成为合格生物工程师4河北科大授课讲义

第四课重视工业节能提升企业竞争力

一、企业重视工业节能是大势所趋：

若干年以后，地球上所有生物毁灭，人类主导的地球时

代象恐龙时代一样消亡。上亿年后，新的地球主宰生物出现

并进入新的文明，考古研究很长时间以后，终于发现人类灭

亡的原因：起源于十八世纪英国的“工业革命”，让人类短

暂繁荣后却最终导致了人类的灭亡……

在英国“工业革命”以前，地球上化学能源的总贮量一

直是增长的。随着对能源的永无竭止的开采使用，在带给人

类高度文明高度发达和繁荣的同时，也使得地球上亿万年积

累下来的化学能源的资源在短短几百年就面临枯竭的局面，

并伴随着环境的快速恶化。

为了人类的可持续发展，为了人类还能保有一个赖以生

存的空间，全人类必须齐心协力和艰苦奋斗，开展永无止境

的节能降耗共同行动。

在信息技术高度发达的今天，大部分企业很难拥有一个

能够让自己长期独占的先进技术。企业之间的竞争大部分是

管理和成本的竞争。现在已经处于能源价格相对较高的时

代，能耗水平已经成为评价企业综合技术水平的一个重要和

关键的指标，也是企业成本竞争的关键所在。所以说，一个

企业节能水平的好坏是关乎企业生存的大事情。

企业节能涵盖方方面面，最重要的是管理节能，其次是

技术节能和全员参与。管理节能是战略，只有领导重视并制

订规划和目标，节能工作才能顺利开展。技术节能是战术，

优秀的战术又经常能够影响战略的提升，好的节能技术可以

为企业节能带来奇效。全员参与是节能落实实施的基础，提

高全员节能意识，节能才能得到长期坚持和发展：搞节能改

造可以节能，每个人都做好本职工作提高工作效率也可以节

能；搞好工艺可以节能，搞好自控和电气也可以节能，岗位

操作工精心操作也可以节能。

目前煤炭是我国比重最大的能源物资（出力占85%左

右），以现在的价格水平（标煤700元/吨左右），拥有自备电

厂且实现了热电联产的工业企业显然占据能源成本的优势。

但这种优势维持的时间不会太长了，理由一是我国的煤炭资

源面临快速枯竭的危险，二是目前环境污染的主要因素就是

煤炭消费量过大。我国煤炭价格从2013年开始回落，到2014

年已经比2012年的高峰价格跌落了一半，这给很多人造成了

一个假象，认为中国的煤炭资源还很充足，我们还可以等很

多年以后再去考虑煤炭不足的问题。但事实是，如果以2012

年的开采速度，中国20年后就会进入无煤可采的困境。这两

年的煤炭价格下跌，完全是因为经济调整，煤炭消费总量下

滑，产煤（采煤）能力过剩造成的，绝对不是煤炭资源过剩

造成的，也不是采煤成本下降造成的。产煤能力过剩和煤炭

资源过剩是完全不同的两个概念。

快则三年，慢则五年，中国将再次出现煤炭供应的紧张

局面，而且这次的紧张将是不可逆和无反复的。煤炭价格突

破2000元/吨甚至更高是大概率事件，而且环保征税是大势

所趋（燃煤环保税肯定要高于其它更清洁能源的缴税比例）。

到时我们的燃煤热电联产将会丧失失成本优势。

国家高层对中国煤炭资源的状况非常清楚，早就开始谋

划未来的能源结构布局，其中最可行的非核电莫属。核电虽

然理论上有核泄漏核核污染的风险，但核电提供单位能源对

环境的污染远低于火电。未来大规模取代煤炭（煤炭资源所

限的必然举措），核电是主要部分，水电、风电和太阳能等

是辅助。中国现在核电运行装机约3万MW,在建3万MW,

新规划3万MW,五〜六年后核电运行装机将会是现在的三

倍。如果不是日本的福岛核电站事故，这个进程还会更快。

将来主流工业企业的能源供给将会是外购核电加洁净

环保的天然气锅炉所产蒸汽，就像现在的日本一样。已有热

电联产的企业，要抓好能源管理，利用好这段黄金时间为企

业充分创造经济效益。如因扩产而产生新增蒸汽需求，千万

不要再考虑新上热电联产项目（当然，现在发改委也不批），

