智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术及装备应用

彭德连,张承虎,项敬来,姜沈阳

(1.温兄控股集团股份有限公司,浙江 温州 325000;2.哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨 150000)

随着我国2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和的“双碳”目标的提出,未来我国的能源结构转型的路线越来越清晰,清洁电力将成为未来的主要能源。随之而来的是能源消费端各行各业的电气化转型,工业电气化所面临的技术难度尤为显著,同时大量的工业热能消耗使电-热直接转换利用受到限制。在提取中药与天然产物的相关工艺中,较为典型的单元操作当属蒸发浓缩技术。蒸发浓缩系统运行效率的提升有利于降低系统能耗。传统多效蒸发(Multiple Effect Evaporator,MEE)和机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Re-compression,MVR)都属于蒸发浓缩领域的典型工艺技术,前者是将原料液通过锅炉产生的蒸汽进行加热并浓缩,再将末效蒸发罐内生产的二次蒸汽由冷却塔等装置进行冷却,与此同时造成了大量的能源浪费。后者因其节能、高效、环保等特点,被广泛应用于欧美等西方国家的蒸发技术领域。

但是由于绝大多数天然产物与中药提取液都属于热敏性物质,蒸发浓缩不能在较高温度下进行。在低温浓缩前提的限制下,双效蒸发、MVR和TVR(蒸汽热力再压缩技术)都无法实现。基于此,本文深入分析低温浓缩的技术要求和特点,提出了一种新型智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术,并对该装备工程应用的技术经济性进行评价。

1 蒸发浓缩系统能流对比分析

常规双效蒸发浓缩系统的原理如图1所示,为保证系统正常运行,需要连续不断为其提供高温生蒸气,并且通过冷却塔等设备来冷却二次蒸汽,进而造成能源的浪费。根据双效蒸发浓缩工艺参数,一效蒸发罐的蒸发温度与高温生蒸汽、一效二次蒸汽与二效蒸发罐的蒸发温度应维持将近10℃的温差才能保证系统间正常的传热。同时借鉴热泵系统的工作原理,通过高位电能的驱动将能量由低温热源向高温热源传递,可以将二效蒸发罐内产生的二次蒸汽的冷凝热进行回收。综上所述,本文结合双效蒸发系统与真空相变热泵系统的特点,提出了纯电驱动低温蒸发浓缩系统,原理如图2所示。

图1 常规双效蒸发浓缩系统原理图

图2 纯电驱动低温蒸发浓缩系统原理图

纯电驱动低温蒸发浓缩系统由双效蒸发子系统、真空相变热泵子系统、载热子系统、预热子系统和真空保障子系统构成。为了深入分析纯电驱动低温蒸发浓缩技术的能耗水平和技术优势,本文对常规双效系统和纯电驱动系统进行了能流对比分析,它们的能流图如图3和图4所示。

图3 常规双效蒸发系统设备能流图

图4 纯电驱动低温蒸发浓缩系统能流图

对比分析结果表明:

(1)就常规双效蒸发系统而言,存在两方面的缺点导致其能源利用率较低。一是需要额外提供生蒸汽来加热原料液使其蒸发浓缩,二是在系统运行中未对生蒸汽、一效二次蒸汽及二效二次蒸汽所产生的冷凝液进行回收利用。与之不同的是,纯电驱动低温蒸发浓缩系统无需额外提供生蒸汽,而是利用热泵所产生的中介水蒸汽对原料液加热;同时回收利用了一效二次蒸汽冷凝液中的显热以及二效二次蒸汽冷凝热。

(2)通过对比分析可知,纯电驱动低温蒸发浓缩系统的内部设备由于散热损失程度较小,基本不影响系统的正常工艺流程,可通过蒸发折损率来表征设备散热损失。

(3)回收二效蒸汽的凝结热主要由真空相变热泵的输入功实现,通过外置预热器来对进口物料进行预热,在一效罐的投入与产出热量平衡的基础上实现了余热的利用。

2 水蒸气直接压缩存在的问题

基于水蒸气直接压缩的MVR技术,不适用于低温(<60℃)浓缩。水蒸气自身的热物理性质决定了水蒸气不适合“低吸气温度、大温升幅度”工况的压缩。因此MVR技术在低温浓缩、双效系统、有机溶剂浓缩的情况下都不适用。低温下水蒸气的密度和绝热指数决定了水蒸气直接压缩的单位电耗、排气温度、压缩体积等都不再具有技术可行性。下面以5t/h蒸发能力的水蒸气直接压缩机在不同蒸发温度和升温需求下的性能进行分析。

