熱泵技術(shù)回收工業(yè)低溫余熱的探討

文 / 尚建程 趙文喜 張建軍 天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院

面對(duì)我國(guó)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，如何提高我國(guó)工業(yè)的綜合能源利用效率并降低環(huán)境污染，已成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

工業(yè)中的高品質(zhì)余熱資源可以通過余熱鍋爐發(fā)電等形式進(jìn)行回收；而類似于循環(huán)冷卻水或低溫蒸汽凝液等工業(yè)低溫余熱資源，因其溫度低而無法直接送回生產(chǎn)工藝過程中，一般難以利用，多通過冷卻塔與空氣進(jìn)行換熱而排放掉這部分熱能。因此，如何利用低位熱源成為新的課題，而熱泵技術(shù)在此課題中占有重要的地位。

熱泵技術(shù)是回收和利用低位熱能的有效手段之一。隨著熱泵及其各種驅(qū)動(dòng)裝置的研制和熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究工作的開展，熱泵技術(shù)將在我國(guó)得到日益廣泛的應(yīng)用，在節(jié)能工作中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

1 工業(yè)余熱資源及利用

我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，特別是在鋼鐵、有色、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業(yè)，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收率達(dá)60%。目前，我國(guó)余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業(yè)余熱資源利用率約為30%～50%，其他行業(yè)更低，余熱利用提升潛力大。

工業(yè)余熱資源從其來源可分為高溫?zé)煔庥酂幔焕鋮s介質(zhì)余熱；廢水、廢氣余熱；化學(xué)反應(yīng)余熱；可燃廢氣、廢液和廢料余熱；高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱六類，其中，高溫?zé)煔庥酂岷屠鋮s介質(zhì)余熱占比最高，分別達(dá)到余熱總資源的50%和20%左右，是余熱回收利用的主要來源。

高溫?zé)煔庥酂帷⒒瘜W(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣/廢液和廢料余熱等，通常溫度較高，可直接用于余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或發(fā)電，是目前工業(yè)余熱利用的主要方式；高溫產(chǎn)品和爐渣余熱，可通過與原料進(jìn)行換熱以提升燃料預(yù)熱溫度的方式進(jìn)行利用；而對(duì)于工業(yè)冷卻介質(zhì)余熱、廢水廢氣余熱（低品位的蒸汽和凝結(jié)水余熱），溫度一般較低，如循環(huán)冷卻水溫度一般不超過30℃，回收利用相對(duì)困難。

2 熱泵技術(shù)

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置，目前主要分為壓縮式和吸收式兩類。

2.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。機(jī)械壓縮式熱泵系統(tǒng)的工作過程如下：低佛點(diǎn)工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)成蒸汽，此時(shí)從低溫位處吸收熱量，來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，達(dá)到所需溫度和壓力的蒸汽流經(jīng)冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機(jī)耗功所相當(dāng)?shù)哪遣糠譄崃颗懦觥７懦龅臒崃烤蛡鬟f給高溫?zé)嵩矗蛊錅匚惶岣摺Ｕ羝淠禍睾笞兂梢合啵鹘?jīng)節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質(zhì)流入蒸發(fā)器，由于沸點(diǎn)低，因而很容易從周圍環(huán)境吸收熱量而再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。

2.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵是利用工質(zhì)的吸收循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱泵功能的一類裝置，它采用熱能直接驅(qū)動(dòng)，而不是依靠電能、機(jī)械能等其他資源。目前常用的溴化鋰吸收式熱泵包括兩類：第一類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組是一種以高溫?zé)嵩矗ㄕ羝⒏邷責(zé)崴⑷加汀⑷細(xì)猓轵?qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫?zé)嵩矗ㄈ鐝U熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑瑢?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備；第二類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組也是一種回收利用低溫?zé)嵩矗ㄈ鐝U熱水）的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑瑢?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備，它以低溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫?zé)嵩礈囟雀叩臒崦健Ｋc第一類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來驅(qū)動(dòng)，但需要較低溫度的冷卻水。

此外，在提高效率、尋找新型制冷劑、開發(fā)新的制冷循環(huán)等方面，目前已涌現(xiàn)出許多新的研究成果，例如吸收壓縮式循環(huán)（ACHP）系統(tǒng)。與常見的壓縮式系統(tǒng)不同，ACHP 系統(tǒng)由于引入了高沸點(diǎn)的工質(zhì)，使得溶液性質(zhì)有了很大變化。吸收和發(fā)生過程壓力變化較小，但溫度卻隨著溶液成分的變化有著較為顯著的變化，因此能滿足大范圍熱源溫度的需要。ACHP 具有容積排量小、吸收器壓力低、能效比（COP）高、可提升溫差大、可利用的余熱溫度低等優(yōu)點(diǎn)。盡管ACHP的優(yōu)點(diǎn)被很多學(xué)者認(rèn)可，但是到目前為止基本上沒有商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn)，大多數(shù)裝置都局限于實(shí)驗(yàn)。

