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  2. 熱泵在工業余熱回收中的作用

    基于現代熱泵技術,簡述了吸收式熱泵和壓縮式熱泵的工作原理及在工業余熱回收中的應用,對常用的吸收式熱泵的應用進行了簡單的介紹。并分析了熱泵在工業中低溫和中高溫的余熱中的回收利用。?

    熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術?!盁岜谩?,顧名思義,它是輸送“熱量”的泵,是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能,經過電力做功,提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。隨著科學技術的進步, 現代工農業的高速發展, 能源的需要量越來越大,有很多場合需要溫度不太高的低溫熱能,通常是以高熱值的一次能源轉換獲得,與此同時工農業生產中大量余熱被丟棄。熱泵大致可分兩大類: 一是蒸汽壓縮式; 二是吸收式, 這是熱泵的主流。還有其他型式的熱泵, 但由于效率低或耗電量大或經濟性差, 應用受到限制。

    一.熱泵類型分類

    1.壓縮式熱泵

    壓縮式熱泵可在制熱和制冷兩種工況下運行,以制熱工況為例,壓縮式熱泵基本循環過程為低溫低壓的制冷劑在蒸發器中將等壓吸收水源側熱量變為高溫低壓氣體,然后進入壓縮機,絕熱壓縮成高溫高壓氣體,再進入冷凝器向用戶側等壓放熱后變成低溫高壓的液體,最后經過節流閥絕熱節流后成為低溫低壓的制冷劑,制冷劑再流經蒸發器開始新的循環.1991年初在制訂寶鋼中長期能源規劃時, 為了提高寶鋼能源利用率, 提出了利用低溫余熱資源的問題。同年4 季度成立了“?低溫余熱資源回收技術—?蒸汽壓縮式水一水熱泵的研究和應用”?課題組選定寶鋼能源部制氧車間清循環水的回水作為低溫余熱資源, 制氧綜合樓作為熱泵供出熱( 冷) 水的用戶。

    2.吸收式熱泵

    吸收式熱泵是一種利用低品位熱源,實現將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送的循環系統。是回收利用低溫位熱能的有效裝置,具有節約能源、保護環境的雙重作用。?

    2.1 吸收式熱泵可以分為兩類:

    第一類吸收式熱泵,也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫熱源,產生大量的中溫有用熱能。即利用高溫熱能驅動,把低溫熱源的熱能提高到中溫,從而提高了熱能的利用效率。第一類吸收式熱泵的性能系數大于1,一般為1.5~2.5。

    第二類吸收式熱泵,也稱升溫型熱泵,是利用大量的中溫熱源產生少量的高溫有用熱能。即利用中低溫熱能驅動,用大量中溫熱源和低溫熱源的熱勢差,制取熱量少于但溫度高于中溫熱源的熱量,將部分中低熱能轉移到更高溫位,從而提高了熱源的利用品位。第二類吸收式熱泵性能系數總是小于1,一般為0.4~0.5。兩類熱泵應用目的不同,工作方式亦不同。但都是工作于三熱源之間,三個熱源溫度的變化對熱泵循環會產生直接影響,升溫能力增大,性能系數下降。

    2.2 第一類溴化鋰吸收式熱泵機組是一種以高溫熱源(蒸汽、高溫熱水、燃油、燃氣)為驅動熱源,溴化鋰溶液為吸收劑,水為制冷劑,回收利用低溫熱源(如廢熱水)的熱能,制取所需要的工藝或采暖用高溫熱媒(熱水),實現從低溫向高溫輸送熱能的設備。熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置,屏蔽泵(溶液泵和冷劑泵)等輔助部分組成。抽氣裝置抽除了熱泵內的不凝性氣體,并保持熱泵內一直處于高真空狀態。

