機械蒸汽再壓縮熱泵技術研究進展

龐衛科，林文野，戴群特，楊魯偉，張振濤

(1.中國科學院理化技術研究所，北京 100190;2.中國科學院研究生院，北京 100190)

近年來，由于人類對能源的需求越來越大，能源供應成為瓶頸問題。面對如此情況，節能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一。機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)熱泵技術是一項高效環保的節能技術，廣泛應用于溶液的蒸發工藝過程中，如化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等工業生產領域。國外早在1834年就已有人提出MVR熱泵的構想［1］，而最終應用該項技術的產品是由瑞士的一家企業Sulzer－EscherWyss Ltd于1917年制造。1925年，奧地利設計安裝了一套設備，由此出現了實際運行中使用的MVR裝置［2］。上世紀70年代石油問題造成了能源危機，在節能降耗的大勢所趨下，MVR熱泵得到了迅速發展。

我國的相關研究起步較晚，發展也慢。上世紀70年代末，有研究人員進行了初步試驗，其良好的節能效果在國內得到展示［1］。四川省自貢市張家壩化工廠于1989年引進了此種裝置，運行四年后由于各種原因而淘汰［2］。此后國內雖也一直在進行這方面的研究，但取得的實質性成果很少。

該技術主要為國外的美國GE、德國GEA和Messo等公司壟斷。國內目前沒有完全獨立開發的系統，小型系統依靠進口壓縮機組裝來實現，大型系統或全部進口或依靠國外設計并進口關鍵部件。我國很多公司看好該技術的前景，但技術開發的實力有限，急需技術積累。

1 MVR熱泵特性與分析

MVR熱泵蒸發系統的開式循環機理是基于回收利用物料蒸發所產生的二次蒸汽(也是此工作周期結束后即將冷凝成水的蒸汽)的潛熱而進行。其基本流程如圖1所示。蒸發器蒸發產生的二次蒸汽1先進入壓縮機壓縮以實現其熱力品質的提升，壓力和溫度提高后，再重新進入蒸發器作為加熱蒸汽2利用;釋放出冷凝潛熱的蒸汽成為冷凝水3，料液中吸收了其潛熱而產生的新蒸汽1則繼續下一個循環過程。由于在蒸發器中二次蒸汽所需的潛熱來自外排蒸汽本身冷凝所放出的潛熱，因此蒸發所耗的能量僅僅是壓縮機所耗的能量。實際表明，壓縮機所耗能量比鍋爐產生蒸汽所耗能量少，具有明顯的節能性。

圖1 MVR熱泵流程圖

根據MVR熱泵系統的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機械功之間的比較。表1以常壓下基本循環的狀態變化為例，通過計算表明其在能源利用效率方面的優勢。

表1 MVR熱泵效率計算分析

從表1中可以看出，系統消耗90.5 kJ/kg的壓縮功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達到了24.9。工質的熱焓僅增加0.8%，但其溫度提高了13%，相當于輸入少量的高品位機械能，卻把大量的低品位熱能轉化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

MVR熱泵的研究主要涉及系統流程工藝設計、蒸汽壓縮機和蒸發換熱器等三方面的發展近況和最新進展。

2 機械蒸汽再壓縮熱泵的系統流程工藝進展

MVR熱泵裝置結合不同的處理工藝過程，需要提供適宜的傳熱溫差。蒸發過程中傳熱溫差和壓差大小一般與處理料液的熱敏性有關，高熱敏性料液適宜于小溫差條件下多梯度分階段進行。因此，MVR熱泵系統的工藝流程也設計成單效蒸發和多效蒸發。

單效蒸發系統的流程簡單，操作較方便，適合于水分蒸發量大，熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發一次就可達到濃縮要求的溶液。目前，國內已有學者在對麻黃素廢液的處理過程中設計采用了機械蒸汽再壓縮系統的單效蒸發方案［3］。另外，制鹽工藝也適合采用單效蒸發的方式，中鹽金壇引進的生產能力120萬噸/年MVR裝置應用在井礦鹽的制取上［2］。含鹽鹵水同樣具有需去除的水量大，且熱敏物性弱的特點，因此選擇單效一次蒸發的經濟性更合理。雖然系統由于大溫差傳熱可能導致熱平衡穩定性差、需不斷補充新蒸汽的問題，不過，單效蒸發情況下采用增大換熱器面積以適當減小傳熱溫差的方式，可在一定程度上解決上述問題，同時系統效率有所提升［4］。圖2為制鹽工藝上采用的MVR單效蒸發系統。

圖2 制鹽工藝用MVR單效蒸發系統

MVR系統多效蒸發方式適合于處理熱敏性較敏感，不宜進行大溫差傳熱的溶液蒸發，同時其也可用于蒸發量較大的工藝場合。王海澍等［5］首先從理論上分析了多效蒸發方式的耗能經濟性，給出了效數合理確定的理論依據。金世琳［6］研究了在牛奶乳品工業中采用MVR多效蒸發的實驗方案，分別列舉了三效、五效和七效蒸發系統的性能參數。其中提到，此類型的多效蒸發系統在壓縮機提供大約16℃的溫差前提下即可進行，但未提到效間溫差的設計大小。據統計，目前世界上的乳品工業界共約100臺MVR多效蒸發系統在運行［6］。惲世昌［7］在分析降低乳粉制取過程中蒸汽消耗量的措施時，從傳統的蒸汽多效蒸發的經濟性考慮認為效間溫差取5℃左右較合適，且效數最多為七效。這種思想也可以在MVR熱泵多效系統中借鑒采用。圖3為MVR熱泵的多效蒸發流程工藝。

