熱泵在工業(yè)余熱回收中的作用

1、熱泵在工業(yè)余熱回收中的作用摘要：基于現(xiàn)代熱泵技術(shù)，簡(jiǎn)述了吸收式熱泵和壓縮式熱泵的工作原理及在工業(yè) 余熱回收中的應(yīng)用，對(duì)常用的吸收式熱泵的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。并分析了熱泵在工業(yè)中低溫和中高溫的余熱中的回收利用。關(guān)鍵詞：壓縮式熱泵吸收式熱泵 工業(yè)余熱低溫中高溫前言：熱泵技術(shù)是近年來(lái)在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。“熱泵”，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(jīng)過(guò)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，能源的需要量越來(lái)越大，有很多場(chǎng)合需要溫度不太高的 低溫?zé)崮?通常是以高熱值的一次能源轉(zhuǎn)換獲得，與此同時(shí)工

2、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性差，應(yīng)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(yùn)行，以制熱工況為例，壓縮式熱泵 基本循環(huán)過(guò)程為低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中將等壓吸收水源側(cè)熱量變?yōu)楦邷?低壓氣體，然后進(jìn)入壓縮機(jī)，絕熱壓縮成高溫高壓氣體，再進(jìn)入冷凝器向用戶側(cè) 等壓放熱后變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥絕熱節(jié)流后成為低溫低壓的制 冷劑，制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器開(kāi)始新的循環(huán).1991年初在制訂寶鋼中長(zhǎng)期能源規(guī)劃 時(shí)，為了提高寶鋼能源利用率，提出了利用低溫余

3、熱資源的問(wèn)題。同年4季度成 立了 “低溫余熱資源回收技術(shù)一蒸汽壓縮式水一水熱泵的研究和應(yīng)用”課題組選定寶鋼能源部制氧車間清循環(huán)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(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟?的循環(huán)系統(tǒng)。是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)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?zé)嵩矗a(chǎn)生大量的中 溫有用熱能。即利用高溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)，把低溫?zé)嵩吹臒崮芴岣叩街袦?，從而提高?熱能的利用效率。第一類吸收式熱泵的性能系數(shù)大于 1, 一般為1.52.

4、5。第二類吸收式熱泵，也稱升溫型熱泵，是利用大量的中溫?zé)嵩串a(chǎn)生少量的高 溫有用熱能。即利用中低溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)，用大量中溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臒釀?shì)差，制 取熱量少于但溫度高于中溫?zé)嵩吹臒崃?，將部分中低熱能轉(zhuǎn)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(shù)總是小于1, 一般為0.40.5。兩類熱泵應(yīng)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(gè) 熱源溫度的變化對(duì)熱泵循環(huán)會(huì)產(chǎn)生直接影響，升溫能力增大，性能系數(shù)下降。2.2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?、燃油?燃?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?廢熱水）的熱能，制取所

5、需要的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑崴瑢?shí)現(xiàn)從低溫向 高溫輸送熱能的設(shè)備。熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)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(nèi)的不凝性氣體，并保持熱泵內(nèi)一直處于高真空狀態(tài)。第二類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組也是回收利用低溫?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崴?，?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè) 備。它以低溫?zé)嵩矗◤U熱水）為驅(qū)動(dòng)熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比 低溫?zé)嵩礈囟雀叩臒崦剑崴?。它與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(lái)驅(qū)動(dòng)，但需要較低溫度的冷卻水。2.3吸收式

6、熱泵以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，不破壞大氣臭氧層， 而且具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。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(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的。同時(shí)作為集中供熱主熱源的熱電廠 而言，存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題有待解決。一是汽輪機(jī)抽汽在加熱一次網(wǎng)回水的過(guò)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(jī) 組存在大量的汽輪機(jī)凝汽器余熱通過(guò)冷卻塔排放掉，該部分熱量可占燃料燃燒總發(fā)熱量的20%將這部分熱量用于供熱，相對(duì)于在不增加電廠容量，不增加當(dāng)?shù)?排放，耗煤量和發(fā)電量都不變的情況下， 擴(kuò)大了熱源的供熱能力，為集中供熱系 統(tǒng)增加了熱量，提高了電廠的綜合能源

