Phân tích và so sánh MVR và HPVE – hai công nghệ bay hơi hiện đại. TVTS giải thích nguyên lý, mức tiêu thụ điện, COP, và OPEX để giúp doanh nghiệp chọn hệ thống bay hơi tối ưu cho công suất <200 m³/ngày hoặc quy mô lớn.
Nội dung
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MVR VÀ HPVE
Trong các hệ thống xử lý nước thải và tái sử dụng nước, bay hơi là công đoạn tiêu thụ năng lượng nhiều nhất.
Hai công nghệ phổ biến hiện nay là:
HPVE (Heat Pump Vacuum Evaporator) – Bay hơi chân không bơm nhiệt.
MVR (Mechanical Vapor Recompression) – Bay hơi cơ khí hoàn nhiệt.
Cả hai đều tận dụng năng lượng từ hơi thứ cấp để giảm OPEX (chi phí vận hành), nhưng hiệu quả, phạm vi ứng dụng và đầu tư ban đầu lại khác nhau đáng kể.
2. Tổng quan về quá trình bay hơi và sấy
Quá trình bay hơi là quy trình sử dụng nhiệt để đung sôi dung dịch chất lỏng có chứa các tạp chất, vì nước có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiều các chất ô nhiễm trong dung dịch nên sẽ bay hơi ra khỏi dung dịch và được ngưng tụ lại thành nước ngưng. Nước ngưng nhờ đó sẽ có thể được loại bỏ hầu hết các thành phần ô nhiễm như chất hữu cơ, muối khoáng, kim loại nặng …
Quá trình bay hơi nhờ đó có thể được ứng dụng để xử lý nước tinh khiết, khử muối nước biển và xử lý nước thải với nồng độ ô nhiễm rất cao.
3. Hệ thống bay hơi dùng máy nén hơi (Mechanical vapour recompression-MVR)
Hệ số hiệu suất (coefficient of performance or COP) là tỷ lệ nhiệt lượng hoặc làm mát hữu ích được cung cấp cho yêu cầu công việc của thiết bị, khái niệm này thường được sử dụng cho máy lạnh, điều hòa nhiệt độ hoặc máy bơm nhiệt (heat pump). Nếu năng lượng tiêu thụ được chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt lượng hoặc làm mát hữu ích với hiệu suất là 100%, thì hệ số hiệu suất COP = 1. COP cao hơn tương đương với hiệu suất cao hơn, mức tiêu thụ năng lượng (điện năng) thấp hơn và do đó chi phí vận hành thấp hơn.
Hệ thống bay hơi dùng máy nén hơi (Mechanical vapour recompression-MVR) áp dụng nguyên lý như máy lạnh và có thể tận dụng lại năng lượng của hơi nước phát sinh quá trình bay hơi bằng cách sử dụng một máy nén hơi (root pump or centrifugal blower) để nén trực tiếp hơi nước phát sinh từ quá trình bay hơi tới một áp suất rất cao, sau đó tuần hoàn nguồn năng lượng này quay về sử dụng cho quá trình bay hơi. Hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống thường lớn hơn 3,5 và có thể lên tới 10 hoặc cao hơn với các máy nén MVR thế hệ mới nhất.
Lợi ích của hệ thống bay hơi dùng máy nén hơi:
Chi phí năng lượng (điện năng) cho quá trình bay hơi thấp nhất trong tất cả các công nghệ, với chỉ khoảng 60 – 130 kW điện cho 1 m3 nước cần bay hơi khi so sánh với việc bay hơi trực tiếp (Khoảng 540 – 600 kW/m3) hoặc dùng hơi nước (400 – 1.100 kgSteam/m3).
Hệ thống gần như không cần tiêu thụ hơi nước, nồi hơi chỉ sử dụng chủ yếu cho quá trình khởi động thiết bị và có kích thước nhỏ do đó hệ thống có thể vận hành hoàn toàn bằng điện năng với nồi hơi bằng điện hoặc hơi nước từ nguồn có sẵn.