2.1 水蒸气直接压缩的功耗

水蒸气的吸气饱和温度分别是50℃、70℃、90℃、110℃时,压缩之后饱和温度提升幅度分别从10～45℃条件下,水蒸气直接压缩的电功率如图5和表1所示。

表1 不同条件下水蒸气直接压缩的实际电功率/KW

图5 水蒸气直接压缩的实际电功率

不难得出以下结论。

(1)吸气温度越低,实际压缩功耗越大:吸气温度低导致压力降低,密度变小。

(2)饱和温度提升幅度越大,实际压缩功耗越大,近似正比例关系:温升幅度增大N倍,压缩功耗同倍增大。如果考虑内压比随温度提升幅度增大而增大,压缩机指示效率将进一步降低,实际压缩功耗增加的倍数将更大。

(3)饱和温度提升幅度越大,吸气温度降低导致的功耗增加将更为明显。

(4)仅从实际压缩功耗角度考虑,水蒸气不适合“低吸气温度、大温升幅度”工况的压缩。

2.2 水蒸气直接压缩的排气过热度

水蒸气压缩与空气压缩类似(都是小分子量气体),就是压缩过程温度升高极快、极大,如果冷却效果不好(或不采取中间冷却),将导致排气温度和过热度过大,给压缩机润滑、避免热胀摩擦、避免热应力疲劳等带来巨大困难。水蒸气直接压缩的排气过热度变化规律如图6和表2所示。

表2 不同条件下水蒸气绝热压缩的排气过热度/℃

图6 水蒸气绝热压缩的排气过热度

不难得出以下结论。

(1)无冷却一级压缩的排气温度均在120℃以上,且随着饱和温度提升幅度的增加而急剧增大。

(2)70℃水蒸气,压缩提升10℃的饱和温度,排气温度高达137℃;压缩提升15℃的饱和温度,排气温度高达170℃。如此之高的排气温度,没有良好的冷却是不可能实现良好润滑和机械运转的,冷却必然带来电能的浪费。

(3)相同温度提升条件下,吸气温度越低,排气过热度越大;相同吸气温度条件下,温度提升幅度越大,排气过热度成倍增加。因此,仅从直接压缩排气温度的角度考虑,水蒸气不适合“低吸气温度、大温升幅度”工况的压缩。

2.3 水蒸气直接压缩的体积尺寸

水蒸汽与空气同属小分子量气体,具有相似的压缩特性。不同点在于:常温下,饱和水蒸气的密度较空气来说要小,较制冷剂蒸汽密度来说数量级相差甚大。由此导致水蒸气压缩机比常规空气压缩机的尺寸大很多,所带来的问题如下。

(1)造价和制造难度增加。

(2)润滑油量增加。

(3)内漏损失增大,指示效率降低。

(4)摩擦损失增大,机械效率降低。

(5)装配误差增加,机械效率降低。

(6)散热面积增加,散热损失增大。

MVR中的吸气过热度都很小,按照水蒸气设计规范取水蒸气的参考流速为30m/s进行压缩机尺寸分析的依据是可行的。将压缩机的吸气管直径作为压缩机尺寸的对比参考,具有现实的工程意义。5t/h的水蒸气,吸气温度从50～120℃条件下的水蒸气体积流量和吸气尺寸如表3所示。

表3 不同吸气温度下的吸气体积与直径

不难得出以下结论。

(1)吸气饱和温度越低,密度越小:50℃与120℃饱和水蒸气的密度相差14倍。

(2)吸气饱和温度越低,气体体积越大:50℃与120℃饱和水蒸气的体积流量相差14倍。

(3)只有120℃以上时,饱和水蒸气的密度才与空气相当,水蒸气压缩机的尺寸才与空压机相当。

(4)吸气饱和温度越低,压缩机的尺寸越大:50℃与120℃吸气温度压缩机尺寸相差4倍,体积相差64倍。

(5)仅从压缩机尺寸的角度考虑,水蒸气不适合“低吸气温度、大温升幅度”工况的压缩。

2.4 采用制冷剂进行间接压缩的可行性

如果采用制冷剂先吸收二次蒸汽的热量,再压缩制冷剂蒸汽的形式,将会发现相同一效蒸发温度和相同二次蒸汽产量的条件下,制冷剂压缩方式的吸气体积要比直接压缩水蒸气小很多。不同制冷剂的吸气体积与水蒸气直接压缩的吸气体积比较如表4所示。

表4 压缩不同制冷剂气体时单位蒸发量的吸气体积/(m3/kg)