    第二類溴化鋰吸收式熱泵機組也是回收利用低溫熱源(如廢熱水)的熱能,制取所需要的工藝或采暖用高溫熱媒(熱水),實現從低溫向高溫輸送熱能的設備。它以低溫熱源(廢熱水)為驅動熱源,在采用低溫冷卻水的條件下,制取比低溫熱源溫度高的熱媒(熱水)。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機組的區別在于,它不需要更高溫度的熱源來驅動,但需要較低溫度的冷卻水。

    2.3 吸收式熱泵以溴化鋰溶液作為工質,對環境沒有污染,不破壞大氣臭氧層,而且具有高效節能的特點。配備溴化鋰吸收式熱泵,回收電廠部分凝汽器排放大氣中的熱量,達到節能、減排、降耗的目的。同時作為集中供熱主熱源的熱電廠而言,存在兩個關鍵問題有待解決。一是汽輪機抽汽在加熱一次網回水的過程中存在很大的傳熱溫差,造成巨大的傳熱不可逆損失。二是目前大型抽凝式供熱機組存在大量的汽輪機凝汽器余熱通過冷卻塔排放掉,該部分熱量可占燃料燃燒總發熱量的20%。將這部分熱量用于供熱,相對于在不增加電廠容量,不增加當地排放,耗煤量和發電量都不變的情況下,擴大了熱源的供熱能力,為集中供熱系統增加了熱量,提高了電廠的綜合能源利用效率,同時可以減少電廠循環冷卻水蒸發量,節約水資源,并減少向環境排放熱量,具有非常顯著的經濟、社會與環境效益。

    2.4主要優點:

    (1)吸收式熱泵系統的驅動力為高渴熱能,不但能源形式豐富而且取材范田廣泛。其能源利用形式主要有兩個重要特點:

    (2)能夠回收利用大最低溫熱能如工藝產生的各種余熱、廢熱、排熱等,提高一次能源利用率、實現節能減排。

    (3)以高溫熱能作為驅動力,雖然高溫熱能的品味較高、價值較大,但遠沒有電力的價值和作用高,所以較之傳統壓縮式熱泵機組的節能效益會更加優異。當前在我國電力普遍緊缺的條件下,這類型熱泵的工程應用價值更為突出。

    (4)吸收式熱泵機組只有功率較小的溶液循環泵及真空屏蔽泵在運轉,再無其他運行部件,機組運行安靜無噪音。

    (5)吸收式熱泵系統循環溶液工質多選用溴化鋰溶液,無毒、無異味,滿足環境要求。

    (6)整個系統各裝置大多在負壓環境中運行,不存在爆炸等安全隱患。

    (7)機組負荷調節隨各裝置運行壓力的變化實現無級調節,應用范圍廣,適應能力強。

    (8)日常管理、維護便捷?,F階段結構裝置的制造水平集成度高,日??煽啃愿?,便于自動化控制與模塊化拆裝維修。

    (9)由于機組運行非常安靜,安裝基礎要求較低,所以同樣適用于艦艇、醫院、賓館等高要求場所。

    (10)單效吸收式熱泵機組可以一機多用.冬季供熱、夏季供冷,機組自身以及高溫驅動熱源系統全年運行的工況差異較小,安全生產得以保障。

    主要缺點:

