張建軍，李帥旗，陳永珍，黎華玲，陳小強，馮自平

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

0 前 言

存量有限的化石能源供應(yīng)會隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展出現(xiàn)短缺現(xiàn)象。要滿足經(jīng)濟可持續(xù)快速發(fā)展對能源的需求，不但需要大力開發(fā)和利用可再生能源，如生物質(zhì)能、地熱能、風能、太陽能、天然氣水合物、海洋能等，以減少對化石能源的依賴，還要研發(fā)節(jié)能技術(shù)，提高傳統(tǒng)能源的用能效率，降低單位產(chǎn)品能耗。針對生產(chǎn)過程中重點能耗工序研發(fā)高效節(jié)能技術(shù)是減少能源的消耗及緩和能源危機重要有效的措施。

乏蒸汽是干燥、濃縮等生產(chǎn)過程隨著水分逸出而形成的副產(chǎn)品，這些乏蒸汽攜帶了數(shù)量可觀的汽化潛熱，由于壓力和溫度偏低，達不到工藝要求而無法直接利用，因此會造成大量的能源浪費[1]。在果汁濃縮、海水淡化、廢水濃縮、蒸餾等工藝生產(chǎn)過程，大量乏蒸汽的汽化潛熱無法利用造成能源綜合利用效率偏低[2]。蒸汽再壓縮技術(shù)只需消耗部分電能就可以對乏蒸汽升溫升壓，讓其重新返回生產(chǎn)過程[3]。

1 蒸發(fā)與閃蒸

溫差和水蒸氣分壓差的存在使得生活中水的蒸發(fā)過程無處不在。但生活中蒸發(fā)過程是緩慢的，難以對蒸汽潛熱加以利用，如湖面水分蒸發(fā)，晾曬衣服水分的蒸發(fā)等[4]。工業(yè)生產(chǎn)過程，如干燥、蒸餾、濃縮，由于溫差和壓差大，蒸發(fā)過程劇烈，多數(shù)是沸騰過程，這種工況便于收集和利用蒸汽的余熱。生產(chǎn)過程中最基本的蒸發(fā)方式為單效蒸發(fā)（single effect evaporation,SE），利用高壓蒸汽加熱物料促使其中水分蒸發(fā)，從而完成干燥等過程。為了提高高壓蒸汽使用效率，人們開發(fā)出多效蒸發(fā)（multi-effect evaporation,ME）、多級閃蒸（multi-stage flash,MSF）技術(shù)，單位產(chǎn)品蒸汽消耗量明顯減少[1,5]。無論是單效蒸發(fā)，還是多效蒸發(fā)及多效閃蒸，在初效蒸發(fā)過程都首先要消耗大量的高壓水蒸氣，且末效的乏蒸汽難以利用，直接排出造成了能源的浪費。

1.1 單效蒸發(fā)

單效蒸發(fā)是最基本的蒸發(fā)過程。高溫高壓水蒸氣通入蒸發(fā)器后通過間壁換熱方式加熱原料稀溶液至沸騰，原料液中水分蒸發(fā)，完成濃縮或干燥，二次蒸汽直接排放。如圖1 所示，單效蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，待濃縮的稀溶液送入蒸發(fā)器殼側(cè)，高壓蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)放熱，稀溶液吸熱沸騰，溶液中水分汽化后排出，被冷卻并收集，溶液濃度升高達到要求后從蒸發(fā)器的底部排出，完成蒸發(fā)過程。單效蒸發(fā)過程中只注重濃縮過程原料液中水分蒸發(fā)，沒有考慮對二次蒸汽的回收和利用，造成二次蒸汽中蘊含潛能的極大浪費。

圖1 單效蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of single effect evaporation system

