；（3）典型工况下，当浓缩倍率为 8.5左右时系统 COP达到最优值24.96；（4）低压闪蒸有利于降低系统温度并提高物料处理量，但压缩机耗功随之增大。