几乎在所有的工业生产领域中能源费用都是一个热门话题，并且会发展成为影响企业经济性的一个重要因素。然而许多流程设备的运营商们却对能源浪费严重的蒸汽设备熟视无睹。GEA Wiegand公司的工程师们从技术角度进行了分析，找出了限制蒸汽设备能源需求，并把环境保护和提高能源利用率结合在一起的解决方案。

无论是环境、化工、制药还是食品工业企业，凡是涉及到蒸发、污水处理、溶剂回收再利用或是例如浓缩产品的浓度等操作时，都离不开拥有许多优点的蒸汽设备。但是，蒸汽设备也像其他热力学技术设备一样有一个致命的缺点，即由于物理原因，蒸汽设备要消耗大量的能源，从而在企业的能源利用方面有着非常糟糕的负面影响。因此，GEA Wiegand公司的工程技术人员把提高蒸汽设备能源利用率视为一个非常重要的设计目标。德国Efflingen市GEA Wiegand公司的工程技术人员开发了一系列智能化的蒸汽设备控制技术，使得流程设备运营商们能够从这些智能化蒸汽设备控制方案中获利，降低企业的CO2排放量。

德国南部的一个淀粉厂就是获益丰厚的实例。在这家淀粉厂的厂区里，蒸汽设备的烟囱直插云霄，高达45m。但它配备了机械蒸汽再压缩器，控制方式有着很好的经济性。在利用马铃薯生产淀粉的过程中会产生大量的含有丰富氨基酸的冲洗水。这样的冲洗水必须经蒸汽冷凝处理后才能作为生产污水排放出去。蒸发器高效运行的关键是所使用的能源。机械蒸汽再压缩的特点是，由按照机械压缩原理工作的压缩机在蓄热室蒸发器中用很高的压力对生产过程中产生的蒸汽进行压缩。它只需消耗相对较少的能源就能够使得工业用热得到再利用。压缩机压缩蒸汽所需的功比热压缩所需的蒸汽焓要少得多。因此，在每天都产生大量蒸汽的生产情况下，这种方法是非常经济的蒸汽压缩工艺方案。

在机械性蒸汽压缩中常用的压缩机是涡轮压缩机和大功率鼓风机，但具体选择何种压缩机取决于生产使用条件，即温度差和与其有关的压缩比。根据经验，选择的温度提高值越低，所需的压缩功就越少。另一方面，随着压缩比的减小所需的受热面积就要增大。因此，也要像一般的多级压缩机那样在设备投资和设备使用运行费用之间找到一个平衡点。

找到最佳平衡点

随着能源价格的不断上涨，机械蒸汽再压缩器的使用也显得越来越有意义了，因为它能够明显缩短设备的投资回收期。

过去，传统的蒸汽设备都是多级蒸发器或者以热蒸汽压缩方式工作的蒸汽压缩设备。在多级蒸发器式的蒸汽压缩设备中，新鲜的灼热蒸汽加热的不止是一级蒸发器，而是多级蒸发器。蒸发器的级数越多，对一级蒸汽能的需求就越少。随着级数的增加，载热介质与产品之间的温度差极具下降，这样也就要求加热面积不断增大。也就是说随着多级蒸发器级数的增加，投资的费用也就增加，以便降低每一级的蒸汽用量。第2种常用方法是按照喷射泵的原理把锅炉沸腾室中的蒸汽热压缩到蓄热室很高的压力中。工作蒸汽压缩着蒸汽，使这些蒸汽重新又作为热载体返回生产过程之中，得到利用。这一蒸汽设备设计的关键，是在设备投资和设备运行时所需的能源消耗之间找到一个最佳的平衡点。

图2  烘干时可以回收再利用的蒸汽往往来自环形烘干设备

更经济地生产生物乙醇

通过实例可以看出流程工艺技术人员是如何精心设计热力学技术流程，实现整个设备的节能的。GEA Wiegand公司的工程技术人员靠这一创新性研发项目获得了集团公司级的创新奖。利用特殊的节能机制可把威士忌蒸馏过程中的能源消耗降低一半以上。只需在威士忌蒸馏后对威士忌蒸汽用降膜蒸发器进行蒸馏，并把蒸馏吸收的热能用于生产低压蒸汽，而利用机械蒸汽再压缩器则可以提高温度，把蒸汽重新输入到威士忌蒸馏过程中使用。

这一经过改进的生产方式也可以在生物乙醇的生产过程中使用。传统的生物乙醇生产方法与威士忌的生产非常相似，因为这套设备也是由两个与能量有关的蒸馏塔组成。合理的工艺技术充分利用了这两个蒸馏塔，并利用多重机械蒸汽再压缩器将它们连接起来。这样，通过这一设备的总流量就增加了一倍，而所消耗的蒸汽量没有增加。

