Испаритель, концентрирующий 20 000 кг воды в час в однокорпусном режиме, потребляет примерно 22 000 кг острого пара каждый час работы. При типичной стоимости промышленного пара в 30-50 долларов за тонну это составляет семизначный счет за топливо за один год эксплуатации. Механическая рекомпрессия пара (МВР) существует потому, что большая часть этих денег покупается на тепло, которое выбрасывается: пар, испаряющийся от продукта, несет в себе то же самое скрытое тепло, которое только что было куплено, а в обычном поезде он конденсируется в охлаждающей воде и выбрасывается наружу.
Краткий вердикт для всех, кто оценивает эту технологию: MVR слегка повторно сжимает технологический пар, чтобы он мог конденсироваться на стороне нагрева испарителя и вскипятить больше жидкости. Затем один киловатт-час электроэнергии компрессора выполняет работу по испарению примерно 10-25 киловатт-часов пара, а потребность в остром паре падает до балансовой нагрузки примерно 0,02-0,05 кг на кг испаряемой воды. Для испарителей с постоянной нагрузкой и управляемым повышением температуры кипения это самый дешевый из доступных способов испарения.
Как работает механическая рекомпрессия пара
Самая чистая мысленная модель — это тепловой насос открытого цикла. Пар, покидающий кипящую поверхность испарителя, обычно водяной пар, вместо конденсатора поступает в компрессор. Компрессор повышает давление от почти атмосферного примерно до 1,2–1,5 бар абсолютного давления, что повышает температуру конденсации примерно с 95–100 °C до 105–112 °C. В этом скромном подъеме и заключается вся хитрость: сжатый пар конденсируется внутри нагревательной стороны каландрии, высвобождая свое скрытое тепло при небольшой разнице температур, чтобы вскипятить больше жидкости, а конденсат уходит в виде чистой горячей воды. Помимо тепловых потерь и предварительного нагрева продукта, для стабильной работы контуру не требуется острый пар; небольшой вспомогательный источник обеспечивает запуск и регулировку нагрузки.
Типы компрессоров и повышение температуры
Выбор компрессора соответствует требуемому подъему. Одноступенчатые центробежные вентиляторы справляются с большими объемами пара при испарении воды с подъемом температуры примерно до 20-25 К, тогда как двухвинтовые машины и двухступенчатые вентиляторы расширяют диапазон для более высоких подъемов. Необходимый подъем не является предпочтением: он равен повышению температуры кипения жидкости плюс разнице температур, необходимой для передачи тепла через поверхность испарителя, поэтому химический состав процесса и конструкция теплопередачи устанавливают его за вас.
Где MVR работает сегодня
Эта технология применяется везде, где необходимо непрерывно испарять большие объемы воды или растворителя, а пар достаточно чистый:
- Молочные продукты: концентрация молока, сыворотки и пермеата, одно из первых крупномасштабных внедрений.
- Еда и напитки: фруктовые соки, сахарные сиропы и бульоны.
- Целлюлоза и бумага: предварительное концентрирование черного щелока перед котлом-утилизатором.
- Химическая и фармацевтическая промышленность: регенерация растворителей и верхние потоки дистилляции.
- Сточные воды и нулевой сброс жидкости: концентрирование рассола перед кристаллизаторами
- Опреснение: установки механической компрессии пара для малого и среднего производства воды
Практические ограничения все еще действуют. Большинство коммерческих систем поддерживают температуру кипения ниже примерно 100–110 °C, поскольку материалы компрессора и уплотнения вала за пределами этого диапазона становятся дорогими, а растворы, содержащие хлориды, вытесняют смачиваемые детали в сторону нержавеющей стали 316L, дуплексных марок или более высоких сплавов. Повышение температуры кипения жидкости остается наиболее распространенной причиной изменения конструкции предлагаемого проекта MVR.
