MVR热泵节能技术的研究进展

杨俊玲 杨鲁伟 张振涛/中国科学院理化技术研究所

MVR热泵节能技术的研究进展

杨俊玲 杨鲁伟 张振涛/中国科学院理化技术研究所

0　引言

机械蒸汽再压缩热泵技术（MVR）是蒸发领域已知的最先进高效环保的节能技术，在国外广泛应用于溶液的蒸发工艺过程中，如化工、轻工、食品、制药、海水淡化、污水处理等工业生产领域。MVR蒸汽再压缩的原理如图1所示，利用水蒸汽压缩机将蒸发器中蒸发产生的水蒸汽加压加温，然后作为蒸发物料的热源，并冷凝成为净化水回收。与多效蒸发技术相比，MVR系统全部回收了二次蒸汽的潜热，其热效率一般相当于5-10效蒸发器，占地面积仅为传统多效蒸发系统的1/10，正常运行中可以完全摆脱对蒸汽锅炉和冷却水的依赖，避免了燃烧化石燃料带来的污染和大量冷却水的使用。

1　MVR系统的研究进展

国外早在1834年就已有人提出MVR热泵的构想，而最终应用该项技术的产品是由瑞士的一家企业Sulzer-Escher Wyss Ltd于1917年制造。1925年，奥地利设计安装了一套设备，由此出现了实际运行使用的MVR装置。上世纪七十年代石油问题造成了能源危机，在节能降耗的大趋势下，MVR热泵得到了迅速发展。

我国的相关研究起步较晚，发展也慢。上世纪70年代末，有研究人员进行了初步试验，其良好的节能效果在国内得到展示。四川省自贡市张家坝化工厂于1989年引进了此种装置。此后国内虽也一直在进行这方面的研究，但取得的实质性成果很少。

MVR热泵主要涉及系统工艺流程设计、蒸汽压缩机和蒸发换热器等三方面。

1.1机械蒸汽再压缩热泵的系统工艺流程进展

MVR热泵装置结合不同的处理工艺过程，在实际生产应用中产生了非常可观的节能效果和经济效益。在大部分的蒸发浓缩工艺中，只要旧有的系统是依靠锅炉提供水蒸汽作为加热热源的，原则上都可以改造成MVR热泵蒸发系统。新建系统中若蒸发操作需要水蒸汽作热源的，则可以直接采用MVR热泵蒸发设备。

针对MVR处理实际料液的能力，有大批学者进行了研究。在食品领域，金世琳［1］研究了在牛奶乳品工业中采用MVR多效蒸发的实验方案，分别列举了三效、五效和七效蒸发系统的性能参数。其中提到，此类型的多效蒸发系统在压缩机提供大约16℃的温差前提下即可进行。恽世昌［2］在分析降低乳粉制取过程中蒸汽消耗量的措施时，从传统的蒸汽多效蒸发的经济性考虑认为效间温差取5℃左右较合适，且效数最多为七效。赵媛媛［3］介绍了MVR蒸发器在食品工业中的应用，指出MVR不仅适用于乳制品领域，也适用于糖溶液的蒸发，各类果汁的浓缩工艺中。

在医药领域，连晓岚［4］译自国外的一篇有关机械蒸汽再压缩蒸发器蒸发酒精蒸馏废液的文章中提到，MVR用于酒精蒸馏废液的蒸发工艺上时，同等处理能力下其能耗大小只有五效蒸发器的1/4。梁林等［5］研究分析了MVR用于维生素C溶液蒸发的实验特性。MVR工艺过程可以实现低温蒸发，节能效果明显，经济效益显著。MVR每蒸发1吨水蒸气的耗能与五效蒸发器相比，约节省12.9％的标准煤；与单效比则节省了78.6％的标准煤。蒸发单位吨水蒸气所需费用与四效蒸发器相当，比三效可节省16元。