可行的办法是通过节汽改造降低蒸汽消耗，在不增加热电的

基础上增加工业产能。没有热电联产的企业需要上新项目，

则一定要充分应用节汽技术，把锅炉配置得尽可能小。企业

不应该考虑依靠自己来完全解决电力需求，虽然现在自备电

厂发电成本远低于外购电。

二、如何找到企业的节能潜力点：

节能的主要手段是开源和节流，但我国国情，开源属于

国家主导的事情，或者是中核电、水电公司、国家电网和中

节能等大型能源企业的事。所以对于大部分工业企业来说，

节能无需考虑开源，只需要考虑节流，即在生产产量和质量

不受影响的前提下通过加强管理和提高技术水平来达到节

流节能的目的。

大部分工业企业的生产工艺用能都是电和蒸汽，所以节

流节能主要就是节约蒸汽和电。而大部分企业在生产过程中

使用蒸汽热能的原因是因为温度所需而不是真需要把能量

充入产品中，最后又通过冷却塔和干燥尾风将这些能量无休

止地排入了大气中。所以蒸汽热能的节能潜力一般要大于电

能，企业做节能要把重点放在节汽上，比较容易取得成效。

企业之所以会有节能潜力，是因为企业用能上存在不合

理的结构或装备。我们做数学题，做好以后怎么才能知道做

对没有？当然是反过来验算！节能筹划有一句经典俗话，叫

“少管吃的啥，多看拉的啥”。意思就是多关注企业的能源

排放点在哪，排的少了，能自然节约下来了。目前工业企业

的排能大头是冷却塔和热气（尾风），其次是工艺设计过度。

任何一个发酵（生物工程）企业，其冷却塔越大则节能肯定

做的越差。

三、发酵（生物工程）工业常用节能技术：

1、体系节能：

体系节能与管理节能的职能略有交叉，但具备独特的技

术性，是从技术的角度利用管理体系行政规定的方法加以实

施。体系节能包括加强节能技术知识培训、加强节能技术研

发、实施节能奖惩机制、加强车间之间的能源协同和协调、

抬高循环冷却水运行温度、降低企业总管网管阻等等。

企业可以成立专门的节能管理部分，负责搜集整理工

业节能技术，然后在企业大范围搞节能技术知识培训；有条

件的企业也可以搞一些节能技术研发工作，生产企业的水电

汽和配套设备齐全，其实是最有条件和最方便开展节能技术

研发工作的，往往可以通过投入少量研发资金取得不错的成

果；企业很有必要建立节能考核奖惩制度，让每个员工都能

将节能的意识潜移默化到头脑中，只有全员努力才能获得最

大的节能效果；大型企业一般都有很多个生产车间，在实施

节能的行动中不能各自为战，各车间之间应该加强沟通和协

调，互通有无，很多时候不同单位或部门之间的联合节能行

动往往是投入较小但是收效却比较大的。

很多南方企业夏季都受到30°C循环冷却水依靠冷却塔

温度降不到30℃的困扰，往循环水里无限度地补充新鲜冷水

是很糟糕的办法。最好的办法是整体提高30℃循环冷却水的

运行温度到35℃,即改使用30℃循环冷却水为使用35℃循

环冷却水。这样不可避免会有个别地方冷却水温达不到工艺

要求，我们只需要去改造这些局部的地方（一般是加大换热

器面积）就好了。

很多企业的管网管道口径都偏小，主要包括水、汽、物

料和压缩空气等的能源是非常巨大的。以某厂输送淀粉乳

的管道为例，淀粉乳流量为28m3/h,输送距离为500m。如

果使用DN100的管道输送，32m扬程的泵就可以了，泵装机

5.5KW,每小时耗电4.4度，年（7200小时计）耗电31680

度；而如果使用DN65的管道输送，则需配备80m扬程的泵,

泵装机15KW,每小时耗电12度，年耗电86400度。用DN65

的管道输送比用DN65的管道输送每年多耗电54720度，合

人民币38000元左右，浪费是非常严重的。管损太大，或者

消耗过多的电能，或者降低蒸汽的品味。当一个企业管网的

管道口径太小造成管损太大时，应该考虑重新敷设新管道以

替代旧管道或与旧管道并联使用。

2、设计节能:

