热泵在工业余热回收中的作用

基于现代热泵技术,简述了吸收式热泵和压缩式热泵的工作原理及在工业余热回收中的应用,对常用的吸收式热泵的应用进行了简单的介绍。并分析了热泵在工业中低温和中高温的余热中的回收利用。 

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。“热泵”,顾名思义,它是输送“热量”的泵,是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,提供可被人们所用的高品位热能的装置。随着科学技术的进步, 现代工农业的高速发展, 能源的需要量越来越大,有很多场合需要温度不太高的低温热能,通常是以高热值的一次能源转换获得,与此同时工农业生产中大量余热被丢弃。热泵大致可分两大类: 一是蒸汽压缩式; 二是吸收式, 这是热泵的主流。还有其他型式的热泵, 但由于效率低或耗电量大或经济性差, 应用受到限制。

一.热泵类型分类

1.压缩式热泵

压缩式热泵可在制热和制冷两种工况下运行,以制热工况为例,压缩式热泵基本循环过程为低温低压的制冷剂在蒸发器中将等压吸收水源侧热量变为高温低压气体,然后进入压缩机,绝热压缩成高温高压气体,再进入冷凝器向用户侧等压放热后变成低温高压的液体,最后经过节流阀绝热节流后成为低温低压的制冷剂,制冷剂再流经蒸发器开始新的循环.1991年初在制订宝钢中长期能源规划时, 为了提高宝钢能源利用率, 提出了利用低温余热资源的问题。同年4 季度成立了“ 低温余热资源回收技术— 蒸汽压缩式水一水热泵的研究和应用” 课题组选定宝钢能源部制氧车间清循环水的回水作为低温余热资源, 制氧综合楼作为热泵供出热( 冷) 水的用户。

2.吸收式热泵

吸收式热泵是一种利用低品位热源,实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统。是回收利用低温位热能的有效装置,具有节约能源、保护环境的双重作用。 

2.1 吸收式热泵可以分为两类:

第一类吸收式热泵,也称增热型热泵,是利用少量的高温热源,产生大量的中温有用热能。即利用高温热能驱动,把低温热源的热能提高到中温,从而提高了热能的利用效率。第一类吸收式热泵的性能系数大于1,一般为1.5~2.5。

第二类吸收式热泵,也称升温型热泵,是利用大量的中温热源产生少量的高温有用热能。即利用中低温热能驱动,用大量中温热源和低温热源的热势差,制取热量少于但温度高于中温热源的热量,将部分中低热能转移到更高温位,从而提高了热源的利用品位。第二类吸收式热泵性能系数总是小于1,一般为0.4~0.5。两类热泵应用目的不同,工作方式亦不同。但都是工作于三热源之间,三个热源温度的变化对热泵循环会产生直接影响,升温能力增大,性能系数下降。

2.2 第一类溴化锂吸收式热泵机组是一种以高温热源(蒸汽、高温热水、燃油、燃气)为驱动热源,溴化锂溶液为吸收剂,水为制冷剂,回收利用低温热源(如废热水)的热能,制取所需要的工艺或采暖用高温热媒(热水),实现从低温向高温输送热能的设备。热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等主要部件及抽气装置,屏蔽泵(溶液泵和冷剂泵)等辅助部分组成。抽气装置抽除了热泵内的不凝性气体,并保持热泵内一直处于高真空状态。

第二类溴化锂吸收式热泵机组也是回收利用低温热源(如废热水)的热能,制取所需要的工艺或采暖用高温热媒(热水),实现从低温向高温输送热能的设备。它以低温热源(废热水)为驱动热源,在采用低温冷却水的条件下,制取比低温热源温度高的热媒(热水)。它与第一类溴化锂吸收式热泵机组的区别在于,它不需要更高温度的热源来驱动,但需要较低温度的冷却水。

2.3 吸收式热泵以溴化锂溶液作为工质,对环境没有污染,不破坏大气臭氧层,而且具有高效节能的特点。配备溴化锂吸收式热泵,回收电厂部分凝汽器排放大气中的热量,达到节能、减排、降耗的目的。同时作为集中供热主热源的热电厂而言,存在两个关键问题有待解决。一是汽轮机抽汽在加热一次网回水的过程中存在很大的传热温差,造成巨大的传热不可逆损失。二是目前大型抽凝式供热机组存在大量的汽轮机凝汽器余热通过冷却塔排放掉,该部分热量可占燃料燃烧总发热量的20%。将这部分热量用于供热,相对于在不增加电厂容量,不增加当地排放,耗煤量和发电量都不变的情况下,扩大了热源的供热能力,为集中供热系统增加了热量,提高了电厂的综合能源利用效率,同时可以减少电厂循环冷却水蒸发量,节约水资源,并减少向环境排放热量,具有非常显著的经济、社会与环境效益。

