《Energy Conversion and Management》：A heat pump-driven evaporative crystallization system for energy-efficient and cost-effective solar-powered hypersaline wastewater treatment
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本研究提出太阳能驱动热泵蒸发结晶（HPEC）技术处理高盐废水，通过热泵高效冷启动和热能存储降低能耗及成本，与机械蒸汽压缩（MVC）相比，HPEC在800立方米/日处理规模下，单位水处理成本降至5.7美元/立方米，节能超50%，且无需昂贵电池储能。
Luman Yang|Qian Chen
清华大学深圳海洋生态先进技术重点实验室，中国深圳518055
摘要
高盐度废水的大量产生和高盐分含量对环境构成了威胁，因此需要有效的处理策略来防止未经处理的废水排放。传统的机械蒸汽压缩（MVC）技术虽然有效，但能耗高且成本昂贵。本研究提出了一种热泵驱动的蒸发结晶（HPEC）系统，该系统利用光伏（PV）电力为蒸发结晶过程提供动力，从而实现零液体排放。为了评估所提出的HPEC系统的可行性，进行了热力学和热经济分析，以比较其性能与传统MVC系统的性能。结果表明，HPEC通过使用热泵实现节能的冷启动，与MVC相比可节省超过50%的能源。此外，在HPEC中加入热能储存装置显著降低了原本需要昂贵电池才能承担的储存成本。该系统的日处理能力为800立方米，HPEC的水处理平准化成本降至5.7美元/立方米，而MVC的成本为6.85美元/立方米。这些结果为基于太阳能的、具有成本效益和能源效率高的高盐度水处理系统铺平了道路。
引言
高盐度废水含有高浓度的溶解盐，是许多工业过程的副产品。2023年，中国的高盐度废水年排放量达到30亿吨，年增长率约为2%，这一增长主要是由于下游行业的需求增加[1]。如果未经处理直接排放，这些废水的大量和高盐分含量将对环境造成严重威胁，这凸显了迫切需要有效的处理方法[2]。
在这种背景下，从高盐度废水中高效回收水和盐资源，并朝着“零液体排放”（ZLD）的目标迈进，已成为工业可持续性的关键途径。已经出现了一系列与ZLD相关的技术和研究。Alhazmy [3] 的研究表明，多级闪蒸（MSF）技术在高盐度进料条件下能够可靠运行，即使在循环盐浓度高达63,000毫克/升的情况下也能保持稳定性能。Minier-Matar等人[4] 在试点规模的研究中验证了在膜蒸馏下游集成加湿-除湿（HDH）单元进行高级处理的可行性。Pan等人[5] 使用真空膜蒸馏结晶技术成功处理了来自造纸行业的浓缩盐水（总溶解固体含量TDS = 25克/升）。然而，这些技术仍处于实验阶段，尚未在大规模工程应用中得到应用。
目前，在实际应用中，蒸发结晶（EC）仍然是处理高盐度废水的首选技术，因为它已被证明是有效且可靠的。该过程使部分溶剂蒸发，将浓度提高到溶解度极限以上，从而实现盐的沉淀并实现零液体排放[6]。在所有EC技术中，机械蒸汽压缩（MVC）因其更高的能源效率、更低的运营成本、可靠且简单的设备以及较小的占地面积而脱颖而出[7]。
尽管MVC具有这些独特优点，但由于水处理过程中需要相变，它仍然能耗较高[8]。为了降低成本和提高性能，人们提出了创新的系统设计。Tucker等人[9] 提出了单级MVC的成本优化模型，表明对于盐浓度超过100克/千克的进料，MVC比渗透过程更具成本效益。Liang等人[10] 设计了双效MVC，与单效系统相比，降低了能源和运营成本。Han等人[11] 分析了采用自热回收原理的双级MVC蒸发系统，发现双级MVC可减少40%的能源使用。
为了进一步减少高盐度废水处理过程中的温室气体排放，采用太阳能等清洁和可再生能源已成为未来的关键趋势。在所有太阳能技术中，太阳能光伏技术已经达到了更高的成熟度和商业可行性[12]，并且通过能够与电网集成作为补充能源，提供了更大的运营稳定性。光伏与MVC的集成显示出特别的应用潜力。Morales-Ruiz等人[13] 开发了一个太阳能驱动的MVC系统的数学模型，其中光伏板为压缩机提供动力。该系统消耗2000-4000瓦的电力，每小时可产生700-800立方米的蒸汽。同样，Ibrahimi等人[14] 对一个并网的光伏驱动单效MVC系统进行了理论分析，证明增加光伏板面积可以提高淡水产量，同时将电力需求降低61%。Gao等人[15] 提出了一种在旧金山每天能产生10,000立方米水的光伏驱动MVC系统，并进行了热力学分析以研究各种参数的影响。