生物乙醇的生产过程中蒸馏所消耗的能量最大。利用传统蒸馏工艺技术每生产1L纯乙醇要消耗2kg的蒸汽，而新的工艺技术把蒸汽消耗降低了一半，同时也明显降低了CO2的排放量，运营商支付的排污费用也减少了。对于一套年产100000t生物乙醇的流程设备新技术，所节约的蒸汽费用每年高达数百万欧元。

图3  这一配备了机械蒸汽再压缩装置的三级降膜蒸发器设备利用干燥的废蒸汽加热，提供的蒸汽输出量为25000kg/h。在使用机械蒸汽再压缩技术之后每年可以节约120万欧元的能源费用，减少4850t CO2的排放

干燥设备中使用亦理想

GEA Wiegand公司开发的新技术还可以在酒糟干燥过程中使用。这里也巧妙的把排出的蒸汽气流重新利用起来了：不是把用过的蒸汽当做废气排放到大气之中，而是把它们重新回输到蒸发器中，从而减少初级能源的消耗。在工作设备中使用这种废蒸汽回用的潜力非常巨大。无论是在木质素的生产加工过程中，还是在酒精生产企业中，凡是有大量残留物质需要干燥的生产企业都可以利用这一技术。

在利用小麦生产生物乙醇的过程中，例如蒸馏后剩下一些有营养的、含有大量谷物成分的稀薄液体，这些液体首先要利用蒸发浓缩，然后烘干。最后只剩下干燥的固体成分，加工成动物饲料。从烘干设备中排出的蒸汽长年累月都被简单地排放到大气中，而很长时间以来从技术上完全有可能重新利用这些从干燥设备中排出的蒸汽，来实现减少蒸汽生产所需能源的目的。

有许多原因致使蒸汽设备运营商在过去的时间里一直没有充分回收再利用这些蒸汽能源：

长期以来法律法规允许把蒸汽排放到大气中；

带有蒸汽回收再利用的蒸汽生产设备价格较高；

蒸汽回收再利用的技术方案比较复杂，监控难度较大；

长期以来能源是一种物美价廉的产品。

然而随着时间的推移许多情况都发生了变化，影响企业能源费用的因素增多了。例如，法律法规从保障人身健康的角度严格规定了蒸汽排放。这也就迫使企业使用价格更高的蒸汽设备。另一方面，能源价格飞速上涨，从而可以很快收回在蒸汽回用装置方面的投资。例如，1997年时俄罗斯蒸汽的价格只有2欧元/立方米，而2010年时价格已经上升到8~10欧元/立方米了；

而在德国蒸汽的价格更是高达21~24欧元/立方米。采用具有蒸汽回收再利用系统的蒸汽生产设备，不仅能够节约初级能源的费用，而且还可以在获得生态、经济性优点的同时减少CO2的排放，并降低蒸汽生产设备使用运行成本。在企业的能源供应比较紧张的情况下，蒸汽的回收再利用是非常理想的，因为一般情况下蒸汽生产都要供大于求，或是需求波动很大，尤其是在蒸汽需求量波动较大的情况下，仅靠蒸汽回收再利用就可以补充蒸汽需求的波动了。

合适的蒸汽回收再利用时机

蒸汽是否值得回收再利用，要根据水蒸气-空气混合气的组成成分予以确定。水蒸气-空气混合气的露点越高，水蒸气的比例就越大，其所含可用能源也就越多。这种蒸汽回收再利用设备最适用于在环形或者滚筒式干燥设备中使用，即在把回收的蒸汽回送到蒸汽生产设备之前可以完成不同的生产流程，例如在洗涤、饱和/冷却、加压及干燥等工艺流程的设备中使用。实现蒸汽回收再利用的关键是一个所谓的喷射器。一个具有自吸功能的液体喷射阀，相当于一个射水泵。它按照喷射原理进行工作，把喷射出去的水雾化成细微的水滴直接进入蒸汽气流。这里的关键，是微细水滴把自己的脉冲动力也带入到蒸汽气流中，并通过所产生的吸引力把蒸汽压缩。由此而增高的压力足以推动蒸汽气流运动，无需辅助使用鼓风机。

小结

几乎在所有的流程工业领域中，从食品生产到化工/医药产品生产领域，直至环保技术领域都有使用GEA Wiegand蒸汽回收再利用设备的企业。这种机械式蒸汽再压缩设备结合蒸汽回用系统、智能化热能管理系统可以大大降低初级能源的需求量，既有利于企业节省资金又有利于环境保护。

降膜蒸发器和机械式蒸汽再压缩设备的结合

根据产品和希望的粘度比，如今的经济性蒸汽生产设备通常有单级的、机械加热的降膜蒸发器，有时也结合使用热力学加热或者机械加热的终端设备。在有利的生产条件下，配备机械蒸汽再压缩装置的降膜蒸发器每蒸发1000kg水所需的电力能源在8~10kW之间。在不利的生产条件下这一数值可增大到20~30kW，但仍然比传统蒸汽锅炉所需的能源少一半以上。