以R245fa的吸气体积为参考基础,不同制冷剂的吸气体积倍数如表5所示。

表5 压缩不同制冷剂气体时单位蒸发量的吸气体积倍数

不难看出以下结论。

(1)直接压缩水蒸气的吸气体积是间接压缩R245fa的数倍,将导致水蒸气压缩机的尺寸是R245fa压缩机尺寸的2～3倍,体积则是十几倍。

(2)随着一效蒸发温度的提高,水蒸气压缩机的尺寸趋于合理,说明水蒸气不适合“低吸气温度”工况的直接压缩。

(3)一效蒸发温度较低时,单纯从压缩机尺寸角度考虑,制冷剂的选择优先次序是:R134a>R124>R245fa>R141b。

(4)一效蒸发温度较高时,R134a等工质不再适合间接压缩。

3 纯电驱动系统数理模型与评价方法

3.1 系统的数学模型

从传热特性、热力特性和评价指标三个方面对纯电驱动低温蒸发浓缩系统进行数学模型构建,其中前两个数学模型包括双效蒸发子系统和热泵循环子系统。其数学模型计算求解流程如图7所示。

图7 系统数学模型的建立流程

3.2 节能环保性指标

作为一套全新的低温蒸发浓缩技术和系统,本文构建完善的技术经济性评价体系,主要包括:

(1)单位蒸发量生蒸气耗量

驱动热泵压缩机的电能将作为系统的直接能源,认为中介水蒸汽温度下的生蒸汽汽化潜热等同于热泵压缩机功率,代入式(1)计算出单位蒸发量下所消耗的生蒸气量。

(1)

(2)单位蒸发量的标煤耗量

假设热泵压缩机的电耗全部来源于燃煤发电机组,燃煤发电机组的平均供电能耗为0.31,计算公式如式(2)所示。

(2)

(3)温室气体减排量

以二氧化碳作为温室气体代表,减排量计算公式如式(3)所示。

MCO2=2.47Mbm

(3)

(4)有毒有害气体减排量

以二氧化硫作为有毒有害气体代表,减排量计算公式如式(4)所示。

MSO2=0.02Mbm

(4)

(5)粉尘减排量如式(5)所示。

MFC=0.01Mbm

(5)

3.3 经济性评价指标

(1)系统年总费用

系统年总费用包括运行及维护费用,具体计算公式如式(6)所示。

J=J1+J2+J3+J4+J5

(6)

热泵压缩机的功率、当地电价和年运行时间这三类因素影响热泵的年运行费用。

具体计算公式如式(7)所示。

J1=PyθY

(7)

热泵循环子系统的年维护费用由机组维修、保养等组成,且受当地气候因素影响、系统运行工况及时长等影响,具体费用当另外计算。以初投资的一定比例进行估算。

参考式(8)和式(9)对热泵投资建设费用进行估算。

I=aQln×1000

(8)

J2=εl

(9)

参考式(10)对双效蒸发子系统的年维护费用进行估算。

(10)

抽真空系统的费用年值主要用来不凝性气体的排除以及维持蒸发罐的真空度。因此,若维持系统良好的气密性以及抽真空系统不持续工作,则会大大降低其费用年值。

根据泵的轴功率按照式(11)对排水泵的运行费用进行估算。

(11)

(2)静态回收年限模型

相较于常规双效蒸发系统,纯电驱动低温蒸发浓缩系统冷却塔的投资力度减少,但高温热泵的投资力度增大。在系统改造中常常用静态投资回收年限作为重要经济性评价指标,具体公式如式(12)所示。

(12)

用式(13)表示常规双效蒸发系统的年总费用。

(13)

(14)

4 运行特性与技术经济性

本文针对某中药企业应用的智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术与装备的实测数据进行总结介绍,该项目的机组如图8所示。

图8 实际工程现场的智能纯电驱动低温蒸发浓缩机组

4.1 传热性能测试结果

由于换热器的传热效果直接受其传热系数的影响,因此需通过分析传热系数变化的影响规律得出提高换热器性能的实验方法。根据系统传热计算模型,传热系数通过换热器的传热量(公式计算)、传热面积(设计参数)和温度(仪表测量)求得。

