一種可用于化工冷卻用途的低溫蓄冷方法的可行性研究

肖 鵬

(浙江美陽國際工程設(shè)計(jì)有限公司,杭州200233)

1 項(xiàng)目提出的背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電力需求激增,電力負(fù)荷的峰谷差也進(jìn)一步拉大,為滿足高峰時(shí)的用電負(fù)荷,國家不得不增設(shè)新電廠。但是這并不符合經(jīng)濟(jì)原則,因?yàn)樵谟秒姷凸鹊臅r(shí)間里很多的發(fā)電設(shè)備是閑置的。

為鼓勵(lì)企業(yè)和居民多用谷電,少用峰電,國家出臺(tái)了峰谷電分時(shí)電價(jià)等傾向性政策,目前峰谷電價(jià)差最大的地區(qū)是上海市,其峰谷電價(jià)比已達(dá)到5∶1。蓄冷技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移電力高峰電量,平衡電網(wǎng)峰谷差,因此,發(fā)展蓄冷技術(shù)是符合國家的產(chǎn)業(yè)政策的。

化工行業(yè)在許多生產(chǎn)工段需要低溫條件,其溫度范圍大多集中在-35～0℃之間。因此絕大多數(shù)化工廠都設(shè)有冷凍站,用以提供工藝生產(chǎn)需要的冷量,工藝?yán)鋬鲈诨ば袠I(yè)中的應(yīng)用是非常廣泛的。然而,筆者在對多個(gè)化工廠的冷凍站進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn),冷凍站的運(yùn)行電費(fèi)驚人,往往不到一年的運(yùn)行電費(fèi)就比購置冷凍設(shè)備的投資還要多。冷凍站是化工廠的用電大戶,如何能節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)就成為企業(yè)非常想解決的問題。

企業(yè)也采取了一些解決上述問題的辦法,如加大鹽水槽容積以增加蓄冷量,盡量在夜間谷電時(shí)開足制冷機(jī),盡量減少白天峰電時(shí)的開機(jī)時(shí)間,利用峰谷電價(jià)差來節(jié)約電費(fèi)。但是這些只利用鹽水的顯熱蓄冷的辦法,其效果非常有限,冷凍站運(yùn)行電費(fèi)巨大的問題依然沒有解決。如果能研究出可應(yīng)用于化工大生產(chǎn)的蓄冷裝置,既能為企業(yè)節(jié)約大量的生產(chǎn)成本,又能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益,市場前景將非常廣闊。

2 兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二元共晶系的凝固特點(diǎn)

二元共晶系的相圖可用圖1來表示。

圖1 二元共晶系相圖

圖1為典型的二元共晶系相圖。α、β分別代表組元A、B的固相。根據(jù)凝固點(diǎn)降低定律,純A的凝固點(diǎn)在C,由于加入溶質(zhì)B,A的凝固點(diǎn)沿CE線隨B成分的增加逐漸下降直到E。同樣,B的凝固點(diǎn)也沿DE下降直至E。在E點(diǎn),兩組元同時(shí)結(jié)晶下來,形成具有確定組分的A和B的固態(tài)低共熔混合物,E點(diǎn)因此被稱為共晶點(diǎn)。CE和ME線之間為固相A與液相平衡共存的兩相區(qū),DE和NE線之間為固相B與液相平衡共存的兩相區(qū)。E點(diǎn)為2條液相線與固相線的交點(diǎn),它是液相能夠存在的最低溫度,E點(diǎn)具有固定不變的溫度與組分,以共晶點(diǎn)E比例混合的相變介質(zhì)性能穩(wěn)定,且與純物質(zhì)的相變性能一樣,具有確定的單一溶點(diǎn)和融解熱。

用于-35～0℃這樣的溫度范圍,利用二元共晶系的凝固特點(diǎn),可以采用水-鹽溶液的二元共晶系作為蓄冰介質(zhì)。此時(shí),C點(diǎn)為純水的凝固點(diǎn),對應(yīng)的溫度為0℃,D點(diǎn)為鹽的凝固點(diǎn)。CE線成為析冰線,ED為析鹽線,E為共晶點(diǎn)。

換言之,純水的凝固點(diǎn)是0℃,鹽水溶液具有低于0℃的凝固點(diǎn),不同濃度的鹽水溶液的凝固點(diǎn)是不同的。小濃度的鹽水溶液其凝固過程是先析出淡水冰,析冰的過程中,溶液的濃度逐漸變大,凝固點(diǎn)也逐漸降低,直到濃度增大到共晶濃度時(shí),才在共晶溫度下全部凝成固體;大濃度的鹽水溶液其凝固過程是先析出鹽,析鹽的過程中,溶液的濃度逐漸變小,凝固點(diǎn)也逐漸降低,直到濃度減小到共晶濃度時(shí),才在共晶溫度下全部凝成固體。

