彭 濤
(江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司)
蒸發(fā)是化工、環(huán)保、醫(yī)藥及食品等工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種單元操作,是一個(gè)能耗較大的工藝過(guò)程。蒸發(fā)操作過(guò)程中高溫位的蒸汽向低溫位轉(zhuǎn)化,而較低溫位的二次蒸汽的利用率在很大程度上決定著蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性[1]。近年來(lái),熱泵蒸發(fā)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)操作節(jié)能、提高蒸發(fā)能量利用經(jīng)濟(jì)性的重要途徑[2]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱泵蒸發(fā)技術(shù)的研究大多集中在直接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)[3~6],而對(duì)間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。為此,筆者提出一種間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù),并對(duì)該技術(shù)在二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮中的應(yīng)用進(jìn)行分析討論。
對(duì)于機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng),按照二次蒸汽能量回收方式的不同,可分為直接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)(圖1)和間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)(圖2)。直接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)又稱(chēng)機(jī)械式蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression,MVR)技術(shù),通過(guò)壓縮機(jī)直接壓縮蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的二次蒸汽來(lái)提高蒸汽的溫度和焓值,并將壓縮后的蒸汽再次用于物料加熱[7]。當(dāng)物料的要求蒸發(fā)溫度較低(低于40℃)時(shí),蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的真空度較高,且二次蒸汽的比容較大,此時(shí)MVR系統(tǒng)需配備較大排氣量的蒸汽壓縮機(jī)。此外,由于系統(tǒng)真空度較高,環(huán)境向蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的漏氣有所增加,不凝氣進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)后將導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗顯著增加。
圖1 直接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)
圖2 間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)
間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)蒸發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)上新增一臺(tái)換熱器和一套熱泵系統(tǒng),熱泵系統(tǒng)通常由壓縮機(jī)、料液加熱器、節(jié)流閥和工質(zhì)加熱器組成,其封閉回路內(nèi)充注有低沸點(diǎn)的熱泵工質(zhì)。間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理運(yùn)行,如圖3所示,料液蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入工質(zhì)加熱器用以加熱熱泵工質(zhì),熱泵工質(zhì)吸熱蒸發(fā)并汽化(4→1過(guò)程);汽化后的熱泵工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后升溫增焓(1→2過(guò)程);然后進(jìn)入料液加熱器加熱料液并冷凝液化(2→3過(guò)程);之后高壓液態(tài)熱泵工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥降壓后返回工質(zhì)加熱器(3→4過(guò)程),并再次吸收二次蒸汽潛熱后蒸發(fā)汽化。
圖3 間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)熱泵工質(zhì)循環(huán)p-H關(guān)系
綜上所述,間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)通過(guò)熱泵系統(tǒng)的逆卡諾循環(huán),實(shí)現(xiàn)對(duì)料液蒸發(fā)二次蒸汽潛熱的回收,并將此部分熱量再次用于物料的蒸發(fā)加熱。在低溫蒸發(fā)類(lèi)項(xiàng)目中,與MVR系統(tǒng)相比,間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)壓縮機(jī)不受二次蒸汽比容和蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的影響,因此,具有較好的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。