2.4主要优点:

(1)吸收式热泵系统的驱动力为高渴热能,不但能源形式丰富而且取材范田广泛。其能源利用形式主要有两个重要特点:

(2)能够回收利用大最低温热能如工艺产生的各种余热、废热、排热等,提高一次能源利用率、实现节能减排。

(3)以高温热能作为驱动力,虽然高温热能的品味较高、价值较大,但远没有电力的价值和作用高,所以较之传统压缩式热泵机组的节能效益会更加优异。当前在我国电力普遍紧缺的条件下,这类型热泵的工程应用价值更为突出。

(4)吸收式热泵机组只有功率较小的溶液循环泵及真空屏蔽泵在运转,再无其他运行部件,机组运行安静无噪音。

(5)吸收式热泵系统循环溶液工质多选用溴化锂溶液,无毒、无异味,满足环境要求。

(6)整个系统各装置大多在负压环境中运行,不存在爆炸等安全隐患。

(7)机组负荷调节随各装置运行压力的变化实现无级调节,应用范围广,适应能力强。

(8)日常管理、维护便捷。现阶段结构装置的制造水平集成度高,日常可靠性高,便于自动化控制与模块化拆装维修。

(9)由于机组运行非常安静,安装基础要求较低,所以同样适用于舰艇、医院、宾馆等高要求场所。

(10)单效吸收式热泵机组可以一机多用.冬季供热、夏季供冷,机组自身以及高温驱动热源系统全年运行的工况差异较小,安全生产得以保障。

主要缺点:

(1)机组对真空度的要求苛刻。通过实践表明,即便是漏入微量的空气也会严重影晌机组的能效,因此吸收式热泵装置的制造工艺要求很高。

(2)热泵机组循环运行中的制冷剂为水.因此通常情况下机组只能制取5℃以上的冷媒水,多用于空气调节以及一些生产工艺用冷冻水,限制其夏季的使用范围。

(3)溴化锂价格昂贵,且机组充灌量大,初投资相对较高。

2.5 吸收式热泵与热电联产相结合的集中供热技术,能源利用高,比常规热电联产供热方式大幅度减少运行费。

齐齐哈尔某热电厂二台125MW双抽气供热机组作为供热蒸汽源,目前总的供热能力为1004GJ/h,电厂供暖抽汽压力为0.34MPa和0.225MPa;一次网实际供水温度为121℃,回水温度为55℃。二次管网实际供水温度为70℃;实际总抽汽量为290~455吨/小时。如在原有的一级换热站附近设一个吸收式热泵机房,将30℃的供热回水先通过热泵机组加热至75℃左右再由抽汽加热至120℃供出,可使得主机供热蒸汽的耗量能够减少84.8t,而利用这84.8t中的一部分蒸汽驱动吸收热泵主机来吸收余热循环水中的热量,则实际可以提供的热量为63.24MW。按平均每平米热负荷60W计, 则实际可以增加供暖面积为:105万平方米。改造后每小时能减少蒸汽的用量为84.8t,采暖季减少标煤的用量为27518.4t,采暖季CO2减少量为71547.9t,采暖季SO2 减少量为619.1t , 采暖季NOX 减少量为257.2t,采暖季粉尘减少量为468.8t。

二.技术情况简介

1.工业余热回收中低温余热的热泵技术

将热量从低温部提取出来, 必须创造比该低温部更低的温度, 为此在定压定温下,要靠热泵利用一种中间介质( 即工质) 的蒸发与冷凝来完成, 且其饱和温度具有随压力升高的特性。通常采用压缩机将蒸发的工质蒸汽不断吸进, 压缩到以获得供热为目的的冷凝温度所对应的冷凝压力, 这样便可以由低温部吸取热量传给冷却水, 使该冷却水变为我们需要的热水, 而工质将热量释放给冷却水的同时自身液化, 然后减压返回低温部,再从低温部吸取热量变成蒸汽, 这种过程反复进行, 使低温部热量不断地传向高温部

图  热泵工质的压焓图

从图中可以看到热泵循环与制冷循环完全一样, 同属于逆向卡诺循环。热泵主要由蒸发器压缩机冷凝器和膨胀阀组成。

热泵设计和运行水平主要取决于供热系数, 而供热系数COP由Q1和AL决定:

COP=Q1/AL=Q1/(Q1-Q2)

式中: Q1— 热泵机组从低温热源处吸取的热量,k J / h ;

      Q2— 热泵机组输出的热量,k J/ h ;

      AL — 热泵机组耗功的热当量,k J/ h

从上式可知供热系数大于1 , 也就是说热泵与电热器相比, 两者虽然投入同样的功量(AL), 但热泵可获得数倍于电热器的热量, 其值为供热系数的值。所以使用热泵总是能够节约能源的