1.2 多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)是在單效蒸發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，單位產(chǎn)品的蒸汽消耗明顯減少。如圖2 所示，多效蒸發(fā)系統(tǒng)中多個蒸發(fā)器首尾相連，前一效的二次蒸汽還可以用于下一效蒸發(fā)過程的加熱，多效蒸發(fā)將大溫差一次蒸發(fā)變?yōu)樾夭钫舭l(fā)，從而實現(xiàn)蒸發(fā)的次數(shù)增加。末效的二次蒸汽雖然攜帶有汽化潛熱，但壓力和溫度過低，無法直接利用。系統(tǒng)中各效蒸發(fā)器內(nèi)的壓力和蒸發(fā)溫度逐漸降低。多效蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽消耗單位高壓蒸汽完成的蒸發(fā)量對于單效蒸發(fā)為0.91，雙效蒸發(fā)為1.76，三效蒸發(fā)為2.5 等，即1 kg 高壓蒸汽在單效狀態(tài)下可蒸發(fā)0.91 kg 的水分，而在雙效蒸發(fā)時可以完成1.76 kg 水分的蒸發(fā)。

圖2 多效蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of multi-effect evaporation system

1.3 多級閃蒸

多級閃蒸技術(shù)與多效蒸發(fā)不同，是將低濃度原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱到一定溫度后，依次進入多個壓力逐級降低的閃蒸罐，相應(yīng)壓力要低于待蒸發(fā)原料液溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓，從而實現(xiàn)溶液在相應(yīng)閃蒸罐內(nèi)的汽化。多級閃蒸的驅(qū)動力是壓差，即當進入閃蒸罐內(nèi)原料液溫度高于罐內(nèi)壓力對應(yīng)的水蒸氣飽和溫度，就有閃蒸現(xiàn)象發(fā)生[6]。由于罐內(nèi)壓力可以通過真空泵以較低能源成本獲得，相鄰兩級可設(shè)計比較小的溫差，同樣的預(yù)熱溫度可以實現(xiàn)更多蒸發(fā)級數(shù)[7]。圖3 為三級閃蒸系統(tǒng)的流程。原料液先由閃蒸汽預(yù)熱，在加熱器內(nèi)進一步被蒸汽加熱，達到設(shè)定溫度后進入一級閃蒸室，完成閃蒸后的母液溫度降低，排入二級閃蒸室，因二級閃蒸室壓力較一級閃蒸室低，原料液可繼續(xù)閃蒸。第三級閃蒸室產(chǎn)生的二次蒸汽由抽真空系統(tǒng)持續(xù)排出以保證系統(tǒng)各級閃蒸室的真空度。排出的二次蒸汽雖然溫度和壓力都較低，卻攜帶了大量的汽化潛熱[8-9]。

圖3 多級閃蒸系統(tǒng)流程圖Fig.3 Schematic of multistate flash evaporation system

2 蒸汽壓縮技術(shù)

水蒸氣屬于實際氣體，尤其是飽和水蒸氣，與空氣壓縮過程區(qū)別較大。壓縮空氣使用過程中，空氣壓力是關(guān)鍵參數(shù)，溫度可以是常溫，因遠離三相點，可以按理想氣體進行分析。蒸汽壓縮技術(shù)主要應(yīng)用在制冷、干燥等過程，與壓縮空氣相比，水蒸氣的壓縮出口需要溫度較高，同時，要保持相應(yīng)的壓力才可以在飽和溫度下釋放潛熱，如果壓力過低，水蒸氣會先進行顯熱放熱，達到壓力對應(yīng)的飽和溫度后，才開始釋放潛熱。蒸汽壓縮技術(shù)包括熱力蒸汽壓縮和機械式蒸汽壓縮，其中機械式蒸汽壓縮技術(shù)又包括離心式、羅茨式及螺桿式蒸汽壓縮，各種蒸汽壓縮技術(shù)有各自的特點和使用范圍。

2.1 熱力蒸汽再壓縮技術(shù)

