MVR热泵技术在硫酸镍蒸发中的工业应用

姚现召，姚 雷，张 帆

（江苏北矿金属循环利用科技有限公司，江苏 徐州 221000）

机械蒸汽再压缩（MVR）热泵技术是一项绿色环保的节能技术，主要应用于溶液蒸发浓缩过程[1-2]。1925年，奥地利设计安装了世界上第一套MVR装置，20世纪70年代在节能降耗的大趋势下，MVR热泵技术在国外发展迅速。我国在该阶段虽然也开始了相关研究，但发展一直较为缓慢。直到近十年来，随着国内对节能环保、绿色生产的日益重视，MVR热泵技术的优势开始得到关注，逐渐成为科学研究和工程应用的热点项目[3]。

1 MVR热泵技术原理与特点

1.1 MVR热泵技术原理

MVR热泵蒸发系统循环机理是充分回收利用物料蒸发所产生的二次蒸汽中的相变潜热重新返回来加热物料。其基本流程如图1所示，料液在蒸发器中低温蒸发产生的二次蒸汽（流号1）先进入压缩机，通过机械压缩提升其蒸汽温度，待温度提高后再重新返回蒸发器作为加热蒸汽（流号2）利用；经换热后释放出冷凝潜热的蒸汽转化为冷凝水从系统中开流出（流号3），料液吸收了加热蒸汽的冷凝潜热而生产的二次蒸汽（流号1）则继续进入下一个循环过程。由于在蒸发器中二次蒸汽蒸发所需的热量绝大部分来自压缩机压缩后高温蒸汽本身冷凝所放出的相变潜热，因此蒸发过程消耗的能量仅为压缩机做功所耗能量[4-5]。

根据MVR热泵系统的工作原理可知，其效率取决于回收利用的蒸汽潜热值与输入的机械压缩功之间的比较。表1和表2以常压下基本循环的状态变化为例，通过热力学计算表明MVR热泵技术在能源利用效率方面的优势。通过表1、表2分析得出，1 kg蒸汽由状态（1压力0.1 MPa，温度100℃，8蒸汽焓2 675.1 kJ，相变潜热 2 257.6 kJ）经过蒸汽压缩机做功90.5 kJ到达状态2（压力0.16 MPa，温度113℃，蒸汽焓2 696.3 kJ）。热功比达到了24.9。蒸汽的热焓仅增加0.8%，但蒸汽温度上升了13%，相当于输入少量的机械能，却把大量的低品位热能(状态1，温度仅为100℃)转化成为具备换热温度差，即可资利用的高品位热能（状态2，温度113℃），从而大大提高了能源利用效率。

图1 MVR热泵蒸发器工艺流程

1.2 MVR热泵技术特点

1.2.1 显著的节能优势

多效蒸发和MVR蒸发均利用了二次蒸汽的冷凝潜热，有着明显的节能效果，是提高蒸发操作能量、多次利用最主要的途径。但多效蒸发在蒸发末效需要将多余的蒸汽冷凝，需要一定量的循环冷却水，造成末效蒸汽的潜热损失。MVR技术能够充分利用二次蒸汽的潜热，节能优势显著。

1.2.2 核心装备蒸汽压缩机

蒸汽压缩机是MVR热泵技术的核心设备，目前有罗茨式和离心式两种。美国GE、德国GEA、Messo、日本ITO等公司对于MVR蒸汽压缩机均有几十年的研发经验积淀，技术各有优势。目前，国产蒸汽压缩机用于MVR系统时间较短，与进口设备相比尚有差距。

1.2.3 自动化程度高

MVR热泵蒸发器控制参数众多，互相耦合匹配组合最优才能达到较好的节能效果。一台大型MVR装置通常的关联控制参数多达数百个，仅靠人力调节维护比较困难。与传统多效蒸发器相比，MVR蒸发器通常由DCS、PLC组态控制，自动化程度较高。

表1 MVR热泵效率计算分析（一）

表2 MVR热泵效率计算分析（二）

2 MVR技术在硫酸镍蒸发结晶中的应用研究

硫酸镍在工业上主要用于电池和电镀行业，近年来随着电镀及电池行业尤其是三元正极材料的快速发展，硫酸镍的市场需求持续旺盛。在硫酸镍产品生产过程中，蒸发结晶工序一直属于高能耗环节。采用MVR技术替代传统的多效蒸发，可以有效降低二次蒸汽中的废热排放，最大限度利用热量，在节能降耗的同时减少运行成本。