    (1)機組對真空度的要求苛刻。通過實踐表明,即便是漏入微量的空氣也會嚴重影晌機組的能效,因此吸收式熱泵裝置的制造工藝要求很高。

    (2)熱泵機組循環運行中的制冷劑為水.因此通常情況下機組只能制取5℃以上的冷媒水,多用于空氣調節以及一些生產工藝用冷凍水,限制其夏季的使用范圍。

    (3)溴化鋰價格昂貴,且機組充灌量大,初投資相對較高。

    2.5?吸收式熱泵與熱電聯產相結合的集中供熱技術,能源利用高,比常規熱電聯產供熱方式大幅度減少運行費。

    齊齊哈爾某熱電廠二臺125MW雙抽氣供熱機組作為供熱蒸汽源,目前總的供熱能力為1004GJ/h,電廠供暖抽汽壓力為0.34MPa和0.225MPa;一次網實際供水溫度為121℃,回水溫度為55℃。二次管網實際供水溫度為70℃;實際總抽汽量為290~455噸/小時。如在原有的一級換熱站附近設一個吸收式熱泵機房,將30℃的供熱回水先通過熱泵機組加熱至75℃左右再由抽汽加熱至120℃供出,可使得主機供熱蒸汽的耗量能夠減少84.8t,而利用這84.8t中的一部分蒸汽驅動吸收熱泵主機來吸收余熱循環水中的熱量,則實際可以提供的熱量為63.24MW。按平均每平米熱負荷60W計, 則實際可以增加供暖面積為:105萬平方米。改造后每小時能減少蒸汽的用量為84.8t,采暖季減少標煤的用量為27518.4t,采暖季CO2減少量為71547.9t,采暖季SO2 減少量為619.1t ,?采暖季NOX 減少量為257.2t,采暖季粉塵減少量為468.8t。

    二.技術情況簡介

    1.工業余熱回收中低溫余熱的熱泵技術

    將熱量從低溫部提取出來, 必須創造比該低溫部更低的溫度, 為此在定壓定溫下,要靠熱泵利用一種中間介質( 即工質) 的蒸發與冷凝來完成, 且其飽和溫度具有隨壓力升高的特性。通常采用壓縮機將蒸發的工質蒸汽不斷吸進, 壓縮到以獲得供熱為目的的冷凝溫度所對應的冷凝壓力, 這樣便可以由低溫部吸取熱量傳給冷卻水, 使該冷卻水變為我們需要的熱水, 而工質將熱量釋放給冷卻水的同時自身液化, 然后減壓返回低溫部,再從低溫部吸取熱量變成蒸汽, 這種過程反復進行, 使低溫部熱量不斷地傳向高溫部

    圖 ?熱泵工質的壓焓圖

    從圖中可以看到熱泵循環與制冷循環完全一樣, 同屬于逆向卡諾循環。熱泵主要由蒸發器壓縮機冷凝器和膨脹閥組成。

    熱泵設計和運行水平主要取決于供熱系數, 而供熱系數COP由Q1和AL決定:

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

    式中: Q1—?熱泵機組從低溫熱源處吸取的熱量,k J / h ;

    ??????Q2—?熱泵機組輸出的熱量,k J/ h ;

    ??????AL —?熱泵機組耗功的熱當量,k J/ h

    從上式可知供熱系數大于1 , 也就是說熱泵與電熱器相比, 兩者雖然投入同樣的功量(AL), 但熱泵可獲得數倍于電熱器的熱量, 其值為供熱系數的值。所以使用熱泵總是能夠節約能源的

    2.工業余熱回收高溫余熱的熱泵技術

    2.1 技術分析

    在高溫熱泵研究中,工質的選取是關鍵。對高溫熱泵工質的要求為[5]:①適中的冷凝壓力,若考慮采用現有的常規部件,?則冷凝壓力要低于2.4MPa;②蒸發壓力在0.1MPa 以上,?防止在系統中形成負壓;③盡可能高的單位容積制熱量和COP,防止系統規模過于龐大;④盡可能低的壓比、排溫;⑤不可燃、化學穩定性好,與系統材料和潤滑油兼容;⑥具有零臭氧消耗潛能值(ODP),較低的全球變暖潛能。

    在早期的中高溫熱泵技術研究中,R11、R113、R114 等曾在某些溫度范圍內做為工質使用。但由于它們屬于氯氟烴(CFCs)類工質,根據蒙特利爾協議,已在2010 年被禁用。對于現在常用的熱泵工質R22、R134a 等,由于受到自身熱力性質以及現有壓縮機性能的限制,采用R22 的熱泵機組供熱溫度最高只能接近55℃,采用R134a 的熱泵機組供熱溫度最高可達到70℃[6]。目前,?對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質的選擇和制熱效率提高這兩個方面。

