MVR熱泵技術(shù)在硫酸鎳蒸發(fā)中的工業(yè)應(yīng)用

姚現(xiàn)召，姚 雷，張 帆

（江蘇北礦金屬循環(huán)利用科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵技術(shù)是一項(xiàng)綠色環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，主要應(yīng)用于溶液蒸發(fā)濃縮過程[1-2]。1925年，奧地利設(shè)計(jì)安裝了世界上第一套MVR裝置，20世紀(jì)70年代在節(jié)能降耗的大趨勢(shì)下，MVR熱泵技術(shù)在國外發(fā)展迅速。我國在該階段雖然也開始了相關(guān)研究，但發(fā)展一直較為緩慢。直到近十年來，隨著國內(nèi)對(duì)節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)的日益重視，MVR熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開始得到關(guān)注，逐漸成為科學(xué)研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)項(xiàng)目[3]。

1 MVR熱泵技術(shù)原理與特點(diǎn)

1.1 MVR熱泵技術(shù)原理

MVR熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)機(jī)理是充分回收利用物料蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽中的相變潛熱重新返回來加熱物料。其基本流程如圖1所示，料液在蒸發(fā)器中低溫蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽（流號(hào)1）先進(jìn)入壓縮機(jī)，通過機(jī)械壓縮提升其蒸汽溫度，待溫度提高后再重新返回蒸發(fā)器作為加熱蒸汽（流號(hào)2）利用；經(jīng)換熱后釋放出冷凝潛熱的蒸汽轉(zhuǎn)化為冷凝水從系統(tǒng)中開流出（流號(hào)3），料液吸收了加熱蒸汽的冷凝潛熱而生產(chǎn)的二次蒸汽（流號(hào)1）則繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)過程。由于在蒸發(fā)器中二次蒸汽蒸發(fā)所需的熱量絕大部分來自壓縮機(jī)壓縮后高溫蒸汽本身冷凝所放出的相變潛熱，因此蒸發(fā)過程消耗的能量?jī)H為壓縮機(jī)做功所耗能量[4-5]。

根據(jù)MVR熱泵系統(tǒng)的工作原理可知，其效率取決于回收利用的蒸汽潛熱值與輸入的機(jī)械壓縮功之間的比較。表1和表2以常壓下基本循環(huán)的狀態(tài)變化為例，通過熱力學(xué)計(jì)算表明MVR熱泵技術(shù)在能源利用效率方面的優(yōu)勢(shì)。通過表1、表2分析得出，1 kg蒸汽由狀態(tài)（1壓力0.1 MPa，溫度100℃，8蒸汽焓2 675.1 kJ，相變潛熱 2 257.6 kJ）經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)做功90.5 kJ到達(dá)狀態(tài)2（壓力0.16 MPa，溫度113℃，蒸汽焓2 696.3 kJ）。熱功比達(dá)到了24.9。蒸汽的熱焓僅增加0.8%，但蒸汽溫度上升了13%，相當(dāng)于輸入少量的機(jī)械能，卻把大量的低品位熱能(狀態(tài)1，溫度僅為100℃)轉(zhuǎn)化成為具備換熱溫度差，即可資利用的高品位熱能（狀態(tài)2，溫度113℃），從而大大提高了能源利用效率。

圖1 MVR熱泵蒸發(fā)器工藝流程

1.2 MVR熱泵技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

多效蒸發(fā)和MVR蒸發(fā)均利用了二次蒸汽的冷凝潛熱，有著明顯的節(jié)能效果，是提高蒸發(fā)操作能量、多次利用最主要的途徑。但多效蒸發(fā)在蒸發(fā)末效需要將多余的蒸汽冷凝，需要一定量的循環(huán)冷卻水，造成末效蒸汽的潛熱損失。MVR技術(shù)能夠充分利用二次蒸汽的潛熱，節(jié)能優(yōu)勢(shì)顯著。

1.2.2 核心裝備蒸汽壓縮機(jī)

蒸汽壓縮機(jī)是MVR熱泵技術(shù)的核心設(shè)備，目前有羅茨式和離心式兩種。美國GE、德國GEA、Messo、日本ITO等公司對(duì)于MVR蒸汽壓縮機(jī)均有幾十年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)積淀，技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。目前，國產(chǎn)蒸汽壓縮機(jī)用于MVR系統(tǒng)時(shí)間較短，與進(jìn)口設(shè)備相比尚有差距。

1.2.3 自動(dòng)化程度高

MVR熱泵蒸發(fā)器控制參數(shù)眾多，互相耦合匹配組合最優(yōu)才能達(dá)到較好的節(jié)能效果。一臺(tái)大型MVR裝置通常的關(guān)聯(lián)控制參數(shù)多達(dá)數(shù)百個(gè)，僅靠人力調(diào)節(jié)維護(hù)比較困難。與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器相比，MVR蒸發(fā)器通常由DCS、PLC組態(tài)控制，自動(dòng)化程度較高。

表1 MVR熱泵效率計(jì)算分析（一）

表2 MVR熱泵效率計(jì)算分析（二）

2 MVR技術(shù)在硫酸鎳蒸發(fā)結(jié)晶中的應(yīng)用研究

硫酸鎳在工業(yè)上主要用于電池和電鍍行業(yè)，近年來隨著電鍍及電池行業(yè)尤其是三元正極材料的快速發(fā)展，硫酸鎳的市場(chǎng)需求持續(xù)旺盛。在硫酸鎳產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)結(jié)晶工序一直屬于高能耗環(huán)節(jié)。采用MVR技術(shù)替代傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)，可以有效降低二次蒸汽中的廢熱排放，最大限度利用熱量，在節(jié)能降耗的同時(shí)減少運(yùn)行成本。