近年来，MVR技术在国内开始应用于制盐工业、海水淡化、高盐废水处理、食品行业等。从2014年开始，MVR技术在冶金精制盐如硫酸镍、硫酸钴、硫酸铜等开始应用。笔者所在单位自2016年4月份新建一套1 t/h蒸发量的硫酸镍MVR蒸发浓缩装备。在MVR蒸发浓缩硫酸镍的工艺过程中，蒸发浓缩效果主要由蒸发温度、蒸发浓缩终点、系统真空度等因素决定，因此对这些条件的优化至关重要。

2.1 蒸发器选型及材质选择

硫酸镍溶液蒸发终点浓度高，非常容易结晶，蒸发器选型推荐采用强制循环蒸发器，同时由于硫酸镍溶液pH在4左右，在高温下腐蚀性较强，因此料液接触部分均采用316L材质，设备运行两年至今未发现腐蚀现象。

2.2 蒸发温度

蒸发温度是影响硫酸镍晶体生长及MVR稳定运行的重要参数。硫酸镍溶解度随着温度的升高而增大，较高的料液温度促进溶解平衡趋向于溶解方向，抑制晶核的过早过多产生，从而使溶液达到较高的过饱和度，促进大粒径晶体的成长。蒸发温度较低会使溶液的过饱和度增加，处于结晶区域的不稳区，造成晶体粒度偏小，且粒度分布不均匀[6]。

MVR系统较高的蒸发温度对蒸发水量的提升影响很小，但高温蒸汽压缩所消耗的机械功增加较快，因此对压缩机功耗影响显著，会导致空气压缩机工作电流变大，能耗增加。过高的蒸发温度甚至会导致蒸汽压缩机电流超过额定电流，引发系统停机。此外，较高的蒸发温度在一定的压缩比下得到的蒸汽过热度及气体压力会随之增大，长久运行对设备和管道会造成不同程度的损坏，因此对MVR系统来说蒸发温度应尽可能控制在较低的范围。

结合硫酸镍蒸发特性及MVR系统特性，经过生产实践优化操作，蒸发温度应保持在75℃左右。这样保证了结晶体积粒度较为均匀，同时MVR系统耗能较低，系统可以稳定运行。

2.3 压缩机频率

生产实践发现，压缩机频率在30 Hz时，虽然其他参数都在较优状态，但是蒸发水量极小。随着压缩机频率的增加，蒸发水量开始明显增大，虽然伴随压缩机频率的增加，其机组功耗也会增加，但净蒸发水量增加的幅度远比机组功耗增加的幅度要大，从提升蒸发效率角度讲，蒸汽压缩机频率应尽量调大，通常压缩机频率控制在45～50 Hz为宜。

2.4 蒸发浓缩终点

硫酸镍蒸发浓缩通过测试密度判断其结晶过饱和度，在生产实践中摸索得到的终点比重为1.58～1.60，低于1.58，则最终产出硫酸镍结晶量较少，高于1.60，则容易导致结晶在气液分离器中发生，强制循环泵进料段的结晶过饱和度较大，同时整个系统蒸发温度偏低，硫酸镍极易在该段结晶，并最终堵塞整个料液管道，造成生产的停顿。

2.5 系统保温的重要性

MVR系统是一个相对封闭的内循环蒸发系统，最大限度地减少系统的热损失是确保系统稳定运行的必要条件，这对设备和管道的保温十分重要。此外，临近结晶终点的硫酸镍溶液对温度异常敏感，温度的降低容易引起管道堵塞。在生产实践过程中，对设备及管道进行了保温，硫酸镍溶液出料管道进行了特殊处理，采取了管套管方式，及料液管在内，热水管套在外部伴热，料液管能够用热水冲洗，确保了高密度料液出料不堵塞，保证了生产正常运行。

3 结论

MVR技术自21世纪初进入中国市场以来，已成功应用于制盐工业、食品工业、海水淡化和废水处理等诸多领域。虽然中国现阶段蒸发技术依然以传统多效蒸发工艺为主，MVR技术所占市场份额有限，但是从国内外蒸发技术发展趋势来看，MVR技术由于其在节能降耗、降低生产成本等方面的明显优势，发展空间较大。现如今，MVR技术开始在冶金行业成功应用并逐渐在该行业获得推广，该技术为传统蒸发浓缩的高能耗单元指明了新的发展方向，带来了巨大的经济效益，具有较好的应用前景。