熱力蒸汽再壓縮（thermal vapor recompression,TVR）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動和易損部件，在設(shè)計工況下可以穩(wěn)定可靠地運行。在TVR 系統(tǒng)內(nèi)，高壓驅(qū)動蒸汽通過噴嘴后達到極高的速度，壓力降低到被引射的閃蒸氣壓力以下，被引射蒸汽抽吸到混合段進行充分混合，混合蒸汽進入擴壓管后，隨著流通截面積的逐步增大，蒸汽流速逐步降低，蒸汽動能逐步轉(zhuǎn)化為勢能，壓力得以恢復(fù)[10]。通過TVR技術(shù)，低壓蒸汽的壓力和溫度可以得到提升，因此TVR 屬于熱力型熱泵技術(shù)[10-12]。TVR 系統(tǒng)正常運行過程中，需要消耗一定量的高壓蒸汽，核心部件是引射器。引射器是根據(jù)特定工況設(shè)計，當工況發(fā)生改變時，引射器效率會降低。如圖4 所示，引射器由噴嘴、引射室、混合室、擴壓室組成[13-14]。當供應(yīng)蒸汽的壓力、溫度均大于工藝需要，蒸汽壓縮式噴射器可以使用。一般情況下，噴管效率約為95%，混合效率約為90%、壓縮效率約為90%。根據(jù)能量守恒原理，TVR 系統(tǒng)需要高壓蒸汽作為充分條件，且只能部分回收余熱。以淀粉制糖液化工藝中的TVR為例，驅(qū)動蒸汽壓力為1 MPa、溫度為210℃、流量為1.63 t/h，被引射蒸汽壓力為0.085 MPa、溫度為95℃、流量為0.59 t/h。在混合室內(nèi)充分混合后，混合氣體經(jīng)擴壓段內(nèi)擴壓后混合蒸汽壓力為0.35 MPa、溫度為170℃、流量為2.22 t/h。

圖4 引射器示意圖Fig.4 Schematic diagram of supersonic ejector

2.2 機械式蒸汽再壓縮技術(shù)

機械式蒸汽再壓縮（mechanical vapor recompression,MVR）技術(shù)是利用電機驅(qū)動蒸汽壓縮機工作，高壓蒸汽需求量降低，在干燥、蒸餾等過程中節(jié)能效果非常明顯。用于MVR 系統(tǒng)中的蒸汽壓縮機有離心式、羅茨式和螺桿式蒸汽壓縮機。

2.2.1 離心式蒸汽壓縮技術(shù)

根據(jù)離心風機出口壓力的不同將風機分為通風機、鼓風機和壓縮機。當出口壓力在350 kPa 以上時，屬于壓縮機。離心式蒸汽壓縮屬于速度性壓縮機。低壓蒸汽被吸入離心式壓縮機后，在高速旋轉(zhuǎn)的離心機葉片間獲得較大的動能離開葉片通道后，在離心力的作用下被甩入擴壓室中，在擴壓室內(nèi)蒸汽的動能轉(zhuǎn)換為壓力勢能。氣體被甩到后面的擴壓器中后，在葉輪吸入口處形成負壓，環(huán)境氣體被持續(xù)吸入葉輪。離心式蒸汽壓縮機容積流量大、動平衡特性好、振動小，但單級壓比小、對工質(zhì)中的霧粒敏感、容易發(fā)生喘振及易于腐蝕、應(yīng)用范圍窄。

雖然在化工領(lǐng)域也有出口壓力在15～30 MPa之間的高壓離心機，但對于蒸汽再壓縮領(lǐng)域，因其成本過高，難以讓市場接受。傳統(tǒng)的離心式蒸汽壓縮機升溫一般在10℃以下，升壓比不超過2.5。如圖5 所示，離心式蒸汽壓縮機因高速蒸汽在通道中流動，葉片材質(zhì)不但要有一定的剛度和強度，還要耐磨。在遠離設(shè)計工況時，離心壓縮機會出現(xiàn)喘振的現(xiàn)象，這種情況對離心式蒸汽壓縮機損害很嚴重，應(yīng)盡量避免。

圖5 離心式蒸汽壓縮機的葉片[15]Fig.5 A picture of a centrifugal steam compressor impeller[15]