Как выглядят цифры
Первый вывод: когда сетевое энергоснабжение надежно, а пар дорог, проекты MVR обычно окупаются за один-три года. Однокорпусный испаритель расходует около 1,1 кг пара на кг испаряемой воды, а даже пятикорпусный испаритель все равно требует примерно 0,25 кг. Установка MVR заменяет большую часть этого расходом электроэнергии компрессора на 15-30 кВтч на тонну испарения, в зависимости от подъемной силы. При цене пара в 30-50 долларов за тонну и электроэнергии в 0,08-0,12 долларов за кВтч эксплуатационные затраты на тонну испаряемой воды падают с 30 долларов и более до примерно 1,5-3,5 долларов. Для завода производительностью 10 тонн в час, работающего 8000 часов в год, экономия по сравнению с одноступенчатым режимом работы составляет от 2 до 3 миллионов долларов в год.
Потребность в охлаждающей воде также резко падает, поскольку скрытое тепло используется повторно, а не отбрасывается. Компромиссы заключаются в капиталовложениях: компрессор с приводом и средствами управления, большая площадь теплопередачи, поскольку разница рабочих температур невелика, и электрическая инфраструктура, рассчитанная на непрерывную нагрузку двигателя. Компрессор также представляет собой единственную вращающуюся машину в критическом контуре, поэтому запасные части, мониторинг состояния и обученный обслуживающий персонал включены в операционный бюджет с первого дня.
Ограничения выбора: где MVR борется
Прежде чем включить MVR в короткий список, выполните эти проверки по порядку. У каждого есть дисквалифицированные реальные проекты:
- Повышение температуры кипения. Компрессор должен преодолевать BPE жидкости плюс разницу температур теплопередачи. Как только BPE превышает примерно 15-20 К, вентиляторы с малой подъемной силой отпадают, и выбор сужается до винтовых компрессоров, тепловой рекомпрессии пара или многокорпусных конструкций.
- Отвратительное поведение. Небольшие перепады температур и большие поверхности не оставляют места для загрязнения трубок. Слой накипи, который едва ли побеспокоит каландрию с паровым нагревом, может нарушить тепловой баланс MVR, поэтому очистка на месте должна быть частью конструкции.
- Загрузить профиль. MVR зарабатывает свои сбережения при стабильной, непрерывной работе. Частая цикличность партий, широкий диапазон регулирования и длительные простои быстро разрушают экономику.
- Коррозия и материалы. Вынос солей и кислот в пар и конденсат определяет срок службы оборудования; Выбор материалов и управление продувкой требуют инженерного внимания.
- Сервис компрессоров. Пределы вибрации, системы уплотнений и доступность запасного ротора должны быть спроектированы, а не импровизированы после первого отказа.
MVR, TVR или мультиэффект: вид сбоку
MVR является одним из трех установленных способов повторного использования паров испарения. При термической рекомпрессии пара (TVR) в качестве компрессора используется пароструйный эжектор, заменяющий рабочий пар на увлеченный пар. Многоступенчатое испарение (MEE) пропускает пар через последовательные стадии при падающем давлении. Правильный ответ зависит не столько от моды, сколько от трех цифр: цены на пар, цены на электроэнергию и скорости кипения спиртного.
| Аспект | MVR | ТВР (паровой эжектор) | Мультиэффект (MEE) |
|---|---|---|---|
| Движущая энергия | Электричество через механический компрессор | Подача пара через эжектор | Живой пар в первом эффекте |
| Потребность пара на кг испарившегося | 0,02-0,05 кг, только обрезка | 0,3-0,6 кг, в зависимости от соотношения | Около 1,1 кг одного эффекта, падение примерно на 15% за каждый дополнительный эффект. |
| Повторное использование скрытого тепла | Очень высокий, эффективный КПД 10-25. | Умеренный | Умеренный, improves with effect count |
| Повышение температуры | 10-40 К, ограничение компрессора | Фиксируется эжектором и давлением рабочего пара | Распределено по эффектам |
| Лучше всего подходит | Непрерывная работа, низкий уровень BPE, дорогой пар, надежное электроснабжение | Умеренный-pressure steam already on site | Дешевый пар, ненадежная мощность, пакетные кампании. |
На практике маршруты также комбинируются. В обычной конфигурации первый эффект нагревается острым паром или эжектором TVR, а завершающие эффекты выполняются на MVR, поэтому компрессор обрабатывает только самый чистый пар с наименьшим BPE в линии.