项目设计过程节能做得好不好，直接影响到生产线建成

后的能耗水平和生存能力。项目设计时必须做物料衡算和能

源衡算，而这两个衡算实际上又相互影响。物料衡算计算得

准确可以使每个工序设备能力的配置也准确适宜，本身就是

设计节能的一个措施。做能源衡算时一定要注意能源的梯次

使用，不同品味能源的合理调配使用也是设计节能的一个重

要措施。设计节能做得好，不一定会增加工程总造价，甚至

有时还降低工程造价。

优化设计节能的一个有效手段是做整个生产线的能流

图，当然标准的能流图做起来很费事。我们可以做单线条能

流图，只要把所有能源进出点和量标示清楚即可。能流图最

大的好处就是可以让我们看清楚能源的留出或流失方向，相

当于做数学题的验算过程。当你从节约消耗去做节能无从下

手时，从减少流失去寻找节能的办法，很可能就会豁然开朗

了。流失减少了，消耗自然会随着降低。

大部分工业企业生产用能都依靠蒸汽和电，也就是说蒸

汽和电是工业企业的主要能源载体。所以我们考虑工业节能

时，主要考虑节约蒸汽和电。玉米深加工企业的用汽点有很

多，但按照用途不外乎包括：动力用汽（含排渣用汽和抽真

空用汽）、工艺反应用汽（包括液化用汽、玉米芯水解用汽）、

灭菌用汽、物料或水升温用汽、蒸发浓缩用汽、干燥烘干用

汽、制冷用汽、采暖保温用汽和清洁用汽等。对于动力用汽,

主要用来驱动汽轮发电机发电，热电联产时要尽可能降低体

系的蒸汽压力需求，这样气轮机背压可以调得更低发更多的

电。切忌为了局部需要高压力蒸汽而提高整体蒸汽压力，有

时局部的高压力蒸汽需求可以使用压缩机增压来获取。至于

排渣用汽（比如木糖水解排渣）和抽真空用汽（比如氢化釜放

料抽真空），则设计时应尽可能采用替代方法（如改用压缩

空气排渣）或尽可能减少其需求；对于工艺反应用汽，节汽

办法一要尽可能使用低品味能源预热物料，二要尽可能回收

反应后排放的尾气；灭菌用汽的节汽要尽可能使用UHT连

消灭菌，罐类灭菌要尽可能减少放空排放量；物料或水升温

用汽的节汽要尽可能使用低品味能源（优选通过料料换热解

决）来升温或预升温；对于蒸发液缩用汽，首先要优先采用

废热蒸发器，其次考虑MVR或超多效，还应重视蒸前物料

使用低品味能源来预热，最后其进冷凝器的废汽还可以用来

预热冷水或冷空气等；干燥烘干用汽，要优先选择间壁换热

干燥设备，选用热风烘干要尽量选用逆流型干燥设备，要尽

可能利用低品味能源预热冷空气，有可能的话要考虑尾风能

量的回收；制冷用汽的节汽，对于稳定制冷负荷，要尽可能

选用氟利昂机组制冷或制冷供热一体热泵机组，只有针对波

动较大而频繁的制冷负荷（如空气冷冻除湿和空调）才选用

需要消耗蒸汽的淡化锂蒸汽吸收式制冷机组；对于采暖保温

用汽和清洁用汽，则能不用尽量不用，非用不可时尽量少用，

能用热水替代就不使用蒸汽。

玉米深加工企业常用的节电措施有：储罐的搅拌要尽量

采用偏心螺旋桨推进搅拌，因为搅拌的目的是混合而不是旋

转，一定要根据工艺的最低需求来确定，比如100立方的糖

化罐，配置1.5KW的搅拌足够了，而且除进料和出料后期在

糖化过程只要间歇开启就可以了；真空转鼓生产商配的真空

泵普遍偏大，最好运行真空泵与挂土真空泵配一小一大；上

悬式离心机一定要加装刹车馈电系统；泵的流量与扬程要选

配适中且输送管道口径适当放大；负荷经常变化的动力设备

一定要配变频器等；要尽可能选用能效更高的大型设备；要

充分重视势能，比如冷却塔要放在屋顶，30℃循环水罐要放

在屋顶或最高层，这样循环水泵耗电最少；电气设计时要合

理选配变压器、选用线径足够的电缆并重视无功损耗补偿。

3、工艺节能

目前关于淀粉乳的液化，有采用一次喷射液化还是两次

喷射液化的工艺争论。两次喷射液化肯定比一次喷射液化蒸

汽消耗高，薯类淀粉乳采用两次喷射液化完全没有必要，玉

米淀粉乳则要看产品是什么。玉米淀粉乳采用两次喷射与一

次喷射的主要差别一是糖化DX平均约高0.2〜0.3,二是糖

化液和成品的过滤速度明显较快。所以对生产结晶糖、F55

果葡糖浆，以采用两次喷射为宜，特别是生产药用葡萄糖，

两次喷射是必须的；对于生产转化糖浆、麦芽糖浆、F42果

葡糖浆和发酵用糖浆等则只需要一次喷射就可以了。液化和