7、利用效率，同時(shí)可以減少電廠循環(huán)冷卻水 蒸發(fā)量，節(jié)約水資源，并減少向環(huán)境排放熱量，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán) 境效益。2.4主要優(yōu)點(diǎn)：（1）吸收式熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(gè)重要特點(diǎn)：（2）能夠回收利用大最低溫?zé)崮苋绻に嚠a(chǎn)生的各種余熱、廢熱、排熱等，提高 一次能源利用率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。（3）以高溫?zé)崮茏鳛轵?qū)動(dòng)力，雖然高溫?zé)崮艿钠肺遁^高、價(jià)值較大，但遠(yuǎn)沒(méi)有電力的價(jià)值和作用高，所以較之傳統(tǒng)壓縮式熱泵機(jī)組的節(jié)能效益會(huì)更加優(yōu)異。當(dāng) 前在我國(guó)電力普遍緊缺的條件下，這類型熱泵的工程應(yīng)用價(jià)值更為突出。（4）吸收式熱泵機(jī)組只有功率較小的溶液循環(huán)泵及真空

8、屏蔽泵在運(yùn)轉(zhuǎn)，再無(wú)其 他運(yùn)行部件，機(jī)組運(yùn)行安靜無(wú)噪音。（5）吸收式熱泵系統(tǒng)循環(huán)溶液工質(zhì)多選用溴化鋰溶液，無(wú)毒、無(wú)異味，滿足環(huán) 境要求。（6）整個(gè)系統(tǒng)各裝置大多在負(fù)壓環(huán)境中運(yùn)行，不存在爆炸等安全隱患。（7）機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)隨各裝置運(yùn)行壓力的變化實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍廣，適應(yīng) 能力強(qiáng)。（8）日常管理、維護(hù)便捷?，F(xiàn)階段結(jié)構(gòu)裝置的制造水平集成度高，日常可靠性 高，便于自動(dòng)化控制與模塊化拆裝維修。（9）由于機(jī)組運(yùn)行非常安靜，安裝基礎(chǔ)要求較低，所以同樣適用于艦艇、醫(yī)院、 賓館等高要求場(chǎng)所。（10）單效吸收式熱泵機(jī)組可以一機(jī)多用.冬季供熱、夏季供冷，機(jī)組自身以及 高溫驅(qū)動(dòng)熱源系統(tǒng)全年運(yùn)行的工況差異較小，安全生產(chǎn)

9、得以保障。主要缺點(diǎn)：（1）機(jī)組對(duì)真空度的要求苛刻。通過(guò)實(shí)踐表明，即便是漏入微量的空氣也會(huì)嚴(yán) 重影晌機(jī)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(jī)組循環(huán)運(yùn)行中的制冷劑為水.因此通常情況下機(jī)組只能制取 5 C以上 的冷媒水，多用于空氣調(diào)節(jié)以及一些生產(chǎn)工藝用冷凍水， 限制其夏季的使用范圍。（3）溴化鋰價(jià)格昂貴，且機(jī)組充灌量大，初投資相對(duì)較高。2.5吸收式熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)相結(jié)合的集中供熱技術(shù)，能源利用高，比常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式大幅度減少運(yùn)行費(fèi)。第一類熱泵，以凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電廠回收余熱應(yīng)用為例。汽輪機(jī)的排汽傳統(tǒng)方法采用經(jīng)雙曲線冷卻塔冷卻后的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻塔冷卻為30C左右的循環(huán)水經(jīng)

10、凝汽器后溫度升為40C左右?，F(xiàn)采用第一類吸收式熱泵，以40C的循環(huán) 水作為低溫?zé)嵩?，?.50.8MPa,250C的抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，制取85C的采暖 用熱水，冷卻水降至30C后再去凝汽器循環(huán)利用。減少了電廠雙曲線冷卻塔的冷 卻水損耗。系統(tǒng)改造后增加供熱能70.5MV，解決了電廠供熱能力不足問(wèn)題，由于 回收凝氣余熱用于供熱，整個(gè)采暖季節(jié)約標(biāo)煤約30000t。減少SO2排放289t/a 、 減少NOX排放251.6t/a 、減少CO2排放89880t/a、灰渣排放9880t/a。此外由 于吸收式熱泵機(jī)組冷卻水冷卻汽機(jī)凝汽，采暖季可減少冷卻水塔損失210000t。齊齊哈爾某熱電廠二臺(tái)125M雙抽氣