2.工业余热回收高温余热的热泵技术

2.1 技术分析

在高温热泵研究中,工质的选取是关键。对高温热泵工质的要求为[5]:①适中的冷凝压力,若考虑采用现有的常规部件, 则冷凝压力要低于2.4MPa;②蒸发压力在0.1MPa 以上, 防止在系统中形成负压;③尽可能高的单位容积制热量和COP,防止系统规模过于庞大;④尽可能低的压比、排温;⑤不可燃、化学稳定性好,与系统材料和润滑油兼容;⑥具有零臭氧消耗潜能值(ODP),较低的全球变暖潜能。

在早期的中高温热泵技术研究中,R11、R113、R114 等曾在某些温度范围内做为工质使用。但由于它们属于氯氟烃(CFCs)类工质,根据蒙特利尔协议,已在2010 年被禁用。对于现在常用的热泵工质R22、R134a 等,由于受到自身热力性质以及现有压缩机性能的限制,采用R22 的热泵机组供热温度最高只能接近55℃,采用R134a 的热泵机组供热温度最高可达到70℃[6]。目前, 对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。

2.2 技术应用

(1)坑口电厂冷却水和矿井涌水的余热回收

在煤矿开采过程中,往往有大量的矿井涌水从井底水仓不断排到地面,水温一般一年四季稳定在18~20℃左右,其中蕴含着大量的低温热能;此外,许多煤矿建设了各类坑口电厂(燃煤坑口电厂,煤矸石、煤泥等各类资源综合利用电厂),其凝汽器冷却循环水水量巨大, 温度一般在20~40℃, 这部分低温热一般通过冷却塔散发到环境中,很少得到利用。而同时,煤矿地面建筑(办公楼、生产系统、职工宿舍、食堂等)供暖、井筒冬季防冻以及职工洗浴热水通过燃煤锅炉提供,消耗了大量煤炭。

云驾岭煤矿等[27~28]就以18~20℃矿井涌水和20~40℃的坑口电厂凝气冷却水为热源,采用高温热泵和低温热泵结合: 高温热泵产生的70~75℃的热水作为矿区地面建筑冬季采暖,低温热泵则产生60℃左右的热水用于井筒保温和职工浴室喷淋。采用热泵技术以来, 矿区每年节约煤炭消耗4000~5000t,减排CO2 12000~14000t,节能减排效果非常显著。

(2)涂装、电镀车间余热回收

金属前处理是电镀工艺过程中的重要工序,同时也是一项高能耗的工序。电镀槽溶液加热无论采用直接加热或间接加热, 都需要消耗大量的能量;与此同时,大量的热量也散失到车间环境,影响了车间工作人员的舒适度。重庆某金属前处理车间采用高温热泵技术,以车间热空气为热源,产生75℃左右的热水,间接加热电镀槽溶液[29]。采用高温热泵技术后, 一方面减少甚至取代以往的蒸汽消耗,经济效益显著,另一方面还显著改善车间工人的工作环境,一举两得。

总的来说,虽然中高温热泵技术需要消耗一定的电能,但热泵机组COP 一般都在3以上,相对电加热、燃煤锅炉供热、燃气锅炉供热等,其消耗很少的电能但是回收利用了大量的工业余热废热,其经济性和取得的环保效益是不言而喻。

三.热泵技术发展以及未来趋势

热泵技术作为一项可以把热能由低温位热源(如空气、水、土壤、太阳能以及工业废水等)转移到高温位热源的能量利用技术,存在着极大的节能减排潜力。目前,冷凝温度低于50℃的常温热泵技术已经比较成熟,而对于冷凝温度在80℃以上的中高温热泵技术,我国起步还较晚。由于中高温热泵可提供的温度范围有着更广阔的应用领域,因此其成为国内外热泵研究领域的热点。

我国在高温热泵技术研究和开发方面起步较晚,但随着国家开始大力倡导节能减排,在专家学者的不懈努力下,我国在中高温热泵技术方面也取得了不少研究成果,并进行了诸多工程应用,经济效益和环保显著。未来,随着该项技术的不断成熟、不断推广,其应用范围还将不断扩展,在节能减排领域还将大有作为。

四.结语

热泵技术在工业余热回收中的应用具有很高的经济性和环保性。针对当前出现的世界能源危机,我国将节能减排工作提升到国家战略高度,在能源消耗行业中,工业能耗占有相当大的比重。很多工业部门存在一边放热,而另一边却需热的不台理能量利用形式,具有很大的节能潜力。综上, 热泵是人们开发利用热能的有力工具, 借助热泵技术, 既能够把废弃的低温工业余热充分利用, 也可以有效利用中高温余热,提高了能源的利用率。拥有大量余热资源的工业行业, 应用热泵技术的潜力是很大的。

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