Включение MVR в общезаводской план рекуперации тепла
MVR решает энергетическую проблему, связанную с паром, но ни один испаритель не работает в одиночку. На заводе MVR по-прежнему есть котельная, сушилки, печи, термоокислители или технологические печи, которые круглосуточно отводят горячие дымовые газы. Этот газ невозможно повторно сжать; его тепло необходимо улавливать с помощью оборудования поверхностного типа.
Промышленный котел-утилизатор для рекуперации пара дымовых газов Рекуперация пара из горячих технологических выхлопных газов дополняет установки MVR, котлы, сушилки и печи которых до сих пор работают круглосуточно. Обладая производительностью дымовых газов до 320 000 Нм³/ч и скоростью испарения 3,8–54,5 т/ч, он непрерывно превращает отходящее тепло в полезный пар установки. Посмотреть продукт → Там, где выхлопные газы содержат достаточно полезной энергии, промышленный котел-утилизатор преобразует их в пар для остальной части предприятия, и наше руководство по как работает промышленный котел-утилизатор подробно описаны принципы работы. Там, где приоритетом является снижение температуры дымовой трубы и повышение эффективности котла, специальный экономайзер на стороне газа извлекает последние полезные градусы из дымовых газов до того, как они достигнут дымовой трубы.
Экономайзер для рекуперации тепла дымовых газов технологического оборудования Когда снижение температуры дымовой трубы и повышение эффективности котла являются приоритетом, экономайзер на стороне газа улавливает последние полезные градусы до того, как выхлопные газы достигнут дымовой трубы. Созданный для коррозионно-активных дымовых газов нефтеперерабатывающих заводов и химических предприятий при температуре 250–400°C, он предварительно нагревает питательную воду и имеет герметичную контролируемую конструкцию. Посмотреть продукт → Производительность газовой стороны в конечном итоге зависит от поверхности трубки. Удлиненные поверхности рекуперируют больше тепла из того же объема дымовых газов, а оребренные трубы H-типа особенно устойчивы к загрязнению благодаря выровненным прямым газовым путям. Наш обзор типы оребренных труб, материалы и повышение эффективности рассматривает компромиссы, которые инженеры учитывают при их определении.
Ребристая труба H-типа для теплообменников дымовых газов с запыленными газами Производительность газовой стороны сильно зависит от поверхности трубок. Ребристые трубы Н-типа увеличивают площадь нагрева в 1,5-2 раза по сравнению со спиральными ребрами, а прямые параллельные газовые каналы устойчивы к засорению и засорению, что делает их хорошо подходящими для рекуперации тепла от запыленных выхлопных газов. Посмотреть продукт → Объединение контура MVR и газовой стороны в единую конструкцию предотвращает классическую ошибку оптимизации испарителя, в то время как расположенная выше по потоку котельная труба продолжает работать в горячем состоянии.
Практические выводы для инженеров и покупателей
Рекомендуемая нами последовательность принятия решений коротка. Определите количественно цены на пар и электроэнергию за единицу испарения. Измеряйте температуру кипения настоящего спиртного напитка, а не разбавленного лабораторного образца. Убедитесь, что профиль нагрузки действительно непрерывен. Затем спроектируйте газовую сторону в том же проекте, рекуперируя тепло дымовых труб и выхлопных газов с помощью экономайзеров и котлов-утилизаторов рядом с контуром MVR, а не в качестве второстепенной мысли.
Для покупателей, выбирающих окружающее оборудование для рекуперации тепла, качество производства решает, выживет ли рассчитанная экономия после первого капитального ремонта. Детали, работающие под давлением, изготовленные в соответствии с требованиями ASME, автоматизированные сварочные линии с рентгеновской визуализацией в режиме реального времени, а также годовая производительность более 20 000 тонн для крупных EPC-проектов — это стандарты, по которым мы работаем в Wuxi Jinker Power Equipment, поскольку система рекуперации тепла надежна настолько, насколько надежны сварные швы, скрепляющие ее. Пусть технологическая и газовая стороны работают как одно целое, и испаритель, который когда-то сжигал тонну пара на тонну воды, будет работать в основном за счет тепла, которым он уже владеет.
