机械蒸汽再压缩系统在燃机机组中的选型探讨

黄时今 刘 畅 黄 磊 张 伟

（上海闵行燃气发电有限公司 上海 200245）

引言

随着国家对环境保护的重视程度逐步提高，国家对火力发电厂的用水、节水和废水治理也制定了一系列的法规。根据上海市环保部门相关意见，要求闵行燃机循环排污水不得直接排入黄浦江，同时由于循环排污水水量过大，厂址段的排污纳管容量已经达到饱和，且目前暂无扩容规划，因此全厂产生的废水必须厂内消纳或回用。根据实际情况，闵行燃机电厂循环水排污水经处理后作为除盐水的水源，同时水中的盐量通过蒸发结晶形成杂盐作为固废进行处置，实现节水及工业废水治理的目标。

机械蒸汽再压缩又称MVR(mechanical vapor recompression)是目前国际上先进的蒸发结晶技术，也同时是传统蒸发器的升级替代产品。机械蒸汽再压缩，是指将蒸发（蒸馏）过程的二次蒸汽（低温、低压而无法再利用）通过压缩机消耗少部分电能进行压缩做功，重新送回蒸发加热室当一次蒸汽使用。目前国内已将该蒸发技术成熟地应用在食品、饮料、盐化工、生物工程等浓缩结晶与提纯工艺以及造纸、医药、天然气开采、煤化工等高盐污水处理行业。

1 MVR系统介绍

1.1 MVR系统流程

MVR系统主要包括MVR蒸发结晶/浓缩系统及辅助设备。MVR蒸发结晶及浓缩系统主要设备为蒸发结晶器、蒸汽机械再压缩机、换热器以及冷凝水泵、强制循环泵、离心机等辅助设备。其他辅助设备包括干燥系统及自动包装系统（包括固定流化床结晶盐干燥系统、料仓、自动打包机等设备），系统流程见图1。

图1 MVR蒸发结晶应用——无机盐结晶工艺流程

初始新鲜蒸汽通过加热器加热蒸发结晶器内的含盐废水，在不断补充新鲜蒸汽后，含盐废水在蒸发结晶器内被加热沸腾产生二次蒸汽，二次蒸汽在机械蒸汽压缩机作用下提高温升，通过加热器内与不断进入的预热过的含盐废水进行换热，形成冷凝水由加热器下部流出，在预热器内预热进入蒸发结晶器前的含盐废水，冷凝水在预热器最终换热成冷却水回用。正常启动后，无需再补充新鲜蒸汽，压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。

含盐废水在不断循环浓缩后通过在线控制阀自动排入脱水系统，脱水后的物料通过干燥系统、自动打包系统打包后外运。脱除的母液通过母液水泵再回至蒸发结晶器中继续循环。

1.2 MVR技术特点

（1）MVR节能蒸发器技术是目前国际最为先进的蒸发器技术，仅需要极少量新鲜蒸汽，极大地降低企业运行成本，减少环境污染。

（2）由于采用压缩机提供热源，和传统多效蒸发器相比，温差小得多，能够达到温和蒸发，极大地提高产品质量、降低结垢。

（3）该蒸发器是物料在低温、且不产生泡沫的状态下进行蒸发，料液均匀，不跑料，不易结焦。

（4）与传统多效蒸发器相比无需冷凝器，结构与流程非常简单，占地面积小，全自动操作，可连续运行，安全可靠。

（5）对于热敏性物料可以配合使用真空泵，可以做到在接近绝压的真空下进行，从而实现低温蒸发。

（6）设备可配CIP清洗管路也可以安装临时清洗管路，可实现就地清洗，整套设备操作方便，无死角。

1.3 经济性比较

一台蒸发量在6吨/小时的MVR蒸发器与同等蒸发量的传统多效蒸发器运行成本的比较如表1所示：

表1 MVR与多效蒸发器的经济性比较

工作时间按2500小时，电费按0.6元/小时计算，蒸汽按200元/吨。

机械蒸汽再压缩蒸发器年运行费用=698250元

多效蒸汽加热蒸发器年运行费用=982125元

可见，机械蒸汽再压缩蒸发器比多效蒸汽加热蒸发器年运行成本节约29万元左右，并且由于燃机机组两班制运行特点，无法连续不断提供稳定的鲜蒸汽而传统4效蒸汽加热蒸发器必须提供连续不断的鲜蒸汽并且占地面积大，因此，机械蒸汽再压缩蒸发器相对于多效蒸汽加热蒸发器更高效节能[1]且占地面积小的优点更适合应用于紧凑布置的燃机机组高盐废水处理。

2 影响MVR系统选型的因素

2.1 主要设备选型

MVR系统中核心部件是蒸汽压缩机、蒸发结晶器及换热器。

2.1.1 蒸汽压缩机的设计选型

在国际上比较成熟的蒸汽压缩机主要为离心式蒸汽压缩机和罗茨式蒸汽压缩机两种。从机械的角度分析，转速越低稳定性越高。通常情况下，罗茨式的蒸汽压缩机为980rmp-1450rmp之间，而离心压缩机转速通常在9000rmp以上。而体积流过小、单机效率低是罗茨式蒸汽压缩机的先天缺陷。从技术角度分析罗茨式蒸汽压缩机为将漏气率降低到可接受的范围之内，其叶轮往往要求较高的加工精度，，而漏气率与整体效率成反比；相同加工精度的离心式压缩机漏气率更小，效率更高。从材质角度分析，罗茨压缩机滚子之间间隙很小，不宜采用不锈钢等刚度较低的材质，否则容易发生黏齿，同时，为了提高压缩机的耐腐蚀能力，在设计上提高二次蒸汽的纯度，压缩机一般采用碳钢镀镍铬的材质。而离心式蒸汽压缩机的过流部件采用超级双相不锈钢材质(2507)，抗腐蚀能力强，在相同的腐蚀环境中寿命高。从工作原理上看，罗茨式蒸汽压缩机为容积式风机，提供的压差大，流量小，在高压比、小流量的工况中具有极大的优势。对离心式蒸汽压缩机为压差式风机，提供的压差小，流量大，排气均匀，气流无脉冲，在蒸发量较大的工况下通常被选用。综合以上因素，本期工程采用离心式蒸汽压缩机。