2.2.2 羅茨式蒸汽壓縮機

羅茨式蒸汽壓縮機因動平衡特性好、振動小、對粉塵不敏感、結(jié)構(gòu)簡單而獲得廣泛應(yīng)用。低壓蒸汽從進氣端被吸入后，在回轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)被擠入高壓端排氣腔，過程中蒸汽容積腔逐漸變小，蒸汽溫升10～25℃，升壓比不超過2.5，大多數(shù)工況在2 左右。由于蒸汽壓縮過程接近絕熱壓縮，如果不采取相應(yīng)的措施，在壓縮終了時排氣溫度可能會過高，熱量可能會沿主軸向機械密封或軸承處傳遞，當軸承處溫度超過正常工作溫度時，會影響軸承的使用壽命，溫度過高，對機械密封也有負面影響，因此，長期過熱溫度下運行會對設(shè)備性能帶來不良影響。

中間補氣或噴水，可以在一定程度上緩和蒸汽過熱帶來的安全隱患。帶補氣的羅茨式蒸汽壓縮系統(tǒng)如圖6 所示。在壓縮過程中，向其內(nèi)部預(yù)先導入高壓低溫氣體，提高腔內(nèi)壓力，以降低壓縮機排氣溫度。中間補氣在一定程度是以減少壓縮機的輸出高壓蒸汽量為代價。中間噴水是在壓縮蒸汽過程中噴入適量的飽和水，系統(tǒng)與中間補氣相似，不同之處在于從汽液分離器下部飽和水進入壓縮腔內(nèi)，通過水分的蒸發(fā)吸收過熱蒸汽的熱量，最終使蒸汽處于飽和狀態(tài)，這種方式在系統(tǒng)功率不變的情況下增加了蒸汽的產(chǎn)量。俞麗華等[16]在羅茨式蒸汽壓縮機壓縮過程中采取補氣技術(shù)，有效降低了壓縮機的排氣溫度。沈九兵等[17]通過噴水實現(xiàn)壓縮機排氣為飽和狀態(tài)。與離心式蒸汽壓縮機比較，羅茨式蒸汽壓縮機容積流量小、壓比小、單機效率低且噪聲大、密封要求高、調(diào)節(jié)困難，調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著壓比的增大系統(tǒng)效率顯著地降低，因此，羅茨壓縮機主要適用于流量穩(wěn)定、升壓比小的中、小型系統(tǒng)。

圖6 羅茨蒸汽壓縮系統(tǒng)Fig.6 Roots vapor compressor system

2.2.3 螺桿式蒸汽壓縮機

螺桿式蒸汽壓縮機屬于容積旋轉(zhuǎn)型壓縮機，依靠轉(zhuǎn)子和腔體間基元容積的周期性變化完成吸氣、壓縮及排氣過程[18-19]。根據(jù)壓縮機螺桿的數(shù)量，分為雙螺桿和單螺桿蒸汽壓縮機。如圖7 所示，雙螺桿壓縮機由陰陽轉(zhuǎn)子嚙合進行工作，雙螺桿間距通過定位齒輪進行調(diào)整。如圖8 所示，單螺桿壓縮機由轉(zhuǎn)子和星輪嚙合進行工作[20]，星輪片與螺槽直接接觸，轉(zhuǎn)子由電機驅(qū)動，是主動部件。螺桿蒸汽壓縮機性能穩(wěn)定、運行可靠、壓比大、不會發(fā)生喘振，適用于多相流壓縮，允許壓縮過程噴水，從而降低對壓縮機設(shè)備材質(zhì)的要求和成本[21]。

圖7 雙螺桿蒸汽壓縮機Fig.7 Picture of a twin screw steam compressor

圖8 單螺桿蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)子Fig.8 Picture of a single screw steam compressor rotor

日本學者松田潤二[22]在1986 年將螺桿壓縮機成功用于MVR 系統(tǒng)。1987 年，吳亞勤等[23]驗證了以水蒸氣作為工質(zhì)的螺桿式蒸汽壓縮機壓縮比大、經(jīng)久耐用、可靠性高，在廣泛的運行范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，對負荷變化適應(yīng)性強。1988 年楊志才等[24]發(fā)現(xiàn)直接壓縮水蒸氣并向里面噴液可以增加壓縮機流量，提高壓縮機總效率。張良等[25]對螺桿壓縮機進行濕壓縮以利用水滴升溫顯熱和汽化潛熱來降低壓縮終了排汽溫度。沈九兵等[17]研究了雙螺桿式蒸汽壓縮機通過噴水實現(xiàn)壓縮機排氣為飽和狀態(tài)，克服高排氣溫度導致的機械及安全問題[21]。雙螺桿轉(zhuǎn)子徑向負荷及軸向推力大，軸承要求高，轉(zhuǎn)子嚙合之間存在漏氣三角形[20]。