11、供熱機(jī)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(wǎng)實(shí)際供水 溫度為121C，回水溫度為55C。二次管網(wǎng)實(shí)際供水溫度為70C ;實(shí)際總抽汽量 為290455噸/小時(shí)。如在原有的一級(jí)換熱站附近設(shè)一個(gè)吸收式熱泵機(jī)房，將30C的供熱回水先通過(guò)熱泵機(jī)組加熱至75C左右再由抽汽加熱至120C供出，可使得 主機(jī)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(qū)動(dòng)吸收熱 泵主機(jī)來(lái)吸收余熱循環(huán)水中的熱量，則實(shí)際可以提供的熱量為63.24M W按平均每平米熱負(fù)荷60W計(jì),則實(shí)際可以增加供暖面積為：105萬(wàn)平方米。改造后每小時(shí) 能

12、減少蒸汽的用量為84.8t，采暖季減少標(biāo)煤的用量為27518.4t，采暖季CO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(shù)情況簡(jiǎn)介1.工業(yè)余熱回收中低溫余熱的熱泵技術(shù)：將熱量從低溫部提取出來(lái)，必須創(chuàng)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(zhì)（即工質(zhì)）的蒸發(fā)與冷凝來(lái)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(jī)將蒸發(fā)的工質(zhì)蒸汽不斷吸進(jìn)，壓縮 到以獲得供熱為目的的冷凝溫度所對(duì)應(yīng)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?yōu)槲覀冃枰臒崴?，而工質(zhì)將熱

13、量釋放給冷卻 水的同時(shí)自身液化，然后減壓返回低溫部，再?gòu)牡蜏夭课崃孔兂烧羝?，這種 過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，使低溫部熱量不斷地傳向高溫部HI 于由|哲渤壓IB機(jī) 人川圖熱泵工質(zhì)的壓焓圖從圖中可以看到熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)完全一樣，同屬于逆向卡諾循環(huán)。熱泵主要 由蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器和膨脹閥組成。熱泵設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平主要取決于供熱系數(shù),而供熱系數(shù)CO由Q1和AL決定：COP=Q1/AL=Q1/(Q1-Q2)式中：Q1 熱泵機(jī)組從低溫?zé)嵩刺幬〉臒崃?k J / h ;Q2 熱泵機(jī)組輸出的熱量,k J/ h ;AL 熱泵機(jī)組耗功的熱 當(dāng)量 ,k J/ h從上式可知供熱系數(shù)大于1 ,也就是說(shuō)熱泵與電熱器相比，兩者雖

14、然投入同樣 的功量(AL),但熱泵可獲得數(shù)倍于電熱器的熱量，其值為供熱系數(shù)的值。所以使 用熱泵總是能夠節(jié)約能源的2.工業(yè)余熱回收高溫余熱的熱泵技術(shù) 2.1技術(shù)分析在高溫?zé)岜醚芯恐?，工質(zhì)的選取是關(guān)鍵。對(duì)高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的要求為5:適中的冷凝壓力，若考慮采用現(xiàn)有的常規(guī)部件，則冷凝壓力要低于2.4MPa；蒸發(fā)壓力在O.IMPa以上，防止在系統(tǒng)中形成負(fù)壓；盡可能高的單位容積制熱 量和COP防止系統(tǒng)規(guī)模過(guò)于龐大；盡可能低的壓比、排溫；不可燃、化學(xué) 穩(wěn)定性好，與系統(tǒng)材料和潤(rùn)滑油兼容；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?zé)岜眉夹g(shù)研究中，R11、R113 R114等曾在某些溫度范圍

15、內(nèi) 做為工質(zhì)使用。但由于它們屬于氯氟烴（CFCs）類工質(zhì)，根據(jù)蒙特利爾協(xié)議，已在 2010年被禁用。對(duì)于現(xiàn)在常用的熱泵工質(zhì)R22 R134a等，由于受到自身熱力性 質(zhì)以及現(xiàn)有壓縮機(jī)性能的限制，采用 R22的熱泵機(jī)組供熱溫度最高只能接近 55C,采用R134a的熱泵機(jī)組供熱溫度最高可達(dá)到70C 6。目前，對(duì)高溫?zé)岜?的研究多集中在適宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。2.2技術(shù)應(yīng)用（1）坑口電廠冷卻水和礦井涌水的余熱回收在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，往往有大量的礦井涌水從井底水倉(cāng)不斷排到地面，水溫 一般一年四季穩(wěn)定在1820C左右，其中蘊(yùn)含著大量的低溫?zé)崮?；此外，許多煤 礦建設(shè)了各類坑口電廠（燃煤坑口電廠