利用上述特性,對于實(shí)際工程中需要的特定溫度,從理論上說都可以找到某種鹽類,它的水溶液共晶溫度與此特定溫度相同或接近。在工程應(yīng)用中只需要配制出與此鹽類水溶液的共晶溫度對應(yīng)的濃度,就可以實(shí)現(xiàn)在共晶溫度下的相變,從而實(shí)現(xiàn)在此溫度下的蓄冷和放冷。例如配制22.4%的氯化鈉水溶液,-21.2℃就是22.4%的氯化鈉水溶液的冰點(diǎn),就可以使其在-21.2℃時(shí)穩(wěn)定結(jié)冰和熔化;配制19.5%的氯化鉀水溶液,-10.7℃就是19.5%的氯化鉀水溶液的冰點(diǎn),就可以使其在-10.7℃時(shí)穩(wěn)定結(jié)冰和熔化。

2.2 開式動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)

空調(diào)供冷系統(tǒng)多為盤管換熱,因此水系統(tǒng)宜采用閉式系統(tǒng)。而化工行業(yè)用冷多用于反應(yīng)釜,為夾套換熱,無法密閉,因此其水系統(tǒng)只能采用開式系統(tǒng)。用冷端采用開式系統(tǒng)的方式,就使得傳統(tǒng)的用于空調(diào)制冰的盤管或冰球設(shè)備都不是很合適了,而現(xiàn)在食品及染料行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的板冰機(jī)卻很適合這一系統(tǒng)。在板冰機(jī)制冰系統(tǒng)中,共晶鹽溶液既作為蓄冷介質(zhì),又作為供冷介質(zhì),中間無需再有其他載冷介質(zhì)。換熱過程的減少對于系統(tǒng)能效比的提高是有利的,而且冰與鹽水直接接觸,消除了傳熱溫差,傳熱效率得以提高。

3 項(xiàng)目的實(shí)施方案

3.1 實(shí)施方案簡述

針對不同的工程應(yīng)用溫度,選用合適的鹽類水溶液,使其共晶溫度與工程應(yīng)用溫度相同或相近,將此鹽類水溶液按共晶濃度進(jìn)行配制,配制好的鹽類水溶液作為載冷劑,兼作蓄冰介質(zhì)。采用板冰機(jī)作為制冰設(shè)備,板冰機(jī)置于蓄冰槽上方,板冰機(jī)選取的蒸發(fā)溫度以共晶溫度為基礎(chǔ),考慮合適的傳熱溫差(傳熱溫差一般取8℃),制取的冰從蒸發(fā)板片上脫落后,落入蓄冰槽,儲(chǔ)存在蓄冰槽中。采用高溫制冷劑熱氣脫冰技術(shù)可以方便、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)制冰和脫冰工況的轉(zhuǎn)換。采用獨(dú)立的制冰流程,獨(dú)立的外供低溫鹽水流程,使得制冰和供冷可完全獨(dú)立地進(jìn)行也可同時(shí)進(jìn)行,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況可靈活調(diào)度。

3.2 實(shí)施方案說明

冷凍鹽水循環(huán)泵從蓄冰槽下部吸取鹽水溶液,輸送至噴淋裝置,將其噴灑在板冰機(jī)的蒸發(fā)板片上,此時(shí)板冰機(jī)為制冰工況,即將節(jié)流后的低溫液態(tài)制冷劑引入蒸發(fā)板片,設(shè)定板冰機(jī)的蒸發(fā)溫度比共晶溫度低6～10℃,能實(shí)現(xiàn)在共晶溫度下制冰;冰層附著在板冰機(jī)上,厚度逐漸增加,至8～10mm時(shí),將板冰機(jī)的工況變?yōu)槊摫r,即將壓縮冷凝裝置的高溫氣態(tài)制冷劑引入蒸發(fā)板片,蒸發(fā)板片受熱,附著在上面的冰從蒸發(fā)板片上脫落下來,落入蓄冰槽內(nèi),浮于蓄冰槽的上部;上述即為完整的制冰、脫冰過程,重復(fù)以上過程就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的制冰、脫冰。