近年來，MVR技術(shù)在國內(nèi)開始應(yīng)用于制鹽工業(yè)、海水淡化、高鹽廢水處理、食品行業(yè)等。從2014年開始，MVR技術(shù)在冶金精制鹽如硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸銅等開始應(yīng)用。筆者所在單位自2016年4月份新建一套1 t/h蒸發(fā)量的硫酸鎳MVR蒸發(fā)濃縮裝備。在MVR蒸發(fā)濃縮硫酸鎳的工藝過程中，蒸發(fā)濃縮效果主要由蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)濃縮終點(diǎn)、系統(tǒng)真空度等因素決定，因此對(duì)這些條件的優(yōu)化至關(guān)重要。

2.1 蒸發(fā)器選型及材質(zhì)選擇

硫酸鎳溶液蒸發(fā)終點(diǎn)濃度高，非常容易結(jié)晶，蒸發(fā)器選型推薦采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，同時(shí)由于硫酸鎳溶液pH在4左右，在高溫下腐蝕性較強(qiáng)，因此料液接觸部分均采用316L材質(zhì)，設(shè)備運(yùn)行兩年至今未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

2.2 蒸發(fā)溫度

蒸發(fā)溫度是影響硫酸鎳晶體生長(zhǎng)及MVR穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。硫酸鎳溶解度隨著溫度的升高而增大，較高的料液溫度促進(jìn)溶解平衡趨向于溶解方向，抑制晶核的過早過多產(chǎn)生，從而使溶液達(dá)到較高的過飽和度，促進(jìn)大粒徑晶體的成長(zhǎng)。蒸發(fā)溫度較低會(huì)使溶液的過飽和度增加，處于結(jié)晶區(qū)域的不穩(wěn)區(qū)，造成晶體粒度偏小，且粒度分布不均勻[6]。

MVR系統(tǒng)較高的蒸發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)水量的提升影響很小，但高溫蒸汽壓縮所消耗的機(jī)械功增加較快，因此對(duì)壓縮機(jī)功耗影響顯著，會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)工作電流變大，能耗增加。過高的蒸發(fā)溫度甚至?xí)?dǎo)致蒸汽壓縮機(jī)電流超過額定電流，引發(fā)系統(tǒng)停機(jī)。此外，較高的蒸發(fā)溫度在一定的壓縮比下得到的蒸汽過熱度及氣體壓力會(huì)隨之增大，長(zhǎng)久運(yùn)行對(duì)設(shè)備和管道會(huì)造成不同程度的損壞，因此對(duì)MVR系統(tǒng)來說蒸發(fā)溫度應(yīng)盡可能控制在較低的范圍。

結(jié)合硫酸鎳蒸發(fā)特性及MVR系統(tǒng)特性，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐優(yōu)化操作，蒸發(fā)溫度應(yīng)保持在75℃左右。這樣保證了結(jié)晶體積粒度較為均勻，同時(shí)MVR系統(tǒng)耗能較低，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 壓縮機(jī)頻率

生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)頻率在30 Hz時(shí)，雖然其他參數(shù)都在較優(yōu)狀態(tài)，但是蒸發(fā)水量極小。隨著壓縮機(jī)頻率的增加，蒸發(fā)水量開始明顯增大，雖然伴隨壓縮機(jī)頻率的增加，其機(jī)組功耗也會(huì)增加，但凈蒸發(fā)水量增加的幅度遠(yuǎn)比機(jī)組功耗增加的幅度要大，從提升蒸發(fā)效率角度講，蒸汽壓縮機(jī)頻率應(yīng)盡量調(diào)大，通常壓縮機(jī)頻率控制在45～50 Hz為宜。

2.4 蒸發(fā)濃縮終點(diǎn)

硫酸鎳蒸發(fā)濃縮通過測(cè)試密度判斷其結(jié)晶過飽和度，在生產(chǎn)實(shí)踐中摸索得到的終點(diǎn)比重為1.58～1.60，低于1.58，則最終產(chǎn)出硫酸鎳結(jié)晶量較少，高于1.60，則容易導(dǎo)致結(jié)晶在氣液分離器中發(fā)生，強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)料段的結(jié)晶過飽和度較大，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度偏低，硫酸鎳極易在該段結(jié)晶，并最終堵塞整個(gè)料液管道，造成生產(chǎn)的停頓。

2.5 系統(tǒng)保溫的重要性

MVR系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)封閉的內(nèi)循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)，最大限度地減少系統(tǒng)的熱損失是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，這對(duì)設(shè)備和管道的保溫十分重要。此外，臨近結(jié)晶終點(diǎn)的硫酸鎳溶液對(duì)溫度異常敏感，溫度的降低容易引起管道堵塞。在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，對(duì)設(shè)備及管道進(jìn)行了保溫，硫酸鎳溶液出料管道進(jìn)行了特殊處理，采取了管套管方式，及料液管在內(nèi)，熱水管套在外部伴熱，料液管能夠用熱水沖洗，確保了高密度料液出料不堵塞，保證了生產(chǎn)正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

MVR技術(shù)自21世紀(jì)初進(jìn)入中國市場(chǎng)以來，已成功應(yīng)用于制鹽工業(yè)、食品工業(yè)、海水淡化和廢水處理等諸多領(lǐng)域。雖然中國現(xiàn)階段蒸發(fā)技術(shù)依然以傳統(tǒng)多效蒸發(fā)工藝為主，MVR技術(shù)所占市場(chǎng)份額有限，但是從國內(nèi)外蒸發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，MVR技術(shù)由于其在節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)展空間較大。現(xiàn)如今，MVR技術(shù)開始在冶金行業(yè)成功應(yīng)用并逐漸在該行業(yè)獲得推廣，該技術(shù)為傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮的高能耗單元指明了新的發(fā)展方向，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的應(yīng)用前景。