二氧化硫脲作為一種新型還原劑,因具有還原電位高、分解速度慢、穩(wěn)定性好、用量少、運(yùn)輸儲(chǔ)存安全方便、無(wú)毒及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于印染和漂白工業(yè)中[8,9],現(xiàn)已成為保險(xiǎn)粉的安全替代品。二氧化硫脲是一種典型的熱敏型物料,在其蒸發(fā)濃縮過(guò)程中,如果蒸發(fā)溫度過(guò)高,二氧化硫脲將發(fā)生水解并生成次硫酸,次硫酸氧化生成H2SO4,而H2SO4將進(jìn)一步加快二氧化硫脲的氧化[10]。因此,為了避免二氧化硫脲在蒸發(fā)過(guò)程中發(fā)生高溫水解,二氧化硫脲濃縮時(shí)的蒸發(fā)溫度通常需控制在20℃以?xún)?nèi)。
江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司采用間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)對(duì)某二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。該項(xiàng)目二氧化硫脲設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度20℃,蒸發(fā)量10t/h,物料沸點(diǎn)升約5℃。
改造前的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)加熱蒸發(fā)運(yùn)行模式,蒸發(fā)加熱熱源采用減壓生蒸汽,料液加熱器采用管殼式換熱器,料液走管程,生蒸汽走殼程。蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽通過(guò)冷水機(jī)組進(jìn)行冷凝,冷水機(jī)組的裝機(jī)功率為1 500kW,冷水機(jī)組所產(chǎn)生的冷水溫度約為7℃。
圖4 改造前的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在如下問(wèn)題:
a. 產(chǎn)品收率低,產(chǎn)品質(zhì)量差。該系統(tǒng)采用減壓生蒸汽作為蒸發(fā)熱源,生蒸汽溫度波動(dòng)導(dǎo)致料液加熱器的換熱管壁面溫度過(guò)高,從而引發(fā)二氧化硫脲高溫水解,降低了產(chǎn)品收率,導(dǎo)致二氧化硫脲晶體發(fā)黃,產(chǎn)品質(zhì)量較差。
b. 換熱管易堵塞。二氧化硫脲高溫水解產(chǎn)物易在換熱管壁面結(jié)疤結(jié)垢,影響換熱器傳熱效率和系統(tǒng)蒸發(fā)量。另外,換熱管堵塞現(xiàn)象頻發(fā),導(dǎo)致?lián)Q熱器需經(jīng)常檢修,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。
c. 系統(tǒng)運(yùn)行能耗高。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),用于料液加熱的生蒸汽消耗量約11.8t/h,用于二次蒸汽冷凝的冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗為1 310kW。
由于二氧化硫脲具有極強(qiáng)的熱敏性,蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)操作溫度不得超過(guò)20℃,再加上沸點(diǎn)升5℃,導(dǎo)致其二次蒸汽溫度僅為15℃,因此多效蒸發(fā)技術(shù)在此工況下不適用;采用熱力式蒸汽再壓縮技術(shù)雖然可以節(jié)省部分生蒸汽,但仍需要大量的冷凍水來(lái)冷凝多余的二次蒸汽,節(jié)能效果有限;如果使用MVR技術(shù),將不再需要生蒸汽和冷凍水,節(jié)能效果極其顯著,但由于15℃的水蒸氣比容(78m3/kg)較大,要求蒸汽壓縮機(jī)的排氣量很大,價(jià)格昂貴。
為此,江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司采用間接式低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮技術(shù)對(duì)該二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造(圖5)。節(jié)能改造利用了原料液蒸發(fā)循環(huán)回路設(shè)備(料液加熱器、分離器和循環(huán)泵)、進(jìn)出料系統(tǒng)和真空系統(tǒng);拆除了原系統(tǒng)中用于二次蒸汽冷凝的冷水機(jī)組、冷卻塔等配套設(shè)備。改造后的系統(tǒng)新增一套間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)回路,該回路包括新增設(shè)的工質(zhì)泵、節(jié)流閥、豎管降膜式工質(zhì)加熱器、離心壓縮機(jī)和原料液加熱器,熱泵循環(huán)工質(zhì)采用R22。豎管降膜式工質(zhì)加熱器的殼程走二次蒸汽,管程為熱泵工質(zhì)R22。
圖5 改造后的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理