在工业蒸发领域，宋茜茜［6］介绍了机械再压缩在国内制盐上的应用情况。陈留平［7］对中盐金坛盐化有限责任公司一期年产60万吨真空盐项目ME装置实施MVR技术节能改造的技术方案，并进行相应分析计算，得出ME装置实施MVR技术改造可行并可在行业推广的结论。张德安［8］结合相关制盐企业实际运行数据及国家相关政策，从综合能耗、制盐成本、环保审批等角度，对机械热压缩和多效蒸发制盐的工艺选择进行了分析。王晔琪［9］建立了一套机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化系统，对机械蒸汽再压缩低温蒸发海水淡化系统进行实验研究。实验结果表明：产水率和压缩机比功耗随蒸发温度和压缩比的升高而升高，且压缩比对蒸发性能的影响较大。从节能及经济性角度上看，在满足产水要求和防结垢、防腐蚀需求下，选取较小的压缩比和较大的蒸发温度有助于提高产水率，节约能耗。韩东，彭涛等［10］以硫酸铵溶液为原料，实验研究了一套MVR蒸发结晶系统。相对于四效蒸发器，MVR每蒸发1吨水蒸气可以节省53.48％的标准煤。

姜同坤［11］提出用MVR蒸发技术改造现有尾气法、直接法硝盐生产的蒸发系统。经改造后的生产装置，吨产品能耗从0.2365t标煤降至0.024t标煤，节约运行费用261元。刘保伟等［12］介绍了中铝广西分公司氧化铝厂技术改造项目，同等蒸发量下，每吨氧化铝可节约成本8.2元左右，投资回收期约为3.3年。

在废液处理领域，刘晓莉等［13］以造纸黑液碱回收工艺为研究对象，提出了蒸汽压缩加热黑液浓缩流程的新工艺，仅碱回收工艺一年就可节约运行费用约818万元。中科院广州能源所的蒙宗信，何荣炽等［14］研究了蒸汽再压缩热泵在处理造纸黒液中的蒸发传热过程。系统采用国产螺杆压缩机，换热器采用四效，第一效为降膜蒸发，其余采用刮面式薄膜蒸发器，COP达到12.6，一次能源节省约70％。

研究表明，将MVR系统应用于精馏系统中，可以大大降低其能耗。杨德明［15］以正己烷、环己烷、异辛烷三元混合烷烃的分离为研究对象，对比MVR热耦精馏与常规热耦精馏，MVR可节能约38％，节省年总费用约48％。杨德明［16］将即塔顶蒸汽直接压缩供热和塔底液相闪蒸压缩供热精馏工艺应用于乙醇-异丙醇的分离研究，研究结果表明：与常规精馏工艺相比，以上两种MVR热泵精馏工艺节能分别为93.2％和93.4％。

将MVR技术应用于干燥领域是一种全新的尝试，夏磊［17］基于空心桨叶干燥机建立了一套机械蒸汽再压缩式热泵干燥系统，MVR热泵干燥系统的COP为3.9-5.0，SMER为5.2-7.7。张华博［18］设计了一种常压下，应用于盘式干燥器的机械蒸汽再压缩节能工艺。进行经济性估算，得出该工艺设备投入较大，但运行成本低，约0.75年可回收成本。周雷［19］将机械蒸汽再压缩技术引入热敏性物料的低温干燥领域，设计了一种新型低能耗低温干燥系统。计算结果表明，所设计的新型低温干燥系统与相同条件下的常规低温干燥系统相比，能耗仅为常规低温回热干燥系统的7.7％。

1.2MVR热泵蒸汽压缩机的研究进展

近几年来，国内行业加快了国产蒸汽压缩机的开发进程，沈阳化工机械厂已生产出螺杆式蒸汽压缩机，其最初是用于科研试验。受国外同行的影响，我国研究人员在蒸汽压缩机的选型上也较多关注于活塞、螺杆和离心式压缩机［3］。不过，同时期下也有学者提出了使用罗茨风机作为提升水蒸汽压力的思想［5］。随着蒸汽压缩机国产化研究的深入，防腐防锈、密封、耐高温和长期运行时的安全可靠性成为其主要的技术难题。

蒸汽压缩机的工作介质是水蒸汽，由于这一特点，其面临的一个重要问题就是与水直接接触的零部件的防腐防锈保护。综合有关此方面的研究成果看，关键部件采用抗腐蚀和抗生锈的特殊材料进行加工制造，或对普通材料的表面进行特殊化处理是一项简易可行的措施。另一方面，蒸汽容易侵入压缩机内润滑油或润滑脂工作的地方，这将对其安全运行非常不利。因此，隔离油脂和水的高效密封方式成为压缩机压缩水蒸汽时需要突破的关键技术难点之一。同时，普通制冷或空气压缩机的实际压缩介质是制冷剂或空气与油雾的混合物，如果直接用来压缩水蒸汽必会造成蒸汽含油，由此也将给后续生产工艺带来麻烦。近年来业内新开发的无油润滑和水润滑技术或许将为解决该问题指出一个方向。