圖2 方案系統(tǒng)原理圖

冷凍鹽水外送泵從蓄冰槽下部吸取鹽水溶液,將其輸送至工藝用冷崗位,換熱后溫度升高的鹽水溶液可直接回至蓄冰槽或接至噴淋裝置經(jīng)過蒸發(fā)板片后再回至蓄冰槽。如果直接回至蓄冰槽,則鹽水溶液噴灑在浮于蓄冰槽上方的冰上,較高溫度的鹽水與冰直接接觸,使冰融化,融冰的過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷量的釋放。在用冷高峰時(shí),則可以使鹽水回水先至噴淋裝置,經(jīng)過蒸發(fā)板片冷卻后再回至蓄冰槽,此時(shí)可調(diào)高板冰機(jī)的蒸發(fā)溫度,使蒸發(fā)板片僅起冷卻作用,而不產(chǎn)生制冰效果。蓄冰槽中一直處于冰水混合物的狀態(tài),這樣就可以保證供冷介質(zhì)的溫度與鹽水溶液的共晶溫度是基本相等的。對外供冷的過程和制冰的過程是獨(dú)立的,可以實(shí)現(xiàn)制冰,供冷,以及制冰和供冷同時(shí)進(jìn)行等運(yùn)行方式,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況可靈活調(diào)度。

方案系統(tǒng)原理圖見圖2。

4 采用板冰蓄冷方案的經(jīng)濟(jì)效益分析

現(xiàn)以浙江省臺(tái)州市某化工廠-20℃冷凍站為例,對采用板冰蓄冷方案與常規(guī)制冷方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。

(1)設(shè)計(jì)條件如下:

1)峰值負(fù)荷420kW。

2)各時(shí)段負(fù)荷率不同,見表1“負(fù)荷率”項(xiàng)。

3)浙江省臺(tái)州市實(shí)行三段分時(shí)電價(jià)政策,高峰時(shí)段的電價(jià)是低谷時(shí)段電價(jià)的3倍,平峰時(shí)段的電價(jià)是低谷時(shí)段電價(jià)的2.17倍,具體分時(shí)電價(jià)為:8時(shí)～11時(shí),電價(jià)0.841元 (平峰);11時(shí)～13時(shí),電價(jià)1.05元 (高峰);13時(shí)～18時(shí),電價(jià)0.841元(平峰);18時(shí) ～22時(shí),電價(jià)1.05元 (高峰);22時(shí)～8時(shí),電價(jià)0.388元 (低谷)。見表1“電費(fèi)單價(jià)”項(xiàng)。

(2)常規(guī)冷凍方案為:選擇氯化鈣溶液作為載冷劑,濃度為30%;選擇兩臺(tái)螺桿式低溫鹽水機(jī)組,總制冷量430kW(蒸發(fā)溫度-25℃,冷凝溫度35℃,耗電量112.2kW);配備相應(yīng)的鹽水循環(huán)泵,鹽水外送泵;采用有效容積為75m3的鹽水槽一只。

(3)板冰式蓄冷的方案為:選擇氯化鎂溶液作為載冷劑,其共晶溫度為-19.4℃,共晶濃度為25%;選擇一臺(tái)板冰機(jī),制冷量400kW(蒸發(fā)溫度-28℃,冷凝溫度35℃,耗電量112kW);配備相應(yīng)的鹽水循環(huán)泵,鹽水外送泵;經(jīng)計(jì)算,需要的最大蓄冰容積為60m3,采用有效容積為75m3的蓄冰槽一只。

(4)兩個(gè)方案的鹽水循環(huán)泵和鹽水外送泵的用電量相等,在比較時(shí)略去,兩方案的電費(fèi)差異分析如下:

常規(guī)冷凍方案每天電費(fèi):3486.039元

常規(guī)冷凍方案每年電費(fèi):1272404元

常規(guī)冷凍方案造價(jià):74萬元

板冰蓄冷方案每天電費(fèi):2307.81元

板冰蓄冷方案每年電費(fèi):842350元

板冰蓄冷方案造價(jià):170萬元

每年電費(fèi)節(jié)省:1272404-842350=430054元

兩方案造價(jià)差異:170-74=96萬元

靜態(tài)回收期:96/43=2.24年

方案比選表見表1。

(5)采用板冰蓄冷方案每年可節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)約43萬元,增加投資的靜態(tài)回收期為2.24年,本方案經(jīng)濟(jì)性是比較好的,明顯優(yōu)于一般的空調(diào)冰蓄冷項(xiàng)目5～6年的投資回收期。分析本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于一般的空調(diào)冰蓄冷的原因在于:

表1 方案比選

1)使用時(shí)間長。工藝用冷全年12個(gè)月都需要使用,而空調(diào)的使用期一般是3～5個(gè)月,使用時(shí)間的變長,使得用年為計(jì)算單位的投資回收期變得很有優(yōu)勢。

2)載冷劑兼作蓄冰介質(zhì),系統(tǒng)比一般的空調(diào)冰蓄冷項(xiàng)目有所簡化,造價(jià)就會(huì)有所下降,從而縮短了投資回收期。

