超高溫熱泵在廢熱回收中的應用

文 鄭秋云 張信榮 盛劍霄 孟炳良

1北京大學工學院 2北大工學院紹興技術(shù)研究院 3北京大學包頭研究院

1 熱泵在廢熱回收中的優(yōu)勢

熱泵在運行過程中消耗的高位能較少，而所供給的熱量是消耗的高位能與吸取的低位熱量的總和，因此，采用熱泵裝置可以充分利用低品位廢熱能量而節(jié)約電、煤等高品位能源。而且熱泵在利用低溫廢熱制取高溫熱源的同時，在蒸發(fā)端進一步降低低溫熱源端的溫度，對低溫熱源具有制冷的作用，所以對同時需要供冷和供熱的場合，采用熱泵裝置將非常有效減少高品位能源的消耗。由熱泵制熱的能效比（COP值）計算公式：

所以，熱泵在廢熱回收利用過程中制熱的COP>1。故熱泵一方面其從廢熱過程中吸取熱量，減少廢熱產(chǎn)生的熱污染；另一方面高效制取的高品位高溫熱源可供工業(yè)、民用等，減少了企業(yè)、城市等對石化能源或電力資源的依賴，充分體現(xiàn)了清潔、環(huán)保能源技術(shù)在廢熱回收過程中的經(jīng)濟、環(huán)保優(yōu)勢。

2 超高溫熱泵技術(shù)

目前常見的熱泵一般只能制取60～70℃的高溫熱源溫度，偶爾有實現(xiàn)80℃以上的超高溫熱泵，且其COP值較低，使用的流體工質(zhì)一般含氟，對大氣有一定的破壞作用。而對實現(xiàn)制取85℃以上超高溫熱源，且具有較高的COP值，流體工質(zhì)對大氣破壞（主要指造成地球溫暖化和臭氧層破壞）很小的熱泵主要有以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：

(1)高效且適應于高溫應用的壓縮機技術(shù)：壓縮機是熱泵系統(tǒng)中的主要能耗設備，降低壓縮機的功率可大大提高熱泵的COP值。

(2)流體工質(zhì)：流體工質(zhì)是熱泵系統(tǒng)中從低溫廢熱吸取熱量并轉(zhuǎn)換為高溫熱源的攜帶體，采用大熱容、低粘性、能在較高溫差下易實現(xiàn)壓縮和蒸發(fā)的流體工質(zhì)是實現(xiàn)超高溫熱泵高效回收廢熱的關(guān)鍵。采用無氟流體工質(zhì)，則可大大減少對環(huán)境的破壞。

(3)蒸發(fā)器和冷凝器換熱技術(shù)：采用耐腐蝕、高換熱效率的材料制取蒸發(fā)器和冷凝器可明顯提高廢熱回收的效率。另外在一些特殊情況下，蒸發(fā)器和冷凝器的換熱面積，以及換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得蒸發(fā)器和冷凝器與整個熱回收系統(tǒng)匹配，從面提高超高溫熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制取熱水的溫度。

(4)控制技術(shù)：采用與熱泵系統(tǒng)匹配的智能自動化控制技術(shù)，一方面增加熱泵系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，另一方面可減少人力成本。

3 案例分析

3.1 案例1─浙江省紹興市某印染企業(yè)印染廢水廢熱回收

浙江省紹興市某印染企業(yè)45℃左右的印染廢水，利用超高溫熱泵每天將100t的41℃溫水制取85～95℃的熱水供印染漂洗、鍋爐補水等用，整套超高溫系統(tǒng)采用智能自動控制。案例的設備現(xiàn)場圖見圖1。

圖1 設備制造現(xiàn)場檢測設備

在實際運行過程中，經(jīng)檢測可生產(chǎn)116.3t/d的熱水，溫度由41℃提升到90.1℃，溫升為49.1℃，產(chǎn)生熱量23878MJ/d，超高溫熱泵的COP=5.207。若水的比熱c=4.2kJ/(kg·K)；1kg標準煤熱量=5000kcal；鍋爐效率=35.52%。將采用超高溫技術(shù)與傳統(tǒng)鍋爐加熱相對比進行核算，則有上述超高溫熱泵產(chǎn)生的熱量相當于每天需煤量L1為：

每年（按350天計算）對應的煤鍋爐運行成本為：

（1）設備（35萬元×0.1）+人工成本（6人×4500元/月×12月）+燃煤（3200kg×350d×0.8元/kg）+電（336kWh/d×350d×0.76元/ kWh）=134.44萬元；

（2）脫硫脫硝設備（15萬元×0.1）+人工成本（3人×4500元/月×12月）+電（120 kWh /d×350d×0.76元/ kWh）=20.9萬元。

而采用超高溫熱泵技術(shù)，由于智能自動控制，人力成本可以忽略不計，其COP=5.207，所以需電量L2=1273.8 kWh，折合運行費用為：1273.8 kWh×0.76元/ kWh×350d=33.88萬元。