蒋国［20］的研究着眼于压缩介质的特性，为保证介质自身纯度和免受其它物质的污染，摒弃了压缩过程中常用的喷液冷却方式，而直接采用了完全不同于常规技术路线的无油干式螺杆压缩机。作者的这一创新为业内同行关于水蒸汽压缩的相关研究提供了新的思路。蒙宗信等［17］在研究分析采用MVR系统处理黑液的工艺中，其实验系统选用的是国产螺杆压缩机。陈蔚风等［21］结合单螺杆压缩机的发展历史，认为单螺杆压缩机在技术上应深入研究型线和啮合副、星轮片材料和配套加工的工艺、设备、刀具等。郑家强等［22］指出高效单螺杆空压机的技术难点是螺杆和星轮的高精度加工与装配。在结构上，单螺杆要优于双螺杆；但由于主机的加工精度问题，其能效比要比双螺杆差。继续开展单螺杆空压机的研究并尽快制定相关标准将有助于我国高效空压机技术的发展。恽世昌［2］在对乳粉浓缩干燥工艺的改进过程中采取了风机压缩的方案。通过采用将离心式风机轴承与联轴器设计为和标准风机相同、但叶轮不同的方法对风机线速度进行了调控。针对不同的蒸发量，合理确定了风机转速和传动方式。陆凯杰［23］等人对MVR蒸汽离心风机进行了数值模拟研究，研究结果表明，MVR蒸汽离心风机在变流量工况运行时，效率将下降，在小流量工况下边界层分离是风机发生喘振现象的根本原因。顾承真［24］采用降膜蒸发器为蒸发主体、罗茨压缩机为蒸汽压缩机，并以水为实验原料研究了一套MVR蒸发装置，研究结果表明，最适蒸发压强与具体系统的蒸发能力和压缩机效率密切有关，在压缩机效率保持较高水平的前提下，适当降低蒸发压强有利于系统的节能。

目前，国内不仅进行了大量的水蒸汽压缩机的实验，同时，很多厂家生产的水蒸汽压缩机也应用于实际系统中，市场占有率比较高的企业包括陕西鼓风机集团有限公司、沈阳鼓风机集团有限公司、金通灵流体机械科技股份有限公司以及重庆江增船舶重工有限公司等。

1.3MVR热泵蒸发换热器的研究进展

如前所述，MVR系统节能显著，但也需要高效的换热装置与之相匹配。其小温差特点决定了换热器的选择上应考虑传热效率高的蒸发装置，其中降膜蒸发器是比较合适的一种，其具有物料停留时间短，可低温操作等优点，非常适合于热敏性物料的浓缩。经多年的实践应用证明，机械蒸汽再压缩降膜蒸发技术日臻成熟。

换热管内的成膜均匀程度和成膜厚度是降膜蒸发器安全高效工作的重要保证。溶液分布器的布液效果优劣、换热管管壁出现液膜不均时产生的后果不仅仅是蒸发效率大大降低，同时可能造成换热管局部温度过高，出现“干烧”现象，长期持续下去将明显减少其使用寿命。管内液膜不均导致的蒸发不均问题还会在蒸发过度的管壁处析出部分溶质，集聚其表面后形成结垢。此外，高温下蒸发溶液内所含物质会呈现较强的腐蚀特性，在工艺设计过程中需要引起注意，可通过采取使用防腐性换热器材料等措施来解决。基于已有的降膜蒸发器结构型式，有研究者将相关的传热强化措施融入其中，进一步提高了换热效果，如闪蒸——降膜蒸发系统。另有研究人员设计了全新的降膜蒸发器结构，以解决常规换热器型式所面临的问题，如伞板型换热面、酒窝状竖板换热面等。