糖化的浓度也是影响能耗的一个因素，在不影响液化和糖化

效果的前提下应尽可能提高料液浓度。

结晶工艺对节能效果的影响也很大，如降温结晶终了温

度能够尽量调高，则低温循环冷却水的消耗可以下降从而达

到节能的目的；很多企业的结晶采用多段或多级结晶，比如

炼糖企业采用五段或六段煮糖。有时过多的结晶段数不但无

助于提高产品质量，反而增加了能源的消耗。一般情况下，

只要选择合理的结晶注罐纯度，结晶最多分成两段就可以

了，一段用来保证产品的高品质，另一段用来把可提取物充

分提取出来。将多段结晶优化成两段结晶，不但可以达到节

能的目的，由于结晶时间缩短，还可以减少结晶过程化学转

化副反应，提升产品质量。

在精制蔗糖的生产过程中，糖液先经脱色和离子交换精

制，在结晶提取后有一部分母液必须回套到脱色前脱除煮糖

过程产生的色素。如果采用先脱色后离交的精制工艺，回套

母液则也同时需要再次进入离交；而如果采用先离交后脱色

的精制工艺，回套母液套到脱色前则无需再次进入离交。回

套母液再次离交不但增加交换负荷，而且因离交有浓度要求

而稀释母液也会造成蒸发负担增大。所以采用采用先离交后

脱色的精制工艺要节能的多。

葡萄糖生产过程采用低温脱色工艺也可以节能，即糖化

液不加热即到真空转鼓过滤，这样滤液温度为53〜56℃之

间，不升温直接加入粉末活性炭进行脱色。很多书籍都有介

绍说活性炭在75〜80℃之间比较合适，活性炭吸附色素能力

较高。但是笔者的看法是活性炭在75〜80℃之间脱色只是吸

附速度较快，采用53〜56℃之间的低温脱色工艺，只需加长

活性炭与糖液之间的混合接触时间即可，活性炭照样可以充

分吸收色素，并不会增加活性炭消耗。如果采用75〜80℃的

高温脱色工艺，不但需要对转鼓滤液升温，还需对脱色液充

分降温才能去离子交换，这一来一回之间，浪费能源很多。

在结晶产品的生产过程中，强化离心分离使烘干前晶体

含水更低；在淀粉生产中将蛋白压滤脱水的水分控制得更

低；在糊精的生产中适当提高温度尽可能提高喷雾干燥前入

料浓度。这些工艺改进都可以达到很不错的节能效果。因为

所有干燥设备蒸发水分的效率都比较低，管束干燥烘干蛋白

蒸发IKg水需耗汽1.2-1.3Kg蒸汽；逆流流化床干燥烘干晶

体蒸发IKg水需耗汽1.5〜1.8Kg蒸汽，气流干燥燥烘干晶体

蒸发IKg水则需耗汽2.5〜3.0Kg蒸汽；喷雾干燥蒸发IKg

水需耗汽1.5〜1.8Kg蒸汽，，因喷雾干燥原料含水较多，总

体能耗很大。

在保证所生产的产品质量和产能的前提下，通过调整和

优化工艺来节能，因无需增加设备，因而往往收到事半功倍

的效果。

4、采用新型节能设备

在当今全社会都关注节能的形势下，必然会有很多的社

会资源投入到节能设备的研发上，随时都可能会有新型高效

的节能设备出现。作为企业的技术主管，要经常关注节能设

备的发展，特别是要跨行业去发现机会。企业中很少的设备

是行业专用的，大部分都是通用设备，只要充分论证物料的

特性，跨行业引用节能技术的风险不会很大。企业只有不断

采用新型高效节能设备去更新替换老式高能耗设备，才能获

得或维持企业在行业中的技术领先地位。

玉米深加工行业采用新型节能设备的范例有很多：比如

新型的快速烘炒管束干燥机，因采用机内存料较少的结构和

较高的烘干温度的提高了传热效率，可以节约蒸汽消耗10〜

15%和电耗50%以上；蒸发浓缩采用MVR蒸发器替代多效

蒸发器和采用MVR蒸发结晶罐替代单效蒸发结晶罐可以取

得非常不错的节能效果；采用逆流固定流化床干燥机和逆流

固定流化床冷却机可以分别节约蒸汽和冷源；玉米浸泡时循

环浸泡液改用间壁换热器利用管束烘干机汽凝水加热取代

直接蒸汽加热；玉米浆浓缩采用废热蒸发器利用管束烘干机

废汽作为热源；冷却水循环泵采用三元流叶轮的离心泵可以

节电15%左右；稳定的制冷负荷采用氟利昂压缩制冷机组，

而波动的制冷负荷则采用淡化锂吸收式制冷机组；选用温降

相对较高的冷却塔有利于减少冷却水循环量。

几乎所有的工序，只要你去研究探讨，都可以发现节能

的潜力。发现节能潜力后，因及时做经济评估，有的节能改

造项目，在某一段时期经济上不一定合算，但时过境迁后有

可能变得合算。企业应该对两三年内可以收回投资的节能改

