处理高浓度含盐废水的机械蒸汽再压缩系统设计及性能研究

摘要

在印染、化工、造纸、医药和农药等生产过程中会产生大量高浓度含盐废水,有些废水中所含无机盐还具有回收利用的价值,直接排放将导致水环境污染和资源浪费。常规的多效蒸发可以对该类废水进行处理和回收,却存在着能量消耗高、配套设备多、运行费用高等问题。因此,研究一种能耗少、运行费用低且结构紧凑的高浓度含盐废水处理方法具有一定的现实意义。
　　为此,本文以降低能耗为目标,提出了处理高浓度含盐废水的两级机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Re-compression,MVR)的方法,设计了系统流程,建立了系统热力分析平台;设计了系统关键设备结构,构建了工程实验系统装置并实施了工程化的实验研究;最后,对系统开展了综合性能评价分析。
　　首先,对现有含盐废水处理技术及高浓度含盐废水特征进行了分析,提出了适合处理高浓度含盐废水的两级 MVR方法并设计了具体的工艺流程,构建了系统中主要设备的模型及系统的计算平台并用已公开的数据加以了验证;借助该平台对两级MVR系统及其参比的单级MVR和三效蒸发系统进行了分析,获得了两级 MVR系统及参比系统的整体热力性能,所提系统的性能系数和节能率等指标均较参比系统有显著提高,与传统三效相比可节省能耗75.8％;同时分析了一级排出浓度、蒸发温度、传热温差等重要参量对两级MVR系统能耗的影响规律。
　　基于以上理论分析,采用遗传算法对加热器的结构进行了基于综合成本目标的优化设计;设计了深入内部的轴向进料闪蒸器及其结构;建立了针对实际工程应用的两级MVR系统装置,该系统置于某染料生产企业用于处理生产过程中产生的高浓度硫酸铵废水,据此研究了系统工程状态下实际运行性能,并与模拟结果进行了对比分析。研究表明,系统实际单位能耗为53.8kWh/t实现了能量消耗低的目标;实际运行结果与模拟结果基本相符,这说明本文建立的模拟和设计模型是可靠的。实验效果表明,系统回收了硫酸铵,排放出了净水,达到了对高浓度废水处理的要求。
　　建立了考虑废水中盐分影响的两级 MVR系统的火用分析模型,采用上述实验得到的数据,对系统进行了实际状态下的火用分析,获得了系统的火用损失分布状况,及压缩比、蒸发温度和一级排出浓度对系统火用效率的影响规律,并依据分析给出了改进措施。随后,基于以上获得的系统各物流火用,引入热经济学结构理论,构建了两级 MVR系统热经济学模型,分析了系统的热经济学成本及其分布,并研究了系统内、外部参量对系统热经济学成本的影响规律。分析结果表明,较之单级MVR系统,本文所述系统的火用效率提高13.4%,单位产品成本降低6.8%,两级 MVR系统的综合性能优势明显;内部操作温度变化对系统各组元热经济学成本的影响大于一级排出浓度对各组元的影响;外部电力价格对各组元热经济学成本的影响要大于设备投资对相应组元的影响。
　　本文为处理高浓度含盐废水提供了一种低能耗的思路及方法,所获得的研究结果对 MVR技术的运用发展具有重要的理论和工程应用价值。

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图表清单

注释表

第一章绪论

1.1课题背景

1.2国内外MVR系统的发展状况

1.3 MVR系统相关研究综述分析

1.4 MVR处理高浓度含盐废水的难点

1.5研究内容与文章结构

第二章两级MVR系统及热力计算平台和性能分析

2.1两级MVR系统的提出

2.2两级MVR系统的构成

2.3系统热力计算平台及验证

2.4两级MVR系统热力性能分析

2.5本章小结

第三章两级MVR系统关键设备结构设计及系统集成

3.1加热器单元设计

3.2闪蒸器单元设计

3.3压缩机单元

3.4循环泵单元

3.5两级MVR系统集成

3.6本章小结

第四章两级MVR系统的实验研究

4.1实验系统

4.2实验方法

4.3实验结果及分析

4.4本章小结

第五章两级MVR系统火用分析

5.1 火用分析基本理论

5.2两级MVR系统火用计算模型

5.3结果与分析

5.4本章小结

第六章两级MVR系统综合性能评价

6.1基本理论

6.2热经济模型

6.3结果与分析

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2主要特色及创新点

7.3工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文