圖3 MVR熱泵多效蒸發系統

3 MVR熱泵蒸汽壓縮機的研究進展

1970年前后，離心式或軸向式壓縮機在MVR熱泵系統上的應用已出現在國外的媒體報道中［6］。芬蘭于1981年開始試用風機型壓縮器，經多年的實踐和逐步完善，現在這種壓縮器已在西歐各國普遍使用［7］。早于這個時期，高壓型壓縮器或壓縮機應用較廣，這類壓縮器可提高蒸汽溫度15℃左右，能將第三四效的二次蒸汽壓縮后作為一效加熱室的熱源。缺點是運行壓力高，結構復雜，節能的收益幾乎全被高昂的機器價格和維修費用所抵消，后來逐漸退出市場［7］。

近幾年來，國內行業也加快了國產蒸汽壓縮機的開發進程，沈陽化工機械廠已生產出螺桿式蒸汽壓縮機，其最初是用于科研試驗［1］。受國外同行的影響，我國研究人員在蒸汽壓縮機的選型上也較多關注于活塞、螺桿和離心式壓縮機［5］。不過，同時期也有學者提出了使用羅茨風機作為提升水蒸氣壓力的思想［8］。隨著蒸汽壓縮機國產化研究的深入，防腐防銹、密封、耐高溫和長期運行時的安全可靠性成為其主要的技術難題［9－12］。

蒸汽壓縮機的工作介質是水蒸氣，由于這一特點其面臨的一個重要問題就是與水直接接觸的零部件的防腐防銹保護。綜合有關此方面的研究成果看，關鍵部件采用抗腐蝕和抗生銹的特殊材料進行加工制造，或對普通材料的表面進行特殊化處理是一項簡易可行的措施。另一方面，蒸汽容易侵入壓縮機內潤滑油或潤滑脂工作的地方，這將對其安全運行非常不利。因此，隔離油脂和水的高效密封方式成為壓縮機壓縮水蒸氣時需要突破的關鍵技術難點之一。同時，普通制冷或空氣壓縮機的實際壓縮介質是制冷劑或空氣與油霧的混合物，如果直接用來壓縮水蒸氣必會造成蒸汽含油，由此也將給后續生產工藝帶來麻煩。近年來業內新開發的無油潤滑和水潤滑技術或許將為解決該問題指出一個方向［13］。

4 MVR熱泵蒸發換熱器的研究進展

如前所述MVR系統節能顯著，但也需要高效的換熱裝置與之相匹配。其小溫差特點決定了換熱器的選擇上應考慮傳熱效率高的蒸發裝置，其中降膜蒸發器是比較合適的一種，其具有物料停留時間短，可低溫操作等優點，非常適合于熱敏性物料的濃縮。經多年的實踐應用證明，機械蒸汽再壓縮降膜蒸發技術日臻成熟。

圖4 傘板式降膜蒸發器

圖5 用于大型降膜蒸發器的液體分布器

換熱管內的成膜均勻程度和成膜厚度是降膜蒸發器安全高效工作的重要保證，溶液分布器的布液效果優劣，換熱管管壁出現液膜不均時產生的后果不僅僅是蒸發效率大大降低，同時可能造成換熱管局部溫度過高，出現“干燒”現象，長期持續下去將明顯減少其使用壽命。管內液膜不均導致的蒸發不均問題還會在蒸發過度的管壁處析出部分溶質，集聚其表面后形成結垢。此外，高溫下蒸發溶液內所含物質會呈現較強的腐蝕特性，在工藝設計過程中需要引起注意，可通過采取使用防腐性換熱器材料等措施來解決。基于已有的降膜蒸發器結構型式，有研究者將相關的傳熱強化措施融入其中，進一步提高了換熱效果，如閃蒸——降膜蒸發系統［14］。另有研究人員設計了全新的降膜蒸發器結構，以解決常規換熱器型式所面臨的問題，如傘板型換熱面、酒窩狀豎板換熱面等［15－16］，圖4為傘板式降膜蒸發器的結構圖。傘板降膜蒸發器的傳熱性能優于豎管降膜蒸發器，可解決小流量下蒸發管下端出現“干燒”的問題。為進一步提高降膜蒸發器的性能，布液器的結構和布孔方式也出現了一些新改進［17－18］，圖5為三層式布液器的布孔位置示意圖。

5 結論

綜合目前MVR系統和蒸汽壓縮機以及降膜蒸發器的應用現狀和研究進展而看，這項高效節能技術在國內廣泛推廣，需注意和解決以下問題:

(1)MVR熱泵技術是一項高效環保的節能技術，我國在此領域的研究尚處于追趕國外的水平，我們應關注國外已經應用于實際中的成熟產品和技術成果，多吸收借鑒，立足國內行業現狀，加快發展自主技術。結合工藝過程科學合理地設計系統流程，單效蒸發和多效蒸發的選擇上應因地制宜，全面考慮，充分利用各自的優勢。

(2)蒸汽壓縮機的防腐防銹、密封和長壽命問題成為影響這項技術國產化的關鍵所在，亟待國內研究人員解決。無油式壓縮在空氣壓縮機領域的應用有望為蒸汽壓縮機的開發與改進提供可行的方案，其中無油水潤滑方式與水蒸氣介質的壓縮過程具有較高的兼容性值得研究人員進一步探討。

(3)降膜蒸發技術已比較成熟，將其運用到MVR熱泵系統上時需注意系統的匹配優化問題。影響換熱管內溶液均勻成膜的溶液分布器將成為提高降膜蒸發器性能和可靠性的研究熱點之一。另外，適宜于降膜蒸發的換熱面新結構型式開發也逐漸成為人們感興趣的研究方向。

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