杜启忠等［25］通过研究降膜蒸发器成膜原因及影响因素，分析了物料在加热管内壁如何均匀成膜以及成膜厚度对传热系数的影响。王薇等［26］通过对降膜蒸发器上分布器的结构、分布盘筛板上的布孔方式、主要结构参数和工艺参数等方面进行分析，提出了液体分布盘筛板上的布孔方式与传热管排列型式的设计方法。河北大学的朱路甲等［27］在降膜蒸发系统的基础上设计开发了一套闪蒸—降膜蒸发系统，用于木糖溶液的处理工艺上时，其可进一步减少水解和一次蒸发工序中的蒸汽消耗。上海交通大学的张立强等［28］进行了伞板式降膜蒸发器的设计计算，并对其传热性能进行了实验研究。提出了伞板型传热面的降膜蒸发器中，其汽液分离器立于蒸发器中心内筒的结构。朱玉峰等［29］根据实验提出了设计竖管降膜蒸发器时应注意的要点，总传热系数和压力降的计算。指出料液分布器不可堵塞是保证料液在每根换热管内均匀布膜，以防止结垢的前提。中铝公司田兴凯等［30］通过分析某氧化铝厂管式降膜蒸发器在使用过程中出现的问题，阐述了降膜蒸发器稳定运行的条件参数、降膜密度与热负荷。张磊等［31］介绍了板式降膜蒸发器的工艺流程特点及其主要技术指标，以及在铝行业的推广应用情况。宋继田等［32］研究了一种酒窝状竖板的降膜蒸发器传热性能，对液膜不同流动状态时板内侧和外侧的传热进行了分析，分别推导出层流区、过渡区和湍流区的无因次传热分系数关联式，最后提出改善蒸发器的传热性能必须从蒸发侧强化的结论。刘文武等［33］以板蓝根浸提液为实验介质，通过分析影响波纹管降膜蒸发器传热性能的主要因素，建立了传热系数的准则关联式。师晋生等［34］通过建立高粘度液体在等温正弦形波纹壁面上自由降落与蒸发的摄动模型，得到了流动的分析解和蒸发传热的数值解。付振岭等［35］讨论了异形竖板降膜蒸发器在菠萝汁蒸发浓缩工艺上的传热和结垢性能，给出了总传热系数与流量、糖度、温差以及蒸发温度的实验关系式。

1.4中国科学院理化技术研究所的研究进展

中国科学院理化技术研究所自2009年开展MVR研究以来，先后承担了多项国家级、省部级的相关项目，在这些项目的支持下针对不同类型压缩机驱动的MVR系统展开了深入的研究。

中国科学院理化技术研究所与企业合作开发的水润滑的单螺杆水蒸汽压缩机成功克服水的低粘性对密封效果的影响，保持产品高容积效率，同时通过喷水雾化冷却实现系统近似等温压缩，应用专利密封技术保障可提供100％纯无油；性能方面比普通干式二级干式双螺杆节能15％以上，比一级干式双螺杆节能36％以上。因为这款喷水单螺杆压缩机的诸多优点，对其进行水蒸汽压缩改造后将具有明显优势。

林文野［36］对单螺杆水蒸气压缩机进行了数值模拟，特别对喷水参数（特别是喷水温度）进行了详细讨论。结果揭示了水蒸汽湿压缩与干压缩相比在减小温度应力、延长系统寿命和减少系统能耗上的优越性。理想无泄漏的湿压缩过程介于干压缩过程和饱和湿压缩之间，且喷水参数直接影响到喷水蒸发量或蒸汽冷凝量。庞卫科［37-40］对MVR系统的理论特性和运行特性进行了全面的分析，对系统的喷水特性进行了研究，并对单螺杆和风机两种驱动形式的MVR系统进行了比较研究，结果认为单螺杆压缩机驱动的MVR系统比风机驱动的系统变工况适应性更好，用油墨废水试验SMER可达到7.0kg/kWh左右。王力威［41］针对单螺杆压缩机驱动的MVR系统进行实验研究，实验结果表明，当蒸发温度高于80℃时，压缩机的容积效率超过0.73，绝热内效率大于0.5；系统的实际COP最高达12.5，实际单位能耗蒸发水量最高可达20kg/（kW·h）。

除单螺杆压缩机外，中科院理化所也致力于罗茨压缩机及离心式压缩机的改造及应用，并成功应用于MVR系统［42］。

在科技项目的支持下，我们对MVR系统的工艺、设计思路及各部件的运行情况有了较完整的把握，所研制的MVR系统已逐渐从实验室走向实际应用，分别应用于化工园区废水处理，中药浓缩，污泥干化，硝酸银回收等场合。