3 循環(huán)水余熱利用工程案例

天津市某工業(yè)區(qū)內(nèi)擁有發(fā)電、機(jī)械、化工等諸多大型工業(yè)企業(yè)，工業(yè)余熱資源豐富，根據(jù)調(diào)研，該工業(yè)區(qū)內(nèi)某化工廠循環(huán)冷卻水循環(huán)流量較穩(wěn)定，為1.5萬m3/h，冬季最低水溫為25℃。同時(shí)，該工業(yè)區(qū)周邊建設(shè)有綜合配套服務(wù)區(qū)，主要包括住宅區(qū)、廠房區(qū)和公建區(qū)，供熱總建筑面積440萬m2。為解決配套服務(wù)區(qū)建筑供熱問題，工業(yè)區(qū)以該化工廠的工業(yè)循環(huán)冷卻水作為低位熱源，采用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組，將低位熱能轉(zhuǎn)變成高位熱能，實(shí)現(xiàn)余熱利用的同時(shí)，減少污染物的排放。

3.1 建筑供熱負(fù)荷估算

根據(jù)綜合配套服務(wù)區(qū)各建筑功能單元的建筑面積及熱指標(biāo)，估算建筑采暖熱負(fù)荷詳見表1。

表1 擬供熱建筑技術(shù)指標(biāo)

綜合配套服務(wù)區(qū)建筑總建筑面積約440萬m2，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷約245MW。

3.2 供熱方式及供回水溫度

根據(jù)目前規(guī)劃，三種供熱功能區(qū)的末端形式及供回水溫度見表2。

表2 各功能建筑末端形式及供回水溫度

3.3 方案設(shè)計(jì)

集中供熱站采用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組，通過天然氣作為驅(qū)動(dòng)能源，將來自化工廠循環(huán)冷卻水中的低位熱能轉(zhuǎn)換成較高位熱能，通過供熱管網(wǎng)將熱量與綜合配套服務(wù)區(qū)的末端換熱站進(jìn)行換熱后用于冬季供熱。本工程設(shè)計(jì)供水溫度75℃，設(shè)計(jì)回水溫度38.8℃，系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)流程示意圖

3.4 環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)性分析

該項(xiàng)目工程投資包括站房土建、管網(wǎng)、吸收式熱泵機(jī)組資、水源熱泵機(jī)組、附屬設(shè)備及安裝投資等，總投資費(fèi)用為42623萬元；年運(yùn)行能源費(fèi)用主要為天然氣費(fèi)、電費(fèi)，為8419.8萬元；年收入37215萬元；所得稅后回收期為4.92年，借款償還期為3年，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目集中供熱系統(tǒng)是一種利用可再生能源的供熱系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，不僅減少了燃煤的消耗，而且減少了污染物的排放，是一種節(jié)能環(huán)保的供熱系統(tǒng)。工程天然氣年消耗量為5184萬m3，折標(biāo)煤6.3萬t，可從循環(huán)水中獲得熱量約6.4萬t（吸收式熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的平均COP值為2.01）。若采用直接燃煤的245MW燃煤鍋爐，年約消耗煤炭15.12萬t，全年折標(biāo)準(zhǔn)煤10.8萬t。

因此，與直接燃煤供熱相比，本工程采用燃?xì)怃寤囄帐綗岜脵C(jī)組，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4.5萬t，相當(dāng)于減排CO211.7萬t、SO21080t、NOx 315t。（按每燃燒一噸標(biāo)煤排放CO2約2.6t，SO2約24kg，NOx約7kg）。

目前，該工業(yè)區(qū)一期內(nèi)進(jìn)駐企業(yè)的循環(huán)冷卻水規(guī)模共計(jì)約5.6萬t/h，若全部采用水源熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水余熱，將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，因此可作為示范工程進(jìn)行推廣。

綜上分析，工業(yè)低溫余熱資源的資源量較大，可通過熱泵技術(shù)進(jìn)行回收利用，生產(chǎn)較高品質(zhì)熱源，用于建筑物的冬季采暖。

4 結(jié)論

工業(yè)冷卻循環(huán)水水源熱泵集中供熱系統(tǒng)的利用，回收了工業(yè)冷卻循環(huán)水的余熱資源，擴(kuò)大了工業(yè)冷卻循環(huán)水用途，同時(shí)可減少由于廠區(qū)內(nèi)冷卻塔散熱產(chǎn)生的大量水蒸汽造成的污染。