造项目快速决策施行，一般企业都有很多这样的机会。

5、烟气含氧量自动控制技术

在锅炉的燃烧过程中，通过变频控制鼓风机的鼓风量

来调节燃料与空气的适当比例，不但可以降低鼓风机的电

耗，还能使锅炉处于最佳燃烧状态，煤的燃烧非常充分并且

烟气温度相对较低，锅炉整体热效率获得提升，达到节煤的

目的。通常用过剩空气系数来衡量锅炉燃烧效果的好坏，一

般结论认为过剩空气系数在1.2〜1.3之间为最佳，系数过大,

多余空气会增加排烟损失，系数过低会造成燃烧不充分同样

降低锅炉效率，还有可能造成未燃烧燃料进入炉灰或烟气。

锅炉的控制系统主要包括四个控制回路：1、炉膛微负

压控制，通过变频控制引风机来实现；2、锅炉水位控制，

通过控制给水管道上的节流调节阀来实现；3、蒸汽压力控

制，通过控制燃煤供应量来实现；4、空气与燃料比例控制，

通过变频控制鼓风机的鼓风量来实现。前三个控制都比较好

实现，空气与燃料比例控制则在很多企业都控制得不好或者

没有实现自控，本文主要讨论空气与燃料比例控制。

由于过剩空气系数的在线检测比较困难，所以我们采用

控制烟气含氧量来间接控制空气与燃料比例。烟气的含氧量

和过剩空气系数有比较强的关联性，也就是和空气与燃料比

例有比较强的关联性。烟气的含氧量可以通过氧化错氧量计

(OT)来在线检测并转换成4〜20mA模拟信号。氧化错氧

量计是利用氧化错材料在氧压差推动下的氧传导过程产生

电动势的原理，通过空气与烟气之间的氧压差来产生电位

差，再将电位差信号放大转换成氧含量模拟信号。氧化错氧

量计的使用寿命与烟气的二氧化硫含量有关，二氧化硫含量

越高，氧量计的使用寿命越低。

鼓风机的负荷与电机转速的三次方成比例，通过弱化比

例响应，强化积分响应并且启用微分响应的模糊自动控制手

段，可以采用单回路控制通过鼓风机电机变频调速来实现烟

气含氧量的自动控制。当烟气含氧量偏高时，降低鼓风机的

转速；烟气含氧量偏低时，升高鼓风机的转速。

因为在锅炉压火时需要非常低的鼓风量，鼓风机需要在

20Hz以下的频率运行，所以要给鼓风机配备专用变频电机，

即冷却风扇与电机主轴脱开独立的变频电机。为了让锅炉在

不同负荷下都能获得最佳的空气与燃料比例，还需要对烟气

含氧量自控回路的设定值做自动修正，修正的办法是引锅炉

的产汽流量信号作为修正变量参数，使烟气含氧量随锅炉的

产汽负荷在一定的范围内自动调整。比如让氧含量设定值在

6.0〜8.0%之间调整，产汽负荷越低，设定值越靠近6.0%;产

汽负荷越低，设定值越靠近8.0%。

又由于烟气含氧量自控回路的PID参数整定时整体采用

响应偏低的设定，而且烟气氧含量随鼓风量而变化的滞后较

大，所以有必要利用烟气含氧量的高位报警来修正控制回路

的输出值，即当含氧量高位报警时，对鼓风机的运行频率做

一次跳跃性的降低(比如降低3Hz)。

6、烟气脱硫节能

锅炉烟气的脱硫一般采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，利

用价廉易得的石灰乳作为脱硫吸收剂。石灰乳经泵打入吸收

塔与烟气充分接触，使烟气中的二氧化硫与乳液中的石灰进

行反应生成亚硫酸钙，再从吸收塔下部浆池鼓入氧化空气使

亚硫酸钙氧化成硫酸钙，硫酸钙达到一定过饱和度后，结晶

形成二水石膏。从吸收塔底排出的石膏浆液经浓缩、脱水，

使其含水量小于10%,然后用输送机送至石膏堆放库堆放。

脱硫后的烟气经过除雾器除去雾滴后，由烟囱排入大气。

目前大部分锅炉使用的脱硫（吸收）塔采用喷淋的办法，

将石灰乳通过喷嘴形成液膜，烟气向上穿过液膜完成对二氧

化硫的吸收。对于进入脱硫塔SO2浓度在1500mg/m3的烟

气，需要三层喷淋，排烟SO2浓度才能降到200mg/m3以下，

要降到50mg/m3以下，达到深度脱硫的效果，则需要四层

甚至五层喷淋。每层喷淋将会给烟气通过脱硫塔增加150〜

180Pa的阻力。

一种新型的节能高效深度脱硫装置很值得推广，该装置

采用气流喷雾的方式在脱硫塔内形成石灰乳雾化区，烟气通

过雾化区时的脱硫率可以高达85%以上。对于进入脱硫塔

SO2浓度在1500mg/m3的烟气，在三层喷淋排烟SO2浓度