2　总结

综合目前MVR系统和蒸汽压缩机以及降膜蒸发器的应用现状和研究进展，这项高效节能技术在国内加快开发和推广大有必要。我国在此领域的研究尚处于追赶国外的水平，我们在关注国外最新成果，充分吸收借鉴的同时，应立足国内行业现状，加快发展自主技术。我国的相关研究单位在国家各类科技计划的支持下，已经开展从压缩机到工艺控制的全面研究。

［1］金世琳.带有机械再压缩（MVR）的蒸发器［J］.食品与机械，1990（2）：25-28.

［2］恽世昌.机械蒸汽再压缩（MVR）［J］.中国乳品工业，1998，21（2）：78-81.

［3］赵媛媛，赵磊，钱方，等.机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发器在食品工业中的应用［J］.中国乳品工业，2015，43（1）：27-28，50

［4］连晓岚译.机械蒸汽再压缩蒸发器蒸发酒精蒸馏废液的八年经验［M］.福建糖业，1992：61-67.

［5］梁林，韩东.蒸汽机械再压缩蒸发器的实验［J］.化工进展，2009，28（增刊）：358-360.

［6］宋茜茜，刘凯，蒋海斌.MVR热泵技术及其在国内制盐工艺上的应用［J］.盐业与化工，2014，43（1）：31-34.

［7］陈留平，赵营峰.ME制盐装置实施MVR节能改造的可行性分析［J］.盐业与化工，2015，44（4）：6-9.

［8］张德安，张仂，颜亚盟.机械热压缩和多效蒸发制盐工艺选择分析［J］.盐业与化工，2014，43（5）：3-5.

［9］王晔琪，周亚素，鞠婉兰.机械蒸汽再压缩式低温蒸发海水淡化蒸发性能实验研究［J］.上海节能，2014（11）：23-27.

［10］韩东，彭涛，梁林，等.基于蒸汽机械再压缩的硫酸铵蒸发结晶实验［J］.化工进展，2009，28（增刊）：187-189.

［11］姜同坤，吕来军，唐文骞.MVR蒸发技术在硝盐蒸发中的应用［J］.中氮肥，2015（2）：1-3.

［12］刘保伟，陈中源，黄校熙，等.机械压缩降膜蒸发技术在氧化铝生产中的应用［C］.中国有色金属学会第五届学术年会论文集，2003.

［13］刘晓莉，顾兆林，刘宗宽，等.蒸汽压缩加热造纸黒液浓缩新工艺［J］.节能技术，2003，21（5）：27-28.

［14］蒙宗信，何荣炽.蒸汽再压缩热泵的黒液降膜蒸发传热研究［J］.制冷，1995，50（1）：5-9.

［15］杨德明，王颖，谭建凯，等.基于MVR热泵的三元混合烷烃热耦精馏［J］.现代化工，2016，36（3）：156-159.

［16］杨德明，叶梦飞，杜鹏，等.基于MVR热泵精馏的乙醇-异丙醇分离工艺［J］.化工进展，2014，33（5）：1344-1347.

［17］夏磊，程榕，郑燕萍.MVR技术用于空心桨叶干燥机干燥污泥恒速段实验研究［J］.化工时刊，2015，29（3）：14-17，43.

［18］张华博，张继军，刘燕，等.机械蒸汽再压缩技术在盘式干燥器中的应用［J］.化学工程.2015，43（5）：1-5.

［19］周雷，韩东，何纬峰，等.基于蒸汽再压缩技术的低温干燥系统设计与节能分析［J］.节能技术，2014，32（1）：60-64.

［20］蒋国.丁二烯螺杆压缩机国产化的研究［J］.压缩机技术，2010（1）：21-23.

［21］陈蔚风.单螺杆压缩机的发展历程与展望［J］.制冷与空调，2010，10（4）：1-4.

［22］郑家强，陈向东，等.新国家标准《一般用喷油单螺杆空气压缩机》分析［J］.压缩机技术，2010（4）：64-67.

［23］陆凯杰，赵越，杨罡，等.杜明照.MVR蒸汽离心风机变工况流场数值模拟研究［J］.节能技术，2015，33（1）：62-65.