    2.2 技術應用

    (1)坑口電廠冷卻水和礦井涌水的余熱回收

    在煤礦開采過程中,往往有大量的礦井涌水從井底水倉不斷排到地面,水溫一般一年四季穩定在18~20℃左右,其中蘊含著大量的低溫熱能;此外,許多煤礦建設了各類坑口電廠(燃煤坑口電廠,煤矸石、煤泥等各類資源綜合利用電廠),其凝汽器冷卻循環水水量巨大,?溫度一般在20~40℃,?這部分低溫熱一般通過冷卻塔散發到環境中,很少得到利用。而同時,煤礦地面建筑(辦公樓、生產系統、職工宿舍、食堂等)供暖、井筒冬季防凍以及職工洗浴熱水通過燃煤鍋爐提供,消耗了大量煤炭。

    云駕嶺煤礦等[27~28]就以18~20℃礦井涌水和20~40℃的坑口電廠凝氣冷卻水為熱源,采用高溫熱泵和低溫熱泵結合:?高溫熱泵產生的70~75℃的熱水作為礦區地面建筑冬季采暖,低溫熱泵則產生60℃左右的熱水用于井筒保溫和職工浴室噴淋。采用熱泵技術以來,?礦區每年節約煤炭消耗4000~5000t,減排CO2 12000~14000t,節能減排效果非常顯著。

    (2)涂裝、電鍍車間余熱回收

    金屬前處理是電鍍工藝過程中的重要工序,同時也是一項高能耗的工序。電鍍槽溶液加熱無論采用直接加熱或間接加熱,?都需要消耗大量的能量;與此同時,大量的熱量也散失到車間環境,影響了車間工作人員的舒適度。重慶某金屬前處理車間采用高溫熱泵技術,以車間熱空氣為熱源,產生75℃左右的熱水,間接加熱電鍍槽溶液[29]。采用高溫熱泵技術后,?一方面減少甚至取代以往的蒸汽消耗,經濟效益顯著,另一方面還顯著改善車間工人的工作環境,一舉兩得。

    總的來說,雖然中高溫熱泵技術需要消耗一定的電能,但熱泵機組COP 一般都在3以上,相對電加熱、燃煤鍋爐供熱、燃氣鍋爐供熱等,其消耗很少的電能但是回收利用了大量的工業余熱廢熱,其經濟性和取得的環保效益是不言而喻。

    三.熱泵技術發展以及未來趨勢

    熱泵技術作為一項可以把熱能由低溫位熱源(如空氣、水、土壤、太陽能以及工業廢水等)轉移到高溫位熱源的能量利用技術,存在著極大的節能減排潛力。目前,冷凝溫度低于50℃的常溫熱泵技術已經比較成熟,而對于冷凝溫度在80℃以上的中高溫熱泵技術,我國起步還較晚。由于中高溫熱泵可提供的溫度范圍有著更廣闊的應用領域,因此其成為國內外熱泵研究領域的熱點。

    我國在高溫熱泵技術研究和開發方面起步較晚,但隨著國家開始大力倡導節能減排,在專家學者的不懈努力下,我國在中高溫熱泵技術方面也取得了不少研究成果,并進行了諸多工程應用,經濟效益和環保顯著。未來,隨著該項技術的不斷成熟、不斷推廣,其應用范圍還將不斷擴展,在節能減排領域還將大有作為。

    四.結語

    熱泵技術在工業余熱回收中的應用具有很高的經濟性和環保性。針對當前出現的世界能源危機,我國將節能減排工作提升到國家戰略高度,在能源消耗行業中,工業能耗占有相當大的比重。很多工業部門存在一邊放熱,而另一邊卻需熱的不臺理能量利用形式,具有很大的節能潛力。綜上, 熱泵是人們開發利用熱能的有力工具, 借助熱泵技術, 既能夠把廢棄的低溫工業余熱充分利用, 也可以有效利用中高溫余熱,提高了能源的利用率。擁有大量余熱資源的工業行業, 應用熱泵技術的潛力是很大的。

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