2.1.2 蒸发结晶器的设计选型

对于处理高盐废水的水量在10t/h及以下时，一般主流厂家都采用物料直接进入结晶器（闪蒸罐）的设计。结晶器（闪蒸罐）的前端设计考虑加装脱气塔，使进水在脱气塔内先脱除水中的不凝气，如氧气等，避免经压缩机压缩后进入加热器。该部分气体无法冷凝，会阻碍加热器内蒸汽的冷凝进而影响加热效果。同时，结晶器（闪蒸罐）的直径在设计时应充分考虑蒸发产生的蒸汽的合理流速，为结晶盐的生长提供足够的停留时间。结晶器（闪蒸罐）上方二次蒸汽出口前设置汽、液分离器，分离器的直径是保证汽、液分离有足够的分离面，分离器的高度是影响汽液相互夹带的因素[2]。分离器高度越高，分离效率越高，但设备成本也会增加。

2.1.3 换热器的设计选型

换热器的设计要从以下方面进行考虑：

（1）设定较高的循环泵流量

结晶器加热器采用列管式换热器，加热器内选用直径较大的换热管可以避免堵塞的发生，且易于清洗；加热器罐内流速大于2m/s，以避免悬浮固体在罐内沉积，堵塞管路；盐浆加热器低温升，避免在闪蒸罐内的剧烈闪蒸，导致大量细晶粒生成，影响脱水效果，以及结晶器内细晶粒的富集。

（2）设定较低的加热器传热系数充分考虑加热器的污垢系数，确保在系统长期运行的工况下也能满足设计处理能力，降低清洗频率。且在MVR系统中，由于压缩机的压缩比调整幅度有限，设置较低的传热系数可使换热面积余量充分，可以适应更宽泛的水质条件，使系统有更大的操作弹性。

2.1.4 泵的选择

有晶体生成的系统，循环泵优先选择轴流泵。其特点是大流量，低扬程，同时其泵头的设计使其在工作过程中对溶液析出的晶体破坏最小，有利于结晶过程的完成。

冷凝水泵应能及时将冷凝水抽出，否则会使冷凝水在蒸发器中聚集，并使蒸发器的传热发生严重的抑制作用[3]，使蒸汽加热变为热水加热，导致效率大大降低，导致堵塞的发生。

2.2 辅助设备的设计选型

在配套辅助设施中，主要包括以下系统：

2.2.1 阻垢剂投加系统

根据本项目的设计水质，二氧化硅和硫酸钙在进水中均为过饱和状态，因此应设置阻垢剂自动投加系统，以加热器和脱气塔内发生结垢。

2.2.2 烧碱投加系统

本项目设置烧碱投加系统，用于将结晶器内盐浆的pH值控制在偏碱性范围内。偏碱性的操作环境可以进一步降低设备发生腐蚀的风险；并使SiO2保持溶解态，降低换热管结垢的风险。根据实践经验，考虑到混盐废水进水水质具有某种不可控性，某些未知杂质（如氨氮或某些COD/TOC）在浓缩过程可能导致结晶器内pH值降低，从而加剧设备的腐蚀风险，添加烧碱投加装置，可以在发生这种状况时提高系统的pH，避免上述腐蚀情况发生。

2.2.3 消泡剂投加系统

本项目设置了消泡剂自动投加系统，包括连续投加和冲击投加两种模式。正常工况下，向结晶器连续小剂量投加消泡剂。在结晶器闪蒸罐上设置泡沫监控，当探测到泡沫发生时，自动联锁冲击投加计量泵，向闪蒸罐投加适量消泡剂来抑制泡沫，提高蒸汽的品质。

其他辅助系统包括离心脱水机、干燥设施、自动打包设备，主要考虑材料防腐及自动化仪控设备选择。

2.3 材料选择

高含盐废水中氯离子含量很高，导致物料在高温下具有较强的腐蚀性，这是影响选材的重要因素。

我们对Ti2和Ti12两种材质进行了对比，其中Ti2属于商品级纯钛材，而Ti12属于钛合金,两种材质的机械和物理性能相当，但由表1可见，Ti12比Ti2多了0.3%的钼和0.8%的镍，由于镍和钼的加入，Ti12的耐整体腐蚀和局部缝隙腐蚀的性能都得以提高。

表1 Ti2和Ti12成分表

本项目的设计水质中结晶器内氯离子含量为150,000mg/L,温度为110℃。在这种高腐蚀性工况下，结晶器换热器的换热管我们选用Ti12材质,对结晶器闪蒸罐和换热器封头等设备或部件，我们选用了超级双相不锈钢2507，以满足系统工艺要求。

结语

机械蒸汽再压缩（MVR）技术作为新型高效节能环保技术正在广泛应用于电力行业的污水处理中，在系统设备选型时不仅要考虑不同的水质，也要根据处理量、腐蚀性和运行实际工况确定设备的规模、型号及材质，保证系统安全可靠运行。