單螺桿蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)子徑向和軸向受力完全平衡，軸承可靠性高，使用壽命長；轉(zhuǎn)子嚙合面不受力，星輪可采用潤滑性能良好的有機材料，噪聲及振動小，無泄漏三角形等。轉(zhuǎn)子與星輪間的嚙合實現(xiàn)柔性零間隙接觸密封，系統(tǒng)泄漏少。系統(tǒng)拆卸及維修簡便，排氣平穩(wěn)，振動小[26-27]。

2.2.4 不同形式蒸汽壓縮機的比較

如圖9 所示，不同形式的蒸汽壓縮機有不同的流量和壓力適用范圍。離心式蒸汽壓縮機壓縮比一般不高于2.5，流量在100～10 000 m3/min 之間，適合作為一級壓縮。羅茨蒸汽壓縮機壓縮比為1～3，技術(shù)成熟，流量不大于40 m3/min，適合小流量工況。螺桿蒸汽壓縮機壓縮比在1～9 之間，流量不高于400 m3/min 都可以使用。

圖9 不同壓縮機壓縮比與吸氣量的適用范圍[28]Fig.9 The compression ratio and suction volume flow of different steam compressors[28]

不同領(lǐng)域?qū)υ賶嚎s后的高壓蒸汽含油量有不同的要求，特別是食品或化工行業(yè)，要根據(jù)生產(chǎn)工藝或食品規(guī)范的要求，保證高壓蒸汽中含油量不高于規(guī)定值。離心式蒸汽壓縮機可以做到不含油，雙螺桿式蒸汽壓縮機不能完全避免潤滑油的介入。水潤滑軸承單螺桿蒸汽壓縮機主軸的機械密封及星輪的軸承都采用水潤滑，可以滿足大多數(shù)企業(yè)的要求。對于對潤滑油含量有嚴格要求的領(lǐng)域，建議在使用高壓水蒸氣加熱或干燥時采用間壁式換熱方式，以確保食品的安全。

3 蒸汽壓縮及再壓縮技術(shù)應(yīng)用

蒸汽壓縮技術(shù)最早用于空調(diào)系統(tǒng)，水蒸氣作為最早的制冷工質(zhì)之一。新制冷工質(zhì)氟利昂的出現(xiàn)取代了水蒸氣作為制冷工質(zhì)。由于氟利昂等工質(zhì)會破壞臭氧層及帶來溫室效應(yīng)，水蒸氣作為環(huán)保型制冷工質(zhì)再次成為研究焦點。蒸汽再壓縮技術(shù)主要應(yīng)用在熱泵、MVR 等方面。

3.1 蒸汽再壓縮制冷技術(shù)

面對日益嚴峻的能源危機及環(huán)境問題，水作為一種綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定的天然制冷劑，在節(jié)能領(lǐng)域及制冷行業(yè)中已成為新一代制冷工質(zhì)的研究焦點。

在水蒸氣制冷系統(tǒng)中，水作為工作介質(zhì)進行循環(huán)傳遞能量。如圖10 所示，系統(tǒng)由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹裝置4 部分組成。在蒸發(fā)器中，低壓低溫液態(tài)水從環(huán)境中吸熱蒸發(fā)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱乃魵?，完成制冷過程，水蒸氣被吸入到壓縮機后溫度和壓力都得到升高變?yōu)楦邷馗邏旱乃魵?，進入冷凝器放熱冷凝，變?yōu)榈蜏馗邏旱囊簯B(tài)水。經(jīng)過膨脹閥后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)水，從而完成一個制冷循環(huán)。由于水在0℃時結(jié)冰，因此，用水作為制冷劑，主要用于空調(diào)工況下比較適合，對于更低溫度的制冷，仍需要其他制冷工質(zhì)的輔助。目前，關(guān)于新一代制冷介質(zhì)的蒸汽壓縮制冷的研究主要集于理論分析和仿真研究。由于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)正常工作時的蒸發(fā)壓力遠低于環(huán)境壓力，不凝結(jié)氣體易于滲入系統(tǒng)影響系統(tǒng)效率。