降到200mg/m3以下的基础上加设气流喷雾，排烟SO2浓度

可以降到30mg/m3以下，达到深度脱硫的效果。

气流喷雾是将压缩空气用＞300m/s的速度从喷嘴喷出，

靠气液两者间的速度差产生的摩擦力，使石灰乳分离成细小

的雾滴。气流喷雾形成的雾滴粒径小（50-80国11）,脱硫反应

速度快。因雾层较厚，反应时间充足，反应比较彻底。所以

喷雾脱硫效率较高。为了防止堵塞喷嘴，石灰乳必须先经旋

流除石和管道过滤器过滤。

气流喷雾脱硫所需脱硫剂循环量远小于喷淋脱硫单层

所需量，循环泵动力消耗不到喷淋脱硫单层消耗的一半，虽

然喷雾用压缩空气消耗一部分动力，但总的动力消耗仍然比

喷淋脱硫单层消耗低很多。加上烟气通过脱硫塔内气流喷雾

区只增加40〜50Pa的阻力，不到喷淋脱硫单层阻力的三分之

一，可以明显减少锅炉引风机的动力消耗。

采用气流喷雾脱硫来改造喷淋脱硫塔，无论是在三层喷

淋的基础上增加气流喷雾脱硫（无需更换脱硫塔或加大锅炉

引风机）以达到深度脱硫的目的，还用气流喷雾脱硫来替代

掉一至二层喷淋脱硫来节能增效，都可以获得不错的效果。

7、能量迁移（低温定向热泵）

能量迁移又称热泵技术，指通过热泵将能量从低温物料

迁移到高温物料中从而达到节能的目的。

热泵实际上应该叫能量泵或能量泵机组，即推动能量转

移的装备或机组。热泵的概念比较抽象，为了便于理解，我

们可以通过热泵与离心水泵的特性对照来了解热泵。

我们知道，在自然状态下，水往低处流。如果我们需要

水往高处流，则可以通过离心水泵来实现。

同样，在自然状态下，能量总是从高温物体向低温物体

传导。如果我们要实现能量从低温物体向高温物体传导，则

可以通过能量泵即热泵来实现。

离心水泵是通过电能来驱动泵的叶轮，将机械能转化成

动能和势能，从而实现水从低位到高位的输送。

而热泵则包括三部分：低温蒸发吸热器（换热器）、气

体压缩机和高温冷凝放热器。而且热泵在运行过程中还必须

添加导热载体（或称导热剂）。导热剂在低温蒸发吸热器的

低温环境下，因低压或高真空仍然发生蒸发，由液态变为气

态，从而通过换热器从低温物体将能量吸入导热剂中；气态

导热剂通过气体压缩机压缩到高温冷凝放热器后，压力升高

或真空度减小，虽然处于高温环境下，仍然能因高压或真空

度减小而发生冷凝，由气态变成液态从而使导热剂中能量通

过换热器向高温物体释放；释放能量冷凝后的导热剂经由减

压阀流回到低温蒸发吸热器中完成一个工作循环。通过导热

剂的连续循环工作，热泵实现了将能量从低温物体传导到高

温物体的功能。

离心水泵在消耗电能完成水从低处往高处输送的过程

并不改变水的数量，所以耗电过程并不伴生水数量的变化。

同样，热泵在消耗电能（气体压缩机需耗电）完成能量

从低温物体传导到高温物体的过程中也不是为了改变所输

送的能量的数量（虽然实际上多少会有些增加），所以耗电

量与所输送能量的数量变化基本无关。热泵节能的道理是将

无用或低经济价值的低温能量，通过热泵输入到更高温的物

体中，从而替代或减少通过使用有价值或高价值高温能源以

达到节能的目的。

当处于低位的水源廉价易获取时，评判用离心水泵将水

从低位送到高位是否经济的依据是，比较将水扬升的花费是

否比用其它方法在高处获取水源更经济，而不是说离心泵运

行过程可以产生水。

同样，当低温的能源是廉价（比如空气中含有的能量目

前都还是免费的）或容易获取的，评判用热泵将能量从低温

物体输送到高温物体是否经济的依据是，比较输送能量的花

费是否比用其它方法（比如用锅炉烧蒸汽）获得能量更经济,

而不是说热泵将电能转化成了多少热能给高温物体使用。

离心水泵在同等扬升高度或扬程下，其电耗与输送水量

成正比。

热泵在同等的逆温差或温升下，其电耗与输送能量数量

成正比。

离心水泵在用于将水从高位输送到低位的过程中可以

加快水的输送速度，利用水能自动从高位流到低位可以实现

水力发电。

热泵在用于将能量从高温物体输送到低温物体的过程

中可以加快能量的输送速度，利用能量能自动从高温物体传

导到低温物体可以实现温差发电。

在输送同等数量的水时，离心水泵的电耗与扬程成正比

例。

在输送同等数量的能量时，热泵的电耗与温升成正比