Hệ thống vận hành với lượng nước giải nhiệt tối thiểu do nguồn nhiệt từ quá trình bay hơi đã được tái sử dụng hầu hết.
Tiết kiệm diện tích.
Nhiệt độ bay hơi tương đối thấp (Thường < 90oC) do đó chất lượng nước ngưng sẽ rất tốt.
4. Hệ thống bay hơi chân không bơm nhiệt (HPVE)
Hệ thống bay hơi chân không bơm nhiệt sử dụng chung nguyên lý với máy lạnh, điều hòa nhiệt độ hoặc máy bơm nhiệt. Khí gas dẫn lạnh được nén với áp suất cao trở thành hơi quá nhiệt (superheated vapor) và được dùng để cấp nhiệt lượng cho quá trình bay hơi với nhiệt độ thấp ở áp suất chân không. Khí gas dẫn lạnh sau khi mất nhiệt lượng sẽ đi qua van giãn nở (van tiết lưu) và trở thành môi chất quá lạnh (subcooling liquid), môi chất này được dùng để ngưng tụ hơi nước bốc hơi của quá trình bay hơi thành nước ngưng và hấp thụ nhiệt lượng của nó trước khi tiếp tục quy trình tuần hoàn.
Hệ thống bay hơi chân không bơm nhiệt khi hoạt động ổn định sẽ có hệ số hiệu suất COP khoảng 3,0 – 4,5,
Ưu điểm của với hệ thống bay hơi chân không bơm nhiệt:
Hệ thống tiêu thụ rất ít điện năng. Chỉ cần 130–155 kWh điện cho 1 m³ nước bay hơi. Trong khi đó, bay hơi trực tiếp cần 540–600 kWh/m³. Nếu dùng hơi nước, tiêu hao 400–1.100 kg steam/m³.
Hệ thống không cần hơi nước hay chất đốt. Vận hành hoàn toàn bằng điện năng. Quá trình nén lạnh tự làm mát và ngưng tụ hơi. Không cần bổ sung nước giải nhiệt.
Nước thải có thể được bay hơi ở nhiệt độ rất thấp (30 – 40oC). Thiết bị xử lý tốt nhiều loại nước thải đậm đặc. Phù hợp với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt độ. Cho ra nước ngưng có chất lượng rất cao.
Máy nén dùng trong HPVE là loại phổ thông. Được sản xuất hàng loạt, chi phí thấp và dễ tìm. Việc bảo trì, sửa chữa, thay thế rất thuận tiện.
Hệ thống có thể vận hành gián đoạn hoặc theo mẻ. Khí gas lạnh luôn có sẵn trong hệ thống. Máy nén có thể khởi động ngay để tạo nguồn nhiệt.
5. BẢNG SO SÁNH MVR VÀ HPVE
Sau khi tổng hợp ưu và nhược điểm của hai hệ thống MVR và HPVE, sau đây là bảng so sánh MVR và HPVE, tham khảo:
| Chỉ tiêu | Hệ thống MVR | Hệ thống HPVE | ||
| Điện năng tiêu thụ (Kw/m3 nước cần bay hơi) | 60 – 130 KW | 140 – 150KW 75 – 100 KW với 2 bậc bay hơi | ||
| Chi phí đầu tư ban đầu | Cao | Thấp | ||
| Loại máy nén | Máy nén hơi nước nhiệt độ cao. | Máy nén khí gas dẫn lạnh. | ||
| Nhiệt độ bay hơi | 60 – 90oC | 30 – 40 oC | ||
| Tiện ích bổ sung | Nồi hơi hoặc hơi nước, nước làm mát. | Không yêu cầu. | ||
| Công suất thiết kế | > 0,3 Tấn/h (Thường là > 0,5T/h) | < 1,5 Tấn/h | ||
| Chi phí bảo trì, bảo dưỡng | Cao | Thấp | ||
| Khả năng vận hành | Càng vận hành liên tục hiệu suất tiêu thụ năng lượng càng tốt. | Vận hành gián đoạn không làm thay đổi hiệu suất tiêu thụ năng lượng. | ||