圖10 單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)流程圖Fig.10 Flow chart of single stage steam compression refrigeration system

3.2 蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)

蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)基本相同，但熱泵系統(tǒng)運行目的是將低溫熱源的熱量傳遞到高溫區(qū)域，主要是利用冷凝器釋放的熱量。與氟利昂工質(zhì)相比，水蒸氣難以壓縮，單位體積蒸汽的能量小，壓縮過程中溫度高。為防止蒸汽過熱，向壓縮腔內(nèi)噴入飽和水降溫，同時部分液態(tài)水的存在也可以對轉(zhuǎn)子與殼體間隙起到密封的作用。噴入的飽和水吸收過熱蒸汽顯熱蒸發(fā)，因而可以很好地控制壓縮腔內(nèi)蒸汽的過熱度。飽和蒸汽進入冷凝器冷卻后變?yōu)榈蜏馗邏旱囊簯B(tài)水，期間釋放大量的汽化潛熱，這正是熱泵系統(tǒng)循環(huán)的目的。高壓冷凝水一部分經(jīng)膨脹閥門進入蒸發(fā)器，實現(xiàn)從環(huán)境中泵入熱量，另一部分作為冷卻劑噴入壓縮機。進入蒸發(fā)器吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪旱恼羝俦晃雺嚎s機，從而實現(xiàn)將環(huán)境或工業(yè)余熱的能量傳遞到高溫側(cè)，完成一個熱泵循環(huán)。

3.3 機械蒸汽再壓縮技術(shù)的應(yīng)用

除了在制冷及熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用外，機械蒸汽再壓縮技術(shù)在濃縮或干燥領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。機械蒸汽再壓縮的概念是瑞士Sulzer-Escher Wyss Ltd 公司在1917 年提出，1925 年完成了第一套MVR 系統(tǒng)的安裝調(diào)試。由于節(jié)能效果顯著，20 世紀50 年代開始在發(fā)達國家已獲得廣泛應(yīng)用，80 年代得到國內(nèi)相關(guān)人士的重視。MVR 系統(tǒng)通過機械壓縮的方式，將閃蒸出來的低壓蒸汽升溫升壓再作為熱源用于系統(tǒng)持續(xù)的加熱[29]。MVR 技術(shù)主要用于濃縮、干燥、蒸餾等工藝過程[30]。啟動系統(tǒng)時需要高壓蒸汽補充，在正常運行期間，不再需要外加高壓蒸汽作為熱源。只要消耗部分電能，就可以回收利用二次蒸汽的全部能量，從而節(jié)省了大量的高壓蒸汽[30-31]。如圖11所示，MVR 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備是蒸發(fā)器和蒸汽壓縮機。為了提高系統(tǒng)能源綜合利用效率，另外配備了預(yù)熱器、氣液分離器。MVR 系統(tǒng)對于蒸汽壓縮機的要求相對較低，溫升達到20℃就可以保證系統(tǒng)正常運行。

圖11 MVR 熱泵系統(tǒng)Fig.11 MVR heat pump system

4 MVR 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

蒸汽壓縮技術(shù)在制冷和熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用研究還沒有廣泛應(yīng)用推廣。蒸汽再壓縮技術(shù)在濃縮、干燥、濃縮、蒸餾等多個工業(yè)過程中得到廣泛使用。