尽管光伏与MVC的集成显示出巨大潜力，但仍有一些挑战需要解决。例如，太阳能的间歇性导致系统频繁启动和关闭，造成显著的能源损失[16],[17],[18]。此外，长时间运行需要能源储存系统，进一步增加了前期投资和维护费用。为了解决这些现有挑战，本研究提出了一种热泵驱动的蒸发结晶（HPEC）系统，其中光伏电力为热泵提供动力，以产生蒸发盐水所需的温度梯度，产生的热量储存在热储存罐中。与现有的太阳能驱动MVC相比，所提出的HPEC得益于低成本的商用光伏板、电网连接和负担得起的热能储存。此外，热泵实现了节能的冷启动，消除了辅助加热的需求，使其非常适合与间歇性太阳能集成。
为了评估这些独特特性，我们对HPEC进行了全面的热力学和热经济分析，并将其性能与MVC进行了比较。首先开发了一个热力学模型，以比较在不同设计和运行条件下的比能耗、所需传热面积和第二定律效率。启动过程中的能耗考虑了实际运行中太阳能的间歇性。随后，在不同的运行条件下计算并比较了两种系统的生命周期成本。
与专注于热泵辅助蒸发的组件级优化或光伏驱动MVC系统的稳态分析的传统研究不同，本研究提出并系统地评估了一种专门为直接处理高盐度盐水设计的太阳能驱动的热泵辅助蒸发-结晶（HPEC）系统。本研究的新颖之处在于以下方面：
(1)开发了一种系统级的热泵、蒸发和结晶集成方案，用于面向ZLD的高盐度盐水处理，可以直接处理盐浓度高达250克/千克的废水，无需中间稀释或预处理；
(2)明确考虑了间歇运行和启动能耗对性能评估的影响，揭示了启动相关能耗可能会主导太阳能驱动系统的总体能耗，这是现有太阳能辅助EC和MVC研究中常被忽视的现象；
(3)在相同的边界条件下，建立了所提出的HPEC系统与光伏驱动单效MVC系统之间的比较框架，以便在现实的太阳能间歇性条件下公平评估它们的相对能源性能。所得结果将为基于太阳能的、具有成本效益和能源效率高的高盐度水处理系统铺平道路。
部分内容片段
过程描述
在本研究中，分析了所提出的热泵驱动的蒸发结晶（HPEC）系统和MVC系统在高盐度废水处理过程中的应用。图1(a)显示了所提出的HPEC系统的示意图，该系统由一个热泵单元和一个蒸发结晶单元组成。高盐度废水被泵送到热泵单元的散热侧进行加热。然后，加热后的废水被喷入蒸发罐中，
数学建模
通过数学建模评估了所提出的热泵驱动的蒸发结晶（HPEC）系统和MVC系统的热力学和经济性能。首先建立过程模型，以了解它们在不同设计和运行条件下的比能耗、比传热面积和热力学效率。基于热力学分析的结果，建立了HPEC处理每单位质量盐水的最终成本的经济模型结果与讨论
在本节中，我们首先评估了热泵驱动的蒸发结晶（HPEC）系统和MVC系统在稳态运行条件下的热力学性能。然后，研究了启动能耗的影响，以确定两种系统的SEC和第二定律效率在不同连续运行时间下的表现。最后，应用热力学分析的结果来计算和比较两种系统的经济性能。
结论与未来工作
本研究提出了一种由太阳能驱动的、能源高效且成本效益高的高盐度水处理系统，以实现零液体排放。首先进行了热力学分析，以评估在不同设计和运行条件下的能耗和比传热面积。然后，研究了动态启动过程的影响，以考虑太阳能的间歇性。最后，进行了经济分析，以评估脱盐成本和关键成本
作者声明
Luman Yang开发了数学模型，进行了模拟，分析了结果，并起草了手稿。Qian Chen是项目的负责人，提出了想法，监督了项目并修订了手稿。
作者贡献声明
Luman Yang：撰写——原始草稿、验证、正式分析、数据整理。Qian Chen：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢以下机构的资金支持：(1) 国家自然科学基金（52406100），(2) 广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515240041、2023B1515240009），以及(3) 深圳市科技创新委员会（ZDSYS20230626091459009）。