例。这一点对于我们优化热泵节能技术非常重要。

离心水泵在输送水的过程中由于管道的阻滞会造成一

定的扬程（压头）损失，管道越粗，扬程损失越小。在选用

离心水泵时考虑到扬程损失，应选取比实际需求略大扬程的

离心水泵。

热泵在输送能量的过程中由于换热器对热传导的阻滞

会造成一定的温升损失，热泵的换热器换热面积越大，温升

损失越小。在选用热泵时考虑到温升损失，应选取比实际需

求略大温升的热泵。

热泵的特性除上述与离心水泵相似之处外，也有些不同

之处：一是离心水泵的电耗只与进出口压差（扬程）成正比

例关系，而与进口或出口的实际压力关系不大。热泵则不但

与温升成正比例，还与冷热物体的具体温度有一定的关系，

冷热物体的具体温度在某些特定的情况下对电耗的影响甚

至超过了温升变化对电耗的影响幅度；二是离心水泵输送的

是看得见摸得着的水，而热泵输送的则是看不到经常也是摸

不着的能量，这也是为什么很多人对热泵技术不能完全理解

的主要障碍。热泵输送的能量虽然看不见摸不着，但是可以

感觉和检测出来，所以并不影响它的推广应用；再有一个不

同之处是热泵工作时需要导热剂，热泵的电耗还与采用何种

导热剂有直接的关系。

最常用的热泵是有几十年历史而且已经进入千家万户

的空调机，空调机运行时将能量从温度较低的室内输送到温

度较高的室外，从而实现室内维持在较低温度的凉爽状态。

通过空调这个常例的热泵，从理解了空调的工作原理上

升到理解热泵的工作原理后，将大大拓宽热泵的使用范围，

并且反过来推动空调技术的进步。现如今的空调由单冷进步

到冷暖，由冷暖进步到空气能热水器和制冷与供热水一体

机，实际上已经把单纯的空调朝向热泵机组转变。相信不久

的将来，居民生活用空调一定是整个小区的冷暖浴一体中央

空调（热泵机组）：即夏季由于制冷从居民家中推送出来的

能量不是直接散入大气中，而是推送到冷水中用于产生可供

洗浴用的热水；在冬季时则将空气中的能量推送到热风中给

居民采暖，或推送到冷水中加热成热水供给居民洗浴使用。

工业热泵技术的根本目的就是为了节能，其在玉米深加

工产业具有非常广阔的应用前景。我们知道，常温的玉米进

入深加工车间，加工生产得到常温的淀粉糖产品或发酵制

品，而生产过程又并不需要能量或者说需要能量很小（60小

时糖化过程基本不降温就是证据），为什么我们的产线还要

消耗大量的外来蒸汽作为能源呢？答案就是为了满足生产

线各工序的温度要求，虽然我们已经做了大量的废热回收工

作，我们仍然需要不停地往生产线充填能量，而充填的这些

能量不是进入到了产品中，而是通过冷却塔和干燥尾风又将

这些能量无休止地排入了大气中。热泵技术为我们玉米深加

工生产提供了这样一种可能：将生产中“使用新鲜能源同时

冷却塔和干燥尾风又不停排放能量”的模式，转变为“各个

生产环节能源全部循环利用，生产线完全不使用外来蒸汽，

同时取消冷却塔，干燥尾风降到常温”的新模式。这样我们

的企业将获得经济效益和环境友好的双丰收。

8、MVR蒸发（低压比低温升循环热泵）

MVR蒸发器是指机械式蒸汽压缩循环蒸发器，是国际上

二十世纪九十年代末开发出来的新型高效节能蒸发设备。其

工作原理是蒸发器产生的二次蒸汽经蒸汽压缩机作用后，温

度提升8〜9℃,返回用于蒸发器的加热热源，替代去绝大部

分的生蒸汽，生蒸汽仅用于补充热损失和补充进出料温差所

需热始，从而大幅度减低蒸发器的生蒸汽消耗，达到节能的

目的。

下图是典型MVR蒸发器的工作原理图：

MVR蒸发器（一般为单效蒸发）是热泵的一个特例，也

是眼下比较热门的节能蒸发设备：o其作为热泵的一个特例

是因为它直接使用蒸发器连续产生的二次水蒸汽作为导热

剂，导热剂经压缩冷凝后直接排出而不回流到低温蒸发吸热

器中，所以可以将低温蒸发吸热器的换热器与高温冷凝放热

器的换热器合并成一台换热器，并且借用蒸发设备的加热器

来兼作这台合并后的换热器。这样MVR蒸发器就相当于一

个“工作介质和传热介质合二为一，以水作为导热剂、由蒸

发器的换热器兼作低温蒸发吸热器与高温冷凝放热器共同

合并使用的换热器”的热泵机组。蒸发器蒸发过程本身并不

消耗能量，加热蒸汽在使物料蒸发出二次蒸汽后，其中大量

的能量即通过自然传导进入二次蒸汽中。普通的蒸发器由于