改造后的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),二氧化硫脲溶液通過(guò)循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)在料液加熱器內(nèi)并被不斷加熱,然后在分離器內(nèi)進(jìn)行負(fù)壓蒸發(fā),蒸發(fā)所得二次蒸汽經(jīng)分離器的分離作用后進(jìn)入豎管降膜式工質(zhì)加熱器的殼側(cè)釋放熱量并冷凝液化。間接式熱泵循環(huán)回路內(nèi)的熱泵工質(zhì)R22在工質(zhì)泵的作用下,經(jīng)節(jié)流閥減壓后由豎管降膜式工質(zhì)加熱器的頂部噴入,并在豎管降膜式工質(zhì)加熱器換熱管內(nèi)壁進(jìn)行降膜蒸發(fā),吸收換熱管外部二次蒸汽的冷凝放熱,汽化后的R22蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮增壓后溫度升高,然后進(jìn)入料液加熱器的殼程,加熱換熱管內(nèi)的二氧化硫脲后冷凝液化,R22凝液連同降膜式工質(zhì)加熱器中未汽化的R22液體一同被工質(zhì)泵吸入,經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后返回至豎管降膜式工質(zhì)加熱器并再次吸收二次蒸汽的冷凝潛熱。
二氧化硫脲間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸發(fā)過(guò)程低壓二次蒸汽的冷凝,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次蒸汽冷凝熱量的回收,并通過(guò)熱泵系統(tǒng)將熱量再次用于物料的蒸發(fā)加熱,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的循環(huán)利用。對(duì)于二次蒸汽的冷凝,原系統(tǒng)采用冷水機(jī)組,改造后系統(tǒng)采用熱泵系統(tǒng),雖然二次蒸汽的冷凝負(fù)荷相同,但兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工況存在差異。如圖6所示,熱泵系統(tǒng)通過(guò)R22工質(zhì)直接與二次蒸汽進(jìn)行冷凝換熱,其蒸發(fā)溫度為10℃;但原冷水機(jī)組需通過(guò)冷水機(jī)組制取的冷水冷卻二次蒸汽,冷水機(jī)組的制冷劑與二次蒸汽間需進(jìn)行兩次換熱,其蒸發(fā)溫度為5℃。此外,熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度僅需保證與二氧化硫脲間的傳熱溫差即可,冷凝溫度為25℃;而原冷水機(jī)組的冷凝溫度受限于環(huán)境溫度,其冷凝溫度需35℃。由此可見(jiàn),熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度高于原冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度,冷凝溫度低于原冷水機(jī)組的冷凝溫度,在相同的制冷負(fù)荷下,熱泵系統(tǒng)所需的工質(zhì)循環(huán)量和單位循環(huán)量壓縮機(jī)耗功均小于原冷水機(jī)組,熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗明顯低于原冷水機(jī)組。
圖6 熱泵系統(tǒng)與原冷水機(jī)組運(yùn)行工況對(duì)比
該項(xiàng)目改造前后的能耗和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表1,其中系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間為8 000h,每噸蒸汽的價(jià)格為150元,電價(jià)1元/(kW·h)。
表1 項(xiàng)目改造前后的能耗和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比
系統(tǒng)改造后,項(xiàng)目每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1 997.6萬(wàn)元,節(jié)省率達(dá)81.1%,項(xiàng)目投資回收期不足一年,項(xiàng)目取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。此外,采用間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)后,二氧化硫脲的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定,基本維持在20℃左右,二氧化硫脲在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中不再發(fā)生高溫水解現(xiàn)象,產(chǎn)品收率明顯提高,換熱器也未發(fā)生堵管現(xiàn)象,所得二氧化硫脲晶體潔白,產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著改善。
工業(yè)蒸發(fā)操作是一個(gè)能耗較大的工藝過(guò)程,二次蒸汽的合理利用在很大程度上決定了蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性。間接式熱泵蒸發(fā)濃縮技術(shù)通過(guò)回收二次蒸汽的汽化潛熱并再次用于物料的蒸發(fā)加熱,實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)熱量的循環(huán)利用,可顯著節(jié)省蒸發(fā)作業(yè)的運(yùn)行費(fèi)用。因此,間接式熱泵蒸發(fā)濃縮技術(shù)在熱敏性物料低溫蒸發(fā)領(lǐng)域?qū)⒕哂休^好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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