［24］顾承真，洪厚胜，张志强，等.罗茨压缩机驱动MVR热泵系统的实验研究［J］.化工进展，2015，34（6）：1602-1606，1612.

［25］杜启忠.影响降膜蒸发器成膜原因分析及应对措施［J］.铝镁通讯，2009（4）：9-10.

［26］朱玉峰，王薇，崔海亭.大型降膜蒸发器液体分布器的设计［J］.食品与机械，2007，23（1）：104-106.

［27］朱路甲，郝云龙，翟中义，等.闪蒸-三效降膜蒸发器在木糖生产中的应用研究［J］.中国食品添加剂，2010（1）：56-59.

［28］张立强，杨春光，徐烈，等.伞板式降膜蒸发器传热性能研究［J］.化学工程，2006，34（6）：17-20.

［29］朱玉峰，董金华.竖管降膜蒸发器的性能研究［J］.轻工机械，2005（2）：13-15.

［30］田兴凯.提高管式降膜蒸发器蒸发效率的技术措施［J］.有色冶金节能，2010（8）：20-23.

［31］张磊.板式降膜蒸发器用于氯酸钠溶液蒸发的工业实践［J］.节能，2004（9）：29-31.

［32］宋继田，刘文武，李丁，等.酒窝状竖板降膜蒸发器强化传热性能研究［J］.化工机械，2010，37（3）：270-272.

［33］宋继田，茌俊，刘文武等.波纹管降膜蒸发器浓缩板蓝根浸提液性能研究［J］.中国制药装备，2010（3）：12-14.

［34］师晋生.波纹竖板层流降膜蒸发传热的分析［J］.力学季刊，2006，27（4）：693-698.

［35］付振岭，刘振义，宋继田，等.异形竖板降膜蒸发器浓缩菠萝汁的实验研究［J］.化工装备技术，2006，27（1）：34-37.

［36］林文野，潘麒麟，庞卫科.单螺杆水蒸汽压缩机应用与MVR系统的性能分析［C］.工程热物理年会，2012.

［37］庞卫科，林文举，潘麒麟，等.离心风机驱动MVR热泵系统的性能分析［J］.机械工程学报，2013，49（12）：142-146.

［38］庞卫科，林文野，戴群特，等.机械蒸汽再压缩热泵技术研究进展［J］.节能技术，2012，30（4）：312-315.

［39］庞卫科，张振涛，戴群特，等.提高蒸发过程热经济性的措施分析［C］.中国工程热物理学会论文集，2011.

［40］庞卫科，林文举，潘麒麟，等.离心风机驱动MVR蒸发系统的高效传热特性研究［C］.中国工程热物理学会论文集，2012.

［41］王力威，庄景发，杨鲁伟.单螺杆水蒸汽压缩机驱动的MVR系统性能实验研究［J］.中国科学院大学学报，2015，32（1）：38-45.

［42］张化福，杨鲁伟，张振涛，等.罗茨风机驱动机械蒸汽再压缩热泵蒸发器系统运行特性的试验研究［J］.节能技术，2015，33（2）：113-117.

■机械蒸汽再压缩热泵技术（MVR）是蒸发领域已知的最先进高效环保的节能技术，在国外已广泛应用于溶液的蒸发工艺过程中。本文回顾了国内MVR系统的工艺流程，压缩机和换热器的研究进展，并着重介绍了中国科学院理化技术研究所在MVR系统研制上所取得的进展。

■蒸发；MVR热泵；节能；系统

Review on Energy-saving Technology w ith MVR

Yang Jun-ling，Yang Lu-wei，Zhang Zhen-tao/ Technical institute of physics and chemistry of CAS

Mechanical vapor recompression，MVR，is a kind of high efficiency and environmental protective technology in evaporation industry，which is widely used in chemical solution evaporation both at home and aboard.In this paper，process based on MVR，progress on compressor and heat exchangers of MVR were reviewed.Recently study on MVR from technical institute of physics and chemistry of CASwas introduced aswell.

evaporation；MVR heat pump；energysaving；system

TH443；TQ51

A

1006-8155-2016（04）-0084-05

10.16492/j.fjjs.2016.04.0155

2015-12-22北京100190