图9 系统稳定运行时传热温差的变化图10 系统稳定运行时传热系数的变化

图9和图10分别表示系统稳定运行过程中的传热温差和传热系数变化规律。图9表示,在换热结构和传热面积相同的情况下,一效蒸发罐的传热温差比二效蒸发罐的传热温差大,分别为16.09℃和12.7℃,这是由于一效蒸发罐内中介水蒸气汽的传热温差受系统不凝性气体的影响而有所增大。由于蒸发器中的积液原因所导致的传热系数和面积减小,使得热泵蒸发器的平均传热温差为8.97℃,冷凝器的平均传热温差为7℃。图10表示,一效蒸发罐的平均传热系数最小,为860W/(m2·K),而热泵冷凝器的平均传热系数最大,为1302W/(m2·K),验证了不凝性气体的存在会降低系统的传热性能。

4.2 热泵的COP变化规律

热泵COP和冷凝器与蒸发器的温差(简称CE温差)随时间的变化规律,如图11所示。CE温差直接影响热泵系统的COP,COP作为评价热泵效率的关键指标。热泵的COP和CE温差随时间呈相反变化规律,符合系统热力工作原理。

图11 系统热泵COP的变化图12 单位蒸发能耗的变化

4.3 压缩机负荷对性能的影响

螺杆压缩机的型号选择影响整个系统的运行效果,而保证压缩机功率与系统的匹配程度至关重要。实验通过同时调节压缩机负荷滑阀和输入电流与负荷相匹配的方式来控制压缩机功率。本文针对系统总蒸发量和单位耗电蒸发量(WPP)与热泵压缩机负荷之间的影响作出以下分析。

如图12所示,随着压缩机负荷的增加,系统总蒸发量提高且WPP降低,因此可提高压缩机负荷来提高总蒸发量,同时减小压缩机负荷可使系统能耗有一定程度减少。当压缩机在超负荷条件下运行时,总蒸发量的提高不再受负荷增加的影响,这是由于负荷与运行不匹配时,负荷的增加甚至对系统运行效果起到负面影响,因此选择与系统相匹配的功率至关重要。

4.4 系统的技术经济性评价

通过系统实际运行数据的统计分析,计算得到纯电驱动低温蒸发浓缩系统的单位蒸发量的耗电为65kWh/t,折合单位蒸发量生蒸气耗量WEF1=0.135kg/kg(常规双效系统为0.55～0.60kg/kg);单位蒸发量的标准煤耗量20.15kg/t(常规双效系统为55.15kg/t);碳减排量为0.1t/t。以2t/h蒸发量的纯电驱动低温蒸发浓缩机组为例,在不同蒸汽价格和电价下的节能经济性如表6至表8所示。

表6 不同能源价格下蒸发1吨水费用节省情况/(元/t)

表7 不同能源价格下蒸发一吨水的费用节省比例/%

表8 规格为2t/h纯电驱动浓缩机组的增量回收期/小时

可以看出,当电价为0.7元/kWh,蒸汽价为240元/t时,每蒸发一吨水可节省运行费用103.5元/t,节省比例接近70%,设备的增量投资回收期为8700小时。随着未来能源结构的调整,电价趋低,蒸汽价格趋高,纯电驱动低温蒸发浓缩机组的节能环保性和运行经济性将会更加显著。

5 结论

为了满足未来工业电气化对天然产物与中药提取液浓缩分离工艺的节能低碳要求,本文提出了纯电驱动低温蒸发浓缩工艺和装备,通过间接压缩原理实现热能的循环利用,通过理论分析和实际工程项目测试分析,得出如下结论。

(1)纯电驱动低温蒸发浓缩系统中真空相变热泵侧输入的功量主要用于回收蒸发器内二效蒸汽的凝结热。电力输入的目的不是电热转换,而是驱动系统热能的循环利用,这是本项技术实现节能的根本原因。

(2)从直接压缩水蒸气的实际压缩功耗、排气过热度、压缩体积等技术角度考虑,水蒸气不适合“低吸气温度、大温升幅度”工况的压缩,因此MVR不适合热敏性物料的低温浓缩,无法实现双效节能。

(3)采用制冷剂作为载热循环工质,可以完美地避免低温水蒸气热物理性质对压缩性能的本质限制难题,实现纯电驱动低温蒸发浓缩工艺技术。

(4)建立了双效系统与真空相变子系统的耦合数理模型,并从节能环保性和经济性两个方面给出了纯电驱动低温蒸发浓缩技术的评价指标。

(5)通过纯电驱动低温蒸发浓缩工程项目的运行实际测试,结果表明单位蒸发量的耗电为65kWh/t,单位蒸发量的标准煤耗量20.15kg/t(常规双效系统为55.15kg/t);碳减排量为0.1t/t。在合理的电价和蒸汽价格下,每蒸发一吨水可节省运行费用约100元/t,节省比例接近60%～70%,设备的增量投资回收期为7000～10000小时。