所以采用超高溫熱泵技術(shù)后，印染企業(yè)可以節(jié)省成本為：134.44+20.9-33.88=121.46萬元。

另外，該企業(yè)采用超高溫熱泵回收印染廢熱制取高溫熱水后，可以每年節(jié)省燃煤鍋爐的蒸汽冷凝水3249.02t，減排NOx 4337.95kg、煙塵1535.87kg、SO24982.78kg。同時，還可以減少循環(huán)水向環(huán)境的散熱和散濕，有利于改善該印染企業(yè)周邊的大氣環(huán)境，具有很好的環(huán)保和社會效益。

3.2 案例2─山西省某發(fā)電廠乏汽廢熱回收

利用0.7MPa的低壓蒸汽驅(qū)動超高溫無氟熱泵從凝汽器的乏汽中吸取熱量，一方面使得乏汽冷凝成水，增加發(fā)電機組的真空度，另一方面利用超高溫熱泵制取高溫熱水作為鍋爐補給水或供暖，超高溫熱泵機組在運行過程中采用智能自動控制。案例運行時，冷凝器乏汽進口壓力5.2kPa（查表得此壓力下蒸汽冷凝溫度34.2℃，相變熱2419.7kJ/kg）。雖然進入熱泵的冷水溫度隨著季節(jié)變化較大，但在進水冷水溫度低于30℃時，COP值都大于4，最高可到5.42，在運行過程中進水溫度與COP、出水溫度的對應關(guān)系見圖2。

（1）真空度提高后的經(jīng)濟、環(huán)保效益。據(jù)有關(guān)資料顯示300MW機組，真空度每提高1%，標準煤消耗下降3.07g/kWh，對于300MW機組運行一年（按350天計算），則可節(jié)省的煤為：300MW×3.07g/kWh×24h/d×350d=7736.4t。煤按照800元/t計算，則可以節(jié)省用煤費為：7736.4t×0.08萬元/t=618.912萬元。

（2）節(jié)省抽汽量的經(jīng)濟、環(huán)保效益。電廠需要利用蒸汽加熱冷水為鍋爐補給和給居民供暖，采用超高溫無氟熱泵，則可以大大地節(jié)省抽汽量。0.7MPa下，水的飽和溫度是164.95℃，蒸汽等壓熱容為2.5393 kJ/kg·K，水等壓熱容為4.3509 kJ/kg·K，潛熱值為2065.8 kJ/kg。假設蒸汽是在等壓下?lián)Q熱的，即蒸汽換熱端保持0.7MPa壓力，那么，每千克330℃的蒸汽冷卻到130℃的水（此時為液態(tài)）所放出的熱量為：2065.8 kJ+（330-164.95）K×2.5393kJ/℃+（164.95-130）K×4.3509kJ/K≈2637kJ。直接采用蒸汽制取100MW的熱量則需抽汽：100MW÷2637kJ≈37.9kg/s≈137t/h。

而采用蒸汽驅(qū)動熱泵回收乏汽熱量則若電廠的汽輪機低壓缸（0.7MPa）的做功效率是在80%左右，不妨假設這些機械功之中只有80%是能成功推動壓縮機工作的有效功，則蒸汽推動壓縮機工作的效率近似為60%。另外，取熱泵COP=4，所以利用0.7MPa的低壓蒸汽驅(qū)動熱泵的抽汽量為：100MW÷4÷0.6÷2637kJ/kg≈15.75kg/s≈56.88t/h。

若0.7MPa的這類蒸汽按照200元/t計算，則年（按350天計算）可節(jié)省蒸汽費用為：(137t/h-56.88 t/h)×24h/d×350d×200元/t=13460.16萬元。

（3）對冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。電廠需要對乏汽進行冷卻而確保其真空度，300MW機組的電廠需要1500t/h的冷水對乏汽進行冷卻。若采用超高溫熱泵，則不需要冷卻水冷卻乏汽，工業(yè)用水按照3.2元/t，則電廠每年（按350天計算）可節(jié)省水費為：1500t/h×24h/d×350d×3.2元/t=4032萬元。

（4）電廠采用超高溫無氟熱泵技術(shù)帶來的節(jié)水、節(jié)煤，從而對水資源的平衡以及二氧化碳、氮氧化物、硫化物的減少等環(huán)境效益則更加明顯、優(yōu)越。

4 結(jié)論

目前我國在印染、火電、冶金、煉油等眾多高能耗行業(yè)存在大量的廢熱資源，沒有實現(xiàn)回收再利用。要實現(xiàn)這些行業(yè)的轉(zhuǎn)型，降低其對石化、電力等高品位能源的消耗和依賴，對其廢熱資源回收再利用是一項關(guān)鍵任務。

超高溫熱泵技術(shù)在廢熱回收利用過程中具有經(jīng)濟、綠色、環(huán)保等特點，它不僅可以降低高能耗行業(yè)中廢熱產(chǎn)生的熱污染，實現(xiàn)供冷，而且制取的高溫熱源能用于工業(yè)、供暖、物料烘干等領(lǐng)域。這對實現(xiàn)國家的節(jié)能減排目標，實現(xiàn)國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等夠具有十分重要的意義。