16、，煤矸石、煤泥等各類資源綜合利用電廠）， 其凝汽器冷卻循環(huán)水水量巨大，溫度一般在2040C,這部分低溫?zé)嵋话阃ㄟ^(guò)冷卻塔散發(fā)到環(huán)境中，很少得到利用。而同時(shí)，煤礦地面建筑（辦公樓、生產(chǎn)系統(tǒng)、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(guò)燃煤鍋爐提 供，消耗了大量煤炭。云駕嶺煤礦等2728就以1820C礦井涌水和2040C的坑口電廠凝氣冷 卻水為熱源，采用高溫?zé)岜煤偷蜏責(zé)岜媒Y(jié)合：高溫?zé)岜卯a(chǎn)生的7075C的熱水作為礦區(qū)地面建筑冬季采暖，低溫?zé)岜脛t產(chǎn)生60C左右的熱水用于井筒保溫和職工 浴室噴淋。采用熱泵技術(shù)以來(lái)，礦區(qū)每年節(jié)約煤炭消耗40005000t，減排CO21200014000t，節(jié)能減

17、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(guò)程中的重要工序，同時(shí)也是一項(xiàng)高能耗的工序。電 鍍槽溶液加熱無(wú)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(shí)，大量的熱量也散失到車間環(huán)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?zé)岜眉夹g(shù)，以車間熱空氣為熱源，產(chǎn)生75C左右的熱水，間 接加熱電鍍槽溶液29。采用高溫?zé)岜眉夹g(shù)后，一方面減少甚至取代以往的蒸汽消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著，另一方面還顯著改善車間工人的工作環(huán)境，一舉兩得。總的來(lái)說(shuō)，雖然中高溫?zé)岜眉夹g(shù)需要消耗一定的電能，但熱泵機(jī)組COP般都在3以上，相對(duì)電加熱、燃煤鍋爐供熱、燃?xì)忮仩t供熱等，其消耗很少的電

18、能 但是回收利用了大量的工業(yè)余熱廢熱，其經(jīng)濟(jì)性和取得的環(huán)保效益是不言而喻。三. 熱泵技術(shù)發(fā)展以及未來(lái)趨勢(shì)熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)可以把熱能由低溫位熱源(如空氣、水、土壤、太陽(yáng)能以 及工業(yè)廢水等)轉(zhuǎn)移到高溫位熱源的能量利用技術(shù)，存在著極大的節(jié)能減排潛力。 目前，冷凝溫度低于50C的常溫?zé)岜眉夹g(shù)已經(jīng)比較成熟， 而對(duì)于冷凝溫度在80C 以上的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)，我國(guó)起步還較晚。由于中高溫?zé)岜每商峁┑臏囟确秶?著更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，因此其成為國(guó)內(nèi)外熱泵研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。我國(guó)在高溫?zé)岜眉夹g(shù)研究和開(kāi)發(fā)方面起步較晚，但隨著國(guó)家開(kāi)始大力倡導(dǎo)節(jié) 能減排，在專家學(xué)者的不懈努力下，我國(guó)在中高溫?zé)岜眉夹g(shù)方面也取得了不少研 究成果，并進(jìn)行了諸多工程應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保顯著。未來(lái)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的 不斷成熟、不斷推廣，其應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)展，在節(jié)能減排領(lǐng)域還將大有作為。四. 結(jié)語(yǔ)熱泵技術(shù)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用具有很高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。針對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的世界能源危機(jī)，我國(guó)將節(jié)能減排工作提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度， 在能源消耗行業(yè) 中，工業(yè)能耗占有相當(dāng)大的比重。很多工業(yè)部門存在一邊放熱，而另一邊卻需熱 的不臺(tái)理能量利用形式，具有很大的節(jié)能潛力。綜上，熱泵是人們開(kāi)發(fā)利用熱能 的有力工具，借助熱泵技術(shù)，既能夠把廢棄的低溫工業(yè)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(yè)行業(yè)，應(yīng) 用熱