4.1 MVR 在海水淡化中的應(yīng)用

海水淡化是海島獲得淡水的重要方式。蒸餾法淡化是海水淡化的主要工藝。蒸餾法主要包括多級閃蒸、低溫多效蒸餾等。為提高系統(tǒng)效率，田曉亮等[32]將熱泵技術(shù)用于海水淡化系統(tǒng)，分別對多級閃蒸、低溫壓汽蒸餾、MVR 熱泵循環(huán)這3 種海水淡化技術(shù)進行能耗估算，MVR 熱泵循環(huán)的海水淡化單位能耗最低。基于MVR 技術(shù)的海水淡化應(yīng)用在國外已經(jīng)得到廣泛推廣。AL-JUWAYHEL 等[33]通過比較TVR、MVR、吸收蒸汽壓縮和吸附蒸汽壓縮這四種不同類型的單效海水淡化技術(shù)發(fā)現(xiàn)，MVR 技術(shù)節(jié)能優(yōu)勢最顯著。我國科研人員也積極進行MVR 技術(shù)應(yīng)用于海水淡化的研究。劉鵬等[34]提出將MVR 技術(shù)與多效蒸發(fā)結(jié)合進行海水淡化的工藝，并通過性能對比，得出多效蒸發(fā)及MVR 相結(jié)合技術(shù)不僅充分回收了余熱，節(jié)能效果顯著，并具有較高的熱效率。

4.2 MVR 在濃縮工藝中的應(yīng)用

通過加熱使得物料或稀溶液中水分蒸發(fā)變成濃溶液，是食品、中藥及廢酸處理等多種生產(chǎn)過程中常用的工藝過程，同時，又是能源消耗巨大的工藝環(huán)節(jié)。如何提高系統(tǒng)效率關(guān)系到生產(chǎn)成本能否顯著降低的關(guān)鍵。在食品加工行業(yè)有很多乳漿液比如玉米漿、果汁、蔬菜汁和乳制品等的蒸發(fā)濃縮，占生產(chǎn)工藝能耗的60%以上。采用MVR 技術(shù)后，可以將二次蒸汽回收、升溫、加壓后重返系統(tǒng)用于加熱，以較低的電功率置換大量高壓蒸汽，蒸汽節(jié)約達60%以上。傳統(tǒng)的中藥濃縮生產(chǎn)過程與果汁濃縮相似，都屬于高能耗工藝。利用MVR 技術(shù)后，較傳統(tǒng)的蒸汽模式，可以節(jié)約蒸汽達70%左右。劉旭海等[35]在中藥濃縮過程中，將傳統(tǒng)的濃縮技術(shù)與MVR技術(shù)進行了能耗對比，得出MVR 技術(shù)節(jié)能效果明顯，MVR 蒸發(fā)技術(shù)在中藥濃縮方面的應(yīng)用具有廣泛的前景。在有效解決了蒸汽壓縮及換熱器方面的防腐蝕問題后，MVR 技術(shù)還可以用在廢酸處理領(lǐng)域，不僅濃縮后的酸可以重回系統(tǒng)，而且節(jié)約了中和過程用去的堿液及相應(yīng)的后續(xù)處理費用，實現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的雙重目標。

4.3 MVR 在干燥工藝的應(yīng)用

飼料、污泥等物料的干燥等過程中，需要消耗大量的蒸汽，能耗很大。將MVR 技術(shù)用在干燥過程中可以大幅度節(jié)省高壓蒸汽。這是由于在干燥過程中生成大量的低壓水蒸氣，其中蘊藏著大量的汽化潛熱。傳統(tǒng)的干燥技術(shù)認為二次蒸汽是需要剔除的部分，因此被視為無用的副產(chǎn)品直接排放。MVR技術(shù)正是基于這部分被視為無用的二次蒸汽的回收利用，可節(jié)省大約65%～70%的飽和蒸汽。

4.4 MVR 在蒸餾工藝中的應(yīng)用

蒸餾過程需要大量的高壓蒸汽，同時大量的水分蒸發(fā)與冷凝（圖3）。多效精餾利用一效蒸餾出的二次蒸汽作為熱源繼續(xù)完成下一效的蒸餾過程，由于利用二次蒸汽的汽化潛熱，降低了單位產(chǎn)品的能耗。要保證多效精餾過程正常運行，首效蒸餾塔首先需要消耗大量的高壓蒸汽，且末效蒸餾塔二次蒸汽的熱量因溫度和壓力過低回收較為困難。MVR 技術(shù)與多效精餾相結(jié)合后，不僅可以減少首效蒸汽的用量，還可以對末效二次蒸汽的汽化潛熱回收利用。楊德明等[36]針對稀DMF 水溶液的蒸餾提出了多級MVR 熱泵蒸餾工藝，與常規(guī)的三效蒸餾工藝相比，其能耗可節(jié)約83.2%。