无法再利用二次蒸汽中的能量（潜热），而被迫向加热室连

续补入外来蒸汽作为维持蒸发运行的能源。MVR蒸发器由于

形成了一个热泵系统，则可以将二次蒸汽中的能量输送回到

蒸发器中作为物料蒸发出二次蒸汽所需能源，从而无需再添

加外来蒸汽即可维持蒸发的连续运行。这就是MVR蒸发器

为什么节能，为什么不消耗外来蒸汽的根本道理。

MVR蒸发器的蒸汽消耗非常低，蒸发吨水耗汽量约0.02

吨汽（20Kg汽，主要用于密封压缩机），远比带热泵四效降

膜最低汽耗0.23吨要低得多。在制糖工业生产上的许多场合,

很容易通过废热或料与料之间的换热将蒸发进料温度升至

比蒸发温度略高，这样MVR蒸发器的物料预热也会无需耗

汽。

MVR的电能消耗是用来提升二次蒸汽的品位，通过压缩

升温将本来已经没有使用价值的废弃二次蒸汽变得可以再

利用，而不是将电能作为驱动蒸发的能源，也不是用电来加

热蒸汽。

MVR蒸发器的蒸发温度较低，因MVR蒸发器采用单效

真空蒸发，蒸发温度相当于多效降膜蒸发器的末效蒸发温

度。蒸发温度低对糖液的浓缩非常有好处，糖液在浓缩过程

颜色基本不加深。

MVR蒸发器的循环冷却水的消耗量非常低。30℃循环冷

却水循环量＜2吨/蒸发吨水。

MVR蒸发器的电耗相对较高，蒸汽压缩机的装机功率约

为22KW/T蒸发量/h,由于蒸汽压缩机电耗较大导致蒸发每

吨水的电耗比带热泵四效降膜蒸发器高16〜20度。

生产0.21吨蒸汽约需消耗42.0Kg标煤，电厂发电15度

约需消耗5.6Kg标煤，用MVR蒸发器替代多效降膜蒸发器，

蒸发每吨水可节约36.4Kg标煤，节煤率高达86.7%。

在当今能源价格上涨造成蒸汽价格上升的前提下，

MVR蒸发器的推广应用变得越来越合适。

MVR蒸发器的造价较高，造价高的主要原因在蒸汽压缩

机。MVR蒸发一般选用温升8℃左右的蒸汽压缩机（若采用

更高温升，蒸发器造价可以下降电耗会成比例增加，需从经

济上核算后决策），低于四效降膜蒸发器每效的传热温差，

所以MVR蒸发器的传热面积约为四效降膜蒸发器总换热面

积的1.5〜1.8倍，较高的换热面积造成MVR蒸发器扣除蒸汽

压缩机造价后仍然比带热泵四效降膜蒸发器高25〜30%。不

过采用MVR蒸发器后，是可以同时节省块锅炉房的投资和

30℃循环冷却水的投资，所以对自产蒸汽的企业，MVR蒸发

器扣除蒸汽压缩机造价后的投资额与带热泵四效降膜蒸发

器的投资额基本持平。

气体被压缩后温度的上升量我们称之为压缩温升。一般

气体压缩机的压缩温升都不会成为像MVR这样重要的关注

因素，因为MVR的压缩温升是建立蒸发浓缩的能量循环使

用系统最重要的驱动力，也就是传热温差。但是，由于机械

能的转化，饱和蒸汽通过MVR压缩后得到的被压缩蒸汽是

过热蒸汽，其过热度是与压缩机的压缩比成正比例的。我们

都知道，过热蒸汽的热焰中，其潜热是主要部分，显热与潜

热相比微不足道。虽然MVR压缩后的蒸汽过热对蒸发浓缩

传热效率的影响不是很大，但是蒸汽的过热对我们评判MVR

和蒸发液缩设备的工作效率和状况却会带来极大的误导。所

以我们MVR制造和应用行业形成了一个共识，评判MVR的

压缩温升时不用温度计实际测量的温度，而是用压力计测压

缩机进出口的压力，根据压力查对应的水蒸气饱和温度，饱

和温度之差才作为MVR的压缩温升。这一点很重要，如果

你用温度计实测的进出口温差来衡量MVR，你会得出不可思

议的错误结论。

MVR的密封采用多道破环密封，无论进口还是国产都无

法做到零泄漏，所谓蒸汽密封是指添加微量蒸汽以替代空气

漏向MVR,因为蒸汽漏入MVR后既不影响压缩机的运行性

能，又不影响蒸发器的真空度。还有一种解决MVR泄漏的

办法是采用平衡气腔式碳环密封，此次不详细介绍。

MVR蒸发器用于浓缩糖液时，出料浓度是一个需要在设

计蒸发器时重点考虑的问题。因为糖液浓度越高，糖液沸点

升高越大，同样压缩温升下蒸发的有效传热温差越小，或者

同样的有效传热温差下需要配备压缩温升更高，压缩机耗电

也更大。

饱和蒸汽的密度随着温度的升高而增大（82°C蒸汽比重

0.31Kg/m3约为空气的1/4）,所以MVR的进口温度对MVR

的造价影响不小，而且蒸发温度的提高对于减少蒸