3)冰,水直接接觸,換熱效率比間接換熱有所提高,系統(tǒng)能效比有所提高。

5 用戶適應(yīng)性分析

5.1 化工企業(yè)用冷的一些特點(diǎn)

(1)企業(yè)的用冷負(fù)荷是波動(dòng)的,不同時(shí)段的冷負(fù)荷都是變化的,可以用小時(shí)負(fù)荷圖形來表示。

(2)末端的用冷設(shè)備一般是反應(yīng)釜,換熱方式一般是夾套換熱,因此供冷方式只能采用開式系統(tǒng)的方式。

(3)末端的換熱溫差是不穩(wěn)定的,因此夾套回水的溫度是波動(dòng)很大的,而這對于提供穩(wěn)定的供水溫度都是不利的。企業(yè)往往通過加大鹽水槽容積,增加緩沖能力來減小回水溫度的變化的影響。

(4)企業(yè)往往在夜間利用鹽水槽進(jìn)行蓄冷,其方法是,將鹽水槽的溫度盡量降低,用溫差進(jìn)行蓄冷。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn),有的鹽水槽在一天之內(nèi)的溫度變化范圍在-20～-4℃。夜間負(fù)荷低時(shí),鹽水槽溫度在-20℃,白天用冷高峰時(shí),鹽水槽溫度只有-4℃。溫度過低,對于制冷機(jī)的效率有很大影響,溫度過高,對于工藝?yán)鋮s速度又有很大影響,如此大的溫度波動(dòng)對于生產(chǎn)和節(jié)能都是不利的。

5.2 采用板冰蓄冷方案的適應(yīng)性分析

(1)企業(yè)的用冷負(fù)荷是波動(dòng)的,如果按常規(guī)冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì),制冷機(jī)應(yīng)按最大負(fù)荷選型。而采用本技術(shù)可有移峰填谷的效果,制冷機(jī)的選型可減小。與制冷機(jī)對應(yīng)的水泵等附屬設(shè)備也可減小。

(2)板冰式蓄冷很適合開式系統(tǒng)的方式,可直接供冷,載冷劑可兼作蓄冷介質(zhì),無需其他中間環(huán)節(jié),系統(tǒng)也非常簡化。

(3)板冰式蓄冷的冰和鹽水直接接觸,換熱效率高,放冷速度快,可很好地解決回水溫度波動(dòng)影響鹽水供水溫度的問題。

(4)水的比熱只是其潛熱的八十分之一,用溫差蓄冷既增加了制冷機(jī)的耗電量,又不能獲得很好的蓄冷效果。如果改用板冰式蓄冷,既能真正起到蓄冷的作用,又可減小鹽水槽的溫度波動(dòng)。溫度波動(dòng)的減小對于工藝反應(yīng)速度的控制是非常有利的。

6 板冰式蓄冷方案的社會(huì)效益分析

盡管國家近年來大力進(jìn)行電力建設(shè),但電力的增長仍然滿足不了每年用電量增長的要求,全國缺電的局面仍未得到根本的改變。而同時(shí)電力系統(tǒng)峰谷差卻在增加,電網(wǎng)負(fù)荷率明顯下降,峰電不足,谷電有余。將峰時(shí)用電轉(zhuǎn)移到谷時(shí)用電是國家鼓勵(lì)的發(fā)展方向。本項(xiàng)目正是從電力用戶著手,參與電力調(diào)峰,平衡電網(wǎng),充分利用谷期電力,將部分峰期電力需求轉(zhuǎn)移到谷期,削減供電量,減少電力建設(shè)投資,保護(hù)大氣環(huán)境。對緩解高峰電力壓力,提高能源使用效率和保護(hù)環(huán)境都將有巨大的社會(huì)效益。

7 本項(xiàng)目的評價(jià)結(jié)論

綜上所述,利用鹽水溶液的共晶溫度,采用板冰機(jī)制冰用于化工冷卻的方法,在技術(shù)上是可行的。按此方案實(shí)施的項(xiàng)目,在初投資上雖有所增加,但是增加的投資用2年左右時(shí)間可以就收回,并且每年可以節(jié)約大約三分之一的運(yùn)行電費(fèi),因此經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。本項(xiàng)目能實(shí)現(xiàn)工業(yè)用電的移峰填谷效果,提高能源的利用效率,平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷,減緩電廠和輸變電設(shè)施的建設(shè),這些都是符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排的總體目標(biāo)的。

因此本項(xiàng)目是一項(xiàng)技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)效益顯著,社會(huì)效益良好的項(xiàng)目。

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