4.5 MVR 在其他工藝中的應(yīng)用

除在海水淡化、濃縮、干燥及蒸餾過程得到應(yīng)用外，MVR 技術(shù)在造紙、制鹽等耗能工藝也得到推廣。造紙工業(yè)生產(chǎn)中，MVR 技術(shù)可用于化學制漿、黑液蒸發(fā)、化學機械制漿廢水預(yù)濃縮過程。在制鹽行業(yè)，多效蒸發(fā)制鹽與MVR 制鹽技術(shù)都可以很大程度地降低能耗。徐敏等[37]根據(jù)實際生產(chǎn)情況，將ME 技術(shù)和MVR 技術(shù)的能耗做了比較，發(fā)現(xiàn)ME 噸鹽平均消耗為99.58 kg 標煤，MVR 噸鹽平均消耗為79.07 kg 標煤?？梢姡琈VR 技術(shù)節(jié)能效果更明顯。

5 蒸汽再壓縮技術(shù)發(fā)展趨勢

通過蒸汽再壓縮的方式，不但可以回收二次蒸汽攜帶的大量汽化潛熱，而且可以實現(xiàn)二次蒸汽的升溫升壓，直接減少了對一次蒸汽的需求。在蒸汽再壓縮技術(shù)中，其中已經(jīng)成熟的壓縮技術(shù)如TVR 及羅茨蒸汽再壓縮技術(shù)，只在適合的工況進行選擇，就可以直接達到節(jié)能效果。不同的蒸汽再壓縮機有各自的特點，單獨的壓縮方案難以達到最優(yōu)。根據(jù)具體的生產(chǎn)工況，不同蒸汽再壓縮技術(shù)的有機組合將成為研究重點之一。如離心式再壓縮機雖然流量大、壓比小，但與高壓比的螺桿壓縮機匹配后，可以實現(xiàn)20 以上的升壓比，可以有更廣泛的使用范圍。螺桿式蒸汽再壓縮技術(shù)因流量范圍較大，壓比高，能滿足大部分蒸汽再壓縮工藝，因此，將成為蒸汽再壓縮技術(shù)研究開發(fā)的重點之一。螺桿蒸汽壓縮機的發(fā)展趨勢主要集中在雙螺桿蒸汽壓縮機的噴水增焓技術(shù)的研發(fā)，單螺桿蒸汽壓縮機有獨特的優(yōu)勢，但目前需要關(guān)注的是主軸的密封和星輪的軸承需要承受一定的溫度，也可以通過噴飽和水的方式進行解決。這些難點的克服將有利于蒸汽再壓縮技術(shù)的推廣應(yīng)用。

6 結(jié) 論

分析了蒸汽再壓縮技術(shù)的研究現(xiàn)狀與該技術(shù)相關(guān)的發(fā)展趨勢。利用蒸汽再壓縮技術(shù)可以將乏汽壓力與溫度同時升高重新返回生產(chǎn)工藝從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。介紹了不同的蒸發(fā)方式如單效蒸發(fā)、多效蒸發(fā)及多效閃蒸等的特點及原理，分析了熱力蒸汽升壓技術(shù)和機械式蒸汽升壓技術(shù)的各自特點。簡要介紹了蒸汽壓縮技術(shù)在制冷、熱泵的研發(fā)情況。對蒸汽再壓縮技術(shù)在干燥與濃縮等領(lǐng)域的應(yīng)用作了較為詳細的介紹。雖然MVR 技術(shù)的應(yīng)用在我國尚處于初級階段，但該技術(shù)的節(jié)能效果得到了工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛認可，應(yīng)用前景十分廣闊。